一种崩塌落石防护能量耗散拦挡系统

1.本发明涉及地质灾害防护技术领域，尤其涉及一种崩塌落石防护能量耗散拦挡系统。


背景技术：

2.崩塌落石作为山区常见的地质灾害之一，具有多发性、突发性、随机性的特点，且时常威胁交通安全以及群众生命财产安全；柔性拦挡系统可以分为主动式和被动式；其中，被动拦挡系统是由拦挡结构(通常为棱形网或环形网，对于小块落石则需附加一层铁丝格栅)、支撑结构(钢柱)、连接结构(包含拉锚绳、支撑绳)、耗能装置及基础五个主要部分构成；对于崩塌岩石土体的下坠，可以通过钢柱和钢丝绳网连接组合构成的整体进行拦挡防护；落石冲击动能由系统的柔性和拦挡强度来吸收和分散传递，系统抗冲击能力的显著提高得益于耗能装置的设计和采用，对于常见的自然灾害如岩崩、飞石、雪崩、泥石流等，可以有效地对其进行拦截，从而减小对建筑设施的毁坏。
3.现有的行业标准未对拦挡系统的整体配置和新设计的耗能器件提出要求，相应的设计方法和理论也没有涉及，仅对产品的检验如钢丝绳、卡扣、减压环等给出了静力检验的方法和要求；这导致对包括其整体传力耗能机理、运动变形控制、结构体系布置和适用于具体条件的构件设计在内的柔性网整体协同工作状态下的性能的把握，在实际使用过程中，是简单地根据防护能级进行配件选型，也导致了目前对于耗能装置的选型常常忽略了拦挡结构的承受荷载及实际工程的经济成本。
4.因此，对于崩塌落石防护能量耗散拦挡系统的研究还需要进一步开展。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种崩塌落石防护能量耗散拦挡系统，不仅能够适应拦挡结构的承受荷载，同时还有利于降低实际工程的经济成本。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种崩塌落石防护能量耗散拦挡系统，包括两个间隔固定于山体的基座，所述基座上均连接有支撑柱，两所述支撑柱之间连接有拦挡网；第一侧拉锚绳、第二侧拉锚绳的上端均固定于所述支撑柱上端，第一侧拉锚绳、第二侧拉锚绳的下端分别固定于位于相应支撑柱外侧及内侧的山体；
7.该系统还包括第一支撑绳、第二支撑绳、第三支撑绳、第一弹簧式耗能器、第二弹簧式耗能器、摩擦式耗能器、局部破坏式耗能器及局部变形式耗能器；
8.所述第一支撑绳、第二支撑绳与第三支撑绳均设在拦挡网的内侧；所述第一支撑绳的数量为两根，两根所述第一支撑绳分别平行固定在两所述支撑柱的上端及下端，且两所述第一支撑绳分别连接于拦挡网的上端及下端；所述第二支撑绳的数量为至少三根，且各第二支撑绳分别固定在两所述支撑柱之间并由上至下依次设于两所述第一支撑绳之间；所述第三支撑绳的数量为两根，两根所述第三支撑绳以“x”型交叉固定在两所述支撑柱之间，且同一所述第三支撑绳分别固定在一支撑柱的上端及另一支撑柱的下端；
9.所述第一弹簧式耗能器包括第一减振弹簧，所述第一减振弹簧的下端固定在基座顶部，所述支撑柱的底端穿过第一减振弹簧并铰接在基座顶部；
10.所述第二弹簧式耗能器包括第二减振弹簧，所述第一侧拉锚绳为分段结构且第二减振弹簧的上下两端分别连接于第一侧拉锚绳的两断裂端；
11.所述摩擦式耗能器包括外护管及两块滑动设在外护管内的内滑板，两所述内滑板相对的表面设有相配合的摩擦齿；所述第一支撑绳为分段结构且两内滑板上相远离的一端分别连接于第一支撑绳的两断裂端；
12.所述局部破坏式耗能器包括一空心结构且呈“u”形的主管体，所述主管体凹陷部分的侧壁之间固定连接有弹性索条，所述第二支撑绳从主管体的内腔穿过；
