CN112818453A - 高陡边坡落石灾害的柔性防护4d能量控制设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高陡边坡落石灾害柔性防护4D能量控制设计方法，包括：建立了落石在边坡路径上的法向弹跳压制、横坡向约束引导、纵坡向摩阻强化及落石崩落时间历程上的分布式耗能控制方法，基于碰撞理论的截停动能预测方法以及基于能量分配的4D柔性防护系统设计方法，开发了基于4D消能的柔性防护网系统，实现了落石锋面动能前段拦阻、中间段引导耗能、尾段约束截停的全时间历程综合防控，突破了目前落石崩塌防护措施只能局限于特定点位被动二维防护的局限。
Description
技术领域
本申请涉及边坡地质灾害防护领域，具体为一种用于高陡边坡落石灾害的柔性防护4D能量控制设计方法，适用于交通、国土、城镇建设和军事等领域的崩塌落石防护。
背景技术
中国是多山国家，交通沿线、采矿厂、水利设施等常建设于高陡边坡旁，而高陡边坡为崩塌落石的重灾区，由于落石脱落位置高、坡面陡峭无有效拦挡，落石的冲击力更大，因此其破坏性也更强。建设高效、安全的落石灾害防护工程迫在眉睫。
柔性防护技术因其防护效果好、施工难度低、维养成本低等优点被广泛用于崩塌落石灾害防护领域。原理上，柔性防护主要分为主动防护和被动防护两大类。主动防护技术主要利用高强钢丝绳网包覆坡体岩面，通过绳网的箍束作用，抑制危岩落石的滑动发育，但受实际施工条件、丝网材料松弛等因素影响，主动防护的箍束效应非常有限，岩石容易出现滑脱并在网内悬空堆积，导致二次灾害。被动防护技术主要利用布置于落石预测轨迹上的防护网系统，进行“集中拦截与消能”，实现落石防护。由于防护系统集中布置于落石路径上某特定位置，因此对防护系统的抗冲击韧性和消能能力均提出了很高要求。加之受落石弹跳高度制约，系统常需设置在弹跳高度相对最低的特定坡面位置，落石拦截后一旦产生堆积，会导致与主动网系统类似的二次灾害风险。因此，针对高陡边坡崩塌落石，研究新的柔性防护原理和技术显得尤为必要，本发明建立了一种综合三维空间及时间历程的综合防控技术，突破了传统柔性防护技术仅限于局部点位二维防护的局限以及仅在特定冲击时段的能量匹配设计实现了时间历程的能量演化评价及全空间尺度上的综合防控，，可解决超高能量落石崩塌冲击防护、落石二次堆积、落石空间轨迹的控制以及动能演化历程的控制等综合技术难题。
发明内容
针对上述问题，本申请目的在于提供一种用于高陡边坡落石灾害的柔性防护4D能量控制设计方法，该方法基于4D消能原理，建立了落石在边坡路径上的法向弹跳压制、横坡向约束引导、纵坡向摩阻强化及落石崩落时间历程上的分布式消能控制方法，实现了落石锋面动能前段拦阻、中间段引导消能、尾段约束捕获的全过程综合防控。
为实现上述目的，本申请采用如下技术方案：
一种高陡边坡落石灾害的柔性防护4D能量控制设计方法，包括如下步骤：
步骤（1）：将落石的运动历程划分为拦阻段、引导段和截停段，各段分别设置拦阻子系统、引导子系统和截停子系统；
步骤（2）：明确能量耗散比例，根据落石动能演化过程，总消能控制方程为：
式中，E total为落石初始总能量，即防护过程需要消耗的能量，可取落石初始势能，零势能面为截停子系统所在平面；E d 0为落石跌落阶段与坡面碰撞接触产生的消能，E d Ⅰ为拦阻子系统消能；E d Ⅱ为引导子系统消能；E d Ⅲ为截停子系统消能；μ i 为各阶段消能比例系数，系数具体取值需根据综合考虑地质勘察、轨迹预测分析以及防护需求等因素；
步骤（3）：对各子系统进行选型及布置
根据步骤（2）中各子系统的能量耗散比例关系，选择各子系统的结构组成配置方式，包括钢柱截面型式和尺寸、钢丝绳截面尺寸及根数、消能器数量及连接方式、网片型式及规格；
