高寒山区高陡边坡溜砂坡形成过程及灾害

高寒山区高陡边坡溜砂坡形成过程及灾害

滑动斜坡是指在强烈的物理风化作用下形成的粗边坡上的砂粒和砾石，在自身重力的作用下发生滑斜带，并在斜坡上形成由坡脚堆积形成的锥斜坡。坡地地貌学中将其称为“撒落”、“泻溜”,其结果是形成锥状的岩屑锥。在横向上岩屑锥可连成形似裙边的“坡积裾”。公路部门将“撒落”、“泻溜”所形成的岩屑锥称为“溜砂坡”。溜砂坡灾害分布在干旱、半干旱的高寒山区,如我国西部的川西、新疆、青海、甘肃、陕西南部地区。溜砂往往突然发生,先兆性不强。川藏公路中坝段26km范围内有活动性溜砂坡18处,最严重的有4处,每年因大量溜砂进入公路阻断交通6次以上,阻断时间短的数小时,长的1d以上。据不完全统计,每年因溜砂,公路阻断交通29d以上。中坝段K3930+320～800m溜砂坡,最严重的一段仅50m长,但抢修护坡挡砂墙就花了40多d,并多次出现溜砂埋人,砂坡滚石伤人的事故。1滑动边坡的基本特征1.1考虑模块各要素的相互关系典型溜砂坡的形成一般经历碎屑和砂粒的产生、溜动以及在坡脚堆积3个过程。按溜砂的形成、运动和堆积对坡度的要求,把碎屑和砂粒经历的坡形区域划分为砂源区、溜动区和堆积区,亦即溜砂坡的基本组成要素。各个要素之间的相互关系见图1。砂源区一般位于高陡斜坡上部易风化岩体出露处,是产生碎屑和砂粒的区域。坡度一般大于60°,其产生碎屑和砂粒的方式主要有裸露岩质陡坡强风化产砂、原地荒漠产砂、重力滑崩产砂3种。溜动区是碎屑和砂粒发生运动的区域。碎屑和砂粒在此区域运动形式有滑动、滚动、跳跃或多种复合方式(如跳滚式、溜滚式等),其坡度一般大于40°,多为强风化面。堆积区一般位于高陡斜坡的底部,坡度较缓,是碎屑和砂粒相对稳定的区域,坡度一般小于40°,大部分在30°以下。1.2干缩区和外部转换的动态变化图1是一个较理想化的模型,但实际上3个区的划分较为困难。若砂源区是岩质陡坡,强风化产生的砂、碎屑、碎石,在重力作用下即产生溜动,此时砂源区和溜动区的划分将比较模糊,有一定困难。3个区具有相互转换的动态变化特征。如先前已经稳定的砂坡堆积体,因前缘坡角修建公路或河流冲刷而产生溜动,就能转化成砂源区和溜动区。又如,当砂粒溜动到稍缓的坡地(小于30°)开始堆积,堆积的砂坡坡度大于其天然休止角,碎屑和砂粒则又开始溜动,先前的堆积区又成了砂源区和溜动区。1.3构造砂坡的组成和结构砂坡的矿物组成较复杂。溜砂坡后山为成岩地层的,砂坡内的矿物组成与成岩地层的矿物组成一致;砂源区为松散的砂、砾石层和冰水积碎屑层的,砂坡内的矿物组成更复杂。砂坡内的粒度组成可分为3大类,即砂粒、砾石组、片状碎屑组和碎石组,粉粒、粘粒组很少。川藏公路中坝段溜砂坡大多为花岗岩强风化的砂粒、砾石组,次为玄武岩强风化的碎石组。砂坡结构的最大特征是散体结构,砂粒之间几乎没有细粒物质和其它胶结物。但在长期雨水的作用下,砂坡在自我压密过程中,颗粒之间富集了少量的钙质,呈现弱胶结状。中生代紫红色泥质砂岩、泥、页岩分布区的溜砂坡,在长期雨水、暴雨作用下,很容易土壤化,丧失散体结构的特征。川藏公路中坝段花岗岩强风化砂粒和玄武岩风化的碎石很难土壤化,可较长时期维持散体结构。1.4自然资源分布据调查,山区溜砂坡的分布十分广泛,具有以下特征:1)大多沿大江大河中、上游两岸分布。