柔性格栅坝在油库危岩应急治理工程中的运用

吕金昕

（四川开放大学，四川 成都 610073）

0 前言

地震作为因地壳振动产生地震波而形成的1种重大自然灾害，在地震后不但会破坏建筑物结构，危及民众生命安全，而且还会诱发火灾、爆炸等严重后果。据相关报道：在2013年发生的“4.20”芦山地震事件中，其震源深度高达13 km，造成经济损失高达1.5亿元，有188人遇难。而在地震后形成的危岩也成为潜在的安全隐患。对此，需要针对地震后危岩应用柔性格栅坝予以修复防治，以此改善芦山地区治理现状。

1 工程概况

“4.20”芦山强烈地震宝兴县城油库后危岩应急治理工程，是专门针对四川芦山地区发生的7级地震开展的修复工作。结合在宝兴县城实施的地质勘测结果可以发现：在该区域内共有19个裂隙发育危岩体，并且存在3块危岩。目前，虽然尚未发生崩塌事故，但是在暴雨等恶劣天气下风险系数较高。同时，在“4.20”强烈地震后，危岩已经出现了失稳的状况，而且已造成12个建筑物受到损坏，有多大290人处于危险环境下，甚至对中国石油油库的安全产生了不利影响。

在该工程实践过程中，当地气候属于亚热带季风气候，年均降雨量可以达到993.7 mm，其中12月份到次年2月份的降雨密度较大。而在治理工程中建设场地属于海拔1200 m的高山地区。在强烈地震后显然地势趋于垂直向。同时，该区域的坡度大体上在50 °左右，地震后造成部分地段坡度有所增加，其中场地范围内大面积种植着乔木等树木，其岩性以花岗岩、灰岩为主[1]。

2 柔性格栅坝的主要类型及其原则

2.1 类型

格栅坝作为具备拦阻、格挡功能的重力坝结构，按照刚力特性可分为刚性格栅坝与柔性格栅坝2种类型。该文主要以“4.20”芦山强烈地震宝兴县城油库后危岩应急治理工程中应用的柔性格栅坝作为重要研究内容。结合柔性格栅坝的特征可将其具体类型归纳为以下3种类别。

2.1.1 标准型

它主要是借助钢柱、钢绳网以及支撑绳等多个结构实现危岩的有效防治，避免危岩体中的碎石块掉落，造成周边环境存在较大的安全隐患。在标准型柔性格栅坝中，可针对细小的颗粒物实施阻截，可促使泥石流以及其他冲击力经过标准型柔性格栅坝的应力分配，削弱荷载力的影响，进而起到防治作用[2]。

2.1.2 简易型

该种柔性格栅坝中不包括钢柱构件，而是直接在狭窄空间内，在沟道两端建立互通关系。此时可按照“V型”予以设置。同时，由于在格栅坝底部很难形成闭环空间，因此可以运用钢绳网进行固定，促使底部也能具有用于拦阻的绳网。在确定支撑绳敷设长度时，可以根据“1.5倍坝高”或者“2倍坝高”的关系式得出支撑绳敷设距离。该种柔性格栅坝操作简单，但是应控制好绳网敷设长度。

2.1.3 复合型

复合型柔性格栅坝是搭配刚性构件设计的1种拦截产品。其中格栅坝的主体部分需要由刚性构件格栅组成，替代以往的钢绳网构件，以此应对更大的冲击力。经由柔性钢绳网联合刚性构件制成的柔性格栅坝，不但能提升格栅坝稳定性，而且还能使其拥有突出的抗冲击性，因此值得在危岩应急治理工程中予以推广，从而提高危岩防护水平。

2.2 原则

在“4.20”芦山强烈地震宝兴县城油库后危岩应急治理工程中，在运用柔性格栅坝实现危岩的有效拦截时，遵循下面2项原则确定具体的运用方案，使柔性格栅坝展现出真正价值。