步骤（4）：建立计算模型并进行冲击加载
根据步骤（3）选定的系统配置，建立防护系统的计算模型；对模型进行加载前，应进行找形，模拟模型的初始垂度；
步骤（5）：对防护系统动力响应进行分析及构件验算
基于步骤（4）的冲击加载计算结果，分析防护系统中各构件的内力、变形及位移的时程变化，并确定其峰值；当出现组件内力峰值过大的时候，对系统结构布置进行调整；保证截停子系统的最大变形D max不超过防护限界所要求的变形限值[D]；对钢柱的强度和稳定性进行验算；
步骤（6）：对系统进行消能评估
统计时间历程上各阶段的消能情况，计算各阶段消能比例系数μ i ，与步骤（2）初始的各阶段效能比例系数μ i 进行对比校验，保证μ Ⅰ和μ Ⅲ误差不超过20%；
步骤（7）：进行4D防护网系统的构造设计。
进一步地，所述步骤（1）中各阶段消能比例系数μ i 为：
根据试验结果统计和设计经验，μ 0取值0.05~0.15，其值取决于拦阻子系统安装的位置，通常地，拦阻子系统安装于落石弹跳高度最小处；μ Ⅰ取值0.05~0.15，其值取决于冲击能量大小，系统安装方式以及拦阻子系统的配置；μ Ⅱ取值0.6~0.8，其值取决于坡面长度、角度以及引导子系统的配置；μ Ⅲ取值0.1~0.2，其值取决于截停子系统的抗冲击能力以及拦阻子系统和引导子系统的消能能力。
进一步地，所述拦阻子系统用于实现落石锋面动能前段拦阻，将落石捕获进入系统和坡面共同形成的耗能空间内；所述引导子系统通过结构自重形成“被盖效应”，用于压制落石的法向弹跳并增强纵坡向摩阻效应；所述引导子系统与坡面凹部共同形成“沟道效应”，用于限制落石下滑路径，使其沿沟道下滑。
进一步地，所述步骤（3）中各子系统应按照相应的能量控制方程进行结构配置，其中，b i 决定相应子系统耗能装置的耗能储备，从而为耗能装置配置的数量及规格提供设计依据；c i 决定子系统中滑移耗能量，可为确定钢丝绳和网环的滑移量以及滑移节点设计提供依据；d i 决定子系统中钢丝绳、钢柱、网片类型的配置；p i 由系统质量阻尼间接影响，该系数为网片、钢丝绳规格选择的设计依据。具体如下：
拦阻子系统对落石的消能表达式为：
其中，i=I, II, III，b I为拦阻阶段消能装置消能系数，根据既有研究，其值可取0.6；C I为拦阻阶段防护系统的阻尼消能系数，包括如系统单元间的摩擦滑移、落石与系统的摩擦运动产生的消能，该值范围在0.2~0.3；d I为拦阻阶段系统的塑性变形消能系数，主要包含支撑结构、丝网和绳索的塑性损伤耗能，系统正常工作时，取值0.1~0.2。
进一步地，引导子系统对落石的消能表达式为：
其中，b II为引导阶段消能装置耗能系数，描述与横向加劲绳相连的消能器耗能，取值0.1~0.2；c II为引段的阻尼消能系数，主要描述丝网的内摩擦及丝网与落石的摩擦作用取值0.2~0.3；d II为引导阶段系统结构的塑性耗能系数，取值0.05~0.1；p II为引导阶段大地耗能系数，主要反映落石与坡面的摩擦、撞击耗能，取值0.5~0.6。
进一步地，截停子系统（3）对落石的消能表达式为：
其中，b III为捕获阶段消能装置耗能系数，描述与下支撑绳相连的消能器耗能，取值0.2~0.3；c III为引段的阻尼消能系数，主要描述丝网的内摩擦及丝网与落石的摩擦作用取值0.1~0.2；d III为引导阶段系统结构的塑性耗能系数0.2~0.3；p III为引导阶段大地耗能系数，主要反映落石与坡面的摩擦、撞击耗能，取值0.2~0.5。
进一步地，提出预测模型，用以预估落石进入截停子系统（3）时的截停动能：
定义落石与山体碰撞前后的动能比值定义其碰撞能量恢复系数γ为：
式中E kin为落石碰撞前的动能，E k out为碰撞后的动能；忽略落石碰撞后的质量损失，则每一次碰撞的碰撞能量恢复系数可表达为：
