一种柔性拦挡网及其设计方法与流程

本发明涉及一种柔性防护结构，具体是涉及一种用于拦挡运动的松散岩土体尤其是泥石流和崩塌碎屑流等的柔性拦挡网及其设计方法。

背景技术：

柔性拦挡网相比于刚性的钢筋混凝土拦挡结构，具有优异的变形缓冲性能、良好的透水性、施工安装便捷和环境友好等诸多优势，在地质灾害、交通、矿山等领域得到了广泛的认可。现有的柔性拦挡网定型产品源自于对落石防护的需求，主要包括高强度的金属柔性网片、支撑柱、支撑绳、拉锚绳、耗能装置和相应的固定基础构成。在实际应用中发现，针对落石防护的柔性拦挡网对泥石流等松散流动状态岩土体造成的灾害也有不错的拦挡效果，进而演化出一系列针对泥石流等灾害的改进型柔性拦挡网。

落石冲击与松散岩土体冲击最大的区别在于，落石冲击以点状瞬时荷载为主要特征，石块的动能主要靠柔性拦挡网和附加的耗能装置本身来耗散；而松散岩土体的冲击荷载为面状分布，连续冲击时间长，相当一部分(甚至绝大部分)动能由岩土体内部的摩擦剪切作用耗散，而这种内部剪切耗能的效率取决于岩土体的抗剪切强度大小。岩土体的抗剪切强度取决于岩土体的应力状态，即垂直于剪切面上的正压力的大小。

现有的柔性拦挡网定型产品均由落石防护柔性拦挡网演化而来，继承了落石防护柔性拦挡网的金属柔性网面与斜坡坡面垂直或大角度(接近90度)相交的特点，即沿坡面向下运动的块石或松散岩土体近乎垂直地冲击柔性拦挡网。这种拦挡方式对落石冲击的点状荷载是非常合理的，但是对于松散岩土体的冲击，很明显，没有充分利用岩土体本身的应力(压力)状态相关的抗剪强度特点来拦挡高速冲击和高效地耗散动能。同时，松散岩土体的体积(质量)一般远大于单块落石，作用在与坡面垂直的金属柔性网上，引起整体性较大的结构内力，容易导致局部破坏甚至整体失稳，存在设计的不合理。上述问题的关键在于没有区分落石和松散岩土体本身的特性，这也说明针对松散岩土体(泥石流和崩塌碎屑流等)冲击防护的柔性拦挡网存在进一步改进的空间。

技术实现要素：

本发明是为了解决和克服现有柔性拦挡网不能充分利用松散岩土体自身强度和受冲击时柔性拦挡网整体内力较大的不足的问题，而提供一种结构布局合理，能充分调用松散岩土体自身强度来拦挡运动的岩土体和系统性地降低结构内力的柔性拦挡网及其设计方法。

本发明的技术方案如下：

上述的柔性拦挡网，包括支撑柱、支撑绳和金属柔性网；所述支撑柱由支撑柱主体和铰接于所述支撑柱主体底端的支撑柱基座构成；所述支撑绳连接于所述支撑柱之间，其包括连接于所述支撑柱的顶端与底端之间的纵向支撑绳、横向展开连接于所述支撑柱顶端之间的顶部支撑绳、横向穿过整个所述金属柔性网的中间支撑绳以及斜向横穿所述金属柔性网的斜支撑绳；所述金属柔性网的下部倾斜向斜坡下游布置；所述金属柔性网在未受冲击时处于松弛状态且底部采用短锚杆来固定位置，所述金属柔性网的底部存在冗余并向上游方向折叠或埋置于坡体内部；所述金属柔性网的上部连接所述顶部支撑绳，中段连接所述中间支撑绳。

所述柔性拦挡网，其中：所述中间支撑绳横向穿过所述金属柔性网并与两侧坡面锚固；所述纵向支撑绳一端连接所述支撑柱的顶端，另一端穿过倾斜向下游的所述金属柔性网到达网底部，然后沿坡面上行与同一根所述支撑柱的支撑柱基座连接。

所述柔性拦挡网，其中：所述斜支撑绳的上端连接于所述支撑柱的顶端，下端斜向穿过倾斜向下游的所述金属柔性网的网底部，沿坡面上行与相邻的所述支撑柱的支撑柱基座连接。

所述柔性拦挡网，其中：所述金属柔性网的下部倾斜向斜坡下游布置且与水平面的角度介于0-60度之间。

所述柔性拦挡网，其中：所述支撑柱包括至少两根端部支撑柱和位于所述端部支撑柱之间的中部支撑柱；为保证所述支撑柱在空间的平衡状态，所述端部支撑柱和中部支撑柱的顶端连接有倾斜向坡面上方的拉锚绳。

所述柔性拦挡网，其中：所述纵向支撑绳、斜支撑绳和拉锚绳的顶端以及所述顶部支撑绳和中间支撑绳的两端均连接有耗能装置，以缓冲冲击时的瞬间荷载和提供更大的柔性变形。

所述柔性拦挡网，其中：所述顶部支撑绳通过所述端部支撑柱和中部支撑柱张紧。

一种柔性拦挡网的设计方法，其包括以下步骤：

①作为一种摩擦材料，岩土体具有应力(压力)状态相关的抗剪强度，即

τ＝c+μσ(1)

