引導(dǎo)式柔性防護(hù)網(wǎng)在公路邊坡中的應(yīng)用

落石災(zāi)害極大地威脅了公路安全。引導(dǎo)式柔性防護(hù)網(wǎng)憑借其能夠有效降低落石彈跳高度、瞬時(shí)動(dòng)能等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于公路邊坡落石災(zāi)害的防治中。以杭州市蕭山區(qū)義橋鎮(zhèn)虎爪山邊坡某處落石為例，開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)查、數(shù)值模擬等工作，研究了引導(dǎo)式柔性防護(hù)網(wǎng)的落石防護(hù)效果。結(jié)果表明：該處邊坡發(fā)育的不穩(wěn)定落石在重力作用下有失穩(wěn)運(yùn)動(dòng)的可能，運(yùn)動(dòng)距離威脅到公路安全。同時(shí)，落石在坡腳處的彈跳高度較高，超過(guò)一般被動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)高度。在實(shí)施引導(dǎo)式柔性防護(hù)網(wǎng)后，其運(yùn)動(dòng)距離彈跳高度都得到了有效控制。實(shí)際工程應(yīng)用結(jié)果表明通過(guò)引導(dǎo)式柔性防護(hù)網(wǎng)有較好的治理效果。

落石; 公路邊坡; 引導(dǎo)式防護(hù)網(wǎng); 數(shù)值模擬

U417.1B

鐵路與公路鐵路與公路

［定稿日期］2023-06-08

［作者簡(jiǎn)介］鄒家琦（1995—），男，碩士，工程師，主要從事基礎(chǔ)設(shè)施投資建設(shè)相關(guān)工作。

0" 引言

落石是公路邊坡最常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害之一，嚴(yán)重威脅下部公路的工程建設(shè)和安全經(jīng)營(yíng)。雖然落石相較于滑坡、崩塌等其他地質(zhì)災(zāi)害而言，規(guī)模較小，但由于其發(fā)生頻率高、隨機(jī)性強(qiáng)，容易對(duì)下部公路、建筑物等造成沖擊破壞，甚至威脅人民生命安全，如圖1所示。

數(shù)值模擬方法是預(yù)測(cè)落石軌跡的有效手段之一。目前，學(xué)者常常采用3DEC、UDEC、PFC、Rockfall、Rockfall Analyst等程序模擬落石運(yùn)動(dòng)距離、動(dòng)能、彈跳高度等特征，利用模擬結(jié)果作為設(shè)計(jì)邊坡防護(hù)結(jié)構(gòu)的理論依據(jù)。例如，王朋等［1］采用3DEC和Rockfall數(shù)值模擬軟件分析了武當(dāng)山危巖體的穩(wěn)定性與落石運(yùn)動(dòng)軌跡。楊忠平等［2］采用UDEC分析了邊坡塊體在微震作用下的運(yùn)動(dòng)特征。王林峰等［3］采用數(shù)值模擬軟件PFC3D分析了落石沖擊鐵路棚洞過(guò)程中的沖擊力變化規(guī)律。黃澤斌等［4］采用FLAC3D分析了公路邊坡開(kāi)挖時(shí)的穩(wěn)定性。

引導(dǎo)式防護(hù)網(wǎng)是一種有效防治落石災(zāi)害的措施之一，目前被廣泛應(yīng)用于公路邊坡落石的防治［5］。引導(dǎo)式柔性防護(hù)網(wǎng)在形式上采用坡面鋪掛方式，其主要用于落石引導(dǎo)和防護(hù)，并不以阻止落石的發(fā)生為首要目的，而是通過(guò)控制落石的運(yùn)動(dòng)范圍來(lái)避免其形成危害這也是其與主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)主要的區(qū)別，如圖2所示。在結(jié)構(gòu)上，這種引導(dǎo)式防護(hù)網(wǎng)將柔性放懸掛于由錨桿提供固定支撐的上緣支撐繩上，形成一種類似“窗簾”的懸掛于坡面上的簾幕式結(jié)構(gòu)。通常，引導(dǎo)式防護(hù)網(wǎng)也被稱為圍護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、主動(dòng)-被動(dòng)系統(tǒng)。

