滾石防護(hù)機(jī)理簡介及防治對(duì)策(共10頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上滾石防護(hù)機(jī)理簡介及防治對(duì)策李小強(qiáng)1 嚴(yán)樹2（1. 2 深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司 ）【摘要】本文介紹了邊坡滾石地質(zhì)災(zāi)害的產(chǎn)生條件，對(duì)滾石的能量及運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了分析，然后介紹了滾石常用的防護(hù)方式，并針對(duì)具體工程實(shí)例對(duì)柔性防護(hù)系統(tǒng)做了介紹?！娟P(guān)鍵詞】滾石、邊坡、地質(zhì)災(zāi)害、防護(hù)方式Mechanism of action and prevention methods of slope rock fall hazardLi Xiao Qiang1 Yan Shu2（1.2.China Nuclear Power Design Company, Ltd（Shenzhen） ） 【

2、Abstract】The authors discussed the mechanism of rock fall with slope and analyzed the energy and motion track of rockfall. Common protection methods are introduced and SNS protection system is described . 【Key words】Rockfall, Slope, Geological Hazards, Protection Method1引言我國是個(gè)多山的國家，各種地質(zhì)災(zāi)害常有發(fā)生，加之人口眾多

3、、幅員遼闊，各類工程建設(shè)和資源開發(fā)分布廣泛、規(guī)模龐大、數(shù)量眾多，必然地要帶來大量的坡面地質(zhì)災(zāi)害問題。在坡面地質(zhì)災(zāi)害中，各種成因和規(guī)模的滾石是常見的一種。如何防治滾石災(zāi)害，一直是工程技術(shù)人員研究的對(duì)象。本文對(duì)前人滾石防護(hù)的理論做了一個(gè)簡要的介紹，并結(jié)合一個(gè)典型工程實(shí)例介紹了柔性被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)。2滾石防護(hù)理論簡介2.1滾石的形成條件滾石的發(fā)生必須具備兩方面條件，一是滾石的來源，即邊坡上必須要有潛在滾石體，一般稱為危巖或危石，這取決于邊坡的地質(zhì)特征。另一個(gè)是使這些潛在滾石發(fā)生崩落的誘因，它主要是一些外部作用因素。2.1.1邊坡地質(zhì)條件（1）巖土構(gòu)成特征存在潛在滾石的邊坡主要有兩類：受節(jié)理裂隙等結(jié)構(gòu)面切

4、割的巖石邊坡及堆積物邊坡。就堆積物邊坡而言，常見的主要有崩坡積物、受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)抬升的洪積物和冰積物，坡面泥石流堆積體等，其一個(gè)明顯的特征是，在這些堆積物中常有數(shù)量和大小不等的巖塊存在，通常稱其為孤石，這些孤石與其周圍的土體等相互伴生，相互支承或嵌鎖，處于暫時(shí)穩(wěn)定狀態(tài)，一旦外力使相互支承作用喪失，就可能發(fā)生滾石。還有一種特例，即在坡面上停留一些歷史崩塌滾石體，通常稱其為浮石，當(dāng)其大量堆積時(shí)，便形成所謂巖堆。此類巖堆一旦有諸如工程建設(shè)等人類活動(dòng)出現(xiàn)，便可能發(fā)生二次崩落。（2）構(gòu)造與結(jié)構(gòu)地質(zhì)條件巖石邊坡的構(gòu)造與結(jié)構(gòu)地質(zhì)條件是評(píng)價(jià)其潛在滾石區(qū)域和規(guī)模的基礎(chǔ)。一般而言，節(jié)理可能是形成巖石邊坡潛在滾石最為重

5、要的因素，特別是張性節(jié)理區(qū)發(fā)生失穩(wěn)或滾石的可能性通常是相當(dāng)大的。因此需對(duì)節(jié)理組的走向、傾向及傾角、連續(xù)性、間距、張開度和充填特征等進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查。沉積巖和變質(zhì)巖中的層理對(duì)邊坡穩(wěn)定性也具有決定性影響。節(jié)理和層理的交叉將巖體切割成具有一定形狀和尺寸的巖石塊體，這種獨(dú)立的個(gè)體便是產(chǎn)生滾石的主要來源。（3）水文地質(zhì)條件邊坡水文地質(zhì)條件除了將影響巖體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性外，諸如坡面徑流、滲濾水或泉水、裂隙水等，還會(huì)通過沖刷、切割、溶蝕、冰劈等作用來加快坡面危石的形成，甚至直接導(dǎo)致滾石的發(fā)生。2.1.2外部誘因絕大多數(shù)滾石的發(fā)生通常都與強(qiáng)降雨、冰雪融化、凍融循環(huán)和風(fēng)等氣候條件有關(guān)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）降

