天山公路病害區域劃分及臨界雨量研究

鄧文彬

（1.武漢大學 測繪學院，湖北 武漢 430079；2.新疆大學 建筑工程學院，新疆 烏魯木齊 830046）

天山公路穿越天山地槽系，活動斷裂較多，新構造運動十分強烈，巖體節理發育，完整性差。山體陡峭，溝谷縱橫，屬地震較活躍區（地震烈度Ⅷ—Ⅸ）。出露的地層巖性主要有志留系、泥盆系、石炭系的灰巖、砂巖、泥巖、礫巖、花崗巖等。坡積層以全新的碎塊石土為主，厚度0～10 m，呈松散狀，自然坡度30°，高山帶坡積層中常藏匿有永久性凍土層。區內地殼經歷了多期構造變動，褶皺、斷裂發育；沿線地形陡峻、基巖裸露、巖土介質組成復雜，且多伴有巨大雪山與冰川氣候，自然環境復雜多變。植被稀少，主要以高山耐寒植被為主，植物落根困難。由于地處高寒山區，地形復雜，氣溫差異大，春融季節早晚溫差更大，加之植被稀少，使基巖的物理、化學風化作用強烈。

1 天山公路沿線數據采集

在天山公路沿線野外考察基礎上,收集、整理典型區域的自然地理概況、水文氣候特征及區域特征資料。自然地理概況資料主要包括區域的地理位置、地形地貌特征等。典型工程地質病害區域特征資料主要包括經緯度、區域面積和各月及年降水量表等，見表1～表4[1,2]。

表1 天山公路沿線水文站地理參數和集水面積

表2 天山公路沿線氣象站地理參數

表3 天山公路沿線水文站各月及年降水量/mm

表4 天山公路沿線氣象站各月及年降水量/mm

2 天山公路地質病害區域劃分主要條件

1）區域內應有氣象水文站代表站，即平均單站控制面積在100～200 km2以下，且分布比較均勻；具有較完整、詳細的工程地質病害歷史發生記錄或降水量實際觀測資料以及暴雨洪水調查資料；各站點具有時間序列較完整的雨量資料、一定的地質資料、水文資料和氣候資料。

2）區域內具有典型工程地質病害地理特征，工程地質病害頻繁，受災情況嚴重。

3）在劃分典型區域時，應盡量避免將小區域分割開，區域內的地質條件和氣象條件相差不大。

4）區域代表站24 h降水強度均值指標≥26 mm為天山公路地質病害多發區（A區）； 21～25 mm為天山公路地質病害常發區（B區）；16～20 mm為天山公路地質病害易發區（C區）。

根據上述原則，可繪制分區圖。將分區圖和水文氣象臺站分布圖以及野外考察結合起來，從而確定3個大區及9個特征小區，見表5[3]。

表5 9個特征區樁號及代表站

3 天山公路工程地質病害區域臨界雨量確定

在一個流域或區域內，降雨量達到或超過某一量級和強度時，該流域或區域將發生暴雨洪水、泥石流、滑坡等公路工程地質病害。把這時的降雨量和降雨強度，稱為該流域或區域的臨界雨量（強）。

3.1 利用單站臨界雨量分析區域臨界雨量

因影響臨界雨量的因素很多，且各種因素的定量關系難以描述，各次激發災害發生的雨量不完全相同，因此區域內各站的臨界雨量也不盡相同。根據計算出的區域內各單站臨界雨量初值來確定區域臨界雨量，這種方法稱為單站臨界雨量法。區域臨界雨量的取值不是一個常數，而是有一個變幅，變幅一般在Rtmin及之間。在該變幅內，區域中達到臨界雨量的站點相對較多，但不是全部。只要降雨量在該變幅內，區域內就有可能發生工程地質病害。臨界雨量變幅不能過大，否則對工程地質病害防治意義不大。

根據前面關于臨界雨量的確定方法，結合不同地區的降水特點，計算出天山公路周圍各站點24 h的臨界雨量值，見表6。

表6 工程地質病害各氣象站24 h臨界雨量表/mm

3.2 天山公路區域工程地質病害臨界雨量的分析計算

根據區域內各雨量站歷史工程地質病害發生時間表，收集對應的雨量資料（區域內只要有一個站發生工程地質病害，視為該區域內發生了工程地質病害，則區域內所有雨量站都要收集和統計對應的降雨過程資料），降雨過程的劃分與單站方法相同。

計算區域內與歷次工程地質病害對應的各時段最大面平均雨量。假設區域內共有S個雨量站，共發生工程地質病害N次，共統計T個時段的面平均雨量。面平均雨量的計算可采用算術平均法、泰森多邊形法、雨量等值法等多種方法，但要保證計算精度。Rtj為t時段第j次工程地質病害對應雨量過程中的最大面平均雨量（通過滑動平均得出），則區域內各時段有N個（每場災害一個）最大面平均雨量值。

區域臨界雨量初值的確定:統計N次工程地質病害各時段最大雨量面平均值的最小值，即為各時段區域工程地質病害臨界雨量初值：

3.3 天山公路無資料區域臨界雨量的確定

采用內插法與比擬法結合，同時根據實例調查進行區域臨界雨量值的參數確定，再依據災害與降雨頻率分析法確定無資料地區區域臨界雨量和各歷時臨界雨量的頻率分析,見表7。

依據表7，結合天山公路工程地質病害發生頻率以及植被覆蓋情況，確定天山公路工程地質病害區域臨界雨量，見表8。

表7 天山公路區域代表站各歷時臨界雨量/mm

表8 天山公路工程地質病害區域各歷時臨界雨量成果表/mm

進一步分析表8可以看出，A1和B1反映普遍規律，B2和A2反映特殊規律，從而揭示天山公路工程地質病害區域各歷時臨界雨量具有普適性和特殊性。這主要是由地質條件、地形以及天氣系統所致。

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