引導(dǎo)式防護(hù)網(wǎng)對(duì)落石的防治作用主要是通過(guò)抑制落石的運(yùn)動(dòng)，尤其是彈跳運(yùn)動(dòng)，使落石的瞬時(shí)動(dòng)能和彈跳高度相對(duì)于無(wú)約束時(shí)候發(fā)生明顯減小，從而將落石有控制地順坡向下引導(dǎo)至坡腳堆積停留。這種引導(dǎo)式防護(hù)網(wǎng)也常用于防治爆破飛石的發(fā)生。同時(shí)，系統(tǒng)的自重覆蓋作用也能給落石提供一定的約束作用，通過(guò)引導(dǎo)式防護(hù)網(wǎng)和被動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)的共同作用，可以大大降低攔石網(wǎng)的防護(hù)能級(jí)和高度需求。

某公路邊坡位于杭州市蕭山區(qū)義橋鎮(zhèn)虎爪山邊坡緊鄰橋戴公路旁。邊坡上發(fā)育多處潛在落石，對(duì)下部公路造成一定威脅。因此，該公路邊坡擬采用引導(dǎo)式防護(hù)網(wǎng)與被動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)結(jié)合的措施進(jìn)行工程防治。為了確保擬選用的防護(hù)措施的有效性，利用3DEC軟件模擬分析了無(wú)防護(hù)措施、引導(dǎo)式防護(hù)網(wǎng)和引導(dǎo)式防護(hù)網(wǎng)與被動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)3種工況下的落石運(yùn)動(dòng)軌跡，旨在為該公路邊坡的工程防治提供科學(xué)建議。

1" 工程實(shí)例

杭州市蕭山區(qū)義橋鎮(zhèn)虎爪山邊坡緊鄰橋戴公路，邊坡最大高度75 m，長(zhǎng)度325 m。邊坡為巖質(zhì)邊坡，坡度55°～80°，局部呈直立、倒傾狀，節(jié)理裂隙發(fā)育。南段邊坡已經(jīng)采用主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行了防護(hù)，北段尚未防護(hù)，存在危巖崩塌危及公路上行人車輛安全隱患。邊坡場(chǎng)區(qū)可分為2個(gè)工程地質(zhì)層，基巖可劃分為2個(gè)亞層：①含碎石黏性土（Qel-d l）：灰黃-灰褐色為主，濕，可塑，碎石含量一般 15%～25%，結(jié)構(gòu)較松散、透水性較好，分布在自然斜坡的表部、基巖面之上，厚度一般在 0.5～1.5 m之間。②強(qiáng)風(fēng)化流紋質(zhì)玻屑凝灰?guī)r巖組：呈灰黃色，錘擊易碎，物理力學(xué)性質(zhì)一般，層厚度一般 1.0～3.0 m；中等風(fēng)化流紋質(zhì)玻屑凝灰?guī)r巖組：紫灰、灰白色，塊狀構(gòu)造，物理力學(xué)性質(zhì)較好。區(qū)域性的球川—蕭山北東向深斷裂、昌化—普陀?xùn)|西向大斷裂、孝豐—三門北西向大斷裂從勘查區(qū)附近通過(guò)，近東西向構(gòu)造較發(fā)育。構(gòu)造作用對(duì)勘查區(qū)內(nèi)地層破壞表現(xiàn)為發(fā)育多組節(jié)理。本區(qū)地震活動(dòng)與球川—蕭山深斷裂自全新世初以來(lái)多次活動(dòng)有關(guān)，地震多為弱震（3～5 級(jí)以下）和微震（1～3級(jí)以下）。地震活動(dòng)總的特點(diǎn)是強(qiáng)度低，震級(jí)小，頻度低。據(jù)GB18306-2015《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》，工程范圍在加速度動(dòng)峰值 0.05g區(qū)內(nèi)，對(duì)應(yīng)的地震基本烈度為VI度。區(qū)內(nèi)無(wú)區(qū)域性主干活動(dòng)斷裂通過(guò)，屬地震地質(zhì)環(huán)境較穩(wěn)定的區(qū)域。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察可知：該段邊坡坡度傾陡，存在明顯臨空面，局巖石較破碎，邊坡局部區(qū)域現(xiàn)狀穩(wěn)定性較差，存在崩塌、掉塊隱患。邊坡巖體整體較完整，發(fā)生一次性大規(guī)?；?、崩塌的可能性較小，其主要隱患為邊坡局部坡段的崩塌（掉塊）隱患（圖3）。

