黃晨忱， 許曼鈺

(桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

0 引言

危巖是高陡斜坡產(chǎn)生了拉裂、松動(dòng)變形并隨時(shí)可能發(fā)生破壞，向坡下運(yùn)動(dòng)的巖體。落石是在自身重力、震動(dòng)、降雨等作用下喪失穩(wěn)定性，脫離母巖，向下墜落的石塊。目前，危巖治理工程主要采用主動(dòng)治理，如：清除、支頂、嵌補(bǔ)、錨固、噴射混凝土等，當(dāng)山體表面構(gòu)造風(fēng)化嚴(yán)重，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，可能存在小塊落石掉落現(xiàn)象，或懸崖上的危巖不宜清除或清除困難，及不經(jīng)濟(jì)和存在較大施工安全隱患時(shí)，宜選擇被動(dòng)防護(hù)，如：落石槽、攔石墻、攔石堤、剛性柵欄和被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)等。

柔性防護(hù)網(wǎng)產(chǎn)品自20世紀(jì)90年代中期從國(guó)外引進(jìn)后，經(jīng)過(guò)相關(guān)科研院所、生產(chǎn)企業(yè)的升級(jí)研究，在國(guó)內(nèi)鐵路、公路、水電、地災(zāi)等工程項(xiàng)目中已得到廣泛應(yīng)用，技術(shù)和產(chǎn)品均有一定程度的發(fā)展和進(jìn)步。但規(guī)程、規(guī)范及相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)較少，目前，僅鐵路部門(mén)于2004年發(fā)布了《鐵路沿線斜坡柔性安全防護(hù)網(wǎng)》(TB/3089—2004)，其余部門(mén)、行業(yè)均無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，各行其是。本文根據(jù)桂林市七星公園危巖落石治理工程實(shí)例說(shuō)明被動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)在危巖落石治理工程中的應(yīng)用。

1 工程概況

七星公園位于桂林市區(qū)東部，東部、北部濱臨小東江，西側(cè)緊靠龍隱路，由普陀山天樞、天璇、天璣、天權(quán)4峰與月牙山玉衡、開(kāi)陽(yáng)、瑤光3峰組成，山體中下部為著名景點(diǎn)七星巖入洞口，經(jīng)調(diào)查分析目前存在安全隱患確定的危巖體有9處，危巖體破壞形式屬于滑塌式(如圖1所示)。七星巖上方危巖對(duì)游客構(gòu)成威脅，據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，受危巖威脅的游客和工作人員約150人，潛在經(jīng)濟(jì)損失達(dá)300萬(wàn)元，危巖崩塌危害對(duì)象等級(jí)為Ⅲ級(jí)。崩塌危害對(duì)象為縣級(jí)以上城市，危巖防治工程等級(jí)為Ⅰ級(jí)。

2 自然條件

2.1 地形、地貌

治理區(qū)處于漓江東岸的孤峰平原地貌區(qū)，為一多峰山體，由普陀山天樞、天璇、天璣、天權(quán)4峰與月牙山玉衡、開(kāi)陽(yáng)、瑤光3峰組成，普陀山天璣峰山頂標(biāo)高241～248m，地面標(biāo)高150m，相對(duì)高差約91～98 m。本次治理的范圍主要是七星巖上方的山體，為七星公園普陀山的天璣峰東側(cè)，山體寬120 m，標(biāo)高248～150 m，相對(duì)高差約98 m，總體坡向約為75°，上部山體較緩，坡度為45°～65°，下部山體近似垂直，坡度80°～85°，局部巖壁直立。山體上方大部生長(zhǎng)有灌木叢，中下部巖石裸露。

