高寒高烈度山区公路溜砂坡地质灾害监测预警研究

李宏亮,裴 钻,杜天龙

(1.新疆交通建设集团股份有限公司,新疆 乌鲁木齐 830000;2.成都理工大学,四川 成都 610000;3.新疆交投人力资源开发服务有限责任公司,新疆 乌鲁木齐 830000)

溜砂坡是一种在高寒陡坡山区沿公路发育的地质灾害,其受自然界的构造、冻融等内外营力的影响程度很大,区别于其它的地质灾害[1]。现阶段对于溜砂坡的研究理论均尚未形成完整的体系,大多数都是从形成机理和破坏失稳动力学进行理论研究,对其监测预警还欠缺深入的研究,这对于溜砂坡抗灾防灾和安全预判缺乏依据。本研究在对新疆和田地区高寒高烈度山区公路地质勘察调研和分析溜砂坡形成原因基础上,结合新疆天山公路地质灾害挡墙治理研究资料[2],在前人的理论研究基础之上,分析得出关键参数并建立监测预报模型,分析了和田山区公路溜砂坡地质灾害路段的预警级别,提高了该公路抗灾防灾能力,为该段山区公路通车运营安全、后期养护清理提供了决策支撑。

1 溜砂坡失稳监测预警研究

(1)散体斜坡运动特征研究

研究路段为散粒体陡坡沿公路线段长为130 m,斜坡的坡度为36°,斜坡最高点到最低点的距离为240 m,坡向为250°,斜坡体主要的岩石成分为砂板岩,砂板岩整体的风化程度为中等,整个斜坡的岩体呈中风化状态,斜坡表面的岩石块径不一,基本集中在5～30 cm左右。分析斜坡失稳演化原因:在道路的建设中对斜坡进行了大开挖,从而破坏了斜坡岩体的内应力并且对于上部岩石形成了良好的临空面,在岩石自身的重力以及内应力等作用下,诱发上部岩体逐渐形成牵引式失稳,对过往的行人和行车造成极大威胁。

通过Polyworks软件对观测数据对比分析变形情况[3]。经对比结果分析得出,在观测期内,观测初期也就是春天的时间段,气温上升,积雪快速融化,雪水入渗,散碎的岩体由于雪水渗入产生水压力和冲刷,从而使陡坡上的岩体的稳定性下降,造成岩体破坏形成流失区。流失区的主要区域为陡坡的中下部的平缓处,散碎的块石最终堆积在斜坡的坡脚处,导致对公路上过往的行人和行车造成严重危害。利用ArcGIS对监测数据进行分析,得到斜坡在同一时期不同位置的发生破坏和堆积的厚度,并做出厚度等值线图(负值代表流失破坏,正值代表堆积加厚)。通过分析厚度变化剖面对比图可以清晰的看出在公路内侧的堆积厚度为2.8 m,在斜坡上部陡峭处流失破坏最大厚度为2.8 m。通过分析堆积区数据,得到当年8月到次年5月整个坡体活动物质达1 367 m3,平均流失破坏的厚度约0.045 m。通过数据分析得出:斜坡发生流失破坏的时间主要集中在春天,也是观测初期,主要是由于初春季节气温升高引起积雪融化,当雪加水从斜坡上部流入中下部平缓处,雪水对岩体产生冲刷和水压力导致岩石的流失破坏加剧。其次流失破坏发生在夏天和秋季主要是由于自然界的外营力和岩石自身的重力影响作用下发生失稳破坏,虽然其规模较小,但是对于道路行人和行车的威胁不容忽视。

(2)产屑率研究

高寒高烈度山区斜坡上裸露的岩体在受到物理风化作用下产生的岩屑、砂砾的速率称为产屑率。对于产屑体积的计算,首先选定一个基准面(基准面为z=-10),监测初期实测的斜坡体积的数据减去基准面计算得出体积。再用监测末期实测的斜坡体积减去基准面计算的得到的体积,两次体积之差V就是产生岩屑体积。其公式为

ω=V/st

(1)

式中:V为产生的岩屑体积,m3;s为基岩面积,m2;t为时间,a。

通过监测初期实测的斜坡体积、基准面体积、监测末期实测的斜坡体积共同计算得出该研究段的斜坡在一年内产生的岩屑体积V=7.35 m3,再代入公式(1)可计算的产屑率为ω=0.001 4(m/a)。

2 溜砂坡预警预报关键参数指标研究

本研究首先应用三维激光扫描仪对不同时间段的溜砂坡体进行了扫描得到高分辨率数据,其次采用Polyworks软件对数据定量处理得到一个时间段内坡体的变形云图,通过该变形云图评估了溜砂坡的发育状况和影响程度[4]。溜砂坡的形成机理以及破坏过程与传统的地质灾害不同,如果要对其进行监测预警不能将传统的监测方法进行生搬硬套。通过现场调查以及查阅相关资料得知溜砂坡的形成以负地形为前提条件,两侧及后缘岩石悬崖为物源补给。岩石在各种地质营力(如风能、地震、冻融作用等)的作用下崩解发生失稳破坏运移至负地形中。随着时间的推移,负地形中的碎屑堆积越来越多,从而形成了一个散粒体斜坡。该斜坡在各种外力下(如降雨、地震等)发生失稳,从而形成了溜砂坡灾害[5]。

