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      帕隆藏布流域冰磧物斜坡結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性評價方法

      2019-09-10 15:26:51楊棟王軍朝楊東旭
      人民長江 2019年1期
      關(guān)鍵詞:冰磧斜坡穩(wěn)定性

      楊棟 王軍朝 楊東旭

      摘要:帕隆藏布流域是我國海洋性冰川最重要的發(fā)育區(qū),大量的冰磧物形成了數(shù)量眾多的松散堆積體,孕育著密集的地質(zhì)災(zāi)害。通過大量案例調(diào)查及現(xiàn)場測試工作,總結(jié)出冰磧物堆積體斜坡3種不同的斜坡結(jié)構(gòu)及其可能發(fā)生的破壞方式,包括淺表冰磧層降雨蠕滑型、較厚沖洪積物覆于冰磧層之上的水巖作用控制型以及冰磧層夾湖相沉積差異風(fēng)化型。針對研究區(qū)最常見的淺層破壞模式,以測窗法面含石率及泥沙含量來描述寬級配特征,以超重型動力觸探錘擊數(shù)表示固結(jié)程度,以坡長與高度對數(shù)比表示地形要素,考慮植被覆蓋及松散層厚度影響,采用最小二乘曲線擬合,建立并驗(yàn)證了穩(wěn)定性計(jì)算公式。通過對公式的實(shí)用化進(jìn)行探索,得到不同冰磧物斜坡高度所對應(yīng)的坡度值,當(dāng)冰磧物斜坡高度小于10 m時,坡度可達(dá)70°以上。

      關(guān)?鍵?詞: 冰磧物; 斜坡結(jié)構(gòu); 穩(wěn)定性模型; 帕隆藏布流域

      中圖法分類號:P642?文獻(xiàn)標(biāo)志碼: ADOI:10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.01.020

      第四紀(jì)以來,青藏高原發(fā)育的多次冰川活動使帕隆藏布流域保留大量古冰磧遺跡。古冰磧往往以側(cè)磧壟或終磧堤存在,其物質(zhì)成分為黏粒、粉粒、砂、礫石及漂石組成的非成層的冰川沉積物。冰磧物粒級級配寬,粒度極不均勻,其固結(jié)程度可從松散到鈣質(zhì)膠結(jié),滲透系數(shù)差異也較大,因此工程性質(zhì)差異較大。而研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造強(qiáng)烈,地形高差巨大,具有高寒氣候特征和河谷區(qū)高強(qiáng)度降水,受自然和人類活動的雙重影響,在城鎮(zhèn)和道路、水利工程建設(shè)場地附近,可能形成災(zāi)害,危害嚴(yán)重[1-4],其中很多災(zāi)害與冰磧物堆積體有關(guān)。袁廣祥等分析了川藏公路帕隆藏布段沿線第四紀(jì)堆積體的成因及其分布規(guī)律[5],并將6處冰磧物邊坡的特征值與一般碎石土邊坡特征值相比較[6]。張惠霞等對帕隆藏布滑坡侵蝕特征及穩(wěn)定性進(jìn)行了分析[7]。Springman從非飽和土力學(xué)角度,對阿爾卑斯山冰磧層斜坡降雨入滲時發(fā)生淺層滑坡進(jìn)行了模擬試驗(yàn)和機(jī)制分析。丁繼新、尚彥軍分別研究了分布于川藏公路然烏—魯朗段、然烏—東久段的地質(zhì)災(zāi)害,根據(jù)信息熵的理論和方法, 提出半定量模型[8]。徐鼎平等以某露天礦冰磧土臺階邊坡為研究對象,提出一種新的可靠度求取方法,簡化統(tǒng)計(jì)矩法[9],并對太和露天鐵礦使用FLAC?3D?進(jìn)行三維數(shù)值模擬[10]。

      在冰磧物工程性質(zhì)研究方面,李驊錦等對四川理縣小歧村冰磧物角礫土抗剪強(qiáng)度特性進(jìn)行研究[11]。木勛等針對西南某機(jī)場冰磧土的顆粒、級配、強(qiáng)度、滲透性等特性進(jìn)行研究[12]。馮俊德、李建國等進(jìn)行了原狀冰磧土和相同干密度、不同含水率下的重塑冰磧土大型直剪試驗(yàn)[13]。在冰磧物微觀研究方面,呂士展、汪稔等對冰磧土原狀樣進(jìn)行了 CT 掃描,獲得了冰磧土內(nèi)部真實(shí)細(xì)觀組構(gòu)圖像[14]。在青藏高原的康定機(jī)場[15]、西藏巴河水電站[16]、波堆電站[17]等重大工程項(xiàng)目建設(shè)中,巖土工程師對冰磧物的工程特性作了大量研究。