圖1 危巖剖面圖

2.2 地層巖性

治理區(qū)分布的地層主要有第四系和泥盆系上統(tǒng)桂林組白云質(zhì)灰?guī)r。

①第四系(Q)粘土層：黃色粘土，稍濕—濕，呈硬塑—可塑狀，主要分布于山腳處，厚度多為3～6.5 m，山腰較緩處也有零星分布，厚度多為0.3～0.7 m。

②泥盆系上統(tǒng)容縣組(D3γ)白云質(zhì)灰?guī)r：淺灰色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚—厚層構(gòu)造，巖石堅(jiān)硬，性脆，結(jié)構(gòu)破碎，巖溶較發(fā)育。地層產(chǎn)狀為214°∠9°。據(jù)本次野外調(diào)查，在山體主要有二組裂隙，其裂隙產(chǎn)狀分別為：J1 200°∠89°、J2 105°∠90°，裂隙長(zhǎng)0.2～12 m，寬度0.1～20 cm，大多無(wú)充填，局部充填粘土，密度2～3條/m。

3 被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)方案設(shè)計(jì)

危巖治理方案的確定主要是根據(jù)危巖體所處的地質(zhì)環(huán)境條件、危巖基本特征、破壞失穩(wěn)方式，同時(shí)考慮治理效果的持久性和安全性、現(xiàn)場(chǎng)施工條件以及對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響程度、經(jīng)費(fèi)等綜合因素。綜合上述因素，本設(shè)計(jì)針對(duì)危巖采用靜態(tài)爆破清除危巖和采用定型化被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)的治理設(shè)計(jì)方案。采取靜態(tài)爆破施工，操作簡(jiǎn)單，一勞永逸。靜態(tài)破碎劑脹裂破碎是在危巖體上鉆鑿密集炮眼，在炮眼中灌裝按一定水粉比加工好的爆破劑，通過(guò)爆破劑的膨脹作用產(chǎn)生壓力將巖石破碎，將清除后的危巖塊放置于安全地帶，防止次生災(zāi)害的發(fā)生。由于山體表面構(gòu)造風(fēng)化嚴(yán)重，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，仍存在小塊落石掉落現(xiàn)象，為保證安全，在山腰位置布設(shè)一排被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)；同時(shí)輔助監(jiān)測(cè)措施。

3.1 危巖破壞后的運(yùn)動(dòng)計(jì)算

3.1.1 計(jì)算落石滾落距離

落石運(yùn)動(dòng)方式受下部斜坡的物質(zhì)組成、邊坡坡度角等的影響，運(yùn)動(dòng)距離各不相同。根據(jù)R·M·Spang(1978)的研究成果，崩落體只有坡度角小于一定臨界值(約27°)時(shí)，才停積于崖角，隨坡度角增大(大于55°)，可分別表現(xiàn)為滑動(dòng)、滾動(dòng)、跳躍和自由崩落等方式(圖2所示)，大部分或全部堆積于坡腳。因此巖體在產(chǎn)生變形破壞后，大部分以滾動(dòng)、跳躍或自由崩落的方式向坡腳運(yùn)動(dòng)，最后堆積于坡腳地帶或滾入坡下，直接影響坡下建筑和在七星巖入口及山下過(guò)往游客的生命財(cái)產(chǎn)安全。

圖2 危巖崩塌運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖

因區(qū)內(nèi)危巖巖體內(nèi)部節(jié)理裂隙發(fā)育、較破碎，巖石已被分割成較小的塊體，滾石體積按3 m3計(jì)算。預(yù)測(cè)該危巖發(fā)生破壞滾動(dòng)時(shí)的滾動(dòng)距離和速度。

當(dāng)落石第一次墜落在斜坡表面，因碰撞，能量發(fā)生變化，部分能量消耗在碰撞過(guò)程中，部分能量將使落石在坡面上繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。

據(jù)能量守恒定律：

mgh=(1/2)mV2

據(jù)上式可以計(jì)算出落石碰撞前夕的速度V，根據(jù)地形剖面可以計(jì)算出碰撞時(shí)的切向速度Vt與法向速度Vn，以及Vt與Vn的夾角β。

