危岩落石

危岩落石（精选四篇）

危岩落石 篇1

1 危岩落石的形成机制

危岩指高陡斜坡产生了拉裂、松动变形并随时可能发生破坏,向坡下运动的岩体;落石是个别危岩脱离母岩,向下坠落的现象。危岩落石形成具有影响因素复杂、形成规模不确定、发生时间难以预测,致灾随机性强的特征,它的形成机制受内在条件及外界诱发因素制约,主要有如下几点。

1.1 形成危岩落石灾害的内在条件

危岩落石形成的内在条件包括岩土类型、地质构造、地形地貌三个方面,统称为地质条件。1)不同的岩土类型使得落石灾害具有不同的物质条件,通常岩性坚硬的各类岩石及初具成岩性的石质黄土、结构密实的黄土等形成规模较大的落石,页岩、泥灰岩等互层岩石及松散土层等,往往以坠落和剥落为主。2)不同地质构造(如节理、裂隙、层面、断层等)对坡体的切割、分离,为落石的形成提供边界条件。山体中的裂隙越发育、越易产生落石,与坡体延伸方向近乎平行的陡倾角构造面,最容易产生落石。3)山区道路两侧不同的地形地貌如人工边坡、坡度大于45°的高陡边坡、孤立山嘴或凹形陡坡等均容易产生落石。

1.2 形成落石灾害的外界诱发因素

水是诱发落石的首要因素。融雪、暴雨和长时间的连续降雨,使地表水渗入坡体,软化岩土及其中软弱面,产生孔隙水压力等,从而诱发落石。其次是冻胀、昼夜温度变化、地震等也会诱发落石现象。另外,不合理的人类活动,如采掘矿产资源、道路工程削坡过陡、开挖山体,强烈的机械震动等改变坡体原始平衡状态的人类活动,都会诱发落石现象。

2 落石防治工程的设计原则

危岩落石的防治方法可分为清除、加固、拦截、遮挡四大类别。

当道路两侧山体可能发生的危岩落石体积数量不大,且母岩的破裂程度不严重时,则以全部清除为宜;但由于清除技术对山体进行了扰动,应谨慎采用。加固类技术的防治理念在于通过支撑、锚固、注浆等技术措施,增强危岩的稳定性,阻止其发生崩落,而不至于致灾;用于勘察确定的、不宜或难于消除的大型危岩体治理。拦截遮挡的防治理念在于对存在线状危岩带的道路两侧,假设危岩落石现象形成,通过拦截阻挡等防护技术措施,阻止落石到达道路范围,全面有效保护行人车辆不受侵害;拦截遮挡措施适用于可能发生的漏勘漏治的规模不大,频繁发生的中小型落石,通常作为加固技术的辅助措施。

四类防治措施各有优缺点,对于具体的危岩落石防治工程,可以采用不同技术结合使用,起到理想的防治效果。

3 落石防治技术体系

3.1 清除

清除分为一般清除和刷坡削坡。1)一般清除可采用人工、机械、爆破三种方式。在一定条件下,它是最为经济的措施,但难以实现彻底清除,且随着风化或侵蚀过程的继续,必将产生新的危石,应谨慎采用。2)刷坡削坡是在危岩孤石突出的山嘴以及坡体风化破碎的地段,采用刷坡、削坡技术放缓边坡,以减小斜坡体的重量,使斜坡坡度达到理想的稳定坡度。但削坡不宜在岩体破碎强烈,开挖影响较大的岩体上进行。

3.2 加固

加固是通过进行锚固、护坡、护墙、支撑、嵌补、喷射混凝土、柔性主动防护网、勾缝、注浆与排水等,以及各种技术措施综合利用来实现危岩体的主动防护治理。

1)锚固。它是利用锚索、锚杆对有失稳可能的危岩体进行锚固,通过锚固力提供抵抗危岩体下滑力或倾覆力矩,保证危岩体的稳定。它的优点是结构简单,不明显改变环境,缺点是要完全查清坡面危石很难,且在采用锚固措施时,必须在危石上进行大量的钻孔锚固作业,对母岩造成大的扰动,施工风险大。2)护坡、护墙。适用于易风化剥落的边坡,用以封闭边坡。边坡陡者用护墙,边坡缓者用护坡;对易风化的软弱岩层,可用沥青、砂浆或浆砌片石护面。护坡、护墙的缺点是破坏了植被生长条件,对坡面条件要求高,因结构抗力低,存在自身稳定性问题。3)支撑。它是以石砌、水泥混凝土、钢筋混凝土或钢轨等修建人工支撑体来提高危岩稳定性的一种防治技术,有墙式、柱式、拱式等不同类型;适用于位置确定、有支撑条件的较大岩腔,要求支撑体自身及基础稳固,它的优点是不会对母岩造成大的扰动。4)嵌补。它是对外悬或坡面凹形的较小岩腔采用浆砌片石、混凝土或水泥砂浆填筑,以提高危石稳定性。嵌补结构要求具有稳定的基础,且必须与坡面紧密结合;它的缺点是要修筑基础,环境破坏性较大。5)喷射混凝土。该方法本身能通过添加纤维来提高强度和韧性,并常与锚杆、钢筋网或钢丝格栅结合使用,通常把它当作钢筋混凝土结构,具有很高的承载能力。喷射混凝土对坡面有封闭作用,非常好地隔绝了地表水下渗,提高了边坡的稳定性。优点是技术成熟,机械化程度高,施工速度快,对地形适应能力强,也比较经济。缺点是毁灭坡面既有植被及其生长发育条件,对环境和自然景观具有破坏性。6)柔性主动防护网。它是用锚杆、支撑绳固定方式将钢丝绳网和钢丝网覆盖包裹在所需防护斜坡或岩石上,以加固或围护危岩或落石的一种新的主动防护系统。它的特点是施工快捷、构件标准化、环境影响小,适用于小型、浅表层危岩体的防治。7)勾缝、注浆与排水。鉴于水是产生落石的重要因素,为提高边坡的稳定性,对坡体中的裂隙、缝,可采用水泥砂浆、细石混凝土勾缝、注浆等进行封闭,以防止灾害进一步发展;特别是对侵蚀作用比较敏感的边坡,可设排水工程以拦截疏导斜坡地表水和地下水,通常作为辅助措施予以考虑。

