劉占梅，朱佳川，張志穎，王澤蛟，魏 強(qiáng)

（遼寧省有色地質(zhì)局一○九隊，遼寧朝陽 122000）

SNS被動防護(hù)系統(tǒng)在崩塌地質(zhì)災(zāi)害治理中的應(yīng)用

劉占梅，朱佳川，張志穎，王澤蛟，魏 強(qiáng)

（遼寧省有色地質(zhì)局一○九隊，遼寧朝陽 122000）

朝陽市位于遼寧西部低山丘陵區(qū)，近年來，崩塌落石地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生，瓦房子鎮(zhèn)團(tuán)山子為典型的軟硬巖接觸導(dǎo)致的陡崖崩塌落石地質(zhì)災(zāi)害。朝陽地區(qū)常用的崩塌地質(zhì)災(zāi)害防護(hù)結(jié)構(gòu)多為圬工結(jié)構(gòu)，圬工結(jié)構(gòu)存在材料用量大搬運(yùn)困難、施工強(qiáng)度大、施工進(jìn)度緩慢、原始生態(tài)環(huán)境破壞大、不美觀等缺點(diǎn)。綜合考慮瓦房子鎮(zhèn)團(tuán)山子崩塌的地質(zhì)環(huán)境條件，分析崩塌地質(zhì)災(zāi)害特征，通過多種治理方案比選，確定采用SNS被動防護(hù)系統(tǒng)治理。該系統(tǒng)克服了圬工結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，能夠有效地攔截落石，在受力上具有以柔克剛的優(yōu)點(diǎn)。通過對瓦房子崩塌落石運(yùn)動軌跡計算，給出了一整套計算邊坡落石運(yùn)動軌跡的公式，為類似崩塌地質(zhì)災(zāi)害治理方案選擇及落石運(yùn)動軌跡計算提供了參考。

瓦房子鎮(zhèn)團(tuán)山子；崩塌地質(zhì)災(zāi)害；落石運(yùn)動軌跡計算；SNS被動防護(hù)系統(tǒng)

0 引言

朝陽縣瓦房子鎮(zhèn)團(tuán)山子位于遼寧西部，村子依山而建，村北側(cè)山頂為高聳直立的陡崖，陡崖出露巖層為中厚層灰?guī)r，表層巖石風(fēng)化嚴(yán)重，節(jié)理發(fā)育，將中厚層灰?guī)r切割為塊狀，巖石穩(wěn)定性差，受風(fēng)雨、爆破、地震等外界因素的擾動，經(jīng)常發(fā)生危巖脫離母體急劇墜落。陡崖下方為斜坡，墜落的危巖在斜坡彈跳滾動，以較大沖擊能沖向緊鄰斜坡下方的居民區(qū)，對人民群眾生命財產(chǎn)安全構(gòu)成了極大威脅。根據(jù)調(diào)查，已有落石滾入村民家中，造成村民財產(chǎn)損失，所幸未造成人員傷亡。

應(yīng)當(dāng)?shù)卮迕窦罢螅瑢Τ柨h瓦房子鎮(zhèn)團(tuán)山子崩塌地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行治理，消除崩塌地質(zhì)災(zāi)害對當(dāng)?shù)卮迕裆敭a(chǎn)安全的威脅，給村民創(chuàng)造一個安全的生存發(fā)展環(huán)境。該工程是一項解民之危的民生工程，為朝陽地區(qū)崩塌地質(zhì)災(zāi)害治理提供參考。

1 崩塌災(zāi)害特征

崩塌地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生山坡位于瓦房子向斜核部，368～410m標(biāo)高為自然形成的陡崖，山體基巖出露，坡度65°～82°，局部危巖體近直立狀，高17～32m，總長255m，陡崖出露巖層為寒武系中統(tǒng)中厚層灰?guī)r，表層巖石風(fēng)化嚴(yán)重，平行和垂直坡面的節(jié)理裂隙很發(fā)育，將灰?guī)r切割成體積為0.1～1.0m3不等的危巖體，在外界因素擾動下，經(jīng)常發(fā)生落石災(zāi)害；陡崖下方325～368m標(biāo)高為斜坡，斜坡高40～50m，坡度23°～41°，斜坡長約340m，表層為坡積土，斜坡段為落石滾動區(qū)；325m標(biāo)高以下為居民住宅區(qū)，每逢雨季，村民提心吊膽，崩塌災(zāi)害對村民的生命財產(chǎn)安全構(gòu)成極大威脅。

