刚柔组合主动型SNS边坡防护系统的应用

摘要：本文将从刚柔组合主动型SNS防护系统的组成、原理、特点、应用等内容进行介绍和论述。

关键词：刚柔组合；SNS边坡；GPRS传输

刚柔组合主动型SNS防护系统，是用来防治坡面地质灾害的柔性安全防护系统。柔性主动防护系统与刚性防护组合，可以改进柔性主动防护的受力结构，实现主动防护的功能。本文将介绍这种新型刚柔组合主动型SNS边坡防护系统，以促进该系统在我国的广泛应用。

1、刚柔组合主动型SNS边坡防护系统的组成

刚柔组合主动型SNS边坡防护系统，它主要由钢绳网、张拉绳、刚性防护结构等构成（图1）。整个防护体系可以视为由刚性锚固传力结构和张拉绳与钢绳网组成的索网结构两部分组成。刚性防护结构在系统中主要作用是锚固钢绳网和张拉绳，并承担和传递荷载；张拉绳既是外荷载第一承受者，又是钢绳网的主要荷载传递者。通过改善柔性结构的张拉锚固条件，刚柔组合主动防护体系可以确定和控制初始边界条件，实现精确的分析。

1、刚柔组合主动型SNS边坡防护系统的原理

2.1张拉绳力学原理

张拉绳内力分布可以分为以下两个状态。

（1）张拉绳预应力张拉状态（初始状态）。张拉绳预应力张拉阶段主要分析张拉绳张拉后对坡体的作用力。设张拉绳两端张拉，张拉力为T0，张拉绳受到坡体的径向压力p0 和切向摩擦力f，张拉后的张拉绳曲线为y0（x），O（0，0）、A（l0，0）为张拉绳两个锚固点，如图2。

取微段ds为脱离体，其相应的弯曲角为dθ，曲率半径为R，则ds=Rdθ。由径向平衡可得（1）式。

张拉绳与坡体间的摩擦系数设为L，则微段ds的摩擦力dF 为（2）式。

由切向平衡可得（3）式。

式中k为曲率；T由式（3）确定。

式（4）、式（5）即为张拉绳施加张拉力T0后张拉绳对坡体作用力的计算公式。

（2）坡体荷载作用状态。由于张拉绳无法确定自然状态下的线性，本文建立的力学方程是在初始状态张拉绳受径向荷载增量p（s）作用下的荷载增量形式的平衡方程。初始状态张拉绳受径向荷载增量p（s）=p（s）- p0，p0为初始状态张拉绳对坡体的预压力。张拉绳受径向增量荷载如图3。O（0，0）、A（l0，0）为张拉绳两个锚固点。y0（x）为张拉绳初始状态，y1（x）为径向荷载增量作用之后的状态。设初始应变为ε0，忽略张拉绳由于变形产生的摩擦力，则张拉绳的受力状态可以等效为图4所示。

其中p（x）= p（s），A’点坐标为（l，0），l为y0（x）的弧长，即l = 。y2（x）为荷载方向的相对位移量。则张拉绳增加的应变为：

张拉绳总的应变为：ε≈ε0+ε1

张拉绳变形后的应变能为：

初始状态应变能为：

荷载p（x）引起索的应变能为：

荷载p（x）做的功为：

张拉绳和荷载的总势能为：

平衡条件为张拉绳和荷载的总势能达到最小值，即：

得到平衡方程（9）式。

方程（9）即为张拉绳在径向荷载增量p（s）作用下的平衡微分方程。

2.2钢绳网力学原理

钢绳网锚定在强大的周边构件上，或通过边索锚定在若干单独的固定支座上。施加一定大小的预张力以后，钢绳网可以具有很大的刚度。但由于钢绳网结构的三维受力性质，在计算方面比较复杂。将钢绳网力学模型分为钢绳网施加预应力力学模型和钢绳网承受坡体荷载力学模型。

钢绳网与建筑空间索网结构的受力特征是一样的，唯一的不同点在于若不考虑钢绳网与坡面相互作用时钢绳网的初始态近似为坡面形状，即钢绳网的初始态是确定已知的。根据这一不同点，在边界条件已知的情况下运用建筑空间索网结构计算方法可以得出预应力钢绳网对坡体的作用力。

