一种柔性拦挡网及其设计方法技术

本发明专利技术涉及一种柔性拦挡网及其设计方法，该柔性拦挡网包括支撑柱、支撑绳和金属柔性网等主要构件；支撑柱由支撑柱主体和支撑柱基座构成；支撑绳包括纵向支撑绳、顶部支撑绳、中间支撑绳以及连接于支撑柱与金属柔性网之间的斜支撑绳；金属柔性网的下部倾斜向斜坡下游布置；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，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。本发明专利技术结构布局合理，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。

【技术实现步骤摘要】
一种柔性拦挡网及其设计方法
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术的技术方案如下：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：本专利技术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；本专利技术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为本专利技术柔性拦挡网的平面结构示意图；图2为本专利技术柔性拦挡网的侧视图；图3是松散岩土体冲击本专利技术柔性拦挡网的过程；图4是松散岩土体受力分析图示；图5为本专利技术柔性拦挡网的纵向支撑绳的受力分析图示；图6本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种柔性拦挡网，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；其特征在于：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。

【技术特征摘要】
1.一种柔性拦挡网，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；其特征在于：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。2.如权利要求书1所述的柔性拦挡网，其特征在于：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。3.如权利要求1所述的柔性拦挡网，其特征在于：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。4.如权利要求1所述的柔性拦挡网，其特征在于：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。5.如权利要求书1所述的柔性拦挡网，其特征在于：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。6.如权利要求5所述的柔性拦挡网，其特征在于：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...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋东日，周公旦，栗帅，胡洪森，
申请(专利权)人：中国科学院，水利部成都山地灾害与环境研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51