柔性格柵壩在油庫危巖應急治理工程中的運用

呂金昕

（四川開放大學，四川 成都 610073）

0 前言

地震作為因地殼振動產生地震波而形成的1種重大自然災害，在地震后不但會破壞建筑物結構，危及民眾生命安全，而且還會誘發(fā)火災、爆炸等嚴重后果。據相關報道：在2013年發(fā)生的“4.20”蘆山地震事件中，其震源深度高達13 km，造成經濟損失高達1.5億元，有188人遇難。而在地震后形成的危巖也成為潛在的安全隱患。對此，需要針對地震后危巖應用柔性格柵壩予以修復防治，以此改善蘆山地區(qū)治理現狀。

1 工程概況

“4.20”蘆山強烈地震寶興縣城油庫后危巖應急治理工程，是專門針對四川蘆山地區(qū)發(fā)生的7級地震開展的修復工作。結合在寶興縣城實施的地質勘測結果可以發(fā)現：在該區(qū)域內共有19個裂隙發(fā)育危巖體，并且存在3塊危巖。目前，雖然尚未發(fā)生崩塌事故，但是在暴雨等惡劣天氣下風險系數較高。同時，在“4.20”強烈地震后，危巖已經出現了失穩(wěn)的狀況，而且已造成12個建筑物受到損壞，有多大290人處于危險環(huán)境下，甚至對中國石油油庫的安全產生了不利影響。

在該工程實踐過程中，當地氣候屬于亞熱帶季風氣候，年均降雨量可以達到993.7 mm，其中12月份到次年2月份的降雨密度較大。而在治理工程中建設場地屬于海拔1200 m的高山地區(qū)。在強烈地震后顯然地勢趨于垂直向。同時，該區(qū)域的坡度大體上在50 °左右，地震后造成部分地段坡度有所增加，其中場地范圍內大面積種植著喬木等樹木，其巖性以花崗巖、灰?guī)r為主[1]。

2 柔性格柵壩的主要類型及其原則

2.1 類型

格柵壩作為具備攔阻、格擋功能的重力壩結構，按照剛力特性可分為剛性格柵壩與柔性格柵壩2種類型。該文主要以“4.20”蘆山強烈地震寶興縣城油庫后危巖應急治理工程中應用的柔性格柵壩作為重要研究內容。結合柔性格柵壩的特征可將其具體類型歸納為以下3種類別。

2.1.1 標準型

它主要是借助鋼柱、鋼繩網以及支撐繩等多個結構實現危巖的有效防治，避免危巖體中的碎石塊掉落，造成周邊環(huán)境存在較大的安全隱患。在標準型柔性格柵壩中，可針對細小的顆粒物實施阻截，可促使泥石流以及其他沖擊力經過標準型柔性格柵壩的應力分配，削弱荷載力的影響，進而起到防治作用[2]。

2.1.2 簡易型

該種柔性格柵壩中不包括鋼柱構件，而是直接在狹窄空間內，在溝道兩端建立互通關系。此時可按照“V型”予以設置。同時，由于在格柵壩底部很難形成閉環(huán)空間，因此可以運用鋼繩網進行固定，促使底部也能具有用于攔阻的繩網。在確定支撐繩敷設長度時，可以根據“1.5倍壩高”或者“2倍壩高”的關系式得出支撐繩敷設距離。該種柔性格柵壩操作簡單，但是應控制好繩網敷設長度。

2.1.3 復合型

復合型柔性格柵壩是搭配剛性構件設計的1種攔截產品。其中格柵壩的主體部分需要由剛性構件格柵組成，替代以往的鋼繩網構件，以此應對更大的沖擊力。經由柔性鋼繩網聯合剛性構件制成的柔性格柵壩，不但能提升格柵壩穩(wěn)定性，而且還能使其擁有突出的抗沖擊性，因此值得在危巖應急治理工程中予以推廣，從而提高危巖防護水平。

2.2 原則

在“4.20”蘆山強烈地震寶興縣城油庫后危巖應急治理工程中，在運用柔性格柵壩實現危巖的有效攔截時，遵循下面2項原則確定具體的運用方案，使柔性格柵壩展現出真正價值。

2.2.1 科學性

在柔性格柵壩實踐運用期間，應將其科學地設置在攔擋壩上方，不宜置于危巖失穩(wěn)區(qū)域內，以免影響使用效果。同時，在選擇壩高與繩網尺寸時，應該充分結合治理工程應急要求進行設計，包括危巖運動力、碎石沖擊力、碎石規(guī)格等，這些指標均可成為柔性格柵壩形狀設計、尺寸設計的重要參考依據[3]。

