李宏亮,裴 鉆,杜天龍

(1.新疆交通建設(shè)集團股份有限公司,新疆 烏魯木齊 830000;2.成都理工大學(xué),四川 成都 610000;3.新疆交投人力資源開發(fā)服務(wù)有限責(zé)任公司,新疆 烏魯木齊 830000)

溜砂坡是一種在高寒陡坡山區(qū)沿公路發(fā)育的地質(zhì)災(zāi)害,其受自然界的構(gòu)造、凍融等內(nèi)外營力的影響程度很大,區(qū)別于其它的地質(zhì)災(zāi)害[1]?，F(xiàn)階段對于溜砂坡的研究理論均尚未形成完整的體系,大多數(shù)都是從形成機理和破壞失穩(wěn)動力學(xué)進行理論研究,對其監(jiān)測預(yù)警還欠缺深入的研究,這對于溜砂坡抗災(zāi)防災(zāi)和安全預(yù)判缺乏依據(jù)。本研究在對新疆和田地區(qū)高寒高烈度山區(qū)公路地質(zhì)勘察調(diào)研和分析溜砂坡形成原因基礎(chǔ)上,結(jié)合新疆天山公路地質(zhì)災(zāi)害擋墻治理研究資料[2],在前人的理論研究基礎(chǔ)之上,分析得出關(guān)鍵參數(shù)并建立監(jiān)測預(yù)報模型,分析了和田山區(qū)公路溜砂坡地質(zhì)災(zāi)害路段的預(yù)警級別,提高了該公路抗災(zāi)防災(zāi)能力,為該段山區(qū)公路通車運營安全、后期養(yǎng)護清理提供了決策支撐。

1 溜砂坡失穩(wěn)監(jiān)測預(yù)警研究

(1)散體斜坡運動特征研究

研究路段為散粒體陡坡沿公路線段長為130 m,斜坡的坡度為36°,斜坡最高點到最低點的距離為240 m,坡向為250°,斜坡體主要的巖石成分為砂板巖,砂板巖整體的風(fēng)化程度為中等,整個斜坡的巖體呈中風(fēng)化狀態(tài),斜坡表面的巖石塊徑不一,基本集中在5～30 cm左右。分析斜坡失穩(wěn)演化原因:在道路的建設(shè)中對斜坡進行了大開挖,從而破壞了斜坡巖體的內(nèi)應(yīng)力并且對于上部巖石形成了良好的臨空面,在巖石自身的重力以及內(nèi)應(yīng)力等作用下,誘發(fā)上部巖體逐漸形成牽引式失穩(wěn),對過往的行人和行車造成極大威脅。

通過Polyworks軟件對觀測數(shù)據(jù)對比分析變形情況[3]。經(jīng)對比結(jié)果分析得出,在觀測期內(nèi),觀測初期也就是春天的時間段,氣溫上升,積雪快速融化,雪水入滲,散碎的巖體由于雪水滲入產(chǎn)生水壓力和沖刷,從而使陡坡上的巖體的穩(wěn)定性下降,造成巖體破壞形成流失區(qū)。流失區(qū)的主要區(qū)域為陡坡的中下部的平緩處,散碎的塊石最終堆積在斜坡的坡腳處,導(dǎo)致對公路上過往的行人和行車造成嚴(yán)重危害。利用ArcGIS對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析,得到斜坡在同一時期不同位置的發(fā)生破壞和堆積的厚度,并做出厚度等值線圖(負(fù)值代表流失破壞,正值代表堆積加厚)。通過分析厚度變化剖面對比圖可以清晰的看出在公路內(nèi)側(cè)的堆積厚度為2.8 m,在斜坡上部陡峭處流失破壞最大厚度為2.8 m。通過分析堆積區(qū)數(shù)據(jù),得到當(dāng)年8月到次年5月整個坡體活動物質(zhì)達1 367 m3,平均流失破壞的厚度約0.045 m。通過數(shù)據(jù)分析得出:斜坡發(fā)生流失破壞的時間主要集中在春天,也是觀測初期,主要是由于初春季節(jié)氣溫升高引起積雪融化,當(dāng)雪加水從斜坡上部流入中下部平緩處,雪水對巖體產(chǎn)生沖刷和水壓力導(dǎo)致巖石的流失破壞加劇。其次流失破壞發(fā)生在夏天和秋季主要是由于自然界的外營力和巖石自身的重力影響作用下發(fā)生失穩(wěn)破壞,雖然其規(guī)模較小,但是對于道路行人和行車的威脅不容忽視。

