國際領(lǐng)先的坡面地質(zhì)動力災(zāi)害柔性防護系統(tǒng)

文/西南交通大學(xué) 四川奧思特邊坡防護工程有限公司 四川省交通勘察設(shè)計研究院有限公司

獲獎等級：一等獎

項目名稱：坡面地質(zhì)動力災(zāi)害柔性防護系統(tǒng)理論、技術(shù)及應(yīng)用

作為2021年度中國公路學(xué)會科學(xué)技術(shù)獎一等獎獲獎項目，“坡面地質(zhì)動力災(zāi)害柔性防護系統(tǒng)理論、技術(shù)及應(yīng)用”項目突破了多項技術(shù)難題，研究成果顯著提升了柔性防護系統(tǒng)的可靠性，極具推廣價值和應(yīng)用前景。由中國工程院院士鄭穎人、任輝啟、岳清瑞等專家組成的評價委員會評價該項目核心成果處于國際領(lǐng)先水平。

研究團隊應(yīng)運而生

我國國土面積約2/3為山地，自古以來便是滑坡、崩塌、落石、泥石流等坡面地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)國家。加之近年來地殼運動活躍、地震頻發(fā)，特別是2008年汶川特大地震以來，使得西部山區(qū)地質(zhì)環(huán)境進一步破碎，巖土體穩(wěn)定性大大降低。據(jù)統(tǒng)計，近年來我國坡面地質(zhì)動力災(zāi)害呈逐年劇增的趨勢，危害性、影響性日益增大，災(zāi)害防治所面臨的形勢愈加嚴峻。坡面地質(zhì)災(zāi)害易使交通樞紐中斷，對物流運輸、救災(zāi)保通形成嚴重威脅，已成為公路和鐵路運輸部門最關(guān)心的問題之一。

柔性防護系統(tǒng)源于歐洲，早期主要用于潛艇和魚雷攔截，二戰(zhàn)結(jié)束后被逐步應(yīng)用于坡面地質(zhì)災(zāi)害的防治。我國于20世紀90年代首次引入柔性防護技術(shù)，在近20年的應(yīng)用中暴露出諸多問題，根本問題表現(xiàn)為系統(tǒng)遠達不到預(yù)期防護性能，出現(xiàn)大量失效并導(dǎo)致基礎(chǔ)設(shè)施被破壞，嚴重影響人民生命財產(chǎn)安全。究其原因，主要是忽略了系統(tǒng)防護性能與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系的關(guān)聯(lián)性，僅通過核心部件如耗能器的能力代替系統(tǒng)的防護性能，致使防護系統(tǒng)缺乏科學(xué)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計方法和性能控制手段。加之柔性防護系統(tǒng)具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)力學(xué)行為，其工作狀態(tài)伴隨著強沖擊、大變形、大滑移等，具有極強的多重非線性耦合特征，其精細化分析計算是長期無法突破的難題，更無法考慮災(zāi)害類型、地質(zhì)條件、致災(zāi)體動力特征和防護需求等各種復(fù)雜因素的影響。同時，傳統(tǒng)的柔性防護技術(shù)存在防護性能偏低、可恢復(fù)性差、性能容易劣化等突出問題，一定程度上限制了其工程應(yīng)用。此外，柔性防護系統(tǒng)整體性能檢驗評價技術(shù)在我國長期處于空白狀態(tài)，導(dǎo)致系統(tǒng)性能的可靠性評估無法開展。隨著“西部大開發(fā)”“一帶一路”和“交通強國”等一系列國家政策的深入實施，以公路和鐵路為代表的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)將在我國西部，以及境外艱險山區(qū)大規(guī)模開展，存在大量諸如高位高動能危巖落石等復(fù)雜坡面地質(zhì)動力災(zāi)害防治難題亟待攻克。