2 治理方案

2.1 方案介紹

治理危巖崩塌邊坡，常用的方法可分為主動防治法和被動防治法（張中儉等，2007），主動防治法包括：錨固技術(shù)對危巖進(jìn)行加固處理，對危巖裂隙進(jìn)行封閉、注漿；對懸挑的危巖、險石即時進(jìn)行清除；對崖腔、空洞等進(jìn)行撐頂和鑲補(bǔ)；限制坡面巖土體風(fēng)化剝落、危巖崩塌的SNS主動防護(hù)系統(tǒng)。被動防治法包括：坡腳設(shè)置攔石墻、落石槽和SNS被動防護(hù)系統(tǒng)等。

根據(jù)目前掌握的邊坡基本情況，坡面并未見明顯的崖腔、空洞，撐頂和鑲補(bǔ)的方法不適用；陡崖風(fēng)化面面積大，危巖險石多，采用清除危巖方法工程量大，且危巖清除后露出的新鮮巖體今后成為新的危巖，不能從根本上解決問題，清除危巖的方法不適用；錨固方法需要完全查清坡面危石，事實上很難做到，而該邊坡巖體已經(jīng)風(fēng)化松散，單獨(dú)采用錨固措施不合適，另外，錨固方法需在危石上進(jìn)行鉆孔錨固作業(yè)，鉆機(jī)振動可能危及危石穩(wěn)定，施工風(fēng)險十分大，因此錨固方法不適用。

SNS主動防護(hù)系統(tǒng)雖具有良好的工程適應(yīng)性和施工安裝便捷性。就該工程，坡面危巖分布區(qū)大，采用SNS主動防護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行全坡面加固方案經(jīng)濟(jì)型很差；主動防護(hù)系統(tǒng)施工段為陡崖段，施工材料和設(shè)備需經(jīng)陡崖下方的斜坡運(yùn)輸至施工現(xiàn)場，斜坡高40～50m，坡度23°～41°，且斜坡坡面長滿植被，施工材料和設(shè)備很難運(yùn)至陡崖腳下，施工條件極差。因此，SNS主動防護(hù)系統(tǒng)不適合用于此邊坡崩塌治理。

通過治理方法分析，被動防治法適用于該邊坡崩塌地質(zhì)災(zāi)害治理，下面給出兩個治理方案供選擇。

方案一：攔石墻+落石槽。在距坡腳適當(dāng)位置處開挖落石槽、設(shè)置攔石墻。

方案二：SNS被動防護(hù)系統(tǒng)。在距坡腳適當(dāng)位置處設(shè)置落石攔截網(wǎng)進(jìn)行落石攔截。

2.2 方案比選

如果落石的物源區(qū)范圍較大，潛在滾石數(shù)量較多或者斜坡條件復(fù)雜甚至無法接近時，在中途對滾石進(jìn)行攔截是一種有效的防護(hù)措施，本次給出了兩個滾石攔截方案。