      冰磧物結(jié)構(gòu)特征及力學(xué)特征與均質(zhì)、連續(xù)的土體均有所不同,但是除礫石與填充基質(zhì)之間的接觸面外,冰磧土體內(nèi)基本不存在其他結(jié)構(gòu)面,其穩(wěn)定性既不能按照土體邊坡進(jìn)行分析,也不能根據(jù)巖石的結(jié)構(gòu)控制論進(jìn)行分析。對冰磧物而言,原狀土樣難于獲取,無法保留其特有膠結(jié)特性,就尺寸效應(yīng)而言,除非進(jìn)行原位大剪試驗(yàn),否則難于獲取其真實(shí)的抗剪強(qiáng)度指標(biāo),使得經(jīng)典的物理力學(xué)模型難以實(shí)現(xiàn)。本文擬通過分析影響冰磧物斜坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素,進(jìn)行一系列案例調(diào)查現(xiàn)場測試,獲取足夠的樣本,然后用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的理論建立一套穩(wěn)定性評價模型,為川藏鐵路及高速公路的選線工作及防災(zāi)減災(zāi)工作提供科學(xué)參考。

      1?冰磧物分布及堆積環(huán)境

      帕隆藏布流域冰磧物堆積體主要分布于帕隆藏布主谷、曲宗藏布、波堆藏布、亞龍藏布及縣城附近的嘎龍曲(見圖1)。

      帕隆藏布流域主體上屬于班公錯—怒江縫合帶和雅魯藏布江縫合帶之間的岡底斯弧后盆地。由于印度板塊不斷向歐亞板塊俯沖,使得區(qū)內(nèi)地殼發(fā)生了強(qiáng)烈的隆升并被向東擠出,區(qū)域內(nèi)有 5大走滑斷裂: 林芝—東久走滑斷裂(LDF)、嘉黎右行走滑斷裂(J SF)、察隅右行走滑斷裂(ZSF)、墨脫走滑斷裂( MSF) 和古玉走滑沖斷裂( GYT),如圖 1所示。流域內(nèi)地貌基本特征是高山、深谷與寬谷相間分布。氣候上屬于西南季風(fēng)亞熱帶山地氣候,是我國海洋性冰川最重要的發(fā)育區(qū)。影響該區(qū)冰磧物斜坡穩(wěn)定性的主控條件如下。

      (1) 冰磧物特性。寬級配、膠結(jié)程度差異性大。含石量及膠結(jié)程度控制著冰磧物的力學(xué)性質(zhì),泥沙含量則與冰磧物水力學(xué)特征關(guān)系密切。

      (2) 構(gòu)造運(yùn)動。研究區(qū)處于隆升區(qū),速率約為10 mm/a,且有加快趨勢。如此高速率的抬升對地形的影響,對河流侵蝕的加劇都是巨大的。研究區(qū)有5條大的區(qū)域斷裂,整體處于韌性剪切帶中,新構(gòu)造運(yùn)動活躍,地震頻發(fā),物質(zhì)較為破碎。

      (3) 冰川地貌。不同地貌、不同部位的冰磧物在膠結(jié)程度、力學(xué)性質(zhì)及失穩(wěn)方式方面都存在較大差異性。

      (4) 河流搬運(yùn)作用。河流主谷侵蝕極大改變了原地形,降低了斜坡穩(wěn)定性。以帕隆藏布為例,雨季流量達(dá)到旱季流量的20倍,7月平均流量達(dá)到1 624.5 m3/s,102滑坡處坡岸在1990~1998年間后退30~40 m。

      (5) 水文條件。區(qū)內(nèi)降雨量較大,然烏—松宗年降雨量800~850 mm,波密縣城年均降雨量900~950 mm,通麥年均降雨量1 000~1 100 mm。當(dāng)冰磧物斜坡后緣與山體相接時,后緣匯水也會對冰磧物的穩(wěn)定性造成影響。

      (6) 軟弱層。主要是古冰湖沉積物,以粉沙為主,孔隙率高,壓縮性強(qiáng),影響冰磧物的穩(wěn)定性。

      2?斜坡結(jié)構(gòu)及破壞方式

      通過項(xiàng)目組為期2 a的地質(zhì)調(diào)查,查明了大量冰磧物案例點(diǎn),總結(jié)出3種磧物斜坡結(jié)構(gòu)及其破壞方式。

