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溜砂坡成因及防治技术措施与对策
2010-04-23  中国公路网  浙江省公路管理局 朱汉华  
  

【声明】:转载《中国公路》《中国交通信息化》《中国高速公路》《中国交通建设监理》稿件须经书面授权。索取授权书 QQ: 6673744。

  在干热河谷路段,由于气候干燥,陡峻山坡坡面植被很差,在物理风化作用和冰雪机械作用下,形成大量松散砂石,在重力作用下不间断地堆积于坡脚,形成溜砂坡。或者由于不合理的人工开挖斜坡坡脚,使松散堆积体边坡坡面发生累进性破坏,而形成溜砂坡。溜砂堆积于公路上,不仅造成断道阻车,而且向下冲击的碎块石还会打伤行人及车辆,给行车安全带来极大威胁。

  溜砂形成的基本条件

  溜砂坡的形成有特定的地质地貌环境条件。工程诱发型溜砂坡是一种边坡破坏形式,它的形成的基本条件有两方面:一是以砂粒为主要物质组成的坡体;二是开挖边坡的坡面稳定性较差。事实上,工程诱发型溜砂坡的发育是一种较为普遍坡面灾害现象。

  对工程危害大的溜砂坡是生长型溜砂坡,其形成具有特殊的条件,包括特殊的地貌条件和岩性条件。

  ⑴ 地貌条件

  生长型溜砂坡的发育受到地形地貌条件的控制。溜砂坡发育区,地貌上一般具有上部斜坡高陡、坡面基岩露裸的特点(照片7-5)。坡脚溜砂段斜坡坡度在38?~42?之间,一旦超出该值,溜砂地段将常辍不止。溜砂段斜坡堆积是由于后缘风化物或松散堆积物在重力或冰雪的作用下,不间断地汇集到坡脚堆积而形成的。因此,有后缘高陡的斜坡地貌条件是形成溜砂坡的基础。

  ⑵ 气候条件

  形成生长型溜砂坡的气候条件应具备:气候干燥、物理风化作用强烈。溜砂运动方式上表现为散粒的滚动和滑落形式,只有气候干燥才能保证这种运动方式的实现;溜砂坡形成的物质基础是上部边坡源源不断地向溜砂坡补给细小的砂砾石,具备强烈的物理风化作用才能保证有足够的物质来源。

  ⑶ 地层岩性

  生长型溜砂坡形成的另一个基本条件是堆积物的来源,即物质基础。不同岩性的岩体具有不同的抗风化能力,风化物质的形成速率不同。而且不同基岩风化往往有不同的颗粒级配特征,风化物质的颗粒过细或过粗都不会形成溜砂坡。在川藏公路沿线,由于花岗岩易形成陡峭的斜坡地形,且风化形成砂砾石最易发生溜滑和滚动,在线路上凡是有花岗岩体的出露地段,往往会形成溜砂坡。花岗岩体组成的边坡,遭受地质构造,新构造运动、地震等的影响和破坏后,岩体解离破碎成砂砾状的散体,顺坡面自然堆积而形成溜砂坡,如83道班至86道班一段(照片7-5),公路上边坡几乎全由花岗岩体组成且斜坡高陡,基岩斜坡坡度达508~708,表层经风化作用后散体砂砾顺坡堆积,在山坡坡脚形成大大小小相连的坡积裙,一经外力重力作用不时像砂流一般下滑覆盖于路基之上。

  溜砂的诱发因素

  溜砂灾害是川藏公路西藏境内的一种较为特殊的自然现象,它的形成受到边坡坡度、气候和水文条件的影响与制约。溜砂的显著特点是,当溜砂坡面一处(点)失稳,就可波及到周围地区导致大面积的坡面碎屑物滚动下滑,从而对公路的正常行车造成危害。溜砂形成的主要影响因素有:风力和雨水的冲蚀、震动、地表水体的侵蚀、人为活动的不合理开挖等。