上式(1)中，τ为岩土体的抗剪强度，c为岩土体的粘聚力，μ为岩土体的摩擦系数，σ为岩土体所受正应力；

②维持所述柔性拦挡网与坡面间的小角度夹角，通过所述柔性拦挡网施加于岩土体上的压力p，来成比例地提高所述柔性拦挡网单位宽度内的抗剪切力，即当

f＜c+μn＝c+μ(pcosψ+gcosθ)(2)

时，运动的岩土体将趋于静止，而静止的岩土体无法发生滑动；上式(2)中，f为坡面与岩土体间的摩擦阻力，n为坡面给予岩土体的支持力，p为柔性拦挡网施加于岩土体的压力，g为岩土体自身的重力，ψ为坡面与岩土体表面夹角，θ为坡面与水平面夹角；

③维持所述柔性拦挡网与坡面间的小角度夹角，以利于改善所述柔性拦挡网的纵向支撑绳的内部拉力t，所述纵向支撑绳的内部拉力t与运动岩土体的冲击力之间的关系为

t＝f/cos(ψ+θ)(3)

上式(3)中，t为纵向支撑绳的内部拉力，f为运动岩土体施加于柔性拦挡网的冲击力；所述柔性拦挡网与坡面的角度ψ+θ接近于垂直时，所述纵向支撑绳的内部拉力t趋向于无穷大；

根据以上分析，所述柔性拦挡网与坡面间的夹角ψ越小，所述纵向支撑绳的内部拉力t越小。

所述柔性拦挡网设计方法，其中：对于不存在所述纵向支撑绳的案例，其相应的所述金属柔性网的内力也趋向于无穷大。

有益效果：

本发明柔性拦挡网结构布局合理，能充分调用松散岩土体自身强度来拦挡运动的岩土体和系统性地降低结构内力，具体优点体现在以下几点：

(1)在松散岩土体首次冲击柔性拦挡网时，拦挡网给岩土体施加限制压力从而提高了岩土体所受到的约束力，进而提高岩土体的抗剪强度，促进运动岩土体动能的耗散和提高拦挡效率；

(2)另一方面，后续松散岩土体再次冲击已经拦停部分岩土体的柔性拦挡网时，实际上直接冲击处于静止状态的岩土体，这部分岩土体在柔性拦挡网限制下具有较高的抗剪强度和抗滑移能力，加之本身具有的惯性质量，能够轻易地拦停后续运动的岩土体，即静止状态的岩土体不再简单地是柔性拦挡网的荷载，而是能够有效拦挡后续岩土体冲击的柔性拦挡网-静止岩土体构成的复合结构；

(3)从结构受力角度，在同样的冲击力作用下，柔性拦挡网与坡面之间的小角度夹角的能够系统性地减小支撑绳的内力；

综合以上三个方面，具有倾斜角度的柔性拦挡网能够显著地提高柔性拦挡网的承载力，优化结构内力，减少材料用量和后期维护成本，提高防护工程的性价比；本发明适用于拦挡各种松散运动物体的柔性拦挡网，尤其适用于拦挡泥石流和崩塌碎屑流等的柔性拦挡网。

附图说明

图1为本发明柔性拦挡网的平面结构示意图；

图2为本发明柔性拦挡网的侧视图；

图3是松散岩土体冲击本发明柔性拦挡网的过程；

图4是松散岩土体受力分析图示；

图5为本发明柔性拦挡网的纵向支撑绳的受力分析图示；

图6本发明柔性拦挡网另一种实施方式平面图。

图4、5中，p柔性拦挡网施加于岩土体的压力，g岩土体自身的重力，n坡面给予岩土体的支持力，f坡面与岩土体间的摩擦阻力，ψ坡面与岩土体表面夹角，θ坡面与水平面夹角，f运动岩土体施加于柔性拦挡网的冲击力，t纵向支撑绳的内部拉力。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明柔性拦挡网，包括支撑柱1、支撑绳2、金属柔性网3、拉锚绳4、耗能装置5和短锚杆6。

该支撑柱1包括两根端部支撑柱11和位于两根端部支撑柱11之间的中部支撑柱12，为保证支撑柱1在空间的平衡状态，端部支撑柱11和中部支撑柱12的顶端连接倾斜向坡面上方的拉锚绳4；该支撑柱1即端部支撑柱11和中部支撑柱12均由支撑柱主体和铰接于支撑柱主体底端的支撑柱基座构成。

