落石引導系統在大明山公路巖質邊坡防護中的應用探討

梁敬琳　龐春燕　官少龍

摘要：文章以國家級自然保護區大明山公路改造工程巖質邊坡防護工程為例，采用無人機航拍三維實景建模勘查新技術，精確得到邊坡巖體結構面產狀、節理及構造裂隙分布規律及范圍等內容，并對潛在落石進行運動模擬，獲取落石的沖擊能量、運動軌跡、彈跳高度等理論數據，結合現有邊坡工程防護技術，考慮安全性、適用性和經濟性，確定采用落石引導系統防護技術方案。工程實踐證明，該防護設計方案是科學的、合理的，也是經濟的。該防護方案為廣西公路首次應用，可為今后類似工程提供借鑒。

關鍵詞：順層巖質邊坡;三維實景建模;落石模擬計算;落石引導系統

0 引言

公路工程建設過程中，巖質邊坡多采用爆破或機械破碎后開挖，由于施工工藝的局限性，順層邊坡、反傾結構面、構造裂隙發育等地質條件[1]，放坡后的巖質邊坡節理較為發育，巖體破碎，局部形成危巖體，極易產生崩塌危害[2-3]。多數山區公路建設由于防護意識不到位、建設資金局限性、技術不成熟等因素，公路中的巖質邊坡未作防護工程設計，存在崩塌落石隱患，對公路安全運營造成重大危害。對于山區公路邊坡防護，致力于尋求有效且生態的技術，使得公路成為既穩定又與周邊的自然環境和諧共存的工程。

大明山保護區三寶至天坪公路建設形成大量裸露深路塹巖質邊坡，多以順層結構為主，涉及景區公路行車、游客生命財產安全性保證以及國家級自然保護區生態保護、水土保持等重大問題，工程防護措施要求較高。文章深入分析該工程所采用的落石引導系統新型防護技術，為類似工程提供參考意義，具有一定理論和實踐意義。

1 工程背景

大明山國家級自然保護區地處廣西中部偏南，橫跨南寧市武鳴、上林、馬山三縣區。大明山保護區三寶至天坪公路為保護區上山公路的上半部分，路線北起于三寶附近，向東南途經觀雪亭、龍亭、云龍佛光，然后轉向東，終點止于明山龍騰賓館附近，全程約7.26 km，沿線共計40余處巖質路塹邊坡，為典型危巖崩塌、危巖路段。

（1）地形地貌：項目區內地貌類型為低中山地貌，地形受構造控制，形成弧形背斜山脈，山體坡度在30°～40°之間，局部超過60°，甚至形成陡壁，最大邊坡高程差達40余m，表層為薄層土層覆蓋，植被發育，地形復雜，地貌類型簡單。

（2）地質構造：項目區無區域斷層構造，但構造裂隙較發育，共發現41條構造裂隙F1～F41，大部分為張節理及卸荷裂隙，走向70°～90°近垂向，節理較發育，順坡向陡傾角節理較發育，在巖層面及風化等裂隙組合下，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，對邊坡穩定性起到決定作用。

（3）水文地質：項目區地下水類型為松散巖類孔隙水和碎屑巖類裂隙水，富水性等級為貧乏-中等，對工程建設影響較小。但在強降雨時，雨水在沿巖體裂隙下滲的過程中，對裂隙可以起到潤滑作用，降低結構面的力學強度，從而降低了邊坡的穩定性。

（4）氣象條件：項目區年平均氣溫為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，降水性質多以暴雨形式出現，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，構造裂隙、卸荷裂隙發育，持續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環境，存在發生崩塌落石的可能，多處存在危巖隱患，造成邊坡防護設計較多差異性。

2 工程防護原則與思路

2.1 防護原則

（1）安全性：由于坡腳為景區公路，防護工程必須保證邊坡穩定，消除或穩固坡面松動的巖塊，保證坡腳建（構）筑物和人員安全。

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

（3）經濟性：邊坡面積大，地形復雜，應充分結合邊坡自身的穩定性來布置邊坡的防護工程量。防護工程應具有足夠的工作壽命，在使用年限內盡量做到無須維護或維護工作量盡量小，并且在達到同等防護效果的前提下盡量節約治理資金，使工程的經濟性得到體現。

2.2 防護思路

（1）設計前應對巖石邊坡的結構面調查清楚，了解主要結構面的位置，工程地質巖層詳細情況，精準正確評定其穩定性，預測對周圍環境產生的不良作用，為設計提供參考依據，以主動防護為主，工程引入了無人機三維實景建模輔助手段，做到厘米級精確勘查。

