落石沖擊下山區(qū)建筑設(shè)施防護(hù)措施研究

李歡歡 鄭 瑞 李會(huì)琴 馬 迪

（西安交通工程學(xué)院，陜西 西安 710300）

0 引言

隨著山區(qū)建筑的不斷增多，山區(qū)落石災(zāi)害引發(fā)的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)方面的問題屢見報(bào)道，其中在山區(qū)鐵路、沿山公路、山區(qū)構(gòu)造物、礦山建設(shè)等方面落石災(zāi)害引發(fā)的問題往往比較突出，落石災(zāi)害嚴(yán)重威脅著區(qū)域內(nèi)人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全。

相較于大規(guī)模的山體滑坡類地質(zhì)災(zāi)害而言，落石災(zāi)害的規(guī)模一般不算大，造成的經(jīng)濟(jì)損失也更小。但是在危害等級(jí)方面，落石災(zāi)害引起的人員傷亡的數(shù)量和其他形式地質(zhì)災(zāi)害導(dǎo)致的人員傷亡數(shù)量相當(dāng)。因此，掌握落石沖擊下山區(qū)建筑結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理，做好相應(yīng)防護(hù)措施研究成為亟待解決的工程災(zāi)害防治問題。

1 落石災(zāi)害及影響

落石災(zāi)害是指山區(qū)的石頭在自然或人為因素影響下出現(xiàn)松動(dòng)，進(jìn)而在重力作用下由高處向低處滾落，落石會(huì)對(duì)其影響區(qū)內(nèi)的建筑等造成破壞甚至威脅著人的生命安全。在美國、加拿大、意大利等山地較多的國家，落石災(zāi)害引起的人員死亡數(shù)量占比較大，造成的損失不斷上升。

1992年Badge等研究者針對(duì)美國華盛頓州區(qū)域內(nèi)高速公路沿線所做的相關(guān)研究表明，斜坡不穩(wěn)定問題有45%是由落石引起。在我國，隨著西部大開發(fā)的不斷深入，在西部山區(qū)出現(xiàn)了大量基礎(chǔ)工程建設(shè)項(xiàng)目，在水利工程、能源工程、鐵路工程、礦山開采或旅游開發(fā)等項(xiàng)目中不可避免地出現(xiàn)了大量的高陡巖質(zhì)邊坡地質(zhì)狀況，工程項(xiàng)目遭遇落石災(zāi)害的概率也隨之增加，落石致災(zāi)事件在工程項(xiàng)目中頻發(fā)[1]。落石對(duì)其影響范圍內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目造成巨大經(jīng)濟(jì)損失以及落石災(zāi)害引發(fā)的人員傷亡報(bào)道屢見不鮮：1971年至1992年，在成昆鐵路北段發(fā)生共238次214處落石災(zāi)害，行車被迫中斷910小時(shí)16分鐘；1970至1983年，烏斯河工務(wù)段171km路段，發(fā)生420次落石災(zāi)害，造成橋梁、道岔、隧道口等結(jié)構(gòu)損傷，其中直接擊中列車有8次；2005年雨季，皖贛鐵路十里巖隧道口多次發(fā)生落石災(zāi)害，造成行車中斷多次；1999年3月25日早晨，浙江云和縣西塘鎮(zhèn)落石擊中汽車，造成18人死亡；2000年7月，重慶市萬州區(qū)天生城落石災(zāi)害迫使近2000人的福建小學(xué)關(guān)閉轉(zhuǎn)移；2001年7月，貴州境內(nèi)貴新公路一輛行駛中的客車被落石擊穿，造成坐在副駕駛位上的乘客死亡；2001年8月18日，陜西西萬公路秦嶺路段，一輛行駛中的大轎車被落石擊中，造成6人重傷，2人死亡；2002年5月，四川省綿竹縣鮑竹路段一輛載有41名乘客的大客車受到巨石沖擊，造成14人受傷，18人死亡；2005年4月，重慶市忠縣順溪鎮(zhèn)危巖體坍塌，輸氣管道的防護(hù)蓋板被落下的石塊擊穿，致使輸氣管道的運(yùn)營安全受到嚴(yán)重威脅；2007年11月20日，湖北省巴東段高陽寨，宜萬鐵路沿線一輛過路客車遭遇隧道洞口巖體崩落，導(dǎo)致客車被埋，造成30余人當(dāng)場(chǎng)死亡[2-3]。

