高腐蝕性地區高速公路巖質邊坡柔性防護設計

摘要：文章以廣西某運營高速公路高腐蝕性地區落石災害點治理工程為例，通過現場調查與評價，確定采用GPS-200-C覆蓋式覆塑引導式防護網系統結合PPS-100型被動防護網系統進行防護的設計方案，結果表明該方案在經濟性、安全性以及耐久性方面具有優勢，可為類似工程提供實踐經驗。

關鍵詞：高腐蝕性地區；落石防護；引導式防護網系統；被動防護網系統

中圖分類號：U416.1+4 A 01 001 2

0 引言

柔性防護網系統于20世紀80年代引入國內，主要以主動防護網系統以及被動防護網系統的形式在國內推廣。主動防護網系統主要通過防護網、錨桿、支撐繩形成的覆蓋體系，利用其強度及錨固力將潛在危巖體緊固在坡面，減弱其勢能轉化為動能的能力，以此形成防護［1］。在實踐過程中，其防護效力與材料性能、安裝工藝以及設計人員的水平有很大關聯，實踐中往往出現因材料不合格、安裝不到位以及施工清坡未清平順出現負角度導致防護網功能性失效。被動防護網系統是由網片、立柱、支撐繩以及消能措施組成，其機理為將系統內各構件的材料特性有機結合后達到攔截相應能級落石的防護目的。其防護性能與系統安裝工藝及能級選用有很大關系，可能出現因防護能級預估不足而導致防護網系統被突破進而失效的現象。上述兩種防護網系統在系統內堆積的落石容易產生次生災害，在后期運維過程中需要投入大量的人力物力去清理、維修，運營成本較大［2］。

引導式防護網系統早在國外已經經歷了很多年的研究與應用，近幾年才在國內逐步推廣。其理念主要為對落石的引導-消能-收集，在提升防護效率的同時降低落石的安全隱患，對后期維護有更大的便利性［3］。國外的引導式防護網系統根據結構形式的不同分為兩種命名，為懸掛式防護網系統（Drapery Mash System）和落石消能系統（Rockfall Attenuator System）。前者以覆蓋懸垂式網片全坡面布設，落石運動及消能過程均在系統網片內完成；后者則在坡面適當位置布設開口式拖尾系統，落石經過前期坡面自然消能后經開口進入系統并在拖尾網片中完成主要消能與收集［4］。我國目前對這兩類系統的研究尚處在起步階段，其原理機制、設計方法及流程尚不完善。為了推進研究，交通運輸部于2020年推出的《邊坡柔性防護網系統》（JT/T 1328-2020）中明確了該兩種系統的命名分別為覆蓋式引導防護網系統和張口式引導防護網系統，為工程推廣及研究應用奠定了基礎［5］。

1 項目概況

廣西某高速公路至今已通車運營6年，建設時期對沿線的巖質邊坡大部分采用主動防護網進行防護。隨著運營時間的延長，建設時期使用的各種類型的主動防護網受氣候條件和環境因素影響，沿線大部分巖質邊坡的主動防護網均出現不同程度的銹蝕的情況，有的甚至直接影響主動防護網的安全性能，無法達到預期的防護效果，存在較大的安全隱患。本文主要以K152+800～K153+230下行線側巖質邊坡為例，介紹抗腐蝕性引導式防護網的應用。

2 項目現場調查

本項目巖質邊坡隱患區位于廣西丘陵地帶，地貌類型主要為巖溶峰林谷地地貌。沿線灰巖、白云質灰巖、白云巖等可溶性巖石廣泛分布，巖溶非常發育，洼地密布，其間有石芽、溶溝、漏斗、洼地等各種奇特的形態。主要以石山為主，山峰似叢林聳立，山間多以溶蝕盆地或者槽狀谷底為主；地表植被豐富，多以草灌植物為主；地形相對高差80～ 180 m。

本次調查借助于無人機及傾斜攝影建模，對可能影響高速公路通行安全的山體區域進行調查。調查發現，坡面滲水嚴重，滲水區域防護網銹蝕嚴重，邊坡防護網大面積破損，防護網功能失效，邊坡巖石較松散，防護網內有較多細碎石塊墜落，對路面行車安全造成影響。其成因主要有三種：（1）隱患區受氣候條件和環境因素影響，坡面已實施的防護網由于防腐性能較差，均已腐蝕破損不具備防護效應；（2）工程邊坡開挖形成的卸荷裂隙經風化后切割巖體形成的危巖體；（3）坡口線區域存在較多的危巖體或坡面存在較多危巖松散體。

經分析判斷，誘發潛在巖質邊坡發生危巖掉落的內因有：（1）邊坡危巖隱患區受地質構造的影響，危巖潛在巖質邊坡的巖體構造裂隙發育，臨坡側的構造裂隙在高速公路邊坡坡體開挖產生卸荷效應，發育成為卸荷裂隙，對危巖體破壞起到促進作用；（2）危巖隱患區地層巖性為可溶性灰巖，其溶蝕作用對危巖災害的產生起促進作用。

誘發潛在巖質邊坡危巖掉落的外因有：（1）隱患區受氣候條件和環境因素影響坡面已實施的防護網由于防腐性能較差，防護網均已腐蝕破損，不具備防護效應；（2）大氣降水入滲與可溶性巖石產生溶蝕作用，加速溶蝕裂隙發育與張開，同時裂隙水產生的靜水壓力具有掏空裂縫充填物以及對危巖體產生向外的力，促進危巖體的變形破壞；（3）潛在邊坡隱患區的山體植被茂密，多為低矮灌木，這些植被根系深入裂隙中形成的根劈作用容易撐大巖體裂隙，對山坡危巖體整體穩定性起到不利作用，且沿根系生長可釋放微酸性物質，易腐蝕巖體，加大裂縫張開與發育，對潛在危巖災害發生同樣存在促進作用。