      (1) 斜坡結(jié)構(gòu)1(以噶龍寺為代表)。如圖2所示,壤化層+冰磧層,破壞以降雨淺層蠕動為主,為本區(qū)最常見的冰磧物斜坡失穩(wěn)模式。由于冰磧物形成年代較晚,壤化層較薄,一旦修建公路或水渠破壞了壤化層后,則冰磧物常年暴露于外,失去植物根系的約束及淋濾層的保護(hù),冰磧物在降雨的作用下淘蝕細(xì)粒組分,形成架空結(jié)構(gòu),極易失穩(wěn)。當(dāng)冰磧物泥沙組含量較多、坡面較陡而膠結(jié)程度尚可時,在干濕循環(huán)作用下形成與臨空面平行的裂縫,發(fā)生漸次剝落。典型案例分布于冰川主谷兩側(cè)冰磧側(cè)壟及伸入河流的終磧壟與河流相切部位,如加馬美其溝淺層滑坡、德巴村滑坡等(圖3)。

      (2) 斜坡結(jié)構(gòu)2(以102滑坡為代表)。如圖4,5所示,較厚的冰水沉積層物覆于弱透水冰磧層上,充當(dāng)“保水層”,和冰磧物特有的架空結(jié)構(gòu)共同改變坡體滲流路徑,后緣與山體相接,匯水面積較大,降雨較多,在冰水沉積層與古冰磧層接觸面上,往往分布線性泉水或常年濕潤,不斷沖刷坡面,形成新的架空結(jié)構(gòu),甚至形成沖溝,水巖作用加劇,漸次剝落堆積,最終滑坡整體失穩(wěn)。

      (3) 斜坡結(jié)構(gòu)3(以白玉冰磧?yōu)榇恚H鐖D6所示,冰磧層中夾湖相沉積,冰湖沉積時,水動力相對較小,顆粒極細(xì),為軟弱層,淺層破壞居多。如白玉冰磧(見圖7),冰磧層之間有一層湖相沉積,厚度2~7 m,可見沉積韻律,顆粒極細(xì),力學(xué)性質(zhì)較弱,因而產(chǎn)生淺層破壞。此類斜坡多分布于終磧壟附近古冰湖,常見寬大潰口,冰磧層底層出露湖相沉積,分布范圍大、厚度較深;冰磧層與湖相沉積接觸處可見差異風(fēng)化形成的凹腔。

      3?穩(wěn)定性評價模型

      前文所述斜坡結(jié)構(gòu)劃分的意義在于根據(jù)斜坡結(jié)構(gòu)類型,可初步判斷其可能發(fā)生的災(zāi)變模式。由于模式3為顯而易見的冰磧物夾軟弱層的結(jié)構(gòu),而模式2則為相對復(fù)雜的情形,需專門的工程地質(zhì)勘察,因此針對最常見的冰磧物斜坡失穩(wěn)方式1提出穩(wěn)定性評價模型。

      3.1?冰磧物斜坡穩(wěn)定性評價指標(biāo)體系

      冰磧物斜坡穩(wěn)定性評價指標(biāo)體系考慮了冰磧物顆粒級配、固結(jié)程度、地形要素及覆蓋情況。

      3.1.1?顆粒級配

      冰磧物最大的特點(diǎn)是其寬級配特征,大到數(shù)米的漂礫,小至粉沙級。顆粒級配的現(xiàn)場測量主要為面含石率測量(粒徑大于60 mm的顆粒面積與測窗面積之比 )及傳統(tǒng)篩分法。面含石率測量采取測窗法,在野外采集高清圖像,然后用CAD進(jìn)行矢量化及后期操作。通過16處案例點(diǎn)現(xiàn)場測試,發(fā)現(xiàn)面含石率相差較大,為2.6%~30%(見圖8)。

      冰磧物現(xiàn)場篩分共進(jìn)行33組,其中有15個土樣為碎石,有12個土樣為角礫,有6個土樣為礫砂;分析其粒度特征,只有12個土樣為級配良好(同時滿足?Cu≥5及1≤Cv≤3?),其余均為級配不良土。

