国道212公路(兰州—重庆)陇南段关键修筑技术研究

国道212公路（兰州—重庆）陇南段关键修筑技术研究报告简本为了解决G212线陇南段修建关键技术问题，为兰州至海口高速公路临洮至罐子沟段可行性研究和工程设计提供技术支撑，降低工程造价以及为工程建成后安全运营提供有力的技术保障，交通部确立了“国道212公路（兰州—重庆）陇南段关键修筑技术研究”项目（编号：200231800036），并由甘肃省公路局、甘肃省科学院地质自然灾害防治研究所、兰州大学、甘肃省交通科学研究所有限公司、中国科学院寒区旱区环境与工程研究所等单位共同承担。研究工作从2002年7月至2006年9月，历时4年多。本项研究以系统科学和信息科学为指导，广泛收集分析了国内外对滑坡、泥石流灾害防治方面相关的理论、技术方法和成功经验与失败教训，充分调查收集了G212线陇南段公路沿线和区域滑坡、泥石流的基础资料，通过现场专项综合调查、研究和测试分析、物理模拟试验和数值模拟、计算分析、3S技术等手段，结合依托试验工程，分析区域工程地质环境与滑坡泥石流成因，探索滑坡泥石流的分类、分布规律，进行危险性判别和区划，系统阐述了滑坡泥石流运动机理及设计参数，提出滑坡泥石流地区公路的总体设计思路和选线方案、防治方法和治理措施，研究防治工程的合理结构型式和构造，开发了G212线陇南段滑坡、泥石流地理信息系统。研究取得的主要成果如下：(1)依据对最新的区域地质研究成果和深入的现场地质调查资料的综合分析，阐释了G212线陇南段滑坡、泥石流形成的区域大陆动力学环境特征与滑坡、泥石流的区域分布规律。编绘了1：25万区域工程地质图、1：50万区域构造纲要图和1：50万区域工程地质岩组图，阐释了G212线陇南段滑坡、泥石流发育的地质构造环境特征。对G212线陇南段新构造活动背景、地形地貌基本特征、夷平面与河流阶地、断裂活动、地震和青藏高原隆升与区域地貌过程等方面进行了深入研究，并取得重要进展，使之对区内滑坡、泥石流的时空分布和发生发展过程与成因的认识有了显著提升，高速公路建设必须对地震问题给1予高度重视。从气候、水文与水文地质、降雨、土壤与植被和人类活动等方面研究了外动力环境诸因素同滑坡、泥石流发育的关系；并从人类活动地质作用的视角审视了工程诱发滑坡、泥石流的问题。在区域滑坡、泥石流沟全面普查的基础上，对典型滑坡和泥石流沟特征进行了深入研究，绘制了G212线陇南段1:10万滑坡、泥石流沟分布图，编制了滑坡、泥石流目录。(2)完成了10处典型滑坡的专项调查和稳定性分析计算，进行了G212线陇南段滑坡危险性区划。针对G212线陇南段滑坡的特征，推荐了适于研究区的滑坡分类，提出了综合成因机理分类法，对10处典型滑坡稳定性分别进行了极限平衡法和有限元法计算，参考前人滑坡危险性区划研究成果，确定了本次滑坡区划原则、方法、评价因子及其敏感度与权重，并应用地理信息系统ARCGIS多因子空间叠加分析进行了滑坡危险性区划。(3)完成了20条重点泥石流沟特征研究和泥石流易发程度判别与区划，首次对研究区坡面型泥石流特征进行了阐释。在综合分析国内外已有泥石流分类方案特点、适宜性的基础上，依据泥石流发育特点及其对公路危害的实际情况，将G212线陇南段泥石流分为沟谷型和坡面型两类，研究其基本特点，明确指出坡面型泥石流对公路危害特征和程度同沟谷型泥石流有较大差别，进行了危险度的关联度分析和泥石流发育控制因素区划，提出了有针对性的高速公路选线建议。(4)采用多种勘察方法和手段，重点剖析了10处滑坡(群)，在滑坡演化机理、形成条件和影响因素、滑坡岩土体物理力学性质及强度参数、稳定性及发展演化趋势乃至工程防治措施的制定等方面取得了研究成果。通过大比例尺工程地质测绘、地质环境要素和滑坡微地貌特征调查与测试、坑槽探、地球物理勘探、取样与试验、地下水调查等，查明了各主要滑坡的特征，绘制了工程地质图和剖面图。