落石引導(dǎo)系統(tǒng)在大明山公路巖質(zhì)邊坡防護(hù)中的應(yīng)用探討

梁敬琳　龐春燕　官少龍

摘要：文章以國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)大明山公路改造工程巖質(zhì)邊坡防護(hù)工程為例，采用無(wú)人機(jī)航拍三維實(shí)景建模勘查新技術(shù)，精確得到邊坡巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、節(jié)理及構(gòu)造裂隙分布規(guī)律及范圍等內(nèi)容，并對(duì)潛在落石進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬，獲取落石的沖擊能量、運(yùn)動(dòng)軌跡、彈跳高度等理論數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)有邊坡工程防護(hù)技術(shù)，考慮安全性、適用性和經(jīng)濟(jì)性，確定采用落石引導(dǎo)系統(tǒng)防護(hù)技術(shù)方案。工程實(shí)踐證明，該防護(hù)設(shè)計(jì)方案是科學(xué)的、合理的，也是經(jīng)濟(jì)的。該防護(hù)方案為廣西公路首次應(yīng)用，可為今后類似工程提供借鑒。

關(guān)鍵詞：順層巖質(zhì)邊坡;三維實(shí)景建模;落石模擬計(jì)算;落石引導(dǎo)系統(tǒng)

0 引言

公路工程建設(shè)過(guò)程中，巖質(zhì)邊坡多采用爆破或機(jī)械破碎后開(kāi)挖，由于施工工藝的局限性，順層邊坡、反傾結(jié)構(gòu)面、構(gòu)造裂隙發(fā)育等地質(zhì)條件[1]，放坡后的巖質(zhì)邊坡節(jié)理較為發(fā)育，巖體破碎，局部形成危巖體，極易產(chǎn)生崩塌危害[2-3]。多數(shù)山區(qū)公路建設(shè)由于防護(hù)意識(shí)不到位、建設(shè)資金局限性、技術(shù)不成熟等因素，公路中的巖質(zhì)邊坡未作防護(hù)工程設(shè)計(jì)，存在崩塌落石隱患，對(duì)公路安全運(yùn)營(yíng)造成重大危害。對(duì)于山區(qū)公路邊坡防護(hù)，致力于尋求有效且生態(tài)的技術(shù)，使得公路成為既穩(wěn)定又與周邊的自然環(huán)境和諧共存的工程。

大明山保護(hù)區(qū)三寶至天坪公路建設(shè)形成大量裸露深路塹巖質(zhì)邊坡，多以順層結(jié)構(gòu)為主，涉及景區(qū)公路行車、游客生命財(cái)產(chǎn)安全性保證以及國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)生態(tài)保護(hù)、水土保持等重大問(wèn)題，工程防護(hù)措施要求較高。文章深入分析該工程所采用的落石引導(dǎo)系統(tǒng)新型防護(hù)技術(shù)，為類似工程提供參考意義，具有一定理論和實(shí)踐意義。

1 工程背景

大明山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)地處廣西中部偏南，橫跨南寧市武鳴、上林、馬山三縣區(qū)。大明山保護(hù)區(qū)三寶至天坪公路為保護(hù)區(qū)上山公路的上半部分，路線北起于三寶附近，向東南途經(jīng)觀雪亭、龍亭、云龍佛光，然后轉(zhuǎn)向東，終點(diǎn)止于明山龍騰賓館附近，全程約7.26 km，沿線共計(jì)40余處巖質(zhì)路塹邊坡，為典型危巖崩塌、危巖路段。

（1）地形地貌：項(xiàng)目區(qū)內(nèi)地貌類型為低中山地貌，地形受構(gòu)造控制，形成弧形背斜山脈，山體坡度在30°～40°之間，局部超過(guò)60°，甚至形成陡壁，最大邊坡高程差達(dá)40余m，表層為薄層土層覆蓋，植被發(fā)育，地形復(fù)雜，地貌類型簡(jiǎn)單。

（2）地質(zhì)構(gòu)造：項(xiàng)目區(qū)無(wú)區(qū)域斷層構(gòu)造，但構(gòu)造裂隙較發(fā)育，共發(fā)現(xiàn)41條構(gòu)造裂隙F1～F41，大部分為張節(jié)理及卸荷裂隙，走向70°～90°近垂向，節(jié)理較發(fā)育，順坡向陡傾角節(jié)理較發(fā)育，在巖層面及風(fēng)化等裂隙組合下，將巖體切割成大小不一的破碎巖塊，形成邊坡巖體主控卸荷裂隙面，對(duì)邊坡穩(wěn)定性起到?jīng)Q定作用。

（3）水文地質(zhì)：項(xiàng)目區(qū)地下水類型為松散巖類孔隙水和碎屑巖類裂隙水，富水性等級(jí)為貧乏-中等，對(duì)工程建設(shè)影響較小。但在強(qiáng)降雨時(shí)，雨水在沿巖體裂隙下滲的過(guò)程中，對(duì)裂隙可以起到潤(rùn)滑作用，降低結(jié)構(gòu)面的力學(xué)強(qiáng)度，從而降低了邊坡的穩(wěn)定性。