式中v in为落石碰撞前的速度，v out为碰撞后的速度；则落石在经历m次碰撞后进入截停子系统，此时截停动能为：
假定坡面为匀质坡面，则下碰撞能量恢复系数γ i 为一常数γ，根据文献统计γ取值范围大致在0.3~0.6，具体取值与坡面角度、岩石种类、坡面植被覆盖状况以及落石冲击角度等有关；假定每次弹跳下落高度相等，即E total=mΔE；则落石发生m次碰撞的下落过程进入截停前截停动能E inter计算公式可简化为：
碰撞能量恢复系数γ可通过资料或者落石试验获得，通过控制碰撞次数m即可预测所述落石截停动能E inter，从而为确定所述各阶段消能比例系数μ i 提供依据。
进一步地，所述拦阻子系统包括钢柱，所述钢柱底端铰接于支座上，上拉锚绳和侧拉锚绳与钢柱顶端通过卸扣连接并锚固于坡面，上支撑绳穿过钢柱顶端，次支撑绳为拦阻子系统下界，上支撑绳、次支撑绳均锚固于4D柔性防护系统两侧；网片悬挂于上支撑绳、次支撑绳上；
消能器设置在所述上拉锚绳、侧拉锚绳、上支撑绳和下支撑绳上；
进一步地，所述引导子系统包括纵向设置的引导绳和网片，用于压制落石弹跳并引导落石滚落轨迹；
所述截停子系统包括下支撑绳和网片，用于在合理的位置捕获截停动能较低的落石；
所述的网片的型式包括环形网片、菱形网片和Ω形网片，网片与上支撑绳、引导绳的连接形式包括钢丝绳绕行穿过网片、采用卸扣连接或缝合绳连接。
横向加劲绳，所述横向加劲绳穿过网片，加劲绳设置密度根据防护要求而定。
进一步地，将防护系数β用以评价该类系统的防护效果，对比有防护系统干预情况下截停动能E inter与无防护情况下触地动能E ground：
与现有技术相比，本申请具有以下有益效果：
1. 本发明突破了传统被动防护技术在特定点位构成有限防护空间的不足，实现了落石冲击能量在坡面三维空间及落石路径时间历程上的综合防控，通过柔性防护网系统在空间及落石轨迹历程上的合理设置，建立分布式的非线性弹簧阻尼系统，形成“被盖效应”及“导流槽效应”；
2. 本发明实现沿坡面三维空间的分布式消能与落石轨迹的有效控制。采用“拦阻-压制-引导-截停”的链条式防护策略，实现落石在三维空间和时间历程上的4D防护，尤其适合高陡边坡万焦级以上的超大落石崩塌灾害防治。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图 1 为本申请一种高陡边坡落石灾害的柔性防护4D能量控制设计方法的4D柔性防护系统组成及作用效果示意图；
图2为本申请一种高陡边坡落石灾害的柔性防护4D能量控制设计方法的“沟道效应”引导落石的滚落轨迹、约束落石横向偏移；
图3为本申请一种高陡边坡落石灾害的柔性防护4D能量控制设计方法的落石能量演化图；
图4为本申请一种高陡边坡落石灾害的柔性防护4D能量控制设计方法的4D柔性防护系统的结构计算模型；
图5为本申请一种高陡边坡落石灾害的柔性防护4D能量控制设计方法的数值计算落石轨迹；
图6为本申请一种高陡边坡落石灾害的柔性防护4D能量控制设计方法的落石的能量时程演化；
图7为本申请一种高陡边坡落石灾害的柔性防护4D能量控制设计方法的有无防护网落石轨迹对比图；
图8为本申请一种高陡边坡落石灾害的柔性防护4D能量控制设计方法的有无防护网落石动能时间历程变化对比图。
上述附图中，相同的附图标记用来表示相同的结构或部件，附图标记对应的结构或部件名称如下：
1-拦阻子系统 11-钢柱 12-支座 13-上拉锚绳 14-侧拉锚绳 15-上支撑绳16-次支撑绳2-引导子系统 21-引导绳 3-截停子系统 31-下支撑绳 41-网片 42-消能器 43-加劲绳 44-落石 45-减压环 46-二十六面体 47-环形网和双绞六边形网