  风力和雨水的冲蚀会导致大面积的砂体下滑。由于溜砂坡坡面物质细小,砾径一般为1~5 mm,在风力和雨水冲蚀作用下,极易揭层下溜,导致大面积的砂体下滑。

  震动会触发溜砂坡的活动。溜砂坡体的粘性物质含量甚少,颗粒间的胶程度差,稍遇震动,即可运动下溜。地震的震动作用会引起大范围溜砂,有时仅当汽车通过时的轻微振动也可诱使坡面物质下泄。因此,在川藏公路上,溜砂引起埋路淤车事故时有发生。

  地表水体的侵蚀作用切割坡脚时,常常导致坡面失稳,引起溜砂。川藏公路沿溪沟路段,由于路基受水毁的危害,坡脚切削,坡面临空面增大,常导致散体坡面失稳下滑。

  人为活动的不合理开挖以及对公路上边坡的拦挡处理不当,都是造成溜砂坡的形成且常年不辍的原因。

  溜砂坡的溜砂冲击灾害

  溜砂坡的灾害,不仅表现为溜砂掩埋公路阻断交通,还表现为溜砂带动滚石危害行车安全(照片7-6)。溜砂掩埋公路阻断交通的灾害是显而易见的,但溜砂带动滚石冲击行车安全仍未得到有效的控制。目前川藏公路的溜砂坡大多采用坡脚挡墙进行拦挡防护,作为解决溜砂掩埋公路的主要措施,由此而产生的另一种威胁是增加了溜砂滚石对行车冲击的可能性,并且随着挡墙高度的增加,这种冲击行车危害的严重性日益增大。

  从运动学的角度建立溜砂冲击行车可能性的力学分析模型,按照两种不同情况进行计算分析:考虑溜砂滚石冲击挡墙时的弹跳的抛体运动(图7-3a);不考虑滚石冲击挡墙时的弹跳的抛体运动(图7-3b)。

  为了简化问题,揭示挡墙对溜砂滚石运动方式的影响,分析计算时把溜砂的在坡脚的速度作为已知条件,并忽略空气阻力的影响。综合分析溜砂坡的坡度、溜砂的速度以及挡墙高度与溜砂抛射距离的关系。

  由运动学理论,可得:

   (7-1)

   (7-2)

   (7-3)

   (7-4)

   (7-5)

   (7-6)

  以上各式中,H为挡墙的高度;V0为溜砂在坡脚处的初始速度;V0x为溜砂在坡脚处的初始速度;V0y为溜砂在坡脚处的初始速度;t为时间;g为重力加速度;s为溜砂抛射的水平距离;α为斜坡的坡度。

  由以上各式,在已知坡体的坡度,初始速度和挡墙高度的条件下,可以容易计算溜砂抛射的水平距离。

  考虑溜砂坡的坡度为408,溜砂到达墙顶的初速度为10 m/s,不考虑溜砂在挡墙墙顶弹跳,计算结果表明,溜砂的水平抛射距离随挡墙高度的的加高而逐渐加大(图7-4),不同挡墙高度的溜砂的水平抛射距离见表7-2。由表7-2可见,在给定条件下,挡墙每增高1 m,溜砂的水平抛射距离的增加幅度大于1 m。

  考虑溜砂坡的坡度为408,不考虑溜砂在挡墙墙顶弹跳,溜砂的水平抛射距离随溜砂到达墙顶的初速度增加高而逐渐加大(图7-5)。

  取溜砂到达墙顶的初速度为10 m/s,不考虑溜砂在挡墙墙顶弹跳,溜砂的水平抛射距离随溜砂坡的坡度减小而增大(图7-6)。

  考虑溜砂坡的坡度为408,溜砂到达墙顶的初速度为10 m/s。考虑溜砂在挡墙墙顶弹跳作用,取水平弹跳恢复系数Rt=0.8、垂直弹跳恢复系数Rn=0.3。计算结果表明,溜砂的水平抛射距离会由于墙顶的弹跳作用而大幅提高,见表7-3和图7-7。随挡墙高度的加高,溜砂的水平抛射距离亦会大幅度加大。

