高陡邊坡柔性防護措施及工程應(yīng)用研究

雷大鵬,羅 磊

(1.陜西國鐵工程咨詢管理有限公司，陜西 西安 710000； 2.四川奧思特邊坡防護工程有限公司，四川 成都 610000)

1 概述

我國山區(qū)坡面地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，給人們的生命財產(chǎn)造成了巨大損失。其中落石崩塌是地質(zhì)災(zāi)害的主要形態(tài)，占總量75%以上，常應(yīng)用柔性防護系統(tǒng)[1-6]對其進行防護。柔性防護系統(tǒng)主要為主、被動防護系統(tǒng)。

近年來，針對被動柔性防護網(wǎng)系統(tǒng)緩沖性能的研究多采用足尺沖擊試驗與數(shù)值模擬[7-13]。其中，Escallón等根據(jù)歐洲規(guī)范ETAG027建立了一種被動柔性防護網(wǎng)系統(tǒng)。Escallón改進了支撐繩滑移變形控制方法，通過釋放柱端附近支撐繩上的數(shù)個網(wǎng)環(huán)，形成了卡阻“規(guī)避區(qū)”，延緩了變形鎖死，提高了系統(tǒng)緩沖性能。Gottardi等開展了500 kJ，1 000 kJ，2 000 kJ，3 000 kJ以及5 000 kJ等5種規(guī)格被動柔性防護網(wǎng)系統(tǒng)的足尺沖擊試驗。

隨著被動柔性防護網(wǎng)的大面積使用，被動柔性防護系統(tǒng)的缺陷也越來越明顯，最突出的兩個缺陷，即防護能級有限、維護困難。

根據(jù)被動防護系統(tǒng)的向成及其抗沖擊過程的響應(yīng)特征，其極限防護能級由三部分構(gòu)成，且針對落石沖擊功能的不同，其發(fā)揮程度也不相同，即具有逐級發(fā)揮的特征。目前，國內(nèi)落石試驗平臺最大落石沖擊試驗為5 000 kJ。

近年來以控制、引導(dǎo)和消能為防護理念引導(dǎo)式防護系統(tǒng)，能壓制落石運動軌跡使其下落到預(yù)設(shè)位置，并能夠?qū)崿F(xiàn)大能級防護，對高陡邊坡的落石防護有著明顯的優(yōu)勢。

2 新型柔性防護技術(shù)

按照形式的不同可分為覆蓋式簾式網(wǎng)和混合式簾式網(wǎng)(見圖1)。覆蓋式簾式網(wǎng)由拉繩、防護網(wǎng)片、錨桿以及耗能元件構(gòu)成，防護系統(tǒng)將整個危險區(qū)域全部覆蓋，控制落石運動范圍，引導(dǎo)落石運動到預(yù)設(shè)位置。混合式簾式網(wǎng)由攔截收集系統(tǒng)和引導(dǎo)控制系統(tǒng)組成。攔截收集系統(tǒng)位于整個系統(tǒng)的上部，用鋼柱支撐起一個張開的口袋，用于攔截收集更高位置墜落的石塊，再由相連的引導(dǎo)控制系統(tǒng)引導(dǎo)落石沿坡面滾落到預(yù)設(shè)位置。

目前，應(yīng)用于實際工程中的引導(dǎo)式柔性網(wǎng)主要有混合式(hybrid rockfall barrier)和大跨度口袋式(Long-span-pocket-type，簡稱 LRP)防護網(wǎng)兩種，近年來，國內(nèi)外學(xué)者開展了部分研究。

3 范家坪高陡邊坡崩塌落石概述

范家坪隧道進口屬隴西黃土高原的西北部，大部分被黃土覆蓋，海拔在1 500 m～2 000 m左右。出露的巖石主要為灰?guī)r以及千枚巖，呈片狀或板狀，由于抗風(fēng)化能力弱，多被風(fēng)化成碎塊(見圖2)。

