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公路雪崩防治技术总报告
西部交通建设科技项目
合同号:
200231879710
公路雪崩灾害及防治技术研究
—研究报告简本
新疆交通科学研究院
2006年7月
1、引言
中国高寒山区面积约4.2×104km2,主要分布于青藏高原,及其邻近地区、东北、新疆北部和天山地区。
这里积雪资源丰富,年平均积雪日数大于150天。
积雪保护着山地植被安全越冬,维护整个山区的生态平衡,积雪融水补给干旱区河流,滋润着片片绿洲,成为祖国各族人民生命的源泉。
冬季积雪、雪崩常常阻塞山区道路,中断交通,破坏森林和矿山生产,更甚者能造成人畜生命危险,成为山区经济建设亟待解决的问题。
随着国家经济的快速发展和西部大开发的实施,大规模的基础设施建设,给山区公路建设带来了前所未有的发展机遇。
然而,西部山区雪崩和复杂的气候,给公路交通建设带来了许多技术难题,如何合理利用公路雪崩防治措施,维护生态平衡,变害为利,保持公路畅通,促进山区雪崩地区经济发展,减少地域差距带来的矛盾,保证国家长治久安,将具有十分重大现实的意义。
在对新疆天山公路雪崩进行系统观测、研究的基础上,通过试验工程验证,提出新疆公路雪崩形成机理,建立新疆公路基于GIS技术的雪崩数据库查询系统及雪崩区域预警系统体系,提出雪崩地区公路设计须知、雪崩综合防治技术指南。
完成一个防治雪崩示范试验工程。
通过生物治理试验,达到稳固雪源,制止水土流失,同时,实现了保护干旱区日益紧缺的水资源的尝试。
该项目成果将直接用于指导山区公路雪崩的预报以及防治措施等工作。
1.1项目概况
本项目课题组按照研究指导思想和大纲的目标要求,在掌握大量国内外资料和现场雪崩力学试验,气象资料采集,理论分析,依托工程应用,最后进行现场效应分析的基础上,通过多学科相互渗透,引入新技术、新方法,开拓创新,在相关研究内容上取得了新资料、新数据,形成了新认识、新观点。
提出了“以生物防治为主、工程治理和机械防护为辅”的公路雪崩综合防治理念;结合天山公路雪崩灾害的特点,提出了适合环保的生物防治与工程防治相结合的综合防治措施。
针对天山山区公路雪崩灾害防治,形成了一套基于GIS的从数据采集→雪崩属性数据库建立→评价指标的选择→预测评价模型分析→雪崩灾害危险性预测与区划,这样一套较为完整的天山公路雪崩评价和雪崩灾害预测的技术路线、方法体系和工作流程。
建立了天山公路雪崩灾害评价和预测的基本评价指标体系,并从多个角度提出了量化方法。
这套指标体系具有较强的针对性和可操作性。
上述研究成果集于一体,开发了“基于GIS的新疆天山公路雪崩灾害与危险性区划系统(GHGIS)。
结合遥感信息、GIS系统建立了国道312线天山高等级公路雪崩数据库查询系统。
针对天山公路雪崩灾害的复杂性和非线性,结合专业领域的最新进展,将系统论的信息量法、层次分析方法和非线性理论的神经网络方法引入本项研究,这不仅为GHGIS系统提供了强大的空间分析功能,而且在理论上有所创新。
课题组历时3年,克服了冬季严寒、雪崩危险、任务重、经费紧等困难。
在上级领导的关心和支持下,积极工作,通过多种渠道保证科研活动顺利进行,按合同期限和预定目标圆满地完成了任务,取得了一定研究成果,解决了一些关键技术问题,有许多在公路雪崩研究中都是第一次涉及,具有创新性。
根据国内外查新结果表明符合本项目上述特点的研究未见报道。
本项目和其它西部交通科技建设公路雪害项目共同组成了《公路雪害防治成套技术研究》项目,相互配套,从积雪、雪崩、风吹雪等各个方面,在公路雪害防治研究上形成了贯穿科研、设计、施工等不同阶段的参考指南,整体配套性较强,水平较高。
本项目立足于为生产实际服务,紧密结合依托工程和其它工程,在研究过程中及时将阶段成果,应用于实际,指导依托工程和其它预建项目的勘察设计。
在研究成果的基础上,为方便、实用、易于被工程技术人员接受,编制了公路雪崩防治措施综合技术指南。
