西藏拉萨地区冻融作用对溜砂坡天然休止角的影响

张俊巍，田荣燕，薛现凯，马老二

(西藏大学工学院，西藏 拉萨 850000)

西藏拉萨地区冻融作用对溜砂坡天然休止角的影响

张俊巍，田荣燕，薛现凯，马老二

(西藏大学工学院，西藏 拉萨 850000)

在考虑拉萨地区周边主要道路沿线广泛分布的冻融现象基础上，探究了溜砂坡在有无冻融作用下，粒径不同和颗粒混杂程度均匀，且伴随着含水率增大的情况，冻融作用对于砂坡天然休止角的影响。试验结果数据与对比分析表明：粒径相对较小的砂坡对冻融作用的抵抗能力较强，颗粒混杂程度均匀(级配好)的砂坡也对冻融作用具有较强的抵抗能力；同时冻融会增加斜坡失稳的不确定因素。

冻融；溜砂坡；天然休止角；含水率

0 引言

溜砂坡是一种易发生在干旱及半干旱、寒冷和高海拔地区的特殊坡体。高陡斜坡上部物源区基岩主要经风化作用形成碎屑状颗粒，在重力以及其他外力作用下，沿坡面溜动，堆积于坡脚日积月累而形成持续增长型的锥形坡体[1-3]。这类由松散颗粒所构成的特殊斜坡因其坡体内细颗粒含量很少，粘聚力通常不予考虑，其稳定性主要依靠颗粒间的摩擦力和咬合力维持[4-5]，因此该类斜坡实际上属于无粘性的散粒体堆积物的一种类型，位移形式不是滑移而是直接流动或滚动，所以该类型斜坡的破坏与滑坡、崩塌、落石(滚石)有明显区别。溜砂坡既无滑动面也无破裂壁，堆积物较均匀，堆积坡度与此种砂粒(碎屑)的天然休止角一致[5-6]，所以对散粒体斜坡失稳机制的研究应不局限于常规公路沿线地质灾害的研究思路。此类松散堆积物还会在合适的地形及充足的水源条件下，形成较大规模的泥石流，对道路安全危害大[7-8]。

2003年，文献[9]通过对川藏公路中坝段溜砂坡形成机理分析、砂粒级配和抗剪强度分析得出砂粒的起动受控于砂坡的天然休止角的结论——砂坡坡度>天然休止角就会发生溜坡，反之则不会发生溜坡；2004年，文献[10]根据自组织临界性理论(Self-organized Criti-cality,简称SOC)的沙堆模型，进行了干燥砂石临界单面坡坍塌试验，得出非均匀度较大的散粒体系统，发生塌滑的概率较小的结论。2006年，文献[11]进行了溜砂坡室内模型试验研究，研究了起动条件，含水率和砂粒粒径等条件与休止角的关系。2013年，文献[12]在此前研究的思路上更加细致的研究了粒径大小、颗粒粗细混杂程度和颗粒不均匀程度等因素对散粒体斜坡稳定性的影响。

冻融侵蚀是拉萨地区最主要土壤侵蚀类型。其行政区内还分布有强冻融侵蚀地区，如林周县、当雄县(G109途经)、墨竹工卡县(G318途经)、堆龙德庆县(G109、G318途经)[13]。故本文在参考国内研究影响溜砂坡天然休止角因素的思路与结论的基础上，探讨冻融作用对于拉萨市周边道路沿线溜砂坡天然休止角的影响。

1 工程地质状况

1.1地形特征

研究段位于拉萨市区以北7 km的夺底乡，地理坐标北纬29°43.1′，东经91°9.6′。属盆地地貌，地形标高3 750～3 900 m，山峰海拔在4 600～4 912 m。斜坡上部为裸露岩层，坡度50°～85°；中、下部为松散花岗岩堆积区，坡度30°～42°。

1.2地层岩性

该处第三系岩浆活动较为活跃，出露的花岗岩为第三系黑云母花岗岩及黑云母花岗闪长岩[14]。裸露岩层经过水的长时间浸泡或者酸性雨水的侵蚀，破坏了花岗岩内部的粒径组成[15]。同时因坡体表面植被稀疏，生态环境脆弱，地表水侵蚀作用严重，加剧了对岩体的风化侵蚀，溜砂坡的形成和发育提供了充分物质来源及环境条件。斜坡中、下部已形成较大规模的松散花岗岩堆积区，厚度30～80 cm。

