高陡邊坡柔性防護措施及工程應用研究

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

我國山區坡面地質災害頻發，給人們的生命財產造成了巨大損失。其中落石崩塌是地質災害的主要形態，占總量75%以上，常應用柔性防護系統[1-6]對其進行防護。柔性防護系統主要為主、被動防護系統。

近年來，針對被動柔性防護網系統緩沖性能的研究多采用足尺沖擊試驗與數值模擬[7-13]。其中，Escallón等根據歐洲規范ETAG027建立了一種被動柔性防護網系統。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個網環，形成了卡阻“規避區”，延緩了變形鎖死，提高了系統緩沖性能。Gottardi等開展了500 kJ，1 000 kJ，2 000 kJ，3 000 kJ以及5 000 kJ等5種規格被動柔性防護網系統的足尺沖擊試驗。

隨著被動柔性防護網的大面積使用，被動柔性防護系統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。

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

近年來以控制、引導和消能為防護理念引導式防護系統，能壓制落石運動軌跡使其下落到預設位置，并能夠實現大能級防護，對高陡邊坡的落石防護有著明顯的優勢。

2 新型柔性防護技術

按照形式的不同可分為覆蓋式簾式網和混合式簾式網(見圖1)。覆蓋式簾式網由拉繩、防護網片、錨桿以及耗能元件構成，防護系統將整個危險區域全部覆蓋，控制落石運動范圍，引導落石運動到預設位置。混合式簾式網由攔截收集系統和引導控制系統組成。攔截收集系統位于整個系統的上部，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，再由相連的引導控制系統引導落石沿坡面滾落到預設位置。

目前，應用于實際工程中的引導式柔性網主要有混合式(hybrid rockfall barrier)和大跨度口袋式(Long-span-pocket-type，簡稱 LRP)防護網兩種，近年來，國內外學者開展了部分研究。

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巖以及千枚巖，呈片狀或板狀，由于抗風化能力弱，多被風化成碎塊(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，且屬強風化狀態。在洞頂上方200 m段設置了5道能級750 kJ的被動柔性防護網，柱高均為5 m。2020年8月15日，由于大暴雨導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。具體工況如下：

從上到下，第一道被動網：此道被動網型號為RXI-Y-075，柱高5 m，防護寬度50 m。5跨網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。上拉繩減壓環與支撐繩減壓環均有不同程度啟動，最右側上拉繩錨桿被拉斷，上支撐繩最右側被拉出，最右側2根鋼柱被砸彎，網子完整(見圖3)。

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

第三道：此道被動網型號為RXI-Y-075，柱高5 m，防護寬度100 m。最左側2跨向坡面內傾倒。右側8跨被沖毀，部分鋼柱和上拉繩基礎被拉出，部分減壓環完全啟動，網中攔截有大量落石，約300 m3，單塊最大約4 m3，網子完整。最右側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：此道被動網型號為RX-050，柱高5 m，防護寬度170 m。最右側11跨攔截有少量落石，結構基本完好。左側6跨受到泥石流沖擊，受到不同程度的破壞，1個上拉繩錨桿基礎被拉出，減壓環基本無啟動，有2根鋼柱彎曲，網中攔截有大量落石，約400 m3，單塊最大約3 m3，網子完整(見圖6)。

第五道：此道被動網型號為RX-050，柱高5 m，防護寬度150 m。最右側10跨中，除第2根鋼柱基礎松動，其余結構基本完好。左側5跨因泥石流沖擊，受到不同程度的破壞，最左側第一根鋼柱基礎被拉出，第6根鋼柱被砸彎，減壓環基本無啟動，網中攔截有大量落石，約100 m3，單塊最大約2 m3，網子完整(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，五道被動網的攔截數量僅為46個，且最大沖擊能量均遠遠的超出被動網設計能級；由落石軌跡以及彈跳高度可知，被動網的設置位置也存在不合理性，即使被動網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 五道被動網攔截落石數量統計

5 設計方案

5.1 初步設計方案

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

5.2 簡化模型數值模擬分析

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，考慮了防護單元內的危巖滑移、崩落、撞擊、攔截和堆積等一系列動態過程，再現了防護系統全過程的工作狀態。與完全做靜力簡化的傳統設計方法相比，這種模擬分析直觀再現了防護單元從靜態到動態變化的全過程，有利于進行更加合理的設計，提高防護系統工作的安全性。

以第一道簾式網為研究對象，簡化計算模型；數值模型中簾式網系統寬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 模擬結果分析

5.3.1 落石運動狀態

落石沖擊下不同時刻防護系統的攔截狀態見圖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，防護結構變形見圖15。

5.4 小結

第一道張口式簾式網的簡化模型模擬結果可知，各構件的承載能力、峰值內力值、安全系數以及整體最大變形如表2所示。

表2 計算結果評價

1)危巖落石防護配置方案的承載能力均遠大于峰值內力，留有足夠的安全系數，滿足要求；2)簾式網在工作時，其動態受力行為是不可忽略的。在動力作用下，部件的不利響應必然增加，導致安全儲備降低。因此，建議防護結構使用前進行詳細的地質勘察和落石調查；3)引導區環形網的儲備安全系數較低，建議根據落石源的具體形態適當的調整配置。

6 結語

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

根據第一道張口式簾式網的簡化模型模擬結果可知，設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；應用工程類比性，可知第二、三道張口式簾式網設計滿足防護要求。