公路雪崩灾害及防治技术研究.docx
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公路雪崩灾害及防治技术研究
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
目录
1、引言3
1.1项目概况3
1.2项目研究的目的意义4
1.3国内外研究概况5
1.3.1研究现状5
1.3.2国内5
1.3.4小结5
1.4研究的总体目标6
1.5主要研究内容及实施方案6
1.5.1主要研究内容和技术关键6
1.5.2研究的方案和技术路线6
1.5.3重点研究的方案7
2、主要研究成果和突破创新7
2.1雪崩成因及机理研究8
2.1.1公路雪崩成因8
2.1.2山坡稳定积雪厚度临界值8
2.1.3雪层温度梯度值9
2.1.4易发生雪崩山坡坡度值9
2.1.5公路雪崩的分类及识别方法9
2.2雪崩力学性质及运动规律研究9
2.2.1雪崩冲击力9
2.2.2雪崩运动最大抛程计算10
2.3雪崩的防治措施及原则研究10
2.3.1提出公路雪崩防治治理系统10
2.3.2提出雪崩地区公路选线原则10
2.3.3提出雪崩防治工程选定原则10
2.3.4公路雪崩防治措施分类及技术要求10
2.4公路雪崩数据库信息系统研究10
2.4.1系统设计及构成10
2.4.2系统的数据管理10
2.4.3系统的主要功能10
2.5公路雪崩预警方法体系研究11
2.5.1专家系统11
2.5.2综合预测预报的思路和方法11
2.5.3GIS技术综合预测预报11
3、项目所获得的经济、社会、环境效益及其推广应用前景12
4、合作者12
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:
12月-1月为表层干雪崩,2-3月为全层湿雪崩。
III归纳总结了依据雪崩路径地貌形态、密度、湿度、物理状态的划分的公路雪崩类型及性质。
2.1.6雪崩危险程度的判定和综合评价体系
2.2雪崩力学性质及运动规律研究
2.2.1雪崩冲击力
通过试验,在经验资料分析的基础上,获得计算公路雪崩冲击力P的简化公式:
P=2.5ρVsinβ•g•10-3
式中:
ρ为雪崩雪密度;
V为雪崩速度;
β为雪崩方向与障碍物之间的夹角;
g为重力加速度。
当β在20~25°时,P的计算值比实测值要大。
当β小于25°时,P的计算值比实测值要小。
雪崩冲击力的大小随雪崩体高度变化而变化,最大冲击力出现在中部1.45m高度附近。
2.2.2雪崩运动最大抛程计算
利用统计方法,基于地形参数的多元回归,通过新疆天山公路206条雪崩路径的相关参数分析,得出以下回归方程:
L=0.928-7.9×10-4H+1.4×10-2Hy″θ+0.04
2.3雪崩的防治措施及原则研究
2.3.1提出公路雪崩防治治理系统
2.3.2提出雪崩地区公路选线原则
2.3.3提出雪崩防治工程选定原则
2.3.4公路雪崩防治措施分类及技术要求
通过现场调查、资料收集,归纳整理提出公路雪崩各种治理措施的功能、使用范围、设计、施工技术要求,提出因地制宜、就地取材、有效、易行、经济、持久的配置原则。
2.4公路雪崩数据库信息系统研究
2.4.1系统设计及构成
公路雪崩数据库系统采用了目前地理信息系统领域先进的虚拟仿真技术,以Opengl为三维引擎,利用DEM数据和高清晰遥感影像,并与专业GIS数据结合,形成了三维GIS系统。
采用雪崩路径分布卫星图、雪崩路径照片和雪崩路径特征属性三位一体的综合数据库信息管理系统。
2.4.2系统的数据管理
公路雪崩信息系统除了包括公路雪崩特征参数、数字高程模型数据、卫星影像数据等栅格数据,还包括专家分析数据、公路、地名、地貌等基础地理数据。
所有数据及其相关信息存储在Access数据库中。
2.4.3系统的主要功能
公路雪崩数据库信息管理系统主要由数据源管理、视图管理、图例管理、属性管理、地形模型等模块组成。
系统平台有很强的扩展性能,可直接用于公路雪崩预测预警的基础信息系统,实时监控雪崩区积雪厚度、温度、风向、风速、雪的密度及坡度来判断雪崩发生的概率。
此公路雪崩数据库信息管理系统主要依据国道312线天山果子沟路段107处公路雪崩的资料基础上为例建立的。