按地球系统科学的理论和内外动力耦合作用的观点，综合运用工程地质分析方法、力学理论方法、物理模型试验法和数值计算模拟法，探讨各类滑坡的演化机理，再现滑坡形成、发生、发展的动态演化全过程，综合评价各主要滑坡当前稳定状态，预测滑坡的未来发展演化趋势。以滑坡为重点，并考虑各类斜(边)坡，提2出了G212线陇南段旧路改造以及高速公路设计的基本原则和方法。(5)通过实地调查、资料分析、物理模拟和泥石流堆积计算机模拟试验，提出了以14kN/m3作为泥石流的重度标准，研究了泥石流的运动过程、堆积特征、宾汉体力学特征，修正了泥石流重度、流速、流量、冲出量及冲击力计算公式，编写了“准三维滑坡、泥石流堆积的动态模拟”计算程序。(6)在高速公路选线和滑坡泥石流防治工程方面取得了明显成果。研究了4段拟建高速公路的路线方案，提出了公路总体设计理念，并编制了工程图件。采用了动力平衡法和滑距推算法估算了滑坡泥石流堵江危害，用“准三维滑坡、泥石流堆积动态模拟”方法进行了秦峪滑坡和泉家沟泥石流堆积的计算和模拟，求得了滑坡、泥石流的覆盖范围和堵江高度。全面调查了G212线陇南段泥石流治理的主要措施，选定了8个依托工程，分别为西果园滑坡整治工程、袁家湾边坡整治工程、木寨岭泥石流渡槽工程、大地沟、东江水、甘家沟、关家沟的泥石流防治工程以及东青公路改造工程，研究了排导工程中泥石流的逐年淤积、淤积的类型和堆积的形态，以及对排导工程的影响。(7)编制了供G212线陇南段改建工程应用的滑坡、泥石流勘测设计的规范性参考意见，提出了建立滑坡、泥石流预警系统的设置方案，拟定了滑坡、泥石流防治工程对环境影响的评价方法。结合工程实践编写了“滑坡、泥石流的勘测”和“滑坡、泥石流防治工程设计”两份规范性的文件。在防治工程设计中，提出了“工程设计标准”的意见，研究了滑坡、泥石流预警预报的内容和方法，现场试验了次声波泥石流预警器，提出了G212线陇南段滑坡、泥石流预警的意见。以泥沙在扇形地的堆积量，进入河流的泥沙数量，堵江情况及对河道的挤占特征为因子进行环境影响的分析评价方法；以保存的泥砂量作为工程效益，将流失的泥砂量作为环境损失。(8)在实地调查和资料分析的基础上，确定了防治结构和荷载，编制计算软件，采用极限状态下的可靠度设计法完成滑坡和泥石流防治工程结构设计。3滑坡和泥石流防治结构设计计算，采用了可靠度设计法，运用最新相关结构规范，在部分混凝土结构设计中采用了塑性内力重分布的方法，对图集中的每一种结构均进行了详细的计算，并对设计可能遇到的有关概念设计、结构选型、设计参数取值、设计计算方法、构造设计和施工应注意的问题都进行了全面的论述，基本达到了指导设计的要求。在结构计算过程中，采用了当前较为先进的软件和计算机分析方法。在支挡结构与拦挡坝设计计算过程中，采用Matlab语言编写了相关计算程序，解决了各种支挡结构和拦挡坝不同参数组合后近14000多个结构的庞大计算问题。在图集编制中对多种支挡结构的设计进行了优化，特别是提出了土钉墙、框架锚杆等新型支挡结构新的优化设计理念与方法，使防治结构设计更加经济可靠。(9)根据计算结果，采用CAD绘图，编制了泥石流渡槽、拦挡坝和各类支挡结构设计标准图集9册，并提出坡拱式泥石流渡槽这一新的结构型式。在滑坡治理方面，以鲁班崖滑坡为例，提出了多种工程结构治理滑坡方案，绘制了完善的防治示例图纸1册。(10)将国内外流行的地理信息系统工具ArcGIS和ArcView3.3应用到G212线陇南段滑坡、泥石流研究中。全面应用GIS技术，进行了空间数据的数字化、规范化，建立空间数据库，包括1:10万数字地形图，1:20万数字地质图以及气温、降雨量、土地利用、公路交通等图件。利用其提供的强大空间分析功能，进行地形分析、水文分析、叠加运算和空间内插等计算，获得背景信息，专题信息以及滑坡、泥石流分布与区划信息。同时，建立了包括滑坡、泥石流调查数据、防治工程数据、规范工程标准及照片、影像等数据的属性数据库，其中部分资料与空间数据库相连接，最终建立G212线陇南段滑坡、泥石流空间数据库。空间数据存储量达3.1G、属性数据库存储量为2.2G。