隨著我國西北經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，西北部基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和資源開發(fā)力度正以前所未有的速度提高。我國西北部地區(qū)大多為山地地形，是落石災(zāi)害易發(fā)區(qū)域，以水電站建筑為例，分析落石災(zāi)害對(duì)山區(qū)建筑的影響。在西北部地區(qū)集中著大量的水力資源，因此集中了大量在建和待建水電站項(xiàng)目，水電站常建設(shè)在適合的高山峽谷地形，可以減少高壩水庫的移民拆遷，還可以充分利用到達(dá)增加水電及保證出力的目的。作為輸出電力的變電站建筑物，其開關(guān)站一般不能離高壩水庫太遠(yuǎn)，大多只能建在緊鄰水電站廠房的山腳下，一旦發(fā)生落石災(zāi)害還會(huì)威脅到開關(guān)站內(nèi)工作人員人身安全。若落石正好擊中站內(nèi)的電力設(shè)備，將會(huì)造成輸電突然中斷，這種突然甩負(fù)荷將嚴(yán)重威脅機(jī)組的正常運(yùn)行，直接沖擊電網(wǎng)的穩(wěn)定，引的經(jīng)濟(jì)損失將是不容忽視的。因此，考慮山上落石對(duì)開關(guān)站內(nèi)機(jī)器正常運(yùn)行的影響就至關(guān)重要。位于黃河上游的某個(gè)大型水電站，在其施工期間曾發(fā)生一起岸坡落石災(zāi)害并造成了人員傷亡，該工程項(xiàng)目為了確保電力輸出的安全，專門修建了出線樓，用以防止落石災(zāi)害。

綜上，為防止落石災(zāi)害造成的巨大損失，需提高位于山區(qū)的建筑物屋面板的抗落石沖擊性能，可通過一定的緩沖措施降低落石對(duì)屋面板的沖擊效應(yīng)。

2 落石災(zāi)害防護(hù)研究方法

目前，針對(duì)山區(qū)落石災(zāi)害的防護(hù)研究已成為地質(zhì)災(zāi)害研究領(lǐng)域日益值得關(guān)注的問題，國內(nèi)外很多專家學(xué)者和相關(guān)機(jī)構(gòu)都在這個(gè)方面進(jìn)行了各種有益的探索?；跊_擊荷載作用下建筑結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)方面的研究較多，落石沖擊下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)研究大都集中在擋土墻、混凝土梁、混凝土板等構(gòu)件層面，落石沖擊下棚洞結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)研究也較多，且大多數(shù)都是研究整體建筑結(jié)構(gòu)在落石沖擊荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)。

就研究方法來說，主要以試驗(yàn)研究為主，包括室內(nèi)模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)滾石試驗(yàn)、柔性防護(hù)網(wǎng)沖擊試驗(yàn)等，如圖1所示。

圖1 落石沖擊試驗(yàn)

法國薩瓦大學(xué)研究者們進(jìn)行了SDR新型耗能棚洞結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，對(duì)其抗落石沖擊進(jìn)行試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析[5]；蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院，研究者們針對(duì)不同緩沖材料的耗能作用進(jìn)行對(duì)比，對(duì)過廊棚洞設(shè)不同緩沖材料時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了試驗(yàn)分析[6]；法國艾曼、艾伯特等人采用復(fù)合緩沖層體系，也稱為“三明治”體系，進(jìn)行相關(guān)抗落石沖擊試驗(yàn)研究[7]；2012年西南交通大學(xué)分別進(jìn)行了鋼筋混凝土柱抗落石撞擊試驗(yàn)和新型活動(dòng)式被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)抗落石沖擊試驗(yàn)。

試驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)一般都具有直觀性、準(zhǔn)確性、綜合性等特點(diǎn)，試驗(yàn)研究是正確理解落石問題最直觀的方法，但是同時(shí)試驗(yàn)研究又缺乏系統(tǒng)性，而且通常試驗(yàn)具有很強(qiáng)的局限性，這些因素會(huì)使試驗(yàn)結(jié)果的工程意義有限。

另外一種方法就是以動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)為基礎(chǔ)的理論研究，關(guān)鍵為建立比較合理的數(shù)學(xué)分析計(jì)算模型，要用到的分析方法包括靜力學(xué)方法、概率統(tǒng)計(jì)法、瞬時(shí)動(dòng)力學(xué)方法等，其中瞬時(shí)動(dòng)力學(xué)方面，常采用有限元數(shù)值方法進(jìn)行仿真模擬研究。