2.2.2 完整性

對于柔性格柵壩中應用的鋼繩構件也應當借助該工程中危巖潛在的沖擊力與破壞力、坍塌速度確定鋼繩型號，并要求鋼繩具有一定的抗磨損性，避免危巖坍塌后造成鋼繩磨損度較大，無法形成有利條件。此外，在治理工程中針對危巖運用柔性格柵壩時，還應從全局視角判斷柔性格柵壩是否達到了最佳的防治效果，根據工程項目的治理要求制定完整的運用方案，以避免寶興縣城油庫后方的危巖破壞山體的穩(wěn)定結構。

3 “4.20”蘆山強烈地震寶興縣城油庫后危巖分布規(guī)律

在“4.20”蘆山強烈地震寶興縣城油庫后危巖應急治理工程中，危巖具備的分布特征主要集中在以下4個區(qū)域，在對其運用柔性格柵壩時，可充分結合危巖分布規(guī)律設計治理方案，以此有針對性地進行防治，避免危巖發(fā)生坍塌事故，引發(fā)嚴重的經濟生命損失。

3.1 崩塌Ⅰ區(qū)

該區(qū)域所分布的危巖主要是在中國石油油庫正對的后方位，主要是以高度為150 m左右，坡度達到80 °的邊坡巖石體為主。在該邊坡上產生的危巖存在裂隙切割構造。若在后期長期施壓情況下，極易快速形成150 m×6 m×2 m規(guī)格的溝槽，從而破壞邊坡完整度。

同時，在崩塌Ⅰ區(qū)出現的危巖上下兩部分破碎度不同，其中下端破碎度較小，這就造成邊坡出現了較高的凸出度。因該范圍內危巖巖性主要為花崗巖，一旦經過長時間的風化，將發(fā)生碎石掉落問題，其最大碎塊的直徑可達到30 cm。

3.2 崩塌Ⅱ區(qū)

崩塌Ⅱ區(qū)的危巖大范圍分布在油庫后方區(qū)域內，崩塌Ⅱ區(qū)危巖坡度可達到50 °，且陡峭程度較大，其中有2個危巖體巖性分別為花崗巖與灰?guī)r，并且碎石塊破碎較為零散。在暴雨等惡劣天氣下，該部分的危巖確實存在較高的崩塌風險。特別是在安排勘測人員前往調查時，已然出現了碎石塊掉落現象[4]。

3.3 崩塌Ⅲ區(qū)

它是在油庫南向，屬于1個自然形成的坡度為60 °的溝槽，危巖形態(tài)為喇叭狀，其中最寬的部分寬度達到了120 cm，在該區(qū)域內共發(fā)現3塊危巖。為了保證該工程中的危巖得到有效治理，需依據崩塌Ⅲ區(qū)危巖分布特點，提出可行性治理建議。

它是在油庫北向，在該區(qū)域種植了許多植被，覆蓋率超過了90%。其坡度為40 °。危巖的數量多達6塊。尤其在“4.20”強烈地震影響下，已經有部分危巖出現了崩塌狀況，其余危巖也開始松動，如果不及時對其進行治理，很容易在短時間內受到自然風化因素的影響而再次崩塌。據此，需要實現柔性格柵壩在危巖分布區(qū)域的合理運用。

4 柔性格柵壩在油庫危巖應急治理工程中的運用措施

4.1 計算地震后危巖運動力

蘆山地區(qū)寶興縣城油庫后方區(qū)域，早在地震發(fā)生前已經存在巖石開裂趨勢，并且有部分巖石碎塊從山體滑落，但未對群眾造成傷害。而強烈地震后，該現象有所加劇，在危巖處于極度不穩(wěn)定的狀態(tài)下，自然會增加崩塌風險。所以，需要在應急治理工程中運用柔性格柵壩降低崩塌事故的發(fā)生率。

在設計柔性格柵壩的尺寸時，還需要充分結合危巖運動力及其穩(wěn)定性計算結果，判斷柔性格柵壩的壩高與繩網孔徑，以免建成的柔性格柵壩缺乏適用性，導致危巖依舊存在較高的崩塌隱患。其中關于危巖穩(wěn)定性的計算，可按照下述公式求出穩(wěn)定性系數，如公式（1）所示。

