引導(dǎo)式柔性防護(hù)網(wǎng)在公路邊坡中的應(yīng)用

落石災(zāi)害極大地威脅了公路安全。引導(dǎo)式柔性防護(hù)網(wǎng)憑借其能夠有效降低落石彈跳高度、瞬時動能等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于公路邊坡落石災(zāi)害的防治中。以杭州市蕭山區(qū)義橋鎮(zhèn)虎爪山邊坡某處落石為例，開展現(xiàn)場實地調(diào)查、數(shù)值模擬等工作，研究了引導(dǎo)式柔性防護(hù)網(wǎng)的落石防護(hù)效果。結(jié)果表明：該處邊坡發(fā)育的不穩(wěn)定落石在重力作用下有失穩(wěn)運動的可能，運動距離威脅到公路安全。同時，落石在坡腳處的彈跳高度較高，超過一般被動柔性防護(hù)網(wǎng)高度。在實施引導(dǎo)式柔性防護(hù)網(wǎng)后，其運動距離彈跳高度都得到了有效控制。實際工程應(yīng)用結(jié)果表明通過引導(dǎo)式柔性防護(hù)網(wǎng)有較好的治理效果。

落石; 公路邊坡; 引導(dǎo)式防護(hù)網(wǎng); 數(shù)值模擬

U417.1B

鐵路與公路鐵路與公路

［定稿日期］2023-06-08

［作者簡介］鄒家琦（1995—），男，碩士，工程師，主要從事基礎(chǔ)設(shè)施投資建設(shè)相關(guān)工作。

0" 引言

落石是公路邊坡最常見的地質(zhì)災(zāi)害之一，嚴(yán)重威脅下部公路的工程建設(shè)和安全經(jīng)營。雖然落石相較于滑坡、崩塌等其他地質(zhì)災(zāi)害而言，規(guī)模較小，但由于其發(fā)生頻率高、隨機(jī)性強(qiáng)，容易對下部公路、建筑物等造成沖擊破壞，甚至威脅人民生命安全，如圖1所示。

數(shù)值模擬方法是預(yù)測落石軌跡的有效手段之一。目前，學(xué)者常常采用3DEC、UDEC、PFC、Rockfall、Rockfall Analyst等程序模擬落石運動距離、動能、彈跳高度等特征，利用模擬結(jié)果作為設(shè)計邊坡防護(hù)結(jié)構(gòu)的理論依據(jù)。例如，王朋等［1］采用3DEC和Rockfall數(shù)值模擬軟件分析了武當(dāng)山危巖體的穩(wěn)定性與落石運動軌跡。楊忠平等［2］采用UDEC分析了邊坡塊體在微震作用下的運動特征。王林峰等［3］采用數(shù)值模擬軟件PFC3D分析了落石沖擊鐵路棚洞過程中的沖擊力變化規(guī)律。黃澤斌等［4］采用FLAC3D分析了公路邊坡開挖時的穩(wěn)定性。

引導(dǎo)式防護(hù)網(wǎng)是一種有效防治落石災(zāi)害的措施之一，目前被廣泛應(yīng)用于公路邊坡落石的防治［5］。引導(dǎo)式柔性防護(hù)網(wǎng)在形式上采用坡面鋪掛方式，其主要用于落石引導(dǎo)和防護(hù)，并不以阻止落石的發(fā)生為首要目的，而是通過控制落石的運動范圍來避免其形成危害這也是其與主動防護(hù)網(wǎng)主要的區(qū)別，如圖2所示。在結(jié)構(gòu)上，這種引導(dǎo)式防護(hù)網(wǎng)將柔性放懸掛于由錨桿提供固定支撐的上緣支撐繩上，形成一種類似“窗簾”的懸掛于坡面上的簾幕式結(jié)構(gòu)。通常，引導(dǎo)式防護(hù)網(wǎng)也被稱為圍護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、主動-被動系統(tǒng)。

引導(dǎo)式防護(hù)網(wǎng)對落石的防治作用主要是通過抑制落石的運動，尤其是彈跳運動，使落石的瞬時動能和彈跳高度相對于無約束時候發(fā)生明顯減小，從而將落石有控制地順坡向下引導(dǎo)至坡腳堆積停留。這種引導(dǎo)式防護(hù)網(wǎng)也常用于防治爆破飛石的發(fā)生。同時，系統(tǒng)的自重覆蓋作用也能給落石提供一定的約束作用，通過引導(dǎo)式防護(hù)網(wǎng)和被動柔性防護(hù)網(wǎng)的共同作用，可以大大降低攔石網(wǎng)的防護(hù)能級和高度需求。

