基于GIS的巖溶區路橋基礎穩定性評價與應用研究

摘要：巖溶區路橋基礎穩定性分析與評價是目前國內外高速公路建設的重大技術難題之一。對巖溶區地基穩定性評價研究多集中在塌陷發育機理研究及預防等定性評價方面，少見定量評價。GIS技術在很多領域中已被廣泛應用，尤其是在公路管理中，在公路前期規劃中通過GIS可以方便地進行路網的規劃、選址、分析與最佳路線的決策，同時還可以對公路沿線的環境進行分析。

關鍵詞：巖溶區；穩定性評價；地理信息系統技術

一、巖溶區特征

隨著經濟的不斷發展，對巖溶區土地、地下水與景觀等資源的開發日益增強，由此引發的巖溶塌陷、地面變形等問題隨之頻繁發生與嚴重，由于巖溶塌陷的突發性與嚴重危害性，已成為城市資源開發，規劃建設的制約因素，影響了城市可持續發展。因此，有效預防，減輕其造成的危害勢在必行。

覆蓋型巖溶地面塌陷是公路施工中潛在的工程地質問題之一。不同開采階段地下水位動態變化特征不同，因此巖溶地面塌陷表現為不同的塌陷形式，具有不同的成因機制。向上開口的溶洞，由充填物局部坡積或殘積形成，承載力不均勻，成孔過程極易因機座不均勻沉陷。造成斜孔，或整機坍塌入孔，造成事故，個別地層有承壓水或潛流水存在時，會稀釋成孔泥漿，造成成孔過程中孔壁支撐條件惡化而坍孔，加大成孔施工難度。

巖溶區路橋基礎穩定性分析與評價是目前國內外高速公路建設的重大技術難題之一。目前，對溶洞地基穩定性評價研究多集中在塌陷發育機理及預防等定性評價方面，少見定量評價。在彈塑性力學基本理論基礎上，首先分析地基中溶洞洞壁周圍土體的應力狀態，判別應力集中影響范圍，再利用莫爾—庫侖強度準則對溶洞地基穩定性計算模型進行改進。研究表明，改進模型是可行的，基礎底面尺寸越小、埋深越淺、洞形越尖，地下水位埋深越淺，溶洞穩定性系數越大，越有利于溶洞地基的穩定，且地下水位對溶洞穩定性影響較為敏感，地下水位小幅度下降就可能導致溶洞由穩定變為破壞失穩。因此在溶洞地基穩定性評價中，應重視定量評價，尤其是地下水環境下的溶洞地基，同時計算所得的溶洞基礎最大尺寸、臨界埋深、最大水位埋深對溶洞地基的治理與設計具有較強的指導性作用。

二、利用地理信息系統技術評價巖溶區路橋基礎的穩定性

地理信息系統(GIS)是集現代計算機科學、地理學、信息科學、管理科學和測繪科學為一體的一門新興學科。它采用數據庫、計算機圖形學、多媒體等最新技術，對地理信息進行數據處理，能夠實時準確地采集、修改和更新地理空間數據和屬性信息，為決策者提供可視化的支持。地理信息系統突破了常規關系式數據庫管理的概念，集圖形管理與數據管理于一身，具有很強的空間表現力，它將空間數據處理、屬性數據處理，空間分析與模型分析與計算機技術緊密結合，通過數據準備、系統建立、空間分析與模型分析，產生對資源環境、區域規劃、管理決策、災害防治等有用的信息。目前GIS技術在很多領域中已被廣泛應用，尤其是在城市地質環境評價、農業地質環境評價中，GIS與傳統的巖溶地質等信息分析和處理技術緊密結合，延伸出了城市地質環境信息系統，例如杭州城市地質環境信息系統，對研究區進行規則網格單元的劃分，確定評價因子，利用層次分析法生成巖溶穩定性級別區劃分布，在公路的規劃與設計、養護管理等方面具有較強的應用價值。因此，運用地理信息系統技術可以對巖溶基礎穩定性計算模型進行改進，從而實現巖溶區路橋基礎的穩定性評價。

三、地理信息系統的應用

1.地理信息系統在巖溶區公路規劃中的應用

為了適應國民經濟的高速發展，公路管理部門需要不斷地進行養護、改建、擴建現有的公路運輸網，尤其是巖溶區的公路修建。以前，杭州市沒有將GIS應用在巖溶區公路規劃中，巖溶區公路的規劃主要依靠對現況的定性了解和工程師的經驗來進行，缺少系統的檢測、評價和科學的決策。在規劃過程中，常常由于經驗限制及缺乏對數據的定量分析，使規劃方案不盡合理，由此造成資金浪費，路網的使用效率下降。而GIS與巖溶等地質環境信息相結合的地質環境信息系統不僅可以對數據進行編碼標準化、存儲、查詢，而且可以在數據庫和相關知識庫的基礎上能夠定義和生成各種專用三維地質結構模型、預測分析模型。如需求分析模型、新建改建公路投資效益分析等模型，通過模型經濟分析與預測，評估現有巖溶區路網的使用性能，了解路網狀況，預測路網性能變化趨勢，為編制中長期路網規劃，路橋布局及年度養護計劃提供依據。

2.地理信息系統在巖溶區公路設計中的應用

最近幾年，一些省市已經開始著手嘗試把GIS技術引入到初設和施工圖設計中去，特別是在巖溶區公路選址中已取得了良好的效果。首先在選線設計中，可以通過鼠標在數字化地形圖與地質專業圖如巖溶穩定級別評價圖的疊合圖上綜合多種因子，選取控制點，控制點連線后，路線的大致走向就基本確定下來了。在縱斷面設計中，利用GIS可以很方便地采用各種方法(如格網、TIN)建立數字高程模型(DEM)，利用巖溶鉆孔數據，在三維GIS中構建巖溶地質地下三維結構模型，解剖區域巖溶發育層位及部位，巖溶形態、發育規模及其地下空間展布，由于數字高程模型(DEM)的存在，利用DEM數據對工程土石量和填挖范圍進行計算，最后自動完成土石方數量表，計算出占地面積，估算出占地線范圍內各項工程的分項拆遷工作量。

隨著GIS技術普及和應用的深入，GIS在巖溶區公路領域的應用將更加廣泛，進一步開發和推廣GIS技術在巖溶區路橋基礎穩定性分析與評價應用中，將在巖溶發育廣泛的區域大幅度提高公路建設和管理的工作效率和經濟效益，推進公路建設和管理模式的全面發展。

參考文獻：

[1]杜甫志，覆蓋型巖溶區地面塌陷的兩種力學分析模型及其應用，桂林冶金地質學院學報，1989年第2期；

[2]浙江省地質調查院，杭州城市地質調查報告，2009.61

[3]交通部頒《公路橋涵施工技術規范》JTJ041—2000版，人民交通出版社，2000年

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