溜砂坡累進(jìn)補(bǔ)給破壞失穩(wěn)模式與防治措施研究

張 軍，舒中潘

(四川省地質(zhì)工程勘察院，四川 成都 610072)

溜砂坡累進(jìn)補(bǔ)給破壞失穩(wěn)模式與防治措施研究

張 軍，舒中潘

(四川省地質(zhì)工程勘察院，四川 成都 610072)

溜砂坡作為高寒山區(qū)常見的一種地質(zhì)災(zāi)害廣泛分布于天山公路北坡，并對(duì)道路建設(shè)與正常維護(hù)運(yùn)營(yíng)構(gòu)成嚴(yán)重危害.由于巖體受寒凍風(fēng)化影響嚴(yán)重，產(chǎn)屑率極高是砂粒產(chǎn)生累進(jìn)補(bǔ)給破壞失穩(wěn)的主要原因.應(yīng)用PFC2D顆粒流軟件對(duì)砂粒累進(jìn)補(bǔ)給破壞失穩(wěn)過程進(jìn)行模擬，并對(duì)砂粒位移和速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析其運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律.研制了一套裝配式溜砂坡災(zāi)害防治裝置，并進(jìn)行了試驗(yàn)段施工應(yīng)用，取得了較好防治效果.

溜砂坡；累進(jìn)補(bǔ)給破壞模式；PFC2D；防治裝置

0 引 言

溜砂坡，是指高陡斜坡上的巖體在寒凍風(fēng)化作用下逐漸崩解、破碎，產(chǎn)生大量砂粒和巖屑，并在重力作用下滾落至坡腳堆積而形成的砂坡[1].溜砂坡的發(fā)育分布受地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、斜坡坡向和氣候環(huán)境等因素影響，其砂粒運(yùn)動(dòng)與砂坡天然休止角關(guān)系密切[2-3].溜砂坡作為高寒山區(qū)常見的一種地質(zhì)災(zāi)害廣泛分布于天山公路北坡，對(duì)道路建設(shè)與正常維護(hù)運(yùn)營(yíng)構(gòu)成嚴(yán)重危害[4-5].本研究應(yīng)用PFC2D顆粒流軟件對(duì)砂粒累進(jìn)補(bǔ)給破壞失穩(wěn)過程進(jìn)行模擬，并對(duì)砂粒位移和速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析其運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律，并研制了一套裝配式溜砂坡災(zāi)害防治裝置，并進(jìn)行了試驗(yàn)段施工應(yīng)用，取得了較好防治效果.

1 溜砂坡累進(jìn)補(bǔ)給破壞失穩(wěn)模式

1.1 研究對(duì)象概況

天山公路橫穿天山山脈，公路沿線地質(zhì)條件復(fù)雜，氣候環(huán)境惡劣，沿線滑坡、崩塌、泥石流、溜砂坡及水毀等地質(zhì)災(zāi)害異常發(fā)育.據(jù)對(duì)獨(dú)庫(kù)段(K610-K655)研究區(qū)的調(diào)查，溜砂坡災(zāi)害共發(fā)育33處，占沿線總災(zāi)害數(shù)量的1/6，影響路段總長(zhǎng)為8.71 km，約為研究區(qū)線路總長(zhǎng)的20%，單位長(zhǎng)度溜砂坡發(fā)育密度為0.73個(gè)/km.

