李欢欢 郑 瑞 李会琴 马 迪
（西安交通工程学院，陕西 西安 710300）
随着山区建筑的不断增多，山区落石灾害引发的社会和经济方面的问题屡见报道，其中在山区铁路、沿山公路、山区构造物、矿山建设等方面落石灾害引发的问题往往比较突出，落石灾害严重威胁着区域内人们的生命和财产安全。
相较于大规模的山体滑坡类地质灾害而言，落石灾害的规模一般不算大，造成的经济损失也更小。但是在危害等级方面，落石灾害引起的人员伤亡的数量和其他形式地质灾害导致的人员伤亡数量相当。因此，掌握落石冲击下山区建筑结构破坏机理，做好相应防护措施研究成为亟待解决的工程灾害防治问题。
落石灾害是指山区的石头在自然或人为因素影响下出现松动，进而在重力作用下由高处向低处滚落，落石会对其影响区内的建筑等造成破坏甚至威胁着人的生命安全。在美国、加拿大、意大利等山地较多的国家，落石灾害引起的人员死亡数量占比较大，造成的损失不断上升。
1992年Badge等研究者针对美国华盛顿州区域内高速公路沿线所做的相关研究表明，斜坡不稳定问题有45%是由落石引起。在我国，随着西部大开发的不断深入，在西部山区出现了大量基础工程建设项目，在水利工程、能源工程、铁路工程、矿山开采或旅游开发等项目中不可避免地出现了大量的高陡岩质边坡地质状况，工程项目遭遇落石灾害的概率也随之增加，落石致灾事件在工程项目中频发[1]。落石对其影响范围内的基础设施项目造成巨大经济损失以及落石灾害引发的人员伤亡报道屡见不鲜：1971年至1992年，在成昆铁路北段发生共238次214处落石灾害，行车被迫中断910小时16分钟；
1970至1983年，乌斯河工务段171km路段，发生420次落石灾害，造成桥梁、道岔、隧道口等结构损伤，其中直接击中列车有8次；
2005年雨季，皖赣铁路十里岩隧道口多次发生落石灾害，造成行车中断多次；
1999年3月25日早晨，浙江云和县西塘镇落石击中汽车，造成18人死亡；
2000年7月，重庆市万州区天生城落石灾害迫使近2000人的福建小学关闭转移；
2001年7月，贵州境内贵新公路一辆行驶中的客车被落石击穿，造成坐在副驾驶位上的乘客死亡；
2001年8月18日，陕西西万公路秦岭路段，一辆行驶中的大轿车被落石击中，造成6人重伤，2人死亡；
2002年5月，四川省绵竹县鲍竹路段一辆载有41名乘客的大客车受到巨石冲击，造成14人受伤，18人死亡；
2005年4月，重庆市忠县顺溪镇危岩体坍塌，输气管道的防护盖板被落下的石块击穿，致使输气管道的运营安全受到严重威胁；
2007年11月20日，湖北省巴东段高阳寨，宜万铁路沿线一辆过路客车遭遇隧道洞口岩体崩落，导致客车被埋，造成30余人当场死亡[2-3]。
随着我国西北经济的快速发展，西北部基础设施建设和资源开发力度正以前所未有的速度提高。我国西北部地区大多为山地地形，是落石灾害易发区域，以水电站建筑为例，分析落石灾害对山区建筑的影响。在西北部地区集中着大量的水力资源，因此集中了大量在建和待建水电站项目，水电站常建设在适合的高山峡谷地形，可以减少高坝水库的移民拆迁，还可以充分利用到达增加水电及保证出力的目的。作为输出电力的变电站建筑物，其开关站一般不能离高坝水库太远，大多只能建在紧邻水电站厂房的山脚下，一旦发生落石灾害还会威胁到开关站内工作人员人身安全。若落石正好击中站内的电力设备，将会造成输电突然中断，这种突然甩负荷将严重威胁机组的正常运行，直接冲击电网的稳定，引的经济损失将是不容忽视的。因此，考虑山上落石对开关站内机器正常运行的影响就至关重要。位于黄河上游的某个大型水电站，在其施工期间曾发生一起岸坡落石灾害并造成了人员伤亡，该工程项目为了确保电力输出的安全，专门修建了出线楼，用以防止落石灾害。
综上，为防止落石灾害造成的巨大损失，需提高位于山区的建筑物屋面板的抗落石冲击性能，可通过一定的缓冲措施降低落石对屋面板的冲击效应。
目前，针对山区落石灾害的防护研究已成为地质灾害研究领域日益值得关注的问题，国内外很多专家学者和相关机构都在这个方面进行了各种有益的探索。基于冲击荷载作用下建筑结构的动力响应方面的研究较多，落石冲击下结构的动力响应研究大都集中在挡土墙、混凝土梁、混凝土板等构件层面，落石冲击下棚洞结构的动力响应研究也较多，且大多数都是研究整体建筑结构在落石冲击荷载作用下的动力响应。