1.2项目研究的目的意义
本课题研究的是公路雪崩灾害防治技术,目前试验工程已经起到了很好的防治效果,实施了试验工程的地段再未出现雪崩阻断交通的情况,在了解国内外研究现状和广泛收集前人研究资料的基础上,从定性、定量和数值分析三方面开展研究,将现代数学理论、智能预测技术、模糊数学技术、信息技术等运用于雪崩的预测预报中,提出了实现雪崩综合预测预报的思路和方法,并初步设计和开发了雪崩综合预测预报信息数据库,建立了一套较为完善的雪崩灾害时间预测预报的技术方法体系原则。
此项目对于雪崩地区公路建设,保护环境,提高公路通行能力,减少雪崩危害,降低建设和养护成本等诸方面产生了深远的影响,从而带来较大的经济和社会效益。
同时项目研究对学科的发展也起到了推动作用,部分成果可为相关学科借鉴和参考,在学术上有重要的价值和意义。
1.3国内外研究概况
1.3.1研究现状
在整个世界范围内,基本上每个大洲都存在雪崩灾害的危险,但是对人类生产生活产生巨大影响的主要分布在亚洲、欧洲和北美洲,诸如美国、日本、加拿大、瑞士、前苏联等国家在雪崩灾害的防治研究方面都作了大量的工作,其中日本的研究工作细致。
所以开展对日本的公路雪崩防治研究技术分析是本项目调研工作的重要方向。
1.3.2国内
50年代初,为发展民族地区的经济,铁道部第一勘测设计院首次对新疆伊犁地区的雪崩进行了考察、调查。
随后,国家组织的登山队、中国科学院高山冰雪利用研究队等对高山带的雪崩进行了研究,我国的雪崩研究,在同行们的长期坚持、共同奋斗,共同努力下,取得了丰硕的成果,建立起学科理论体系和切合我国现实经济实力的防治系列工程方案.研究成果的社会和经济效益明显。
我们提出的“生物防治为主,工程防治为辅,机械清除三者相结合”的综合防治指导思想是符合我国国情、行之有效、经济合理的雪崩防治总方针。
1.3.4小结
现行研究文献、成果以及相关的标准规范在内容上涉及较多的是公路雪崩的分类、成因、机理分析及各类工程防治方法,而对于雪崩防治以“生物防治为为主,工程防治为辅”的综合防治方法,公路雪崩灾害的危险度评价分析,雪崩力学参数应用于防治工程勘察设计,将现代数学理论、智能预测技术、模糊数学技术、信息技术等运用于雪崩的预测预报中,提出实现雪崩综合预测预报的思路和方法,并初步设计建立和开发了基于卫星遥感、GIS技术的雪崩综合预测预报信息数据库,建立了一套较为完善的雪崩灾害时间预测预报的技术方法体系原则等方面的研究国内外基本没有涉及或涉及面极少。
1.4研究的总体目标
在国内外公路雪崩灾害调查及成因分析的基础上,提出雪崩防治以“生物防治为主,工程防治为辅”的综合防治方法,公路雪崩自然灾害危险度的评价分析,将现代数学理论、智能预测技术、模糊数学技术、信息技术等运用于雪崩的预测预报中,提出实现雪崩综合预测预报的思路和方法,并初步设计建立和开发了基于卫星遥感、GIS技术的雪崩综合预测预报信息数据库,建立一套较为完善的雪崩灾害时间预测预报的技术方法体系原则。
1.5主要研究内容及实施方案
1.5.1主要研究内容和技术关键
①雪崩形成的机理研究。
②雪崩力学性质及运动规律研究。
③雪崩的防治措施研究:
雪崩的防治原则,雪崩地区的道路选线与路基设计,工程防治措施,生物防治措施的效益分析。
④公路雪崩预警体系研究:
初步设计建立和开发基于卫星遥感、GIS技术的雪崩综合预测预报信息数据库,建立一套较为完善雪崩灾害时间预测预报的技术方法体系原则。
1.5.2研究的方案和技术路线
项目实施过程中,始终贯彻科学研究为生产服务的指导思想,坚持野外观测、试验、室内研究和总结分析相结合、理论分析与依托工程实际结合,即注重先进性又要具有实用性。
从立项开始,首先对国内外研究成果资料进行调研分析,并通过专家咨询,和工程技术人员座谈交流,试验工程设计回访等方式,确定研究方向和起点及突破点,在研究过程中,不断将取得的初步成果服务于国道312线天山果子沟防治公路雪崩的依托工程上,为生产服务;最后再进行现场效应观测分析,提高到理论高度。