某公路邊坡位于杭州市蕭山區(qū)義橋鎮(zhèn)虎爪山邊坡緊鄰橋戴公路旁。邊坡上發(fā)育多處潛在落石，對下部公路造成一定威脅。因此，該公路邊坡擬采用引導(dǎo)式防護(hù)網(wǎng)與被動柔性防護(hù)網(wǎng)結(jié)合的措施進(jìn)行工程防治。為了確保擬選用的防護(hù)措施的有效性，利用3DEC軟件模擬分析了無防護(hù)措施、引導(dǎo)式防護(hù)網(wǎng)和引導(dǎo)式防護(hù)網(wǎng)與被動柔性防護(hù)網(wǎng)3種工況下的落石運動軌跡，旨在為該公路邊坡的工程防治提供科學(xué)建議。

1" 工程實例

杭州市蕭山區(qū)義橋鎮(zhèn)虎爪山邊坡緊鄰橋戴公路，邊坡最大高度75 m，長度325 m。邊坡為巖質(zhì)邊坡，坡度55°～80°，局部呈直立、倒傾狀，節(jié)理裂隙發(fā)育。南段邊坡已經(jīng)采用主動防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行了防護(hù)，北段尚未防護(hù)，存在危巖崩塌危及公路上行人車輛安全隱患。邊坡場區(qū)可分為2個工程地質(zhì)層，基巖可劃分為2個亞層：①含碎石黏性土（Qel-d l）：灰黃-灰褐色為主，濕，可塑，碎石含量一般 15%～25%，結(jié)構(gòu)較松散、透水性較好，分布在自然斜坡的表部、基巖面之上，厚度一般在 0.5～1.5 m之間。②強(qiáng)風(fēng)化流紋質(zhì)玻屑凝灰?guī)r巖組：呈灰黃色，錘擊易碎，物理力學(xué)性質(zhì)一般，層厚度一般 1.0～3.0 m；中等風(fēng)化流紋質(zhì)玻屑凝灰?guī)r巖組：紫灰、灰白色，塊狀構(gòu)造，物理力學(xué)性質(zhì)較好。區(qū)域性的球川—蕭山北東向深斷裂、昌化—普陀?xùn)|西向大斷裂、孝豐—三門北西向大斷裂從勘查區(qū)附近通過，近東西向構(gòu)造較發(fā)育。構(gòu)造作用對勘查區(qū)內(nèi)地層破壞表現(xiàn)為發(fā)育多組節(jié)理。本區(qū)地震活動與球川—蕭山深斷裂自全新世初以來多次活動有關(guān)，地震多為弱震（3～5 級以下）和微震（1～3級以下）。地震活動總的特點是強(qiáng)度低，震級小，頻度低。據(jù)GB18306-2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》，工程范圍在加速度動峰值 0.05g區(qū)內(nèi)，對應(yīng)的地震基本烈度為VI度。區(qū)內(nèi)無區(qū)域性主干活動斷裂通過，屬地震地質(zhì)環(huán)境較穩(wěn)定的區(qū)域。

根據(jù)現(xiàn)場勘察可知：該段邊坡坡度傾陡，存在明顯臨空面，局巖石較破碎，邊坡局部區(qū)域現(xiàn)狀穩(wěn)定性較差，存在崩塌、掉塊隱患。邊坡巖體整體較完整，發(fā)生一次性大規(guī)模滑坡、崩塌的可能性較小，其主要隱患為邊坡局部坡段的崩塌（掉塊）隱患（圖3）。

2" 基于離散元法的數(shù)值模擬

2.1" 無引導(dǎo)式防護(hù)網(wǎng)工況下的數(shù)值模擬

2.1.1" 數(shù)值模型的建立及參數(shù)確定

建立的數(shù)值模型如圖4所示，邊坡65 m處發(fā)育不穩(wěn)定危巖體，在降雨、工程開挖等條件下容易誘發(fā)落石災(zāi)害。

數(shù)值模擬采用的參數(shù)見表1，參數(shù)的選取參考文獻(xiàn)［7］。

2.1.2" 模擬結(jié)果

數(shù)值模擬結(jié)果如圖5所示。模擬結(jié)果顯示該危巖體處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，在人工擾動下繼續(xù)失穩(wěn)運動。落石首先在坡面上滾動，然后由于山體坡度突然改變，落石發(fā)生彈跳，最大彈跳高度約為3～5 m。最后落石將會處于靜止?fàn)顟B(tài)，其停止的位置大約在距離公路6 m處。模擬結(jié)果說明，該處危巖

