落石沖擊下山區建筑設施防護措施研究

李歡歡 鄭 瑞 李會琴 馬 迪

（西安交通工程學院，陜西 西安 710300）

0 引言

隨著山區建筑的不斷增多，山區落石災害引發的社會和經濟方面的問題屢見報道，其中在山區鐵路、沿山公路、山區構造物、礦山建設等方面落石災害引發的問題往往比較突出，落石災害嚴重威脅著區域內人們的生命和財產安全。

相較于大規模的山體滑坡類地質災害而言，落石災害的規模一般不算大，造成的經濟損失也更小。但是在危害等級方面，落石災害引起的人員傷亡的數量和其他形式地質災害導致的人員傷亡數量相當。因此，掌握落石沖擊下山區建筑結構破壞機理，做好相應防護措施研究成為亟待解決的工程災害防治問題。

1 落石災害及影響

落石災害是指山區的石頭在自然或人為因素影響下出現松動，進而在重力作用下由高處向低處滾落，落石會對其影響區內的建筑等造成破壞甚至威脅著人的生命安全。在美國、加拿大、意大利等山地較多的國家，落石災害引起的人員死亡數量占比較大，造成的損失不斷上升。

1992年Badge等研究者針對美國華盛頓州區域內高速公路沿線所做的相關研究表明，斜坡不穩定問題有45%是由落石引起。在我國，隨著西部大開發的不斷深入，在西部山區出現了大量基礎工程建設項目，在水利工程、能源工程、鐵路工程、礦山開采或旅游開發等項目中不可避免地出現了大量的高陡巖質邊坡地質狀況，工程項目遭遇落石災害的概率也隨之增加，落石致災事件在工程項目中頻發[1]。落石對其影響范圍內的基礎設施項目造成巨大經濟損失以及落石災害引發的人員傷亡報道屢見不鮮：1971年至1992年，在成昆鐵路北段發生共238次214處落石災害，行車被迫中斷910小時16分鐘；1970至1983年，烏斯河工務段171km路段，發生420次落石災害，造成橋梁、道岔、隧道口等結構損傷，其中直接擊中列車有8次；2005年雨季，皖贛鐵路十里巖隧道口多次發生落石災害，造成行車中斷多次；1999年3月25日早晨，浙江云和縣西塘鎮落石擊中汽車，造成18人死亡；2000年7月，重慶市萬州區天生城落石災害迫使近2000人的福建小學關閉轉移；2001年7月，貴州境內貴新公路一輛行駛中的客車被落石擊穿，造成坐在副駕駛位上的乘客死亡；2001年8月18日，陜西西萬公路秦嶺路段，一輛行駛中的大轎車被落石擊中，造成6人重傷，2人死亡；2002年5月，四川省綿竹縣鮑竹路段一輛載有41名乘客的大客車受到巨石沖擊，造成14人受傷，18人死亡；2005年4月，重慶市忠縣順溪鎮危巖體坍塌，輸氣管道的防護蓋板被落下的石塊擊穿，致使輸氣管道的運營安全受到嚴重威脅；2007年11月20日，湖北省巴東段高陽寨，宜萬鐵路沿線一輛過路客車遭遇隧道洞口巖體崩落，導致客車被埋，造成30余人當場死亡[2-3]。

隨著我國西北經濟的快速發展，西北部基礎設施建設和資源開發力度正以前所未有的速度提高。我國西北部地區大多為山地地形，是落石災害易發區域，以水電站建筑為例，分析落石災害對山區建筑的影響。在西北部地區集中著大量的水力資源，因此集中了大量在建和待建水電站項目，水電站常建設在適合的高山峽谷地形，可以減少高壩水庫的移民拆遷，還可以充分利用到達增加水電及保證出力的目的。作為輸出電力的變電站建筑物，其開關站一般不能離高壩水庫太遠，大多只能建在緊鄰水電站廠房的山腳下，一旦發生落石災害還會威脅到開關站內工作人員人身安全。若落石正好擊中站內的電力設備，將會造成輸電突然中斷，這種突然甩負荷將嚴重威脅機組的正常運行，直接沖擊電網的穩定，引的經濟損失將是不容忽視的。因此，考慮山上落石對開關站內機器正常運行的影響就至關重要。位于黃河上游的某個大型水電站，在其施工期間曾發生一起岸坡落石災害并造成了人員傷亡，該工程項目為了確保電力輸出的安全，專門修建了出線樓，用以防止落石災害。

綜上，為防止落石災害造成的巨大損失，需提高位于山區的建筑物屋面板的抗落石沖擊性能，可通過一定的緩沖措施降低落石對屋面板的沖擊效應。

2 落石災害防護研究方法

目前，針對山區落石災害的防護研究已成為地質災害研究領域日益值得關注的問題，國內外很多專家學者和相關機構都在這個方面進行了各種有益的探索?；跊_擊荷載作用下建筑結構的動力響應方面的研究較多，落石沖擊下結構的動力響應研究大都集中在擋土墻、混凝土梁、混凝土板等構件層面，落石沖擊下棚洞結構的動力響應研究也較多，且大多數都是研究整體建筑結構在落石沖擊荷載作用下的動力響應。

