危巖防治技術研究-張晉偉

1、危巖防治技術研究張晉偉招商局重慶交通科研設計院有限公司 400067 摘要對危巖危險性評價的研究，其最終目的是對具有崩塌、落石災害風險的危巖進行防治，以消除或降低危巖對人員生命及財產(chǎn)的威脅，達到防災減災的目的。1概述自然界是一個復雜的系統(tǒng)，即含穩(wěn)定成分也含不穩(wěn)定成分，隨著時間的推移穩(wěn)定的成分變成不穩(wěn)定成分，順應性和協(xié)調(diào)性是工程防治的原則，其實質(zhì)是充分利用自然界自身的穩(wěn)定條件，改造不穩(wěn)定部分，使邊坡長期處于穩(wěn)定狀態(tài)。如果邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，則需要采用適宜的方法，提高巖土體的抗剪強度，增強邊坡體的安全系數(shù)。 危巖防治的防治措施歸納起來可分為防止危巖崩塌的主動防治、避免危巖造成危害的被動防護措施和災

2、害預警措施。2危巖防治基本原則危巖體的防治是一個系統(tǒng)性工程，在各因素特點深入分析及防治方案對比研究的基礎上，確立危巖體的防治對策。危巖防治的目的不一定防止危巖的發(fā)生，而是要防治其帶來的災害。一般來說危巖體的防治方案的選擇應遵循幾個基本原則2,3。1、預防為主的原則：隨著人類科技進步和對危巖認識的不斷深入，在危巖治理方面有了越來越大的自主能力，采取有效的預防措施，是減少災害損失的最有效的途徑。 危巖預警系統(tǒng)是國際上災害預報的研究方向，是切實加強生態(tài)環(huán)境保護和建設的需要，也是地質(zhì)災害領域的重要課題。2、全面規(guī)劃與重點防治相結(jié)合的原則：危巖發(fā)生的鏈式機理，決定了危巖防治的長期性。我國國土70%是丘陵

3、，決定了我國危巖發(fā)育的廣泛性。在危巖防治中應該把危巖整治當成一個系統(tǒng)工程考慮，從宏觀和微觀上綜合考慮：宏觀上確定危巖群體的綜合防治措施；微觀上針對單個、重點危巖體選擇具體的防治方案。 3、保護環(huán)境的原則：在防治方案的選擇上，在確保危巖防治安全性的前提下應該盡量使防治工程與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)，減少落石對周圍植被和自然環(huán)境的破壞；同時合理運用保持環(huán)境的防治措施，如：主、被動防護網(wǎng)，防護林等。4、防治工程最優(yōu)化原則：由于危巖的防治工程一般投資巨大，危巖崩塌影響因素多，所以無論哪種防治工程都需要最優(yōu)化的原則。那么最優(yōu)化的核心就是實現(xiàn)科學性、可操作性與最小風險性、最大效益性的有機結(jié)合。5、綜合防治的原則：由

4、于危巖防治工程的復雜性，單一的防治方法往往不能取得理想的防治效果，因此需要采取多種防治措施聯(lián)合防治，以降低和消除危巖的災害性。對于危巖的防治，其最終目的是保證危巖災害體不威脅到危巖下方人員的生命和財產(chǎn)安全，但由于現(xiàn)階段對危巖的勘測和考察技術條件的限制，對各種影響因素不能考慮完全，為了保證防治的安全性，需要在設計防治方案時盡量做到主動與被動防護相結(jié)合。3危巖防治方法迄今為止，國內(nèi)外危巖防治技術主要分為：主動加固防治、被動防護和災害預警措施。主動加固防治的技術包括支撐、錨固、SNS主動防護系統(tǒng)、封填與嵌補、灌漿、排水及清除等。被動防護的技術包括攔石墻、攔石柵欄、落石平臺、落石槽、遮擋(明洞或棚洞)

5、、SNS被動防護系統(tǒng)以及森林防護技術等。下面對幾種主要的防治工程進行介紹。3.1 主動防治技術主動防治技術是指對危巖單體進行工程結(jié)構(gòu)防治，以避免其發(fā)生失穩(wěn)造成災害的技術類型，其包括支撐、錨固、封填、灌漿、SNS主動防護網(wǎng)法、排水及清除等方法。支撐技術2，4（圖1）主要是指對懸于上、以拉斷墜落的懸臂狀或拱橋狀等危巖部分采用立柱或支撐墻支撐，維持危巖穩(wěn)定的防治方法。該方法主要對于墜落式危巖中危巖體下部具有一定范圍凹陷的巖腔，以及巖腔底部為承載力較高且穩(wěn)定性好的中風化基巖，且危巖體重心位于巖腔中心線內(nèi)側(cè)時，宜采用支撐技術進行危巖處理；對傾倒式危巖和基座具有巖腔的滑塌式危巖在保證抗傾性能的條件下也能采