(2)產(chǎn)屑率研究

高寒高烈度山區(qū)斜坡上裸露的巖體在受到物理風(fēng)化作用下產(chǎn)生的巖屑、砂礫的速率稱為產(chǎn)屑率。對于產(chǎn)屑體積的計算,首先選定一個基準(zhǔn)面(基準(zhǔn)面為z=-10),監(jiān)測初期實測的斜坡體積的數(shù)據(jù)減去基準(zhǔn)面計算得出體積。再用監(jiān)測末期實測的斜坡體積減去基準(zhǔn)面計算的得到的體積,兩次體積之差V就是產(chǎn)生巖屑體積。其公式為

ω=V/st

(1)

式中:V為產(chǎn)生的巖屑體積,m3;s為基巖面積,m2;t為時間,a。

通過監(jiān)測初期實測的斜坡體積、基準(zhǔn)面體積、監(jiān)測末期實測的斜坡體積共同計算得出該研究段的斜坡在一年內(nèi)產(chǎn)生的巖屑體積V=7.35 m3,再代入公式(1)可計算的產(chǎn)屑率為ω=0.001 4(m/a)。

2 溜砂坡預(yù)警預(yù)報關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)研究

本研究首先應(yīng)用三維激光掃描儀對不同時間段的溜砂坡體進行了掃描得到高分辨率數(shù)據(jù),其次采用Polyworks軟件對數(shù)據(jù)定量處理得到一個時間段內(nèi)坡體的變形云圖,通過該變形云圖評估了溜砂坡的發(fā)育狀況和影響程度[4]。溜砂坡的形成機理以及破壞過程與傳統(tǒng)的地質(zhì)災(zāi)害不同,如果要對其進行監(jiān)測預(yù)警不能將傳統(tǒng)的監(jiān)測方法進行生搬硬套。通過現(xiàn)場調(diào)查以及查閱相關(guān)資料得知溜砂坡的形成以負(fù)地形為前提條件,兩側(cè)及后緣巖石懸崖為物源補給。巖石在各種地質(zhì)營力(如風(fēng)能、地震、凍融作用等)的作用下崩解發(fā)生失穩(wěn)破壞運移至負(fù)地形中。隨著時間的推移,負(fù)地形中的碎屑堆積越來越多,從而形成了一個散粒體斜坡。該斜坡在各種外力下(如降雨、地震等)發(fā)生失穩(wěn),從而形成了溜砂坡災(zāi)害[5]。

因此,溜砂坡的具有極強的隨機性且不容易發(fā)生整體性失穩(wěn),因此對其監(jiān)測不能像傳統(tǒng)的監(jiān)測方式那樣對幾個危險點進行監(jiān)測。

天山公路K628+900處一溜砂坡,該溜砂坡失穩(wěn)時破壞了坡腳處部分擋土墻。如果僅對該處進行區(qū)域監(jiān)測,因為該坡體失穩(wěn)的不連續(xù)性,可能會發(fā)生該處并無破壞跡象,而另外一個區(qū)域發(fā)生失穩(wěn)破壞的現(xiàn)象[6]。綜上所述,對溜砂坡的監(jiān)測應(yīng)進行整體監(jiān)測,這樣才能在該坡體破壞前得到預(yù)警信息。通過查閱大量文獻得知,對于這類已經(jīng)采取擋土墻治理措施的溜砂坡,前人主要使用土壓力計或者位移計對其進行監(jiān)測[7]。但因為監(jiān)測設(shè)備安置在擋土墻下部,設(shè)備很容易因為上方滾石、人為等各種因素破壞而失效,從而達不到最好的經(jīng)濟效果以及監(jiān)測效果。

綜合前文所述,在某一或幾個區(qū)域進行監(jiān)測無法達到監(jiān)測效果,大面積采用位移計、土壓力計并不經(jīng)濟。通過對天山公路沿途的溜砂坡進行全面的調(diào)查發(fā)現(xiàn),僅有少數(shù)幾處采用“棚洞”的治理方式,幾乎95%的治理方式都是采用擋土墻的方式。因此本研究提出將擋土墻的“殘余庫容體積”、“擋墻高度”、“年平均溜砂率”作為監(jiān)測溜砂坡的關(guān)鍵參數(shù)。溜砂坡在擋墻治理后,坡腳前擋土墻后會有較大體積的空間去容納因失穩(wěn)而滑落的散粒體,此空間就稱為“庫容體積”,庫容體積減去滑落的碎屑體積就稱為“殘余庫容體積”。由前文提出的溜砂坡年產(chǎn)屑率的公式可以計算出坡體一年產(chǎn)生的碎屑量,從而計算出“殘余庫容體積”,當(dāng)“殘余庫容體積”降低到一定值時即預(yù)警臨界值。這種預(yù)警方式相比采用土壓力計、位移計的方式,不僅能使監(jiān)測結(jié)果更加準(zhǔn)確的,而且更加經(jīng)濟。

3 溜砂坡失穩(wěn)的臨界判據(jù)及預(yù)報模型的建立

3.1 關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)