嘉陵江、岷江上游为花岗岩、千枚岩、泥页岩分布区;大渡河、金沙江中上游为花岗岩、玄武岩、凝灰岩、白云岩、泥页岩分布区;澜沧江、怒江上游西藏境内为花岗岩、千枚岩、板岩、玄武岩,冰水积碎石分布区;雅鲁藏布中游的支流迫隆藏布是最典型的花岗岩分布区。2)断裂构造强作用带溜砂坡分布也较多,如云南东川的小江流域为小江断裂的强作用带,四川安宁河流域为甘孜-西昌断裂的强作用带,溜砂坡的分布也很多。3)沿寒冻风化的山脊两侧分布,大多在海拔4000m以上的高山山脊两侧,以雪线以上山脊两侧最为突出。1.5按其活动部位分类按溜砂坡的组成物质,可将溜砂坡划分为砂粒碎屑溜砂坡、片状碎屑溜砂坡和块状碎石溜砂坡,见表1。按溜砂坡活动部分的平面形态,可将其划分为面状溜砂坡、槽状溜砂坡、斑状溜砂坡。按溜砂坡的规模(面积),可将其分为小型溜砂坡(小于5000m2)、中型溜砂坡(5000～10000m2)、大型溜砂坡(10000～50000m2)、特大型溜砂坡(大于50000m2)。按溜砂坡的活动性可分为:1)强活动溜砂坡。砂坡面几乎无植被分布,随时可见砂溜动现象,砂源区呈强风化状,常见砂粒、碎屑向溜动段供砂。2)中强活动溜砂坡。砂坡上有少量植被,常见砂溜动。砂源区呈中等风化状,间断性向溜动段供砂。3)弱活动溜砂坡。砂坡上有较多植被,偶见砂溜动。砂源区成弱风化状,并长有小树、草和苔藓,基本不向溜动段供砂。大部分斑状溜砂坡属此类。4)稳定溜砂坡。砂坡上长满了植被,无溜砂现象,砂源区稳定,地表被植被覆盖,岩体无明显风化产砂现象。2砂边坡破坏特征针对公路交通而言,溜砂坡灾害是复合型灾害,其对道路工程的危害主要体现在以下4方面。2.1开挖砂坡脚据调查,溜砂坡多分布在沿河边。在溜砂坡分布的岸坡上修建公路、铁路或拓宽改建工程,都需要开挖砂坡脚。当开挖的坡度大于此种砂坡的天然休止角时都会引起砂坡重新活动,导致边挖边垮,越垮规模越大,使护坡挡砂工程无法进行。2.2道路内侧挡砂墙高度不够对于挡砂墙防护的溜砂坡,随着砂粒的不断增加,道路内侧的挡砂墙高度不够(一般为2～4m),致使溜砂漫过墙顶进入道路面上,影响通车,严重时可中断交通。2.3砂细砂个人影响通行由于沿河道路多阵性大风、暴风,常常将粒砂、细砂石扬起,严重影响车辆和行人逆风通行,甚至无法行进。另外,高速飞行的细砾石可撞坏挡风玻璃,威胁车内乘客安全。2.4砂坡上的植被自然恢复困难溜砂坡重新活动可使砂坡上的植被遭到毁灭性的破害,且由于砂坡长期缓慢活动,砂坡上的植被无法自然恢复。通常后山岩体呈强风化状,常有大量砂、碎屑进入砂坡堆积,此种情况下砂坡上的植被几乎全部被埋,无法恢复。因此,必须花费较大投资,实施人工快速固砂恢复生态措施,才能达到建设绿色通道的目标。3由于含沙层边坡形成条件和触发因素3.1砂边坡形成条件许多因素致使溜砂坡形成,其中,物质条件、地形条件、堆积条件是溜砂坡形成的基本条件。若缺少其中任何一个条件,溜砂坡就不可能形成。3.1.1易风化的岩体溜砂坡形成的首要条件取决于物质来源。溜砂坡的物质来源即风化碎屑物,多半为分布在溜砂坡斜坡中上部陡崖易风化、裂隙较为发育的岩体。这些易风化的岩体通常为花岗岩、泥质砂岩、粉砂岩、千枚岩、泥岩以及玄武岩等。岩体裂隙发育,一经剥落解离后即可形成风化碎屑物。随着时间的推移,风化产物不断增加,为溜砂坡的形成奠定了基础。3.1.2风坡下的外部外部斜截面的滑移地形条件对溜砂坡的形成也起着很重要的作用。