SNS被動防護系統在崩塌地質災害治理中的應用

劉占梅，朱佳川，張志穎，王澤蛟，魏 強

（遼寧省有色地質局一○九隊，遼寧朝陽 122000）

SNS被動防護系統在崩塌地質災害治理中的應用

劉占梅，朱佳川，張志穎，王澤蛟，魏 強

（遼寧省有色地質局一○九隊，遼寧朝陽 122000）

朝陽市位于遼寧西部低山丘陵區，近年來，崩塌落石地質災害頻繁發生，瓦房子鎮團山子為典型的軟硬巖接觸導致的陡崖崩塌落石地質災害。朝陽地區常用的崩塌地質災害防護結構多為圬工結構，圬工結構存在材料用量大搬運困難、施工強度大、施工進度緩慢、原始生態環境破壞大、不美觀等缺點。綜合考慮瓦房子鎮團山子崩塌的地質環境條件，分析崩塌地質災害特征，通過多種治理方案比選，確定采用SNS被動防護系統治理。該系統克服了圬工結構的缺點，能夠有效地攔截落石，在受力上具有以柔克剛的優點。通過對瓦房子崩塌落石運動軌跡計算，給出了一整套計算邊坡落石運動軌跡的公式，為類似崩塌地質災害治理方案選擇及落石運動軌跡計算提供了參考。

瓦房子鎮團山子；崩塌地質災害；落石運動軌跡計算；SNS被動防護系統

0 引言

朝陽縣瓦房子鎮團山子位于遼寧西部，村子依山而建，村北側山頂為高聳直立的陡崖，陡崖出露巖層為中厚層灰巖，表層巖石風化嚴重，節理發育，將中厚層灰巖切割為塊狀，巖石穩定性差，受風雨、爆破、地震等外界因素的擾動，經常發生危巖脫離母體急劇墜落。陡崖下方為斜坡，墜落的危巖在斜坡彈跳滾動，以較大沖擊能沖向緊鄰斜坡下方的居民區，對人民群眾生命財產安全構成了極大威脅。根據調查，已有落石滾入村民家中，造成村民財產損失，所幸未造成人員傷亡。

應當地村民及政府要求，對朝陽縣瓦房子鎮團山子崩塌地質災害進行治理，消除崩塌地質災害對當地村民生命財產安全的威脅，給村民創造一個安全的生存發展環境。該工程是一項解民之危的民生工程，為朝陽地區崩塌地質災害治理提供參考。

1 崩塌災害特征

崩塌地質災害發生山坡位于瓦房子向斜核部，368～410m標高為自然形成的陡崖，山體基巖出露，坡度65°～82°，局部危巖體近直立狀，高17～32m，總長255m，陡崖出露巖層為寒武系中統中厚層灰巖，表層巖石風化嚴重，平行和垂直坡面的節理裂隙很發育，將灰巖切割成體積為0.1～1.0m3不等的危巖體，在外界因素擾動下，經常發生落石災害；陡崖下方325～368m標高為斜坡，斜坡高40～50m，坡度23°～41°，斜坡長約340m，表層為坡積土，斜坡段為落石滾動區；325m標高以下為居民住宅區，每逢雨季，村民提心吊膽，崩塌災害對村民的生命財產安全構成極大威脅。

2 治理方案

2.1 方案介紹

治理危巖崩塌邊坡，常用的方法可分為主動防治法和被動防治法（張中儉等，2007），主動防治法包括：錨固技術對危巖進行加固處理，對危巖裂隙進行封閉、注漿；對懸挑的危巖、險石即時進行清除；對崖腔、空洞等進行撐頂和鑲補；限制坡面巖土體風化剝落、危巖崩塌的SNS主動防護系統。被動防治法包括：坡腳設置攔石墻、落石槽和SNS被動防護系統等。