在该数据库的基础上，应用面向对象的VisualBasic开发平台，调用MO(MapObject2.2)组件，开发了具有自主版权的专题信息系统软件“G212线陇南段滑坡、泥石流地理信息系统”。利用ArcView3.3提供的编辑制图功能制作了G212线陇南段滑坡、泥石流图集。(11)依托课题公开出版科技专著1部（兰州—海口高速公路甘肃段工4程地质问题研究），发表博士学位论文2篇，发表硕士学位论文6篇，在国内核心期刊上发表具有重要学术价值的论文12篇，一般性刊物6篇。本项研究在以下10个方面取得突破：(1)在对G212线陇南段的区域内外动力地质环境特征进行深入分析的基础上，以地质灾害链的理念科学地阐释了区域滑坡、泥石流高发的原因，提出了研究区的滑坡成因机理分类方案和坡面型泥石流特征、危害与防治对策。(2)总结提出了无重型勘探工程时，研究滑坡机理的现场综合工程地质分析技术方法。应用该法进行典型滑坡研究，全面提升了对G212线陇南段典型滑坡的认识。(3)根据G212线陇南段滑坡、泥石流危害特点，特别是河床淤积、堵江及扇形地互相影响的情况，提出在公路选线时不能将其作为单个的灾害点，而应该综合研究，首先进行总体设计，提出了总体设计内容和要点。(4)深入分析了滑坡、泥石流堵江的特征及危害，提出了滑坡堵江的动力平衡法等计算方法，特别是研发了准三维滑坡、泥石流堆积的动态数值模拟技术，编制了源程序和选择了配合软件，为泥石流、滑坡的堵江，泥石流在扇形地的淤积及逐年淤积量计算提供了依据。同时为“水力—地貌法”（即泥石流堆积地形处于动态变化之中，计算流量时要考虑泥石流的瞬间通过量，也要考虑泥石流的常年变化）在工程中的应用奠定了基础。并通过三维数值动态模拟，能直观的看到泥石流的运动状态和每个计算网格点的堆积厚度。(5)较为系统和详尽的编写了滑坡、泥石流的勘测和设计规范性文件，补充了现行公路勘测和设计规范中的相关内容，并较系统的列举了各种计算方法。对原有的公式进行了修正，提出了设计标准意见，即对不同等级的公路和不同重要性的建筑物应采用不同的安全值，以提高工程的可靠性和经济性。(6)编制了泥石流渡槽和拦挡坝的标准图集，改变了以往针对每个具体工点都要进行个体设计的状况；对支挡结构通过计算进行了多方案的比选，使设计更为合理；同时编制了较为完善的框架锚杆和土钉墙（被动式短锚杆）设计图集。5(7)结合G212线陇南段泥石流的特点，提出了坡拱式泥石流渡槽这一新的结构型式。在坡拱受力分析和计算中，采用了目前较为先进的桥梁结构有限元分析计算软件MIDAScivil，并用PKPM和SAP2000进行了校核；共建立实体模型50个，充分考虑泥石流移动荷载、孤石冲击等不同的荷载组合工况，绘制完成了泥石流防治工程参考图集。(8)提出了公路滑坡、泥石流预警预报的模式，即公路预警要在全线形成网络，除单个灾害预警点外，还应设立综合性预警预警预报站。针对G212线陇南段滑坡、泥石流灾害情况，提出了高速公路建设和运营中，滑坡、泥石流预警预报的时间提前量和预警阀值的标准，以及具有可操作性的实施方案。(9)在环境评价中，提出了以泥沙的流失和保存量作为评价的基础数据，以泥沙复原作为损失的评价标准，使环境评价定量化，并初步提出了评价的计算方法。(10)开发了具有自主版权的专题信息系统软件：G212线陇南段滑坡、泥石流地理信息系统。本项目研究成果已在G212线临洮至两河口段公路改建工程项目前期工作中得到了应用，并正在被应用于G212线两河口至罐子沟段高速公路勘察设计中，取得了显著的经济效益和社会效益。随着我国交通建设的发展，特别是西部大开发战略的实施，在滑坡、泥石流地区将会建设更多的高速公路。滑坡、泥石流地区的铁路、公路、引水渠道、输油、气管道等各类线性工程建设的经验教训均表明，科学的选线对工程的安全与经济具特殊的重要性。滑坡、泥石流地区多是经济欠发达地区，滑坡、泥石流防治所需的基础资料缺乏，研究程度低，而在工程选线阶段投入的线路勘测工作又极少，如何解决这一矛盾，本项目进行