13.所述局部变形式耗能器包括形变条，所述形变条由塑性金属条弯曲折叠制成并具有多段首尾相接的“v”形段，所述第三支撑绳为分段结构且形变条的两端分别连接于第三支撑绳的两断裂端。
14.作为本发明技术方案的进一步改进，所述基座通过地锚式地脚螺栓固定在设于山体的混凝土墩上。
15.作为本发明技术方案的进一步改进，所述第一侧拉锚绳、第二侧拉锚绳的下端通过钢丝绳锚杆固定于山体上。
16.作为本发明技术方案的进一步改进，所述拦挡网由多个钢丝网环依次套结形成，所述拦挡网的上下两端均通过卸扣与相应的第一支撑绳相连接，所述拦挡网的左右两端均通过缝合绳绑扎在相应的支撑柱上。
17.作为本发明技术方案的进一步改进，所述第一弹簧式耗能器还包括分别固定在第一减振弹簧上下两端的第一上支撑板、第一下支撑板，所述第一上支撑板与第一下支撑板之间在迎向落石的一侧连接有钢丝绳i；所述第一下支撑板固定连接于基座，所述支撑柱的下端穿过第一上支撑板后穿入第一减振弹簧。
18.作为本发明技术方案的进一步改进，所述第二弹簧式耗能器还包括分别固定在第二减振弹簧上下两端的第二上支撑板、第二下支撑板，所述第二上支撑板、第二下支撑板分别固定连接于第一侧拉锚绳的两断裂端。
19.作为本发明技术方案的进一步改进，两所述内滑板上相远离的一端通过一钢丝绳ⅱ相连接。
20.作为本发明技术方案的进一步改进，所述弹性索条的数量为至少三条且互相平行。
21.作为本发明技术方案的进一步改进，所述形变条的两端通过一钢丝绳ⅲ相连接。
22.作为本发明技术方案的进一步改进，所述第一弹簧式耗能器对应于基座设置且其数量不少于基座的数量；所述第二弹簧式耗能器对应于第一侧拉锚绳设置且其数量不少于第一侧拉锚绳的数量；所述摩擦式耗能器对应于第一支撑绳设置且其数量不少于第一支撑绳的数量；所述局部破坏式耗能器对应于第二支撑绳设置且其数量不少于第二支撑绳的数量；所述局部变形式耗能器对应于第三支撑绳设置且其数量不少于第三支撑绳的数量。
23.与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：
24.本发明的崩塌落石防护能量耗散拦挡系统，通过基座、支撑柱、拦挡网、第一侧拉锚绳、第二侧拉锚绳、第一支撑绳、第二支撑绳、第三支撑绳、第一弹簧式耗能器、第二弹簧
式耗能器、摩擦式耗能器、局部破坏式耗能器及局部变形式耗能器的设置及有机配合，在发生崩塌落石的情况下，边坡落石等块状物首先冲击在拦挡网上，拦挡网再通过各支撑绳将力传递给各耗能器以及其他构件，这些部件各自发挥自己的作用，相互影响，从而组成一个完整耗能结构体系，冲击动能在这个过程中也被耗散掉；本发明不仅能够适应拦挡结构的承受荷载，同时还有利于降低实际工程的经济成本。
附图说明
25.图1为本发明的平面布置示意图；
26.图2为本发明的侧视图；
27.图3为本发明的第一弹簧式耗能器的结构示意图；
28.图4为本发明的第二弹簧式耗能器的结构示意图；
29.图5为本发明的摩擦式耗能器的结构示意图；
30.图6为本发明的摩擦式耗能器的外护管的结构示意图；
31.图7为本发明的局部破坏式耗能器的结构示意图；
32.图8为本发明的局部变形式耗能器的结构示意图；
33.图9为本发明的弹簧式耗能器的耗能荷载
‑
位移曲线图；
34.图10为本发明的摩擦式耗能器的荷载
‑
位移曲线图；
35.图11为本发明的局部破坏式的荷载
‑
位移曲线图；
36.图12为本发明的局部变形式耗能器的荷载
‑
位移曲线图；
37.图13为本发明实施时的落石运动轨迹示意图。
具体实施方式
38.为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