3.3 拦截

对于仅在雨后才有坠石、剥落地段,可在坡脚或半坡上设置拦截构筑物,包括传统的刚性系统(如落石槽、拦石墙、落石平台等),半刚性拦石墙、柔性被动拦石网等。

1)落石槽。落石槽是在坡脚留置或设置具有一定宽度和深度的沟槽来承接落石,它的设置要保证落石不致直接落到公路范围。优点是就地取材,施工简单;缺点是占地面积大,不经济,且会带来较大的环境破坏。2)落石平台。当被防治的公路路基距有危岩落石隐患的山坡坡脚有适当距离,且路基高程与坡脚下平缓地带高程相差不大(不超过2 m~2.5 m)时,宜修筑落石平台。3)拦石墙。修建于落石路径上(坡脚或坡面上)的拦挡结构,需要有稳定而庞大的基础,由浆砌片石或浇筑混凝土构成。缺点是抗冲击效果较差,受经济、场地条件和结构自身稳定性等因素限制,对场地条件要求较高。4)柔性被动防护网。防护网由钢丝绳网或环形网(需拦截小块落石时附加一层铁丝格栅)、固定系统(锚杆、拦锚绳、基座和支撑绳)、减压环和钢柱四个主要部分构成;系统的柔性和拦截强度足以吸收和分散传递预计的落石冲击动能,消能环的设计和采用使系统的抗冲击能力得到进一步提高。与刚性拦截和砌浆挡墙相比较,改变了原有施工工艺,使工期和资金得到减少,把飞石拦截在公路之外,避开灾害对公路设施的毁坏。

3.4 遮挡

采用明洞(类似于隧道内衬的封闭式结构)或棚洞(封闭或半封闭的悬臂式结构)措施,将落石路径隔离在路面以外,通常由混凝土或浆砌石构成,并可在洞顶铺填砂土和砾石缓冲混合料,以防止落石对结构的破坏。优点是防落石效果好,不需要做任何维护,安全性和安全感均很高;缺点是造价高,常用于中、小型落石防治。

4 结语

山区道路两侧危岩落石灾害影响因素复杂,发生难以预测,在公路新建时,应加强工程地质工作,对危岩落石地段,应采取绕避或必要的处治措施,防患于未然。对于运营中的公路,要加强日常检查巡视,尤其做好季节性检查与治理,以预防为主,治早治小,一次根治,不留后患,针对具体的灾害成因及特点,及时采取措施,确保公路安全运营。

参考文献

[1]曾廉.崩塌与防治[M].成都:西南交通大学出版社,1990:23-50.

[2]胡厚田.崩塌与落石[M].北京:中国铁道出版社,1989:78-105.

危岩落石 篇2

1 国内铁路已使用的异物侵限监测技术

我国铁路部门在公跨铁立交桥、公铁并行段、隧道洞口段防异物侵限监测技术方面均开展了一些研究工作, 并在实际工程中已经使用。

公跨铁立交桥、公铁并行段、隧道洞口异物侵限监控系统采用电网传感器。一旦异物撞坏防护网, 通过电网感应的方式即可向调度中心告警并与信号设备联动, 使前方列车停车。该系统与综合视频监控系统配合使用, 调度或维护人员可清楚了解现场的情况。

2 针对路基边坡危岩落石的异物侵限监测技术

目前国内可供山区铁路路基边坡危岩落石异物侵限监测系统选择的监测手段主要包括:光纤光栅、图像内容分析、监测雷达、双电网、卫星定位等方法。

2.1 光纤光栅方式

光纤光栅是利用紫外曝光技术在光纤芯中引起折射的周期性变化而形成的。反射光的波长对温度、应力和应变敏感。当环境温度、应力或应变发生变化时, 光纤光栅反射光的峰值波长漂移, 通过对波长漂移量的度量就可以实现对温度、应力和应变的感测。

2.1.1 系统组成

光纤光栅路基边坡危岩落石异物侵限监测报警系统主要由光纤光栅传感器、光纤光栅波长解调仪、计算机和连接光缆等组成, 如图1所示。

2.1.2 柔性被动防护网的传感器监测方案

柔性被动防护网主要设置在危岩落石集中发育的地段, 如路堑顶以上或桥梁墩台开挖面以上的自然风化边坡、隧道洞口仰坡等地段。

2.1.2. 1 监测方案 (一) 拉力监测

由于锚拉绳为被动柔性防护系统的主要受力部件, 可以将光纤光栅拉力传感器与锚拉绳串接。当巨石撞击防护网时, 锚拉绳受到巨大冲击力, 拉力传感器不仅可测量冲击力的大小, 而且可以根据受到冲击前后的拉力状态来判断防护网是否受到破坏, 见图2。