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
参见图1-6，本申请的一种高陡边坡落石灾害的柔性防护4D能量控制设计方法，包括如下步骤：
步骤（1）：将落石的运动历程划分为拦阻段、引导段和截停段，各段分别设置拦阻子系统（1）、引导子系统（2）和截停子系统（3）；
步骤（2）：明确能量耗散比例，根据落石动能演化过程，总消能控制方程为：
式中，E total为落石初始总能量，即防护过程需要消耗的能量，可取落石初始势能，零势能面为截停子系统所在平面；E d 0为落石跌落阶段与坡面碰撞接触产生的消能，E d Ⅰ为拦阻子系统消能；E d Ⅱ为引导子系统消能；E d Ⅲ为截停子系统消能；μ i 为各阶段消能比例系数，系数具体取值需根据综合考虑地质勘察、轨迹预测分析以及防护需求等因素；
步骤（3）：对各子系统进行选型及布置
根据步骤（2）中各子系统的能量耗散比例关系，选择各子系统的结构组成配置方式，包括钢柱截面型式和尺寸、钢丝绳截面尺寸及根数、消能器数量及连接方式、网片型式及规格；
步骤（4）：建立计算模型并进行冲击加载
根据步骤（3）选定的系统配置，建立防护系统的计算模型；优选地，所建的计算模型不小于三跨；并根据防护系统的设计防护能级对应的冲击能量，确定相应的冲击块及其质量、冲击速度；
对模型进行加载前，应进行找形，模拟模型的初始垂度；考虑到系统初始建模形态为平面，与山体不贴合，同时系统自重作用下存在悬垂变形，因此，冲击计算之前需要确定自重作用下的系统形态，即找形，用于模拟系统与坡面贴体接触形成的初始形态；完成找形后，即可进行冲击加载。
步骤（5）：对防护系统动力响应进行分析及构件验算
基于步骤（4）的冲击加载计算结果，分析防护系统中各构件的内力、变形及位移的时程变化，并确定其峰值；当出现组件内力峰值过大的时候，对系统结构布置进行调整；保证截停子系统的最大变形D max不超过防护限界所要求的变形限值[D]；对钢柱的强度和稳定性进行验算；
步骤（6）：对系统进行消能评估
统计时间历程上各阶段的消能情况，计算各阶段消能比例系数μ i ，与步骤（2）初始的各阶段效能比例系数μ i 进行对比校验，保证μ Ⅰ和μ Ⅲ误差不超过20%；
步骤（7）：进行4D防护网系统的构造设计。
实施例
本申请实施例结合实际某采石场矿坑高陡边坡落石灾害防护需求进行设计，其中，矿坑平面呈方形，边长约400m，坑壁为人工开挖多级台阶形陡坡。坡面为轻微风化的灰岩，表面覆盖薄黄土层和破碎石砾。矿坑侧壁为5级阶梯形陡坡，坡高约82m，坡度约60°，防护目标为2t的落石从坡顶自由下落。
本申请实施例采用4D综合柔性防控方法对落石灾害进行治理，参见图1。其中，4D柔性防护系统由三个子系统组成，分别为拦阻子系统1、引导子系统2和截停子系统3。通过拦阻子系统1实现落石封面动能前段拦阻，将落石捕获进入系统和坡面共同形成的耗能空间内。通过引导子系统2的结构自重形成“被盖效应”，压制落石的法向弹跳并增强纵坡向摩阻效应，引导子系统2与坡面凹部共同形成“沟道效应”，参见图2，落石沿沟道下滑，其路径受到限制。在引导子系统2设置引导绳21，将网面沿纵坡向分割为条状区块，从而实现落石横坡向运动的约束强化作用。如图3，在引导子系统2的压制和约束下，落石以较低的残余动能进入截停子系统3，此时落石对系统的冲击较小，相比于被动网，对系统的抗冲击要求较低。并且，由于系统对落石轨迹有引导作用，落石最终将堆积在预设位置，清理工作将大幅简化。
本发明实施例的高陡边坡落石灾害的柔性防护4D能量控制设计方法的的具体设计过程如下：
步骤（1）：明确能量耗散比例，根据落石动能演化过程，确定总消能控制方程：