隧道出口仰坡高度近500 m，坡度50°～70°左右，坡體下部淺覆蓋層，上部基巖裸露，且屬強風(fēng)化狀態(tài)。在洞頂上方200 m段設(shè)置了5道能級750 kJ的被動柔性防護網(wǎng)，柱高均為5 m。2020年8月15日，由于大暴雨導(dǎo)致范家坪進口邊坡頂上大量泥土沖刷下來，沖毀了沿路上的5道被動防護網(wǎng)。具體工況如下：

從上到下，第一道被動網(wǎng)：此道被動網(wǎng)型號為RXI-Y-075，柱高5 m，防護寬度50 m。5跨網(wǎng)中均攔截有大量落石，最大單塊約3 m3，整體攔截方量約50 m3。上拉繩減壓環(huán)與支撐繩減壓環(huán)均有不同程度啟動，最右側(cè)上拉繩錨桿被拉斷，上支撐繩最右側(cè)被拉出，最右側(cè)2根鋼柱被砸彎，網(wǎng)子完整(見圖3)。

第二道：此道被動網(wǎng)型號為RXI-Y-075，柱高5 m，防護寬度80 m。最右側(cè)2跨向坡面內(nèi)傾倒，上拉繩錨桿基礎(chǔ)被拉出，1個減壓環(huán)完全啟動，下側(cè)拉繩錨桿被拉出。左側(cè)5跨被沖毀，鋼柱和上拉繩基礎(chǔ)被拉出，部分減壓環(huán)完全啟動，網(wǎng)中攔截有少量落石，網(wǎng)子完整(如圖4所示)。

第三道：此道被動網(wǎng)型號為RXI-Y-075，柱高5 m，防護寬度100 m。最左側(cè)2跨向坡面內(nèi)傾倒。右側(cè)8跨被沖毀，部分鋼柱和上拉繩基礎(chǔ)被拉出，部分減壓環(huán)完全啟動，網(wǎng)中攔截有大量落石，約300 m3，單塊最大約4 m3，網(wǎng)子完整。最右側(cè)下支撐繩連接錨桿處存在搭接，此次被拉脫(如圖5所示)。

第四道：此道被動網(wǎng)型號為RX-050，柱高5 m，防護寬度170 m。最右側(cè)11跨攔截有少量落石，結(jié)構(gòu)基本完好。左側(cè)6跨受到泥石流沖擊，受到不同程度的破壞，1個上拉繩錨桿基礎(chǔ)被拉出，減壓環(huán)基本無啟動，有2根鋼柱彎曲，網(wǎng)中攔截有大量落石，約400 m3，單塊最大約3 m3，網(wǎng)子完整(見圖6)。

第五道：此道被動網(wǎng)型號為RX-050，柱高5 m，防護寬度150 m。最右側(cè)10跨中，除第2根鋼柱基礎(chǔ)松動，其余結(jié)構(gòu)基本完好。左側(cè)5跨因泥石流沖擊，受到不同程度的破壞，最左側(cè)第一根鋼柱基礎(chǔ)被拉出，第6根鋼柱被砸彎，減壓環(huán)基本無啟動，網(wǎng)中攔截有大量落石，約100 m3，單塊最大約2 m3，網(wǎng)子完整(見圖7)。

4 落石沖擊計算

范家坪隧道進口邊坡落石分析：根據(jù)此次崩塌落石的路徑，取典型斷面1進行落石沖擊分析，斷面1如圖8所示。

落石質(zhì)量取2 600 kg。1號、2號落石點其軌跡如圖9所示。

由表1可知，五道被動網(wǎng)的攔截數(shù)量僅為46個，且最大沖擊能量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)的超出被動網(wǎng)設(shè)計能級；由落石軌跡以及彈跳高度可知，被動網(wǎng)的設(shè)置位置也存在不合理性，即使被動網(wǎng)的能級能夠滿足落石沖擊要求，但攔截成功的概率僅為46%，不能滿足工程防護需求。

表1 五道被動網(wǎng)攔截落石數(shù)量統(tǒng)計

5 設(shè)計方案

5.1 初步設(shè)計方案

根據(jù)落石彈跳軌跡以及彈跳高度，在高程400 m處設(shè)置第一道能級為1 500 kJ的張口式簾式網(wǎng)；在高程320 m處設(shè)置第二道能級為1 000 kJ的張口式簾式網(wǎng)；在高程240 m處設(shè)置第三道能級為750 kJ的張口式簾式網(wǎng)；取消第一道以及第四道被動網(wǎng)，剩余三道被動網(wǎng)進行重新維修、更換，其余參數(shù)保持不變(見圖10)。