根據目前掌握的邊坡基本情況，坡面并未見明顯的崖腔、空洞，撐頂和鑲補的方法不適用；陡崖風化面面積大，危巖險石多，采用清除危巖方法工程量大，且危巖清除后露出的新鮮巖體今后成為新的危巖，不能從根本上解決問題，清除危巖的方法不適用；錨固方法需要完全查清坡面危石，事實上很難做到，而該邊坡巖體已經風化松散，單獨采用錨固措施不合適，另外，錨固方法需在危石上進行鉆孔錨固作業，鉆機振動可能危及危石穩定，施工風險十分大，因此錨固方法不適用。

SNS主動防護系統雖具有良好的工程適應性和施工安裝便捷性。就該工程，坡面危巖分布區大，采用SNS主動防護系統進行全坡面加固方案經濟型很差；主動防護系統施工段為陡崖段，施工材料和設備需經陡崖下方的斜坡運輸至施工現場，斜坡高40～50m，坡度23°～41°，且斜坡坡面長滿植被，施工材料和設備很難運至陡崖腳下，施工條件極差。因此，SNS主動防護系統不適合用于此邊坡崩塌治理。

通過治理方法分析，被動防治法適用于該邊坡崩塌地質災害治理，下面給出兩個治理方案供選擇。

方案一：攔石墻+落石槽。在距坡腳適當位置處開挖落石槽、設置攔石墻。

方案二：SNS被動防護系統。在距坡腳適當位置處設置落石攔截網進行落石攔截。

2.2 方案比選

如果落石的物源區范圍較大，潛在滾石數量較多或者斜坡條件復雜甚至無法接近時，在中途對滾石進行攔截是一種有效的防護措施，本次給出了兩個滾石攔截方案。

方案一是攔石墻+落石槽，該邊坡物源區為陡崖段，防護區域為居民住宅區，物源區和防護區之間為斜坡段，可在斜披段的合適位置開挖落石槽并在落石槽的外側增設攔石墻來攔截滾石。攔石墻最大優點是通常可以就地取材，工程造價低，理論上其結構尺寸可以大到足以攔截任何規模的滾石。但其缺陷也十分明顯（李小強等，2010）：①以剛性結構去抵抗動力沖擊，存在“事倍功半”的弊端，必須在有滾石發生的陡峻山坡上建造龐大的攔石結構。②結構龐大且自重較大，故需要穩定而龐大的基礎，通常需要進行較大的土石方開挖，一方面帶來基坑的穩定性問題，另一方面對場地要求條件較高，在斜坡上開挖大基坑較難實現。③施工速度慢，工期長，施工過程中一旦發生崩塌，將會危及施工人員安全，若攔石墻建成后發生破壞將導致災難性后果，且修復后的攔石墻整體性差。④擋石墻修建在坡腳，緊鄰居民區，不僅毀滅了植被和植被生長條件，也不美觀。

方案二SNS被動防護系統。被動防護系統是以鋼絲繩網、環形網等高強度金屬柔性網為主要構成，并以鋼柱作為直立支撐的柵欄式柔性滾石攔擋結構。其主要優點如下（李小強等，2010）：①整體柔性。柔性結構具有以柔克剛的功能優勢，具有非常好的荷載擴散傳遞功能，能夠避免過多和過大的局部應力集中，充分調動系統整體功能的發揮。②良好的地形適應性。充分利用柔性結構的易鋪展性，采用積木式組合方式來構筑整體性的系統結構。③美觀與環保。柔性防護系統的開放式結構帶來視覺的通透性，不需進行額外的開挖，從而對原有地貌和坡面植被具有良好的保護作用。④施工快速方便，施工干擾小。柔性防護系統只開挖固定基座的基礎，開挖工程量很少并且不需徹底清坡，大大節省了施工時間；由于結構和構件的輕型化，以及半成品化構件的積木式安裝，保證了材料的易于搬運和快速安裝。

綜上所述，在受力特點、工程量大小、施工速度及工期和美觀環保方面，方案二要完勝方案一。方案一攔石墻+落石槽的優勢在于就地取材，工程造價低，但該邊坡總高度高達80m，落石攔截總長度340m，落石體積可達1.0m3，為能有效的攔截滾石，落石槽和攔石墻的尺寸要很大，龐大的結構造成工程量加大，且斜坡上施工難度大，從而造價增大，因此，就該邊坡治理工程而言，在工程造價方面方案一并不占優勢。通過比較，最終選擇方案二SNS被動防護系統對該崩塌地質災害進行治理。