（4）氣象條件：項(xiàng)目區(qū)年平均氣溫為15.1 ℃，極端最高溫為28.6 ℃，極端最低溫為-6 ℃，偶有霜雪，存在凍融病害。大明山是廣西的暴雨中心之一，降水性質(zhì)多以暴雨形式出現(xiàn)，日最大降雨量為247.2 mm。

綜上所述，不同邊坡段的陡立地形條件，構(gòu)造裂隙、卸荷裂隙發(fā)育，持續(xù)性的碎屑巖類裂隙水滲流、凍脹及豐富的降雨量沖刷等工程不利地質(zhì)環(huán)境，存在發(fā)生崩塌落石的可能，多處存在危巖隱患，造成邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)較多差異性。

2 工程防護(hù)原則與思路

2.1 防護(hù)原則

（1）安全性：由于坡腳為景區(qū)公路，防護(hù)工程必須保證邊坡穩(wěn)定，消除或穩(wěn)固坡面松動(dòng)的巖塊，保證坡腳建（構(gòu)）筑物和人員安全。

（2）適用性：防護(hù)工程必須與邊坡情況相適應(yīng)，即具有良好的地形適應(yīng)性，同時(shí)兼顧邊坡綠化等因素。邊坡防護(hù)措施應(yīng)盡可能不破壞坡頂原有地形地貌，處理后坡面視覺(jué)效果好，并且不影響后期自然或人工綠化植被的生長(zhǎng)。

（3）經(jīng)濟(jì)性：邊坡面積大，地形復(fù)雜，應(yīng)充分結(jié)合邊坡自身的穩(wěn)定性來(lái)布置邊坡的防護(hù)工程量。防護(hù)工程應(yīng)具有足夠的工作壽命，在使用年限內(nèi)盡量做到無(wú)須維護(hù)或維護(hù)工作量盡量小，并且在達(dá)到同等防護(hù)效果的前提下盡量節(jié)約治理資金，使工程的經(jīng)濟(jì)性得到體現(xiàn)。

2.2 防護(hù)思路

（1）設(shè)計(jì)前應(yīng)對(duì)巖石邊坡的結(jié)構(gòu)面調(diào)查清楚，了解主要結(jié)構(gòu)面的位置，工程地質(zhì)巖層詳細(xì)情況，精準(zhǔn)正確評(píng)定其穩(wěn)定性，預(yù)測(cè)對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生的不良作用，為設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，以主動(dòng)防護(hù)為主，工程引入了無(wú)人機(jī)三維實(shí)景建模輔助手段，做到厘米級(jí)精確勘查。

（2）設(shè)計(jì)要因地制宜，以保護(hù)生態(tài)環(huán)境優(yōu)先，嚴(yán)格控制在用地紅線，盡量不采用破壞環(huán)境的設(shè)計(jì)。

（3）建筑等硬質(zhì)景觀的布局上順應(yīng)山勢(shì)，不宜大挖大填。平整場(chǎng)地時(shí)，盡量使周邊建筑物不受到破壞。對(duì)找平時(shí)出現(xiàn)的新邊坡，應(yīng)盡快做好防護(hù)工作。

（4）疏水設(shè)計(jì)。水的作用是滑坡發(fā)生的重要誘因，既要做好地下水疏導(dǎo)，也要做好表面排水，與各方面條件相聯(lián)系，建設(shè)完善的排水系統(tǒng)。

3 K25+610～K25+760左側(cè)邊坡防護(hù)

3.1 邊坡穩(wěn)定性分析

對(duì)該段邊坡采用無(wú)人機(jī)航拍三維實(shí)景建模，準(zhǔn)確獲取危巖體積、巖層產(chǎn)狀及構(gòu)造裂隙等相關(guān)信息，如圖1所示。

該地層巖性主要為泥質(zhì)粉砂巖，砂巖，巖層產(chǎn)狀205°∠8°，中厚層構(gòu)造，邊坡體節(jié)理裂隙發(fā)育，以卸荷及風(fēng)化裂隙為主，裂隙交匯切割貫通，巖體呈鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)，邊坡巖體類型為Ⅲ類，存在構(gòu)造裂隙F22，F(xiàn)23，F(xiàn)24。如圖2所示進(jìn)行赤平投影分析，結(jié)果顯示邊坡整體基本穩(wěn)定，坡面局部存在崩塌隱患。

3.2 落石特性模擬分析

選取K25+685斷面進(jìn)行模擬落石分析，模擬所選取的落石屬性為：體積[WTB1X]V[HTXH]=2.5 m 3;比重[WTBX]γ[HTXH]=2 650 N/m 3;在斜面頂部的下落，水平初速度和豎向初速度均為0 m/s。

如圖3所示，90%以上落石存在入侵線路的可能，落點(diǎn)以路肩位置可能性最大。

通過(guò)落石分析軟件計(jì)算結(jié)果可知，落石運(yùn)動(dòng)至公路附近時(shí)彈跳高度為1～7 m，沖擊能量為100～1 300 kJ，沖擊速度為3～20 m/s。詳見(jiàn)圖4～6。