3 設計方案

該處工點邊坡為巖質邊坡，坡率約為1∶0.5，最大坡高約 35 m，巖性為灰巖，巖體較為破碎，節理裂隙發育，建設時期未能將坡面修整平順，局部巖體凸出。邊坡原有主動防護網所用技術指標為《公路邊坡柔性防護系統構件》（JT/T 528-2004）。該高速公路運營期間出現多處巖體剝落，坡面出現新增尖銳狀凸起，使得原有主動防護網遭劃破導致失效。同時坡面有多股水流滲出，侵蝕主動防護網，部分主動防護網外層鋼絲繩遭腐蝕溶斷。整個邊坡長度為 430 m，工程量龐大。

根據這一特點，結合邊坡形態，在考慮施工便利與安全、防護有效性及耐久性、經濟性等條件后，采用在一級平臺處設置PPS-100型被動防護網防護平臺以上邊坡落石、一級坡面覆蓋GPS-200-C型覆蓋式覆塑引導防護網系統引導防護一級坡面落石的方案。如圖1所示。

根據現場地形，選取邊坡典型剖面進行落石模擬分析（見圖2）。利用Rocfall落石分析計算軟件對初始條件進行計算，模擬調查到的落石質量為 2.5 t，體積為 1 m3時，在對應位置設置 1 000 kJ被動防護網系統的可靠性。計算結果表明，防護網防護能級安全系數為1.52，緩沖距離安全系數為1.66，攔截高度安全系數為3.02，能防護危巖對公路的危害。

該方案的優點在于：（1）利用PPS-100型被動防護網能有效攔截平臺以上坡體落石，減小防護網工程量，有很高的經濟效益；（2）利用GPS-200-C覆蓋式覆塑引導防護網系統能解決一級邊坡落石的問題，消除邊坡尖角危巖對防護網系統破壞的隱患，通過引導收集的落石便于后期運營養護，坡面無須錨桿施工，在施工安全、進度、高速公路保通以及工程投資上具有顯著優勢；（3）覆塑引導防護網在鋼材強度指標及抗腐蝕性指標滿足《邊坡柔性防護網系統》（JT/T 1328-2020）指標要求的前提下，覆高抗腐蝕性耐磨有機材料涂層可解決防護網在高腐蝕性地區使用壽命的問題。

本項目最終實施所采用的高抗腐蝕性耐磨有機材料涂層性能滿足以下要求：（1）原材料抗UV性能測試依據測GB/T-16422.2及GB/T-16422.3標準規定的方法執行；經過氙弧燈照射 4 000 h或Ⅰ型熒光紫外燈按暴露方式照射 2 500 h后，其延伸率和抗拉強度變化范圍不得大于初始值的25%，其抗拉強度等力學性能在經過暴露照射后至少優于傳統覆塑PVC材料35%，斷裂延伸率是傳統PVC的4倍以上；（2）覆塑雙絞合六邊形加筋網網面鋼絲應具有良好的耐磨性能，參照JB/T 10696.6-2007的試驗方法，對鋼絲施加 20 N的垂直作用力，在刮磨 100 000次后，有機涂層不應破損，其性能是傳統PVC覆塑材料的10倍。而被動防護網系統中的鋼絲、鋼絲繩及其制品則需要滿足《邊坡柔性防護網系統》（JT/T 1328-2020）規定的使用Zn-5%Al鍍層在中性鹽霧測試環境中暴露時間 ＞1 000 h，參考使用年限達10年。在力學性質及抗腐蝕能力上均高于參照《公路邊坡柔性防護系統構件》（JT/T 528-2004）要求的產品，適用于高腐蝕性地區高速公路巖質邊坡防護。

4 結語

（1）本工程工期僅為 30 d，期間高速公路未受施工影響通行正常，施工完成后各項構件經通過相關試驗檢測，具有良好的防護效果。

（2）《邊坡柔性防護網系統》（JT/T 1328-2020）對柔性防護網系統的命名、構件特性參數指標要求進行了更新，較舊版規范更注重以檢測試驗指標評定構件性能。

（3）引導式防護網系統能有效對邊坡落石進行引導收集，延長防護系統的壽命，同時方便日常養護，覆塑后能進一步增加其抗腐蝕能力。

（4）引導式防護網計算理論與設計流程目前尚未完善與明確，未來仍需大量的研究和應用來推進該項技術的發展。

（5）公路邊坡柔性防護網系統未來將在滿足系統力學防護性能的前提下更多去關注防護網系統的抗腐蝕性，新的抗腐蝕工藝或材料將獲得更多的研發和應用。

參考文獻

［1］許 滸，鄒 鵬，余志祥，等.山區公路高陡邊坡引導式柔性緩沖系統的設計方法［J］.中國公路學報，2022，35（9）：235-246.

［2］崔廉明，石少卿，汪 敏，等.多位置分布配重下引導式落石緩沖系統沖擊防護性能研究［J］.巖石力學與工程學報，2019，38（2）：332-342.

［3］劉 強.采用引導式和分離式柔性防護網綜合整治崩塌落石病害［J］.中小企業管理與科技（上旬刊），2015（11）：101-102.

［4］SAUTTER K B，HOFMANN H，WENDELER C，et al.Advanced Modeling and Simulation of Rockfall Attenuator Barriers Via Partitioned DEM-FEM Coupling［J］.Frontiers in Built Enviroment，2021（7）：1-17.

［5］JT/T 1328-2020，邊坡柔性防護網系統［S］.

收稿日期：2022-12-20

作者簡介：

謝 錚（1989—），主要從事高速公路、橋梁、隧道養護管理工作。