2.1.2. 2 监测方案 (二) 弯曲监测

当有石块作用于钢丝绳网上时, 上支撑绳受到较大冲击并产生弯曲, 根据上支撑绳的最大弯曲程度和冲击后的弯曲状态可以判断钢丝绳网受到的冲击力及其安全状态, 如图3所示。

2.1.3 铁路防护栅栏的传感器监测方案

铁路防护栅栏沿全线封闭设置, 可利用其监测落石、崩塌体等异物是否侵限。

光纤光栅振动传感器在防护栅栏上的布置如图4所示。光纤光栅振动传感器通过“转接板”固定在钢丝网的中间位置 (这个位置振动幅度较大) 。防护栅栏受到冲击的位置可由各个振动传感器感受冲击信号的时间先后来判定;受到损伤的程度由传感器感测的冲击幅度和冲击距离来计算。

2.1.4 预报模型与报警触发条件的确定

目前光纤光栅方式需通过试验确定不同受力情况下防护网的应变范围, 以确定光纤光栅传感器的合理量程;通过试验建立不同质量 (或动能) 石块与防护网应力状态的对应关系 (可考虑冲击信号) , 确定监控系统的报警临界条件, 包括传感器动态响应规律与临界值等。

2.2 图像内容分析方式

基于红外激光方式的路基边坡危岩落石异物侵限监测报警系统采用野外红外激光三维精密测量技术, 通过对监测区域进行非接触式连续扫描, 能够在各种天气和气候条件下快速、准确的发现目标, 同时具备对目标物的辨别能力。

2.2.1 系统组成

本系统由现场监测系统、传输系统、中心报警系统、现场行车告警系统、视频追踪系统等部分组成, 如图5所示 (见下页) 。

现场监测系统由红外激光夜视摄像机、智能图像分析单元、红外激光扫描成像装置、数据分析单元、UPS电源等设备组成。现场监测系统设置情况如图6所示。

传输系统由前端网络通讯设备、传输网络、接入网关等组成。

中心报警系统由管理服务器、数据库服务器、应用程序服务器、WEB服务器、操作终端等设备组成。

现场行车告警系统由监测点发射设备以及机车上接收端设备两部分组成。

视频追踪系统由红外激光微光夜视球机、智能图像分析单元、本地告警装置等设备组成。

2.2.2 系统误报

由于线路周边环境的复杂性, 系统投入实际运行后, 有可能发生误报。潜在误报原因包括:小型动物、慢速通过或停止的机车、高出轨面5cm以上线路两侧的道砟、高出轨面5cm以上的较粗壮的杂草等。

目前该种监测方式已经在遂宁至成都客运专线48号隧道口 (K105+100位置正上方山体的危岩落石监测) 和K101+460至K101+580 (120米长异物侵限及高陡边坡山体变形监测) 投入使用。

2.3 监测雷达方式

2.3.1 系统工作原理

异物侵限监测雷达系统借助电磁波反射原理完成对进入监测区域的目标物体的速度、距离等有效信息的采集, 借助数字信号处理器强大的处理功能, 对监测数据进行高速分析, 过滤掉用户不关心的信息, 仅提供有用的关键信息。对监测区域进行实时监测, 当有异物进入监控区域时, 现场采集设备将进入监测区域的异物速度和距离信息及时上传, 并进行实时存储记录。通过对数据信息的进一步分析, 确定侵限告警级别, 上传告警信号并上传至防灾监控中心。系统工作原理如图7所示。

2.3.2 现场设备安装方式

在隧道口轨道旁边设立安装基座, 在基座上安装预先设计好的钢管平台, 钢管平台的高度需要和水泥基座的高度综合考虑, 以应对不同地形带来的高度差。最终使安装平台距离轨面的垂直高度大于4m (高于火车车顶) 。

在钢管平台上安装监测雷达, 利用手动转台, 将雷达天线对准需监测的区域。

选定安装位置时, 如果附近有公路等需注意雷达射线不要照到车辆, 以免因为车辆目标频繁运动对后续的信号处理造成影响;雷达架设位置要高于列车车顶, 尽量不要照射到火车车身上, 避免产生强回波信号。异物侵限雷达传感器安装如图8所示。

2.3.3 方案特点

该方案为非接触式测量。当车辆或其他物体经过扫描区域时, 可能会造成误报, 若以此报警为依据控车, 存在一定危险性。系统应用案例较少, 处于初期实验阶段。设备价格较高, 监测距离有限。

2.4 双电网监测方式

目前双电网方式在公路跨铁路立交桥异物侵限监测方面已经有了大规模的应用, 方案成熟可靠。

2.4.1 安装方式

电网中的2根导线固化在高强度脆性复合材料中, 该复合材料具有优良的耐候型、抗紫外线照射、抗老化等特性, 可防止线材因环境因素老化断线。电网制作全过程温度不超过60度, 成形后具有良好的硬度和脆性, 对瞬间的冲击力有灵敏的响应能力。

