山地抗落石廊道系統的設計概述

段寒風 胥 悅 阮小龍 汪 杰 李 佳

(1.西華大學建筑與土木工程學院，四川 成都 610039； 2.攀枝花學院土木與建筑工程學院，四川 攀枝花 617000)

山地抗落石廊道系統的設計概述

段寒風1胥 悅1阮小龍2汪 杰2李 佳2

(1.西華大學建筑與土木工程學院，四川 成都 610039； 2.攀枝花學院土木與建筑工程學院，四川 攀枝花 617000)

針對地震災害多發地區邊坡結構不穩定，邊坡上的碎石、土塊滾落的情況進行了分析，提出了使用邊坡防護加廊道抵抗的聯合系統，闡述了保證山地地區道路行駛安全的措施，以預防落石造成的災害。

落石，邊坡防護，廊道，消能措施

0 引言

中國西南地區山地較多，伴隨著該地區經濟的發展和資源的開發，老舊的公路鐵路等交通道路已經難以滿足需求，追求更加便利的交通必不可免，因為地質結構的原因，四川、云南等省份的許多地區地震災害較為頻繁，除了導致直接的經濟、物質損失之外，還造成該地區山地土石結構的變化，從而導致一系列的地震次生災害。因為地震造成的邊坡結構不穩定，山地區域的道路經常要面臨附近邊坡上的碎石、土塊突然滾落的情況，由于重力加速度的作用，下落石接觸地面時速度很快，動能極大，另外道路上的車輛本身擁有一定的速度，一旦被落石砸中，極其容易造成不可挽回的悲劇。

例如，2014年7月23日傍晚，高海公路往海口方向8 km處距離暉灣收費站1 km路段，發生山體掉落滾石事故，部分落石損壞了路面和護欄，所幸沒有人員傷亡。

由圖1可以看出，落石對路面造成了極大的傷害，如果砸中過往車輛，將會造成不可挽回的悲劇。

1 問題分析

事實上，通過理論計算可以發現，落石在重力加速的作用下，抵達路面時速度十分驚人，此時落石給予下方物體的荷載并非等于物體的重力大小，而是遠遠超出其重力。

具體關系為重力G乘以動荷載系數kd。其中kd的計算如式(1)所示：

(1)

式中：h——落石自由落體的高度；

dst——落石靜載時下方物體表面下沉位移。

由式(1)可以發現kd隨著落石下落高度的增加而變大，隨著下方物體的剛度增大而增大。實驗和計算表明，該系數通常可以達到20～30，甚至可以更大。

2 解決方案

要解決該問題，首先就要對相應的邊坡進行加固處理，防止邊坡滑動和滾下落石。但是即使采用了抗滑樁、錨索、格構加固、注漿加固等加固形式，仍然不可避免的會出現局部地段有落石砸落到底面的情況，這些落石雖然通常體積較小，但是由于動荷載系數的關系，仍然對地面建筑和車輛有很大的破壞力。

為了解決這個問題，就有必要建造抗落石廊道，對下方的道路和車輛起到保護作用，抗落石廊道不同于一般意義上的廊道，與旨在保護環境的生態廊道和單純為了美化風景的景觀廊道不同，抗落石廊道的設計重點在于使其擁有優越的力學性能，在保證下部空間不阻礙車輛通行的前提下，廊道結構要能夠承受足夠的荷載并且位移變形在可接受范圍內。所以此處的抗落石廊道結構屬于大跨度空間結構，大跨度空間結構是評價一個國家建筑水平的重要標準。跨度大就會造成荷載不能直接傳遞到基礎上，結構要承受更大的彎矩，使得結構的承載力降低。抗落石廊道的設計就必須要解決大跨度空間結構滿足大跨度同時還要求高承載力的矛盾。

要達到這個效果，可以從三個方面來進行處理：

首先，對容易發生落石危害的路段邊坡進行特別加固，目前常用的有削坡卸荷、壓坡腳、坡面防護、抗滑樁、錨桿、預應力錨索、錨固洞、排水、擋墻、綜合加固法等方法。

其次，要合理選擇廊道側面曲線，抗落石廊道屬于大跨度空間結構，同時要保證上部可以承受主要荷載，就必須需求該廊道的結構具有很好的荷載傳遞能力，將上部的荷載傳導到公路的地面，這類受力情況類似于橋梁的受力情況，但是在公路正中建造支柱不但影響美觀，更重要的是會占用公路的可使用空間，所以要保證上述的功能，最合適的廊道結構應該是拱結構(拱結構特點說明)。除此以外，還要通過實驗和設計選擇合適的橫截面，需要對矩形、工字形、T形、箱形和雙箱形截面等截面進行比較，選擇最適用的截面,其分析結果不作贅述。這種結構設計使得該結構不但擁有承載巨大上部荷載的能力，同時剛度也要足夠大，否則過大的位移會導致過往民眾心理上產生壓力，同樣不利于行車安全。

最后，單純的加強廊道結構本身的承載能力畢竟成本較高，所以需要在廊道頂部設立消能措施，如果能夠大幅度減小落石抵達廊道頂部的動能，就可以進一步加強廊道的承載能力。具體思路是在廊道頂部鋪設彈性材料，使得落石在接觸廊道頂部后受到頂部材料變形產生的阻力，根據動量守衡，Ft=mv，在落石質量和速度一定的情況下，因為緩沖過程使二者接觸時間t增加，最后施加在廊道頂部的力可以大大減小，避免瞬間承受沖擊荷載過大，大幅提升了廊道的安全性。

3 結語

綜上，要保證山地地區道路行駛安全，要從以下三個方面進行努力：

1)對容易發生落石危害的路段邊坡進行特別加固；

2)合理設計廊道的結構，特別是廊道側面及截面的選擇，保證廊道既有較大的強度，又有足夠的剛度；

3)在廊道頂部加設消能、緩沖構件。

[1] 徐本安.材料力學[M].上海：上海交通大學出版社，1982.

[2] 丁 俊.西南地區地質災害調查工作的思考[J].沉積與特提斯地質，2006,26(3)：16-17.

[3] 張博庭.西南地質災害高發區水電站建設安全性研究[J].水力發電,2009,35(5):6-14.

Overview on the design of mountainous anti-rockfall gallery system

Duan Hanfeng1Xu Yue1Ruan Xiaolong2Wang Jie2Li Jia2

(1.CollegeofBuilding&CivilEngineering,XihuaUniversity,Chengdu610039,China;2.CollegeofCivil&BuildingEngineering,PanzhihuaCollege,Panzhihua617000,China)

The paper analyzes slope structure instability, slope gravel and soil falling conditions in frequently-occurring earthquake area, puts forward joint system of combining slope protection and gallery resistance, and describes measures of guaranteeing driving safety on mountainous road, so as to prevent rockfall disaster.

rockfall, slope protection, gallery, energy-dissipating measures

2015-05-25

段寒風(1992- )，男，在讀碩士； 胥 悅(1986- )，男，在讀碩士； 阮小龍(1987- )，男，助教； 汪 杰(1988- )，男，助教； 李 佳(1987- )，女，助教

1009-6825(2015)22-0149-02

U412.37

A