DEM在滬昆客專路基邊坡穩(wěn)定性評價中的應(yīng)用

1、DEM 在滬昆客專路基穩(wěn)定性評價中的應(yīng)用楊軍杰 1 胡丹 1 （1.鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津，300251） 摘要：路基邊坡失穩(wěn)對鐵路的施工及運行安全會造成很大的危害，因此在勘察設(shè)計階 段對路基邊坡進行穩(wěn)定性評價是十分必要的。邊坡的地形地貌、地層巖性、構(gòu)造裂隙、 水文條件等是影響邊坡穩(wěn)定的決定因素，本文利用航測1： 10000等高線生成DEM，在 ARCGIS強大的空間分析功能支持下，通過DEM坡度分析和及流域分析，結(jié)合場地工程地 質(zhì)、水文地質(zhì)條件,劃分出了邊坡風險等級里程段落,為鐵路工程地質(zhì)勘察路基邊坡穩(wěn)定 性評價提供了新的思路和方法。關(guān)鍵詞：DEM 滬昆客專流域分析邊坡穩(wěn)定性評

2、價引言：邊坡包括自然邊坡和人工邊坡兩種類型，一般指地殼表部一切具有側(cè)向臨空面 的地質(zhì)體。其特點是具有一定的坡度和高度. 自然山坡或谷坡（統(tǒng)稱為天然邊坡），是 長期內(nèi)、外力地質(zhì)作用的結(jié)果。由于各種營力仍在繼續(xù)對其作用，致使坡體內(nèi)部應(yīng)力不 斷發(fā)生變化，一旦坡體部分巖土失去平衡便以不同方式、不同規(guī)模向坡腳運動1， 將會 對鐵路尤其是高速鐵路的行車安全造成嚴重的危害.由于山體失穩(wěn)滑塌造成的鐵路安全事故屢見不鮮，例如 1981年雨季寶成鐵路共發(fā) 生滑坡 29處，中斷行車2個多小時，搶修費用達2.56億元。2010年5月 23日，上海 南開往桂林的K859次火車，運行至江西省境內(nèi)滬昆鐵路余江縣至東鄉(xiāng)縣之間

3、（K699 + 700米處）時，由于連日降雨引發(fā)山體滑塌掩埋鐵路線，造成機車及機后第1 至9 位車 廂脫線，引發(fā)重大交通事故。因此在鐵路運營期間必須加強山體變形監(jiān)測，尤其在鐵路 的勘察設(shè)計階段，必須對可能存在滑坡的地段進行穩(wěn)定性評價，以便在設(shè)計及施工中采 取相應(yīng)的處理措施，消除安全隱患，防止邊坡的坍塌、滑坡。DEM （Digital Elevation Model）數(shù)字高程模型是一定范圍內(nèi)規(guī)則格網(wǎng)點的平面 坐標（X, Y）及其高程（Z）的數(shù)據(jù)集，它主要是描述區(qū)域地貌形態(tài)的空間分布，是通 過等高線或相似立體模型進行數(shù)據(jù)采集（包括采樣和量測），然后進行數(shù)據(jù)內(nèi)插而形成 的。DEM是對地貌形態(tài)的虛擬表

4、示。本文利用GIS強大的空間分析功能，在DEM坡度分 析和流域分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合場地工程地質(zhì)條件，劃分出了路塹邊坡風險等級里程段落， 為路塹特別是高邊坡路塹的勘察設(shè)計提供了決策依據(jù)。當鋪設(shè)軌道或者路面的路基面低于天然地面時，路基以開挖方式構(gòu)成，這種路基 稱為路塹（圖1），路塹通過的地層，在長期的生成和演變過程中，一般具有復雜的地質(zhì) 結(jié)構(gòu)。路塹邊坡處于地殼表層，開挖暴露后，受各種條件與自然因素的作用，容易發(fā)生 變形和破壞，特別是軌面在地下水位以下的地下水路塹，由于地下水的作用，路基邊坡 的穩(wěn)定性更差。辭*邏辭*邏1圖 1 路塹結(jié)構(gòu)示意圖研究區(qū)概況：1.1地形地貌：選取滬昆客專里程DK 160+6