实际工程中可根据现场环境和监测需求, 采用监测电网单元竖直 (高2米, 宽1米) 或水平 (高1米, 宽2米) 等方式安装 (图9、10) 。监测电网安装于边坡灾害及危岩落石可能冲击的铁路沿线 (一般设置于铁路防护栏侧) , 当灾害发生后灾害体或落石侵入铁路限界, 破坏电网, 出发报警, 联动列控系统控车。

2.4.2 现场设备组成

前端设备主要由监测电网、H型钢柱、轨旁控制器等组成。

因采用双电网方式的路基边坡危岩落石监测的组网方式与目前铁路防灾安全监控系统一致, 因此本文中主要设备仅介绍前端传感器及相关部分。

2.4.3 方案特点

双电网方式已在防灾安全监控系统中大规模应用, 经大量工程验证, 稳定可靠。接触式监测, 准确率高。为防灾安全监控系统既有异物侵限监测方式, 接入防灾安全监控系统可行性无需验证。报警及联动列控系统有相关标准, 方案成熟。

2.5 卫星定位监测方式

2.5.1 监测方案

利用北斗+GPS卫星导航定位系统提供的位置、速度、时间等信息来完成对高陡边坡及危岩落石体的三维位置变化信息监测。卫星定位模块作为主要监测传感器, 铁路沿线辅以视频监控 (图11、12) 。为提升系统定位信息的准确性, 可采用差分方式, 通过技术处理系统监测的精度可达厘米级。

传感器布设于高陡边坡危岩落石监测点所处的危险坡体、危岩落石体、高路堤、深路堑、灾害发生可能冲击的铁路沿线防护栏立柱。当高陡边坡发生变形时, 系统可通过定位模块测量的三维数据分析出监测点的水平和高程位移;当灾害发生冲击铁路沿线防护栏上道时, 可通过防护栏上安装的传感器变形情况判断灾害的影响程度, 并通过设置于铁路沿线的专用视频监控系统对现场信息加以确认。

2.5.2 系统组成

系统由卫星定位传感器、差分定位系统设备、数据采集传输设备、电源设备、防雷设备等组成。

2.5.3 方案特点

各监测点平面和高程观测数据同步, 实时掌握监测点三维位置信息和变形动态。通过对比边坡监测及铁路限界监测点的形变量及先后顺序可实现准确的灾害报警和预警, 但该方案卫星通道铺设成本较高。

3 结束语

随着铁路防灾安全监控领域不断扩大, 新的技术不断涌现, 监测的结果直接参与运营决策, 防灾安全监控系统的重要性进一步增强。就目前来说, 针对路基边坡危岩落石灾害利用防灾安全监控系统应用的双电网方式进行监测较为成熟可靠, 已经被大量工程验证, 系统与列控接口相关标准与应用经验无需重新论证及试验, 工程应用风险小。采用其余方案时, 系统监测报警均存在误报或漏报的可能性, 如果需要根据报警信息联动控车, 不能保证完全可靠。建议可以选择多种方案进行实验, 确保系统报警控车的可靠性, 从而保证行车安全。

摘要：危岩落石是山区常见的一种不良地质现象, 严重威胁着山区铁路建设及行车安全。本文对山区铁路路基边坡危岩落石的几种自动监测报警方式作了详细介绍, 分析各自的工作原理、系统构成和报警处置等关键技术, 可为路基边坡危岩落石异物侵限监测系统的设计和建设提供参考。

关键词：山区铁路,路基危岩落石,监测报警

参考文献

[1]高速铁路设计规范 (试行) .TB10621-2009/J971-2009铁建设[2009]209号.

[2]刘建斌.基于光纤光栅传感的铁路异物侵限监测系统研究.交通科技, 2011 (03) .

危岩落石 篇3

国家高速公路很多建造在地势险峻的地方, 而这些地方危岩落石发生非常频繁。过去, 国家交通部门以及道路维护人员对待危岩落石是, 当落石发生时进行清理以及安装临时性的缓解结构物。RHRS的发展使得交通运输部门能够根据不同边坡相对危险程度的对比来对岩坡进行分类。这使得他们能够对最繁忙公路的最危险边坡在时间和资金都到位后优先进行治理 (Pierson and Van Vickle, 1993) 。这套系统同时被认为是一般边坡条件和随时间变化的边坡条件有效的存库目录。

这项研究建立和改进了科罗拉多交通部门正在使用的RHRS系统, 目的是更准确的评估影响危岩落石的因素。在这个国家数个交通部门正在使用的RHRS系统基础上得到一份详实的评论文献。另外, 改进的评价系统可以利用危岩落石和边坡稳定性的技术文献和研究来评估确定出危岩落石的最不利因素。改进主要是在综合了更多的、具体的或者描述性的评估标准, 从而消除了科罗拉多交通部门目前的RHRS系统分类中的数个主观因素。另外, 加入新的参数的目的是为了包含在文献中得到广泛认同的一些地质和气象因素, 这些因素也对危岩落石危险程度和边坡失稳的有着重要影响。

一旦建立起修正的RHRS评价系统, 就可以对贯穿于科罗拉多的355处岩质边坡进行评估。使用最小二乘回归和多元顺序逻辑回归对结果数据进行分析, 尝试对影响科罗拉多危岩落石主要因素进行区分和分级。只要分析出主控因素, 就可以利用较少的改进的RHRS参数, 使用多元逐步回归分析推导出预测等式, 通过这个等式可以对科罗拉多危岩落石进行简单的分析。

