溜砂坡累进补给破坏失稳模式与防治措施研究

张 军，舒中潘

(四川省地质工程勘察院，四川 成都 610072)

溜砂坡累进补给破坏失稳模式与防治措施研究

张 军，舒中潘

(四川省地质工程勘察院，四川 成都 610072)

溜砂坡作为高寒山区常见的一种地质灾害广泛分布于天山公路北坡，并对道路建设与正常维护运营构成严重危害.由于岩体受寒冻风化影响严重，产屑率极高是砂粒产生累进补给破坏失稳的主要原因.应用PFC2D颗粒流软件对砂粒累进补给破坏失稳过程进行模拟，并对砂粒位移和速度进行监测，分析其运动变化规律.研制了一套装配式溜砂坡灾害防治装置，并进行了试验段施工应用，取得了较好防治效果.

溜砂坡；累进补给破坏模式；PFC2D；防治装置

0 引 言

溜砂坡，是指高陡斜坡上的岩体在寒冻风化作用下逐渐崩解、破碎，产生大量砂粒和岩屑，并在重力作用下滚落至坡脚堆积而形成的砂坡[1].溜砂坡的发育分布受地形地貌、地层岩性、地质构造、斜坡坡向和气候环境等因素影响，其砂粒运动与砂坡天然休止角关系密切[2-3].溜砂坡作为高寒山区常见的一种地质灾害广泛分布于天山公路北坡，对道路建设与正常维护运营构成严重危害[4-5].本研究应用PFC2D颗粒流软件对砂粒累进补给破坏失稳过程进行模拟，并对砂粒位移和速度进行监测，分析其运动变化规律，并研制了一套装配式溜砂坡灾害防治装置，并进行了试验段施工应用，取得了较好防治效果.

1 溜砂坡累进补给破坏失稳模式

1.1 研究对象概况

天山公路横穿天山山脉，公路沿线地质条件复杂，气候环境恶劣，沿线滑坡、崩塌、泥石流、溜砂坡及水毁等地质灾害异常发育.据对独库段(K610-K655)研究区的调查，溜砂坡灾害共发育33处，占沿线总灾害数量的1/6，影响路段总长为8.71 km，约为研究区线路总长的20%，单位长度溜砂坡发育密度为0.73个/km.

1.2 砂粒累进补给破坏失稳模式

天山公路沿线溜砂坡主要沿阳坡分布，物源区具有高寒、高陡等特点，物源范围分布广泛，物源区的岩体在构造、冻融等内外营力作用下逐渐崩解、破碎，持续不断的产生岩屑和砂粒，并在重力作用下滚落至坡脚进行堆积.砂粒累进补给破坏失稳就是由于岩体产屑率较高，常年不断的提供砂粒补给，带动砂坡表层砂粒一起向下运动，并在坡脚进行二次堆积，当堆积砂坡达到其临界极限状态时，一旦上部砂粒再次进行补给，就会引起砂坡产生破坏而失稳[2].砂粒累进补给破坏是砂坡能量不断积累和突然释放的一个循环过程，其具有持续性、累进性及非控制性等特性，砂粒运动过程具有从上至下、由表及里的运动特征[3].

1.3 砂粒累进补给失稳PFC2D模拟

1.3.1 模型的建立方法.

PFC2D理论基础为离散单元法，是研究颗粒介质特性的一种有效工具，对于溜砂坡这种散体结构应用PFC2D进行模拟是很适合的[6].

本研究模型根据溜砂坡基本特征按基岩区、溜砂堆积区和砂粒补给区3部分建立，模拟基本参数如表1所示.模型框架采用墙生成，墙体封闭并限制颗粒在墙体内的运动.颗粒的生成采用半径扩展法生成，并与过滤器配合使用，限制颗粒生成区域，先在墙体内采用较小半径的颗粒生成，再通过设定半径扩展系数和目标孔隙率让颗粒膨胀至填充整个墙体.建模过程对模型进行了适当简化处理，不同区域颗粒分3次单独生成(见图1).颗粒集合体生成后在自重应力作用下运行至平衡，其平衡判别标准为，当最大不平衡力/最大接触力或者平均不平衡力/平均接触力小于等于10-4时，判定颗粒达到平衡.通过设置对模型颗粒进行分组，对于溜砂部分和基岩部分赋予不同的参数特征.模型及其监测点布置如图1所示.