1.3气候及植被特征

研究区属于高原温带半干旱季风气候，气候条件恶劣，昼夜及季节温差较大，夏季温暖短暂，降水较多，冬季寒冷干燥；由于太阳辐射较强，蒸发强烈，气候极为干燥。历史最高气温为29.6 ℃，最低气温为-16.5 ℃，年平均气温为7.4 ℃，降雨量集中在6～9月份，年降水量为200～510 mm，全年日照时间30 000小时以上。

2 研究区砂坡的基本特征

2.1砂坡地形特点

溜砂坡下部距公路内侧10 m高处修建有宽3 m的护坡道，上部砂坡延伸至裸露花岗岩岩层。相对高差180 m左右，砂坡的天然堆积坡度为30°～41°。

2.2砂坡的矿物组成与粒度成分

该处溜砂坡粒度成分受控于斜坡上部物源区裸露岩层的风化后堆积物。裸露花岗岩物理风化较强，黏粒含量少。砂坡上部多为中、粗砂；中部多为粗砂、细砾；下部多为粗砂、细砾。取样筛分实验结果见表1。

表1 溜砂坡颗粒级配 单位：%Table 1 Grain composition of sand-sliding slopes

3 试验材料

3.1粒组分布情况

分别随机在研究区溜砂坡(1#)与同地区碎石坡(2#)采集试验材料，探究其粒组分布情况。溜砂坡粒径分布多为0.25～2 mm，碎石坡粒径分布多为0.5～5 mm。试验材料的颗粒分选性见表2。

表2 实验材料粒组情况 单位：%Table 2 The fraction of test material

3.2试验样品制备

将现场采集的溜砂坡砂样分别按粒径0.5～2 mm、0.25～0.5 mm和0.075～0.25 mm筛分成粗砂、中砂、细砂共3种砂样。烘干后，将三种砂样的含水率分别设定为0%、3%、6%、9%、12%、15%(粗砂含水率达到15%，中砂达到18%，细砂达到21%以后，砂样基本处于饱和状态，超出本试验范围，但考虑到砂样所在地实际情况，本次研究的试验含水率上限值均设为15%)的状态下分别进行试验；按照有效粒径为0.25 mm，配置Cu=6，Cc=1.5级配良好的砂样用以4.3(2)试验。

4 堆积试验

目前该种试验方法已得出结论(均为单一变量)：(1)对于相同角度的坡体，颗粒小的坡体抗失稳能力小于颗粒大的坡体[4,11]； (2)颗粒均匀程度较大的坡体抗失稳能力较大[4,10,13]；(3)含水率对休止角影响较大，含水率增大时斜坡的休止角增大，当含水率增大到一定量时，边坡的休止角将不在增大，易发生斜坡失稳[16-17]。

本文在上述研究结果的基础上，结合冻融作用，设计如下试验。

4.1试验装置与方法

试验采取自制斜坡模型试验装置(图1)测量其天然休止角，模型的上半部AB段坡度为60°，大于一般溜砂坡天然休止角；下半部BC段为模拟坡脚缓倾段，其坡度为15°。试验操作：第1步关闭A处阀门，将沙粒装满装砂漏斗(模拟物源区)；第2步打开漏斗阀门，砂粒从阀门通道向下滑动，在B处附近开始堆积形成堆积体(模拟堆积区)；第3步待砂坡稳定后测定堆积体角度，即为天然休止角。

图1 试验装置

4.2堆积试验

不同粒径砂坡的休止角与含水率的关系

将图1所示实验模型置于冻融循环箱中(冻融循环箱未开机)，依照4.1中试验方法对三种砂样在不同含水率状态下分别进行堆积试验，试验结果见图2。从中可知，三种砂样的休止角随含水率变化的总体趋势变化，即随着含水率的增大，砂样的休止角也会相应增大，当含水率达到一定程度(含水率到12%后)，增大趋势明显减弱，趋于平缓。

图2 不同粒径的含水率与休止角的关系

4.3冻融堆积试验

如4.2中三种砂样分别进行在不同含水率状态下的堆积试验，同时冻融循环箱开机，进行每24 h一次的冷冻与热融交替循环堆积试验，并测定其天然休止角变化情况，试验结果见图3～5。

(1)冻融条件下不同粒径的砂坡的休止角与含水率的关系

图3 冻融条件下粗砂含水率与休止角的关系

图4 冻融条件下中砂含水率与休止角的关系

图5 冻融条件下细砂含水率与休止角的关系

对比分析图3、图4以及图5可知：总体数据表明，冻融作用对粗砂堆与中砂堆的影响较大，对细砂堆的影响较小，但只有当砂堆含水率达到一定程度时，冻融才开始凸显作用，随着含水率的增大，当含水率达到一定程度时，冻融对砂堆休止角影响明显减弱。同时，局部数据反映：①对粗砂：含水率在6%～12%时冻融具有作用，且在含水率9%～12%其作用效果最明显；②对中砂：含水率在0%～12%时冻融具有作用，且在含水率3%～9%其作用效果最明显；③对细砂：冻融对砂堆天然休止角有一定作用，但与粗砂、中砂横向比较而言，作用效果不明显。