1.2 砂粒累進(jìn)補(bǔ)給破壞失穩(wěn)模式

天山公路沿線溜砂坡主要沿陽(yáng)坡分布，物源區(qū)具有高寒、高陡等特點(diǎn)，物源范圍分布廣泛，物源區(qū)的巖體在構(gòu)造、凍融等內(nèi)外營(yíng)力作用下逐漸崩解、破碎，持續(xù)不斷的產(chǎn)生巖屑和砂粒，并在重力作用下滾落至坡腳進(jìn)行堆積.砂粒累進(jìn)補(bǔ)給破壞失穩(wěn)就是由于巖體產(chǎn)屑率較高，常年不斷的提供砂粒補(bǔ)給，帶動(dòng)砂坡表層砂粒一起向下運(yùn)動(dòng)，并在坡腳進(jìn)行二次堆積，當(dāng)堆積砂坡達(dá)到其臨界極限狀態(tài)時(shí)，一旦上部砂粒再次進(jìn)行補(bǔ)給，就會(huì)引起砂坡產(chǎn)生破壞而失穩(wěn)[2].砂粒累進(jìn)補(bǔ)給破壞是砂坡能量不斷積累和突然釋放的一個(gè)循環(huán)過程，其具有持續(xù)性、累進(jìn)性及非控制性等特性，砂粒運(yùn)動(dòng)過程具有從上至下、由表及里的運(yùn)動(dòng)特征[3].

1.3 砂粒累進(jìn)補(bǔ)給失穩(wěn)PFC2D模擬

1.3.1 模型的建立方法.

PFC2D理論基礎(chǔ)為離散單元法，是研究顆粒介質(zhì)特性的一種有效工具，對(duì)于溜砂坡這種散體結(jié)構(gòu)應(yīng)用PFC2D進(jìn)行模擬是很適合的[6].

本研究模型根據(jù)溜砂坡基本特征按基巖區(qū)、溜砂堆積區(qū)和砂粒補(bǔ)給區(qū)3部分建立，模擬基本參數(shù)如表1所示.模型框架采用墻生成，墻體封閉并限制顆粒在墻體內(nèi)的運(yùn)動(dòng).顆粒的生成采用半徑擴(kuò)展法生成，并與過濾器配合使用，限制顆粒生成區(qū)域，先在墻體內(nèi)采用較小半徑的顆粒生成，再通過設(shè)定半徑擴(kuò)展系數(shù)和目標(biāo)孔隙率讓顆粒膨脹至填充整個(gè)墻體.建模過程對(duì)模型進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化處理，不同區(qū)域顆粒分3次單獨(dú)生成(見圖1).顆粒集合體生成后在自重應(yīng)力作用下運(yùn)行至平衡，其平衡判別標(biāo)準(zhǔn)為，當(dāng)最大不平衡力/最大接觸力或者平均不平衡力/平均接觸力小于等于10-4時(shí)，判定顆粒達(dá)到平衡.通過設(shè)置對(duì)模型顆粒進(jìn)行分組，對(duì)于溜砂部分和基巖部分賦予不同的參數(shù)特征.模型及其監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示.

表1 PFC模型基本參數(shù)

圖1建模剖面圖及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

1.3.2 模擬結(jié)果分析.

1)累進(jìn)補(bǔ)給砂粒運(yùn)動(dòng)過程分析.累進(jìn)補(bǔ)給失穩(wěn)是溜砂坡破壞失穩(wěn)的主要模式之一，該破壞失穩(wěn)的砂粒運(yùn)動(dòng)具有累進(jìn)性與持續(xù)性等特點(diǎn).本研究模型對(duì)物源區(qū)進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，砂粒來(lái)源于斜坡頂部集中生成的一小區(qū)域顆粒，代替上部巖體風(fēng)化崩解產(chǎn)生的砂粒、碎屑.模擬過程中，待堆積區(qū)砂坡在自重作用下平衡后，刪除物源區(qū)外側(cè)墻體，讓顆粒在自重作用下沿著斜坡自動(dòng)滑落，受上部砂粒的不斷補(bǔ)給，物源區(qū)產(chǎn)屑率逐漸增大，顆粒運(yùn)動(dòng)至砂坡表面，并在自重和慣性作用下不斷推擠并帶動(dòng)砂坡表面砂粒向下滑動(dòng).砂粒累進(jìn)補(bǔ)給破壞失穩(wěn)全過程如圖2所示.