1 改进的RHRS系统

改进的RHRS系统包含四个影响危岩落石危险程度的独立类别:边坡条件、气象条件、地质条件和间断面条件。还有一个需单独进行风险评分的第五类别, 就是交通条件。改进的科罗拉多RHRS系统所有的参数都总结如表1, 在下面将进行详细列举。由于RHRS系统是对现有系统的改进并且它是为美国交通运输部门服务的, 因此在RHRS系统中所使用的参数都是得到美国交通运输部门认可并且验证了的参数。所以参考或引用的国际文献的内容没有美国文献那样全面。其中用来定义每个得分等级的描述或者取值范围, 尽可能采用以前的研究结论, 否则就是依据作者的个人经验。综合得分在边界上对细微差异的敏感度不在本论文研究范围之列, 但它也有可能成为影响RHRS综合得分的重要因素。

1.1 边坡条件

这个分类包含了和边坡特性和尺寸有关的参数。所有这些参数都是评价落石滚落到路面的可能性。

1.1.1 边坡高度

边坡高度包括切坡高度或全坡高度。全坡高度是从路面到潜在落石最高点之间的距离, 它包括路面右线以上的完整边坡。如果在边坡切口以上的位置有落石源, 全坡高度就测量到落石源。如果只评估切坡, 通常由于路面右线和缓解措施的限制, 需要考虑切口的最大高度。

1.1.2 落石频率

此参数是根据特定区域发生落石的频率来评分, 以落石发生的具体时间作为评分的基础。信息可以从交通运输部门路面养护队员工记录下来的需要从某地路面清理岩石的频率来获得。以这个参数的得分为基础, CDOT通过和路面维护队员工对交通进行引导来分别哪些道路分支经历了频繁的落石。

1.1.3 平均倾角

这项参数是对CDOT原始系统的修正, 以前对倾角的评分是基于这样一个前提:倾角越大, 岩质边坡就越不稳定 (Andrew, 1994;CDOT, 1997) 。然而, 如图1所示, Maerz et al. (2005) 最近的研究推断出角度在30～85°并且弯曲距离最大的边坡, 会产生最严重的落石现象。因此, 为反映落石到达路面的几率 (给出在不同角度下落石运行的轨迹) 将对边坡倾角评分进行修改。和边坡高度参数相似, 如果在切坡之上有落石源, 切坡和自然边坡角度都需要记录。两者之间危险程度更高的那个用来作为危险程度评分。

1.1.4 发射特征

CDOT原有的边坡发射特征的标准是很主观的, 因而需要一个更具描述性的方法。以下描述, 在最终项目报告中还将对每个分类配以照片, 来描述不同条件下的发射特征, 并将这应用在边坡中。

无:表示一个相对平坦的坡面, 其在坡纵切面上有很小或者没有地质上的变化。

很小:表示一个坡纵斜面有微小的地质或者材质变化可能会导致岩石的滑坡, 例如山脊或岩架从边坡表面延伸<0.6 m。

很大:表示一个坡纵斜面有数个地质或者材质变化可能会导致岩石的滑坡, 例如山脊或岩架从边坡表面延伸0.6～1.8 m。

最大:表示一个很不规整的坡纵斜面并且有巨大的出露地表的岩石, 或者山脊或岩架从边坡表面延伸超过1.8 m。

1.1.5 山沟集水

改良的RHRS系统评估了山沟尺寸和形状的效应, 用数值标准取代了原来系统中的主观语言描述。两者的最大值被用来评估整个山沟集水效应。山沟尺寸效应评估通过下列方程 (1) 将实际沟尺寸和推荐的Ritchie (1963) 山沟尺寸进行比较。

式中Da—实际沟深度;

Wa—实际沟宽度;

Dr—基于坡高和坡角的Ritchie设计沟深 (见图2) ;

Wr—基于坡高和坡角的Ritchie设计沟宽 (见图2) 。

沟形状效应评估是基于坡肩角或在沟和路之间的支档物 (泽西栅栏, 落石防护栏, 防护轨) (Ritchie, 1963;Badger and Lowell, 1992;Maerz et al., 2005;NYDOT, 2003) 。表2可以用来确定等级和相应的分数。

Barrett and White (1991) 认为科罗拉多险峻和严重不规整的边坡使得Ritchie沟设计准则不再适用。因此, 如果评估边坡发射特征为81, 那么山沟效用自动取为81。

1.2 气候条件

克罗拉多原系统将气候分类中的降雨量, 渗流和裸露情况放在一起考虑。这种情况下, 裸露情况和边坡的结冻/解冻以及直接光照相关联, 但是在实践中, 暴露因素定义并不清晰也不采用 (Ortiz, 2006) 。修正的RHRS系统使用了下面的参数:年降雨量, 年度结冻/解冻期, 渗透/水以及坡面。