防护目标为2.2t落石，坡高82m，则E total为1800kJ。通过地质勘察及轨迹预测分析，确定将拦阻子系统的钢柱安装在第二级台阶上，与坡顶垂直高度约15m，根据经验，落石自由下落段碰撞消耗能量比例系数约10%~15%，拦截子系统耗能能力约为5%~10%。系统向下延伸至坡底，使用锚钉将系统底部封口，根据截停动能预测以及系统设计要求，截停动能需控制在300kJ以下。因此，能量控制方程为：
步骤（2）：对各子系统进行选型及布置
结构布置如图4所述，其中每一联跨度L为10m，拦阻子系统长度H 1为5m，引导子系统长度H 2为65m。根据各子系统相应的能量控制方程，系统配置如下：
表1 系统初步配置表
步骤（3）建立有限元计算模型并进行冲击加载
如图5-6，根据步骤（2）选定的系统配置及结构布置，采用有限元程序LS-DYNA建立三跨有限元模型。立柱采用具有压弯特性的空间梁单元，支撑绳及拉锚绳采用索单元，网片采用膜单元进行等效从而提高计算效率。通过在柱脚建立不同方向的铰节点模型单元，考虑立柱绕强轴和弱轴方向的转动。通过建立滑移接触边界模型和库伦摩擦边界模型，实现支撑绳沿立柱端部滑移和网片沿支撑绳滑移等特征。在进行加载前，首先进行自重状态下找形，还原系统与坡体的接触形态。冲击加载方式为二十六面体冲击锤从坡顶自由下落，冲击锤质量为2.2t。
步骤（4）：对系统动力响应进行分析及构件验算
对分析结构中各构件的内力、变形及位移的时程变化，并确定其峰值。计算结果显示，各构件承载力储备指标均满足。截停子系统最大变形D max为3.3m，因此D max=3.3m<[D]=5m，满足验算要求。
步骤（5）：对系统进行消能评估
根据落石时程上伤能量演化统计结果，可得各阶段的消能情况，计算各阶段消能比例系数μ i ，与预估各节点消能比例系数相比，拦阻段和截停段均满足要求。
表2各阶段消能比例系数
步骤（6）：进行4D防护网系统的构造设计。
在进行4D柔性防护系统的构造设计时，系统各部件之间的连接需满足以下构造要求：保证结构各部件之间的连接需具备可靠性；保证上支撑绳与钢柱之间的相对滑移要求，同时保证耗能器可以充分启动；保证荷载能够充分有效地传递至拉锚绳；网片与钢丝绳之间的连接应满足网片沿钢丝绳的滑移要求；采用钢丝绳夹、铝合金压制接头、卸扣时，应符合相应规范的规定。
为对比防护效果，数值模拟无防护条件下落石自由滚落的工况。如图7，与无防护工况相比，落石弹跳高度明显下降，落石与坡面的碰撞次数大幅提升，并且落石横向偏移也受到约束，提升幅度普遍超过50%。如图8，防护条件下落石截停动能为198kJ，无防护条件下落石触地动能为524kJ，则防护系数为0.62。
本申请的高陡边坡落石灾害的柔性防护4D能量控制设计方法突破了传统被动防护技术在特定点位构成有限防护空间的不足，实现了落石冲击能量在坡面三维空间及落石路径时间历程上的综合防控，通过柔性防护网系统在空间及落石轨迹历程上的合理设置，建立分布式的非线性弹簧阻尼系统，形成“被盖效应”及“导流槽效应”；实现沿坡面三维空间的分布式消能与落石轨迹的有效控制。采用“拦阻-压制-引导-截停”的链条式防护策略，实现落石在三维空间和时间历程上的4D防护，尤其适合高陡边坡万焦级以上的超大落石崩塌灾害防治。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种高陡边坡落石灾害的柔性防护4D能量控制设计方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤（1）：将落石的运动历程划分为拦阻段、引导段和截停段，各段分别设置拦阻子系统（1）、引导子系统（2）和截停子系统（3）；
步骤（2）：明确能量耗散比例，根据落石动能演化过程，总消能控制方程为：