砂粒的溜动与其天然休止角有关,当斜坡的坡度大于砂粒的休止角(一般为34°～38°)时,风化产物产生溜动,在斜坡处形成溜砂坡;反之,当斜坡的坡度小于砂坡的休止角时,则不能形成溜砂区,碎屑产物只是堆积在风化岩体周围,不能在坡脚处堆积,也无法形成溜砂坡。所以,一旦地形条件具备,就能使砂源区的风化碎屑产物发生溜动,从而在斜坡底部形成溜砂坡。3.1.3权利条件对帮扶和上覆条件的影响高陡斜坡具备了物质条件和地形条件后,仅能使风化碎屑产物发生溜动,还不能说明具备了溜砂坡形成的全部条件。风化碎屑产物经过溜动区后,若无堆积区域,直接冲入河床,则被河水直接带走,无法堆积,也无法形成溜砂坡。位于山间的公路路基为碎屑和砂粒的堆积提供了良好的空间。所以,发育有缓于砂粒的休止角的平缓而宽阔的坡脚是溜砂坡形成必不可少的堆积条件。由此可见,在溜砂坡形成过程中,以上3个条件缺一不可。另外,气候因素也影响着溜砂坡的形成。据调查,溜砂坡较集中分布在以下2个气候带:一是干旱、半干旱的山区河谷两岸,如陕、晋、黄河深切河谷两岸及金沙江、岷江和藏东南高山深切峡谷两岸;二是高寒山区雪线以上的山脊两侧。以上2种气候可加速岩体物理和化学风化作用,是岩体表面节理裂隙发育的有利条件,同时也是机械破碎流失、岩土物理力学指标降低的有利气候环境。3.2坡面微结构失稳的特性溜砂现象是指溜砂坡形成后,坡面上的碎屑和砂粒因重力作用向下溜动的一种现象。其显著特点是当砂坡面上一处失稳,就可波及周边地区导致大面积的坡面碎屑物滚动下溜。溜砂的诱发因素主要有以下几种。3.2.1砂粒的含水量地表水对溜砂的发生有2方面的作用:一是当少量地下水渗入砂坡后,使砂粒的含水量增加,反而能使砂坡的天然休止角增大,而使砂坡更趋于稳定;二是随着地下水的不断增多,水动力将促使砂粒产生溜动,当地表水形成地表径流后,则水和砂掺和在一起,形成泥砂水。3.2.2静水压力砂坡地下水的多少对溜砂的影响也较大。地下水丰富时,水对砂粒有浮托力和静水压力,当地下水运动时,将产生动水压力,这些将直接破坏砂坡的完整性与稳定性,从而可诱发溜砂。但溜砂坡多分布在干旱、半干旱以及高寒山区,地下水含量丰富的地区分布很少,所以地下水诱发溜砂的情况并不多见。3.2.3堆积物不断被私家车影响河流冲刷对溜砂坡的稳定性影响很大。河流不断冲刷坡脚,坡脚处的堆积物不断被淘蚀而影响坡体的稳定,上部的砂粒势必要下溜,从而导致已趋稳定的砂坡重新活动。川藏公路中坝段的大部分溜砂坡的重新活动便是由于1988年米堆沟冰湖溃决产生的特大洪水冲刷坡脚而引起。3.2.4垂直振动的垂直特性动荷载包括地震作用与人为动荷载作用2种。通常指向坡面的水平地震力对砂坡的影响最大,而交替指向坡内和坡外的水平振动,以及震中区发生的上下交替振动的垂直地震力使坡体更加松散,破坏坡体的整体性,易使砂坡发生溜砂。另外,人为动荷载作用下的爆破作业、机械振动以及行车产生的动荷载均可使坡体变得松散,加之砂粒之间的粘粒含量较少,颗粒间的胶结程度差,更易诱发溜砂的发生。3.2.5砂尘暴细颗粒水水坡面特征结果。对于溶剂砂尘暴的坡面风对砂粒的运动起着积极作用,大风可扬起砂坡表面的细颗粒而形成砂尘暴,微弱风的方向与坡向一致时,极易诱使坡面的物质下滑。风作用几乎随时都有,因此可以说风是导致溜砂现象常年发生的重要因素之一。3.2.6消减砂层湿度植被对于溜砂的发生起着2种相反的作用:一方面植被的根系盘结于坡面的表土结构,能固定住表面的砂粒不向下溜;另一方面植被又能消减砂层湿度,使砂干裂,并且遇大风容易连根拔起。