← 組圖：各領(lǐng)域中突出的坡面地質(zhì)動力災(zāi)害問題

← 組圖：多介質(zhì)災(zāi)害防護系統(tǒng)耦合分析方法

2010年，在交通運輸部、科技部的持續(xù)資助下，西南交通大學(xué)、交通運輸部公路科學(xué)研究院、成都西南交通大學(xué)設(shè)計研究院有限公司、四川奧思特邊坡防護工程有限公司、四川省交通勘察設(shè)計研究院有限公司、四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院有限公司、香港理工大學(xué)土木及環(huán)境工程學(xué)系、布魯克（成都）工程有限公司、成都希爾特科技有限公司、四川奧特機械設(shè)備有限公司10家單位共同組成了研究團隊，對防護系統(tǒng)動力學(xué)行為、設(shè)計方法、性能提升技術(shù)、試驗檢測及性能評價技術(shù)等關(guān)鍵問題開展研究，研發(fā)新型高性能防護產(chǎn)品，全面提升坡面地質(zhì)動力災(zāi)害防治技術(shù)水平。

突破三項技術(shù)難題

研究團隊歷經(jīng)11年，突破了“柔性防護多柔體動力學(xué)理論”“防護系統(tǒng)設(shè)計與性能提升技術(shù)”“試驗檢驗裝備與評價技術(shù)”等3個核心難題，共同完成了“坡面地質(zhì)動力災(zāi)害柔性防護系統(tǒng)理論、技術(shù)及應(yīng)用”項目。

柔性防護多柔體動力學(xué)理論

為破解柔性防護系統(tǒng)長期以來無法解決的精細化分析計算難題，研究團隊創(chuàng)建了柔性防護系統(tǒng)多柔體動力學(xué)理論與計算方法，創(chuàng)建了考慮多重非線性的多柔體系統(tǒng)動力學(xué)模型，包括建立了多體柔性防護系統(tǒng)動力學(xué)模型，計算精度提升約1倍，提出了海量離散態(tài)柔性網(wǎng)的薄膜等效方法，計算效率提升超10倍，解決了柔性防護系統(tǒng)的精細化動力計算和大規(guī)模計算難題。研究團隊提出了用于動力多災(zāi)害柔性防護分析的多場、多介質(zhì)及多尺度耦合模型，解決了柔性防護動力過程的多物理現(xiàn)象耦合反演分析難題，揭示了防護系統(tǒng)耗能器、鋼絲繩、網(wǎng)片等關(guān)鍵部件的環(huán)境腐蝕及累積沖擊損傷演化規(guī)律，建立了系統(tǒng)服役期性能劣化評價方法，突破了柔性防護系統(tǒng)全生命周期性能演化分析評價關(guān)鍵問題。

← 組圖：復(fù)雜柔性防護系統(tǒng)非線性設(shè)計方法

← 組圖：標志性足尺沖擊試驗

防護系統(tǒng)設(shè)計與性能提升技術(shù)

為解決防護系統(tǒng)性能設(shè)計難題，研究團隊提出了柔性防護系統(tǒng)的性能設(shè)計與提升技術(shù)；提出了基于力平衡、能量分配和演化控制的“力平衡+”設(shè)計方法。同時，提出了基于能量時空演化的4D柔性防護設(shè)計方法，實現(xiàn)了由“攔截”向“攔截+疏導(dǎo)”的防護策略轉(zhuǎn)變，突破了點式集中攔截的技術(shù)局限。開發(fā)了NIDA-Barrier軟件平臺，實現(xiàn)了柔性防護系統(tǒng)商用設(shè)計軟件零的突破。開發(fā)了每米240千焦級大功率耗能器和50000千焦級柔性防護系統(tǒng)，比歐美同類產(chǎn)品性能提升超3倍。研究團隊研發(fā)了用于多場景防護的譜系化高性能防護產(chǎn)品，形成了綜合立體防護技術(shù)，對高位高動能致災(zāi)體防治技術(shù)難題的解決提供了重要支撐。

← 組圖：大型足尺沖擊試驗平臺及測試裝備

試驗檢驗裝備與評價技術(shù)