  考虑溜砂坡的坡度为408,考虑溜砂在挡墙墙顶弹跳,溜砂的水平抛射距离随溜砂到达墙顶的初速度增加高而逐渐加大(图7-8)。

  取溜砂到达墙顶的初速度为10 m/s,考虑溜砂在挡墙墙顶弹跳,溜砂的水平抛射距离随溜砂坡的坡度减小而增大(图7-9)。

  溜砂坡防治技术措施与对策

  溜砂坡可分为生长型溜砂坡和工程诱发型溜砂坡。生长型溜砂坡的基本特点就是溜砂坡的松散物质得到上部斜坡源源不断地补给,无论坡脚是否有工程活动,溜砂坡均处于不稳定状态。自然状态下,生长型溜砂坡的溜砂作用也在不间断地发生。而工程诱发型溜砂坡的基本特点是溜砂作用为一种边坡坡面破坏方式,在工程活动前,自然斜坡已处于稳定状态,由于坡脚开挖,开挖边坡过陡,坡体的松散堆积物在重力为主等因素作用下,边坡坡面发生坍塌破坏形成溜砂坡。因此,生长型溜砂坡和工程诱发型溜砂坡,无论在成因机理上还是在稳定性特征上均有很大的差别,针对这两种不同类型的溜砂坡,应采用相应的防治对策。

  溜砂坡防治工程措施

  溜砂灾害是斜坡松散体的溜滑作用,松散物堆积于坡脚阻断交通和导致车毁人亡。治理溜砂坡就是要防止松散堆积体溜滑到公路上形成灾害。为了实现溜砂坡的防治目标,可以采用的防治措施有:刷方及绕避、坡面防护工程、坡脚拦挡工程、遮挡工程等。

  ⑴ 刷方及绕避

  刷方的作用有两方面(图7-10):一是降低斜坡的坡度,防止溜砂的发生;二是在坡脚形成溜砂的堆积空间,为上部边坡的溜砂物质提供堆积空间。刷方措施是一种积极的主动防灾措施,可以有效解决溜砂的不定期发育和间断性阻断交通等问题,而且施工工艺简单,缺点是一次性投资较大。

  如图7-10所示的溜砂治理方案中,坡脚采用低挡墙,一般情况下挡墙高度(H)不应超过1.5 m,定期进行墙后清方。挡墙的高度确定应考虑以下因素:① 便于挖机进行墙后清方施工,因此挡墙不宜过高;② 考虑上部斜坡物质补给速率,应保证墙后挖方形成足够的空间,能保证一定时间内堆积需要;③ 考虑溜砂坡的现状高度和清方机械的能力,但应尽可能降低挡墙高度,由此可能使第一次刷方工程量加大,但会对以后公路维护提供极大的方便。

  对于高度上百米甚至上千米溜砂坡,或松散堆积物质补给丰富的溜砂坡,很难进行有效治理的地段,如果条件许可,可考虑采用线路绕避措施。一般可绕到河对岸或内移到山里以隧道通过,必须进行技术经济比较,以选择较为经济合理的方案。

  ⑵ 坡面防护工程

  溜砂坡一般不会发生整体失稳,溜砂引起的边坡破坏主要是坡体表面的破坏。对于工程诱发型溜砂坡,坡面防护工程可以有效加固边坡表面,从而达到溜砂坡治理的目的。

  坡面防护工程措施对解决工程诱发型溜砂坡的灾害问题十分有效,因为工程诱发型溜砂坡的溜砂物质,仅限于边坡坡体的现有物质组成,只要能够有效控制现状边坡的坡面稳定,就达到了溜砂灾害根治的目的。但对于生长型边坡,坡面防护工程无法达到溜砂的根治目的,因为边坡的松散堆积物源源不断地来自上部斜坡,而上部斜坡的高度可能为数百米到上千米,加固生长型溜砂坡的坡面,来自上部边坡的松散物质仍将沿加固的边坡面向坡脚溜滑。