(2)冻融条件下颗粒混杂程度均匀砂坡的休止角与含水率的关系

将3.2中制备的实验样品按4.3(1)方法进行实验。探究含水率增大的情况下，冻融作用对于颗粒混杂程度均匀砂坡的休止角的影响。试验结果见图6。冻融对颗粒混杂程度均匀(级配好)的砂堆仍具有一定作用，但其抵抗能力优于粗砂堆与中砂堆，在含水率9%～12%时，冻融作用对此种砂堆的影响趋于稳定。

图6 冻融条件下颗粒混杂程度均匀的砂样休止角与含水率的关系

5 试验结果与斜坡冻融破坏对比分析

野外典型碎石斜坡破坏特点：斜坡浅表层破坏[18-19]；斜坡散粒体物质的堆积[18-20]；斜坡蠕变变形[21-22]。拉萨周边主要道路沿线溜砂坡受冻融作用，均不同程度存在上述特点(包括研究区)。

冻融对斜坡浅层的影响方面。溜砂坡的上部物源区裸露基岩在经受反复冻融作用后，进一步加深其碎化程度，在重力作用下加快斜坡中、下部松散岩体堆积；同时，冻融的作用在一定程度会降低粗颗粒启动的临界条件，增加斜坡失稳的可能性。

冻融对斜坡内部颗粒物理特征方面。通过对试验砂堆的纵剖面分析，反复冻融均对砂堆浅层影响较大，致使斜坡整体反生“蠕变效应”。同时冻胀作用破坏粗颗粒间的相互咬合与“骨架效应”，致使粗颗粒砂堆的天然休止角的反复变化剧烈，而级配良好的砂堆对冻融作用的抵抗力较强，天然休止角反复变化程度较小，这与上节试验结果是相互吻合的。

6 结论

通过对上述试验结果与野外典型碎石斜坡冻融破坏机理的对比研究，可得出以下的结论和认识：

(1)在含水率变化都趋于相同的条件下，颗粒混杂程度均匀(级配好)的斜坡冻融作用的抵抗能力较强。

(2)砂粒的天然休止角控制溜砂坡运动，沿拉萨周边主要道路分布溜砂坡休止角大多在32°～41°。砂粒粒径与斜坡含水率是影响颗粒天然休止角的主要因素，同时含水率也影响冻融作用。经上述试验结果综合分析可知，随含水率增长，冻融对砂坡天然休止角的影响一直存在，在含水率6%～12%作用效果较大。

(3)冻融作用会打断砂坡的天然休止角随含水率增大而增大的趋势，增加了天然休止角随含水率增长而增长的不可预测性，且破坏坡体内部颗粒之间的相互咬合。故在冻融作用明显的地区，如对散粒体斜坡坍滑面按角度经验公式：α=θmax计算时，应更为保守一些。

综上所述，由于冻融因素存在的影响，在冻融严重的地区，对风化程度高、规模大的散粒体斜坡应采取适当的监控措施，控制好斜坡稳定因素，减少其失稳破坏的可能性。

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封面照片说明

Effectsoffreezing-thawingonangleofreposeofsandslopeinLhasaarea,Tibet

ZHANG Junwei，TIAN Rongyan，XUE Xiankai，MA Laoer

(SchoolofEngineering,TibetUniverty,Lhasa，Tibet850000,China)

By considering freezing and thawing surrounding the widely distributed along the main road in the Lhasa area, in the case of different particle size and uniform degree mixed of particle and along with the increasing moisture content, freezing and thawing was studied for the impact of natural sand slope angle of repose of sand-sliding slope.The test results and comparative analysis show that the sand slope with smaller particle size and uniform particle mixing degree have stronger resistance to freezing and thawing.The uncertainty of slope instability is increased by the freezing and thawing conditions.

freeze-thaw; sand-sliding slope;natural angle of repose;water content

TU457

A

1003-8035(2017)03-0046-06

10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.2017.03.07

2016-08-07;

2016-10-27

西藏自治区重点科技计划项目(Z2014A19G2-11)；国家级大学生创新性实验训练计划项目(20150694019)

张俊巍(1994-)，男，四川广汉人，本科，主要研究方向为道路沿线灾害。E-mail:736671777@qq.com

田荣燕(1980-)，女，重庆长寿人，硕士，副教授，主要研究方向为道路沿线灾害。E-mail:21675279@qq.com