滚石防护机理简介及防治对策

1、滚石防护机理简介及防治对策李小强1严树2(1. 2 深圳中广核工程设计有限公司518000)【摘要】 本文介绍了边坡滚石地质灾害的产生条件，对滚石的能量及运动轨迹进行了分析， 然后介绍了滚石常用的防护方式，并针对具体工程实例对柔性防护系统做了介绍。【关键词】 滚石、边坡、地质灾害、防护方式Mecha nism of acti on and preve nti on methods ofslope rock fall hazardLi Xiao Qia ng 1 Yan Shu2(1.2.Ch ina Nuclear Power Desig n Compa ny, Ltd ( She nzhen

2、)【Abstract 】The authors discussed the mechanism of rock fall with slope and analyzed the en ergy and moti on track of rockfall. Com mon protecti on methods are in troduced and SNS protecti on system is described comb ined with specific engin eeri ng【Key words 】Rockfall, Slope, Geological Hazards, Pr

3、otection Method1引言我国是个多山的国家，各种地质灾害常有发生，加之人口众多、幅员辽阔， 各类工程建设和资源开发分布广泛、规模庞大、数量众多，必然地要带来大量的 坡面地质灾害问题。在坡面地质灾害中，各种成因和规模的滚石是常见的一种。 如何防治滚石灾害，一直是工程技术人员研究的对象。本文对前人滚石防护的理 论做了一个简要的介绍，并结合一个典型工程实例介绍了柔性被动防护系统。2滚石防护理论简介2.1滚石的形成条件滚石的发生必须具备两方面条件，一是滚石的来源，即边坡上必须要有潜在 滚石体，一般称为危岩或危石，这取决于边坡的地质特征。另一个是使这些潜在 滚石发生崩落的诱因，它主要是一些外

4、部作用因素。2.1.1边坡地质条件(1) 岩土构成特征存在潜在滚石的边坡主要有两类：受节理裂隙等结构面切割的岩石边坡及堆 积物边坡。 就堆积物边坡而言， 常见的主要有崩坡积物、 受构造运动抬升的洪积 物和冰积物， 坡面泥石流堆积体等， 其一个明显的特征是， 在这些堆积物中常有 数量和大小不等的岩块存在， 通常称其为孤石， 这些孤石与其周围的土体等相互 伴生，相互支承或嵌锁，处于暂时稳定状态，一旦外力使相互支承作用丧失，就 可能发生滚石。还有一种特例， 即在坡面上停留一些历史崩塌滚石体， 通常称其为浮石， 当 其大量堆积时，便形成所谓岩堆。此类岩堆一旦有诸如工程建设等人类活动出现， 便可能发生二

5、次崩落。（2）构造与结构地质条件 岩石边坡的构造与结构地质条件是评价其潜在滚石区域和规模的基础。 一般 而言，节理可能是形成岩石边坡潜在滚石最为重要的因素， 特别是张性节理区发 生失稳或滚石的可能性通常是相当大的。因此需对节理组的走向、倾向及倾角、 连续性、间距、张开度和充填特征等进行详细的调查。沉积岩和变质岩中的层理对边坡稳定性也具有决定性影响。 节理和层理的交 叉将岩体切割成具有一定形状和尺寸的岩石块体， 这种独立的个体便是产生滚石 的主要来源。（3）水文地质条件边坡水文地质条件除了将影响岩体的结构稳定性外， 诸如坡面径流、 渗滤水 或泉水、裂隙水等，还会通过冲刷、切割、溶蚀、冰劈等作用来

6、加快坡面危石的 形成，甚至直接导致滚石的发生。2.1.2外部诱因绝大多数滚石的发生通常都与强降雨、 冰雪融化、冻融循环和风等气候条件 有关，主要表现在以下几个方面：（1）降雨或冰雪融化所形成的地面径流，能引起作为支撑或充填物的土体 或细粒质的流失，使堆积物边坡发生滚石形成局部失稳。（2）裂隙或非连续面内的水能够引起较高的水压力、降低裂隙面的摩擦阻 力、溶蚀或冲蚀裂隙充填物， 降低节理裂隙切割所形成的危石块体的稳定性， 或 直接引起滚石的发生。（3）裂隙水的冻胀能形成岩石内的冰劈作用，这种作用能使裂隙进一步扩 展或逐渐张开，加速危石的形成甚至引起岩石松动或滚石的发生。（4）其他外部因素滚石也会因

7、动物的坡面活动、穴居类动物挖坑掏洞、周边施工爆破和重型设备或过往车辆振动等作用发生。此外，岩石陡坡面或破顶外沿附近生长的树木对 危石的形成和滚石的发生也是一个必须考虑的因素，它一方面通过前面提到过的借助于大风摇动来诱发滚石，另一方面也通过树根生长所产生的根劈作用来引起 危石的形成。2.2滚石的能量及轨迹分析2.2.1滚石的几何特征对坡脚既有滚石或坡面危石的几何尺寸和形状都应进行测量和估计。 首先应 关注典型的岩石形状，通常可将其划分为球状、板状和条状三种代表性形状，其 次应测量岩石的三个主轴（x,y,z）的尺寸，最后应确定岩石的容重。滚石的几何特征能够反映潜在的滚石特征、可能的运动特征。例如球