39.实施例
40.如图1至图8所示：本实施例提供的一种崩塌落石防护能量耗散拦挡系统，包括两个间隔固定于山体的基座1，所述基座1上均连接有支撑柱2，两所述支撑柱2之间连接有拦挡网3；第一侧拉锚绳41、第二侧拉锚绳42的上端均固定于所述支撑柱2上端，第一侧拉锚绳41、第二侧拉锚绳42的下端分别固定于位于相应支撑柱2外侧及内侧的山体。
41.两支撑柱2平行设置，支撑柱2可以采用工字型钢制成的钢柱；基座1通过地锚式地脚螺栓5固定在设于山体的混凝土墩6上；每一支撑柱2的外侧(靠近落石来向的一侧，图2中即左侧)及内侧(与外侧相反的一侧，图2中即右侧)均固定有倾斜设置的第一侧拉锚绳41、第二侧拉锚绳42，在初始状态下第一侧拉锚绳41与第二侧拉锚绳42的牵拉作用可使得支撑柱2竖直定位；第一侧拉锚绳41、第二侧拉锚绳42的下端则通过钢丝绳锚杆7固定于山体上。
42.本实施例提供的一种崩塌落石防护能量耗散拦挡系统，重点改进就在于，该系统还包括第一支撑绳81、第二支撑绳82、第三支撑绳83、第一弹簧式耗能器9、第二弹簧式耗能器10、摩擦式耗能器11、局部破坏式耗能器12及局部变形式耗能器13。第一支撑绳81、第二支撑绳82、第三支撑绳83主要起到力的传递，第一弹簧式耗能器9、第二弹簧式耗能器10、摩擦式耗能器11、局部破坏式耗能器12及局部变形式耗能器13则通过相关部件的伸缩形变作
用起到耗能作用，其耗能能力各不相同，是适应拦挡结构的承受荷载而设置的。所述第一弹簧式耗能器9对应于基座1设置且其数量不少于基座1的数量；所述第二弹簧式耗能器10对应于第一侧拉锚绳41设置且其数量不少于第一侧拉锚绳41的数量；所述摩擦式耗能器11对应于第一支撑绳81设置且其数量不少于第一支撑绳81的数量；所述局部破坏式耗能器12对应于第二支撑绳82设置且其数量不少于第二支撑绳82的数量；所述局部变形式耗能器13对应于第三支撑绳83设置且其数量不少于第三支撑绳83的数量。
43.其中，所述第一支撑绳81、第二支撑绳82与第三支撑绳83均设在拦挡网3的内侧；所述第一支撑绳81的数量为两根，两根所述第一支撑绳81分别平行固定在两所述支撑柱2的上端及下端，且两所述第一支撑绳81分别连接于拦挡网3的上端及下端；所述第二支撑绳82的数量为至少三根，且各第二支撑绳82分别固定在两所述支撑柱2之间并由上至下依次设于两所述第一支撑绳81之间；所述第三支撑绳83的数量为两根，两根所述第三支撑绳83以“x”型交叉固定在两所述支撑柱2之间，且同一所述第三支撑绳83分别固定在一支撑柱2的上端及另一支撑柱2的下端。
44.第一支撑绳81与拦挡网3的顶端对齐，第二支撑绳82与拦挡网3的底端对齐；拦挡网3可由多个钢丝网环依次套结形成，拦挡网3的上下两端均通过卸扣14与相应的第一支撑绳81相连接，拦挡网3的左右两端均通过缝合绳15绑扎在相应的支撑柱2上。第二支撑绳82的数量可根据需要而定，各第二支撑绳82优选平行于第一支撑绳81设置；第三支撑绳83优选位于第一支撑绳81、第二支撑绳82的内侧。
45.所述第一弹簧式耗能器9包括第一减振弹簧91，所述第一减振弹簧91的下端固定在基座1顶部，所述支撑柱2的底端穿过第一减振弹簧91并铰接在基座1顶部；第一减振弹簧91可由较高强度的弹簧钢制成，可为拉簧结构；支撑柱2可通过铰链铰接于基座1，其可在一定角度范围内转动，即在落实冲击下可转动，进而带动第一减振弹簧91发生弯曲形变，并带动后续耗能部件的作用。进一步地，所述第一弹簧式耗能器9还包括分别固定在第一减振弹簧91上下两端的第一上支撑板92、第一下支撑板93，所述第一上支撑板92与第一下支撑板93之间在迎向落石的一侧连接有钢丝绳i94，钢丝绳i94的长度大于第一上支撑板92与第一下支撑板93之间的间距，例如可为间距的2倍；所述第一下支撑板93固定连接于基座1，所述支撑柱2的下端穿过第一上支撑板92后穿入第一减振弹簧91。