從圖2可知，平衡后的砂坡在連續(xù)不斷的補(bǔ)給砂粒作用下，表層砂粒逐漸隨著補(bǔ)給砂粒的運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生向下滑動(dòng)現(xiàn)象，并且隨著補(bǔ)給砂粒作用時(shí)間的增加，砂坡變形破壞特征更明顯.

2)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析.砂坡砂粒運(yùn)動(dòng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖3所示.

由圖3可知，在補(bǔ)給砂粒作用過程中，砂坡砂粒位移變化明顯，其中砂坡中上部砂粒x、y方向位移均較大，下部砂粒x方向位移較大，而y方向位移量相對(duì)較小.x方向砂粒位移最大速度為0.39 m/s，y方向砂粒位移最大速度為-0.3 m/s.其中，x方向速度變化呈似波浪狀分布；y方向砂粒位移前期速度較大，后期逐漸降低，其最大速度出現(xiàn)在負(fù)方向.從整體看，砂粒運(yùn)動(dòng)x方向上的位移量大于y方向的位移變化量，這與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，從砂粒運(yùn)動(dòng)形式看，砂坡運(yùn)動(dòng)屬于累進(jìn)推移式破壞失穩(wěn).溜砂坡實(shí)際運(yùn)動(dòng)過程中，因受凍融、構(gòu)造等破壞作用，使得物源區(qū)巖體不斷崩解、破碎，產(chǎn)生砂粒、巖屑等，并對(duì)下部溜砂進(jìn)行補(bǔ)給，由于這種持續(xù)不斷的長(zhǎng)期補(bǔ)給作用，帶動(dòng)了表層砂粒不斷向下滑動(dòng)直至坡腳形成二次堆積.

(a)砂坡平衡時(shí)形態(tài)

(b)砂粒補(bǔ)給5 000步時(shí)砂坡形態(tài)

(c)砂粒補(bǔ)給20 000步時(shí)砂坡形態(tài)

(d)砂粒補(bǔ)給50 000步時(shí)砂坡形態(tài)

(e)砂粒補(bǔ)給70 000步時(shí)砂坡形態(tài)

(f)砂粒補(bǔ)給100 000步時(shí)砂坡形態(tài)

(a)1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)x方向位移

(b)1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)y方向位移

(c)2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)x方向位移

(d)2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)y方向位移

(e)3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)x方向位移

(f)3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)y方向位移

(g)x方向速度

(h)y方向速度

圖3監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移與速度圖

2 溜砂坡防治裝置

2.1 防治裝置介紹

根據(jù)天山公路溜砂坡及其防護(hù)工程特征，本研究設(shè)計(jì)了“鋼花管注漿+框架型防護(hù)網(wǎng)”裝置對(duì)溜砂坡進(jìn)行防護(hù)治理.該防治裝置是在充分利用現(xiàn)有擋墻防護(hù)的基礎(chǔ)上，采用鋼花管注漿形成“懸臂式鋼樁”，在2支鋼花管之間通過鋪設(shè)框架型防護(hù)網(wǎng)以形成攔擋結(jié)構(gòu)，鋼花管與框架防護(hù)網(wǎng)采用螺栓連接，形成具有可拆卸與裝配式防治結(jié)構(gòu)裝置，如圖4所示.

圖4防治裝置立面圖

2.2 防治裝置作用機(jī)理

鋼花管注漿時(shí)，水泥漿液在壓力作用下通過注漿系統(tǒng)把水泥漿液均勻快速地注入到溜砂堆積體之中，水泥漿液則通過填充、滲透、擠密與劈裂等作用方式，將溜砂堆積體空隙中的水分和空氣排除，并迅速將其填充和包裹.待注漿完成后，充填在溜砂堆積體中的水泥漿開始一系列復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，并將之前松散的砂粒膠結(jié)成一個(gè)整體，重新生成一個(gè)結(jié)構(gòu)密實(shí)、強(qiáng)度高、防水性能好和化學(xué)性能穩(wěn)定的“結(jié)石體”.注漿結(jié)束后，鋼花管內(nèi)部將形成水泥柱并隨同鋼管一同留置在堆積體中，形成懸臂式鋼柱，提供較大的抗滑能力以抵抗后部溜砂的滑動(dòng).同時(shí)，堆積體注漿能提高砂粒之間的承載能力和抗滑移能力.