2" 基于離散元法的數(shù)值模擬

2.1" 無(wú)引導(dǎo)式防護(hù)網(wǎng)工況下的數(shù)值模擬

2.1.1" 數(shù)值模型的建立及參數(shù)確定

建立的數(shù)值模型如圖4所示，邊坡65 m處發(fā)育不穩(wěn)定危巖體，在降雨、工程開(kāi)挖等條件下容易誘發(fā)落石災(zāi)害。

數(shù)值模擬采用的參數(shù)見(jiàn)表1，參數(shù)的選取參考文獻(xiàn)［7］。

2.1.2" 模擬結(jié)果

數(shù)值模擬結(jié)果如圖5所示。模擬結(jié)果顯示該危巖體處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，在人工擾動(dòng)下繼續(xù)失穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。落石首先在坡面上滾動(dòng)，然后由于山體坡度突然改變，落石發(fā)生彈跳，最大彈跳高度約為3～5 m。最后落石將會(huì)處于靜止?fàn)顟B(tài)，其停止的位置大約在距離公路6 m處。模擬結(jié)果說(shuō)明，該處危巖

298036.6416.964410.32體有發(fā)生失穩(wěn)運(yùn)動(dòng)的可能，并且失穩(wěn)后的落石如果不加以治理，會(huì)威脅公路安全。因此需要進(jìn)行工程治理。

鐵路與公路鄒家琦： 引導(dǎo)式柔性防護(hù)網(wǎng)在公路邊坡中的應(yīng)用

2.2" 引導(dǎo)式防護(hù)網(wǎng)工況下的數(shù)值模擬

2.2.1" 數(shù)值模型的建立及參數(shù)確定

分析發(fā)現(xiàn)，落石在坡角處會(huì)發(fā)生彈跳，其跳躍高度將大于一般被動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)的高度。引導(dǎo)式防護(hù)系統(tǒng)將落石引導(dǎo)至坡腳，便于養(yǎng)護(hù)清運(yùn)，通過(guò)在坡腳設(shè)置一道被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)對(duì)落石進(jìn)行攔截，可有效消除安全隱患。因此，本工況采用引導(dǎo)式防護(hù)網(wǎng)對(duì)落石運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行限高，其數(shù)值模型如圖6所示。由于防護(hù)網(wǎng)的特殊性質(zhì)，對(duì)于引導(dǎo)式防護(hù)網(wǎng)本構(gòu)模型采用彈性本構(gòu)模型，剪切模量和體積模量均為40 kPa。

2.2.2" 模擬結(jié)果

數(shù)值模擬結(jié)果如圖7所示。模擬結(jié)果顯示，引導(dǎo)防護(hù)系統(tǒng)將落石引導(dǎo)至坡腳，便于養(yǎng)護(hù)清運(yùn)。引導(dǎo)式防護(hù)網(wǎng)不僅能夠限制落石的彈跳高度，還能對(duì)落石動(dòng)能一定程度的削減。

2.3" 引導(dǎo)式+被動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)工況下的數(shù)值模擬

2.3.1" 數(shù)值模型的建立及參數(shù)確定

分析發(fā)現(xiàn)，引導(dǎo)式被動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)不僅能夠限制落石的彈跳高度，同時(shí)能夠一定程度削弱落石的運(yùn)動(dòng)速度和距離。為了能夠更好地保障公路安全，采取引導(dǎo)式防護(hù)網(wǎng)與被動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)同時(shí)工作，建立的數(shù)值模型如圖8所示。由于防護(hù)網(wǎng)的特殊性質(zhì)，對(duì)于引導(dǎo)式防護(hù)網(wǎng)本構(gòu)模型采用彈性本構(gòu)模型，剪切模量和體積模量均為40 kPa。

2.3.2" 模擬結(jié)果

數(shù)值模擬結(jié)果如圖9所示。模擬結(jié)果顯示，通過(guò)在坡腳設(shè)置一道被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)對(duì)落石進(jìn)行攔截，可有效消除安全隱患。因此本次設(shè)計(jì)采用GPS-300-C級(jí)引導(dǎo)防護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行坡面防護(hù)，同時(shí)在坡面下部平臺(tái)設(shè)置PPS-200級(jí)（2 000 kJ）被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)的防護(hù)方式。

3" 結(jié)論

本文采用3DEC對(duì)杭州市蕭山區(qū)義橋鎮(zhèn)虎爪山邊坡的落石運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了模擬分析。模擬結(jié)果表明：①在無(wú)防治措施的情況下，落石可能會(huì)失穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，對(duì)坡腳的橋帶線公路造成威脅；②引導(dǎo)式防護(hù)網(wǎng)能夠有效地降低落石彈跳高度，同時(shí)也能一定程度地削減落石動(dòng)能；③對(duì)于該公路邊坡采用引導(dǎo)式防護(hù)網(wǎng)+被動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)的防護(hù)措施是可行，該設(shè)計(jì)能夠有效攔截落石，保障下部公路正常運(yùn)營(yíng)。

參考文獻(xiàn)

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