即：

Vn=Vsinβ

Vt=Vcosβ

落石與斜坡松散層地面的法向碰撞可認(rèn)為是對(duì)心塑性碰撞，所以Vn=0。切向碰撞，損失率采用10%。所以落石第一次在斜坡上碰撞與維持其繼續(xù)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能為(1/2)m(0.9Vt)2。塊石在斜坡上的繼續(xù)運(yùn)動(dòng)是以滾動(dòng)和滑動(dòng)為主的綜合形式。為了計(jì)算方便，可簡(jiǎn)化為沿斜坡的綜合摩擦運(yùn)動(dòng)來(lái)分析。據(jù)功能原理，落石的勢(shì)能變化等于動(dòng)能變化和克服摩擦所做的功：

∑mgΔhi=(1/2)m(Vi2-Vt2)+∑mgcosditgφrLi

式中：Vi——落石在斜坡面上任意位置處所具有的速度，m/s；di——各直線段斜坡的平均坡度(°)；Δhi——各直線段斜坡的垂直高度，m；φr——落石與坡面之間的綜合摩擦角，(°)；Li——各直線段斜坡的長(zhǎng)度，m。

由此式便可預(yù)測(cè)危巖崩塌的最大落距，當(dāng)末速度Vi=0時(shí)，便可求得∑Li，∑Licosdi就是崩塌的最大水平運(yùn)動(dòng)距離。

3.1.2 撞擊能量計(jì)算

據(jù)查爾斯(Chasles)理論，動(dòng)能=運(yùn)動(dòng)能+滾動(dòng)能。在這里采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算滾石的沖擊能量KE：

KE=1.2×(1/2)mV2

落石在此時(shí)的速度V的水平和垂直(x，y)方向方量分別為Vx、Vy：

Vx=Vcosdi

Vy=Vsindi

根據(jù)能量守恒定律：

(1/2)mVy2=mgH

式中：H——危巖體的彈跳高度，m。

山坡落石撞擊能計(jì)算結(jié)果如表1。

表1 落石彈跳高度及能量計(jì)算結(jié)果

3.2 設(shè)計(jì)工程量

根據(jù)以上計(jì)算危巖體撞擊能結(jié)果，按3 m3滾石計(jì)算撞擊能為105～1311 kJ，故攔截撞擊能在設(shè)計(jì)和校核情況下按2000 kJ進(jìn)行設(shè)計(jì)。在三級(jí)防護(hù)位置，滾石彈跳高度為3.10～3.32 m，系統(tǒng)高度H應(yīng)比計(jì)算彈跳高度大于1.0 m作為安全儲(chǔ)備，故防護(hù)設(shè)置高度為5.0 m。經(jīng)危巖體撞擊能計(jì)算共需一道2000 kJ級(jí)被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)，被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)拐點(diǎn)坐標(biāo)如下：

(1)X=3742846.4214Y=2798770.7090

(2)X=3742862.8456Y=2798782.1215

(3)X=3742869.0367Y=2798801.1392

(4)X=3742854.8979Y=2798815.2847

(5)X=3742837.4318Y=2798825.0281

同時(shí)，為保護(hù)景觀，在5.0 m高被動(dòng)網(wǎng)下種植紫藤，種植間隔0.5 m/株，在其他被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)下種植爬山虎，種植間隔0.5 m/株。被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)具體工作量詳見(jiàn)表2。

表2 被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)工程工程量匯總

4 施工技術(shù)要求

工程設(shè)計(jì)選型中，當(dāng)采用定型化被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)時(shí)，應(yīng)給出滿足產(chǎn)品加工制造或采購(gòu)、質(zhì)量檢驗(yàn)、施工安裝與工程驗(yàn)收需要的技術(shù)條件或要求，或指出定型化技術(shù)文件的出處，并給出附加技術(shù)條件或要求。

(1)對(duì)坡面防護(hù)區(qū)域的松土及落石進(jìn)行清除。

(2)相鄰基座間連線與水平面的夾角>10°或其間高差>1.5 m時(shí)，應(yīng)考慮所需柔性網(wǎng)片的尺寸增大或形狀改變。

(3)相鄰兩跨在水平面內(nèi)的走向朝上坡側(cè)偏離直線且走向改變角>5°時(shí)，應(yīng)考慮增加共用鋼柱上的下坡側(cè)拉錨繩；如這種走向改變是朝下坡側(cè)偏離直線且走向改變角>30°，則應(yīng)考慮增加共用鋼柱上的上拉錨繩。