2.2.1 科学性

在柔性格栅坝实践运用期间，应将其科学地设置在拦挡坝上方，不宜置于危岩失稳区域内，以免影响使用效果。同时，在选择坝高与绳网尺寸时，应该充分结合治理工程应急要求进行设计，包括危岩运动力、碎石冲击力、碎石规格等，这些指标均可成为柔性格栅坝形状设计、尺寸设计的重要参考依据[3]。

2.2.2 完整性

对于柔性格栅坝中应用的钢绳构件也应当借助该工程中危岩潜在的冲击力与破坏力、坍塌速度确定钢绳型号，并要求钢绳具有一定的抗磨损性，避免危岩坍塌后造成钢绳磨损度较大，无法形成有利条件。此外，在治理工程中针对危岩运用柔性格栅坝时，还应从全局视角判断柔性格栅坝是否达到了最佳的防治效果，根据工程项目的治理要求制定完整的运用方案，以避免宝兴县城油库后方的危岩破坏山体的稳定结构。

3 “4.20”芦山强烈地震宝兴县城油库后危岩分布规律

在“4.20”芦山强烈地震宝兴县城油库后危岩应急治理工程中，危岩具备的分布特征主要集中在以下4个区域，在对其运用柔性格栅坝时，可充分结合危岩分布规律设计治理方案，以此有针对性地进行防治，避免危岩发生坍塌事故，引发严重的经济生命损失。

3.1 崩塌Ⅰ区

该区域所分布的危岩主要是在中国石油油库正对的后方位，主要是以高度为150 m左右，坡度达到80 °的边坡岩石体为主。在该边坡上产生的危岩存在裂隙切割构造。若在后期长期施压情况下，极易快速形成150 m×6 m×2 m规格的沟槽，从而破坏边坡完整度。

同时，在崩塌Ⅰ区出现的危岩上下两部分破碎度不同，其中下端破碎度较小，这就造成边坡出现了较高的凸出度。因该范围内危岩岩性主要为花岗岩，一旦经过长时间的风化，将发生碎石掉落问题，其最大碎块的直径可达到30 cm。

3.2 崩塌Ⅱ区

崩塌Ⅱ区的危岩大范围分布在油库后方区域内，崩塌Ⅱ区危岩坡度可达到50 °，且陡峭程度较大，其中有2个危岩体岩性分别为花岗岩与灰岩，并且碎石块破碎较为零散。在暴雨等恶劣天气下，该部分的危岩确实存在较高的崩塌风险。特别是在安排勘测人员前往调查时，已然出现了碎石块掉落现象[4]。

3.3 崩塌Ⅲ区

它是在油库南向，属于1个自然形成的坡度为60 °的沟槽，危岩形态为喇叭状，其中最宽的部分宽度达到了120 cm，在该区域内共发现3块危岩。为了保证该工程中的危岩得到有效治理，需依据崩塌Ⅲ区危岩分布特点，提出可行性治理建议。

它是在油库北向，在该区域种植了许多植被，覆盖率超过了90%。其坡度为40 °。危岩的数量多达6块。尤其在“4.20”强烈地震影响下，已经有部分危岩出现了崩塌状况，其余危岩也开始松动，如果不及时对其进行治理，很容易在短时间内受到自然风化因素的影响而再次崩塌。据此，需要实现柔性格栅坝在危岩分布区域的合理运用。

4 柔性格栅坝在油库危岩应急治理工程中的运用措施

4.1 计算地震后危岩运动力

芦山地区宝兴县城油库后方区域，早在地震发生前已经存在岩石开裂趋势，并且有部分岩石碎块从山体滑落，但未对群众造成伤害。而强烈地震后，该现象有所加剧，在危岩处于极度不稳定的状态下，自然会增加崩塌风险。所以，需要在应急治理工程中运用柔性格栅坝降低崩塌事故的发生率。

在设计柔性格栅坝的尺寸时，还需要充分结合危岩运动力及其稳定性计算结果，判断柔性格栅坝的坝高与绳网孔径，以免建成的柔性格栅坝缺乏适用性，导致危岩依旧存在较高的崩塌隐患。其中关于危岩稳定性的计算，可按照下述公式求出稳定性系数，如公式（1）所示。

