中国铁路己进入高速时代, 给日常生活带来方便的同时也增加了行车的风险性。列车的运行速度如此之快, 任何微小的外界干扰或自然灾害带来的后果都有可能是致命的, 都有可能造成重大的经济损失或者是人员的伤亡。这些外界干扰包括边坡滑坡和塌方落石、强风、暴雨、大雪、地震以及异物入侵等等。边坡地质灾害包括人工边坡工程中的地质灾害, 也包括天然边坡中的地质灾害。边坡岩体在重力、构造力、地震力以及各种外营力的长期作用下, 都有一个向下滑落的趋势, 这个趋势受到岩体本身抗剪切、抗破坏力的阻抗, 一旦岩体阻抗力小于向下滑落的破坏力时, 就会产生各种地质现象, 并可能造成灾害。通过铁路边坡安全监测系统可以实时的了解所监测的铁路边坡的状态。实时掌握影响其滑坡的各因素的当前状态, 包括表面裂缝的大小、边坡滑动的速度、运动的趋势、以及按照这种趋势有没有发生灾害的可能性、如果灾害发生, 它可能波及到的地理范围。本文主要对铁路边坡的滑坡引发的灾害进行研究。
陡坡上的岩体或土体在重力或有其它外力作用下, 突然向下崩落的现象叫做崩塌。崩落的岩体 (或土体) 顺坡猛烈地翻滚、跳跃、相互撞击, 最后堆积于坡脚。它和滑坡有以下几点区别:滑坡运动速度多数缓慢, 而崩塌发生猛烈, 运动速度快;滑坡多沿固定的面或带运动, 而崩塌不沿固定的面和带;滑坡多保持原来的相对完整性, 而崩塌体完全被破坏;滑坡水平位移大于垂直位移, 而崩塌正相反。落石是陡坡上的个别岩石块体在重力或其它外力作用下, 突然向下滚落的现象。
崩塌、落石的形成条件和影响因素:崩塌、落石的形成条件和影响因素很多, 主要有地形地貌条件、岩性条件、地质构造条件, 以及降雨和地下水的影响;还有地震的影响、风化作用和人为因素的影响等。崩塌、落石多发生在海、湖、河、冲沟岸坡、高陡的山坡和人工坡上, 地形坡度通常大于45°。山区河谷凹岸也是崩塌、落石较集中分布的地段, 因河曲凹岸遭受冲刷, 山坡较陡, 易于造成崩塌、落石发生。冲沟岸坡和山坡陡崖岩体直立, 不稳定岩体较多, 时有崩塌、落石发生。丘陵和分水岭地段崩塌、落石较少, 原因是地形相对平缓, 高差较小, 如果开挖高边坡, 也会产生崩塌、落石。崩塌、落石绝大多数发生在岩性较坚硬的基岩区, 因为只有较坚硬的岩石才可能形成高陡的边坡地形。在沉积岩区, 当河谷陡坡由软硬相间岩层组成时, 如果软岩层分布高度与河水位一致时, 因软岩易被河水冲刷, 上部岩体常发生大崩塌;当河岸坡脚由可溶性岩组成时, 由于河流长期的冲蚀和溶解作用, 易于形成岸坡岩体大崩塌;当巨厚层、完整坚硬的岩层夹有薄层页岩, 且岩层倾向临空面时, 陡峻边坡可能发生大型滑移式崩塌;褶曲发育的高陡页岩和泥岩边坡, 常有小型崩塌、落石。在岩浆岩区, 当垂直节理 (如柱状节理) 发育, 并有倾向线路的构造裂面时, 易产生大型崩塌;当岩浆岩中有晚期岩脉、岩墙穿插时, 在岩体中形成不规则的软弱接触面, 它们和其它构造结构面组合在一起, 为崩塌落石发生提供了条件。
断裂构造对崩塌落石的控制作用。当建筑物的延伸方向和区域构造线一致, 而且采用深挖方案时, 崩塌落石较多。大断层交汇的峡谷区常有大型崩塌产生;断层密集区岩层破碎, 高陡边坡地段崩塌、落石频频发生。构造节理与崩塌、落石的关系。沿构造节理常发生滑移式崩塌、落石;构造节理面以上的潜在崩塌体的稳定性与节理倾角的大小有关, 与节理面的粗糙度和充填物有关, 当有粘土或其它风化物充填时, 易受水浸润软化, 促进了崩塌、落石产生。