6、雨或冰雪融化所形成的地面徑流，能引起作為支撐或充填物的土體或細(xì)粒質(zhì)的流失，使堆積物邊坡發(fā)生滾石形成局部失穩(wěn)。（2）裂隙或非連續(xù)面內(nèi)的水能夠引起較高的水壓力、降低裂隙面的摩擦阻力、溶蝕或沖蝕裂隙充填物，降低節(jié)理裂隙切割所形成的危石塊體的穩(wěn)定性，或直接引起滾石的發(fā)生。（3）裂隙水的凍脹能形成巖石內(nèi)的冰劈作用，這種作用能使裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展或逐漸張開，加速危石的形成甚至引起巖石松動(dòng)或滾石的發(fā)生。（4）其他外部因素滾石也會(huì)因動(dòng)物的坡面活動(dòng)、穴居類動(dòng)物挖坑掏洞、周邊施工爆破和重型設(shè)備或過往車輛振動(dòng)等作用發(fā)生。此外，巖石陡坡面或破頂外沿附近生長的樹木對(duì)危石的形成和滾石的發(fā)生也是一個(gè)必須考慮的因素，它一方面通過

7、前面提到過的借助于大風(fēng)搖動(dòng)來誘發(fā)滾石，另一方面也通過樹根生長所產(chǎn)生的根劈作用來引起危石的形成。2.2滾石的能量及軌跡分析2.2.1滾石的幾何特征對(duì)坡腳既有滾石或坡面危石的幾何尺寸和形狀都應(yīng)進(jìn)行測量和估計(jì)。首先應(yīng)關(guān)注典型的巖石形狀，通常可將其劃分為球狀、板狀和條狀三種代表性形狀，其次應(yīng)測量巖石的三個(gè)主軸的尺寸，最后應(yīng)確定巖石的容重。滾石的幾何特征能夠反映潛在的滾石特征、可能的運(yùn)動(dòng)特征。例如球狀滾石在其運(yùn)動(dòng)過程中所受阻力較小，速度會(huì)比較高，且滾動(dòng)特征明顯；條狀和板狀滾石運(yùn)動(dòng)阻力大，速度一般較低，易于發(fā)生破裂分解，且板狀滾石的滑動(dòng)特征會(huì)比較明顯。2.2.2滾石動(dòng)能分析在滾石動(dòng)能分析中，將滾石當(dāng)作一種

8、運(yùn)動(dòng)剛體來處理。根據(jù)原理，任何剛體的運(yùn)動(dòng)都可以分解為平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)兩部分來表示?；诖嗽?，滾石的總動(dòng)能（）計(jì)算如下：式中，為平動(dòng)動(dòng)能，為轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能，為滾石質(zhì)量，為滾石運(yùn)動(dòng)線速度，為滾石的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性矩，為滾石的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。一般來說，平動(dòng)動(dòng)能一般可以得到比較準(zhǔn)確的結(jié)果，但對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能而言，由于轉(zhuǎn)動(dòng)軸通常不一定就是主軸之一，且轉(zhuǎn)動(dòng)角速度也很難確定，因此再實(shí)際計(jì)算中可以僅計(jì)算平動(dòng)動(dòng)能部分，而通過系數(shù)處理方法來計(jì)入轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，該系數(shù)通?？梢匀?.2，即2.2.3滾石的軌跡分析如圖1在滾石以滾動(dòng)或滑動(dòng)模式運(yùn)動(dòng)時(shí)，其運(yùn)動(dòng)軌跡即為坡面形狀，其運(yùn)動(dòng)速度的變化主要受坡面摩擦作用控制，則平行于坡面的運(yùn)動(dòng)速度可計(jì)算