為了彌補柔性防護系統(tǒng)整體性能檢驗評價技術(shù)在我國的空白，研究團隊研發(fā)了柔性防護系統(tǒng)性能試驗檢驗裝備與評價技術(shù)，以及以亞洲最大規(guī)模的落石沖擊試驗臺系統(tǒng)為代表的成套試驗裝備，攻克了三維空間運動軌跡分析和“動力-位移”數(shù)據(jù)同步采集技術(shù)難題，開展了多項引領(lǐng)性標尺性試驗，并積累了超過300次足尺沖擊原始試驗數(shù)據(jù)，建立了標準化試驗檢測技術(shù)，形成了基于性能目標的系統(tǒng)分級設(shè)計評價方法。成果入編兩部行業(yè)標準和6部其他標準，為建立涵蓋產(chǎn)品、檢驗試驗及工程建設(shè)全鏈條的柔性防護技術(shù)國家標準體系提供了重要支撐。

推廣前景十分廣闊

← 組圖：項目應(yīng)用情況

項目成果技術(shù)顯著提升了柔性防護系統(tǒng)的可靠性和可維護性，指導(dǎo)了坡面地質(zhì)災(zāi)害的防治，減少了剛性攔擋工程量、降低了施工難度、節(jié)約了工程造價、縮短了施工周期，提高了災(zāi)害防治能力和效率。其中，研究成果的柔性防護技術(shù)具有更高的防護能級和更好的場景適應(yīng)性，在滿足性能需求的同時開挖量小、混凝土圬工工程量小，甚至在外觀和功能上均能與邊坡植被相結(jié)合，形成有機整體，屬于典型的環(huán)境友好型工程結(jié)構(gòu)。因此，既符合我國“加強安全應(yīng)急保障體系建設(shè)”的規(guī)劃要求，也符合“建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會”的政策要求，極具推廣價值和前景。

目前，該項目研究成果已在汶馬高速、都汶高速、映汶高速、黔渝高速、晉濟高速、清連高速、共玉高速、國道318線川藏公路、川九公路等上百條國內(nèi)公路干線中得到了實際應(yīng)用。同時，還在鐵路、水電、礦山、文旅等行業(yè)領(lǐng)域的地質(zhì)災(zāi)害防治中獲得推廣。

研究成果的應(yīng)用不僅在減少重大地質(zhì)災(zāi)害處治費用、減少剛性攔擋工程和減少更換維護等方面節(jié)省了大量建造和運營成本，也為災(zāi)區(qū)公路保通和重建做出了重大貢獻，并還將為川藏鐵路等國家重大戰(zhàn)略工程建設(shè)提供保障，具有顯著的社會經(jīng)濟效益。

此外，該項目研究的柔性防護系統(tǒng)性能也完全滿足歐、美發(fā)達國家技術(shù)標準要求，且性價比更高，在海外市場也極具競爭力，目前已推廣至印度、馬來西亞、毛里求斯、阿曼及中國臺灣和中國香港等地，對“一帶一路”沿線國家交通建設(shè)和其他海外工程建設(shè)形成了有力助推。

主要完成單位簡介

西南交通大學(xué)

西南交通大學(xué)是教育部直屬全國重點大學(xué)，國家首批“雙一流”“211工程”“特色985工程”“2011協(xié)同創(chuàng)新計劃”重點建設(shè)并設(shè)有研究生院的研究型大學(xué)，坐落于中國歷史文化名城、國家中心城市——四川成都。

學(xué)校以工見長，設(shè)有27個學(xué)院，擁有交通運輸工程、機械工程兩個一級國家重點學(xué)科，車輛工程、橋梁與隧道工程等10個二級學(xué)科國家重點學(xué)科，18個一級學(xué)科博士學(xué)位授權(quán)點，3個博士專業(yè)學(xué)位授權(quán)類別，41個一級學(xué)科碩士學(xué)位授權(quán)點，11個博士后科研流動站。交通運輸工程學(xué)科位居全國第一（A+）并進入國家“雙一流”建設(shè)序列，土木工程學(xué)科位居全國第七（A-）。