阴雨连绵天气较短促的暴雨天气崩塌、落石多;长期大雨比连绵细雨时崩塌、落石多。地下水对崩塌、落石的影响。边坡和山坡中的地下水往往可以直接从大气降水补给, 使其流量大大增加, 地下水和雨水联合作用, 更进一步促进了崩塌、落石发生, 主要表现在以下四个方面:充满裂隙中的水及其流动, 对潜在崩塌体产生静水压力和动水压力;产生向上的浮托力;岩体和充填物由于水的浸泡, 抗剪强度大大降低;充满裂隙的水, 使不稳定岩体和稳定岩体之间的侧向摩擦力减小。另外, 堆积土是除粘性土、黄土、堆填土之外, 还包括其余所有的第四纪堆积物, 常见的有洪积坡积为主的砾石土、坡积残积为主的碎石土、崩积坡积或滑坡堆积为主的碎块石土等。这类滑坡的滑动面多沿基岩顶面、不同时代及成因的堆积物分界面滑动, 有的可能沿堆积物内部相对软弱带滑动。滑动带多为破碎的页岩或千枚岩风化而成的粘土夹层构成, 而且常是饱水或潮湿的, 表明地下水较丰富。这类滑坡在发展严重时, 滑坡主裂缝、滑坡两侧的滑动裂缝及前缘的裂缝连通一起。当滑坡主裂缝首先在边坡或山坡中部出现, 并且主裂缝以外逐渐向上发展一些弧形裂缝, 裂缝宽度、长度、错距都越向上越小, 则表明滑坡是牵引式滑坡。如果相反, 滑坡最上部的主裂缝首先出现, 而且其发展最快, 宽度、长度、错距也最大, 则表明是推动式滑坡。
滑坡是指斜坡 (包括开挖的人工边坡) 上的岩体, 由于自然和人为因素的影响, 在重力作用下, 沿一定的软弱面 (或带) , 整体地以水平位移为主的向下滑动的现象。铁路岩石滑坡比较多见到的类型为层状岩层的顺层滑坡, 滑面的主要部位是层面或不同岩组之间的各种接触面。特别当岩层中夹有易滑的软弱层, 如页岩、泥岩、泥灰岩等, 而当地侵蚀或人工开挖基面又与软弱层分布部位邻近时, 更易于产生顺层滑动。但如果岩层倾向坡内, 并发育有顺坡倾斜的其它结构面时, 也有切层滑坡的产生。错落是指斜坡上的岩体在重力作用下, 沿软弱面整体性的快速下错的现象。其整个错动带的形状为折线形, 后壁坡度较陡, 下部坡度较缓;错动面出口在坡脚临空面以上, 其错落体的垂直位移量大于水平位移量。而堆塌则是指节理发育或软质、破碎、风化的岩体, 由于开挖边坡过陡, 在坡顶或边坡外缘产生拉张裂缝, 并逐次向山侧发展而堆塌在坡脚的现象。堆塌体多呈半锥体形, 堆塌直至稳定的安息角为止。以上三种类型中, 常以滑坡、错落对铁路造成的危害为大, 特别是当开挖边坡所在斜坡发生的滑坡、错落破坏类型时, 往往具有巨大的规模, 造成了巨大的经济损失。除上述几种基本破坏类型外, 铁路边坡的破坏还可划分为一些亚类或过渡类型, 如一些破碎的硬质岩, 在风化作用下坡面岩石呈破碎小块沿坡落下, 其块体尺度介于剥落与落石类型之间的, 可称为碎落;又如坡面上局部或较大范围的沿单面或双面滑动的块体滑动破坏, 又可称为滑塌。此外在铁路系统, 也有时笼统地把路基斜坡岩土体的破坏称为坍方。
斜坡上的岩体, 在重力或其它外力作用下, 突然向下崩落的现象, 叫做崩塌, 而个别岩石块体的崩落则称为落石。崩塌落石的发生往往与斜坡陡峻、岩性坚硬、地质构造发育有关的地貌地质条件相联系, 崩塌落石可以发生在开挖的人工边坡上, 也可发生在开挖边坡的自然山坡上。崩塌落石破坏道路及工程设施, 中断行车, 给铁路运输和人民生命财产往往造成重大损失。由于崩塌会给铁路工程和运输带来巨大的危害, 因而对于大型的崩塌一般均在勘测阶段尽可能地加以绕避。而较大规模的崩塌一般多常发生在开挖边坡的陡峻的自然斜坡上。