式中：W、V、φ、c、α、l、Q分别为危岩体自重、危岩裂隙水压力、裂隙处内摩擦角标准值、黏聚力标准值、滑面倾角、长度、地震力。

在计算出危岩稳定系数后，可知晓崩塌区域内危岩稳定性的差异，便于调整具体的柔性格栅坝结构。同时，还应对危岩的运动力予以计算，由此了解危岩的危险程度，可为相关人员运用柔性格栅坝提供可靠依据[5]。

危岩运动力（V）计算公式如公式（2）所示。

式中：K、H、g、α为石块运动特征系数、坠落高度、重力加速度以及坡角。

计算后对于“4.20”强烈地震宝兴县城油库后分布的19块危岩，其弹跳高度为1.06 m～1.17 m。可根据相关公式了解危岩的稳定性及其运动力，并参照具体数值开展清危工作。由于在该工程中主要是以柔性格栅坝联合拦石墙、被动防护网综合防治法为主，因此应专门对弹跳高度在5 m以下的危岩进行清理，其中总方量高达220 m3。同时，在布置被动网时，也应当将其作为衡量标准，以此为后续柔性格栅坝的运用创造条件。防护网所布置的长度为170 m，并且采用分段设计的原则，将不同稳定性、运动力的危岩划分为4个布设路段，以RXⅠ-075型防护网为主，并将被动防护网的高度控制在4 m以内，由此与柔性格栅坝形成全面治理环境，保障宝兴县城油库后方安全。

4.2 危岩拦石墙稳定性分析

为了使该工程中的柔性格栅坝展现出显著价值，还应当针对拦石墙的稳定性进行精准分析，以此验证柔性格栅坝是否能够起到良好的支撑阻拦作用。在该项目中的崩塌Ⅲ区，对于3块危岩主要通过设计1个长度为63 m且高度在5 m的拦石墙，进而为柔性格栅坝的建设提供一定的缓冲效用。在拦石墙设计阶段，按照台阶状方法，将其承载力提升到200 kPa，以免危岩碎块坠落给油库安全带来威胁。另外，在拦石墙稳定性分析期间，还可借助分层浇筑技术，确保拦石墙建成后满足柔性格栅坝运用需求。在针对拦石墙进行浇筑时，可将逐层浇筑的层厚设置为50 cm，由此促使拦石墙也能在危岩应急治理工程中体现出突出的拦阻功能，拦石墙的深度可设为3 m，并且坡度比应为1∶0.2。此外，还可从拦石墙稳定性验算结果中确定柔性格栅坝的最佳设计高度。

拦石墙的土石方开挖量为442.22 m2，其中有800 m2的土地属于临时占地状态，而390.6 m2土地则为永久占地。为了实现柔性格栅坝的合理设计，还需要根据拦石墙的稳定性，调整设计方向，以免延缓危岩治理速度。由于该工程并不是单独设置柔性格栅坝针对危岩予以治理，因此，无论从整体性还是安全性、经济性上，都应当充分考虑拦石墙的稳定性，防止竣工后，柔性格栅坝在拦石墙影响下出现设计不合理等问题。而且对于崩塌Ⅳ区上的大量植被，在拦石墙设计或者柔性格栅坝运用环节，都不应当对其造成破坏，植被的生长可以对岩石山体的稳固度产生积极影响，也能在视觉上增加和谐性，避免过多地破坏原地貌特征，导致危岩治理脱离原有目标。

4.3 科学制定危岩治理方案

在芦山宝兴县城油库后方的危岩应急治理工程中，因为设有油库，一旦危岩崩塌，将给油库场地带来严重的损失，甚至在石油外泄期间，出现火灾等大型事故。所以，在柔性格栅坝设计期间，应根据该工程的地貌特征与地质条件，制定科学的治理方案，使危岩处于可控状态下，使建立于四川地区的油库得到更高的安全保障，也能为我国石油事业的可持续发展奠定坚实基础。

