SNS边坡柔性防护系统在拉西瓦施工中的应用

【摘要】: SNS边坡柔性防护系统是一种以高强度柔性网来防止各类斜坡坡面地质灾害、岸坡冲刷、爆破飞石、坠物等危害的柔性安全防护系统。它以材料质轻、安装简单、施工快捷,适用性强等特点在拉西瓦水电站边坡支护施工中得到了广泛的应用。本文就SNS边坡柔性防护系统在拉西瓦施工中的应用为例,阐述了该防护系统的功能特点及在施工中的安装方法。

【关键词】: SNS边坡柔性防护系统 拉西瓦施工 应用

中图分类号:TM507 文献标识码:A 文章编号:1003-8809(2010)08-0200-02

一.概述

SNS (Safety Netting System)系统是瑞士布鲁克集团所独家拥有的,以高强度柔性网(菱形钢丝绳网、环形网、高强度钢丝隔栅)作为主要构成部分,并以覆盖(主动防护)和拦截(被动防护)两大基本类型来防止各类斜坡坡面地质灾害和雪崩、岸坡冲刷、爆破飞石、坠物等危害的柔性安全防护系统技术和产品,它是一种集构件设计与加工,系统配置设计与定型,现场设计选型、布置与施工设计的系统化技术。该防护系统,避免或尽可能降低了因开挖所造成的环境破坏和对边坡稳定性的危害,同时能够充分利用系统的柔性和施工布置的灵活性来最大限度的适应各种复杂的地形地貌环境,在边坡安全防护中得到了推广应用。

二.施工实例

(1)拉西瓦水电站左岸混凝土拌和系统布置在坝址下游约1km黄河左岸的夜宿沟,高程为EL2440m,由开挖左岸高线交通洞和左缆平台时的石渣在夜宿沟填筑而成,占地面积1.8万m2,整个平台近似一个三角形。在拌和平台支护工程中为保证锚固端开挖安全,采用主动防护网将开挖区EL2492.88高程以上松散岩体进行防护,施工前先对该部位浮石进行清理,再进行主动防护网施工,防护范围共计1644.1。

(2)在Ⅱ号变形体处理工程中由于坝址处高边坡达600多米,地势陡峭、施工高差大,且在Ⅱ号变形体处理与左岸消能区的开挖与支护时不可避免的进行交叉作业,存在上下层同时施工的局面,安全问题比较突出,因此在支护过程中为防止坡面危石塌滑及拦截坡面上的滚落岩块、孤石,特布置了主动防护网和被动防护网两种防护网。其中SNS主动防护网(GPS2型)30000,被动防护网(RX-025高4m)2360。

三.防护系统功能特点

从防护原理和防护目的上,SNS系统分为主动防护和被动防护系统两大类。主动防护系统是用以钢丝绳网或TECCO高强度钢丝格栅为主的各类柔性网覆盖或包裹在需防护的斜坡或危石上,以限制坡面岩土体的风化、剥落或破坏,以及危岩崩塌(加固作用)或者将落石控制在一定范围内运动的防护系统(维护作用)。被动防护系统是将以菱形钢丝绳网或环形网为主的柔性栅栏设置与斜坡上一定位置,用于拦截斜坡上的滚落石(或落物)以避免其破坏保护对象,因此也称为拦石网。

(一)SNS主动防护系统

该系统按主要构成分为钢丝绳网、普通钢丝格栅(常称铁丝格栅)和TECCO高强度钢丝格栅三类,在拉西瓦水电站边坡支护施工中主要采用了GPS2型铁丝格栅―钢丝绳网,它通过钢丝绳锚杆和支撑绳固定方式将柔性网覆盖在有潜在地质灾害的坡面上,从而实现其防护目的。(图1)为标准主动防护系统,常用于坡面崩塌、风化剥落、溜坍、溜滑或塌落类地质灾害的加固防护,其明显特征是采用系统锚杆固定,并根据柔性网的不同,分别通过支撑绳和缝合绳张拉或预应力锚杆来对柔性网部分实现预张拉,从而对整个边坡形成连续支撑,其预张拉作业使系统尽可能紧贴坡面并形成了抑制局部岩土体移动或在发生局部移位或破坏后将其裹缚(滞留)于原位附近的预应力,从而实现其主动防护功能。该系统在施工工艺上为确保其尽可能贴紧坡面,锚杆孔口应开凿孔口凹坑(由于系统布置得灵活性,常可在允许范围内利用天然低凹位置设置锚杆,从而适当减少孔口凹坑的开凿)。