1.2.1 年降水量

这里的年降水量具体指实际降雨和降雪总量, 用这来消除以前使用的“低, 中, 高”标准的主观性。在图3中可以得到一个地区的年降水量。

1.2.2 年结冻/解冻期

结冻/解冻期数值作为一个新的参数被涵盖进来是由于它对落石和边坡稳定性有明显的影响。 (Flatland, 1993;Nichol and Watters, 1983;Romana, 1988;Moore, 1986;Eliassen and Ingraham, 2000;Senior, 1999;Arndt et al., 2003;Mazzoccola and Hudson, 1996;Watters, 1998;Barrett and White, 1991) Arnold等人 (1996) 进行了一项全国性研究, 这项研究中使用了全国5000个气象观测站, 他们用每天的测量数据来量化潮湿冻结/解冻指数。潮湿结冻/解冻指数是由Lienhart (1988) 定义的, 其定义为每个月降水量超过0.25 mm天数与结冻周期天数的百分比。结冻周期的定义是当日温度在0°上下波动时的年平均天数 (Lienhart, 1988) Arnold等人 (1996) 通过调用全国5000个气象观测站一整年的地表以上2.5 cm的平均温度、平均降雨以及湿度条件的数据, 使用Lienhart (1988) 冻结/解冻指数, 记录下年度冻结/解冻周期数值。这个信息被用来进行评估科罗拉多每年冻结/解冻周期的地域分布。改良的RHRS评分分类是以这些数据为基础的。

1.2.3 渗透/水

边坡渗透或者水的存在采用更具描述性的形容词描述而不是以前的“无, 一些, 中等, 高”来描述。在这个实例中, 评估是在干燥的季节进行的, 透水率依然可以通过观察水纹和岩石表面变色区域来进行估计, 这意味着季节性的渗水曾经发生过。

1.2.4 坡向

坡向是一个新的因素, 它是以以下事实为基础的:南面朝向的边坡要比北面朝向的边坡一年中经受更多的结冻/解冻周期 (Flatland, 1993;Mazzoccola and Hudson, 1996;Watters, 1998) 。北面朝向的边坡在一天中绝大部分时间处于阴面, 因此它们的温度变化最小, 评估为最低级。东面, 西面, 东北面和西北面在一天中会被日照一段时间, 被评为次低级。东南面, 西南面朝向的边坡有更多的日照, 被评为次高级。正南面朝向的边坡在一天内承受的温度变化最大, 被评为最高级。

坡向对边坡上的植被生长也有影响, 而这些植被会对基质岩块的侵蚀造成影响。Branson (1990) 进行了一项研究:将莱克伍德附近绿山上的正南朝向和正北朝向的边坡上的植被和地貌条件进行了比较。在全年中南面朝向的边坡在每天承受了更多的太阳辐射。这导致了更高的蒸发率, 使得土壤很干燥, 这不利于植被的生长。因此, 南面朝向边坡的特点是更裸露的土壤和根基, 更多的地表径流, 更高的腐蚀率以及沉积速率。另一方面, 北面朝向的边坡全面中蒸发更少。因此, 植被更容易生长, 侵蚀也少。

1.3 地质条件

改良的RHRS系统包括数个额外的地质和不连续面参数, 目的是当与边坡和气象因子相较时, 能够更准确的衡量它们。单独考虑三种地质材料:

(1) 沉积岩, 落石主要由作用钻蚀和差异侵蚀控制;

(2) 结晶岩, 落石主要由岩体非均质性和断裂性控制;

(3) 基质块岩 (崩积, 冰碛, 泥石流等) , 落石主要由基质块岩的侵蚀以及随之而来的更大的岩块剥落控制。

边坡不连续面的评估以沉积岩或结晶岩为特点, 而不是基质块岩。具体的评估参数在下面列举出来。

1.3.1 沉积岩:钻取残留程度

沉积岩中的落石主要是因为不同岩性岩石的差异侵蚀和风化。这将导致钻取残留和岩体失稳 (Vandewater et al., 2005;Shakoor, 2005) 。钻取残留总量反映了岩质边坡中岩性变化程度 (Vandewater等, 2005) , 而且很大程度上和边坡潜在落石有关系 (Shakoor, 2005) , 钻取残留程度是改良后的RHRS参数之一, 它有特定的数值标准, 以减少主观性。

1.3.2 结晶岩:震动熟化

通常, 沉积岩单元中的钻取涉及较弱的页岩, 层间是更坚固的砂岩或石灰岩。由于这个原因, 改良的RHRS系统推荐将熟化耐久性作为落石影响因素之一 (Senior, 1999;Shakoor, 2005) 。考虑到在野外熟化耐久性不易测量, 可以采用30 min简单的震动熟化实验, 实验结果和页岩熟化耐久性指数有相关关系 (Santi, 2006) 。这些结论提供了一个直接测量边坡材料风化和腐蚀差异性的方法。图5说明了在震动熟化实验中材料的不同反映以及相应的等级。

1.3.3 沉积岩:互层度

在田纳西州进行了统计分析, 以确定哪些地质因素是导致落石最主要的因素 (Vandewater等, 2005) 。据发现落石的严重性和落石形式很大程度上取决于岩质边坡岩性变化程度和岩层厚度 (Vandewater等, 2005) 。由于这些原因互层度被涵盖在改良的RHRS系统中。考虑的主要特性是岩质边坡软弱夹层的数量及相应的厚度。

1.3.4 结晶岩:岩石特性

结晶岩中的岩崩很大程度上由完整岩体的均匀性控制。第一个因素为岩石特性, 涉及到科罗拉多变质岩/火成岩的具体特性。考虑到岩性变化是导致沉积岩岩崩的主要因素 (Vandewater et fal., 2005) , 相似的特性也会发生在结晶岩中。从最高到最低的评级如下:

