被动柔性防护网在花栗山危岩防治工程中的应用分析

摘 要: 危岩的防治工程措施主要有爆破清除、锚固、支撑、拦截等。近年来，柔性防护网在诸如公路、铁路边坡、危岩的防治中应用日趋广泛，被动防护网属于对可能发生的灾害实施拦截这一范畴。根据长阳花栗山危岩的变形特征和破坏模式，有针对性地阐述被动柔性防护网在该项防治工程中的设计应用。

0、引言：
花栗山危岩［1］位于长阳县资丘镇境内清江南岸。该危岩近年来变形明显，频繁产生崩落、滚石，对坡下32 户 126 人的生命财产构成较大威胁。由于花栗山危岩危害性大，经搬迁与工程防治论证比选后，对其采取工程防治措施。

1、危岩基本特征：
花栗山危岩体由面状分布的危石构成，危石分布不均一，岩性为三叠系下统大冶组( T1d) 薄层灰岩夹页岩。危岩立面形态近似于扇形，剖面形态呈折线形，后缘高程 570 m，前缘高程 420 m，中部最高处高度为150 m，两侧最底处高 20 m 左右，横向长 280 m。前缘临空坡度80°，临空面陡峭，局部呈负地形。危岩立面面积21 000 m2，估算体积约5 000 m3。

2、变形破坏模式分析：
根据花栗山危岩的工程地质特征和变形破坏模式，其稳定性评价采用工程地质分析和赤平极射投影分析这两种方法。从赤平极射投影分析结果看，该危岩稳定性差，岩石沿结构面交线方向易产生崩滑。从现场调查结果分析，危岩具软硬相间的岩石结构，岩体较破碎，尤其是页岩风化较快，易形成风化凹龛，使风化速度相对较慢的灰岩底部悬空，在重力、地震或降雨形成的动水压力作用下，易产生崩落、掉块。从花栗山危岩已有的变形迹象来看，其变形破坏方式以小规模崩落、掉块、滚石为主，现场调查未发现延伸长、宽度大的大型贯通裂隙，因此判断将来该危岩变形破坏方式仍将以小型崩落为主。

3、防治工程设计指导思想：
由于花栗山危岩相对高差大、临空面陡，采取其它如爆破清除、主动加固等防治工程措施，实施难度太大，工程造价过高，因此，防治工程设计经可行性研究阶段论证比选，确定了以被动防护为主的防治方案。最终的防治工程措施为: 第一级被动柔性防护网 + 落石槽 +被动防护系统( 第二级被动柔性防护网 + 拦石墙) ( 如图1) 。被动柔性防护网为该防治工程的主要措施，设置落石槽是为了防范在极端情况下产生的规模较大的落石。
4、被动柔性防护网的应用分析：
4.1、设计目的：
该防治工程共设计了二级防护网，二者之间水平距离为30 m。第一级防护网主要是为了防范施工期间危岩落石可能构成的危害，而采取的临时防护措施，以尽可能保证施工人员和设备的安全。施工完成后作为永久防护工程予以保留，可拦截部分落石，减轻下方防护工程的压力和负担。被动防护系统( 第二级防护网 +拦石墙) 主要是为了拦截弹跳高度较大的、越过第一级防护网的落石，防止其对下方居民区造成破坏。

4.2、设计条件：
被动防护系统的设计，首先应对落石的弹跳高度、撞击能量等进行计算，以选用合适的防护系统。
设计分别按照落石坠落最大高度 150 m、平均高度80 m 进行计算，计算落点分别位于第一、二级防护网处。另对第一级防护网有效防护高度( 拟定5 m) 的落石坠落高度进行了演算。
首先根据该危岩体地形剖面建立模拟落石运动轨迹模型( 见图2) ，然后根据危岩下部斜坡坡度、植被发育程度以及落石的粒径大小等，对落石进行相关计算［2］。
( 3) 落石弹跳计算:
落石的弹跳距离 x0=v20gsin2γ落石弹跳的最大高度 hmax=v202gsin2γ反射速度 v0= ( 1λ) vRcosφcosγ式中，γ 为反射角，按下式计算:tanγ =ρ1λtanφ式中: ρ 为恢复系数; λ 为瞬间摩擦系数; φ 为入射角。
( 4) 撞击能量。现场调查，大的落石呈不规则长方体，长约1．0 m，宽约0．8 m，厚约 0． 7 m，则落石体积为 0． 56 m3，落石主要成分为灰岩，其密度 ρ =2 600 kg /m3，其动能:
E动=12m v2计算结果见表1。

4.3、第一级柔性防护网设计：
根据计算结果，当落石坠落高度为150 m 时，落石到达第一级柔性防护网处的最大弹跳高度为 7．34 m，撞击能量为522．65 kJ; 当落石坠落高度为 90 m 时，最大弹跳高度为4．91 m，撞击能量为 373．59 kJ; 当落石坠落高度为80 m 时，最大弹跳高度为4．69 m，撞击能量为334．136 kJ。

根据计算的动能和弹跳高度，选择高 5 m 的 RX-075 型被动防护网，其适用于落石动能 ＜ 750 kJ 的边坡［3］。由于防护网处计算最大撞击能量为 522． 65 kJ，因此可以满足防撞击要求。三种不同坠落高度计算出的最大弹跳高度为4．69 ～7．34 m，当落石坠落高度为90 m 时，最大弹跳高度为 4． 91 m，则第一级防护网基本可以拦截坠落高度 90 m 以下的落石。相对高差90 m以下坡面约占总面积的 70% ，则第一级防护网对落石的拦截率基本为70%左右。

4.4、第二级柔性防护网设计：
从表1 中可知，当落石坠落高度为150 m 时，部分落石将越过第一级防护网，当到达第二级防护网处的最大弹跳高度为5．09 m，撞击能量为 621．835 kJ。由于花栗山危岩体下部斜坡带地形复杂，地表块石分布不均匀，落石坠落后在地形限制和块石碰撞条件下，均会改变运动轨迹，落石呈理想直线运动的可能性小，设计安全系数为 1． 2，则第二级防护网处的设计防护高度为6．11 m，防撞击能量为746．202 kJ。 根据计算结果，选择 RX-075 型被动防护网，其适用于落石动能 ＞750 kJ 的边坡。目前生产厂家制造的被动柔性防护网的最大高度一般为 5．0 m，本次设计选用 RX-075 型被动防护网的高度为5．0 m。对于计算弹跳高度不足部分采用钢混结构拦石墙进行补充完善。

4.5、被动柔性防护网的工程特性：
本防治工程选用的 RX-075 型被动防护网，是目前在国际和国内广泛使用的 SNS 柔性防护网［4］。SNS 是一种能拦截和堆存落石的柔性栅栏式被动拦石网。它的主要特点是允许系统产生一定的变形和位移，从而吸收大量的冲击能量。它的主要构件包括: 钢绳网、钢柱、减压环、锚绳、格栅网等。SNS 柔性防护网的优点主要有: 具有足够的柔度和强度，可以防护高冲击能量的落石; 对复杂地形的适应性强; 系统设计技术先进，并实现了构件的标准化; 施工作业简便易行; 后期维护简单，寿命较长，一般可达50 年，更换少量元件即可延长使用年限。

5、结语：
被动柔性防护网适宜拦截体积较小的落石。本设计在实地调查落石体积的基础上，充分考虑落石坠落高度、地形坡度，通过计算得出落石弹跳高度、撞击能量，从而选择合适的网型。但单纯的被动防护网存在一定的局限性，对于可能产生的体积较大的滚石，则应与落石槽等工程措施相结合，以期达到理想的防治效果。