9、為為計(jì)算點(diǎn)的滾石運(yùn)動(dòng)速度，為計(jì)算段初始點(diǎn)的滾石運(yùn)動(dòng)速度，為前一計(jì)算點(diǎn)的滾石運(yùn)動(dòng)速度，為前一計(jì)算段的坡面角，為重力加速度，、分別為計(jì)算段內(nèi)滾石運(yùn)動(dòng)加速度、運(yùn)動(dòng)距離（坡面長度）、坡面角和坡面摩擦系數(shù)（根據(jù)滾動(dòng)或滑動(dòng)模式區(qū)別采用相應(yīng)的滾動(dòng)或滑動(dòng)摩擦系數(shù)）。圖1 不同運(yùn)動(dòng)模式示意圖在彈跳運(yùn)動(dòng)模式下，其運(yùn)動(dòng)軌跡為各接觸點(diǎn)間滾石運(yùn)動(dòng)拋物線段的組合，其運(yùn)動(dòng)速度的大小和方向均受坡面阻尼作用的影響，則觸地后的滾石彈起速度可計(jì)算為為計(jì)算點(diǎn)的坡面角，、和分別為滾石觸地彈跳前后和方向（水平和鉛直方向）上的速度，、分別為計(jì)算點(diǎn)處坡面的切向和法向阻尼系數(shù)。以此計(jì)算速度作為滾石拋物線運(yùn)動(dòng)軌跡的初始速度，可以計(jì)算出下一觸地點(diǎn)

10、前的瞬間速度大小和方向、觸地點(diǎn)位置（運(yùn)動(dòng)拋物線與坡面線的解析交點(diǎn)），并再次重復(fù)前一次計(jì)算過程，如此不斷進(jìn)行，直到運(yùn)動(dòng)模式改變、運(yùn)動(dòng)停止或到達(dá)坡腳止落點(diǎn)為止。計(jì)算中所需的坡面阻尼系數(shù)取決于坡面覆蓋層和植被特征，其取值大小可以借助于現(xiàn)場滾石試驗(yàn)來反算得到，也可以參照表1和表2進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)選取。表1 切向阻尼系數(shù)建議值切向阻尼系數(shù)坡面特征0.870.92光滑堅(jiān)硬的表面，如鋪砌面或光滑的層狀巖石表面0.830.87基巖表面和無植被的崩塌堆積體0.820.85有少量植被的崩塌或礫石堆積體0.800.83植被覆蓋的崩塌堆積體和植被稀少的土質(zhì)邊坡0.780.82灌木覆蓋的土質(zhì)邊坡表2 法向阻尼系數(shù)建議值切向阻尼

11、系數(shù)坡面特征0.370.42光滑堅(jiān)硬的表面，如鋪砌面或光滑的層狀巖石表面0.330.37基巖表面和礫石邊坡0.300.33崩塌堆積體和堅(jiān)硬的土質(zhì)邊坡0.280.30軟土質(zhì)邊坡3滾石常用防護(hù)方式介紹3.1危巖清除用爆破、人工和機(jī)械方法清除基巖坡面上受節(jié)理裂隙切割所形成的危石、孤石和浮石。在一定條件下，危石清除方法是最為經(jīng)濟(jì)的措施，但有以下問題：1）普通爆破可能使危石周圍原來并不危險(xiǎn)的塊體形成新的危石；2）隨著風(fēng)化或侵蝕過程的繼續(xù)，必然產(chǎn)生新的危石；3）作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)程度高，除了必須確保作業(yè)人員的人身安全外，還必須保證坡腳建筑物避免遭受破壞，在公路和鐵路沿線清除還會(huì)導(dǎo)致交通暫時(shí)中斷。3.2錨固錨固方法是