學(xué)校防護結(jié)構(gòu)研究中心成立于2008年，是“坡面地質(zhì)動力災(zāi)害柔性防護系統(tǒng)理論、技術(shù)及應(yīng)用”項目第一完成單位的核心完成團隊，是經(jīng)西南交通大學(xué)土木學(xué)院批準成立的專門從事防護結(jié)構(gòu)工程研究的研究機構(gòu)。中心依托陸地交通地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)國家工程實驗室，長期從事環(huán)境災(zāi)害的結(jié)構(gòu)防護理論及技術(shù)研究，是國內(nèi)最早系統(tǒng)性開展柔性防護結(jié)構(gòu)研究的機構(gòu)，在多柔體系統(tǒng)沖擊動力學(xué)計算理論、防護產(chǎn)品測試試驗平臺裝備、高性能柔性防護產(chǎn)品研發(fā)等方面實現(xiàn)了全面突破。

該中心擁有一支由教授、副教授、講師及碩博士研究生組成的研究隊伍，研究人員達20人，中心已經(jīng)建成亞洲最大的落體沖擊試驗臺系統(tǒng)，形成了完備的防護結(jié)構(gòu)研究試驗裝備。此外，該中心主持在研的縱向、橫向項目12個，科研經(jīng)費逾2000萬元，涵蓋了國家科技重點專項、國家自然科學(xué)基金、四川省科技計劃重點項目、鐵路總公司科技研發(fā)重點項目、教育部博士點基金、四川省交通運輸廳科技研發(fā)項目、山西省交通科技研發(fā)項目、廣西交通科技研發(fā)項目、深圳高速集團科技研發(fā)項目等。

四川奧思特邊坡防護工程有限公司

四川奧思特邊坡防護工程有限公司（簡稱“奧思特公司”）成立于2005年，是集邊坡柔性防護系統(tǒng)產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)制造、勘察咨詢、工程施工為一體的高新技術(shù)企業(yè)。公司業(yè)務(wù)涵蓋鐵路、公路、水電、地災(zāi)等多個領(lǐng)域，工程項目遍及中國大陸、港臺地區(qū)、東南亞及歐美地區(qū)，是邊坡防護行業(yè)國際知名的領(lǐng)軍企業(yè)。

奧思特公司長期堅持“引領(lǐng)技術(shù)創(chuàng)新、推動行業(yè)進步”的發(fā)展理念，與西南交通大學(xué)、成都理工大學(xué)等展開了十余年的校企合作，建立了以博士、碩士研究生為主的科研團隊，十多年來科研經(jīng)費投入達到1.4億元。奧思特公司聯(lián)合西南交通大學(xué)，于2011年修建了亞洲第一個足尺落石沖擊試驗平臺，引進了歐盟ETAG027落石沖擊檢測方法，開展了百余次落石沖擊試驗，并完成了亞洲最大能級5000千焦被動防護產(chǎn)品的研發(fā)試驗，達到世界領(lǐng)先水平。2012年首次提出了以“引導(dǎo)、控制、消能”為理念的引導(dǎo)網(wǎng)，先后開展了貴州威寧爆破試驗、重慶涪陵爆破試驗、重慶涪陵原位足尺試驗等多個世界首創(chuàng)試驗，充分驗證了簾式網(wǎng)在大方量、連續(xù)沖擊作用下防護效果，實現(xiàn)了萬千焦級的綜合防護耗能，取得了柔性防護結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的突破性進展。基于大量的基礎(chǔ)試驗與長期的科研投入，目前已全面掌握柔性防護技術(shù)，研發(fā)了主動防護系統(tǒng)、被動防護系統(tǒng)、引導(dǎo)防護系統(tǒng)、柔性棚洞等全系列產(chǎn)品，獲得實用新型專利70余項，發(fā)明專利8項。并積極推動行業(yè)進步，參與編制了原國家鐵路局《鐵路邊坡柔性被動防護產(chǎn)品落石沖擊試驗方法與評價》（TB/T3449-2016）、交通運輸部標準《邊坡柔性防護網(wǎng)系統(tǒng)》（JT/T1328-2020）、中國地質(zhì)災(zāi)害防治工程行業(yè)協(xié)會標準《危巖落石柔性防護網(wǎng)工程技術(shù)規(guī)范》(T/CAGHP066-2019)等多部標準。

