落石引导系统在大明山公路岩质边坡防护中的应用探讨

梁敬琳　庞春燕　官少龙

摘要：文章以国家级自然保护区大明山公路改造工程岩质边坡防护工程为例，采用无人机航拍三维实景建模勘查新技术，精确得到边坡岩体结构面产状、节理及构造裂隙分布规律及范围等内容，并对潜在落石进行运动模拟，获取落石的冲击能量、运动轨迹、弹跳高度等理论数据，结合现有边坡工程防护技术，考虑安全性、适用性和经济性，确定采用落石引导系统防护技术方案。工程实践证明，该防护设计方案是科学的、合理的，也是经济的。该防护方案为广西公路首次应用，可为今后类似工程提供借鉴。

关键词：顺层岩质边坡;三维实景建模;落石模拟计算;落石引导系统

0 引言

公路工程建设过程中，岩质边坡多采用爆破或机械破碎后开挖，由于施工工艺的局限性，顺层边坡、反倾结构面、构造裂隙发育等地质条件[1]，放坡后的岩质边坡节理较为发育，岩体破碎，局部形成危岩体，极易产生崩塌危害[2-3]。多数山区公路建设由于防护意识不到位、建设资金局限性、技术不成熟等因素，公路中的岩质边坡未作防护工程设计，存在崩塌落石隐患，对公路安全运营造成重大危害。对于山区公路边坡防护，致力于寻求有效且生态的技术，使得公路成为既稳定又与周边的自然环境和谐共存的工程。

大明山保护区三宝至天坪公路建设形成大量裸露深路堑岩质边坡，多以顺层结构为主，涉及景区公路行车、游客生命财产安全性保证以及国家级自然保护区生态保护、水土保持等重大问题，工程防护措施要求较高。文章深入分析该工程所采用的落石引导系统新型防护技术，为类似工程提供参考意义，具有一定理论和实践意义。

1 工程背景

大明山国家级自然保护区地处广西中部偏南，横跨南宁市武鸣、上林、马山三县区。大明山保护区三宝至天坪公路为保护区上山公路的上半部分，路線北起于三宝附近，向东南途经观雪亭、龙亭、云龙佛光，然后转向东，终点止于明山龙腾宾馆附近，全程约7.26 km，沿线共计40余处岩质路堑边坡，为典型危岩崩塌、危岩路段。

（1）地形地貌：项目区内地貌类型为低中山地貌，地形受构造控制，形成弧形背斜山脉，山体坡度在30°～40°之间，局部超过60°，甚至形成陡壁，最大边坡高程差达40余m，表层为薄层土层覆盖，植被发育，地形复杂，地貌类型简单。

（2）地质构造：项目区无区域断层构造，但构造裂隙较发育，共发现41条构造裂隙F1～F41，大部分为张节理及卸荷裂隙，走向70°～90°近垂向，节理较发育，顺坡向陡倾角节理较发育，在岩层面及风化等裂隙组合下，将岩体切割成大小不一的破碎岩块，形成边坡岩体主控卸荷裂隙面，对边坡稳定性起到决定作用。

（3）水文地质：项目区地下水类型为松散岩类孔隙水和碎屑岩类裂隙水，富水性等级为贫乏-中等，对工程建设影响较小。但在强降雨时，雨水在沿岩体裂隙下渗的过程中，对裂隙可以起到润滑作用，降低结构面的力学强度，从而降低了边坡的稳定性。

（4）气象条件：项目区年平均气温为15.1 ℃，极端最高温为28.6 ℃，极端最低温为-6 ℃，偶有霜雪，存在冻融病害。大明山是广西的暴雨中心之一，降水性质多以暴雨形式出现，日最大降雨量为247.2 mm。

综上所述，不同边坡段的陡立地形条件，构造裂隙、卸荷裂隙发育，持续性的碎屑岩类裂隙水渗流、冻胀及丰富的降雨量冲刷等工程不利地质环境，存在发生崩塌落石的可能，多处存在危岩隐患，造成边坡防护设计较多差异性。

2 工程防护原则与思路

2.1 防护原则

（1）安全性：由于坡脚为景区公路，防护工程必须保证边坡稳定，消除或稳固坡面松动的岩块，保证坡脚建（构）筑物和人员安全。

（2）适用性：防护工程必须与边坡情况相适应，即具有良好的地形适应性，同时兼顾边坡绿化等因素。边坡防护措施应尽可能不破坏坡顶原有地形地貌，处理后坡面视觉效果好，并且不影响后期自然或人工绿化植被的生长。

（3）经济性：边坡面积大，地形复杂，应充分结合边坡自身的稳定性来布置边坡的防护工程量。防护工程应具有足够的工作寿命，在使用年限内尽量做到无须维护或维护工作量尽量小，并且在达到同等防护效果的前提下尽量节约治理资金，使工程的经济性得到体现。

2.2 防护思路

（1）设计前应对岩石边坡的结构面调查清楚，了解主要结构面的位置，工程地质岩层详细情况，精准正确评定其稳定性，预测对周围环境产生的不良作用，为设计提供参考依据，以主动防护为主，工程引入了无人机三维实景建模辅助手段，做到厘米级精确勘查。