      3.1.2?密實(shí)程度

      密實(shí)程度是冰磧物的另一項(xiàng)重要特征,由于其形成年代、級配、礦物成分及堆積環(huán)境的差異,使得冰磧物的密實(shí)程度存在較大的差異,年代較晚者未完成固結(jié),低溫地區(qū)還會受凍土劈裂影響,呈現(xiàn)松散狀態(tài),極易發(fā)生變形,形成滑坡或成為泥石流物源。而形成年代較晚的冰磧物已完成固結(jié),甚至發(fā)生鈣質(zhì)或泥質(zhì)膠結(jié)作用,使得冰磧物外觀如同“混凝土”一樣,往往能形成上百米高的陡坎。固結(jié)程度的研究可通過現(xiàn)場承壓板試驗(yàn)及微觀電鏡掃描進(jìn)行。本文采用超重型動力觸探區(qū)分冰磧物的密實(shí)程度(見圖9)。

      從案例調(diào)查來看,淺層剝落的厚度一般小于3 m,因此冰磧物密實(shí)程度以4 m內(nèi)每10 cm超重型動力觸探平均錘擊數(shù)為量化指標(biāo),統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖10。

      3.1.3?地形要素及植被情況

      在高山峽谷區(qū),陡峻的地形及巨大的高差使得堆積體具備很大的勢能,為滑坡和滾石災(zāi)害的發(fā)展和產(chǎn)生提供了有利的條件。據(jù)工程地質(zhì)手冊,對于同一類型穩(wěn)定的自然斜坡高度和坡面投影長度依循冪指數(shù)關(guān)系,在雙對數(shù)坐標(biāo)上為一條直線。植被對山區(qū)斜坡穩(wěn)定性的影響機(jī)制是多學(xué)科的,也是極其復(fù)雜的,但就冰磧物斜坡淺層失穩(wěn)而言,有植被的冰磧物堆積體要優(yōu)于常年裸露于外的冰磧物,而高大喬木的根系往往較長,與低矮灌木相比,能提供更大的約束作用。本文對植被情況為全裸露取為0,低矮灌木取1,高大喬木取1.5,有植被垂直分帶明顯的,按坡面長度加權(quán)平均。松散層厚度結(jié)合剖面測量及超重型動力觸探試驗(yàn)確定。

      3.2?冰磧物斜坡穩(wěn)定性評價模型

      建立冰磧物斜坡穩(wěn)定性評價指標(biāo)體系后,即可獲得典型案例點(diǎn)的輸入向量,而其輸出向量則為冰磧物斜坡的穩(wěn)定性系數(shù)。典型冰磧物斜坡案例點(diǎn)的穩(wěn)定性系數(shù)可由現(xiàn)場踏勘,查明斜坡變形跡象,依據(jù)相關(guān)規(guī)范推薦及經(jīng)驗(yàn)確定。據(jù)《滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》(DZ 0240—2004)第4.4條,一般條件下,穩(wěn)定系數(shù)y可根據(jù)下列情況確定:斜坡處于穩(wěn)定狀態(tài),y=1.15~1.05;整體暫時穩(wěn)定~局部變形狀態(tài),y=?1.05?~1.00;斜坡處于整體變形~滑動狀態(tài),y=?1.00?~0.95。經(jīng)過一系列相關(guān)性分析,構(gòu)造以下穩(wěn)定性評價函數(shù)

      y=aA?60?+bm2+cN?120?+dlnLlnH +ehs+fZ

      式中,y為斜坡穩(wěn)定性系數(shù);a,b,c,d,e,f為待定常數(shù);A?60?為粒徑大于60mm的面積含石率,%;m2為粒徑小于2mm的體積含石率,%;N?120?為由地表至埋深4m范圍內(nèi),平均超重型重力觸探錘擊數(shù);L為縱坡長,m; H為坡面高度,m;hs為松散層厚度,m; Z為植被情況,裸露取0,低矮灌木為1,高大喬木取1.5。

      通過MATLAB最小二乘曲線擬合,計(jì)算得出[a,b,c,d,e,f]=[0.16,-0.65,0.0119,0.963,?-0.0557?,0.0387],從模型的擬合結(jié)果來看(見圖11),擬合誤差較小,且能很好地把所有樣本點(diǎn)準(zhǔn)確地分為“穩(wěn)定”及“不穩(wěn)定”兩類。對各指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析表明,冰磧物斜坡面含石率越大、細(xì)粒含量越少、固結(jié)程度越密實(shí)、坡高越矮、坡角越緩、松散層越薄、植被越好,則斜坡穩(wěn)定性越好,這與案例調(diào)查結(jié)果是相符的。