多年來，奧思特完成了多項重難點邊坡防治工程，取得良好的工程應(yīng)用效果。北京門頭溝、三溫路、靈山路多次落石崩塌、引導(dǎo)網(wǎng)均成功攔截；寶成線、渝懷線被動防護系統(tǒng)成功攔截大方量落石，保護線路安全；廣州清連高速引導(dǎo)網(wǎng)工程，成功解決坡體施工擾動的技術(shù)難題，取得良好防護效果。2008年災(zāi)后重建，都汶桃關(guān)柔性棚洞多次攔截落石，保證道路通行安全。奧思特公司始終秉持“關(guān)愛生命、守護安全”的理念，堅持“追求品質(zhì)，成就卓越”的宗旨，承擔(dān)社會責(zé)任，與社會各界共同推動行業(yè)進步。

四川省交通勘察設(shè)計研究院有限公司

四川省交通勘察設(shè)計研究院有限公司是一家以水運、公路勘察設(shè)計為主的綜合性交通勘察設(shè)計單位。

作為巴蜀大地交通發(fā)展的先行者、參與者、見證者，持續(xù)為交通運輸發(fā)展規(guī)劃和交通項目實施運營貢獻智慧。完成了《四川省水路運輸發(fā)展規(guī)劃》等規(guī)劃編制和四川“四江六港”、黃河航道整治等水運建設(shè)項目勘察設(shè)計工作；承擔(dān)了德昌至?xí)怼4216線宜賓新市至攀枝花段（國內(nèi)單體投資最大的高速公路）等5500多公里高速公路前期工作、勘察設(shè)計1650余公里、代部廳咨詢審查6500多公里;完成了國道318東俄洛至海子山等國省干線公路12000多公里勘察設(shè)計工作，獨立承擔(dān)的理塘至亞丁公路深入踐行“生態(tài)保護優(yōu)先、旅游融合發(fā)展”設(shè)計理念，被評為“中華人民共和國成立70周年公路交通勘察設(shè)計經(jīng)典工程”；積極投身“5.12”汶川特大地震、甘洛縣“7.29”特大暴雨等重大自然災(zāi)害搶險救災(zāi)和災(zāi)后恢復(fù)重建工作；多次主編、參編交通運輸部組織的相關(guān)專業(yè)標準規(guī)范，以及專業(yè)書籍編著和修訂；開展BIM研發(fā)應(yīng)用和機載激光雷達、GIS地理模型等勘察設(shè)計技術(shù)革新，被交通運輸部評定為BIM技術(shù)應(yīng)用行業(yè)研發(fā)中心；公司160余項勘察設(shè)計成果獲國家、部、省獎勵，榮獲全國文明單位、交通運輸部“文化建設(shè)示范單位”等60余項榮譽稱號。

該項目以四川省交通勘察設(shè)計研究院有限公司隧道與地下工程設(shè)計分院為主要團隊，分院現(xiàn)有員工30人，其中正高級工程師4人、高級工程師12人，長期致力于山區(qū)公路隧道工程、防護工程的設(shè)計與研究工作。近年來，主持交通運輸部重點科技項目兩項、四川省交通運輸科技項目近10項；主編地方標準兩部、全國性團體標準4部；取得發(fā)明專利19項，實用新型專利100余項，外觀專利20余項，發(fā)表論文80余篇；獲得省部級勘察設(shè)計及咨詢獎20余項，省部級科學(xué)技術(shù)獎8項。在隧道工程數(shù)字化轉(zhuǎn)型、超長隧道設(shè)計建造技術(shù)、明洞與棚洞技術(shù)、隧道抗震減災(zāi)技術(shù)等方面取得了豐碩成果，總體達到國際先進水平，在國內(nèi)有一定影響力。