3.3 防護(hù)方案論證分析

巖質(zhì)邊坡防治技術(shù)可分為剛性防護(hù)技術(shù)（如錨噴、攔石壩）和柔性防護(hù)技術(shù)（如斜坡穩(wěn)定系統(tǒng)、落石攔截系統(tǒng)、落石引導(dǎo)系統(tǒng)）[4]。

該項(xiàng)目系列巖質(zhì)邊坡防護(hù)采用常規(guī)剛性防護(hù)技術(shù)存在幾點(diǎn)問(wèn)題：（1）邊坡陡峭，支擋或者刷坡無(wú)施工空間;（2）護(hù)坡工程量大、作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高，造價(jià)高;（3）項(xiàng)目所處國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，防護(hù)工程應(yīng)與環(huán)境相協(xié)調(diào)。從安全性、適用性和經(jīng)濟(jì)性角度考慮，采用柔性防護(hù)技術(shù)相對(duì)而言更為科學(xué)合理。

柔性防護(hù)技術(shù)國(guó)內(nèi)常用的有斜坡穩(wěn)定系統(tǒng)、落石攔截系統(tǒng)，《鐵路沿線安全防護(hù)網(wǎng)》（GB/T 3089）稱為主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)和被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)[5]。

由于坡面結(jié)構(gòu)較為破碎，表層自穩(wěn)性能相對(duì)較差，巖體風(fēng)化程度較為嚴(yán)重，采用常規(guī)主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)較大，日積月累易出現(xiàn)“鼓肚子”現(xiàn)象，清理困難，可能會(huì)造成二次危害。另外，高陡邊坡采用被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)沒(méi)有安裝位置，且影響景區(qū)美觀協(xié)調(diào)性等。

綜合考慮安全性、適用性和經(jīng)濟(jì)性，經(jīng)充分調(diào)研和論證采用落石引導(dǎo)系統(tǒng)，也即覆蓋式簾式防護(hù)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

該結(jié)構(gòu)采用錨桿、縱橫向拉繩等構(gòu)件將柔性金屬網(wǎng)自然覆蓋在需防護(hù)的斜坡或危石上，通過(guò)柔性網(wǎng)的限制作用，將落石控制在一定范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，引導(dǎo)落石滑落或滾落至落石收集區(qū)，從而消除落石危害的防護(hù)技術(shù)。當(dāng)前主要應(yīng)用于鐵路段邊坡落石防護(hù)，效果顯著，本項(xiàng)目的實(shí)施將成為廣西公路首次應(yīng)用案例。

3.4 設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介

（1）防護(hù)能級(jí)

根據(jù)前文3.2節(jié)落石分析得出的落石的最大沖擊能量約為1 300 kJ，彈跳高度約為7.0 m，最大沖擊速度約為20 m/s，考慮到經(jīng)濟(jì)性和安全性，決定選用防護(hù)能級(jí)1 500 kJ的LF-150型覆蓋式簾式網(wǎng)，如圖7、圖8所示。

（2）防護(hù)區(qū)域

上端布置到山頂，防止落石越過(guò)簾式網(wǎng)外表面崩落，下部覆蓋至坡腳處，便于落石堆積的處理及后期維護(hù)。防護(hù)寬度為150 m，最大高度為25 m，整體面積為2 300 m 2。

（3）其他措施

對(duì)于表層巖體風(fēng)化不均，局部有完整性較好的巖塊的邊坡施加長(zhǎng)為3～6 m的[WTBX][HTXH]32 mm普通螺紋鋼錨桿;坡腳碎落平臺(tái)的邊坡段，開(kāi)挖深度為50 cm的種植槽，回填種植土，按間距30 cm種植保護(hù)區(qū)本土爬山虎，沿坡面生長(zhǎng)覆蓋。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）采用了先進(jìn)的無(wú)人機(jī)航拍三維實(shí)景建模勘察技術(shù)，完整并高精度地快速獲取須治理邊坡的三維影像，精確得到邊坡巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、節(jié)理及構(gòu)造裂隙分布規(guī)律及范圍等信息。

（2）基于三維實(shí)景模型切取斷面，利用落石分析軟件對(duì)落石進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬，從而準(zhǔn)確掌握邊坡落石的沖擊能量、運(yùn)動(dòng)軌跡、彈跳高度、運(yùn)動(dòng)速度等，為防護(hù)設(shè)計(jì)提供了精確的理論數(shù)據(jù)。

（3）經(jīng)調(diào)研和分析，大明山公路巖質(zhì)邊坡20余處采用了國(guó)內(nèi)新型創(chuàng)新產(chǎn)品落石引導(dǎo)系統(tǒng)+綠化防護(hù)方案。

參考文獻(xiàn)：

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[3]陳從新，黃平路，盧增木. 巖層傾角影響順層巖石邊坡穩(wěn)定性的模型試驗(yàn)研究 [J]. 巖土力學(xué)，2007，8（3）：476-481，486.

[4]李 念.SNS邊坡柔性安全防護(hù)系統(tǒng)工程應(yīng)用[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2009.

[5]TB/T3089-2004，鐵路邊坡沿線斜坡柔性安全防護(hù)網(wǎng)[S].