1、刚柔组合主动型SNS边坡防护系统的特点

通过前面的理论分析可知，钢绳网和张拉绳的力学行为不仅由其结构自身决定，而且还与被防护的坡体有关。施加预应力主动防护效果取决于坡曲面形状和有效预应力的大小；而材料强度和初始预应力大小、坡曲面形状则影响结构的抗力和内力的增加。因此，优化设计初始预应力和坡面形状，以及柔性材料的合理选择可以改善柔性防护结构的受力行为。

刚性防护结构受力特征是承受和传递两侧柔性防护结构的荷载，并通过两侧柔性结构在某个方向相互平衡抵消部分或全部荷载以达到刚性结构卸荷目的。综合考虑刚性结构两侧坡面形状、柔性结构的初始预应力、坡体作用下柔性结构内力的变化等因素来合理设计刚性结构两侧荷载分布，可以提高自平衡卸荷效果。

刚柔组合主动防护体亦可配合锚杆防护来提高刚性锚固传力结构的抗力，以应用于中、浅层滑坡及边坡的治理。

1、刚柔组合主动型SNS边坡防护系统的应用

刚柔组合主动型SNS边坡防护系统，作为系统应用的基础单元，安装在各个被实时监测的现场，实时监控现场情况，一旦有诸如如滑坡、泥石流、雪崩、岩石崩塌、地震落石等情况发生时，能立即检测出该信号，通过数据采集器采集该信号，向监控中心发送数据，及时通知中心监控人员，采取相应的措施，避免或减少灾害所造成的损失。

系统数据的传输方式。刚柔组合主动型SNS边坡防护系统前端采集的数据，通过两种方式传输到监控中心：有线方式和无线方式。在前端与监控中心的距离不是很远（且敷设光、电缆难度不大）的地方，可以采用有线电缆或光缆的通信方式，进行数据传输；在前端与监控中心的距离很远或敷设光电缆难度大的地方，可以采用应用比较广泛的GPRS通讯方式，进行数据传输。

在监控中心，配置计算机监控系统，包括计算机硬件及其相应的软件。系统的主要功能如下：

刚柔组合主动型SNS边坡防护系统应用结构图

1）及时感知灾害发生点。在灾害发生后的数秒钟内使用者便可以通过接收到的信息准确判断出灾害发生点。

2）感知灾害发生的规模。对滑坡等位移体形成的灾害，可以通过安置前端的安置固定桩，利用多个固定桩之间布置的专用位移量传感器传递的信息，掌握山体的位移、裂缝、扩展等动态情况，可以有效的感知位移程度。

3）画面显示现场情况。系统根据实际情况设计好的工程画面，在画面上模拟显示灾害发生的情况；系统也支持视频图像的接入，可在前端配置视频摄像机，将实时画面传输到中心平台。

4）自诊断系统设计。由于SNS边坡柔性防护系统的安装地理位置均具有偏避、无人照料的特点，如果系统在使用过程中受到损坏，而又无人知晓，当灾害发生时信号将无发传出。本系统具有系统正常“巡检”功能；巡检的内容包括系统的所有传感器、数据采集器等。

5）系统数据的存储与管理。在中心配置数据库服务器，负责数据的存储、管理、查看等。系统将所有采集的数据均保存在数据库服务器中，便于用户日后查询灾害发生的历史数据，提供数据分析的原始资料。

结束语

总之，刚柔组合主动型SNS边坡防护系统是一种开放的、标准化系统。由于该系统具有较好地解决山区复杂地形条件下防护工程监控问题，最大限度地适应各种复杂的地形地貌环境，避免或尽可能降低因灾害的危害等优点，从而在工程中得到广泛的应用，值得我们不断去推广与研究。

参考文献：

[1]冯伟.柔性防护网技术在都新高速公路中的应用[J].中国西部科技，2008，7（28）.

[2]邓卫东.公路边坡稳定技术[M].北京：人民交通出版社，2006