铁路边坡的破坏形式以崩塌破坏和滑坡破坏为主, 有的破坏介于两者之间, 还有的以流动、剥落等等形式出现, 有的破坏是这几种形式的结合。崩塌经常伴随着强烈地震或强暴雨发生在坡顶有裂缝的地方。它可能是由风化导致粘聚力力减小引起的, 也可能是因为雨水进入裂缝产生的水压引起的, 或者是由于地震、雷击等因素造成的。风化与水分和温度密切相关, 因此对于易于发生崩塌破坏类型的边坡要监测表面裂缝、温度、水分、雨量、地震等因素。滑坡是由于岩土体重力的作用导致岩土体内的软弱面产生整体的滑动而引起的。它发生在岩土体内部, 破坏速度比崩塌慢。所以对于滑坡的监测最重要的是监测深部位移。在崩塌空间预测的基础上, 不稳定的潜在崩塌体何时发生灾害性崩塌, 主要取决于降雨量的变化、风化速度、整治工程投资量等因素。投资量的大小属于人为因素, 崩塌工点年投资量增加可以减少崩塌的发生, 而降雨量和风化速度两个因素都是随时间独立发展的, 因此崩塌的中长期时间预报是一种多因素影响下的系统动态趋势预报。由于崩塌工点投资量的资料不全, 而且投资量变化不定, 在中长期预报中难以考虑。风化速度不易量测, 几乎没有资料, 而且其变化速度很小, 在时间预报时也难以考虑。降雨量资料一般较完全, 它与崩塌之间呈明显的相关关系, 因此可以用降雨量中长期灾变预报来实现对崩塌的中长期预报。对崩塌大量发生的灾变年的预报, 可以提请工务部门作好预防工作, 这是进行中长期预报的重要目的。
铁路边坡按照组成的介质可分为岩质边坡和土质边坡。岩质边坡容易发生崩塌破坏而很少会发生滑坡破坏, 除非是岩体内有软弱层或风化层, 或者是岩坡的倾角很陡并伴随有地下水活动, 此时边坡会向着软弱层滑动, 对于这种滑坡破坏还要监测地下水位。软岩质边坡被风化或受潮之后也容易产生滑坡现象, 这种形式的滑动在表面发生, 对于这种滑坡还要检测湿度。土质边坡容易发生滑坡破坏, 因为它的上层比较稀疏, 透水性很强, 如果有水的话会软化。下层很密致, 受水的作用比较小, 因此在它们的分界面处容易形成软弱面, 容易沿着这个滑动面产生滑坡破坏。因此对于土体滑坡要监测地下水位和降雨量。
剥落是指岩石边坡的风化剥落。它是当开挖的岩石边坡在大气中暴露, 由于风化作用, 岩体产生风化裂隙, 表层变成粒状、碎片状松散物被剥落下来, 逐渐堆积在坡脚的一种坡面破坏的边坡破坏形式。它的形成和发展与易于风化的岩石, 具有显著温度变化和明显干湿效应的气候条件密切相关。如在我国西南和东南地区岩石边坡和山西的煤系地层岩石等, 由于岩石易于风化, 气温湿热, 因而边坡岩石风化剥落较为突出。岩石边坡的风化剥落不仅堵塞路基侧沟, 影响排水, 引起路基松软和堵塞桥涵, 并且由于坡面岩石的风化剥落, 有的可引起上覆较坚硬岩石失去支撑, 从而发生落石、崩塌等现象。
影响铁路边坡稳定性的因素与它的组成成分、外形、内部的结构面的构成、外界环境等因素息息相关。所以针对不同地段、不同结构、不同形状的铁路边坡进行监测时, 要结合它的实际情况选择合适的参数。这里将铁路边坡按照组成成分来类。分为坚硬的岩坡 (崩塌破坏) 、内部有软质层的硬岩坡 (崩塌和滑坡破坏) 、软质岩坡 (崩塌和滑坡破坏) 、土质边坡 (滑坡破坏) 四类。但是在选择具体的监测因素时要结合铁路边坡所处位置的实际环境和边坡的实际构造来进行选择, 这里只是给出一个大致的方案。
铁路边坡安全监测属于边坡变形监测的范畴, 现阶段用于边坡变形监测的技术有以下几种。