（2）设计要因地制宜，以保护生态环境优先，严格控制在用地红线，尽量不采用破坏环境的设计。

（3）建筑等硬质景观的布局上顺应山势，不宜大挖大填。平整场地时，尽量使周边建筑物不受到破坏。对找平时出现的新边坡，应尽快做好防护工作。

（4）疏水设计。水的作用是滑坡发生的重要诱因，既要做好地下水疏导，也要做好表面排水，与各方面条件相联系，建设完善的排水系统。

3 K25+610～K25+760左侧边坡防护

3.1 边坡稳定性分析

对该段边坡采用无人机航拍三维实景建模，准确获取危岩体积、岩层产状及构造裂隙等相关信息，如图1所示。

该地层岩性主要为泥质粉砂岩，砂岩，岩层产状205°∠8°，中厚层构造，边坡体节理裂隙发育，以卸荷及风化裂隙为主，裂隙交汇切割贯通，岩体呈镶嵌碎裂结构，边坡岩体类型为Ⅲ类，存在构造裂隙F22，F23，F24。如图2所示进行赤平投影分析，结果显示边坡整体基本稳定，坡面局部存在崩塌隐患。

3.2 落石特性模拟分析

选取K25+685断面进行模拟落石分析，模拟所选取的落石属性为：体积[WTB1X]V[HTXH]=2.5 m 3;比重[WTBX]γ[HTXH]=2 650 N/m 3;在斜面顶部的下落，水平初速度和竖向初速度均为0 m/s。

如图3所示，90%以上落石存在入侵线路的可能，落点以路肩位置可能性最大。

通过落石分析软件计算结果可知，落石运动至公路附近时弹跳高度为1～7 m，冲击能量为100～1 300 kJ，冲击速度为3～20 m/s。详见图4～6。

3.3 防护方案论证分析

岩质边坡防治技术可分为刚性防护技术（如锚喷、拦石坝）和柔性防护技术（如斜坡稳定系统、落石拦截系统、落石引导系统）[4]。

该项目系列岩质边坡防护采用常规刚性防护技术存在几点问题：（1）边坡陡峭，支挡或者刷坡无施工空间;（2）护坡工程量大、作业风险高，造价高;（3）项目所处国家级自然保护区内，防护工程应与环境相协调。从安全性、适用性和经济性角度考虑，采用柔性防护技术相对而言更为科学合理。

柔性防护技术国内常用的有斜坡稳定系统、落石拦截系统，《铁路沿线安全防护网》（GB/T 3089）称为主动防护网和被动防护网[5]。

由于坡面结构较为破碎，表层自稳性能相对较差，岩体风化程度较为严重，采用常规主动防护网风险较大，日积月累易出现“鼓肚子”现象，清理困难，可能会造成二次危害。另外，高陡邊坡采用被动防护网没有安装位置，且影响景区美观协调性等。

综合考虑安全性、适用性和经济性，经充分调研和论证采用落石引导系统，也即覆盖式帘式防护网结构。

该结构采用锚杆、纵横向拉绳等构件将柔性金属网自然覆盖在需防护的斜坡或危石上，通过柔性网的限制作用，将落石控制在一定范围内运动，引导落石滑落或滚落至落石收集区，从而消除落石危害的防护技术。当前主要应用于铁路段边坡落石防护，效果显著，本项目的实施将成为广西公路首次应用案例。

3.4 设计方案简介

（1）防护能级

根据前文3.2节落石分析得出的落石的最大冲击能量约为1 300 kJ，弹跳高度约为7.0 m，最大冲击速度约为20 m/s，考虑到经济性和安全性，决定选用防护能级1 500 kJ的LF-150型覆盖式帘式网，如图7、图8所示。

（2）防护区域

上端布置到山顶，防止落石越过帘式网外表面崩落，下部覆盖至坡脚处，便于落石堆积的处理及后期维护。防护宽度为150 m，最大高度为25 m，整体面积为2 300 m 2。

（3）其他措施

对于表层岩体风化不均，局部有完整性较好的岩块的边坡施加长为3～6 m的[WTBX][HTXH]32 mm普通螺纹钢锚杆;坡脚碎落平台的边坡段，开挖深度为50 cm的种植槽，回填种植土，按间距30 cm种植保护区本土爬山虎，沿坡面生长覆盖。

4 结语

（1）采用了先进的无人机航拍三维实景建模勘察技术，完整并高精度地快速获取须治理边坡的三维影像，精确得到边坡岩体结构面产状、节理及构造裂隙分布规律及范围等信息。

（2）基于三维实景模型切取断面，利用落石分析软件对落石进行运动模拟，从而准确掌握边坡落石的冲击能量、运动轨迹、弹跳高度、运动速度等，为防护设计提供了精确的理论数据。

（3）经调研和分析，大明山公路岩质边坡20余处采用了国内新型创新产品落石引导系统+绿化防护方案。

参考文献：

[1]郑颖人，陈祖煜.边坡与滑坡工程治理 [M]. 北京：人民交通出版社，2007.

[2]冯 君，周德培，李安洪.顺层岩质边坡开挖稳定性研究 [J]. 岩石力学与工程学报，2005，42（9）： 1 474-1 478.

[3]陈从新，黄平路，卢增木. 岩层倾角影响顺层岩石边坡稳定性的模型试验研究 [J]. 岩土力学，2007，8（3）：476-481，486.

[4]李 念.SNS边坡柔性安全防护系统工程应用[M].成都：西南交通大学出版社，2009.

[5]TB/T3089-2004，铁路边坡沿线斜坡柔性安全防护网[S].