8、状滚石 在其运动过程中所受阻力较小，速度会比较高，且滚动特征明显；条状和板状滚 石运动阻力大，速度一般较低，易于发生破裂分解，且板状滚石的滑动特征会比 较明显。2.2.2滚石动能分析在滚石动能分析中，将滚石当作一种运动刚体来处理。根据 Chasles原理， 任何刚体的运动都可以分解为平动和转动两部分来表示。 基于此原理，滚石的总 动能（E ）计算如下：E Et Ea -mv2 丄I 22 2式中，Et为平动动能，Ea为转动动能，m为滚石质量，V为滚石运动线速 度，I为滚石的转动惯性矩，为滚石的转动角速度。一般来说，平动动能一般可以得到比较准确的结果，但对转动动能而言，由于转动轴通常不一定就是主

9、轴之一，且转动角速度也很难确定，因此再实际计算 中可以仅计算平动动能部分，而通过系数处理方法来计入转动动能，根据经验， 该系数通常可以取为1.2,即E 1.2Et 0.6mv22.2.3滚石的轨迹分析如图1在滚石以滚动或滑动模式运动时，其运动轨迹即为坡面形状，其运动速度的变化主要受坡面摩擦作用控制，则平行于坡面的运动速度可计算为v' 2 as1/2a g sin cosv' v1 cos 1v''为计算点的滚石运动速度，v'为计算段初始点的滚石运动速度，v1为前一计算点的滚石运动速度，1为前一计算段的坡面角，g为重力加速度，a、s、 分别为计算段内滚石运

10、动加速度、运动距离（坡面长度）、坡面角和坡面摩擦系数（根据滚动或滑动模式区别采用相应的滚动或滑动摩擦系数）。运动速度的大小和方向均受坡面阻尼作用的影响， 则触地后的滚石弹起速度可计算为vx'A cosA2 sinVy'A1 sinA2 cosARt vx cosvy sinA2Rn VxSinVy cos为计算点的坡面角，vx、Vy、vx和Vy分别为滚石触地弹跳前后x和y方向（水平和铅直方向）上的速度， Rt、Rn分别为计算点处坡面的切向和法向阻尼系数。以此计算速度作为滚石抛物线运动轨迹的初始速度， 可以计算出下一触地 点前的瞬间速度大小和方向、触地点位置（运动抛物线与坡面线的

11、解析交点） ， 并再次重复前一次计算过程，如此不断进行，直到运动模式改变、运动停止或到 达坡脚止落点为止。计算中所需的坡面阻尼系数取决于坡面覆盖层和植被特征，其取值大小可以 借助于现场滚石试验来反算得到，也可以参照表 1和表2进行经验选取。表1切向阻尼系数建议值切向阻尼系数Rt坡面特征0.870.92光滑坚硬的表面，如铺砌面或光滑的层状岩石表面0.830.87基岩表面和无植被的朋塌堆积体0.820.85有少量植被的崩塌或砾石堆积体0.800.83植被覆盖的崩塌堆积体和植被稀少的土质边坡0.780.82灌木覆盖的土质边坡表2法向阻尼系数建议值切向阻尼系数Rt坡面特征0.370.42光滑坚硬的表面

12、，如铺砌面或光滑的层状岩石表面0.330.37基岩表面和砾石边坡0.300.33崩塌堆积体和坚硬的土质边坡0.280.30软土质边坡3滚石常用防护方式介绍3.1危岩清除用爆破、人工和机械方法清除基岩坡面上受节理裂隙切割所形成的危石、孤石和浮石。在一定条件下，危石清除方法是最为经济的措施，但有以下问题：1）普通爆破可能使危石周围原来并不危险的块体形成新的危石；2）随着风化或侵蚀过程的继续，必然产生新的危石；3）作业风险程度高，除了必须确保作业人员的人身安全外，还必须保证坡脚建筑物避免遭受破坏，在公路和铁路沿线清除还会导致交通暂时中断。3.2锚固锚固方法是一种常用手段，对可确定的危石加固是一种较好

13、的选择，技术成熟，结构简单，不明显改变环境。但是，要完全查清坡面危石事实上是很难的， 特别是对极破碎的岩石边坡，须采用比较保守的系统锚固方法。对松散的土石体 边坡，单独采用锚固措施通常是不合适的。3.3 滚石槽当坡脚场地宽阔， 即建筑设施能够退离坡脚足够距离时， 应首先考虑在坡脚 留置或设置具有一定宽度和深度的沟槽来承接滚石， 避免滚石到达需要保护的区 域。但是，当场地条件受限， 需要通过增加开挖来提供满足宽度要求的滚石槽区 域时，则会增大开挖量，由此会增大投资，且会带大较大的环境破坏。3.4 拦石墙拦石墙通常由浆砌片石或现浇混凝土构成， 为减小结构尺寸并提高抗冲击能 力，通常在墙背回填砂砾等