6、用?；轿r需要使用支撐技術時應將支撐體底部削成內(nèi)傾斜坡或臺階。圖1 支撐技術示意圖Fig. 1 The sketch of the supporting technology錨固技術錨固法4是指采用普通（或預應力）錨桿、錨索、錨釘進行危巖治理的一種應用較廣泛的方法，包括預應力錨桿、非預應力錨桿、自轉(zhuǎn)式預應力錨桿及預應力錨索。錨桿不僅可以提高滑動面的抗滑力，而且錨桿自身也提供了部分抗剪力。對于規(guī)模較大、裂隙較寬的傾倒式危巖宜采用預應力錨索錨固，使結(jié)構(gòu)面壓緊，增強整體穩(wěn)定性。對于完整性較差的危巖體宜采用豎梁格構(gòu)錨桿錨固，錨桿一般采用動態(tài)設計，按照信息法施工。SNS主動防護網(wǎng)技術SNS主動防護網(wǎng)

7、法2，4（圖2）是采用錨桿和支撐繩固定方式將鋼絲繩網(wǎng)和鋼絲網(wǎng)覆蓋在具有潛在地質(zhì)災害的坡面上，從而實現(xiàn)坡面加固或限制落石運動范圍的一種邊坡柔性防護系統(tǒng)。這種主要適用于墜落式危巖和傾倒式危巖，通過柔性防護網(wǎng)的嵌鎖作用維持危巖體的穩(wěn)定。此類防護法主要是危巖高度相對不高、危巖體體積較小、巖體較破碎的地段。施工中其錨桿孔深需要達到設計要求， SNS主動防護系統(tǒng)的鋼絲繩錨桿在確保向下傾斜的角度不應小于15º的基礎上，宜與所在位置坡面垂直；地腳螺栓錨桿應與基座面垂直，偏斜誤差不宜大于3º。主動防護網(wǎng)因其施工方法簡單，防護效果好，與其他防治方法相結(jié)合廣泛應用在危巖防治中。 圖2 SNS主動

8、防護網(wǎng)Fig.2 The SNS active defense network封填及嵌補技術封填和嵌補2，4（圖3）是主動防護中運用比較普遍，施工較為簡單的防治方法。當危巖體頂部存在大量較顯著的裂縫或危巖體底部出現(xiàn)比較明顯的凹腔等缺陷時，宜采用封填技術的進行防治。頂部裂縫封填封閉的目的是減少地表水滲入危巖體的主控結(jié)構(gòu)面。底部凹陷封填的目的在于顯著地減慢危巖體基座巖土體的快速風化，封填材料可以用低標號高抗?jié)B性的砂漿、細石混凝土；對于采用立柱支撐、拱撐、墩撐等技術治理的危巖體，支撐體之間的基座壁面也應進行嵌補封閉，封閉層厚度宜3040cm；危巖體頂部裂縫封填時，若裂縫寬度在2cm以上時應采用具有一

9、定強度的砂漿和細混凝土使其滲透至裂縫內(nèi)進行固化；若頂部表面裂縫寬度小且廣泛發(fā)育時宜用細石混凝土或粘土全面澆筑，厚度不小于2030cm.圖3：封填、嵌補示意圖Fig.3 The sketch of reclamation closure and embedded meeting灌漿技術危巖體中破裂面較多，巖體比較破碎時，為了確保危巖體的整體性，宜進行有壓灌漿處理。灌漿技術8應在危巖體中上部鉆設灌漿孔，灌漿孔宜陡斜，并在裂縫前后一定寬度（一般3.05.0m）內(nèi)按照梅花樁型布設，灌漿孔應盡可能穿越較多的巖體裂隙面尤其是主控結(jié)構(gòu)面：灌漿材料應具有一定的流動性、錨固力。灌漿孔傾角10°90&#

10、176;，孔徑60110mm，灌漿壓力50lOOkPa即可，灌漿材料中加入適量的緩凝劑。通過灌漿處理的危巖體不僅整體性得到提高，而且也使主控結(jié)構(gòu)面的力學強度參數(shù)得以提高、裂隙水壓力減少。灌漿技術宜與其他技術聯(lián)合使用。排水技術在危巖體及周圍地帶，應修建地面排水系統(tǒng)和堵塞裂隙孔洞，以防止過量地表水進入危巖裂隙，減少崩塌機會。排水方法8包括危巖體周圍的地表截、排水和危巖體內(nèi)部排水。滑塌式危巖和傾倒式危巖的穩(wěn)定性主要受控于裂隙水壓力。地表截、排水溝應根據(jù)危巖體周圍的地表匯流面積進行確定，通常采用地表明溝或排水溝，斷面尺寸由地表匯流面積計算確定，由漿砌塊石或漿砌條石構(gòu)成，底部地基為填土體時壓實度不小于8