46.所述第二弹簧式耗能器10包括第二减振弹簧101，所述第一侧拉锚绳41为分段结构且第二减振弹簧101的上下两端分别连接于第一侧拉锚绳41的两断裂端；第二减振弹簧101可由较高强度的弹簧钢制成，可为拉簧结构；第一侧拉锚绳41可为两段式结构，此时每一第一侧拉锚绳41设置一个第二弹簧式耗能器10；支撑柱2的转动使得第一侧拉锚绳41受力而被牵拉，从而使得第二减振弹簧101发生弹性形变。第一弹簧式耗能器9与第二弹簧式耗能器10即便发生非常大的冲击变形，也能保证整个系统不被冲倒于坡面。进一步地，所述第二弹簧式耗能器10还包括分别固定在第二减振弹簧101上下两端的第二上支撑板102、第二下支撑板103，所述第二上支撑板102、第二下支撑板103分别固定连接于第一侧拉锚绳41的两断裂端。
47.所述摩擦式耗能器11包括外护管111及两块滑动设在外护管111内的内滑板112，两所述内滑板112相对的表面设有相配合的摩擦齿113；所述第一支撑绳81为分段结构且两内滑板112上相远离的一端分别连接于第一支撑绳81的两断裂端；外护管111可为矩形管结
构；内滑板112可为矩形块结构；两内滑板112相远离的表面贴合外护管111的内壁；摩擦齿113可为弧形齿结构，两摩擦齿113以交错的方式啮合；当两内滑板112受到相反方向的拉力时，两内滑板112克服摩擦齿113的摩擦阻力而发生相对滑动；摩擦系耗能器为低耗能装置，设置于第一支撑绳81，当落石冲击时，其承受荷载最少。进一步地，两所述内滑板112上相远离的一端通过一钢丝绳ⅱ114相连接，钢丝绳ⅱ114的长度例如可大于或等于两内滑板112的长度之和。
48.所述局部破坏式耗能器12包括一空心结构且呈“u”形的主管体121，所述主管体121凹陷部分的侧壁之间固定连接有弹性索条122，所述第二支撑绳82从主管体121的内腔穿过；主管体121的结构使得第二支撑绳82对应部分呈“u”形弯曲，当第二支撑绳82整体受牵拉时，则迫使主管体121发生形变而逐渐恢复成直管结构，这一过程中还需要克服弹性索条122的弹力；该结构的局部破坏式耗能器12具有较强的耗能能力，局部破坏耗能器是耗能能力最强的耗能器件，其设于第二支撑绳82，此处也为拦挡的主受力区。进一步地，所述弹性索条122的数量为至少三条且互相平行。同一第二支撑绳82上可设置多个局部破坏式耗能器12。
49.所述局部变形式耗能器13包括形变条131，所述形变条131由塑性金属条弯曲折叠制成并具有多段首尾相接的“v”形段，所述第三支撑绳83为分段结构且形变条131的两端分别连接于第三支撑绳83的两断裂端。第三支撑绳83可为两段式结构，此时每一第三支撑绳83设置一个局部变形式耗能器13；落石冲击使得第三支撑绳83受力而被牵拉，从而使得形变条131发生弹性形变而逐渐恢复成直条结构。局部变形耗能器是要完全保障系统不被落石冲破的最后屏障，其虽然发生变形，但不会发生破坏，且其耗能能力较强。进一步地，作为本发明技术方案的进一步改进，所述形变条131的两端通过一钢丝绳ⅲ132相连接，钢丝绳ⅲ132的长度可小于或等于形变条131整体长度。
50.同时，如图9至图13所示，本实施例还提供了与上述一种崩塌落石防护能量耗散拦挡系统对应的一种崩塌落石防护的能量耗散拦挡系统的设计方法，包括以下步骤：