(1) “均匀的/块状的”指的是在岩体中矿物组成或岩性变化极小 (也就是几乎没有软弱结构面) 。

(2) “小断层/纹路较强”这一点不需要加以说明, 但是应该指出的是分类中的这种纹路只给岩体强度带来了极小的损失 (也就是它们并非主要的软弱面, 但存在于结晶未风化的岩体中) 。

(3) “片岩/剪碎带<15 cm”指的是岩体中的可能导致岩体不稳定的片理或者构造区域。微小剪切区域很显然会削落岩体, 为物理化学风化创造条件。

(4) “软弱结晶花岗岩/云母/剪碎带>15 cm”根据科罗拉多公路以前的事故判断, 这些区域似乎是控制岩体大范围不稳定以及岩崩的主要因素。例如, 2005年的金州滑坡导致公路关闭数月之久, 就属于此类原因所致。

1.3.5 结晶岩:悬垂度

不同的侵蚀性也能像软弱片岩或风化的剪碎带一样导致结晶岩的底部剪切破坏。边坡上频繁的岩崩同样可能导致悬垂度特征的改变以及不稳定条件。因此, 在改良的RHRS系统中把悬垂度作为评估结晶岩的因素。

1.3.6 结晶岩:风化等级

和沉积岩相似, 风化等级在结晶岩中同样被认为是导致潜在岩崩的主要因素。把它作为一个参数标准来反映结晶岩典型的风化程度。需要注意的是这个是用来考虑完整岩体的风化程度的, 而不是不连续面的风化等级, 后者在另一个分类中将加以考虑。

1.3.7 不连续面:岩块尺寸/体积

不连续面的数量、尺寸很大程度上控制了岩崩发生的类型, 规模以及频率 (Vandewater et al., 2005;Senior, 1999;Maerz et al., 2005;Romana, 1988;Nichol and Watters, 1983;Mazzoccola and Hudson, 1996) 。由于岩块大小很大程度上是由这个特性所控制, 岩块尺寸为不连续面间距提供了可参考的信息 (Brown, 1981) 。岩崩可以由单个岩块和大量同材质不同大小的岩块崩落来定性。为了预防事故应当制定准确的分类, 即通过分类可以准确判断其在某地似乎发生频率最高或者发生的可能性最大。可以从路面维护记录或者通过对岩质边坡的观察获得这些信息 (也就是多个潜在的不稳定的岩块VS一个或二个) (Pierson and Van Vickle, 1993) 。需要指出的是落石的体积也应包括在这个评估之内, 最好能够测量较小的岩块或者在岩石下落时单个岩块所产生的碎片。希望整个RHRS系统能够用来评估单个岩崩事件以及规模不大的岩崩事件。

危岩落石 篇4

关键词：分类,构件,设计

SNS边坡柔性防护系统是以钢丝绳网为主要特征构件, 以覆盖和拦截两种基本形势来防护斜坡上危岩和崩坍落石地质灾害的柔性安全防护系统技术和产品。其设计使用寿命约30年, 近年来在铁路、公路边坡防护工程中应用较广。SNS系统按其结构形式、防护功能和作用方式的不同分为主动和被动系统, 本文主要介绍主动防护系统。

1 SNS主动系统分类

SNS主动系统主要由钢丝绳锚杆、支撑绳和钢丝绳网等构成的坡面覆盖系统。按其作用方式分为坡面加固系统和坡面围护系统。 (1) 坡面加固系统是通过锚杆的安装方式和对系统的预张拉, 使柔性网系统尽可能紧贴地面并以一定的法向力作用到坡面上, 对坡面起一定的加固作用, 从而尽可能地阻止坡面崩坍落石、风化剥落以及浅层溜坍、塌落的发生, 因此亦称为SNS主动加固网。 (2) 坡面围护系统通过边沿锚固方式自然覆盖于坡面的柔性网系统, 与坡面间形成一个封闭的空间, 从而限制坡面塌落岩土体的运动范围, 因此亦可称为SNS围护网。各类主动系统的基本构成和防护功能如表1所示。

2 SNS主动系统构件

SNS系统由钢丝绳锚杆、钢丝绳网、支撑线、缝合绳、栅格组成。

钢丝绳锚杆:将单根钢丝绳从中点处弯折, 在弯折处嵌入鸡心环并用绳卡固定的SNS系统专用柔性锚杆, 宜选择双股ф16钢丝绳制作。

钢丝绳网:用钢丝绳编制并在交叉结点处用专用“十”字卡扣固定的成品网, 为SNS系统的主要特征构件。“十”字卡扣为钢质, 其厚度不小于2 mm, 并经电镀锌处理, 镀锌厚度不小于8μm。钢丝绳头采用铝质接头套管连接, 接头套管长度不小于5 cm, 外径不大于3 cm, 壁厚不小于3 mm。钢丝绳网的编制应满足: (1) 编制成网的钢丝绳不得有断丝、脱丝现象; (2) 交叉结点处均用“十”字卡扣固定, 接头处均用铝质接头套管闭合压接, 不得遗漏; (3) 编网时“十”字卡扣和接头套管均由机械压接, 表面不得有破裂和明显损伤; (4) 网的形状平整, 网绳不得有打结和明显扭曲现象; (5) 钢丝绳交叉结点处的抗错动强度不得不小6.5 k N; (6) 钢丝绳交叉结点处的抗脱落强度不得小于14.5 k N。钢丝绳网的规格型号为图1所示。