为今后公路雪崩灾害的预测预警奠定了技术资料。
2.5公路雪崩预警方法体系研究
公路雪崩的预测预报是世界公认的尖端课题。
由于雪崩形成过程、发生条件、诱发因素的复杂性、多样性及其变化的随机性、复杂性,从而导致雪崩动态信息极难捕捉,加之雪崩动态监测技术的不成熟和雪崩预报理论的不完善,雪崩时间预报一直被认为是一项十分困难的前沿课题。
在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,提出公路雪崩灾害时间预测预报的技术方法体系原则。
2.5.1专家系统
利用专家系统的手段和方法,提出了雪崩的变形破坏机制、稳定性状态、变形演化阶段、破坏概率和发生时间的预测预报。
2.5.2综合预测预报的思路和方法
根据雪崩预测预报的现状和趋势,提出了雪崩综合预测预报的思路和方法。
即从定量、定性和数值模拟三个方面对雪崩预测预报进行研究,运用智能决策支持系统的思想和方法将理论模型的定量预报、利用专家系统的定性预报以及数值模拟预报三者有机地结合起来,实现雪崩的综合预测预报。
2.5.3GIS技术综合预测预报
将GIS技术应用于雪崩的综合预测预报中。
雪崩作为一种开放系统,具有不确定性、随机性和非线性等特点,复杂性是雪崩的根本属性。
GIS技术作为当前高科技发展的产物,集空间数据与属性数据的处理、管理、查询、分析、输入输出及图像处理分析等功能为一体,为雪崩预测预报提供了强有力的工具。
3、项目所获得的经济、社会、环境效益及其推广应用前景
本课题研究的是公路雪崩灾害防治技术,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。
国内还有很多仍遭受雪崩危害的公路亟待治理,如川藏公路、青藏公路和新疆境内的G216线、G217线、G218线等公路都存在着严重的雪崩灾害情况,课题的研究成果对这些道路的雪崩防治方案能起到很好的指导作用,课题研究成果能够在防治公路雪崩灾害方面得到很好的推广和应用。
然而雪崩并不只是公路病害,它已经成为社会危害,在青藏高原东南部、青藏高原南部边缘、青藏高原北部边缘、天山和阿尔泰山、大小兴安岭、长白山以及西藏高原东北部等地区,雪崩时刻威胁着山区居民的生命财产安全,经常有雪崩造成房屋倒塌、人员伤亡,雪崩对牧民也有极大的危险,雪崩致使牛、羊等牲畜死亡的事件屡有发生,牧民的生命安全也时刻受到威胁,旅游、登山人员也经常因遭遇雪崩而丧生,还有已日益脆弱的自然环境也受到雪崩的不断破坏,本课题的研究成果不仅适用于防治道路雪崩灾害,在这些方面同样适用,能够在防治雪崩的同时恢复日益恶化的环境,最终达到彻底治理雪崩的作用,因此本课题的研究成果应用前景广阔。
4、合作者
新疆公路建设局:
积极协助承担单位,开展野外调查、参与资料收集,参加依托试验工程方案设计和评审,负责依托试验工程的实施。
中科院生地所:
积极开展理论分析试验研究,按计划完成了公路雪崩机理及成因分析研究工作。
新疆地矿局第一区域地质调查大队遥感中心:
利用卫片,结合GIS操作平台,已初步建立新疆天山果子沟区域性群专结合的雪崩灾害监测预报网络框架和数据库系统。
伊犁公路管理局:
积极配合承担单位,不畏困苦和饥寒,对野外定点试验观测工作认真负责,按时提交调查研究分报告。
新疆北方机械化筑路工程处:
负责实施依托工程,高质量,高标准的按课题设计要求完成雪崩试验工程的施工。
在项目承担单位的主持下,各单位按照分工努力完成分项任务。
主持单位通过指导、督促、检查等手段加强管理,分解分项研究计划,同参加单位一起共同研究分项计划的可行性,实施过程中及时根据情况,在不影响研究水平和质量的前提下,适当调整进度和局部计划。
参加单位在完成分项研究的同时,经常对课题总体研究提出建议,课题组间经常通过互联网、内部交流会、电话传真等手段,加强互相间联系和交流,使研究工作顺利开展。
总之,项目承担单位和项目参加单位积极合作,充分发挥各自优势,在各自繁忙的工作中,对本项目给予了充分的重视,使项目顺利进行,通过加强合作交流,促进了产学研结合,提高了科研整体研发能力和水平。
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