因此,溜砂坡的具有极强的随机性且不容易发生整体性失稳,因此对其监测不能像传统的监测方式那样对几个危险点进行监测。

天山公路K628+900处一溜砂坡,该溜砂坡失稳时破坏了坡脚处部分挡土墙。如果仅对该处进行区域监测,因为该坡体失稳的不连续性,可能会发生该处并无破坏迹象,而另外一个区域发生失稳破坏的现象[6]。综上所述,对溜砂坡的监测应进行整体监测,这样才能在该坡体破坏前得到预警信息。通过查阅大量文献得知,对于这类已经采取挡土墙治理措施的溜砂坡,前人主要使用土压力计或者位移计对其进行监测[7]。但因为监测设备安置在挡土墙下部,设备很容易因为上方滚石、人为等各种因素破坏而失效,从而达不到最好的经济效果以及监测效果。

综合前文所述,在某一或几个区域进行监测无法达到监测效果,大面积采用位移计、土压力计并不经济。通过对天山公路沿途的溜砂坡进行全面的调查发现,仅有少数几处采用“棚洞”的治理方式,几乎95%的治理方式都是采用挡土墙的方式。因此本研究提出将挡土墙的“残余库容体积”、“挡墙高度”、“年平均溜砂率”作为监测溜砂坡的关键参数。溜砂坡在挡墙治理后,坡脚前挡土墙后会有较大体积的空间去容纳因失稳而滑落的散粒体,此空间就称为“库容体积”,库容体积减去滑落的碎屑体积就称为“残余库容体积”。由前文提出的溜砂坡年产屑率的公式可以计算出坡体一年产生的碎屑量,从而计算出“残余库容体积”,当“残余库容体积”降低到一定值时即预警临界值。这种预警方式相比采用土压力计、位移计的方式,不仅能使监测结果更加准确的,而且更加经济。

3 溜砂坡失稳的临界判据及预报模型的建立

3.1 关键参数指标

溜砂坡监测预警的关键参数是“残余库容体积”、“挡墙高度”、“年平均产屑率”。

3.2 临界失稳判据及预报模型的建立

本研究对高寒高海拔和田山区公路沿线进行了实地研究,建立如公式(2)所示的简化计算模型。根据模型建立出“残余库容体积”与“溜砂坡高度”之间的数学模型:“△V-H”模型如下

△V=ηH2+λH+ξ

(2)

式中:η、λ、ξ有两种获得途径,条件允许的情况下应直接到溜砂坡现场进行实地测量,当然也可根据实际案例进行回归分析从而得到参数。得到参数后应根据大量的实际案例对其进行修正计算。此公式计算的是单位宽度的“残余库容体积”,实际的“残余库容体积”应乘以溜砂坡的平均宽度。

“产屑率”为高寒高烈度山区斜坡上裸露的岩体在受到物理风化作用下产生的岩屑、砂砾的速率,物理表达为

ω=AKV-3屑/s

(3)

式中:AKV-3屑为平均每年产生的岩屑体积,m3;S为基岩面积,m2。

根据公式(2)及公式(3)可得出“残余库容体积”与“时间”的表达式,通过表达式可知道清理一次溜砂坡在产屑率不变的情况下需要间隔多少年。则有

(4)

将公式(2)、公式(3)带入公式(4)中即可得到公式(5):溜砂坡监测预警预报模型——“T-(ω·H)”模型

(5)

3.3 溜沙坡依托工程实例

本研究采用三维激光扫描仪对各溜砂坡进行了长时间的跟踪监测,通过处理扫描得到的点云数据,我们就可以计算出溜砂坡的“残余库容体积”以及年平均产屑率。通过这些实际案例我们可以对上述所建的模型的监测预警能力进行检验。各典型溜砂坡的基本数据如表1和表2(表2中部分参数是通过表1计算得到所示)。

表2 典型溜砂坡残余库容体积汇总表

按照公式(2)、公式(3)、公式(4)计算得到残余库容体积,如表2所示。

由于三维激光扫描仪的精度为1 mm所以这里以三维激光扫描仪的数据对公式进行修正,并用三维激光扫描仪数据进行计算。

通过对S误差分析可以看出公式计算的残余库容体积偏大,平均较三维激光扫描仪的数据大5.74%。因此选用三维激光扫描仪数据作为计算依据是偏安全的。同时引入综合影响因子Ψ=0.057 4对公式(2)和公式(5)进行修正如下

△V=Ψ(ηH2+λH+ξ)

(6)

(7)

接下来对上述五个典型溜砂坡运用“T-(ω·H)”监测预警预报模型进行预判如下。这里对清理间隔时间作如下预警分类。

将表1、表3中的数据代入公式(7)中可得。

表3 典型溜砂坡预警级别对应时间区间

表4 典型溜砂坡预警级别判定

由于调查的溜砂坡数量有限,没有大量的数据参与上述计算,使得计算的清理间隔时间与实际有一定的误差,但已经从安全角度做了相应的调整,对溜砂坡的预警预报具有很强实际参考价值,可通过增加样本数据对上述公式进行修正,这样可以大大提高预警预报的准确性。

4 结 论

(1)针对溜砂坡工程地质特性进行分析,提出了溜砂坡的预警预报关键参数为:挡土墙与坡间的“残余库容体积”、“挡土墙高度”、“年平均产屑率”,并通过这些关键参数建立了溜砂坡监测预报模型。

(2)提出溜砂坡预警级别对应时间区间关系,并对和田高海拔高寒山区公路典型路段进行了预警级别判定,为工程项目运营安全监测预警提供理论支撑,具有较强的实际参考价值。