298036.6416.964410.32體有發(fā)生失穩(wěn)運動的可能，并且失穩(wěn)后的落石如果不加以治理，會威脅公路安全。因此需要進(jìn)行工程治理。

鐵路與公路鄒家琦： 引導(dǎo)式柔性防護(hù)網(wǎng)在公路邊坡中的應(yīng)用

2.2" 引導(dǎo)式防護(hù)網(wǎng)工況下的數(shù)值模擬

2.2.1" 數(shù)值模型的建立及參數(shù)確定

分析發(fā)現(xiàn)，落石在坡角處會發(fā)生彈跳，其跳躍高度將大于一般被動柔性防護(hù)網(wǎng)的高度。引導(dǎo)式防護(hù)系統(tǒng)將落石引導(dǎo)至坡腳，便于養(yǎng)護(hù)清運，通過在坡腳設(shè)置一道被動防護(hù)系統(tǒng)對落石進(jìn)行攔截，可有效消除安全隱患。因此，本工況采用引導(dǎo)式防護(hù)網(wǎng)對落石運動軌跡進(jìn)行限高，其數(shù)值模型如圖6所示。由于防護(hù)網(wǎng)的特殊性質(zhì)，對于引導(dǎo)式防護(hù)網(wǎng)本構(gòu)模型采用彈性本構(gòu)模型，剪切模量和體積模量均為40 kPa。

2.2.2" 模擬結(jié)果

數(shù)值模擬結(jié)果如圖7所示。模擬結(jié)果顯示，引導(dǎo)防護(hù)系統(tǒng)將落石引導(dǎo)至坡腳，便于養(yǎng)護(hù)清運。引導(dǎo)式防護(hù)網(wǎng)不僅能夠限制落石的彈跳高度，還能對落石動能一定程度的削減。

2.3" 引導(dǎo)式+被動柔性防護(hù)網(wǎng)工況下的數(shù)值模擬

2.3.1" 數(shù)值模型的建立及參數(shù)確定

分析發(fā)現(xiàn)，引導(dǎo)式被動柔性防護(hù)網(wǎng)不僅能夠限制落石的彈跳高度，同時能夠一定程度削弱落石的運動速度和距離。為了能夠更好地保障公路安全，采取引導(dǎo)式防護(hù)網(wǎng)與被動柔性防護(hù)網(wǎng)同時工作，建立的數(shù)值模型如圖8所示。由于防護(hù)網(wǎng)的特殊性質(zhì)，對于引導(dǎo)式防護(hù)網(wǎng)本構(gòu)模型采用彈性本構(gòu)模型，剪切模量和體積模量均為40 kPa。

2.3.2" 模擬結(jié)果

數(shù)值模擬結(jié)果如圖9所示。模擬結(jié)果顯示，通過在坡腳設(shè)置一道被動防護(hù)系統(tǒng)對落石進(jìn)行攔截，可有效消除安全隱患。因此本次設(shè)計采用GPS-300-C級引導(dǎo)防護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行坡面防護(hù)，同時在坡面下部平臺設(shè)置PPS-200級（2 000 kJ）被動防護(hù)系統(tǒng)的防護(hù)方式。

3" 結(jié)論

本文采用3DEC對杭州市蕭山區(qū)義橋鎮(zhèn)虎爪山邊坡的落石運動軌跡進(jìn)行了模擬分析。模擬結(jié)果表明：①在無防治措施的情況下，落石可能會失穩(wěn)運動，對坡腳的橋帶線公路造成威脅；②引導(dǎo)式防護(hù)網(wǎng)能夠有效地降低落石彈跳高度，同時也能一定程度地削減落石動能；③對于該公路邊坡采用引導(dǎo)式防護(hù)網(wǎng)+被動柔性防護(hù)網(wǎng)的防護(hù)措施是可行，該設(shè)計能夠有效攔截落石，保障下部公路正常運營。

參考文獻(xiàn)

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