表1 PFC模型基本参数

图1建模剖面图及监测点布置

1.3.2 模拟结果分析.

1)累进补给砂粒运动过程分析.累进补给失稳是溜砂坡破坏失稳的主要模式之一，该破坏失稳的砂粒运动具有累进性与持续性等特点.本研究模型对物源区进行了简化处理，砂粒来源于斜坡顶部集中生成的一小区域颗粒，代替上部岩体风化崩解产生的砂粒、碎屑.模拟过程中，待堆积区砂坡在自重作用下平衡后，删除物源区外侧墙体，让颗粒在自重作用下沿着斜坡自动滑落，受上部砂粒的不断补给，物源区产屑率逐渐增大，颗粒运动至砂坡表面，并在自重和惯性作用下不断推挤并带动砂坡表面砂粒向下滑动.砂粒累进补给破坏失稳全过程如图2所示.

从图2可知，平衡后的砂坡在连续不断的补给砂粒作用下，表层砂粒逐渐随着补给砂粒的运动而产生向下滑动现象，并且随着补给砂粒作用时间的增加，砂坡变形破坏特征更明显.

2)监测数据分析.砂坡砂粒运动的监测数据如图3所示.

由图3可知，在补给砂粒作用过程中，砂坡砂粒位移变化明显，其中砂坡中上部砂粒x、y方向位移均较大，下部砂粒x方向位移较大，而y方向位移量相对较小.x方向砂粒位移最大速度为0.39 m/s，y方向砂粒位移最大速度为-0.3 m/s.其中，x方向速度变化呈似波浪状分布；y方向砂粒位移前期速度较大，后期逐渐降低，其最大速度出现在负方向.从整体看，砂粒运动x方向上的位移量大于y方向的位移变化量，这与x方向砂粒位移平均速度大于y方向砂粒平均速度相吻合.另外，从砂粒运动形式看，砂坡运动属于累进推移式破坏失稳.溜砂坡实际运动过程中，因受冻融、构造等破坏作用，使得物源区岩体不断崩解、破碎，产生砂粒、岩屑等，并对下部溜砂进行补给，由于这种持续不断的长期补给作用，带动了表层砂粒不断向下滑动直至坡脚形成二次堆积.

(a)砂坡平衡时形态

(b)砂粒补给5 000步时砂坡形态

(c)砂粒补给20 000步时砂坡形态

(d)砂粒补给50 000步时砂坡形态

(e)砂粒补给70 000步时砂坡形态

(f)砂粒补给100 000步时砂坡形态

(a)1#监测点x方向位移

(b)1#监测点y方向位移

(c)2#监测点x方向位移

(d)2#监测点y方向位移

(e)3#监测点x方向位移

(f)3#监测点y方向位移

(g)x方向速度

(h)y方向速度

图3监测点位移与速度图

2 溜砂坡防治装置

2.1 防治装置介绍

根据天山公路溜砂坡及其防护工程特征，本研究设计了“钢花管注浆+框架型防护网”装置对溜砂坡进行防护治理.该防治装置是在充分利用现有挡墙防护的基础上，采用钢花管注浆形成“悬臂式钢桩”，在2支钢花管之间通过铺设框架型防护网以形成拦挡结构，钢花管与框架防护网采用螺栓连接，形成具有可拆卸与装配式防治结构装置，如图4所示.

图4防治装置立面图

2.2 防治装置作用机理

钢花管注浆时，水泥浆液在压力作用下通过注浆系统把水泥浆液均匀快速地注入到溜砂堆积体之中，水泥浆液则通过填充、渗透、挤密与劈裂等作用方式，将溜砂堆积体空隙中的水分和空气排除，并迅速将其填充和包裹.待注浆完成后，充填在溜砂堆积体中的水泥浆开始一系列复杂的物理化学反应，并将之前松散的砂粒胶结成一个整体，重新生成一个结构密实、强度高、防水性能好和化学性能稳定的“结石体”.注浆结束后，钢花管内部将形成水泥柱并随同钢管一同留置在堆积体中，形成悬臂式钢柱，提供较大的抗滑能力以抵抗后部溜砂的滑动.同时，堆积体注浆能提高砂粒之间的承载能力和抗滑移能力.