网块规格以边长表示有2×2 m、4×4 m、4×2 m、5×6 m、5×5 m、5×4 m、5×3 m等规格的矩形、直角三角形 (T) (矩形网块对角平分而成, 规格指直角边长) 和斜角菱形 (α°) (矩形网块的对边平行错动而成, 规格指边长) 网块。网孔规格以其菱形边长表示有300 mm、250 mm、200 mm、150 mm、120 mm、100 mm等规格。

支撑绳:实现钢丝绳网按设计形式铺挂、对钢丝绳网起支撑作用的钢丝绳。

缝合绳:将钢丝绳网与支撑绳缝合联结的钢丝绳, 一般采用直径为φ8的钢丝绳。

栅格:当需固定或拦截小块落石时, 在钢丝绳网下或内侧铺挂的一层铁丝格栅。采用直径为2.2 mm的热镀锌铁丝编制, 网孔为50×50 mm。

3 SNS系统设计

3.1 设计资料准备

收集或测绘防护区域1∶500~1∶2000比例尺的地形图、10~50 m间隔1∶200比例尺的横断面图。坡面覆盖层岩土特征, 地面植被覆盖及地下水状况。调查危石的位置、几何特征及分布。分析落石可能出现的形态及运动方式。调查历史落石情况。

3.2 防护类型的确定

根据现场条件, 选择防护类型:

(1) 崩塌落石区坡面顺坡长度小于15 m, 或顺坡长度不小于30 m且落石动能大于500 k J时, 可采用SNS主动系统防护。

(2) 坡面危石分布较多且体积较大或有岩堆分布时, 可采用SNS主动系统防护, 也可采用SNS被动系统防护。

(3) 坡面危、孤石分散且难于清理和分别治理时, 可采用SNS被动系统防护。

3.3 SNS主动系统设计

SNS主动系统根据坡面危石的特点可分为GAR1、GPS1、GAR2和GPS2四类, GPS1和GPS2是在GAR1和GAR2的基础上, 加了一层铁丝栅格。

3.3.1 GAR1和GPS1型防护系统设计

只在防护区域边缘锚固, 锚杆间距和支撑绳布置方式、挂网方式视施工条件分为两种形式:

形式1:锚杆间距4.5 m或局部2.5 m, 在边缘锚杆之间设置纵横支撑绳, 形成4.5×4.5 m或4.5×2.5 m的挂网单元, 每个挂网单元配置4×4 m或4×2 m的网块一张。

形式2:锚杆间距2~4 m, 在边缘锚杆之间设置边沿支撑绳, 用4×4 m或局部4×2 m的钢丝绳网连续铺挂。

3.3.2 GAR2和GPS2型防护系统设计

在整个防护区域内设置系统锚固, 锚杆纵横间距4.5 m或局部2.5 m, 穿过每排或每列锚杆设置预张拉纵横支撑绳, 形成4.5×4.5 m或4.5×2.5 m的挂网单元, 每个挂网单元内配置4×4 m或4×2 m的网块一张。为确保系统紧贴坡面, 除锚杆所在位置本身低凹外, 每个锚杆孔口应设置一深20 cm、口径20 cm的锥形或柱形坑, 使锚杆安装后其外露环套不高出地面。

3.3.3 SNS主动系统构件设计要求

防护区域上边沿锚杆设计抗拔力80 k N, 其余锚杆设计抗拔力不小于50 k N。锚固长度根据计算确定, 且不小于2 m。

钢丝绳网采用的规格为:DO/08/300, 宜选用4×4 m网块, 需要时可在边缘处采用其他规格的网块。一般采用单层钢丝绳网铺挂, 在局部有大体积危石或岩堆时, 可考虑采用双层钢丝绳网的加强型主动防护, 此时的锚杆抗拔力设计值要求提高30%。

横向支撑绳宜采用φ16钢丝绳, 纵向支撑绳宜采用φ12钢丝绳, 设置双层钢丝绳网的区域纵横支撑绳均宜采用φ16钢丝绳。每根支撑绳的实际长度应在设计长度的基础上两端各增加1 m作为与锚杆固定连接的预留长度。当支撑绳长度为L≤10 m、10 m<L≤30 m、L>30 m时, 每根支撑绳绳两端分别用2个、3个或4个相应型号的绳卡固定。

每张钢丝绳网宜用一根缝合绳缝合, 其长度按能实现网与周边支撑绳两端各用2个φ8绳卡固定。

铁丝格栅应满铺于钢丝绳网之下, 格栅网块之间应有5 cm的的搭接, 并用φ1.2铁丝绑扎, 绑扎间距不得大于1 m。

4 结语

SNS边坡柔性主动防护系统已广泛用于铁路、公路及水利水电等行业的边坡危岩和崩坍落石地质灾害整治工程中, 大面积的施工经验证明, SNS边坡柔性主动防护系统具有设备简单、施工方便、节省材料、经济易行、效果明显等特点, 对危岩和崩坍落石地质灾害进行了有效整治。

参考文献

[1]中华人民共和国铁道部.TB/T3089-2004铁路沿线斜坡柔性安全防护网[S].北京:中国铁道出版社, 2004.

[2]胡厚田.崩塌与落石[M].中国铁道出版社, 1989.

[3]贺咏梅, 阳友奎.崩塌落石SNS柔性防护系统的设计选型与布置[J].公路, 2001 (11) .