5、58.7 DK161+278段路基作為研究對象， 該段路基位于湖南省漣源市白馬鎮(zhèn)，全長619.3米，是新建滬昆客運專線的一部分。場地屬 于低山丘陵區(qū)，地勢高低起伏，低矮灌木叢生，以松衫為主，地勢最高高程285.19m，地勢 平緩處多辟為耕地，山腳下有民房分布，交通發(fā)達。最大邊坡坡高21.5米。主要地層為上 覆為第四系上更新統(tǒng)坡洪積：粉質(zhì)黏土、黏土，第四系上更新統(tǒng)坡殘積：黏土；下伏為石炭 系中統(tǒng)黃龍組（C2h），白云質(zhì)灰?guī)r（見圖1-1）.圖 1-11.2 工程地質(zhì)條件：經(jīng)鉆探揭示，場地范圍內(nèi)表層黏土呈棕紅色,軟塑硬塑,土質(zhì) 不均勻，含少量細角礫,粒徑為25mm,含量約占5%,含5%的粗角礫,粒徑

6、為2030mm,表層 0.5m含植物根系。白云質(zhì)灰?guī)r:淺灰色，強弱風化，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙較 發(fā)育，節(jié)理裂隙少量由方解石脈充填，巖芯較完整，多呈柱狀，一般柱長為1040cm,最長柱 長約為55cm,少量呈碎塊狀，塊徑為2060mm,巖質(zhì)較硬，錘擊聲脆,溶蝕現(xiàn)象明顯（圖2-1）。 巖層產(chǎn)狀340Z42, 315Z45，呈單斜構(gòu)造，且左側(cè)順層，植被發(fā)育，第四系覆 蓋層較厚，節(jié)理裂隙不明顯。圖 1-2 工程地質(zhì)縱斷面1.2 水文地質(zhì)：該段路基地下水主要為巖溶裂隙水及第四系孔隙潛水，地下水主 要由大氣降水及地下水徑流補給，水位0.0018.50m （高程245.49 275.75m）,

7、水位季 節(jié)變幅23m。地表水為零星分布的水塘和溝谷內(nèi)溪水，水量小，均接受大氣降雨補給， 季節(jié)性變化明顯，雨季蓄水較豐富，地下水排泄方式主要為地下水徑流、蒸發(fā)、分散滲 流方式排泄。技術(shù)方法與路線邊坡穩(wěn)定性評價可以劃分為定性分析與定量模擬兩大類；隨著近年來二維和三維數(shù) 值模擬技術(shù)的發(fā)展，人們可以在邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)的幫助下，通過較為準確的模擬建立邊坡 變形的數(shù)值模型，從而對這個最大變形量做出估計2,相繼出現(xiàn)了變形監(jiān)測分析、人工神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、多重屬性區(qū)間數(shù)決策模型、數(shù)值模擬分析、極限平衡計算、非線性動力學、過 程耦合研究等的，這些方面的研究都取得了相應(yīng)的成果，但是這些方法的共同點是計算 過程復雜、實用性不強

8、，在大規(guī)模鐵路工程地質(zhì)勘察工作應(yīng)用中，定性分析往往更方便、 實用，應(yīng)用廣泛。本文在分析場地工程地質(zhì)、水位地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，結(jié)合場地的地形地貌信息，在ARCGIS強大的空間分析功能支持下，利用DEM生成的坡度、流域圖與地層信息疊加分 析，得到了場地穩(wěn)定性分級分布圖，主要數(shù)據(jù)處理流程如下，圖 2-1 數(shù)據(jù)處理流程圖邊坡穩(wěn)定因素分析評價影響邊坡穩(wěn)定的因素很多，邊坡的地形地貌、地層巖性、構(gòu)造裂隙、水文條件等 是影響邊坡穩(wěn)定的決定因素，而人類的工程活動如開挖坡腳、人工削坡等往往起到誘發(fā) 邊坡失穩(wěn)的作用，是次要因素3，邊坡巖體穩(wěn)定性狀況是多種素非線性耦合作用的結(jié)果， 其中巖石強度特性、巖體結(jié)構(gòu)、巖體風化作