以人工的方式定期的对坡体进行观测。优点是可以从宏观上了解边坡的状态。缺点是不具实时性, 如果观察的时间间隔很久, 就不具备预测的作用, 而且它还掺杂了人的主观性。对崩塌落石的空间预测可以采用综合预测的方法, 即在大量调查统计资料的基础上, 首先在宏观上对崩塌落石进行区段预测, 用以确定崩塌落石的危险区段, 以便对其进行重点巡查和看守, 防止崩塌落石造成灾害。如在宝成线采用信息量统计预测方法, 成功地进行了崩塌落石的区段预测。然后, 在细观上对每个崩塌落石工点用模糊综合评判和综合评分方法进行稳定性预测, 用以确定最危险的崩塌落石工点, 从而做到为详细制定投资计划、确定投资重点服务。
崩塌是山区铁路沿线常见的一种地质灾害, 其分布之广泛, 危害之严重, 已日益引起人们的高度重视。为了建立科学的崩塌预测方法, 为边坡防护及崩塌危岩的监测提供科学依据。通过测角或测距来测量边坡的二维水平位移和垂直位移。优点是监测范围广、可以找出要重点监测的位置、量程大、测量的位移是绝对值, 可以掌握边坡的变形性态。缺点是易受天气和地形的影响、劳动强度大、测量周期长、不能实现自动化监测。该方法有两个基本步骤:首先, 计算各地质因素和失稳标志所提供崩塌发生的信息量, 定量评价各因素和标志对边坡崩塌的贡献, 借以选择与崩塌发生关系密切的变量。然后, 计算各区段单元中各标志 (因素) 信息量的总和, 其大小反映了该单元相对的稳定程度, 以此对崩塌灾害进行区段评价和预测。
利用GPS卫星定位技术确定待测点三维坐标, 从而判断该测点是否有发生滑坡灾害的可能。优点是精度高、测量速度快、能够连续观测、实现自动化监测系统。缺点是费用高, 不符合我国的经济形势。虽然现阶段出现了一机多天线的测量模式来减少成本, 但它的高价格是仍然不能被中国庞大的铁路系统所接受的。铁路中线确定后, 利用中线桩点坐标, 通过绘图软件, 即可给出路线纵断面和各桩点的横断面。由于所用数据都是测绘地形图时采集来的, 因此不需要再到现场进行纵、横断面测量。从而大大减少了外业工作。如果需要进行现场断面测量时, 也可采用实时GPS测量。与传统方法相比, 在精度、经济、实用各方面都有明显的优势。变形监测网具有毫米级的精度, 比一般工程控制网高一个数量级。实践表明, 如果用较长的观测时间, 分几个时段进行观测, 并采用强制对中, 观测时天线指北等措施, 长度不超过四千米的基线向量可达到2mm~3mm的精度。随着研究深化, GPS广泛用于变形观测是完全有可能的。
利用精密仪器对边坡的破坏机制进行监测从而判断边坡的稳定性。优点是能够实现自动化监测、测量速度快、精度高、集数据的采集、传输、管理、分析与一身。缺点是量程有限、元件易老化、可靠性也有待考证。现阶段电子仪器都在向着工业化的方向迈进, 很多传感器和电子元件都具有防雨、防风、防震、防雷、防腐蚀等特性, 可以满足工作环境与可靠性的要求。例如:摄影测量技术是一项快速便捷的新技术, 可以推广到铁路边坡监测, 为边坡的稳定性分析提供了可靠的技术依据。随着摄影器材制造技术的进步, 将来必将能够实现在强对流天气环境下的测量检测。
是远距离传输技术和电子仪表技术的结合, 可以实现对边坡的远程自动监测。优点是可以进行全天候的观测、集数据采集、存储、处理于一体、高度自动化、省时省力、可靠性好。缺点是容易受到传感器质量的影响、运行中容易产生故障、数据传输时有中断。通过上面的分析可知, 边坡变形监测技术各有优劣, 它们在精度、实时性、测量范围、经费、应用条件、可靠性等等方面或多或少的都存在着一些问题。能够进行自动化的测量, 实现网络化的传输, 进行智能化的管理是变形监测技术的发展方向。综合各方面的性能比较这里选择远程监测技术。