式中，E total为落石初始总能量，即防护过程需要消耗的能量，可取落石初始势能，零势能面为截停子系统所在平面；E d 0为落石跌落阶段与坡面碰撞接触产生的消能，E d Ⅰ为拦阻子系统消能；E d Ⅱ为引导子系统消能；E d Ⅲ为截停子系统消能；μ i 为各阶段消能比例系数，系数具体取值需根据综合考虑地质勘察、轨迹预测分析以及防护需求等因素；
步骤（3）：对各子系统进行选型及布置
根据步骤（2）中各子系统的能量耗散比例关系，选择各子系统的结构组成配置方式，包括钢柱截面型式和尺寸、钢丝绳截面尺寸及根数、消能器数量及连接方式、网片型式及规格；
步骤（4）：建立计算模型并进行冲击加载
根据步骤（3）选定的系统配置，建立防护系统的计算模型；对模型进行加载前，应进行找形，模拟模型的初始垂度；
步骤（5）：对防护系统动力响应进行分析及构件验算
基于步骤（4）的冲击加载计算结果，分析防护系统中各构件的内力、变形及位移的时程变化，并确定其峰值；当出现组件内力峰值过大的时候，对系统结构布置进行调整；保证截停子系统的最大变形D max不超过防护限界所要求的变形限值[D]；对钢柱的强度和稳定性进行验算；
步骤（6）：对系统进行消能评估
统计时间历程上各阶段的消能情况，计算各阶段消能比例系数μ i ，与步骤（2）初始的各阶段效能比例系数μ i 进行对比校验，保证μ Ⅰ和μ Ⅲ误差不超过20%；
步骤（7）：进行4D防护网系统的构造设计。
2.根据权利要求1所述的一种高陡边坡落石灾害的柔性防护4D能量控制设计方法，其特征在于：所述步骤（1）中各阶段消能比例系数μ i 为：
根据试验结果统计和设计经验，μ 0取值0.05~0.15，其值取决于拦阻子系统安装的位置，通常地，拦阻子系统安装于落石弹跳高度最小处；μ Ⅰ取值0.05~0.15，其值取决于冲击能量大小，系统安装方式以及拦阻子系统的配置；μ Ⅱ取值0.6~0.8，其值取决于坡面长度、角度以及引导子系统的配置；μ Ⅲ取值0.1~0.2，其值取决于截停子系统的抗冲击能力以及拦阻子系统和引导子系统的消能能力。
3.根据权利要求1或2所述的高陡边坡落石灾害的柔性防护4D能量控制设计方法，其特征在于：所述拦阻子系统（1）用于实现落石锋面动能前段拦阻，将落石捕获进入系统和坡面共同形成的耗能空间内；所述引导子系统（2）通过结构自重形成“被盖效应”，用于压制落石的法向弹跳并增强纵坡向摩阻效应；所述引导子系统（2）与坡面凹部共同形成“沟道效应”，用于限制落石下滑路径，使其沿沟道下滑。
4.根据权利要求1或2所述的高陡边坡落石灾害的柔性防护4D能量控制设计方法，其特征在于：所述步骤（3）中各子系统应按照相应的能量控制方程进行结构配置，其中，b i 决定相应子系统耗能装置的耗能储备，从而为耗能装置配置的数量及规格提供设计依据；c i 决定子系统中滑移耗能量，可为确定钢丝绳和网环的滑移量以及滑移节点设计提供依据；d i 决定子系统中钢丝绳、钢柱、网片类型的配置；p i 由系统质量阻尼间接影响，该系数为网片、钢丝绳规格选择的设计依据，具体如下：
拦阻子系统（1）对落石的消能表达式为：
其中，i=I, II, III，b I为拦阻阶段消能装置消能系数，根据既有研究，其值可取0.6；C I为拦阻阶段防护系统的阻尼消能系数，包括如系统单元间的摩擦滑移、落石与系统的摩擦运动产生的消能，该值范围在0.2~0.3；d I为拦阻阶段系统的塑性变形消能系数，主要包含支撑结构、丝网和绳索的塑性损伤耗能，系统正常工作时，取值0.1~0.2。
5.根据权利要求1或2所述的高陡边坡落石灾害的柔性防护4D能量控制设计方法，其特征在于：引导子系统（2）对落石的消能表达式为：