5.2 簡化模型數(shù)值模擬分析

利用LS-DYNA軟件對計算模型進行動力分析，采用了先進的顯示動力非線性計算方法，考慮了防護單元內(nèi)的危巖滑移、崩落、撞擊、攔截和堆積等一系列動態(tài)過程，再現(xiàn)了防護系統(tǒng)全過程的工作狀態(tài)。與完全做靜力簡化的傳統(tǒng)設(shè)計方法相比，這種模擬分析直觀再現(xiàn)了防護單元從靜態(tài)到動態(tài)變化的全過程，有利于進行更加合理的設(shè)計，提高防護系統(tǒng)工作的安全性。

以第一道簾式網(wǎng)為研究對象，簡化計算模型；數(shù)值模型中簾式網(wǎng)系統(tǒng)寬30 m，高50 m，共3跨，每跨10 m；橫向拉繩間距約10 m，底部加密區(qū)橫繩間距為3.5 m/3.5 m/3 m；縱向主拉繩間距10 m，縱向次拉繩位于主拉繩之間，間距2.5 m；耗能器型號為GS8002，其啟動力約40 kN，最大拉伸行程為1 m；支撐鋼柱、上拉錨繩、側(cè)拉錨繩、上支撐繩、下支撐繩、橫向拉繩的端部錨固在山體上，與山體鉸接；模擬落石滾落位置位于坡頂跨中(見圖11)。

5.3 模擬結(jié)果分析

5.3.1 落石運動狀態(tài)

落石沖擊下不同時刻防護系統(tǒng)的攔截狀態(tài)見圖12。

5.3.2 落石能量、速度

落石沖擊能量及沖擊速度見圖13，圖14，防護結(jié)構(gòu)變形見圖15。

5.4 小結(jié)

第一道張口式簾式網(wǎng)的簡化模型模擬結(jié)果可知，各構(gòu)件的承載能力、峰值內(nèi)力值、安全系數(shù)以及整體最大變形如表2所示。

表2 計算結(jié)果評價

1)危巖落石防護配置方案的承載能力均遠(yuǎn)大于峰值內(nèi)力，留有足夠的安全系數(shù)，滿足要求；2)簾式網(wǎng)在工作時，其動態(tài)受力行為是不可忽略的。在動力作用下，部件的不利響應(yīng)必然增加，導(dǎo)致安全儲備降低。因此，建議防護結(jié)構(gòu)使用前進行詳細(xì)的地質(zhì)勘察和落石調(diào)查；3)引導(dǎo)區(qū)環(huán)形網(wǎng)的儲備安全系數(shù)較低，建議根據(jù)落石源的具體形態(tài)適當(dāng)?shù)恼{(diào)整配置。

6 結(jié)語

二維落石分析可知，五道被動網(wǎng)的攔截數(shù)量僅為46個，且最大沖擊能量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)的超出被動網(wǎng)設(shè)計能級，被動網(wǎng)的設(shè)置位置也存在不合理性。建議在高程400 m處增設(shè)第一道能級為1 500 kJ的張口式簾式網(wǎng)，在高程320 m處設(shè)置第二道能級為1 000 kJ的張口式簾式網(wǎng)，在高程240 m 處設(shè)置第三道能級為750 kJ的張口式簾式網(wǎng)；取消第一道以及第四道被動網(wǎng)，剩余三道被動網(wǎng)進行重新維修、更換，其余參數(shù)保持不變。

根據(jù)第一道張口式簾式網(wǎng)的簡化模型模擬結(jié)果可知，設(shè)計能級滿足防護需求，且落石末端落石沖擊能量小于1 000 kJ，沖擊速度小于12 m/s；應(yīng)用工程類比性，可知第二、三道張口式簾式網(wǎng)設(shè)計滿足防護要求。