目前监测点的布设一般采用人工的方式, 依靠有经验的人根据自己多年的观察经验来进行布设。对于滑动方向和变形范围明确的边坡一般采用十字形布设法, 一般深部位移测量孔铺设在滑动方向上;如果不确定则一般采用放射形布设的方式, 它一般将深部位移测量孔铺设在不同方向的交叉处。布设监测点时, 首先要布置测线, 利用大地测量法找出要监测的范围, 根据主滑动方向和变形的范围确定测线, 选择典型的断面, 布置测线, 再按照测线布置相应的监测点。然后将各测线组成一个监测网, 监测网的布设不仅要体现某个面的特性, 也要体现空间性, 如主滑动面和可能的滑动面、组成边坡的各地质分界面、不同的风化带上都要布设测点, 这样可对整个边坡的破坏过程进行全面的监测, 最后要在关键的变形位置要加强节点的布设, 在深度和密度方面都要加强。
选择仪器时要考虑性能、埋设、测量、读数和经济性等因素。要监测边坡变形需要监测表面裂缝、温度、雨量、地震 (地震仪) 、深部位移、地下水位等因素。其中裂缝计有差动电阻式、振弦式和电位器式等形式, 多点位移计也有差动电阻式和振弦式, 渗压计也有差动电阻式和振弦式等形式。为了使测量与读数方式统一, 选择差阻式或振弦式仪器来进行形变量的测量。对于环境量的监测选择相应的仪器或利用当地的气象预报与地震预报。差阻式仪器适用于潮湿的工业环境、稳定可靠并且埋设起来也方便。它的测量精度、灵敏度都比振弦式仪器低、而且体积大、检测的精度易受温度和芯线电阻变化的影响。对连接电缆的要求高, 不适合远距离传输与建立自动化监测系统。在初期, 差阻式仪器的测量都采用三芯电缆接法, 随着芯线电阻阻值影响的日益显著, 研究出了四五六芯的接法, 改善了测量的性能、提高了测量的精度、增加了传输的距离。但是也造成了连接的不便等问题, 因此影响了系统的稳定性与可靠性。而且国家没有出台相应的标准, 使得各厂商制造产品的不统一影响了仪器的通用性。
铁路边坡安全监测系统由现场监测节点、数据传输网络、计算机远程监控中心三部分组成。对于岩坡而言, 其中硬质边坡, 需要监测温度、水分、雨量、地震、裂缝等量;含有软弱层的岩质边坡它还要监测深部位移和地下水位;对于土质边坡需要监测雨量、地下水位、渗压、裂缝、深部位移。边坡安全监测节点需要根据边坡的实际类型选择合适的参数进行监测, 获取相应的物理量, 然后把数据上传到远程监控中心进行处理。采用有线的传输方式可以采用铁路内部光纤通信网, 高速铁路在铁路两侧的槽道内分别铺设了光缆, 光接入设备设的组网是每隔3000m左右通过光纤将其引入到通信机房内。无线传输方式的系统架构显然比有线传输方式简单, 实现起来也相对容易一些, 但是采用无线传输方式时, 系统的建设成本很高, 只要是系统在运行就存在着运行成本。在数据传输时存在着无线传输延时的问题, 这对系统可靠性的影响是很大的。因此无论是从可靠性还是经济性方面来考虑, 无线传输方式都不是一个好的选择。有线传输能够保证高效可靠的数据传输, 只要建成了就可以一劳永逸, 没有任何的运行成本, 综合这几点的考虑, 这里选择有线的传输方式。远程监控中心的作用就是接收各汇聚节点传来的数据, 根据边坡稳定性相关的理论来判断所测边坡的稳定性, 如果发现有滑坡的危险, 则要报警。