在上述实践的基础上,编写研究分报告,最后经总结提炼,完成研究总报告。
1.5.3重点研究的方案
①各种不同类型公路雪崩灾害及防治措施的分析。
分析成功经验和存在问题,提出防雪工程的特性及适用条件,雪崩地区公路选线原则。
②对以往雪崩防治措施成果进行分析,结合公路雪崩现场调查、测试及雪崩力学特性研究,确定公路雪崩灾害评价及防治措施的设计原则。
③在对国内外公路雪崩灾害及成因分析的基础上,结合雪崩试验工程的实施,进一步确认雪崩防治以“生物防治为主,工程防治为辅”的综合防治方法的可行性、正确性。
④包括雪崩特征信息库、监测信息库、模拟信息库以及图件信息库。
⑤将现代数学理论、智能预测技术、模糊数学技术、信息技术等运用于雪崩的预测预报中,提出雪崩综合预测预报的思路和方法,建立较为完善的雪崩灾害时间预测预报技术方法及体系原则。
⑥通过上述研究提出雪崩地区公路选线原则与雪崩防治措施的技术指南。
2、主要研究成果和突破创新
在以往成果、多年气象资料和天山公路雪崩灾害研究的基础上,通过现场试验、野外效应观测、雪崩灾害调查、理论分析研究、遥感信息、GIS技术应用,通过国道312线天山果子沟路段依托工程实施和验证等过程,分析总结了我国雪崩地区公路在选线、雪崩防治等方面的成功经验及存在的问题,摸清了各种不同形式公路雪崩防治工程性能。
结合我国当今公路雪崩防治实际和发展趋势,从交通安全、环境保护、景观协调、节约资源降低造价等方面定性和定量分析计算,最终总结取得了以下研究成果:
2.1雪崩成因及机理研究
2.1.1公路雪崩成因
通过大量的调查、现场试验、资料分析,公路雪崩成因主要归纳为内部因素和外界因素。
内部因素公路雪崩的发生必须具备三个基本条件:
积雪厚度、山坡坡度和坡面植被状况,这些条件决定了雪崩发生的必然性。
还有雪崩路径内的汇雪面积、积雪内部应力、强度抗衡、雪层结构状况等因素。
外界条件是导致雪崩活动的诱发因素。
分析归纳公路雪崩发育过程中主要的诱发因素有:
①春季融化的作用。
从作用类型上可分为渗透应力作用、物理化学作用等,而常说的春季降雪诱发因素,实际上是通过积雪的温度、密度、晶体等变化这些方式发生作用。
②外动力作用。
主要有地震、人类工程活动等。
人类工程活动对山坡积雪的破坏是通过树木砍伐、滑雪、爆破等作业,改变了山坡积雪的稳定条件或使原有的地表积雪发生重新分布变化,诱发雪崩发生
2.1.2山坡稳定积雪厚度临界值
从G312线果子沟雪崩观测站1996年~2003年的资料得出:
果子沟雪崩路段一次积雪厚度大于30cm即为雪崩发生危险临界值,积雪平均累积深度超过80cm,果子沟发生大规模的沟槽雪崩。
山坡积雪处于稳定状态的临界厚度我们通过斜面上积雪层的力平衡方程求出:
式中:
C:
积雪层与山坡间的摩擦阻力;
:
积雪层的密度(g/cm3);
F:
积雪的内摩擦系数;
:
山坡坡度角(°)。
从现场调研及以往发生的520处雪崩坡度资料通过数据回归,整理后,得到公路雪崩稳定积雪层的临界厚度(hk)的计算公式:
2.1.3雪层温度梯度值
从现场检测的60个断面分析,在积雪层内部温度低于或等于0℃时,温度随离地面高度发生线性变化,直到离积雪表面大约30cm时,因上部受空气和太阳辐射的影响而昼夜变化不同。
斜线0A表示积雪层温度梯度。
我们得出温度梯度是雪崩雪晶体发生变化引起断裂主要因素,此梯度值越大,越易发生雪崩。
2.1.4易发生雪崩山坡坡度值
根据我们现场调查测量及收集的520处雪崩资料分析,得出公路雪崩易发生山坡坡度为35°~45°的区间。
2.1.5公路雪崩的分类及识别方法
I通过以往经验及实地调研,提出公路雪崩应从集雪盆、雪崩沟槽、雪崩堆积锥、雪崩区的植物特点、访问群众等5个方面来识别判定。
II主要根据雪崩发生机理、滑动面的性质分为:
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