但相比较而言,植被对固砂以及砂坡的稳定所起的积极作用大于消极作用。因此,人为或牲畜破坏砂坡表层植被,导致坡面植被数量减少,也会引起稳定砂坡的重新活动。3.2.7作用的发生地区冻融交替所诱发的溜砂带有明显的地域性,冻融作用只发生在高纬度地带和高寒地带。冻胀可使砂粒间的孔隙增大,破坏砂坡的完整性,冰融会增大孔隙水压力,冻胀和冰融无疑会加速溜砂的发生。3.2.8权利条件及诱发因素人为因素主要表现在修建公路、铁路过程中,在坡脚不合理开挖路堑,以及支护挡墙不当,从而破坏砂坡的稳定而引起溜砂。据调查,在众多溜砂灾害区,绝大多数都分布在公路、铁路边。由此可见,人为的工程活动是诱发溜砂的重要因素。溜砂的诱发因素有多种,通常大多数溜砂的诱发因素并不是单个因素所控制,而是2个或更多因素共同作用的结果。正确判别溜砂的诱发因素可为溜砂坡的综合治理提供科学依据。3.3砂边坡形成过程和发育规律3.3.1成、运动、堆积据川藏公路中坝段花岗岩分布区溜砂坡调查,一个典型溜砂坡的形成是从砂源区砂粒的形成、运动、堆积开始的。可概化成以下模型:砂源区→形成砂粒→形成砂粒溜动区→运动砂粒→运动砂粒堆积区→停止运输砂粒→停止运输砂粒砂坡形成若砂粒重复上述过程,堆积的砂坡就会越来越大。若砂源区停止产砂,砂坡的发展就会终止,并使溜砂坡趋向稳定。3.3.2美国西部山区构造、变形期期地质专家认为地壳运动分为强烈活动期和相对宁静期。强烈活动期内各种地质作用强烈,地表各种变形、灾害现象频频发生。从大环境分析溜砂坡的演化也受地壳运动的控制。我国西部高山、高原地区,在上一次喜马拉雅运动强烈活动中形成了大量山崩、大型滑坡和泥石流,西部山区大江、大河两岸成片的老溜砂坡,都是那个时期形成的。在地壳运动强烈期,地表的风化作用很强烈,产砂量就很大,所以这个时期,溜砂坡的形成发展也很强烈。地壳运动微弱期,溜砂坡停止发展,趋向稳定,砂坡上长植物(草、树);当下一次地壳强烈活动期来临时,溜砂坡又会重新活动起来,砂坡上的树、草会被溜砂毁坏、埋没。近期,许多特征表明,西部山区已进入地壳运动微弱期,各种地质作用明显减弱。其证据是地壳升、降运动减弱,河漫滩宽而大,新发生的大型、特大型滑坡较少,近期发生的大型滑坡灾害多为老滑坡复活,新生的成片的溜砂坡也不多,现在活动的溜砂坡多为河流冲刷、人工开挖砂坡脚引起的。大江大河两岸总体比较稳定,各种风化作用也明显减弱。3.3.3砂坡坡脚原因1)修筑公路、铁路和其他工程活动开挖溜砂坡脚,破坏了砂坡原有的稳定性,可引起已经稳定的砂坡重新产生溜动。川藏公路中坝段修筑、扩建公路时开挖了许多砂坡坡脚,引起近10多处砂坡重新产生溜砂。2)在砂坡上乱砍滥伐,采石采砂,过度放牧等活动,破坏了表层植被,使土石裸露,砂坡荒漠化,砂粒开始运动。由于人类活动是有限的,对溜砂坡演化的影响远不如地壳运动那么强烈。只要人类工程活动得到科学控制,对溜砂坡重新活动的影响可降低到最小程度。4外部条件分析通过对溜砂坡的基本要素、组成结构特征及分布规律进行分析,将溜砂坡按照不同性质进行了分类,并从道路建设、道路运营、行车安全、边坡植被与生态恢复等几个方面概括了溜砂坡的危害特点。通过对溜砂坡形成条件、溜砂诱发因素进行分析,得到溜砂坡形成的3个必备条件为物质条件、地形条件和堆积条件;溜砂主要诱发因素为地表水、地下水、河流冲刷、动荷载作用、风荷载作用、冻