3 落石災(zāi)害防護(hù)措施

我國在落石災(zāi)害防護(hù)研究方面起步比較晚，瑞士的BRUGG公司和意大利的SITAF公司是著名的專門從事落石防治研究的公司。在20世紀(jì)70年代，瑞士BRUGG公司研發(fā)出鋼繩欄石網(wǎng)系統(tǒng)用于滾石防護(hù)，此防護(hù)技術(shù)于20世紀(jì)80年代被引入美國，BRUGG公司在1995年進(jìn)入中國。現(xiàn)今國內(nèi)已有邊坡防護(hù)網(wǎng)有限公司成立并開展業(yè)務(wù)，如成都奧思特也都在迅速發(fā)展著。

目前，國內(nèi)外落石防護(hù)研究機(jī)構(gòu)針對(duì)落石的主要研究成果集中在對(duì)崩塌及落（滾）石的運(yùn)動(dòng)軌跡、沖擊動(dòng)能、停留范圍、防護(hù)措施等方面，針對(duì)落石與防護(hù)結(jié)構(gòu)的碰撞接觸作用過程、落石沖擊瞬時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律以及防護(hù)措施的失效模式還基本沒有研究。

地質(zhì)災(zāi)害崩塌、落石在山區(qū)非常常見。為了防治落石災(zāi)害，根據(jù)長(zhǎng)期的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，建立了以主動(dòng)防護(hù)和被動(dòng)防治相結(jié)合的防治措施。其中主動(dòng)防護(hù)措施是指以“看、清、支、接、固”為主的防護(hù)措施，“看”是指設(shè)置預(yù)警裝置，在設(shè)定點(diǎn)看守；“清”是指清除看似有危險(xiǎn)的石頭；“支”是指設(shè)置支擋結(jié)構(gòu)加固邊坡和墻體，達(dá)到保護(hù)邊坡和墻體的目的；“接”是指把墻體連接起來，相當(dāng)于一個(gè)護(hù)欄；“固”是指通過錨固、噴錨封閉等措施加固危巖。被動(dòng)防治措施是指以遮攔、防護(hù)、繞避為主的防治措施，其中遮攔措施的典型例子為明洞和棚洞，常見的防護(hù)措施如SNS軟網(wǎng)防護(hù)，繞避最常見的是更改線路繞開危巖。從實(shí)踐中可以看到，這些措施確實(shí)對(duì)崩塌、落石災(zāi)害起到了相應(yīng)的防治作用。

對(duì)這些防治措施的特點(diǎn)從功能和適用條件方面進(jìn)行簡(jiǎn)單描述：“看”能一定程度上減輕危害，但并不能從根本上防治危害；“清”對(duì)車輛運(yùn)行影響較大而且很容易產(chǎn)生新的問題；“支”和“固”要求邊坡坡面要穩(wěn)定并且地質(zhì)的整體性要好，同時(shí)需要“支”和“固”結(jié)構(gòu)物一般都比較高，施工難度較大，而且一旦施工實(shí)施不好，這些高結(jié)構(gòu)物自身就會(huì)成為崩塌災(zāi)害的物質(zhì)來源，而對(duì)于噴錨工程，錨桿的錨固施工就會(huì)破壞巖體的整體性；“接”雖可以說是較好的防治措施，但由于結(jié)構(gòu)被連接成了一個(gè)整體，缺少了遮擋及躲避落石災(zāi)害的功能；“軟網(wǎng)防護(hù)”能對(duì)破碎巖面的小規(guī)模落石到相對(duì)較好的防護(hù)作用，但還沒有實(shí)踐檢驗(yàn)其對(duì)中、大規(guī)模崩塌的防治效果；總的來說，改線繞避措施是最徹底且最為有效的落石災(zāi)害防治措施，但采用這種措施會(huì)致使投資加大，而且會(huì)加長(zhǎng)工期，一般都只在災(zāi)難性危害（如滑坡、泥石流等）頻發(fā)的地區(qū)采用；而設(shè)置遮攔用的建筑物相對(duì)來說投資適中，而且機(jī)械施工便利，同時(shí)遮擋建筑物還具有側(cè)向攔截以及頂部遮蔽線路的雙重功能。

4 結(jié)束語

國內(nèi)落石沖擊下山區(qū)建筑設(shè)施破壞機(jī)理及防護(hù)措施研究成果還不成熟，對(duì)其看法還存在一定的爭(zhēng)議與分歧。因而，做好此方面研究可以為落石災(zāi)害影響范圍內(nèi)的山區(qū)公路、橋梁、隧道、建筑物、構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化提供參考，一定程度上為落石災(zāi)害影響范圍內(nèi)設(shè)施、財(cái)產(chǎn)和人身的安全提供預(yù)防支撐技術(shù)。