溜砂坡累進補給破壞失穩模式與防治措施研究

張 軍，舒中潘

(四川省地質工程勘察院，四川 成都 610072)

溜砂坡累進補給破壞失穩模式與防治措施研究

張 軍，舒中潘

(四川省地質工程勘察院，四川 成都 610072)

溜砂坡作為高寒山區常見的一種地質災害廣泛分布于天山公路北坡，并對道路建設與正常維護運營構成嚴重危害.由于巖體受寒凍風化影響嚴重，產屑率極高是砂粒產生累進補給破壞失穩的主要原因.應用PFC2D顆粒流軟件對砂粒累進補給破壞失穩過程進行模擬，并對砂粒位移和速度進行監測，分析其運動變化規律.研制了一套裝配式溜砂坡災害防治裝置，并進行了試驗段施工應用，取得了較好防治效果.

溜砂坡；累進補給破壞模式；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化作用下逐漸崩解、破碎，產生大量砂粒和巖屑，并在重力作用下滾落至坡腳堆積而形成的砂坡[1].溜砂坡的發育分布受地形地貌、地層巖性、地質構造、斜坡坡向和氣候環境等因素影響，其砂粒運動與砂坡天然休止角關系密切[2-3].溜砂坡作為高寒山區常見的一種地質災害廣泛分布于天山公路北坡，對道路建設與正常維護運營構成嚴重危害[4-5].本研究應用PFC2D顆粒流軟件對砂粒累進補給破壞失穩過程進行模擬，并對砂粒位移和速度進行監測，分析其運動變化規律，并研制了一套裝配式溜砂坡災害防治裝置，并進行了試驗段施工應用，取得了較好防治效果.

1 溜砂坡累進補給破壞失穩模式

1.1 研究對象概況

天山公路橫穿天山山脈，公路沿線地質條件復雜，氣候環境惡劣，沿線滑坡、崩塌、泥石流、溜砂坡及水毀等地質災害異常發育.據對獨庫段(K610-K655)研究區的調查，溜砂坡災害共發育33處，占沿線總災害數量的1/6，影響路段總長為8.71 km，約為研究區線路總長的20%，單位長度溜砂坡發育密度為0.73個/km.

1.2 砂粒累進補給破壞失穩模式

天山公路沿線溜砂坡主要沿陽坡分布，物源區具有高寒、高陡等特點，物源范圍分布廣泛，物源區的巖體在構造、凍融等內外營力作用下逐漸崩解、破碎，持續不斷的產生巖屑和砂粒，并在重力作用下滾落至坡腳進行堆積.砂粒累進補給破壞失穩就是由于巖體產屑率較高，常年不斷的提供砂粒補給，帶動砂坡表層砂粒一起向下運動，并在坡腳進行二次堆積，當堆積砂坡達到其臨界極限狀態時，一旦上部砂粒再次進行補給，就會引起砂坡產生破壞而失穩[2].砂粒累進補給破壞是砂坡能量不斷積累和突然釋放的一個循環過程，其具有持續性、累進性及非控制性等特性，砂粒運動過程具有從上至下、由表及里的運動特征[3].

1.3 砂粒累進補給失穩PFC2D模擬

1.3.1 模型的建立方法.

PFC2D理論基礎為離散單元法，是研究顆粒介質特性的一種有效工具，對于溜砂坡這種散體結構應用PFC2D進行模擬是很適合的[6].

本研究模型根據溜砂坡基本特征按基巖區、溜砂堆積區和砂粒補給區3部分建立，模擬基本參數如表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的運動.顆粒的生成采用半徑擴展法生成，并與過濾器配合使用，限制顆粒生成區域，先在墻體內采用較小半徑的顆粒生成，再通過設定半徑擴展系數和目標孔隙率讓顆粒膨脹至填充整個墻體.建模過程對模型進行了適當簡化處理，不同區域顆粒分3次單獨生成(見圖1).顆粒集合體生成后在自重應力作用下運行至平衡，其平衡判別標準為，當最大不平衡力/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，判定顆粒達到平衡.通過設置對模型顆粒進行分組，對于溜砂部分和基巖部分賦予不同的參數特征.模型及其監測點布置如圖1所示.

表1 PFC模型基本參數

圖1建模剖面圖及監測點布置

1.3.2 模擬結果分析.