在危岩治理方案中主要包括危岩冲击力计算、钢柱放线、钢绳锚孔放线以及钢柱安装等部分。其中，危岩冲击力的计算可以按照下述公式计算出危岩滚动后产生的运动能量，如公式（3）和公式（4）所示。

式中：v为危岩碎石滚动速度；u为碎石与山体的摩擦系数；H为下降高度；m为碎石块的自重。

经过上述公式计算出该工程中的19块危岩碎石块产生的冲击能量在211.28 kJ～1098.1 kJ。待确定好冲击力后，可按照钢柱放线操作步骤，在油库后方危岩上设置钢柱，在具体治理阶段，应考虑到地貌地形的影响，然后再进行钢绳锚孔放线，要求钢绳不宜设置在稳定性较差的岩体上，并且钢柱中设置的钢绳误差应保持在1 m左右。在使用柔性格栅坝中支撑绳时，应先行调整好钢柱的位置，针对减压环进行定位处理，将支撑绳安装在危岩两侧，确保柔性格栅坝建成后，能对宝兴县城油库危岩进行有效治理。

其中柔性格栅坝中的格栅网高度经过分析后设置在3 m，坝高为10 m。在具体安装时，应将格栅平铺于环形柔性格栅网外侧15 cm处，在其底部应敷设长度为0.5 m的支撑绳。经过该次次治理，为岩石山体共计拦截了791 m2的石方量，从而保证所处环境具有良好的安全条件。因此，为了提升设计质量，在运用柔性格栅坝时，需要结合工况、地质特性优化治理方案，最终可以在降低危岩破坏力的基础上，为宝兴县城油库起到安全防护的作用，促进危岩应急治理工程的优质发展。

4.4 加强治理工程环境监测

在该工程中运用柔性格栅坝，主要是为了保障油库及周边区域的安全，而在实践操作中，还应当注重环境监测效果，定期观察柔性格栅坝具体的拦截效果，一旦出现拦截不到位或者其他隐患，需要重新对其进行优化调整，由此提升危岩应急治理工程的有效性。而在该工程中，主要利用地形特征与地震后危岩裂隙度的变化给出预警信息。尤其在运用柔性格栅坝之后的一段时间里，需要对危岩危险系数、运行状态进行密切监测，即分析危岩水平向与垂直向位移量，并与运用柔性格栅坝之前的位移量进行对比，这样才能达到最佳地震灾害危岩防治效果。

此外，该工程中还专门应用了全站仪、水准仪等专业设备，对柔性格栅坝运用流程进行监测，包括掌握周边环境的变化规律等。在设计监测时间时，考虑到宝兴县城震后危岩治理的迫切性与紧急性，将环境监测周期设置在1 a，而且在暴雨天气应对其进行高密度监测，防止雨天环境里，危岩的稳定性有所下降，从中观察柔性格栅坝是否满足危岩治理要求。对于柔性格栅坝开展的监测工作，应将监测设备的精度控制在2 mm。在监测危岩裂隙度时，可将测量精度保持在0.1 mm～1 mm，进而在可靠的监测结果中，帮助相关人员全面了解危岩变化特性，验证柔性格栅坝的实践性。在环境监测中，还可对大气环境、水环境、声环境进行监测，避免外界环境因素包括噪声、地下水、废气影响柔性格栅坝运用效果。

5 结论

危岩在暴雨条件下，裂隙水压力作用对危岩体的稳定性影响较大，在发生暴雨的情况下，危岩体发生崩塌失稳的可能性大，在地震工况下很容易发生失稳。柔性格栅坝在“4.20”芦山强烈地震油库后危岩应急治理工程中的应用，的确可为危岩修复起到辅助作用，甚至可以增强危岩稳固度，避免二次发生险情，危及民众生命安全。据此，应从危岩运动力计算、拦石墙稳定性、危岩治理方案、治理工程环境监测等方面着手，确保柔性格栅坝展现出真正价值，为我国自然灾害防治工程提供新的治理思路，由此保障地方岩石结构安全。