其中，b II为引导阶段消能装置耗能系数，描述与横向加劲绳相连的消能器耗能，取值0.1~0.2；c II为引段的阻尼消能系数，主要描述丝网的内摩擦及丝网与落石的摩擦作用取值0.2~0.3；d II为引导阶段系统结构的塑性耗能系数，取值0.05~0.1；p II为引导阶段大地耗能系数，主要反映落石与坡面的摩擦、撞击耗能，取值0.5~0.6。
6.根据权利要求1或2所述的高陡边坡落石灾害的柔性防护4D能量控制设计方法，其特征在于：截停子系统（3）对落石的消能表达式为：
其中，b III为捕获阶段消能装置耗能系数，描述与下支撑绳相连的消能器耗能，取值0.2~0.3；c III为引段的阻尼消能系数，主要描述丝网的内摩擦及丝网与落石的摩擦作用取值0.1~0.2；d III为引导阶段系统结构的塑性耗能系数0.2~0.3；p III为引导阶段大地耗能系数，主要反映落石与坡面的摩擦、撞击耗能，取值0.2~0.5。
7.根据权利要求1或2所述的高陡边坡落石灾害的柔性防护4D能量控制设计方法，其特征在于：提出预测模型，用以预估落石进入截停子系统（3）时的截停动能：
定义落石与山体碰撞前后的动能比值定义其碰撞能量恢复系数γ为：
式中E kin为落石碰撞前的动能，E k out为碰撞后的动能；忽略落石碰撞后的质量损失，则每一次碰撞的碰撞能量恢复系数可表达为：
式中v in为落石碰撞前的速度，v out为碰撞后的速度；则落石在经历m次碰撞后进入截停子系统，此时截停动能E inter为：
假定坡面为匀质坡面，则下碰撞能量恢复系数γ i 为一常数γ，根据文献统计γ取值范围大致在0.3~0.6，具体取值与坡面角度、岩石种类、坡面植被覆盖状况以及落石冲击角度等有关；假定每次弹跳下落高度相等，即E total=mΔE；则落石发生m次碰撞的下落过程进入截停前截停动能E inter计算公式可简化为：
碰撞能量恢复系数γ可通过资料或者落石试验获得，通过控制碰撞次数m即可预测所述落石截停动能E inter ，从而为确定所述各阶段消能比例系数μ i 提供依据。
8.根据权利要求1-7之一所述的高陡边坡落石灾害的柔性防护4D能量控制设计方法，其特征在于：所述拦阻子系统（1）包括钢柱（11），所述钢柱（11）底端铰接于支座（12）上，上拉锚绳（13）和侧拉锚绳（14）与钢柱（11）顶端通过卸扣连接并锚固于坡面，上支撑绳（15）穿过钢柱（11）顶端，次支撑绳（16）为拦阻子系统（1）下界，上支撑绳（15）、次支撑绳（16）均锚固于4D柔性防护系统两侧；网片（41）悬挂于上支撑绳（15）、次支撑绳（16）上；
消能器（42）设置在所述上拉锚绳（13）、侧拉锚绳（14）、上支撑绳（15）和下支撑绳（31）上。
9.根据权利要求1或8所述的高陡边坡落石灾害的柔性防护4D能量控制设计方法，其特征在于：所述引导子系统（2）包括纵向设置的引导绳（21）和网片（41），用于压制落石弹跳并引导落石滚落轨迹；
所述截停子系统（3）包括下支撑绳（31）和网片（41），用于在合理的位置捕获截停动能较低的落石；
所述的网片（41）的型式包括环形网片、菱形网片和Ω形网片，网片（41）与上支撑绳（15）、引导绳（21）的连接形式包括钢丝绳绕行穿过网片、采用卸扣连接或缝合绳连接；
横向加劲绳（43），所述横向加劲绳（43）穿过网片（41），加劲绳（43）设置密度根据防护要求而定。
10.根据权利要求1或2所述的高陡边坡落石灾害的柔性防护4D能量控制设计方法，其特征在于：将防护系数β用以评价该类系统的防护效果，对比有防护系统干预情况下截停动能E inter与无防护情况下触地动能E ground：
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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