2.3 防治措施優(yōu)勢(shì)性分析

該溜砂破防治裝置在天山公路K618組織了試驗(yàn)段施工應(yīng)用，并取得較好的防治效果(見圖5).

圖5現(xiàn)場(chǎng)施工完后整體效果圖

工程試驗(yàn)表明，“鋼花管注漿+框架型防護(hù)網(wǎng)”溜砂坡防治方案具有如下優(yōu)點(diǎn)：充分利用了現(xiàn)有防護(hù)工程，在此基礎(chǔ)上對(duì)溜砂坡進(jìn)行防治措施設(shè)計(jì)，可最大限度減少資源浪費(fèi)，節(jié)省工程成本；防護(hù)工程在結(jié)構(gòu)上具有一定柔性網(wǎng)特征，能降低溜砂砂粒對(duì)攔擋結(jié)構(gòu)的沖擊，可有效防治溜砂砂粒堆積至公路；由于受力梁為鋼花管，且注漿形成的漿體“結(jié)石體”位于巖土層內(nèi)部，因此，相比其他擋墻或混凝土結(jié)構(gòu)，本防治措施更能有效抵抗凍融作用對(duì)攔擋結(jié)構(gòu)的破壞；本該防治裝置為裝配式結(jié)構(gòu)，具有可拆卸性，為溜砂坡的定期清理提供了方便通道；防治裝置采用材料種類單一，加工方便，造價(jià)低廉，且受施工條件影響較小，施工方便.

3 結(jié)論與建議

巖體寒凍風(fēng)化速度快、產(chǎn)屑率高是溜砂坡形成和發(fā)生累進(jìn)補(bǔ)給破壞失穩(wěn)的根本原因.本研究應(yīng)用PFC2D顆粒流程序模擬了砂粒累進(jìn)補(bǔ)給破壞失穩(wěn)全過程，分析了砂粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律.針對(duì)砂粒補(bǔ)給具有累進(jìn)性和持續(xù)性，本研究研制的“鋼花管注漿+框架防護(hù)網(wǎng)裝置”能很好地滿足對(duì)溜砂坡定期清理的要求，在試驗(yàn)段施工中取得了較好防治效果，為溜砂坡的防治提供了一種新思路和新方法，具有較大實(shí)用價(jià)值.

[1]吳國(guó)雄，曾榕彬，王成華，等.溜砂坡的形成誘發(fā)因數(shù)及失穩(wěn)破壞條件[J].中國(guó)鐵道科學(xué)，2006，28(2):7-12.

[2]蔣良濰，姚令侃，蔣忠信，等.溜砂坡動(dòng)力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)及防治[J].山地學(xué)報(bào)，2004,22(1)：97-103.

[3]牛耕年，熊黑鋼，等.中國(guó)天山高山冰緣環(huán)境中的寒凍風(fēng)化剝蝕作用及其影響因素[J].冰川凍土，1992，14(4)：332-341.

[4]張?jiān)牛禈s華，郭素芳.天山公路溜砂坡防治工程參數(shù)試驗(yàn)研究[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，2007，18(4):7-10.

[5]張?jiān)?，傅榮華，黃潤(rùn)秋.天山公路溜砂坡動(dòng)力學(xué)動(dòng)力學(xué)特性及分形特征試驗(yàn)研究[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，2008，28(2):219-222.

[6]周健,池永,池毓蔚,等.顆粒流方法及PFC2D程序[J].巖土力學(xué),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.

張 軍(1986 — )，男，碩士，工程師，從事巖土工程勘察設(shè)計(jì)與地質(zhì)災(zāi)害防治研究.