（2）設計要因地制宜，以保護生態環境優先，嚴格控制在用地紅線，盡量不采用破壞環境的設計。

（3）建筑等硬質景觀的布局上順應山勢，不宜大挖大填。平整場地時，盡量使周邊建筑物不受到破壞。對找平時出現的新邊坡，應盡快做好防護工作。

（4）疏水設計。水的作用是滑坡發生的重要誘因，既要做好地下水疏導，也要做好表面排水，與各方面條件相聯系，建設完善的排水系統。

3 K25+610～K25+760左側邊坡防護

3.1 邊坡穩定性分析

對該段邊坡采用無人機航拍三維實景建模，準確獲取危巖體積、巖層產狀及構造裂隙等相關信息，如圖1所示。

該地層巖性主要為泥質粉砂巖，砂巖，巖層產狀205°∠8°，中厚層構造，邊坡體節理裂隙發育，以卸荷及風化裂隙為主，裂隙交匯切割貫通，巖體呈鑲嵌碎裂結構，邊坡巖體類型為Ⅲ類，存在構造裂隙F22，F23，F24。如圖2所示進行赤平投影分析，結果顯示邊坡整體基本穩定，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，落點以路肩位置可能性最大。

通過落石分析軟件計算結果可知，落石運動至公路附近時彈跳高度為1～7 m，沖擊能量為100～1 300 kJ，沖擊速度為3～20 m/s。詳見圖4～6。

3.3 防護方案論證分析

巖質邊坡防治技術可分為剛性防護技術（如錨噴、攔石壩）和柔性防護技術（如斜坡穩定系統、落石攔截系統、落石引導系統）[4]。

該項目系列巖質邊坡防護采用常規剛性防護技術存在幾點問題：（1）邊坡陡峭，支擋或者刷坡無施工空間;（2）護坡工程量大、作業風險高，造價高;（3）項目所處國家級自然保護區內，防護工程應與環境相協調。從安全性、適用性和經濟性角度考慮，采用柔性防護技術相對而言更為科學合理。

柔性防護技術國內常用的有斜坡穩定系統、落石攔截系統，《鐵路沿線安全防護網》（GB/T 3089）稱為主動防護網和被動防護網[5]。

由于坡面結構較為破碎，表層自穩性能相對較差，巖體風化程度較為嚴重，采用常規主動防護網風險較大，日積月累易出現“鼓肚子”現象，清理困難，可能會造成二次危害。另外，高陡邊坡采用被動防護網沒有安裝位置，且影響景區美觀協調性等。

綜合考慮安全性、適用性和經濟性，經充分調研和論證采用落石引導系統，也即覆蓋式簾式防護網結構。

該結構采用錨桿、縱橫向拉繩等構件將柔性金屬網自然覆蓋在需防護的斜坡或危石上，通過柔性網的限制作用，將落石控制在一定范圍內運動，引導落石滑落或滾落至落石收集區，從而消除落石危害的防護技術。當前主要應用于鐵路段邊坡落石防護，效果顯著，本項目的實施將成為廣西公路首次應用案例。

3.4 設計方案簡介

（1）防護能級

根據前文3.2節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，考慮到經濟性和安全性，決定選用防護能級1 500 kJ的LF-150型覆蓋式簾式網，如圖7、圖8所示。

（2）防護區域

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

（3）其他措施

對于表層巖體風化不均，局部有完整性較好的巖塊的邊坡施加長為3～6 m的[WTBX][HTXH]32 mm普通螺紋鋼錨桿;坡腳碎落平臺的邊坡段，開挖深度為50 cm的種植槽，回填種植土，按間距30 cm種植保護區本土爬山虎，沿坡面生長覆蓋。

4 結語

（1）采用了先進的無人機航拍三維實景建模勘察技術，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構面產狀、節理及構造裂隙分布規律及范圍等信息。

（2）基于三維實景模型切取斷面，利用落石分析軟件對落石進行運動模擬，從而準確掌握邊坡落石的沖擊能量、運動軌跡、彈跳高度、運動速度等，為防護設計提供了精確的理論數據。

（3）經調研和分析，大明山公路巖質邊坡20余處采用了國內新型創新產品落石引導系統+綠化防護方案。

參考文獻：

[1]鄭穎人，陳祖煜.邊坡與滑坡工程治理 [M]. 北京：人民交通出版社，2007.

[2]馮 君，周德培，李安洪.順層巖質邊坡開挖穩定性研究 [J]. 巖石力學與工程學報，2005，42（9）： 1 474-1 478.

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

[4]李 念.SNS邊坡柔性安全防護系統工程應用[M].成都：西南交通大學出版社，2009.

[5]TB/T3089-2004，鐵路邊坡沿線斜坡柔性安全防護網[S].