就研究方法來說，主要以試驗研究為主，包括室內模型試驗、現場滾石試驗、柔性防護網沖擊試驗等，如圖1所示。

圖1 落石沖擊試驗

法國薩瓦大學研究者們進行了SDR新型耗能棚洞結構試驗，對其抗落石沖擊進行試驗和數值模擬分析[5]；蘇黎世聯邦理工學院，研究者們針對不同緩沖材料的耗能作用進行對比，對過廊棚洞設不同緩沖材料時的動力響應進行了試驗分析[6]；法國艾曼、艾伯特等人采用復合緩沖層體系，也稱為“三明治”體系，進行相關抗落石沖擊試驗研究[7]；2012年西南交通大學分別進行了鋼筋混凝土柱抗落石撞擊試驗和新型活動式被動防護系統抗落石沖擊試驗。

試驗得出的數據一般都具有直觀性、準確性、綜合性等特點，試驗研究是正確理解落石問題最直觀的方法，但是同時試驗研究又缺乏系統性，而且通常試驗具有很強的局限性，這些因素會使試驗結果的工程意義有限。

另外一種方法就是以動力學和運動學為基礎的理論研究，關鍵為建立比較合理的數學分析計算模型，要用到的分析方法包括靜力學方法、概率統計法、瞬時動力學方法等，其中瞬時動力學方面，常采用有限元數值方法進行仿真模擬研究。

3 落石災害防護措施

我國在落石災害防護研究方面起步比較晚，瑞士的BRUGG公司和意大利的SITAF公司是著名的專門從事落石防治研究的公司。在20世紀70年代，瑞士BRUGG公司研發出鋼繩欄石網系統用于滾石防護，此防護技術于20世紀80年代被引入美國，BRUGG公司在1995年進入中國?，F今國內已有邊坡防護網有限公司成立并開展業務，如成都奧思特也都在迅速發展著。

目前，國內外落石防護研究機構針對落石的主要研究成果集中在對崩塌及落（滾）石的運動軌跡、沖擊動能、停留范圍、防護措施等方面，針對落石與防護結構的碰撞接觸作用過程、落石沖擊瞬時的動力響應規律以及防護措施的失效模式還基本沒有研究。

地質災害崩塌、落石在山區非常常見。為了防治落石災害，根據長期的工程實踐經驗，建立了以主動防護和被動防治相結合的防治措施。其中主動防護措施是指以“看、清、支、接、固”為主的防護措施，“看”是指設置預警裝置，在設定點看守；“清”是指清除看似有危險的石頭；“支”是指設置支擋結構加固邊坡和墻體，達到保護邊坡和墻體的目的；“接”是指把墻體連接起來，相當于一個護欄；“固”是指通過錨固、噴錨封閉等措施加固危巖。被動防治措施是指以遮攔、防護、繞避為主的防治措施，其中遮攔措施的典型例子為明洞和棚洞，常見的防護措施如SNS軟網防護，繞避最常見的是更改線路繞開危巖。從實踐中可以看到，這些措施確實對崩塌、落石災害起到了相應的防治作用。

對這些防治措施的特點從功能和適用條件方面進行簡單描述：“看”能一定程度上減輕危害，但并不能從根本上防治危害；“清”對車輛運行影響較大而且很容易產生新的問題；“支”和“固”要求邊坡坡面要穩定并且地質的整體性要好，同時需要“支”和“固”結構物一般都比較高，施工難度較大，而且一旦施工實施不好，這些高結構物自身就會成為崩塌災害的物質來源，而對于噴錨工程，錨桿的錨固施工就會破壞巖體的整體性；“接”雖可以說是較好的防治措施，但由于結構被連接成了一個整體，缺少了遮擋及躲避落石災害的功能；“軟網防護”能對破碎巖面的小規模落石到相對較好的防護作用，但還沒有實踐檢驗其對中、大規模崩塌的防治效果；總的來說，改線繞避措施是最徹底且最為有效的落石災害防治措施，但采用這種措施會致使投資加大，而且會加長工期，一般都只在災難性危害（如滑坡、泥石流等）頻發的地區采用；而設置遮攔用的建筑物相對來說投資適中，而且機械施工便利，同時遮擋建筑物還具有側向攔截以及頂部遮蔽線路的雙重功能。

4 結束語

國內落石沖擊下山區建筑設施破壞機理及防護措施研究成果還不成熟，對其看法還存在一定的爭議與分歧。因而，做好此方面研究可以為落石災害影響范圍內的山區公路、橋梁、隧道、建筑物、構筑物結構設計的優化提供參考，一定程度上為落石災害影響范圍內設施、財產和人身的安全提供預防支撐技術。