1、滾石防護機理簡介及防治對策李小強1 嚴樹2（1. 2 深圳中廣核工程設計有限公司 518000）【摘要】本文介紹了邊坡滾石地質災害的產生條件，對滾石的能量及運動軌跡進行了分析，然后介紹了滾石常用的防護方式，并針對具體工程實例對柔性防護系統做了介紹。【關鍵詞】滾石、邊坡、地質災害、防護方式Mechanism of action and prevention methods of slope rock fall hazardLi Xiao Qiang1 Yan Shu2（1.2.China Nuclear Power Design Company, Ltd（Shenzhen） ） 【Abstrac

2、t】The authors discussed the mechanism of rock fall with slope and analyzed the energy and motion track of rockfall. Common protection methods are introduced and SNS protection system is described combined with specific engineering. 【Key words】Rockfall, Slope, Geological Hazards, Protection Method1引言

3、我國是個多山的國家，各種地質災害常有發生，加之人口眾多、幅員遼闊，各類工程建設和資源開發分布廣泛、規模龐大、數量眾多，必然地要帶來大量的坡面地質災害問題。在坡面地質災害中，各種成因和規模的滾石是常見的一種。如何防治滾石災害，一直是工程技術人員研究的對象。本文對前人滾石防護的理論做了一個簡要的介紹，并結合一個典型工程實例介紹了柔性被動防護系統。2滾石防護理論簡介2.1滾石的形成條件滾石的發生必須具備兩方面條件，一是滾石的來源，即邊坡上必須要有潛在滾石體，一般稱為危巖或危石，這取決于邊坡的地質特征。另一個是使這些潛在滾石發生崩落的誘因，它主要是一些外部作用因素。2.1.1邊坡地質條件（1）巖土構成

4、特征存在潛在滾石的邊坡主要有兩類：受節理裂隙等結構面切割的巖石邊坡及堆積物邊坡。就堆積物邊坡而言，常見的主要有崩坡積物、受構造運動抬升的洪積物和冰積物，坡面泥石流堆積體等，其一個明顯的特征是，在這些堆積物中常有數量和大小不等的巖塊存在，通常稱其為孤石，這些孤石與其周圍的土體等相互伴生，相互支承或嵌鎖，處于暫時穩定狀態，一旦外力使相互支承作用喪失，就可能發生滾石。還有一種特例，即在坡面上停留一些歷史崩塌滾石體，通常稱其為浮石，當其大量堆積時，便形成所謂巖堆。此類巖堆一旦有諸如工程建設等人類活動出現，便可能發生二次崩落。（2）構造與結構地質條件巖石邊坡的構造與結構地質條件是評價其潛在滾石區域和規模

5、的基礎。一般而言，節理可能是形成巖石邊坡潛在滾石最為重要的因素，特別是張性節理區發生失穩或滾石的可能性通常是相當大的。因此需對節理組的走向、傾向及傾角、連續性、間距、張開度和充填特征等進行詳細的調查。沉積巖和變質巖中的層理對邊坡穩定性也具有決定性影響。節理和層理的交叉將巖體切割成具有一定形狀和尺寸的巖石塊體，這種獨立的個體便是產生滾石的主要來源。（3）水文地質條件邊坡水文地質條件除了將影響巖體的結構穩定性外，諸如坡面徑流、滲濾水或泉水、裂隙水等，還會通過沖刷、切割、溶蝕、冰劈等作用來加快坡面危石的形成，甚至直接導致滾石的發生。2.1.2外部誘因絕大多數滾石的發生通常都與強降雨、冰雪融化、凍融循

6、環和風等氣候條件有關，主要表現在以下幾個方面：（1）降雨或冰雪融化所形成的地面徑流，能引起作為支撐或充填物的土體或細粒質的流失，使堆積物邊坡發生滾石形成局部失穩。（2）裂隙或非連續面內的水能夠引起較高的水壓力、降低裂隙面的摩擦阻力、溶蝕或沖蝕裂隙充填物，降低節理裂隙切割所形成的危石塊體的穩定性，或直接引起滾石的發生。（3）裂隙水的凍脹能形成巖石內的冰劈作用，這種作用能使裂隙進一步擴展或逐漸張開，加速危石的形成甚至引起巖石松動或滾石的發生。（4）其他外部因素滾石也會因動物的坡面活動、穴居類動物挖坑掏洞、周邊施工爆破和重型設備或過往車輛振動等作用發生。此外，巖石陡坡面或破頂外沿附近生長的樹木對危石

7、的形成和滾石的發生也是一個必須考慮的因素，它一方面通過前面提到過的借助于大風搖動來誘發滾石，另一方面也通過樹根生長所產生的根劈作用來引起危石的形成。2.2滾石的能量及軌跡分析滾石的幾何特征對坡腳既有滾石或坡面危石的幾何尺寸和形狀都應進行測量和估計。首先應關注典型的巖石形狀，通常可將其劃分為球狀、板狀和條狀三種代表性形狀，其次應測量巖石的三個主軸的尺寸，最后應確定巖石的容重。滾石的幾何特征能夠反映潛在的滾石特征、可能的運動特征。例如球狀滾石在其運動過程中所受阻力較小，速度會比較高，且滾動特征明顯；條狀和板狀滾石運動阻力大，速度一般較低，易于發生破裂分解，且板狀滾石的滑動特征會比較明顯。滾石動能分