12、一種常用手段，對(duì)可確定的危石加固是一種較好的選擇，技術(shù)成熟，結(jié)構(gòu)簡單，不明顯改變環(huán)境。但是，要完全查清坡面危石事實(shí)上是很難的，特別是對(duì)極破碎的巖石邊坡，須采用比較保守的系統(tǒng)錨固方法。對(duì)松散的土石體邊坡，單獨(dú)采用錨固措施通常是不合適的。3.3滾石槽當(dāng)坡腳場地寬闊，即建筑設(shè)施能夠退離坡腳足夠距離時(shí)，應(yīng)首先考慮在坡腳留置或設(shè)置具有一定寬度和深度的溝槽來承接滾石，避免滾石到達(dá)需要保護(hù)的區(qū)域。但是，當(dāng)場地條件受限，需要通過增加開挖來提供滿足寬度要求的滾石槽區(qū)域時(shí)，則會(huì)增大開挖量，由此會(huì)增大投資，且會(huì)帶大較大的環(huán)境破壞。3.4攔石墻攔石墻通常由漿砌片石或現(xiàn)澆混凝土構(gòu)成，為減小結(jié)構(gòu)尺寸并提高抗沖擊能力，通常

13、在墻背回填砂礫等緩沖材料。其最大優(yōu)點(diǎn)是通?？梢跃偷厝〔模碚撋掀浣Y(jié)構(gòu)尺寸可以大到足以攔截任何規(guī)模的滾石。但其缺陷也十分明顯：1）以剛性結(jié)構(gòu)去抵抗動(dòng)力沖擊，從原理上就存在“事倍功半”的弊端，其結(jié)果是必須在有滾石發(fā)生的陡峻山坡上建造龐大的攔石結(jié)構(gòu)。2）結(jié)構(gòu)龐大而自重較大，故需要穩(wěn)定而龐大的基礎(chǔ)，通常需要進(jìn)行較大的開挖，一方面帶來基坑的穩(wěn)定性問題，另一方面對(duì)場地要求條件較高，特別在坡陡時(shí)難以實(shí)現(xiàn)。3）施工速度慢，工期長，且一旦發(fā)生破壞將導(dǎo)致災(zāi)難性后果。3.5被動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)系統(tǒng)被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)是以鋼絲繩網(wǎng)、環(huán)形網(wǎng)等高強(qiáng)度金屬柔性網(wǎng)為主要構(gòu)成，并以鋼柱作為直立支撐的柵欄式柔性滾石攔擋結(jié)構(gòu)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，

14、隨著減壓環(huán)技術(shù)和鉸接式鋼柱基座的發(fā)明和運(yùn)用，其防護(hù)能級(jí)從50kJ發(fā)展到5000kJ。其主要組成如下：柔性網(wǎng)、支撐系統(tǒng)、固定與連接系統(tǒng)、減壓環(huán)（見圖2被動(dòng)柔性防護(hù)系統(tǒng)大樣圖）。和傳統(tǒng)防護(hù)方式相比，其主要優(yōu)點(diǎn)如下：1）整體柔性柔性結(jié)構(gòu)具有以柔克剛的功能優(yōu)勢，整體柔性結(jié)構(gòu)具有非常好的荷載擴(kuò)散傳遞功能，能夠避免過多和過大的局部應(yīng)力集中，充分調(diào)動(dòng)系統(tǒng)整體功能的發(fā)揮，即實(shí)現(xiàn)“局部受載，整體作用”的目標(biāo)。2）良好的地形適應(yīng)性主要表現(xiàn)在：充分利用柔性結(jié)構(gòu)的易鋪展性；采用積木式組合方式來構(gòu)筑整體性的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。3）美觀與環(huán)保柔性防護(hù)系統(tǒng)的開放式結(jié)構(gòu)帶來視覺的通透性，其對(duì)地形的靈活適應(yīng)性，決定了它不需進(jìn)行額外的開挖

15、，從而對(duì)既有地貌和坡面植被具有良好的保護(hù)作用。柔性系統(tǒng)的開放性也決定了它不會(huì)改變原有的地下水循環(huán)系統(tǒng)。4）施工快速方便，施工干擾小柔性防護(hù)系統(tǒng)中需開挖固定基座的基礎(chǔ)時(shí)，因基座的主要功能是起定位作用而非系統(tǒng)的主要承力結(jié)構(gòu)，其基礎(chǔ)開挖工程量很少并且不需徹底的清坡，大大節(jié)省了施工時(shí)間；由于結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的輕型化，以及半成品化構(gòu)件的積木式安裝，保證了材料的易于搬運(yùn)和快速安裝。5）防腐與維護(hù)柔性防護(hù)系統(tǒng)主要由鋼構(gòu)件構(gòu)成，這就帶來了防腐問題，曾一定程度上影響了技術(shù)的發(fā)展。但現(xiàn)代防腐技術(shù)的飛速發(fā)展，使得現(xiàn)有柔性防護(hù)系統(tǒng)的防腐工作壽命已能滿足多數(shù)工程的要求，并不比傳統(tǒng)的防護(hù)方法遜色。被動(dòng)柔性防護(hù)系統(tǒng)減壓環(huán)的使用和