方案一是攔石墻+落石槽，該邊坡物源區(qū)為陡崖段，防護(hù)區(qū)域為居民住宅區(qū)，物源區(qū)和防護(hù)區(qū)之間為斜坡段，可在斜披段的合適位置開挖落石槽并在落石槽的外側(cè)增設(shè)攔石墻來攔截滾石。攔石墻最大優(yōu)點(diǎn)是通?？梢跃偷厝〔模こ淘靸r低，理論上其結(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（李小強(qiáng)等，2010）：①以剛性結(jié)構(gòu)去抵抗動力沖擊，存在“事倍功半”的弊端，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)龐大且自重較大，故需要穩(wěn)定而龐大的基礎(chǔ)，通常需要進(jìn)行較大的土石方開挖，一方面帶來基坑的穩(wěn)定性問題，另一方面對場地要求條件較高，在斜坡上開挖大基坑較難實現(xiàn)。③施工速度慢，工期長，施工過程中一旦發(fā)生崩塌，將會危及施工人員安全，若攔石墻建成后發(fā)生破壞將導(dǎo)致災(zāi)難性后果，且修復(fù)后的攔石墻整體性差。④擋石墻修建在坡腳，緊鄰居民區(qū)，不僅毀滅了植被和植被生長條件，也不美觀。

方案二SNS被動防護(hù)系統(tǒng)。被動防護(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)。其主要優(yōu)點(diǎn)如下（李小強(qiáng)等，2010）：①整體柔性。柔性結(jié)構(gòu)具有以柔克剛的功能優(yōu)勢，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)動系統(tǒng)整體功能的發(fā)揮。②良好的地形適應(yīng)性。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，不需進(jìn)行額外的開挖，從而對原有地貌和坡面植被具有良好的保護(hù)作用。④施工快速方便，施工干擾小。柔性防護(hù)系統(tǒng)只開挖固定基座的基礎(chǔ)，開挖工程量很少并且不需徹底清坡，大大節(jié)省了施工時間；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。

綜上所述，在受力特點(diǎn)、工程量大小、施工速度及工期和美觀環(huán)保方面，方案二要完勝方案一。方案一攔石墻+落石槽的優(yōu)勢在于就地取材，工程造價低，但該邊坡總高度高達(dá)80m，落石攔截總長度340m，落石體積可達(dá)1.0m3，為能有效的攔截滾石，落石槽和攔石墻的尺寸要很大，龐大的結(jié)構(gòu)造成工程量加大，且斜坡上施工難度大，從而造價增大，因此，就該邊坡治理工程而言，在工程造價方面方案一并不占優(yōu)勢。通過比較，最終選擇方案二SNS被動防護(hù)系統(tǒng)對該崩塌地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行治理。

3 防護(hù)網(wǎng)設(shè)計

SNS被動防護(hù)系統(tǒng)為了方便工程設(shè)計和施工，已經(jīng)把產(chǎn)品做到標(biāo)準(zhǔn)化和定型化，設(shè)計人員在拿到SNS的標(biāo)準(zhǔn)圖后，設(shè)計的內(nèi)業(yè)工作就簡化成兩個，一是確定攔石網(wǎng)在斜坡上的最佳設(shè)置位置（賀詠梅等，2001），二是計算滾落物在攔石網(wǎng)處的最大動能和彈跳高度，以此來確定防護(hù)網(wǎng)的型號和高度。下面對瓦房子鎮(zhèn)團(tuán)山子崩塌落石的運(yùn)動路徑、彈跳高度、運(yùn)動距離、速度進(jìn)行計算分析（葉四橋等，2010；呂慶等，2003；楊海清等，2009；李念，2009）。

3.1 基本設(shè)計參數(shù)

為保證SNS防護(hù)系統(tǒng)足夠安全，本次設(shè)計按照最不利參數(shù)組合計算，陡崖段高度取最大值，坡度按直立計算，斜坡段坡度取最大值。

（1）山坡參數(shù)

陡崖段：坡度90°，坡高32m，坡腳長255m；

斜坡段：坡度41°，坡高50m，坡腳長340m；

（2）落石參數(shù)

落石體積1.0m3；

（3）巖體參數(shù)

巖性：中厚層灰?guī)r，密度：2.75g/cm3。

3.2 落石運(yùn)動計算

陡崖段坡面危巖體，脫離母巖下落，整個落石運(yùn)動過程簡化3段：墜落→碰撞彈跳→滾動。首先陡崖段危巖體發(fā)生墜落即自由落體運(yùn)動，隨后下落至斜坡段開始發(fā)生碰撞彈跳，經(jīng)過幾次碰撞彈跳后，落石將朝向居民區(qū)滾動。