8、析在滾石動能分析中，將滾石當作一種運動剛體來處理。根據原理，任何剛體的運動都可以分解為平動和轉動兩部分來表示。基于此原理，滾石的總動能（）計算如下：式中，為平動動能，為轉動動能，為滾石質量，為滾石運動線速度，為滾石的轉動慣性矩，為滾石的轉動角速度。一般來說，平動動能一般可以得到比較準確的結果，但對轉動動能而言，由于轉動軸通常不一定就是主軸之一，且轉動角速度也很難確定，因此再實際計算中可以僅計算平動動能部分，而通過系數處理方法來計入轉動動能，根據經驗，該系數通常可以取為1.2，即滾石的軌跡分析如圖1在滾石以滾動或滑動模式運動時，其運動軌跡即為坡面形狀，其運動速度的變化主要受坡面摩擦作用控制，則平

9、行于坡面的運動速度可計算為為計算點的滾石運動速度，為計算段初始點的滾石運動速度，為前一計算點的滾石運動速度，為前一計算段的坡面角，為重力加速度，、分別為計算段內滾石運動加速度、運動距離（坡面長度）、坡面角和坡面摩擦系數（根據滾動或滑動模式區別采用相應的滾動或滑動摩擦系數）。圖1 不同運動模式示意圖在彈跳運動模式下，其運動軌跡為各接觸點間滾石運動拋物線段的組合，其運動速度的大小和方向均受坡面阻尼作用的影響，則觸地后的滾石彈起速度可計算為為計算點的坡面角，、和分別為滾石觸地彈跳前后和方向（水平和鉛直方向）上的速度，、分別為計算點處坡面的切向和法向阻尼系數。以此計算速度作為滾石拋物線運動軌跡的初始速

10、度，可以計算出下一觸地點前的瞬間速度大小和方向、觸地點位置（運動拋物線與坡面線的解析交點），并再次重復前一次計算過程，如此不斷進行，直到運動模式改變、運動停止或到達坡腳止落點為止。計算中所需的坡面阻尼系數取決于坡面覆蓋層和植被特征，其取值大小可以借助于現場滾石試驗來反算得到，也可以參照表1和表2進行經驗選取。表1 切向阻尼系數建議值切向阻尼系數坡面特征0.870.92光滑堅硬的表面，如鋪砌面或光滑的層狀巖石表面0.830.87基巖表面和無植被的崩塌堆積體0.820.85有少量植被的崩塌或礫石堆積體0.800.83植被覆蓋的崩塌堆積體和植被稀少的土質邊坡0.780.82灌木覆蓋的土質邊坡表2 法

11、向阻尼系數建議值切向阻尼系數坡面特征0.370.42光滑堅硬的表面，如鋪砌面或光滑的層狀巖石表面0.330.37基巖表面和礫石邊坡0.300.33崩塌堆積體和堅硬的土質邊坡0.280.30軟土質邊坡3滾石常用防護方式介紹3.1危巖清除用爆破、人工和機械方法清除基巖坡面上受節理裂隙切割所形成的危石、孤石和浮石。在一定條件下，危石清除方法是最為經濟的措施，但有以下問題：1）普通爆破可能使危石周圍原來并不危險的塊體形成新的危石；2）隨著風化或侵蝕過程的繼續，必然產生新的危石；3）作業風險程度高，除了必須確保作業人員的人身安全外，還必須保證坡腳建筑物避免遭受破壞，在公路和鐵路沿線清除還會導致交通暫時中

12、斷。3.2錨固錨固方法是一種常用手段，對可確定的危石加固是一種較好的選擇，技術成熟，結構簡單，不明顯改變環境。但是，要完全查清坡面危石事實上是很難的，特別是對極破碎的巖石邊坡，須采用比較保守的系統錨固方法。對松散的土石體邊坡，單獨采用錨固措施通常是不合適的。3.3滾石槽當坡腳場地寬闊，即建筑設施能夠退離坡腳足夠距離時，應首先考慮在坡腳留置或設置具有一定寬度和深度的溝槽來承接滾石，避免滾石到達需要保護的區域。但是，當場地條件受限，需要通過增加開挖來提供滿足寬度要求的滾石槽區域時，則會增大開挖量，由此會增大投資，且會帶大較大的環境破壞。3.4攔石墻攔石墻通常由漿砌片石或現澆混凝土構成，為減小結構尺