9、用和坡高是影響邊坡巖體穩(wěn)定性的基本因素， 而水的作用、施工方式等構(gòu)成了邊坡巖體穩(wěn)定性的誘發(fā)因素4。 深切的峽谷、陡峭的岸 坡，是容易發(fā)生邊坡變形和破壞的地形條件。一般來說，坡度越陡、坡高越大，對穩(wěn)定 越不利。3.1 巖石性質(zhì)： 不同成因類型的巖石，因其物理力學性質(zhì)和巖體結(jié)構(gòu)的不同，邊坡的穩(wěn)定程度也不 相同。沉積巖中一般層厚含硅質(zhì)較多的礫巖、砂巖、泥灰?guī)r等，邊坡穩(wěn)定性好。當含黏 土成分較多時，如粘土巖、頁巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥灰?guī)r的等則常發(fā)生邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象。由工程地質(zhì)縱斷面（圖 1-2）可以看出，該段路基上部為土質(zhì)邊坡，膨脹性實驗報告結(jié) 果顯示，該段路基表層黏性土具有弱膨脹性，遇水軟化，具有吸水膨脹、

10、失水收縮和反 復脹縮變形、浸水承載力衰減、干縮裂隙發(fā)育等特性，性質(zhì)極不穩(wěn)定。粉質(zhì)黏土經(jīng)過長 時間降雨浸泡，容易滑塌.下部為巖質(zhì)邊坡,白云質(zhì)灰?guī)r為可溶巖，溶蝕現(xiàn)象較明顯，發(fā) 育有溶洞，施工不合理開挖也會導致邊坡失穩(wěn)。3.2、地質(zhì)構(gòu)造：邊坡內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，包括不同土石層的產(chǎn)狀及其相互組合情況，巖石中斷層、節(jié)理的 產(chǎn)狀和特征及其與邊坡產(chǎn)狀的相互關(guān)系，與滑坡發(fā)生的難易程度有密切關(guān)系。地質(zhì)構(gòu)造 決定了滑坡區(qū)地下水的類型、分布、狀態(tài)和運動規(guī)律，從而不同程度的影響著滑坡的產(chǎn) 生和發(fā)展。3.3、水的作用：大氣降水是地下水的主要補給源，湖南省湘中地區(qū)降雨豐富，每年4、5 月份的梅 雨季節(jié)可持續(xù)降雨達 30 天左右，

11、暴雨或者長期降雨以后，邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象明顯增多，說 明大氣降水對邊坡的穩(wěn)定性具有很大影響。這是因為一方面大氣降水提高了地下水的補 給量，降低了巖體的強度，增大了孔隙水壓力，使邊坡滑動面的抗滑能力降低；另一方 面增大了邊坡的下滑力。地下水活動可使粘土質(zhì)軟弱夾層軟化、泥化，形成最危險的滑 動面，也可以使厚層的 粘土巖產(chǎn)生塑性蠕動，導致上覆巖體滑動解體。當水滲入邊坡 巖體時，增加了巖體重量，下滑力增大也可以溶蝕巖層中的可溶巖，形成裂隙和洞穴， 導致上覆巖體塌陷從而形成滑坡或者崩塌。流域(watershed)，又稱集水區(qū)域，是指流經(jīng)其中的水流和其它物質(zhì)從一個公共的 出水口排出從而形成的一個集中的排水區(qū)域，

12、每條河流都有自己的流域，一個大流域可 以按照水系等級分成數(shù)個小流域，流域之間的分水地帶稱為分水嶺，流域盆地是有分水 嶺分割而成的匯水區(qū)域5。淺層地下水流向與山坡傾向基本一致，地下水水力坡度略小 于地面坡度，山坡上分布的侵蝕溝谷往往成為地下水匯集區(qū)和排泄通道。地下水等水位 線與地形等高線有相似的對應(yīng)關(guān)系，可以通過流域分析模擬地表水補給、徑流、滲流的 過程，并把結(jié)果作為評價邊坡穩(wěn)定性的指標之一。本文利用ARCGIS的水流分析模塊完 成，ArcGIS提供的水文分析模塊主要用來建立地表水的運動模型，輔助分析地表水流從 哪里產(chǎn)生以及要流向何處，再現(xiàn)水流的流動過程(見圖2-2)。111111I32iDK1