该系统在作用原理上类似与锚喷,但因其柔性特征能使系统将局部集中荷载向四周均匀传递以充分发挥整个系统的防护能力,即局部受载,整体作用,从而使系统能承受极大的荷载并降低单根锚杆的锚固力要求。此外,由于系统得开放性,地下水可以自由排泄,避免了由于地下水压力的升高而引起的边坡失稳问题。该系统除对稳定边坡有一定贡献外,同时还能抑制边坡遭受近一步的风化剥蚀,且对坡面形态特征无特殊要求,不破坏和改变坡面原有地貌形态和植被生长条件,其开放特征给随后或今后有条件并需要时实施人工坡面绿化保留了必要的条件,绿色植物能够在其开放的空间上自由的生长,植物根系的固土作用与坡面防护系统结为一体,从而抑制坡面破坏和水土流失,反过来又保护了地貌和坡面植被,实现最佳的边坡防护和环境保护目的。

(二)SNS被动防护系统

该系统是一种能拦截和堆存落石的柔性拦石网,在拉西瓦水电站边坡支护过程中多采用RX-025型被动防护系统,如(图2)所示,其主要技术基础和功能特点如下:

①与传统拦挡结构的主要差别在于系统的柔性和强度足以吸收和分散传递预计的落石冲击动能,即从观念上一改传统的刚性或低强度低柔性结构,是以高强度柔性结构来实现系统防护功能的结构;

②在设计上不仅考虑了易于安装,同时还考虑了在象悬崖这样的恶劣地形条件下能实现这种安装,即用最少量的锚杆和最少量的开挖来实现最快速简便的施工安装;

③系统部件全部实行标准化的工厂生产,现场施工除少量的以锚杆安装为主的基础施工外,主要为积木式的转配作业,施工安装和维修人员仅需要少量常规简单机具即可进行系统的安装、维修和部件更换;

④系统的结构和基础形式简单化,并以两根钢柱之间的一跨为单元连续布置,使其对各种复杂的地形具有极强的适应性。

整个系统由钢丝绳网、固定系统(锚杆、拉锚绳、基座和支撑绳)、减压环和钢柱四个主要部分构成,系统的柔性主要来自于钢丝绳网、支撑绳和减压环等结构,且钢柱与基座间亦采用可动铰联结以确保整个系统的柔性匹配。

钢丝绳网、支撑绳:钢丝绳网是系统的主要特征构成部分,且往往是遭受冲击的第一部分,它必须将来自于落石的冲击荷载传递到支撑绳、拉锚绳等部件上,并最终传给锚杆,并有支撑绳来实现能量消散、绳网下垂和维护需要间的最佳平衡。

减压环:减压环是对系统起过载保护作用,从而避免其他部件发生严重破坏的重要部件,它是一个在结点处按预先设定的力箍紧的环状金属管,使用的钢丝绳顺管内穿过,当与减压环相连的钢丝绳所受拉力达到一定程度时,减压环启动并通过变形位移来吸收能量,从而实现其过载保护作用功能,且当冲击能量在设计范围内时,能多次接受冲击发生位移。

钢柱和锚杆:钢柱的主要作用是作为系统的直立支撑,钢柱与基座间的可动铰联结确保了钢柱遭受直接冲击时基座的地脚螺栓免遭破坏。

拉锚绳:连接于钢丝绳锚杆与钢柱间的钢丝绳,根据其位置和作用功能的不同分为上拉锚绳、下拉锚绳、侧拉锚绳和中间加固拉锚绳,其主要作用是对整个系统起加固作用,以确保系统得整体稳定性,阻止系统遭受落石冲击时发生整体倾倒,并实现残余冲击荷载最终向地层的传递。

由于系统明显的柔性特征,根据简单的动量定理 F t= mv即可知道,当落石与拦挡结构发生接触碰撞时,刚性拦挡结构允许的变形小,相互碰撞作用时间短,必然产生较大的冲击荷载。相反,SNS柔性系统在同等条件下允许变形大,作用时间长,所发生较大的冲击力必然较小,因此能拦截高能量的大块落石并实现结构的轻型化,充分体现了以柔克刚的思想。

四.系统的主要设计原则

SNS系统一般设计程序:选定主动还是被动系统选定型号现场布置或施工图设计,在设计选型时要注意以下原则:

边坡高度:由于按系统面积计算的主动和被动系统的单价差异较大,而主动防护系统的面积一般都较大,被动防护则较小,因此,低矮边坡一般优先考虑主动防护,高边坡一般优先考虑被动防护网甚至在一道网的拦截能力不够时考虑在不同高程处分段设置。