落石運(yùn)動計算分析將落石理想化為球體，從坡體最高處（H=82m）發(fā)生崩塌落石，計算簡圖見圖1。落石初速度v0=0m/s，重力加速度g=9.8m/s2，落石碰撞彈跳發(fā)生在斜坡段，斜坡表面多數(shù)被植被覆蓋，表層為風(fēng)化巖石或碎石土，法向阻尼系數(shù)Rn取值為0.35，切向阻尼系數(shù)Rt取值為0.85。

圖1 落石運(yùn)動計算簡圖Fig.1 Rock fall m ovement calculation diagram

落石墜落段：

加速度：g=9.8m/s2

碰撞彈跳段：

由于坡面上法向和切向上阻尼系數(shù)Rn和Rt的減速作用，落石觸底后再次彈跳的初始速度分量為：

式中：vx為落石觸地前的水平方向速度分量；vy為落石觸地前的豎直方向速度分量，速度向上為正，向下為負(fù)；θ為斜坡段邊坡角；vt為碰撞后落石坡面上切向速度分量；vn為碰撞后落石坡面上法向速度分量，速度向上為正，向下為負(fù)。

落石碰撞后至再次觸地歷時和水平運(yùn)動距離為：

落石碰撞后再次觸地瞬間的水平速度和豎直速度分量為：

落石最大彈跳高度：

圖2 碰撞彈跳過程速度改變示意圖Fig.2 Collision bounce process speed change diagram

落石運(yùn)動計算結(jié)果見表1。

表1 落石運(yùn)動計算結(jié)果表Tab.1 Rock fall movement calculation diagram results table

假定落石在陡崖頂墜落，墜落高度32m，根據(jù)公式（1）和（2）求得落石在墜落階段歷時約2.56s，碰撞斜坡坡面前的速度為25.04m/s。

落石墜落至斜坡后將完成第一次碰撞彈跳，根據(jù)公式（3）和（4）求得落石第一次碰撞后的初始坡面切向速度vt=13.96m/s，坡面法向速度vn=-6.62m/s，水平方向速度v′x=14.88m/s，豎直方向速度v′y=-4.16m/s。再由公式（5）、（6）和（8）求出第一次碰撞彈跳歷時約1.79s，水平位移約為19.73m，落石最大彈跳高度為2.96m。

落石第二次碰撞彈跳前的瞬間速度也就是第一次碰撞彈跳結(jié)束再次觸地瞬間的速度，根據(jù)公式（7）求得落石第二次碰撞彈跳前的瞬間速度vx=14.88m/s，vy=-21.69m/s，根據(jù)公式（3）和（4）求得落石第二次碰撞后的初始坡面切向速度vt=21.63m/s，坡面法向速度vn=-2.32m/s，水平方向速度v′x=17.85m/s，豎直方向速度v′y=-12.44m/s。再由公式（5）、（6）和（8）求出第二次碰撞彈跳歷時約0.63s，水平位移約為11.18m，落石最大彈跳高度為0.36m。

落石第三次碰撞彈跳前的瞬間速度也就是第二次碰撞彈跳結(jié)束再次觸地瞬間的速度，根據(jù)公式（7）求得落石第三次碰撞彈跳前的瞬間速度vx=17.85m/s，vy=-18.57m/s，根據(jù)公式（3）和（4）求得落石第三次碰撞后的初始坡面切向速度vt=21.81m/s，坡面法向速度vn=-0.76m/s，水平方向速度v′x=16.99m/s，豎直方向速度v′y=-13.69m/s。再由公式（5）、（6）和（8）求出第三次碰撞彈跳歷時約0.22s，水平位移約為3.72m，落石最大彈跳高度為0.04m。

落石第三次彈跳高度近乎為零，近乎于貼地面的滾動，可認(rèn)為，最終落石坡面法向速度在第三次碰撞彈跳結(jié)束后為零，落石的碰撞彈跳歷經(jīng)3次后停止。

