中巴公路奥依塔克-布伦口段“K1568”崩塌体监测预警研究
2020-04-10伍先福冯凯旋
伍先福 冯凯旋
摘要:中巴公路奥依塔克-布伦口段“K1568”处于典型的“三高”地区,以印支燕山期花岗岩发育为主的高陡反向斜坡,风化卸荷严重,岩体被多组结构面切割,极易形成倾倒式崩塌。本文选取该段一处典型崩塌体,结合基本的“地质模型”和“北斗卫星信号接发射系统”及“位移计等多种传感器”对其进行监测研究,结合相关力学分析,以角位移、角加速度和时间的关系建立预警预报模型。通过现场实际的角位移量监测数据,验证其预警模型的可靠性。
关键词:“三高”地区,倾倒式崩塌,角位移,角加速度,预警模型
中巴公路奥依塔克—布伦口段主要穿行于新疆三大山脉之一的昆仑山脉之中,沿线公路地质灾害发育较多,而崩塌灾害十分发育,频频造成交通堵塞以及人员伤亡[1],若要对公路沿线所有的灾害进行治理,显然是不可能的。因此,对灾害点进行监测预警、预报就显得十分必要,并且是目前减少经济损失和人员伤亡比较好的手段。
对于崩塌灾害的监测预警研究,一些学者做了相关工作,包括速度倒数法预警模型,Voight[2]通过对在静荷载作用下一个纯剪切过程和指数蠕变过程进行了理论分析[3]4],对Satio,Uezawa的时间与变形速率的对数经验公式进行了验证,建立了位移加速度与速度的关系[5][6],日本学者斋藤迪孝[7]是在时间位移曲线上选定三个点,两个时间段的位移相同,根据几何方法确定崩塌失稳时间[8]。王玉[9]等提出次生山地灾害监测预警无线传感器网络体系构想,针对滑坡崩塌及泥石流监测预警,而具体实施难度较大。许强[10]等提出利用合成孔径雷达干涉测量技术(InSAR)和地面观测手段(如全球导航卫星系统、裂缝计等),在掌握滑坡崩塌的变形规律和阶段以及时间-空间变形特征的基础上,建立分级综合预警体系,却较适用于滑坡变形的监测及早期预报。
综上,目前对于崩塌的预测预警研究相对较少,比较侧重于理论研究,而且这些预测预警模型的适用性和可靠性还需要进一步验证。然而随着电子技术、网络数字化新技术、人工智能等新技术的不断发展,创新发展的监测仪器设备的产出,对崩塌监测预警提供了有利条件。本文主要结合基本的“地质模型”和“北斗卫星信号接发射系统”及“位移计等多种传感器”对崩塌体进行监测预警研究。监测数据可远距离传输和分析处理,在灾害发生时的第一时间通知相关部门启动应急预案赶赴现场进行处理。
一、崩塌灾害点概况
中巴公路“K1568”处崩塌灾害点基本概况如下:此处为花岗岩高边坡,该边坡位于河流左岸,地处断层破碎带,岩体破碎,呈碎块状。岩体风化严重,下部岩体处于中风化,上部岩体处于强风化状态。整个崩塌体呈肉红色、风化较严重的部分偏灰色,块状构造,该段长约200m,高约100m。
岩体结构面发育,主要发育有3组结构面:其中第①、②组结构面较发育,间距较小,约10~20cm,第组③结构面欠发育。裂隙面张开0.5cm~2cm不等,并被风化形成的砂土所充填。多组结构面组合,将岩体切割成碎块状,易出现失稳破坏。
坡脚发育有因崩落形成的倒石锥,块石粒径变化较大,小者约3~10cm,大者可达80cm。在反复的冻融作用下,结构面一步步张开,使其与母岩脱离,因此在坡表仍在较多的孤立岩块,成为潜在崩落体,对坡脚公路运营存在较大的威胁。
由于中巴公路为连通巴基斯坦的一条交通要道,来往的车辆尤其是大货车特别多,崩塌体受寒冻风化作用特别严重。极易在外营力作用下失稳,根据该崩塌灾害体的特点,该处以倾倒式崩塌失稳为主,因此从中选择一块典型的倾倒式崩塌体作为监测的对象,并进行相关研究。
二、崩塌体临界失稳判据及预报模型的建立
倾倒式崩塌是由于外界扰动或者风化作用,使得崩塌体向坡外倾倒变形。其失稳前的宏观特征是变形破坏,所以选择位移变形量作为预警判据指标。王延平[7]把后缘裂缝临界宽度作为失稳判据,认为崩塌体基座为硬质岩,崩塌体的临界变形值只与崩塌体自身形态有关,可以建立崩塌体的尺寸和旋转点的关系,由于倾倒式崩塌体的失稳是整体变形,其失稳的临界状态为其形心与旋转点在同一条竖直垂向上。但由于实际工程中的崩塌体为不规则的多面体,计算形心的误差较大,所得到的后缘裂缝宽度临界值误差也较大。
考虑到角加速度、角位移和时间的关系,以积分的形式得到角加速度与角位移的函数关系,建立预警模型,最后设置一定的角加速度预警阀值就可以对崩塌体进行预警预报。
把角加速度β对时间t进行一次积分可得到角速度ω与时间t的关系如下:
为了监测的方便和可视性将加速度转化为运动速率的的切线角,这是由于运动速率曲线切线角的正切值即为加速度大小,而这里定义切线角Φ∈[-π/2,π/2 ]在這个取值范围内,函数为单调递增函数。
对于倾倒式崩塌体监测预警阀值,这里定义“不同预警级别的阀值”为:当速率曲线切线角值小于30°(π/6)时为蓝色预警,当监测值大于或等于30°值且小于45°(π/4)时为黄色预警,当监测值大于或等于45°值且小于60°(π/3)时为橙色预警,当监测值大于或等于60°值时为红色预警。
三、结语
我国的地质灾害多且面广,尤其是西部地区,其灾害源位置偏高远且地形复杂,单从传统的人工调查已经很难提早发现和预警。本文引入现代卫星观测技术和监测仪器设备,对崩塌体进行监测预警,拟解决公路沿线崩塌灾害的早期预警预报问题,减少人员伤亡及经济损失。得到以下成果:
(1)通过对中巴公路奥依塔克-布伦口段“K1568”处典型崩塌地质灾害的调查,该处的变形破坏机制属于倾倒式崩塌,并提出和确定该类崩塌的针对性监测内容、方法、仪器设备。根据实际的崩塌监测数据,对主要监测曲线的类型和特征进行了分析和处理,
(2)将崩塌体的运动过程中的“角位移、角加速度、时间”作为预警预报的关键参数指标,利用刚体转动定律及相关力学分析,建立了倾倒式崩塌体的监测预警预报模型:
该模型适用于短期预报。
(3)通过模型预警预报判别分析可以得出,中巴公路奥依塔克-布伦口段“K1568”处崩塌体监测预警最高级别为“黄色预警”,表明在短时间内不会有大型崩塌现象出现。与现场实际观测情况基本符合。
参考文献(References):
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作者简介:伍先福(1995-),男,硕士研究生,主要从事地质灾害评价与防治。