式中：W、V、φ、c、α、l、Q分別為危巖體自重、危巖裂隙水壓力、裂隙處內摩擦角標準值、黏聚力標準值、滑面傾角、長度、地震力。

在計算出危巖穩(wěn)定系數后，可知曉崩塌區(qū)域內危巖穩(wěn)定性的差異，便于調整具體的柔性格柵壩結構。同時，還應對危巖的運動力予以計算，由此了解危巖的危險程度，可為相關人員運用柔性格柵壩提供可靠依據[5]。

危巖運動力（V）計算公式如公式（2）所示。

式中：K、H、g、α為石塊運動特征系數、墜落高度、重力加速度以及坡角。

計算后對于“4.20”強烈地震寶興縣城油庫后分布的19塊危巖，其彈跳高度為1.06 m～1.17 m?？筛鶕嚓P公式了解危巖的穩(wěn)定性及其運動力，并參照具體數值開展清危工作。由于在該工程中主要是以柔性格柵壩聯合攔石墻、被動防護網綜合防治法為主，因此應專門對彈跳高度在5 m以下的危巖進行清理，其中總方量高達220 m3。同時，在布置被動網時，也應當將其作為衡量標準，以此為后續(xù)柔性格柵壩的運用創(chuàng)造條件。防護網所布置的長度為170 m，并且采用分段設計的原則，將不同穩(wěn)定性、運動力的危巖劃分為4個布設路段，以RXⅠ-075型防護網為主，并將被動防護網的高度控制在4 m以內，由此與柔性格柵壩形成全面治理環(huán)境，保障寶興縣城油庫后方安全。

4.2 危巖攔石墻穩(wěn)定性分析

為了使該工程中的柔性格柵壩展現出顯著價值，還應當針對攔石墻的穩(wěn)定性進行精準分析，以此驗證柔性格柵壩是否能夠起到良好的支撐阻攔作用。在該項目中的崩塌Ⅲ區(qū)，對于3塊危巖主要通過設計1個長度為63 m且高度在5 m的攔石墻，進而為柔性格柵壩的建設提供一定的緩沖效用。在攔石墻設計階段，按照臺階狀方法，將其承載力提升到200 kPa，以免危巖碎塊墜落給油庫安全帶來威脅。另外，在攔石墻穩(wěn)定性分析期間，還可借助分層澆筑技術，確保攔石墻建成后滿足柔性格柵壩運用需求。在針對攔石墻進行澆筑時，可將逐層澆筑的層厚設置為50 cm，由此促使攔石墻也能在危巖應急治理工程中體現出突出的攔阻功能，攔石墻的深度可設為3 m，并且坡度比應為1∶0.2。此外，還可從攔石墻穩(wěn)定性驗算結果中確定柔性格柵壩的最佳設計高度。

攔石墻的土石方開挖量為442.22 m2，其中有800 m2的土地屬于臨時占地狀態(tài)，而390.6 m2土地則為永久占地。為了實現柔性格柵壩的合理設計，還需要根據攔石墻的穩(wěn)定性，調整設計方向，以免延緩危巖治理速度。由于該工程并不是單獨設置柔性格柵壩針對危巖予以治理，因此，無論從整體性還是安全性、經濟性上，都應當充分考慮攔石墻的穩(wěn)定性，防止竣工后，柔性格柵壩在攔石墻影響下出現設計不合理等問題。而且對于崩塌Ⅳ區(qū)上的大量植被，在攔石墻設計或者柔性格柵壩運用環(huán)節(jié)，都不應當對其造成破壞，植被的生長可以對巖石山體的穩(wěn)固度產生積極影響，也能在視覺上增加和諧性，避免過多地破壞原地貌特征，導致危巖治理脫離原有目標。

4.3 科學制定危巖治理方案

在蘆山寶興縣城油庫后方的危巖應急治理工程中，因為設有油庫，一旦危巖崩塌，將給油庫場地帶來嚴重的損失，甚至在石油外泄期間，出現火災等大型事故。所以，在柔性格柵壩設計期間，應根據該工程的地貌特征與地質條件，制定科學的治理方案，使危巖處于可控狀態(tài)下，使建立于四川地區(qū)的油庫得到更高的安全保障，也能為我國石油事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定堅實基礎。

在危巖治理方案中主要包括危巖沖擊力計算、鋼柱放線、鋼繩錨孔放線以及鋼柱安裝等部分。其中，危巖沖擊力的計算可以按照下述公式計算出危巖滾動后產生的運動能量，如公式（3）和公式（4）所示。