51.s1、预测落石运动轨迹和冲击能量；
52.如图13所示，崩塌落石区域距离坡脚的高度为h1，然后根据落石所在区域落石发育历史和地形条件，结合落石运动分析软件(例如rock fall软件)，预测落石运动轨迹和运动速度，得到不同位置落石的冲击能量e，，即
53.s2、确定能量耗散拦挡系统的布置位置和拦挡网3的高度；
54.确定拦挡系统的布置位置距离坡脚的高度为h2，以及支撑柱2的高度δh。拦挡系统的布置位置以及支撑柱2的高度须保证对山体崩塌落石的有效拦截，根据落石的运动轨迹，在保证安全防护高度的前提下，以大块体落石冲击在拦挡网3中心区域为佳。
55.s3、通过准静态试验或者动态试验对各类型耗能器(第一弹簧式耗能器9、第二弹簧式耗能器10合并为弹簧式耗能器)的性能进行表征；该步骤又包括：
56.s31、分别对各耗能器进行准静态试验或者动态试验获取荷载
‑
位移曲线；
57.s32、分析荷载
‑
位移曲线(如图9～12所示)，将其划分为弹性变形启动阶段(oa段)、能量耗散拦挡作用阶段(ab段)以及硬化收紧阶段(bc段)，由此获得激活点a处的启动荷载fa、硬化点b处的荷载fb和点c处对应的荷载fc，以及各阶段的位移δ
a
、δ
b
和δ
c
；
58.s33、由以下公式确定系统中各类耗能器的耗能能力：
59.对于弹簧式耗能器单位伸长量所耗散的能量：
60.对于摩擦式耗能器、局部变形式耗能器13以及局部破坏式耗能器12，其单位伸长量所耗散的能量：
61.其中，δ
max
表示准静态试验中耗能器的最大伸长量。
62.s4、初步确定各类型耗能器的配置方案，并通过缩尺冲击试验结合理论方法以检验系统对落石冲击动能的吸收和耗散能力；该步骤又包括：
63.s41、根据各类型耗能器件试验所得荷载
‑
位移数据，初步确定各类型耗能器的配置方案：弹簧式耗能器设置为n1个(n1≥4)、摩擦式耗能器11设置为n2个、局部变形式耗能器13设置为n3个、局部破坏式耗能器12设置为n4个；
64.s42、依据拦挡系统现有配置方案进行缩尺冲击试验，以拦挡网3不破坏、各支撑绳不断裂且各耗能器保持完整性为基准确定各耗能器的伸长量δ；
65.s43、由以下公式确定系统中各类耗能器的耗能能力：
66.对于弹簧式耗能所耗散的能量：
[0067][0068]
对于摩擦式耗能器11所耗散的能量：
[0069][0070]
对于局部变形式耗能器13所耗散的能量：
[0071][0072]
对于局部破坏式耗能器12所耗散的能量：
[0073][0074]
其中，δ
max，1
、δ
max，2
、δ
max，3
和δ
max，4
分别表示准静态试验中各类耗能器的最大伸长量，δ
s
、δ
f
、δ
d
和δ
p
则分别表示各类型耗能器在落石冲击过程中所发生的伸长量；
[0075]
s44、计算系统的总耗能，即：e
abs
＝e
spr
+e
f
+e
pd
+e
pf
；
[0076]
如果则应对各耗能器件重新配置，并进行缩比冲击试验，并
进行系统总耗能和落石冲击能得比较。
[0077]
此不同配置方案的冲击试验和耗能及冲击能的比较计算需反复进行，直到满足此时的耗能器件配置方案即为最终设计方案。
[0078]
最后说明的是，本文应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想，在不脱离本发明原理的情况下，还可对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明的保护范围内。