1)累進補給砂粒運動過程分析.累進補給失穩是溜砂坡破壞失穩的主要模式之一，該破壞失穩的砂粒運動具有累進性與持續性等特點.本研究模型對物源區進行了簡化處理，砂粒來源于斜坡頂部集中生成的一小區域顆粒，代替上部巖體風化崩解產生的砂粒、碎屑.模擬過程中，待堆積區砂坡在自重作用下平衡后，刪除物源區外側墻體，讓顆粒在自重作用下沿著斜坡自動滑落，受上部砂粒的不斷補給，物源區產屑率逐漸增大，顆粒運動至砂坡表面，并在自重和慣性作用下不斷推擠并帶動砂坡表面砂粒向下滑動.砂粒累進補給破壞失穩全過程如圖2所示.

從圖2可知，平衡后的砂坡在連續不斷的補給砂粒作用下，表層砂粒逐漸隨著補給砂粒的運動而產生向下滑動現象，并且隨著補給砂粒作用時間的增加，砂坡變形破壞特征更明顯.

2)監測數據分析.砂坡砂粒運動的監測數據如圖3所示.

由圖3可知，在補給砂粒作用過程中，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，其最大速度出現在負方向.從整體看，砂粒運動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，從砂粒運動形式看，砂坡運動屬于累進推移式破壞失穩.溜砂坡實際運動過程中，因受凍融、構造等破壞作用，使得物源區巖體不斷崩解、破碎，產生砂粒、巖屑等，并對下部溜砂進行補給，由于這種持續不斷的長期補給作用，帶動了表層砂粒不斷向下滑動直至坡腳形成二次堆積.

(a)砂坡平衡時形態

(b)砂粒補給5 000步時砂坡形態

(c)砂粒補給20 000步時砂坡形態

(d)砂粒補給50 000步時砂坡形態

(e)砂粒補給70 000步時砂坡形態

(f)砂粒補給100 000步時砂坡形態

(a)1#監測點x方向位移

(b)1#監測點y方向位移

(c)2#監測點x方向位移

(d)2#監測點y方向位移

(e)3#監測點x方向位移

(f)3#監測點y方向位移

(g)x方向速度

(h)y方向速度

圖3監測點位移與速度圖

2 溜砂坡防治裝置

2.1 防治裝置介紹

根據天山公路溜砂坡及其防護工程特征，本研究設計了“鋼花管注漿+框架型防護網”裝置對溜砂坡進行防護治理.該防治裝置是在充分利用現有擋墻防護的基礎上，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框架型防護網以形成攔擋結構，鋼花管與框架防護網采用螺栓連接，形成具有可拆卸與裝配式防治結構裝置，如圖4所示.

圖4防治裝置立面圖

2.2 防治裝置作用機理

鋼花管注漿時，水泥漿液在壓力作用下通過注漿系統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雜的物理化學反應，并將之前松散的砂粒膠結成一個整體，重新生成一個結構密實、強度高、防水性能好和化學性能穩定的“結石體”.注漿結束后，鋼花管內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.同時，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 防治措施優勢性分析

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

圖5現場施工完后整體效果圖

工程試驗表明，“鋼花管注漿+框架型防護網”溜砂坡防治方案具有如下優點：充分利用了現有防護工程，在此基礎上對溜砂坡進行防治措施設計，可最大限度減少資源浪費，節省工程成本；防護工程在結構上具有一定柔性網特征，能降低溜砂砂粒對攔擋結構的沖擊，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“結石體”位于巖土層內部，因此，相比其他擋墻或混凝土結構，本防治措施更能有效抵抗凍融作用對攔擋結構的破壞；本該防治裝置為裝配式結構，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，造價低廉，且受施工條件影響較小，施工方便.

3 結論與建議

巖體寒凍風化速度快、產屑率高是溜砂坡形成和發生累進補給破壞失穩的根本原因.本研究應用PFC2D顆粒流程序模擬了砂粒累進補給破壞失穩全過程，分析了砂粒運動規律.針對砂粒補給具有累進性和持續性，本研究研制的“鋼花管注漿+框架防護網裝置”能很好地滿足對溜砂坡定期清理的要求，在試驗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，具有較大實用價值.

[1]吳國雄，曾榕彬，王成華，等.溜砂坡的形成誘發因數及失穩破壞條件[J].中國鐵道科學，2006，28(2):7-12.

[2]蔣良濰，姚令侃，蔣忠信，等.溜砂坡動力學特性實驗及防治[J].山地學報，2004,22(1)：97-103.

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

[4]張元才，傅榮華，郭素芳.天山公路溜砂坡防治工程參數試驗研究[J].地質災害與環境保護，2007，18(4):7-10.

[5]張元才，傅榮華，黃潤秋.天山公路溜砂坡動力學動力學特性及分形特征試驗研究[J].防災減災工程學報，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,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計與地質災害防治研究.