该支撑绳2连接于支撑柱1之间，其包括连接于支撑柱1的顶端与底端之间的纵向支撑绳20、横向展开连接于支撑柱1顶端之间的顶部支撑绳21、横向穿过整个金属柔性网3的中间支撑绳22以及斜向横穿金属柔性网3的斜支撑绳23。其中，该顶部支撑绳21通过端部支撑柱11和中部支撑柱12张紧；该中间支撑绳22横向连接金属柔性网3并与两侧坡面锚固；每相邻两根支撑柱1之间连接有两根斜支撑绳23，该斜向支撑绳23和中间支撑绳22均不是必需的，可根据坡角和松散岩土体规模而适当确定。该纵向支撑绳20一端连接支撑1柱的端部支撑柱11(或中部支撑柱12)顶端，另一端穿过倾斜向下游的金属柔性网3到达网的底部，然后沿坡面上行与同一根端部支撑柱11(或中部支撑柱12)的支撑柱基座连接。每相邻两根支撑柱1之间的两根斜支撑绳23的上端连接于相邻两根支撑柱1的顶端，下端穿过倾斜向下游的金属柔性网3的网底部，然后沿坡面上行分别与相邻两根支撑柱1的支撑柱基座连接，即同一跨间的两根斜向支撑绳23交叉穿过金属柔性网3底部后连接到相邻两根支撑柱1的支撑柱基座。

如图2所示，该金属柔性网3的上部连接支撑绳2的顶部支撑绳21，中段连接中间支撑绳22；其中，该金属柔性网3的下部倾斜向斜坡下游布置且与水平面的角度介于0-60度之间，可以依据坡面角度作相应调整；该金属柔性网3在未受冲击时处于松弛状态且底部采用短锚杆6来固定位置，同时，该金属柔性网3的底部存在冗余并向上游方向折叠或埋置于坡体内部。

该纵向支撑绳20、斜支撑绳23和拉锚绳4的顶端以及顶部支撑绳21和中间支撑绳22的两端均连接有耗能装置5，以缓冲冲击时的瞬间荷载和提供更大的柔性变形；其中，该耗能装置5可以根据情况采用不同的布置数量、位置和形式。

如图3所示，本发明柔性拦挡网在受冲击后处于张紧状态，冲击过程中的松散岩土体7受柔性拦挡网的约束，其受力分析如图4所示；后续运动松散岩土体8直接冲击松散岩土体7，而不是柔性拦挡网本身。

如图5所示，纵向支撑绳20在施加于柔性拦挡网的冲击力f、松散岩土体自身重力g和纵向支撑绳的内部拉力t三者之间达到平衡状态。

图6所示的柔性拦挡网与图1所示柔性拦挡网主要区别在于应用的地形条件不同，图1所示柔性拦挡网主要适用于坡面型泥石流和崩塌碎屑流，即松散岩土体沿平面斜坡向下运动的情形，拦挡网在宽度方向可以无限延伸；而图6所示柔性拦挡网主要适用于沟谷型泥石流和崩塌碎屑流，即松散岩土体沿两侧存在限制的凹型沟槽向下运动的情形。具体实施如下：端部支撑柱11由锚固于凹型沟槽两侧侧壁上的上下布置的锚索13替代，中部支撑柱12在凹型沟槽宽度较小的情况下可以取消，柔性金属网3在拦挡网两侧向侧壁上的上下布置的锚索13收拢，总体呈口袋状，中间支撑绳22不再直接锚固于坡面，而是与锚索13直接连接。

本发明柔性拦挡网的设计方法或设计原理如下：

①作为一种摩擦材料，岩土体具有应力(压力)状态相关的抗剪强度，即

τ＝c+μσ(1)

式中，τ为岩土体的抗剪强度，c为岩土体的粘聚力，μ为岩土体的摩擦系数，σ为岩土体所受正应力。

②本发明维持柔性拦挡网与坡面间的小角度夹角，通过柔性拦挡网施加于岩土体上的压力p(受力分析图示见图3和图4)，来成比例地提高所述柔性拦挡网单位宽度内的抗剪切力，即当

f＜c+μn＝c+μ(pcosψ+gcosθ)(2)

时，运动的岩土体将趋于静止，而静止的岩土体无法发生滑动。式中，f为坡面与岩土体间的摩擦阻力，n为坡面给予岩土体的支持力，p为柔性拦挡网施加于岩土体的压力，g为岩土体自身的重力，ψ为坡面与岩土体表面夹角，θ为坡面与水平面夹角。这里忽略柔性拦挡网与岩土体之间的摩擦力，松散岩土体的粘聚力c一般趋近于零。

③本发明维持柔性拦挡网与坡面间的小角度夹角，也有利于改善柔性拦挡网纵向支撑绳的内部拉力t(受力分析图示见图5)，纵向支撑绳的内部拉力t与运动岩土体的冲击力之间的关系为

t＝f/cos(ψ+θ)(3)

式中，t为纵向支撑绳的内部拉力，f为运动岩土体施加于柔性拦挡网的冲击力。拦挡网与坡面的角度ψ+θ接近于垂直时，纵向支撑绳的内部拉力t趋向于无穷大；对于不存在纵向支撑绳的案例，其相应的金属柔性网的内力也趋向于无穷大。根据以上分析，拦挡网与坡面间的夹角ψ越小，纵向支撑绳的内部拉力t越小。

本发明结构设计简单、合理，能充分调用松散岩土体自身强度来拦挡运动的岩土体和系统性地降低结构内力，有效克服现有柔性拦挡网不能充分利用松散岩土体自身强度和受冲击时柔性拦挡网整体内力较大的不足的问题。