式中：v為危巖碎石滾動速度；u為碎石與山體的摩擦系數；H為下降高度；m為碎石塊的自重。

經過上述公式計算出該工程中的19塊危巖碎石塊產生的沖擊能量在211.28 kJ～1098.1 kJ。待確定好沖擊力后，可按照鋼柱放線操作步驟，在油庫后方危巖上設置鋼柱，在具體治理階段，應考慮到地貌地形的影響，然后再進行鋼繩錨孔放線，要求鋼繩不宜設置在穩(wěn)定性較差的巖體上，并且鋼柱中設置的鋼繩誤差應保持在1 m左右。在使用柔性格柵壩中支撐繩時，應先行調整好鋼柱的位置，針對減壓環(huán)進行定位處理，將支撐繩安裝在危巖兩側，確保柔性格柵壩建成后，能對寶興縣城油庫危巖進行有效治理。

其中柔性格柵壩中的格柵網高度經過分析后設置在3 m，壩高為10 m。在具體安裝時，應將格柵平鋪于環(huán)形柔性格柵網外側15 cm處，在其底部應敷設長度為0.5 m的支撐繩。經過該次次治理，為巖石山體共計攔截了791 m2的石方量，從而保證所處環(huán)境具有良好的安全條件。因此，為了提升設計質量，在運用柔性格柵壩時，需要結合工況、地質特性優(yōu)化治理方案，最終可以在降低危巖破壞力的基礎上，為寶興縣城油庫起到安全防護的作用，促進危巖應急治理工程的優(yōu)質發(fā)展。

4.4 加強治理工程環(huán)境監(jiān)測

在該工程中運用柔性格柵壩，主要是為了保障油庫及周邊區(qū)域的安全，而在實踐操作中，還應當注重環(huán)境監(jiān)測效果，定期觀察柔性格柵壩具體的攔截效果，一旦出現攔截不到位或者其他隱患，需要重新對其進行優(yōu)化調整，由此提升危巖應急治理工程的有效性。而在該工程中，主要利用地形特征與地震后危巖裂隙度的變化給出預警信息。尤其在運用柔性格柵壩之后的一段時間里，需要對危巖危險系數、運行狀態(tài)進行密切監(jiān)測，即分析危巖水平向與垂直向位移量，并與運用柔性格柵壩之前的位移量進行對比，這樣才能達到最佳地震災害危巖防治效果。

此外，該工程中還專門應用了全站儀、水準儀等專業(yè)設備，對柔性格柵壩運用流程進行監(jiān)測，包括掌握周邊環(huán)境的變化規(guī)律等。在設計監(jiān)測時間時，考慮到寶興縣城震后危巖治理的迫切性與緊急性，將環(huán)境監(jiān)測周期設置在1 a，而且在暴雨天氣應對其進行高密度監(jiān)測，防止雨天環(huán)境里，危巖的穩(wěn)定性有所下降，從中觀察柔性格柵壩是否滿足危巖治理要求。對于柔性格柵壩開展的監(jiān)測工作，應將監(jiān)測設備的精度控制在2 mm。在監(jiān)測危巖裂隙度時，可將測量精度保持在0.1 mm～1 mm，進而在可靠的監(jiān)測結果中，幫助相關人員全面了解危巖變化特性，驗證柔性格柵壩的實踐性。在環(huán)境監(jiān)測中，還可對大氣環(huán)境、水環(huán)境、聲環(huán)境進行監(jiān)測，避免外界環(huán)境因素包括噪聲、地下水、廢氣影響柔性格柵壩運用效果。

5 結論

危巖在暴雨條件下，裂隙水壓力作用對危巖體的穩(wěn)定性影響較大，在發(fā)生暴雨的情況下，危巖體發(fā)生崩塌失穩(wěn)的可能性大，在地震工況下很容易發(fā)生失穩(wěn)。柔性格柵壩在“4.20”蘆山強烈地震油庫后危巖應急治理工程中的應用，的確可為危巖修復起到輔助作用，甚至可以增強危巖穩(wěn)固度，避免二次發(fā)生險情，危及民眾生命安全。據此，應從危巖運動力計算、攔石墻穩(wěn)定性、危巖治理方案、治理工程環(huán)境監(jiān)測等方面著手，確保柔性格柵壩展現出真正價值，為我國自然災害防治工程提供新的治理思路，由此保障地方巖石結構安全。