2.3 防治措施优势性分析

该溜砂破防治装置在天山公路K618组织了试验段施工应用，并取得较好的防治效果(见图5).

图5现场施工完后整体效果图

工程试验表明，“钢花管注浆+框架型防护网”溜砂坡防治方案具有如下优点：充分利用了现有防护工程，在此基础上对溜砂坡进行防治措施设计，可最大限度减少资源浪费，节省工程成本；防护工程在结构上具有一定柔性网特征，能降低溜砂砂粒对拦挡结构的冲击，可有效防治溜砂砂粒堆积至公路；由于受力梁为钢花管，且注浆形成的浆体“结石体”位于岩土层内部，因此，相比其他挡墙或混凝土结构，本防治措施更能有效抵抗冻融作用对拦挡结构的破坏；本该防治装置为装配式结构，具有可拆卸性，为溜砂坡的定期清理提供了方便通道；防治装置采用材料种类单一，加工方便，造价低廉，且受施工条件影响较小，施工方便.

3 结论与建议

岩体寒冻风化速度快、产屑率高是溜砂坡形成和发生累进补给破坏失稳的根本原因.本研究应用PFC2D颗粒流程序模拟了砂粒累进补给破坏失稳全过程，分析了砂粒运动规律.针对砂粒补给具有累进性和持续性，本研究研制的“钢花管注浆+框架防护网装置”能很好地满足对溜砂坡定期清理的要求，在试验段施工中取得了较好防治效果，为溜砂坡的防治提供了一种新思路和新方法，具有较大实用价值.

[1]吴国雄，曾榕彬，王成华，等.溜砂坡的形成诱发因数及失稳破坏条件[J].中国铁道科学，2006，28(2):7-12.

[2]蒋良潍，姚令侃，蒋忠信，等.溜砂坡动力学特性实验及防治[J].山地学报，2004,22(1)：97-103.

[3]牛耕年，熊黑钢，等.中国天山高山冰缘环境中的寒冻风化剥蚀作用及其影响因素[J].冰川冻土，1992，14(4)：332-341.

[4]张元才，傅荣华，郭素芳.天山公路溜砂坡防治工程参数试验研究[J].地质灾害与环境保护，2007，18(4):7-10.

[5]张元才，傅荣华，黄润秋.天山公路溜砂坡动力学动力学特性及分形特征试验研究[J].防灾减灾工程学报，2008，28(2):219-222.

[6]周健,池永,池毓蔚,等.颗粒流方法及PFC2D程序[J].岩土力学,2000,21(3):271-274.

ResearchonFailureModeofSand-slidingSlopebyProgressiveReplenishmentandCountermeasure

ZHANGJun,SHUZhongpan

(Sichuan Institute of Geological Engineering Investigation, Chengdu 610072, China)

As a kind of specific geologic hazard in alpine region,the sand-sliding slope is widely distributed along the Tianshan highway,and it has done a severe harm to the normal construction,maintenance and operation of the road.Due to a serious congelifraction,the rock produced debris rate is very high,which is the main reason for the failure of the debris production progressive replenishment.PFC2D software is applied to make a numerical simulation of debris progressive replenishment process,monitor the sand velocity variation and displacement,and analyze the motion and variation law.A set of new protection device has been developed,which has been used in the testing region construction,and meanwhile a good control effects have been obtained.

sand-sliding slope;failure mode by debris progressive replenishment;particle follow code 2 dimension program(PFC2D);protection device

P642.2；U417.1

A

1004-5422(2017)04-0434-04

2017-10-06.

张 军(1986 — )，男，硕士，工程师，从事岩土工程勘察设计与地质灾害防治研究.