信息采集系统是通过设置于加固结构体系及与其相互作用的岩土体和相邻建筑物中 (或周围环境) 的监测系统进行工作的, 以便获取如下信息:加固结构的变形;加固结构的内力;岩土体变形;锚索锚杆变形与应力;相邻建筑变形。采集到的数据应及时进行初步整理, 并清绘各种测试曲线, 以便随时分析与掌握加固结构的工作状态, 对测试失误原因进行分析, 及时改进与修正。信息的反馈主要通过计算机输入初步整理的数据, 用预测程序进行系统分析。根据处理过的信息, 定期发布监测简报, 若发现异常现象预示潜在危险时, 应发布应急预报, 并应迅速通报设计施工部门进行研究, 对出现的各种情况作出决策, 采取有效的措施, 并不断完善所示。与优化下一步设计与施工。信息化施工技术内容可归纳为以下几点:对加固结构体系设计方案全过程进行反演和过程优化;预测各因素对加固体系的影响及其权重和后果分析;作出施工方案可行性和可提供决策依据, 并提出采取的措施。靠性评估;随施工过程作出风险评估和失控分析。
利用仪器监测无论是监测断面选择还是测点布置都是有限的, 对有限的监测断面和测点则要求有相当的代表性。从大悟高边坡稳定存在的问题以及影响稳定的因素分析来看, 其边坡失稳主要是局部失稳, 一般不可能整体失稳。而可能发生局部失稳的岩体往往是那些由不利地质构造面组合所形成的楔形体, 以及那些由于爆破振动影响在边坡上缘开裂的危岩体。这些可能发生局部失稳的部位在事先是难以确定的, 若发生失稳塌落时相应的规模也较小, 再加上这种部位很多, 不可能一一布置仪器来监测。
边坡包括自然边坡和人工边坡, 是岩石圈表面的天然地质和工程地质的作用范围内具有露天侧向临空面的地质体, 是广泛分布于地表的一种地貌形态。边坡是人类生活和工程活动中最普遍也是极为重要的地质环境, 与人类的各种活动密切相关。在人类发展演化过程中, 无时不与边坡相互冲突、相互协调, 进而达到相互共存。特别是近几十年来, 人们已充分认识到:边坡作为一种人类不可回避的地质环境, 总是伴随着人类的工程活动, 一方面人类力图对边坡进行改造、加固, 使之服务于人类另一方面, 边坡在受到人类的工程活动及外界环境影响时, 坡体发生破坏, 给人类的安全及建设带来灾害。因此, 一百多年来人们对边坡变形过程、失稳形式、失稳机制、稳定性评价及滑坡预测预报等进行了广泛而深入的研究, 借助数学、力学及计算机科学的理论与方法, 试图对边坡的演化及滑坡预测预报进行研究, 并应用到人类工程活动的实践中去。分析了铁路边坡的破坏形式和导致它破坏的因素, 按照地质组成对铁路边坡进行了分类, 指出了各类边坡稳定性的影响因素, 接着研究了目前用于边坡变形监测的各方法的优缺点, 选择了精度高、价格低、可靠性好、适合建立网络自动化监测系统的远程监测技术作为系统的核心监测技术。
摘要：铁路系统运行安全近年来在信息化设计方面取得了重要进展, 已初步形成理论与方法体系。特别是伴随大量复杂交通工程的出现, 边坡工程地质的理论进一步深化, 方法不断更新, 地质灾害勘察、设计、施工一条龙思想逐渐成形, 大大促进了工程地质信息化设计的发展。近些年来由于铁路边坡滑坡灾害引发的事故频繁发生, 铁路的高速化使得对铁路边坡安全监测系统进行建设己经成为铁路建设中的一个刻不容缓的任务, 文章主要针对该问题对于铁路边坡安全监测的方法进行了粗浅的探讨。
关键词：铁路边坡,铁路安全,安全监测
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