11、5，也可在危巖體側(cè)部穩(wěn)定巖體內(nèi)鑿槽作排水溝；危巖體中地下水較豐富時，宜在危巖體中下部適當位置鉆設排水孔，排水孔以較大范圍穿越滲透結(jié)構(gòu)面為宜。護坡、削坡對于破碎巖體常用噴射混凝土加固，增加整體穩(wěn)定性，防治巖體繼續(xù)沖刷或風化。削坡減載3是指對于對危巖體上部削坡，降低臨空面高度，減小斜坡坡度和上部荷載，增加危巖體的穩(wěn)定性，從而降低危巖的危險程度和減少其他防護工程數(shù)量。削坡減載的費用比錨固和灌漿小的多，但有時會對斜坡下方的建筑物造成一定損害，同時也破壞了自然景觀,所以設計、施工人員應謹慎采用。3.2 被動防護技術對可能失穩(wěn)的危巖單體或群體進行工程結(jié)構(gòu)防治避免造成災害的技術類型定義為被動防護方法，包括攔

12、石墻（堤）、攔石柵欄、遮擋防護、SNS被動防護網(wǎng)和防護林防護等方法，下面介紹幾種常用的防護方法。 攔石墻攔石墻是危巖主要的被動防護技術之一。通常布設在陡崖或陡坡腳前適當部位。陡崖或山坡上危巖數(shù)量多，存在勘察遺漏或治理難度較大時，以及對危害對象（居民、建筑物、道路、廠礦企業(yè)等）存在威脅的地段，當自然山坡坡腳小于25°35°并存在一定寬度的地表平臺時，宜設置攔石墻。攔石柵攔當陡崖或斜坡下部坡度大于35°且缺乏一定寬度的平臺而不具備修筑攔石墻時，可采用攔石柵欄。攔石柵欄由舊鋼軌作立柱，舊鋼軌或角鋼、型鋼作橫梁相互焊接，嵌于基礎之上的輕型結(jié)構(gòu)。其基礎嵌入混凝土或構(gòu)筑物中，

13、且具有良好的防沖擊強度和耐久性。但是隨著SNS被動防護網(wǎng)技術的推廣和應用，該方法將逐漸被替代。遮擋防護為了防止小型崩塌對鐵路等工程設施的損壞，可修建明洞、棚洞等對工程設施進行保護。該方法主要應用明洞、棚洞（圖4）在線路上方作遮擋防護，因其頂蓋有足夠抗沖擊力的鋼筋混凝土頂蓋，其上還鋪有厚層碎石土并種草植灌木，加之土坡傾向線路之外，因此是防護線路不受落石沖擊的有力措施。但是，該技術施工工藝復雜，工程造價高是其缺點。該方法適宜于地質(zhì)條件復雜、邊坡高陡、且常有崩塌落石發(fā)生地段的危巖體防治，當采用隧道、改線、主動治理或其它被動防護措施有困難時，遮擋技術不失為一種理想而有效的防治措施。圖4 棚洞防護Fig

14、.4 Shelf-protectionSNS被動防護網(wǎng)SNS被動防護系統(tǒng)（圖5）是目前應用非常廣泛的被動防治技術，它是一種能攔截和堆存落石的柔性攔石網(wǎng)，顯著特點是系統(tǒng)的柔性和強度足以吸收和分散所受的落石沖擊動能并使系統(tǒng)受到的損失趨于最小，改變傳統(tǒng)系統(tǒng)的剛性結(jié)構(gòu)為高強度柔性結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)由鋼絲網(wǎng)（和鐵絲格柵），固定系統(tǒng)（拉錨、基座、支撐繩），減壓環(huán)、鋼柱4個主要部分組成。圖5 SNS被動防護網(wǎng)Fig.5 The passive defense network防護林防治當陡崖或山坡腳部不存在平臺或危巖威脅不太嚴重時，可以通過植樹造林防治危巖。森林防護危巖的根本出發(fā)點在于增大地表下墊面的粗糙度，減緩落

15、石體在林中的運動速度：森林類型應為喬木，盡可能構(gòu)建喬灌草相結(jié)合的生態(tài)系統(tǒng)。喬木成林后可用建筑紐扣將鋼繩固定在樹木主干上，將森林防護系統(tǒng)構(gòu)成整體，提高防護有效性。3.3 危巖聯(lián)合防治法危巖防治是個復雜的工程，甚至某些危險性高的單獨危巖靠單一的方法也不能取得滿意的防治效果一個具體的危巖帶包括數(shù)個乃至數(shù)百個危巖單體。由于我國危巖勘察水平不高，以及地形、地貌的限制，可能存在危巖單體邊界不太明確的問題，尤其在危巖單體之間可能存在漏勘現(xiàn)象；對于一個具體的危巖單體，很多具有多種危巖類型共生的復合特征。因此，在危巖防治工程中，存在主動被動聯(lián)合防治的問題。主動被動聯(lián)合防治方法主要包括錨固攔擋聯(lián)合方法和錨固支撐聯(lián)