3 防護網設計

SNS被動防護系統為了方便工程設計和施工，已經把產品做到標準化和定型化，設計人員在拿到SNS的標準圖后，設計的內業工作就簡化成兩個，一是確定攔石網在斜坡上的最佳設置位置（賀詠梅等，2001），二是計算滾落物在攔石網處的最大動能和彈跳高度，以此來確定防護網的型號和高度。下面對瓦房子鎮團山子崩塌落石的運動路徑、彈跳高度、運動距離、速度進行計算分析（葉四橋等，2010；呂慶等，2003；楊海清等，2009；李念，2009）。

3.1 基本設計參數

為保證SNS防護系統足夠安全，本次設計按照最不利參數組合計算，陡崖段高度取最大值，坡度按直立計算，斜坡段坡度取最大值。

（1）山坡參數

陡崖段：坡度90°，坡高32m，坡腳長255m；

斜坡段：坡度41°，坡高50m，坡腳長340m；

（2）落石參數

落石體積1.0m3；

（3）巖體參數

巖性：中厚層灰巖，密度：2.75g/cm3。

3.2 落石運動計算

陡崖段坡面危巖體，脫離母巖下落，整個落石運動過程簡化3段：墜落→碰撞彈跳→滾動。首先陡崖段危巖體發生墜落即自由落體運動，隨后下落至斜坡段開始發生碰撞彈跳，經過幾次碰撞彈跳后，落石將朝向居民區滾動。

落石運動計算分析將落石理想化為球體，從坡體最高處（H=82m）發生崩塌落石，計算簡圖見圖1。落石初速度v0=0m/s，重力加速度g=9.8m/s2，落石碰撞彈跳發生在斜坡段，斜坡表面多數被植被覆蓋，表層為風化巖石或碎石土，法向阻尼系數Rn取值為0.35，切向阻尼系數Rt取值為0.85。

圖1 落石運動計算簡圖Fig.1 Rock fall m ovement calculation diagram

落石墜落段：

加速度：g=9.8m/s2

碰撞彈跳段：

由于坡面上法向和切向上阻尼系數Rn和Rt的減速作用，落石觸底后再次彈跳的初始速度分量為：

式中：vx為落石觸地前的水平方向速度分量；vy為落石觸地前的豎直方向速度分量，速度向上為正，向下為負；θ為斜坡段邊坡角；vt為碰撞后落石坡面上切向速度分量；vn為碰撞后落石坡面上法向速度分量，速度向上為正，向下為負。

落石碰撞后至再次觸地歷時和水平運動距離為：

落石碰撞后再次觸地瞬間的水平速度和豎直速度分量為：

落石最大彈跳高度：

圖2 碰撞彈跳過程速度改變示意圖Fig.2 Collision bounce process speed change diagram

落石運動計算結果見表1。

表1 落石運動計算結果表Tab.1 Rock fall movement calculation diagram results table

假定落石在陡崖頂墜落，墜落高度32m，根據公式（1）和（2）求得落石在墜落階段歷時約2.56s，碰撞斜坡坡面前的速度為25.04m/s。

落石墜落至斜坡后將完成第一次碰撞彈跳，根據公式（3）和（4）求得落石第一次碰撞后的初始坡面切向速度vt=13.96m/s，坡面法向速度vn=-6.62m/s，水平方向速度v′x=14.88m/s，豎直方向速度v′y=-4.16m/s。再由公式（5）、（6）和（8）求出第一次碰撞彈跳歷時約1.79s，水平位移約為19.73m，落石最大彈跳高度為2.96m。

落石第二次碰撞彈跳前的瞬間速度也就是第一次碰撞彈跳結束再次觸地瞬間的速度，根據公式（7）求得落石第二次碰撞彈跳前的瞬間速度vx=14.88m/s，vy=-21.69m/s，根據公式（3）和（4）求得落石第二次碰撞后的初始坡面切向速度vt=21.63m/s，坡面法向速度vn=-2.32m/s，水平方向速度v′x=17.85m/s，豎直方向速度v′y=-12.44m/s。再由公式（5）、（6）和（8）求出第二次碰撞彈跳歷時約0.63s，水平位移約為11.18m，落石最大彈跳高度為0.36m。