  坡面防护的常用工程方法有:

  ① 植被防护工程。利用植物生长达到边坡表层稳定的目的,植被防护工程既具有加固边坡表面的作用,还具有美化环境的作用。但由于溜砂坡结构松散、地下水埋深大,因此边坡表面干燥,而且在未形成表面加固层前,边坡表面的溜砂作用还会破坏植物根系的生长,故溜砂坡边坡表面的绿化难度很大。

  ② 护面墙,包括干砌片石护坡、浆砌片石护坡、混凝土砌块护坡、混凝土护坡、格状框条护坡、喷浆和喷混凝土护坡等。护面墙作用的基本点就是防止边坡松散物质的坍滑,虽然不同护面墙的坡面加固能力不同,但加固作用的原理是相同的。护面墙加固边坡表面,可防止边坡岩土的风化、防止雨水的冲刷、防止边坡表层滑动等。

  ③ SNS柔性防护网。SNS柔性防护网是一种有效的坡面防护技术,它具有施工速度快、适应面广的优点,但加固成本较高。SNS柔性防护网覆盖到边坡的表面,对坡面施加以覆盖压力阻止表面沙石流动,制止溜砂进一步蔓延,达到稳定坡面的目的。

  ⑶ 坡脚拦挡工程

  目前川藏公路溜砂坡最常用的整治措施为坡脚挡墙(照片7-1、照片7-3~照片7-4)。由于溜砂坡具有整体稳定性,溜砂坡的危害仅仅是坡面松散堆积物的溜滑,因此采用坡脚挡墙进行拦挡防护是很自然的选择,通过坡脚挡墙的拦挡作用,防止溜砂直接流入公路威胁过往车辆、行人安全。由于挡墙后的溜砂坡处于不断堆积过程中,相应的土压力也在不断增加,进行挡墙设计时,应增加这部分的安全储备,否则,会导致挡墙的破坏(照片7-7),危害公路的安全通行。

  坡脚挡墙工程措施对防止工程诱发型溜砂坡灾害十分有效,只要修建的挡墙达到足够的高度,就可以使有限的溜砂体堆积于挡墙后而不对公路行车构成危害。因为工程诱发型溜砂坡的溜砂物质,仅限于边坡坡体的现有物质组成,溜砂活动过程会使边坡的坡度逐渐减缓,最终达到溜砂过程的结束和坡面的稳定。如照片7-3所示的工程诱发型溜砂坡,就可以考虑采用加高目前强烈溜砂段的挡墙高度,达到防止溜砂的目的。

  但对于生长型溜砂坡,坡脚挡墙工程措施无法达到治理溜砂的目标,因为边坡的松散堆积物源源不断地来自上部斜坡,边坡堆积处于生长的过程中。正是由于生长型溜砂坡具有边坡堆积生长的特性,川藏公路沿线的生长型溜砂坡均没有得到有效的治理,如照片7-4、照片7-5、照片7-8等所示,坡脚挡墙有多高,溜砂堆积就有多高,溜砂最终都会越过挡墙堆积到公路上。

  采用坡脚挡墙对生长型溜砂坡进行防护的另一个问题是会增加滚石对行车安全的威胁。由于坡脚修建挡墙,抬高了坡脚部位溜砂滚石的下落高度。当滚石从溜砂坡表面滚落时,由于较高的动能,滚石会从挡墙顶部飞出到公路中,如照片7-6所示,对行车安全构成极大的威胁。

  ⑷ 遮挡工程

  在溜砂坡较高且松散堆积物补给丰富的路段,采用刷方、坡面防护工程和坡脚拦挡工程很难收到预期的效果时,也可以采用明洞等遮挡建筑物,将线路保护在明洞之下(图7-11)。明洞的有效性已在大量的工程实践中得到证明,其缺点就是工程费用太高。对于长期不能有效治理的生长型溜砂坡,在进行防治方案(如绕线)等比选,经济技术较优的情况下,考虑采用明洞(或防溜砂走廊)措施。