14、缓冲材料。 其最大优点是通常可以就地取材， 理论上 其结构尺寸可以大到足以拦截任何规模的滚石。但其缺陷也十分明显：1）以刚性结构去抵抗动力冲击，从原理上就存在“事倍功半”的弊端，其 结果是必须在有滚石发生的陡峻山坡上建造庞大的拦石结构。2）结构庞大而自重较大，故需要稳定而庞大的基础，通常需要进行较大的 开挖，一方面带来基坑的稳定性问题， 另一方面对场地要求条件较高， 特别在坡 陡时难以实现。3）施工速度慢，工期长，且一旦发生破坏将导致灾难性后果。3.5 被动柔性防护网系统被动防护系统是以钢丝绳网、 环形网等高强度金属柔性网为主要构成， 并以 钢柱作为直立支撑的栅栏式柔性滚石拦挡结构。 经过几十

15、年的发展， 随着减压环 技术和铰接式钢柱基座的发明和运用，其防护能级从 50kJ发展到5000kJ。其主 要组成如下：柔性网、支撑系统、固定与连接系统、减压环（见图 2 被动柔性防 护系统大样图）。和传统防护方式相比，其主要优点如下：1）整体柔性 柔性结构具有以柔克刚的功能优势， 整体柔性结构具有非常好的荷载扩散传 递功能，能够避免过多和过大的局部应力集中，充分调动系统整体功能的发挥， 即实现“局部受载，整体作用”的目标。2）良好的地形适应性主要表现在： 充分利用柔性结构的易铺展性； 采用积木式组合方式来构筑整 体性的系统结构。3）美观与环保柔性防护系统的开放式结构带来视觉的通透性， 其对地形

16、的灵活适应性，决 定了它不需进行额外的开挖，从而对既有地貌和坡面植被具有良好的保护作用。 柔性系统的开放性也决定了它不会改变原有的地下水循环系统。4）施工快速方便，施工干扰小柔性防护系统中需开挖固定基座的基础时，因基座的主要功能是起定位作用 而非系统的主要承力结构，其基础开挖工程量很少并且不需彻底的清坡，大大节 省了施工时间；由于结构和构件的轻型化，以及半成品化构件的积木式安装， 保 证了材料的易于搬运和快速安装。5）防腐与维护柔性防护系统主要由钢构件构成，这就带来了防腐问题，曾一定程度上影响 了技术的发展。但现代防腐技术的飞速发展，使得现有柔性防护系统的防腐工作 寿命已能满足多数工程的要求，

17、并不比传统的防护方法逊色。被动柔性防护系统减压环的使用和人为地将钢柱与基座间的连接点设计为 系统的薄弱环节，这些措施，能够在系统遭受过载冲击时避免整体或大量构件的 变形或破坏，使维护工作量很小，且在得到维护前不致使系统完全丧失防护功能。4.1工程概况某边坡位于深圳东部华侨城旅景区上山缆车段东侧坡脚下，坡高约200m左 右，自然坡度20° 30°,坡面上分布有大大小小的花岗岩风化球多处，且这些 危石层层相叠。边坡植被茂密，灌木及藤类发育。在缆车道施工过程中，受暴雨 及坡脚基岩爆破的影响，有危石从坡面失稳落下，幸未造成人员伤亡。边坡坡脚 距缆车轨道515m，此缆车作为景区游人上

18、山的必经之路，安全必须得到保障。4.2方案选取由于边坡坡高林密，危石层层叠叠，全部清除及锚固是不可行的，只能考虑 被动防护措施。由于坡脚距缆车道距离过近，缆车道到坡脚之间还要铺设排水、 通信及供电设施，且坡脚第四系很厚，采用传统的滚石槽和拦石墙方案也不可行。经过分析计算及现场的滚石试验，边坡虽高，但由于坡面植被茂密，坡面对 滚石的阻尼系数高，摩擦力大。滚石的运动方式以滚动为主，且到达坡脚时的速 度比较低，能量最大不大于400kJ。考虑到现场的实际条件和景区的美观要求， 本工程采用被动柔性防护网是非常合适的。考虑到一定的安全储备，最终采用最大冲击动能吸收能力为1000KJ的RXI-100系统。该

19、系统主要由环形网（为了拦截小块滚石，附加了一层普通钢丝 格栅）（见图3）、支撑系统（钢柱、基座、连接件）、固定与连接系统（锚杆、 拉锚绳、支撑绳和缝合绳）和减压环四部分组成。系统的柔性主要来自于柔性网、 支撑绳和减压环等构件，钢柱与基座间采用可动铰连接方式， 以确保整个系统的 柔性匹配。图3钢绳网缝合大样图4.3 施工作为一种定型化的标准结构， 其施工安装是非常重要的， 必须保证其结构形 式和连接方式的正确。施工主要注意事项如下：(1) 钢柱的设计柱间距允许有 20%的调整量，可以选择最有利于基础施工 的位置。尽可能选择局部地形平坦的基岩面， 避免选在松动岩土体或基岩面凹凸 不平的位置处。(2) 从便于安装和确保安装后的钢柱稳定性考虑，钢柱通常必须与拉锚绳 同时安装，并在安装后通过拉锚绳张拉段的长度改变来将钢柱调整到设