高寒高烈度山區公路溜砂坡地質災害監測預警研究

2023-11-09 12:30:54李宏亮杜天龍

黑龍江交通科技 2023年10期

李宏亮,裴鉆,杜天龍

(1.新疆交通建設集團股份有限公司,新疆烏魯木齊 830000;2.成都理工大學,四川成都 610000;3.新疆交投人力資源開發服務有限責任公司,新疆烏魯木齊 830000)

溜砂坡是一種在高寒陡坡山區沿公路發育的地質災害,其受自然界的構造、凍融等內外營力的影響程度很大,區別于其它的地質災害[1]。現階段對于溜砂坡的研究理論均尚未形成完整的體系,大多數都是從形成機理和破壞失穩動力學進行理論研究,對其監測預警還欠缺深入的研究,這對于溜砂坡抗災防災和安全預判缺乏依據。本研究在對新疆和田地區高寒高烈度山區公路地質勘察調研和分析溜砂坡形成原因基礎上,結合新疆天山公路地質災害擋墻治理研究資料[2],在前人的理論研究基礎之上,分析得出關鍵參數并建立監測預報模型,分析了和田山區公路溜砂坡地質災害路段的預警級別,提高了該公路抗災防災能力,為該段山區公路通車運營安全、后期養護清理提供了決策支撐。

1 溜砂坡失穩監測預警研究

(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,砂板巖整體的風化程度為中等,整個斜坡的巖體呈中風化狀態,斜坡表面的巖石塊徑不一,基本集中在5～30 cm左右。分析斜坡失穩演化原因:在道路的建設中對斜坡進行了大開挖,從而破壞了斜坡巖體的內應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應力等作用下,誘發上部巖體逐漸形成牽引式失穩,對過往的行人和行車造成極大威脅。

通過Polyworks軟件對觀測數據對比分析變形情況[3]。經對比結果分析得出,在觀測期內,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生水壓力和沖刷,從而使陡坡上的巖體的穩定性下降,造成巖體破壞形成流失區。流失區的主要區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,導致對公路上過往的行人和行車造成嚴重危害。利用ArcGIS對監測數據進行分析,得到斜坡在同一時期不同位置的發生破壞和堆積的厚度,并做出厚度等值線圖(負值代表流失破壞,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側的堆積厚度為2.8 m,在斜坡上部陡峭處流失破壞最大厚度為2.8 m。通過分析堆積區數據,得到當年8月到次年5月整個坡體活動物質達1 367 m3,平均流失破壞的厚度約0.045 m。通過數據分析得出:斜坡發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氣溫升高引起積雪融化,當雪加水從斜坡上部流入中下部平緩處,雪水對巖體產生沖刷和水壓力導致巖石的流失破壞加劇。其次流失破壞發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生失穩破壞,雖然其規模較小,但是對于道路行人和行車的威脅不容忽視。

(2)產屑率研究

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

ω=V/st

(1)

式中:V為產生的巖屑體積,m3;s為基巖面積,m2;t為時間,a。

通過監測初期實測的斜坡體積、基準面體積、監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產生的巖屑體積V=7.35 m3,再代入公式(1)可計算的產屑率為ω=0.001 4(m/a)。

2 溜砂坡預警預報關鍵參數指標研究

本研究首先應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據,其次采用Polyworks軟件對數據定量處理得到一個時間段內坡體的變形云圖,通過該變形云圖評估了溜砂坡的發育狀況和影響程度[4]。溜砂坡的形成機理以及破壞過程與傳統的地質災害不同,如果要對其進行監測預警不能將傳統的監測方法進行生搬硬套。通過現場調查以及查閱相關資料得知溜砂坡的形成以負地形為前提條件,兩側及后緣巖石懸崖為物源補給。巖石在各種地質營力(如風能、地震、凍融作用等)的作用下崩解發生失穩破壞運移至負地形中。隨著時間的推移,負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)發生失穩,從而形成了溜砂坡災害[5]。

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

天山公路K628+900處一溜砂坡,該溜砂坡失穩時破壞了坡腳處部分擋土墻。如果僅對該處進行區域監測,因為該坡體失穩的不連續性,可能會發生該處并無破壞跡象,而另外一個區域發生失穩破壞的現象[6]。綜上所述,對溜砂坡的監測應進行整體監測,這樣才能在該坡體破壞前得到預警信息。通過查閱大量文獻得知,對于這類已經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測[7]。但因為監測設備安置在擋土墻下部,設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濟效果以及監測效果。

綜合前文所述,在某一或幾個區域進行監測無法達到監測效果,大面積采用位移計、土壓力計并不經濟。通過對天山公路沿途的溜砂坡進行全面的調查發現,僅有少數幾處采用“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”作為監測溜砂坡的關鍵參數。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屑率的公式可以計算出坡體一年產生的碎屑量,從而計算出“殘余庫容體積”,當“殘余庫容體積”降低到一定值時即預警臨界值。這種預警方式相比采用土壓力計、位移計的方式,不僅能使監測結果更加準確的,而且更加經濟。