落石三次碰撞彈跳的水平總位移為34.63m，距離坡腳還有25～60m，隨后，落石將發(fā)生緊貼地面的滾動，實質(zhì)上是一系列連續(xù)的，彈跳距離很小的，彈跳高度很低的拋物線運(yùn)動，考慮到摩擦系數(shù)，以及落石滾動等價于一系列連續(xù)的碰撞彈跳，且根據(jù)前面實際計算中碰撞彈跳的能量損失和速度的銳減結(jié)果，特別是現(xiàn)場對以前崩塌落石的現(xiàn)場位移觀察，落石在滾落過程中做減速運(yùn)動，甚至部分滾石在途中就已停止運(yùn)動，但為保證設(shè)計的SNS防護(hù)系統(tǒng)具有足夠的安全度，可認(rèn)為落石在滾動階段做勻速運(yùn)動，速度為第三次碰撞彈跳后的坡面切向速度21.81m/s。

3.3 SNS被動防護(hù)網(wǎng)設(shè)計

（1）型號選擇

防護(hù)網(wǎng)系統(tǒng)型號根據(jù)落石計算動能確定。由于落石的運(yùn)動速度除前述計算的平動速度即質(zhì)心的線運(yùn)動速度以外，還可能有繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動的速度。另外，由于落石形狀的千差萬別，其轉(zhuǎn)動的過程也相當(dāng)復(fù)雜，為簡化落石動能計算，通常將其平動動能乘以1.2的系數(shù)來近似考慮其轉(zhuǎn)動動能（李念，2009），即：E=1.2×1/2mv2，落石密度為2.75g/cm3，體積1.0m3，落石滾動速度21.81m/s，代入公式計算得沖擊動能E=785kJ。

通過計算，最大落石沖擊動能E=785kJ，考慮一定的安全儲備，根據(jù)《鐵路沿線斜坡柔性安全防護(hù)網(wǎng)》（TB/T3089-2004）選用被動防護(hù)網(wǎng)。選用的防護(hù)網(wǎng)系統(tǒng)如下：

型號：RXI-150（攔截撞擊能1500kJ以內(nèi)的落石）。

網(wǎng)型：R12/3/300。

結(jié)構(gòu)配置：鋼柱+支撐繩+拉錨系統(tǒng)+縫合繩+減壓環(huán)。

（2）防護(hù)網(wǎng)設(shè)置位置及網(wǎng)高

通過上述計算可知，落石在第一次碰撞彈跳時產(chǎn)生的最大彈跳高度Hmax=2.96m，第二次碰撞彈跳的最大彈跳高度就衰減為0.36m，第三次碰撞彈跳的最大彈跳高度僅為0.04m，彈跳高度近乎為零，落石三次碰撞彈跳的水平總位移為34.63m，距離坡腳還有25～60m，這段距離內(nèi)落石緊貼地面滾動，滾動段落石的彈跳高度非常小，同時考慮坡腳處密植喬木茂盛，被動防護(hù)網(wǎng)高度可取h=2m。

綜合考慮施工方便、居民住宅分布及落石運(yùn)動情況，選擇距離居民住宅水平距離約10m的緩坡處，在一條等高線上設(shè)置被動防護(hù)網(wǎng)一道，防護(hù)網(wǎng)長340m。

4 結(jié)論

通過對瓦房子鎮(zhèn)團(tuán)山子崩塌地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查分析，并進(jìn)行治理方案比選，確定防治工程采用SNS被動防護(hù)網(wǎng)。該工程已施工完畢，達(dá)到了防治崩塌地質(zhì)災(zāi)害的目的。此次為首次在朝陽地區(qū)利用柔性系統(tǒng)治理崩塌地質(zhì)災(zāi)害，改變了傳統(tǒng)的剛性設(shè)計方案。