16、合方法兩類。錨固攔擋聯(lián)合方法錨固攔擋聯(lián)合方法主要是對一個危巖帶防治工程而言，體現(xiàn)了危巖治理與攔擋相結(jié)合的理念。將危巖單體的錨固防治和危巖單體之間沒有勘察到可能發(fā)生崩塌、落石災害的危巖防治共同考慮，這樣可以彌補目前因危巖勘察精度不高而造成的風險。將危巖單體和攔擋結(jié)構(gòu)之間的區(qū)域界定為地質(zhì)災害危險區(qū)，適宜植樹造林，盡量減少人類工程活動對危巖體的干擾。攔擋結(jié)構(gòu)可以采用攔石強、攔石網(wǎng)或網(wǎng)狀森林防護。 錨固支撐聯(lián)合方法錨固支撐聯(lián)合方法主要針對復合型危巖體，當采用單一防治技術效果較差時，可采用本方法。錨固支撐聯(lián)合方法尤其適用于同時具有滑塌式和傾倒式類型的危巖體。防治設計過程中，應將錨固力和支撐力聯(lián)合考慮，使

17、二者達到有機組合；當支撐體在危巖下滑力作用下存在滑移失穩(wěn)時，為了確保支撐體的穩(wěn)定性應在支撐體和危巖上布設錨桿。對于僅采用支撐方法便能基本達到有效防治目的的墜落式危巖或傾倒式危巖，為了提高危巖治理的效果，可在危巖體上布設一定數(shù)量的錨桿，作為安全儲備，防止其在隨機荷載作用下失穩(wěn)。5.4工程實例大岐棚洞位于阿壩州汶川縣大岐村，該處邊坡高陡，多裂隙，褶皺發(fā)育，地質(zhì)條件復雜，危巖塊體巨大，1m32 m3危巖塊體分布較多，常有危巖崩塌現(xiàn)象。317國道汶川到馬爾康路段恰好通過本路段，采用棚洞有效的避免崩塌落石帶來的危害。本文以汶川至馬爾康K35+190處危巖體為例，利用RocFall軟件模擬危巖下落路徑，通

18、過分析危巖回彈高度、下落速度和下落能量的關系，為危巖的防治設計提供依據(jù)。通過現(xiàn)場勘測大岐天然邊坡如圖6所示。在RocFall軟件中，巖質(zhì)邊坡回彈系數(shù)Rn=0.35和Rt =0.85，回填土和土石回填的回彈系數(shù)Rn=0.1和Rt=0.2，模擬結(jié)果如圖7所示。通過模擬可以看出崩塌的危巖體有部分落在國道的左側(cè)如圖8。在模擬中采用6000Kg的危巖體從邊坡頂端崩塌，通過統(tǒng)計分析，當危巖下落到國道位置時，巖體速度為19.09m/s,總能量為2430KJ,如此大的速度和能量對道路的交通安全帶來極大的危害。如何有效的防治大岐危巖成為解決問題的關鍵。由于邊坡高陡塊體大，危巖崩塌后能量大，回彈高度大，可以采用主

19、-被動聯(lián)合防治技術：部分欠穩(wěn)定危巖采用清除技術，再利用SNS主動防護網(wǎng)和錨固技術進行危巖主動防治。該處天然邊坡坡面無植被，危巖塊體巨大，在危巖防治措施中棚洞承受攔截撞擊能最大，又不受危巖回彈高度的約束，所以選擇棚洞進行大岐危巖的防護是非常理想的措施。當采用棚洞進行危巖的防護后，再利用RocFall軟件進行危巖崩塌評價，從模擬結(jié)果看，危巖崩塌后墜落到棚洞位置總能量由2430KJ降到1020KJ，速度由19.09m/s降到17.5m/s。計算中危巖與棚洞撞擊時間取0.2s，假定危巖和棚洞的碰撞為垂直碰撞。危巖的機械能： （1）危巖的動量： （2）式中：表示危巖產(chǎn)生的沖擊力；表示危巖質(zhì)量；表示危巖下落速度；表示危巖撞擊棚洞的時間；由式（1）和式（2）計算得=553.2KN。棚洞蓋板采用C30混凝土，尺寸B=1m,L=2m，配筋上部采用512，下部采用1022。當棚洞蓋板采用不同的厚度時設計強