(4)連續(xù)布置的單道被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)長(zhǎng)度較大時(shí)，應(yīng)進(jìn)行支撐繩分段，并結(jié)合被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)的局部走向改變綜合考慮分段位置，設(shè)置分段鋼柱上的拉錨繩。如所采用被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)定型化技術(shù)文件規(guī)定了支撐繩分段方法時(shí)從其規(guī)定，否則，各支撐繩分段長(zhǎng)度不應(yīng)大于100 m或10跨。

(5)應(yīng)盡可能不砍伐樹(shù)木，對(duì)需要砍除的灌木，應(yīng)保持其重新生長(zhǎng)的條件；防護(hù)工程實(shí)施可能破壞原有植被時(shí)，宜考慮人工綠化措施。

(6)因在半山腰上安裝被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)，要做好材料運(yùn)輸、施工等安全措施。

5 結(jié)語(yǔ)

桂林市七星巖上方危巖經(jīng)過(guò)采用被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)等綜合治理工程后，消除了七星巖入洞口處的安全隱患，確保公園的正常營(yíng)運(yùn)。實(shí)例應(yīng)用實(shí)踐表明，被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)以其獨(dú)特的柔性和高強(qiáng)度特征以及對(duì)復(fù)雜地形的靈活適應(yīng)性，具有其他防護(hù)方法常常難以解決的優(yōu)勢(shì)。特別是在解決高陡懸崖上危巖采用清除或加固治理存在安全風(fēng)險(xiǎn)極大及造價(jià)太高時(shí)，具有很好效果，其環(huán)保效果突出。

[1] 七星公園七星巖洞上方危巖應(yīng)急治理工程施工圖設(shè)計(jì)[Z].廣西桂林：廣西地質(zhì)災(zāi)害防治工程勘查設(shè)計(jì)院，2015.

[2] 陽(yáng)有奎，原振華.柔性防護(hù)系統(tǒng)及其工程設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社,2015.

[3] 陽(yáng)有奎.坡面地質(zhì)災(zāi)害柔性防護(hù)的理論與實(shí)踐[M].北京：科學(xué)出版社,2005.

[4] 羅偉.硤石山坡SNS主動(dòng)柔性防護(hù)系統(tǒng)綜合治理技術(shù)[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012.39(1):73-76.

[5] 李念.SNS邊坡柔性安全防護(hù)系統(tǒng)工程應(yīng)用[M].四川成都：西南交通大學(xué)出版社，2002.

[6] 陽(yáng)友奎，姜瑞琪.SNS柔性防護(hù)技術(shù)及其與傳統(tǒng)邊坡防護(hù)方法之比較[C]//2002年中國(guó)西北部重大工程地質(zhì)問(wèn)題論壇論文集,2002.

[7] 謝正富.采用SNS柔性防護(hù)系統(tǒng)整治危巖落石病害[C]//鐵道工務(wù)論文集(第3冊(cè)),2004.

[8] 李文勇.淺談SNS柔性防護(hù)網(wǎng)在山體高邊坡中的應(yīng)用[C]//河南地球科學(xué)通報(bào)2009年卷(下冊(cè)),2009.

[9] 李鐵振.SNS柔性防護(hù)在公路邊坡治理上應(yīng)用[C]//2005年公路交通學(xué)術(shù)論文集,2005.

[10] 袁關(guān)松.公路路基的邊坡防護(hù)中采用剛性防護(hù)與柔性防護(hù)的范圍及特點(diǎn)[C]//中國(guó)新時(shí)期思想理論寶庫(kù)——第三屆中國(guó)杰出管理者年會(huì)成果匯編,2007.

[11] 韓富強(qiáng),張錦靈,龐磊.蘭州徐家灣不穩(wěn)定邊坡的綜合治理技術(shù)[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2016,43(2):78-84.