SNS被動防護(hù)網(wǎng)在瓦房子鎮(zhèn)團(tuán)山子崩塌地質(zhì)災(zāi)害治理工程的應(yīng)用，充分體現(xiàn)了其以柔克剛，適應(yīng)性強(qiáng)，施工快速便捷，美觀環(huán)保的優(yōu)勢，它的這些優(yōu)勢必將使其在今后工程實踐中得到更廣泛的應(yīng)用。

SNS被動防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計簡便，只需兩個工作，一是確定設(shè)置位置；二是計算落石在攔石網(wǎng)處的最大動能和彈跳高度，來確定防護(hù)網(wǎng)的型號和高度。分析計算瓦房子鎮(zhèn)團(tuán)山子崩塌落石運(yùn)動路徑、彈跳高度、運(yùn)動距離、速度，并根據(jù)計算結(jié)果確定被動防護(hù)網(wǎng)型號，為今后落石運(yùn)動軌跡計算分析及被動防護(hù)系統(tǒng)選型提供參考。

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李念，2009. SNS邊坡柔性安全防護(hù)系統(tǒng)工程應(yīng)用[M]. 成都：西南交通大學(xué)出版社：43-49.

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《城市地質(zhì)》征稿啟事

《城市地質(zhì)》是北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局主辦的學(xué)術(shù)性期刊。每年3、6、9、12月出版。以國內(nèi)外城市地質(zhì)工作者及大專院校師生為讀者對象，報道城市地質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域的最新研究成果，反映城市地質(zhì)的技術(shù)與應(yīng)用研究進(jìn)展。

來稿要求論點(diǎn)明確，數(shù)據(jù)可靠，條理清晰，文字精練。每篇論文（包括圖表、摘要、文獻(xiàn)）一般不應(yīng)超過8000字。中文摘要300字左右，關(guān)鍵詞3～8個，以及對應(yīng)的英文摘要和關(guān)鍵詞。論文書寫格式參考《城市地質(zhì)》網(wǎng)站（http://csdz.cbpt.cnki.net）、“城市地質(zhì)”微信公眾號論文格式范例。

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The Application of SNS Passive Protection System in Collapse Geological Hazard M anagement

LIU Zhanmei, ZHU Jiachuan, ZHANG Zhiying, WANG Zejiao, WEI Qiang

(Team 109 of the Bureau of Non-ferrous Geology of Liaoning Province, Chaoyang, Liaoning 122000)

Chaoyang city is located in the hilly areas of western Liaoning. In recent years, collapse rockfall geological hazard frequently occurred. Collapse geological hazard in Tuanshanzi village of Wafangzi town is a typical cliff collapse rockfall geological hazard caused by contact of soft and hard rocks. In Chaoyang area, masonry structures are used as collapse geological hazard protection structures. Masonry structures have many shortcom ings such as material consumption great, material handling diff cult, construction intensity great, construction progress slow, original ecological environment destruction serious, not beautiful and so on. Comprehensively considering geological conditions of collapse geological hazard in Tuanshanzi village of Wafangzi town, analyzing its features, through a variety of governance scheme comparison and selection, it determ ines to use SNS passive protection system. Passive protection system not only overcomes the above-mentioned shortcom ings of the masonry structure, but also effectively blocks rockfall, which has the advantage of overcom ing f rmness by gentleness on mechanics. Through the rockfall trajectory calculation, it gives a set of formulas to calculate the trajectory of rockfall. This paper provides a reference for sim ilar collapse geological hazard governance scheme selection and rockfall trajectory calculation.

Tuanshanzi village of Wafangzi town; Collapse geological hazard; Rockfall trajectory calculation; SNS passive protection system

A

1007-1903（2017）02-0040-06

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.02.008

朝陽縣國土資源局朝陽縣瓦房子鎮(zhèn)團(tuán)山子崩塌地質(zhì)災(zāi)害治理工程（G04212016150223）

劉占梅（1985- ），女，碩士，工程師，主要從事地質(zhì)災(zāi)害防治研究工作， E-mail：liuzhanmei106@126.com