13、寸并提高抗沖擊能力，通常在墻背回填砂礫等緩沖材料。其最大優點是通常可以就地取材，理論上其結構尺寸可以大到足以攔截任何規模的滾石。但其缺陷也十分明顯：1）以剛性結構去抵抗動力沖擊，從原理上就存在“事倍功半”的弊端，其結果是必須在有滾石發生的陡峻山坡上建造龐大的攔石結構。2）結構龐大而自重較大，故需要穩定而龐大的基礎，通常需要進行較大的開挖，一方面帶來基坑的穩定性問題，另一方面對場地要求條件較高，特別在坡陡時難以實現。3）施工速度慢，工期長，且一旦發生破壞將導致災難性后果。3.5被動柔性防護網系統被動防護系統是以鋼絲繩網、環形網等高強度金屬柔性網為主要構成，并以鋼柱作為直立支撐的柵欄式柔性滾石攔擋

14、結構。經過幾十年的發展，隨著減壓環技術和鉸接式鋼柱基座的發明和運用，其防護能級從50kJ發展到5000kJ。其主要組成如下：柔性網、支撐系統、固定與連接系統、減壓環（見圖2被動柔性防護系統大樣圖）。和傳統防護方式相比，其主要優點如下：1）整體柔性柔性結構具有以柔克剛的功能優勢，整體柔性結構具有非常好的荷載擴散傳遞功能，能夠避免過多和過大的局部應力集中，充分調動系統整體功能的發揮，即實現“局部受載，整體作用”的目標。2）良好的地形適應性主要表現在：充分利用柔性結構的易鋪展性；采用積木式組合方式來構筑整體性的系統結構。3）美觀與環保柔性防護系統的開放式結構帶來視覺的通透性，其對地形的靈活適應性，決

15、定了它不需進行額外的開挖，從而對既有地貌和坡面植被具有良好的保護作用。柔性系統的開放性也決定了它不會改變原有的地下水循環系統。4）施工快速方便，施工干擾小柔性防護系統中需開挖固定基座的基礎時，因基座的主要功能是起定位作用而非系統的主要承力結構，其基礎開挖工程量很少并且不需徹底的清坡，大大節省了施工時間；由于結構和構件的輕型化，以及半成品化構件的積木式安裝，保證了材料的易于搬運和快速安裝。5）防腐與維護柔性防護系統主要由鋼構件構成，這就帶來了防腐問題，曾一定程度上影響了技術的發展。但現代防腐技術的飛速發展，使得現有柔性防護系統的防腐工作壽命已能滿足多數工程的要求，并不比傳統的防護方法遜色。被動柔

16、性防護系統減壓環的使用和人為地將鋼柱與基座間的連接點設計為系統的薄弱環節，這些措施，能夠在系統遭受過載沖擊時避免整體或大量構件的變形或破壞，使維護工作量很小，且在得到維護前不致使系統完全喪失防護功能。圖2 被動柔性防護系統大樣圖4工程實例4.1工程概況某邊坡位于深圳東部華僑城旅景區上山纜車段東側坡腳下，坡高約200m左右，自然坡度2030，坡面上分布有大大小小的花崗巖風化球多處，且這些危石層層相疊。邊坡植被茂密，灌木及藤類發育。在纜車道施工過程中，受暴雨及坡腳基巖爆破的影響，有危石從坡面失穩落下，幸未造成人員傷亡。邊坡坡腳距纜車軌道515m，此纜車作為景區游人上山的必經之路，安全必須得到保障。

17、4.2方案選取由于邊坡坡高林密，危石層層疊疊，全部清除及錨固是不可行的，只能考慮被動防護措施。由于坡腳距纜車道距離過近，纜車道到坡腳之間還要鋪設排水、通信及供電設施，且坡腳第四系很厚，采用傳統的滾石槽和攔石墻方案也不可行。經過分析計算及現場的滾石試驗，邊坡雖高，但由于坡面植被茂密，坡面對滾石的阻尼系數高，摩擦力大。滾石的運動方式以滾動為主，且到達坡腳時的速度比較低，能量最大不大于400kJ。考慮到現場的實際條件和景區的美觀要求，本工程采用被動柔性防護網是非常合適的。考慮到一定的安全儲備，最終采用最大沖擊動能吸收能力為1000KJ的RXI-100系統。該系統主要由環形網（為了攔截小塊滾石，附加了

18、一層普通鋼絲格柵）（見圖3）、支撐系統（鋼柱、基座、連接件）、固定與連接系統（錨桿、拉錨繩、支撐繩和縫合繩）和減壓環四部分組成。系統的柔性主要來自于柔性網、支撐繩和減壓環等構件，鋼柱與基座間采用可動鉸連接方式，以確保整個系統的柔性匹配。圖3鋼繩網縫合大樣圖4.3施工作為一種定型化的標準結構，其施工安裝是非常重要的，必須保證其結構形式和連接方式的正確。施工主要注意事項如下：（1）鋼柱的設計柱間距允許有20%的調整量，可以選擇最有利于基礎施工的位置。盡可能選擇局部地形平坦的基巖面，避免選在松動巖土體或基巖面凹凸不平的位置處。（2）從便于安裝和確保安裝后的鋼柱穩定性考慮，鋼柱通常必須與拉錨繩同時安裝，并在安裝后通過拉錨繩張拉段的長度改變來將鋼柱調整到設計的安裝傾角