16、人為地將鋼柱與基座間的連接點(diǎn)設(shè)計(jì)為系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，這些措施，能夠在系統(tǒng)遭受過載沖擊時(shí)避免整體或大量構(gòu)件的變形或破壞，使維護(hù)工作量很小，且在得到維護(hù)前不致使系統(tǒng)完全喪失防護(hù)功能。圖2 被動(dòng)柔性防護(hù)系統(tǒng)大樣圖4工程實(shí)例4.1工程概況某邊坡位于深圳東部華僑城旅景區(qū)上山纜車段東側(cè)坡腳下，坡高約200m左右，自然坡度20°30°，坡面上分布有大大小小的花崗巖風(fēng)化球多處，且這些危石層層相疊。邊坡植被茂密，灌木及藤類發(fā)育。在纜車道施工過程中，受暴雨及坡腳基巖爆破的影響，有危石從坡面失穩(wěn)落下，幸未造成人員傷亡。邊坡坡腳距纜車軌道515m，此纜車作為景區(qū)游人上山的必經(jīng)之路，安全必須得到保障。

17、4.2方案選取由于邊坡坡高林密，危石層層疊疊，全部清除及錨固是不可行的，只能考慮被動(dòng)防護(hù)措施。由于坡腳距纜車道距離過近，纜車道到坡腳之間還要鋪設(shè)排水、通信及供電設(shè)施，且坡腳第四系很厚，采用傳統(tǒng)的滾石槽和攔石墻方案也不可行。經(jīng)過分析計(jì)算及現(xiàn)場的滾石試驗(yàn)，邊坡雖高，但由于坡面植被茂密，坡面對(duì)滾石的阻尼系數(shù)高，摩擦力大。滾石的運(yùn)動(dòng)方式以滾動(dòng)為主，且到達(dá)坡腳時(shí)的速度比較低，能量最大不大于400kJ?？紤]到現(xiàn)場的實(shí)際條件和景區(qū)的美觀要求，本工程采用被動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)是非常合適的?？紤]到一定的安全儲(chǔ)備，最終采用最大沖擊動(dòng)能吸收能力為1000KJ的RXI-100系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由環(huán)形網(wǎng)（為了攔截小塊滾石，附加了

18、一層普通鋼絲格柵）（見圖3）、支撐系統(tǒng)（鋼柱、基座、連接件）、固定與連接系統(tǒng)（錨桿、拉錨繩、支撐繩和縫合繩）和減壓環(huán)四部分組成。系統(tǒng)的柔性主要來自于柔性網(wǎng)、支撐繩和減壓環(huán)等構(gòu)件，鋼柱與基座間采用可動(dòng)鉸連接方式，以確保整個(gè)系統(tǒng)的柔性匹配。圖3鋼繩網(wǎng)縫合大樣圖4.3施工作為一種定型化的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，其施工安裝是非常重要的，必須保證其結(jié)構(gòu)形式和連接方式的正確。施工主要注意事項(xiàng)如下：（1）鋼柱的設(shè)計(jì)柱間距允許有20%的調(diào)整量，可以選擇最有利于基礎(chǔ)施工的位置。盡可能選擇局部地形平坦的基巖面，避免選在松動(dòng)巖土體或基巖面凹凸不平的位置處。（2）從便于安裝和確保安裝后的鋼柱穩(wěn)定性考慮，鋼柱通常必須與拉錨繩同時(shí)安裝，并在安裝后通過拉錨繩張拉段的長度改變來將鋼柱調(diào)整到設(shè)計(jì)的安裝傾角。