溜砂坡監(jiān)測預(yù)警的關(guān)鍵參數(shù)是“殘余庫容體積”、“擋墻高度”、“年平均產(chǎn)屑率”。

3.2 臨界失穩(wěn)判據(jù)及預(yù)報模型的建立

本研究對高寒高海拔和田山區(qū)公路沿線進行了實地研究,建立如公式(2)所示的簡化計算模型。根據(jù)模型建立出“殘余庫容體積”與“溜砂坡高度”之間的數(shù)學(xué)模型:“△V-H”模型如下

△V=ηH2+λH+ξ

(2)

式中:η、λ、ξ有兩種獲得途徑,條件允許的情況下應(yīng)直接到溜砂坡現(xiàn)場進行實地測量,當(dāng)然也可根據(jù)實際案例進行回歸分析從而得到參數(shù)。得到參數(shù)后應(yīng)根據(jù)大量的實際案例對其進行修正計算。此公式計算的是單位寬度的“殘余庫容體積”,實際的“殘余庫容體積”應(yīng)乘以溜砂坡的平均寬度。

“產(chǎn)屑率”為高寒高烈度山區(qū)斜坡上裸露的巖體在受到物理風(fēng)化作用下產(chǎn)生的巖屑、砂礫的速率,物理表達為

ω=AKV-3屑/s

(3)

式中:AKV-3屑為平均每年產(chǎn)生的巖屑體積,m3;S為基巖面積,m2。

根據(jù)公式(2)及公式(3)可得出“殘余庫容體積”與“時間”的表達式,通過表達式可知道清理一次溜砂坡在產(chǎn)屑率不變的情況下需要間隔多少年。則有

(4)

將公式(2)、公式(3)帶入公式(4)中即可得到公式(5):溜砂坡監(jiān)測預(yù)警預(yù)報模型——“T-(ω·H)”模型

(5)

3.3 溜沙坡依托工程實例

本研究采用三維激光掃描儀對各溜砂坡進行了長時間的跟蹤監(jiān)測,通過處理掃描得到的點云數(shù)據(jù),我們就可以計算出溜砂坡的“殘余庫容體積”以及年平均產(chǎn)屑率。通過這些實際案例我們可以對上述所建的模型的監(jiān)測預(yù)警能力進行檢驗。各典型溜砂坡的基本數(shù)據(jù)如表1和表2(表2中部分參數(shù)是通過表1計算得到所示)。

表2 典型溜砂坡殘余庫容體積匯總表

按照公式(2)、公式(3)、公式(4)計算得到殘余庫容體積,如表2所示。

由于三維激光掃描儀的精度為1 mm所以這里以三維激光掃描儀的數(shù)據(jù)對公式進行修正,并用三維激光掃描儀數(shù)據(jù)進行計算。

通過對S誤差分析可以看出公式計算的殘余庫容體積偏大,平均較三維激光掃描儀的數(shù)據(jù)大5.74%。因此選用三維激光掃描儀數(shù)據(jù)作為計算依據(jù)是偏安全的。同時引入綜合影響因子Ψ=0.057 4對公式(2)和公式(5)進行修正如下

△V=Ψ(ηH2+λH+ξ)

(6)

(7)

接下來對上述五個典型溜砂坡運用“T-(ω·H)”監(jiān)測預(yù)警預(yù)報模型進行預(yù)判如下。這里對清理間隔時間作如下預(yù)警分類。

將表1、表3中的數(shù)據(jù)代入公式(7)中可得。

表3 典型溜砂坡預(yù)警級別對應(yīng)時間區(qū)間

表4 典型溜砂坡預(yù)警級別判定

由于調(diào)查的溜砂坡數(shù)量有限,沒有大量的數(shù)據(jù)參與上述計算,使得計算的清理間隔時間與實際有一定的誤差,但已經(jīng)從安全角度做了相應(yīng)的調(diào)整,對溜砂坡的預(yù)警預(yù)報具有很強實際參考價值,可通過增加樣本數(shù)據(jù)對上述公式進行修正,這樣可以大大提高預(yù)警預(yù)報的準(zhǔn)確性。

4 結(jié) 論

(1)針對溜砂坡工程地質(zhì)特性進行分析,提出了溜砂坡的預(yù)警預(yù)報關(guān)鍵參數(shù)為:擋土墻與坡間的“殘余庫容體積”、“擋土墻高度”、“年平均產(chǎn)屑率”,并通過這些關(guān)鍵參數(shù)建立了溜砂坡監(jiān)測預(yù)報模型。

(2)提出溜砂坡預(yù)警級別對應(yīng)時間區(qū)間關(guān)系,并對和田高海拔高寒山區(qū)公路典型路段進行了預(yù)警級別判定,為工程項目運營安全監(jiān)測預(yù)警提供理論支撐,具有較強的實際參考價值。