      為驗(yàn)證該穩(wěn)定性評價公式,按公式包含的指標(biāo)內(nèi)容調(diào)查了12處案例點(diǎn),從冰磧物斜坡的實(shí)際穩(wěn)定狀態(tài)和模型評價的結(jié)果來看,模型能把“穩(wěn)定”及“不穩(wěn)定”的2種狀態(tài)完全正確地分開,在穩(wěn)定性的趨勢上也能很好地分辨(圖12)。

      由于研究區(qū)每段小流域的堆積環(huán)境、地質(zhì)條件類似,可針對不同流域提出冰磧物斜坡特征值,以此指導(dǎo)交通干道選線、建設(shè)工作。將小流域中的冰磧物斜坡各指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理,代入穩(wěn)定性評價公式中,令穩(wěn)定性評價公式的函數(shù)值為1,可得到不同冰磧物斜坡高度所對應(yīng)的坡度值(見表1)。

      3.3?穩(wěn)定性評價公式的實(shí)用性探討

      公式中超重型動力觸探試驗(yàn)是制約模型實(shí)用性的關(guān)鍵因素,而其它數(shù)據(jù)可以在不進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的前提下容易獲得。因此我們建議在沒有進(jìn)行超重型動力觸探實(shí)驗(yàn)條件的情況下,按經(jīng)驗(yàn)取值。對于年代較晚,較松散欠固結(jié)冰磧物(如嘎隆曲冰磧等),N?120?可取6~8;對于含石量較大、固結(jié)很好、膠結(jié)如同混凝土的冰磧物(如珠西冰磧、熱多隆巴冰磧、德普冰磧),N?120?可取12~17;介于兩者之間的可取8~12。雖然密實(shí)程度對冰磧物穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)僅次于地形要素,但通過大量現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)表明,其數(shù)據(jù)區(qū)域較窄,因此按松散、一般及膠結(jié)3種狀態(tài)分類取值后,不至于對穩(wěn)定性評價模型結(jié)果產(chǎn)生很大的影響。

      4?結(jié) 論

      (1) 本文通過大量案例調(diào)查及現(xiàn)場測試工作,總結(jié)了冰磧物堆積體斜坡破壞的3種方式,并針對研究區(qū)最常見的破壞方式1初步建立穩(wěn)定性評價模型,對川藏鐵路及高速公路的選線及防災(zāi)減災(zāi)具有參考價值,具有一定的理論及實(shí)踐意義。

      (2) 針對藏東南生態(tài)脆弱區(qū)的冰磧物斜坡變形破壞防治工程,目前以保護(hù)公路的錨固工程及擋土墻為主,但未顧及坡面的防護(hù),可運(yùn)用生態(tài)擋墻或格構(gòu)綠化等環(huán)境友好型防治工程,以保護(hù)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境資源及旅游資源。

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      引用本文:楊?棟,王軍朝,楊東旭.帕隆藏布流域冰磧物斜坡結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性評價方法[J].人民長江,2019,50(1):108-112.

      Moraine slope structure in Parlung Zangbo River Basinand its stability evaluation method

      YANG Dong, WANG Junchao, YANG Dongxu

      (Institute of Exploration Technology, Chinese Academy of Geological Sciences, Chengdu 611734, China)

      Abstract:The Parlung Zangbo River Basin is the largest region of oceanic glaciers in China, where a large amount of moraine form substantial loose deposits and numerous geological hazards develop. Through a lot of case investigation and field tests, three different slope structures of moraine deposits and their possible failure modes are summarized, i.e., the rainfall-caused creep failure of shallow moraine, the water-rock interaction controlling failure of moraine layer covered with thicker alluvial deposits, differential weathering failure of moraine layer intermingled with lake deposits. In view of the shallow failure mode, most common shallow in the study area, the characteristics of wide gradation are described by the stone content and sediment content in per unit area by sampling window method, the consolidation degree is expressed by the hamming number of super-heavy dynamic penetration test, and the topographic elements are represented by the logarithmic ratio of slope length to height, so the stability calculation formula is established and verified by the least square curve with the consideration on the influence of vegetation cover and loose layer thickness. By practicality analysis of the formula, the slope values corresponding to the different moraine slope height are obtained. When the moraine slope height is less than 10 m, the slope can reach more than 70 °.

      Key words:?moraine; slope structure; stability model; Parlung Zangbo River Basin

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