就研究方法来说，主要以试验研究为主，包括室内模型试验、现场滚石试验、柔性防护网冲击试验等，如图1所示。
图1 落石冲击试验
法国萨瓦大学研究者们进行了SDR新型耗能棚洞结构试验，对其抗落石冲击进行试验和数值模拟分析[5]；
苏黎世联邦理工学院，研究者们针对不同缓冲材料的耗能作用进行对比，对过廊棚洞设不同缓冲材料时的动力响应进行了试验分析[6]；
法国艾曼、艾伯特等人采用复合缓冲层体系，也称为“三明治”体系，进行相关抗落石冲击试验研究[7]；
2012年西南交通大学分别进行了钢筋混凝土柱抗落石撞击试验和新型活动式被动防护系统抗落石冲击试验。
试验得出的数据一般都具有直观性、准确性、综合性等特点，试验研究是正确理解落石问题最直观的方法，但是同时试验研究又缺乏系统性，而且通常试验具有很强的局限性，这些因素会使试验结果的工程意义有限。
另外一种方法就是以动力学和运动学为基础的理论研究，关键为建立比较合理的数学分析计算模型，要用到的分析方法包括静力学方法、概率统计法、瞬时动力学方法等，其中瞬时动力学方面，常采用有限元数值方法进行仿真模拟研究。
我国在落石灾害防护研究方面起步比较晚，瑞士的BRUGG公司和意大利的SITAF公司是著名的专门从事落石防治研究的公司。在20世纪70年代，瑞士BRUGG公司研发出钢绳栏石网系统用于滚石防护，此防护技术于20世纪80年代被引入美国，BRUGG公司在1995年进入中国。现今国内已有边坡防护网有限公司成立并开展业务，如成都奥思特也都在迅速发展着。
目前，国内外落石防护研究机构针对落石的主要研究成果集中在对崩塌及落（滚）石的运动轨迹、冲击动能、停留范围、防护措施等方面，针对落石与防护结构的碰撞接触作用过程、落石冲击瞬时的动力响应规律以及防护措施的失效模式还基本没有研究。
地质灾害崩塌、落石在山区非常常见。为了防治落石灾害，根据长期的工程实践经验，建立了以主动防护和被动防治相结合的防治措施。其中主动防护措施是指以“看、清、支、接、固”为主的防护措施，“看”是指设置预警装置，在设定点看守；
“清”是指清除看似有危险的石头；
“支”是指设置支挡结构加固边坡和墙体，达到保护边坡和墙体的目的；
“接”是指把墙体连接起来，相当于一个护栏；
“固”是指通过锚固、喷锚封闭等措施加固危岩。被动防治措施是指以遮拦、防护、绕避为主的防治措施，其中遮拦措施的典型例子为明洞和棚洞，常见的防护措施如SNS软网防护，绕避最常见的是更改线路绕开危岩。从实践中可以看到，这些措施确实对崩塌、落石灾害起到了相应的防治作用。
对这些防治措施的特点从功能和适用条件方面进行简单描述：“看”能一定程度上减轻危害，但并不能从根本上防治危害；
“清”对车辆运行影响较大而且很容易产生新的问题；
“支”和“固”要求边坡坡面要稳定并且地质的整体性要好，同时需要“支”和“固”结构物一般都比较高，施工难度较大，而且一旦施工实施不好，这些高结构物自身就会成为崩塌灾害的物质来源，而对于喷锚工程，锚杆的锚固施工就会破坏岩体的整体性；
“接”虽可以说是较好的防治措施，但由于结构被连接成了一个整体，缺少了遮挡及躲避落石灾害的功能；
“软网防护”能对破碎岩面的小规模落石到相对较好的防护作用，但还没有实践检验其对中、大规模崩塌的防治效果；
总的来说，改线绕避措施是最彻底且最为有效的落石灾害防治措施，但采用这种措施会致使投资加大，而且会加长工期，一般都只在灾难性危害（如滑坡、泥石流等）频发的地区采用；
而设置遮拦用的建筑物相对来说投资适中，而且机械施工便利，同时遮挡建筑物还具有侧向拦截以及顶部遮蔽线路的双重功能。
国内落石冲击下山区建筑设施破坏机理及防护措施研究成果还不成熟，对其看法还存在一定的争议与分歧。因而，做好此方面研究可以为落石灾害影响范围内的山区公路、桥梁、隧道、建筑物、构筑物结构设计的优化提供参考，一定程度上为落石灾害影响范围内设施、财产和人身的安全提供预防支撑技术。
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