落石第三次碰撞彈跳前的瞬間速度也就是第二次碰撞彈跳結束再次觸地瞬間的速度，根據公式（7）求得落石第三次碰撞彈跳前的瞬間速度vx=17.85m/s，vy=-18.57m/s，根據公式（3）和（4）求得落石第三次碰撞后的初始坡面切向速度vt=21.81m/s，坡面法向速度vn=-0.76m/s，水平方向速度v′x=16.99m/s，豎直方向速度v′y=-13.69m/s。再由公式（5）、（6）和（8）求出第三次碰撞彈跳歷時約0.22s，水平位移約為3.72m，落石最大彈跳高度為0.04m。

落石第三次彈跳高度近乎為零，近乎于貼地面的滾動，可認為，最終落石坡面法向速度在第三次碰撞彈跳結束后為零，落石的碰撞彈跳歷經3次后停止。

落石三次碰撞彈跳的水平總位移為34.63m，距離坡腳還有25～60m，隨后，落石將發生緊貼地面的滾動，實質上是一系列連續的，彈跳距離很小的，彈跳高度很低的拋物線運動，考慮到摩擦系數，以及落石滾動等價于一系列連續的碰撞彈跳，且根據前面實際計算中碰撞彈跳的能量損失和速度的銳減結果，特別是現場對以前崩塌落石的現場位移觀察，落石在滾落過程中做減速運動，甚至部分滾石在途中就已停止運動，但為保證設計的SNS防護系統具有足夠的安全度，可認為落石在滾動階段做勻速運動，速度為第三次碰撞彈跳后的坡面切向速度21.81m/s。

3.3 SNS被動防護網設計

（1）型號選擇

防護網系統型號根據落石計算動能確定。由于落石的運動速度除前述計算的平動速度即質心的線運動速度以外，還可能有繞質心轉動的速度。另外，由于落石形狀的千差萬別，其轉動的過程也相當復雜，為簡化落石動能計算，通常將其平動動能乘以1.2的系數來近似考慮其轉動動能（李念，2009），即：E=1.2×1/2mv2，落石密度為2.75g/cm3，體積1.0m3，落石滾動速度21.81m/s，代入公式計算得沖擊動能E=785kJ。

通過計算，最大落石沖擊動能E=785kJ，考慮一定的安全儲備，根據《鐵路沿線斜坡柔性安全防護網》（TB/T3089-2004）選用被動防護網。選用的防護網系統如下：

型號：RXI-150（攔截撞擊能1500kJ以內的落石）。

網型：R12/3/300。

結構配置：鋼柱+支撐繩+拉錨系統+縫合繩+減壓環。

（2）防護網設置位置及網高

通過上述計算可知，落石在第一次碰撞彈跳時產生的最大彈跳高度Hmax=2.96m，第二次碰撞彈跳的最大彈跳高度就衰減為0.36m，第三次碰撞彈跳的最大彈跳高度僅為0.04m，彈跳高度近乎為零，落石三次碰撞彈跳的水平總位移為34.63m，距離坡腳還有25～60m，這段距離內落石緊貼地面滾動，滾動段落石的彈跳高度非常小，同時考慮坡腳處密植喬木茂盛，被動防護網高度可取h=2m。

綜合考慮施工方便、居民住宅分布及落石運動情況，選擇距離居民住宅水平距離約10m的緩坡處，在一條等高線上設置被動防護網一道，防護網長340m。

4 結論

通過對瓦房子鎮團山子崩塌地質災害調查分析，并進行治理方案比選，確定防治工程采用SNS被動防護網。該工程已施工完畢，達到了防治崩塌地質災害的目的。此次為首次在朝陽地區利用柔性系統治理崩塌地質災害，改變了傳統的剛性設計方案。