稳定性条件:SNS系统仅适合于整体稳定或仅有浅表层失稳可能的边坡防护,当存在深层失稳可能,特别是坡面局部破坏或崩塌后会持续诱发进一步的稳定性恶化时,应考虑采用具有加固功能的其他主动防护方式。

地形特征:当边坡高陡特别是近直立时,被动系统常难以实现安全防护,但若坡脚需防护区域狭窄,可考虑采用近水平设置的被动系统,对于上缓下陡的高边坡,可以在过渡处设置被动系统拦截上部落石,下部可根据条件采用主动或被动系统,条件允许时下部可采用与上部被动系统相连的维护网,并使上部被动系统的底部敞开以让拦截的落石能进入下部围护网并最终有约束地滚落至坡脚,从而免除拦石网内落石的清理工作。

坡面危石分布特征:当局部集中分布,特别是还有特大块危石时,宜采用主动防护系统局部处理,当随机分散分布时,宜采用被动防护系统。

施工难度:对于确认采用主动防护系统的陡峻边坡,由于坡面系统锚固作业难度大,宜考虑采用主被动防护系统,由此还可缩短工期、降低投资。

安全性要求:由于被动系统的高度是有限的(目前最大有效高度为7m),任何条件下都存在落石飞越系统顶部的风险,因此,当主要考虑安全性因素时,宜采用主动防护系统。

维护条件:当被动系统拦截堆存了大量落石(对系统已形成明显静载作用或系统有效高度已明显减小时),为确保系统原有的防护能力,必须对落石进行清理,因此当不具备这一条件时宜考虑采用主动防护系统或提高被动系统的防护能级与高度。

初期投资与维护需求的平衡:被动防护系统是按防护能级的,它能保证其能级范围内落石的安全拦截,但这并不意味着系统安全不发生变形或局部破坏,因此,应在增大初期投资来提高防护能级从而减小维护工作量与通过适度设防以降低初期投资但增大后期维护工作量做出选择。

落石速度:尽管被动防护系统具有明显的柔性,但它不是无限的,当落石速度超过25m/s时,即便落石动能没有达到系统得防护能级,在系统的其他构件不发生明显变形破坏时,也可能会因子弹效应而使柔性网发生穿透性破坏。因此,当预计落石速度过大时,应考虑改用主动防护系统或在不同高程分段设置拦石网。

五.系统的施工安装

⑴施工程序

①SNS主动防护网

施工准备测量放点人工清面打安锚杆安装支撑绳检查验收铺挂钢丝绳并合缝铺挂格栅网

②SNS被动防护网

施工准备测量放点人工清面打锚杆孔锚杆及基座安装钢柱及拉锚绳的安装调试支撑绳安装钢丝绳网的铺挂和缝合铺挂格栅网检查验收。

⑵施工方法

①SNS主动防护网的施工方法

首先和设计,监理工程师现场确定防护网的施工部位,防护网所需的材料、设备采用人工搬运到施工面,联系测量进行放线确定锚杆孔位,按设计深度采用手风钻钻锚杆孔并清孔,注浆并插入柔性双股钢丝绳锚杆,安装纵横支撑绳,张拉紧后两端用绳卡与锚杆外露环套固定连接,从上到下铺挂格栅网,格栅网铺设的同时,从上到下铺挂钢丝绳网并缝合,施工完毕后进行检查验收。在施工过程中对于起加固作用的标准主动防护体系统,在每一孔位处采用人工或手风钻凿一尺寸不小于外露环套的凹坑,口径为20cm,深20cm;将起加固作用的标准主动防护系统的锚杆外露环套安装在孔口凹坑内。

②SNS被动防护网的施工方法

将防护网所需的材料、设备采用人工搬运到施工面,测量放线确定锚杆孔位及基座位置,用人工或手风钻进行立柱基座开挖或钻锚杆孔,再进行立柱基座混凝土灌注或锚杆安装,待基座混凝土有一定强度之后进行钢柱及拉锚绳安装与调试、支撑绳安装与调试、钢丝绳网的铺挂与缝合、最后进行格栅网的铺挂。

六.结语

SNS系统作为一种标准化、定型化的防护系统,在拉西瓦水电站各部位边坡支护施工中根据现场地形地貌条件、坡面潜在灾害特征、施工条件、工期要求、后期维护条件及投资控制等综合因素,进行了合理的选型和现场布置设计,充分的发挥了其施工方便、经济合理及支护效果优良的优点,值得在施工中广泛推广与应用。

作者简介:徐建平(1973-),男,工程师,中国水利水电第四工程局;