  溜砂坡防治对策

  在制定溜砂坡防治对策时,首先应该确认所治理的溜砂坡是属于生长型溜砂坡还是工程诱发型溜砂坡。对于生长型溜砂坡,应采用刷方、绕避和遮挡工程等措施为宜;而对于工程诱发型溜砂坡,刷方及绕避、坡面防护工程、坡脚拦挡工程、遮挡工程等措施均为可选择的方法,主要从经济性和施工工艺要求上进行治理方案选择。

  ⑴ 生长型溜砂坡的治理对策

  无论坡脚是否有工程活动,生长型溜砂坡的溜砂作用都在不间断地发生。对于生长型溜砂坡的治理,必须注意到边坡的松散堆积物是源源不断地得到上部斜坡的补给,无论坡脚当墙修多高,溜砂均可能越过挡墙顶部,溜滑到公路上。就如同一个水库不断得到上游来水的补充,无论水坝修多高,均可能因上游来水过多而漫坝,造成水害,必须修筑放水闸和溢洪道,解决定期放水和突然泄洪问题,确保水坝安全。因此,生长型溜砂坡治理设计时,应充分考虑物源补给的强度,当上部边坡的松散堆积物补给量大、补给速率快时,坡面防护工程和坡脚拦挡工程都无法实现溜砂坡治理的目的。采用坡脚挡墙防治生长型溜砂坡还会出现如照片7-6和照片7-8所示的危害。

  如照片7-4和照片7-8所示,溜砂坡在接受上部斜坡的物质补给,溜滑到坡脚。溜砂坡得到上部斜坡的物源补给不仅限于斜坡的坡面岩石风化,还来自于冰雪搬运和流水搬运,如照片7-9所示就是中坝附近溜砂坡顶部的沟谷物源补给。对于有丰富物源补给的生长型溜砂坡,采用拦挡的方法或坡面加固的方法都无法达到治理溜砂坡的目的。生长型溜砂坡可行的治理方法应该采用刷方、绕避、遮挡工程等措施。虽然刷方不是根治溜砂坡的方法,但刷方能够达到主动防灾的目的,通过定期刷方预留溜砂堆积空间,既可防止灾害的发生,又可合理安排人力物力,避免消灾抢通工作的盲目性。

  如照片7-10所示是一处小规模的坍滑溜砂,该处由于公路填方需要,在坡脚修建挡墙后,在墙背取土形成了溜砂堆积空间,避免了坍滑的松散堆积物越过挡墙堆积到公路上,达到了溜砂灾害防治的目的。虽然该处并非典型的溜砂坡,但其防灾效果是显著的,可以作为生长型溜砂坡的防治措施中参考。

  当然,如果有足够的资金投入,在溜砂坡段采用明洞通过是根治溜砂坡的理想方案。明洞可以使上部斜坡输送的松散堆积物越过公路堆积到下边坡(图7-11)。但对于一般生长型溜砂坡,采用如图7-10所示的预留堆积空间、定期挖方的方法将更经济。

  ⑵ 工程诱发型溜砂坡的治理对策

  工程诱发型溜砂坡是一种边坡坡面破坏方式,是由于坡脚工程开挖引起的一种边坡累进性破坏过程。自然状态下的斜坡已基本处于稳定状态。坡脚开挖使边坡的坡度过陡,坡体的松散堆积物在重力为主等因素作用下,发生坡面坍塌破坏形成溜砂坡。工程诱发型溜砂坡的物质来源是有限的,随着溜砂过程的发展,边坡的坡度将逐渐变缓,最终会达到一个新的平衡状态,但这个过程可能经历较长的时间,这期间会对行车安全造成危害。因此,工程诱发型溜砂坡也需要进行必要的治理。

  对于工程诱发型溜砂坡,刷方、坡面防护工程、坡脚拦挡工程、遮挡工程等都是可选的有效治理方法。一般情况下,采用坡脚挡墙将是最经济的方法。当边坡坡度过陡时,可考虑采用坡面防护措施进行治理。

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