13、619812539144003904503,1503, 16010,600I100聲111A oznrMuaT111111I32iDK1619812539144003904503,1503, 16010,600I100聲111A oznrMuaTnrwsaTEDK160+658.7DK161+278 路基流域圖圖 2-2場地水流量及流向分布圖由圖 2-2 可以看出，在里程 DK160+700 附近， DK160+810 DK160+850 以及 DK161+000 附近是降雨后地表水匯流量最大的地方，對邊坡的穩(wěn)定影響也最大。3.4 坡度 為了防止塌方，保證施工安全，在挖方或填方的開挖深度或填筑

14、高度超過一定限度 時，要在其邊沿做成具有一定坡度的邊坡（邊坡的高度H與底B之比，H： B稱為坡度）。 坡度過大，增加開支；過小又不安全。所以邊坡坡度應(yīng)根據(jù)挖方深度、土質(zhì)和地下水的實況， 按土方和爆破工程施工及驗收規(guī)范的規(guī)定來決定。利用ARCGIS的空間分析模塊生成場 地坡度分級圖如下所示：utiosq-eDK16O+658.7DK16：L+278 路基坡度圖IVJi毆618E50100比例尺200 米I.*-Z bT-utiosq-eDK16O+658.7DK16：L+278 路基坡度圖IVJi毆618E50100比例尺200 米I.*-Z bT-nriiiOEnriisoEnrriOE圖 3

15、-2 DK 160+658.7 DK161+278 路基坡度圖 為了剛好的顯示坡度的差異，將場地坡度分為五級， 0.00-5.93 ， 5.9312.39 ， 12.418.86， 18.8721.21,27.2268.7.由圖 3-2 可以看出，在里程 DK161+200 DK161+300 的地方，左邊坡度12.40-18.86度，右邊坡度18.8721.21度，里程DK160+900 DK161+000, 處左邊坡度 18.8721.21 度.可以看出在海拔最高處也就是山頂，坡度并不大。按照設(shè)計 規(guī)范，黏土坡度不得大于1： 1.75，強風化白云質(zhì)灰?guī)r坡度不大于1： 1.5 的要求，整段

16、路塹施工開挖后自然坡度引起坍塌、滑坡的可能性不大。結(jié)論與建議：邊坡的地形地貌、地層巖性、構(gòu)造裂隙、水文條件等對邊坡穩(wěn)定的影響程度是 不同的，這里將地層構(gòu)造的地質(zhì)因素權(quán)重賦為0.3，坡度和水文條件的影響權(quán)重為 0.4。 并根據(jù)表層黏土的塑性狀態(tài)和白云質(zhì)灰?guī)r的風化程度將其分為若干區(qū)域，與坡度和水流 結(jié)果進行空間計算，得到研究區(qū)的邊坡失穩(wěn)等級分布圖(圖4-1)。圖 4-1由圖4-1可以看出，DK 160+658.7 DK161+278路基有三個地段邊坡失穩(wěn)等級較高 (圖中藍框標識的地方)，分別是DK 160+700附件右側(cè)邊坡、DK 161+000附近左側(cè)邊 坡和DK 161+200 DK 161+280右側(cè)邊坡，失穩(wěn)等級達到了 5級。因此，建議在這三個地 方：以防為主，及時治理，并應(yīng)根據(jù)工程的重要性制訂具體整治方案。(1)查清可能導致天然斜坡或人工邊坡穩(wěn)定性下降的因素，事前采取必要措施 消除或改變這些因素，并力圖變不利因素為有利因素，以保持斜坡的穩(wěn)定性，甚至向提 高穩(wěn)定性的方向發(fā)展。( 2)需做好路塹兩側(cè)地表排水系統(tǒng)，防止地下水浸泡基床。( 3)加強坡面防護，坡度較