SNS被動防護網在瓦房子鎮團山子崩塌地質災害治理工程的應用，充分體現了其以柔克剛，適應性強，施工快速便捷，美觀環保的優勢，它的這些優勢必將使其在今后工程實踐中得到更廣泛的應用。

SNS被動防護系統設計簡便，只需兩個工作，一是確定設置位置；二是計算落石在攔石網處的最大動能和彈跳高度，來確定防護網的型號和高度。分析計算瓦房子鎮團山子崩塌落石運動路徑、彈跳高度、運動距離、速度，并根據計算結果確定被動防護網型號，為今后落石運動軌跡計算分析及被動防護系統選型提供參考。

賀詠梅，陽友奎，2001. 崩塌落石SNS柔性防護系統的設計選型與布置[J]. 公路，(11)：14-19.

呂慶，孫紅月，翟三扣，等，2003. 邊坡落石運動的計算模型[J].自然災害學報，12(2)：79-84.

李念，2009. SNS邊坡柔性安全防護系統工程應用[M]. 成都：西南交通大學出版社：43-49.

李小強，嚴樹，2010. 滾石防護機理簡介及防治對策[J]. 土工基礎，24(5)：58-60.

葉四橋，陳洪凱，唐紅梅，2010. 落石沖擊力計算方法的比較分析[J]. 水文地質工程地質，37(2)：59-64.

楊海清，周小平，2009. 邊坡落石運動軌跡計算新方法[J]. 巖土力學，30(11)：3411-3416.

張中儉，張路青，2007. 滾石災害防治方法淺析[J]. 工程地質學報，15(5)：712-717.

《城市地質》征稿啟事

《城市地質》是北京市地質礦產勘查開發局主辦的學術性期刊。每年3、6、9、12月出版。以國內外城市地質工作者及大專院校師生為讀者對象，報道城市地質科學領域的最新研究成果，反映城市地質的技術與應用研究進展。

來稿要求論點明確，數據可靠，條理清晰，文字精練。每篇論文（包括圖表、摘要、文獻）一般不應超過8000字。中文摘要300字左右，關鍵詞3～8個，以及對應的英文摘要和關鍵詞。論文書寫格式參考《城市地質》網站（http://csdz.cbpt.cnki.net）、“城市地質”微信公眾號論文格式范例。

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The Application of SNS Passive Protection System in Collapse Geological Hazard M anagement

LIU Zhanmei, ZHU Jiachuan, ZHANG Zhiying, WANG Zejiao, WEI Qiang

(Team 109 of the Bureau of Non-ferrous Geology of Liaoning Province, Chaoyang, Liaoning 122000)

Chaoyang city is located in the hilly areas of western Liaoning. In recent years, collapse rockfall geological hazard frequently occurred. Collapse geological hazard in Tuanshanzi village of Wafangzi town is a typical cliff collapse rockfall geological hazard caused by contact of soft and hard rocks. In Chaoyang area, masonry structures are used as collapse geological hazard protection structures. Masonry structures have many shortcom ings such as material consumption great, material handling diff cult, construction intensity great, construction progress slow, original ecological environment destruction serious, not beautiful and so on. Comprehensively considering geological conditions of collapse geological hazard in Tuanshanzi village of Wafangzi town, analyzing its features, through a variety of governance scheme comparison and selection, it determ ines to use SNS passive protection system. Passive protection system not only overcomes the above-mentioned shortcom ings of the masonry structure, but also effectively blocks rockfall, which has the advantage of overcom ing f rmness by gentleness on mechanics. Through the rockfall trajectory calculation, it gives a set of formulas to calculate the trajectory of rockfall. This paper provides a reference for sim ilar collapse geological hazard governance scheme selection and rockfall trajectory calculation.

Tuanshanzi village of Wafangzi town; Collapse geological hazard; Rockfall trajectory calculation; SNS passive protection system

A

1007-1903（2017）02-0040-06

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.02.008

朝陽縣國土資源局朝陽縣瓦房子鎮團山子崩塌地質災害治理工程（G04212016150223）

劉占梅（1985- ），女，碩士，工程師，主要從事地質災害防治研究工作， E-mail：liuzhanmei106@126.com