公路邊坡病害對氣象條件的響應(yīng)

1邊坡主要病害隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工業(yè)化和城市化進(jìn)程的加快，世界生態(tài)環(huán)境的破壞和惡化日益突出。近200年來,在人類活動對地球環(huán)境空前影響的同時,也使氣候系統(tǒng)面臨失衡的危險。20世紀(jì)80年代以來,全球氣候顯著變暖,極端天氣氣候事件的發(fā)生頻率顯著增加,強(qiáng)度顯著增強(qiáng),氣象災(zāi)害造成的生命財(cái)產(chǎn)損失越來越嚴(yán)重;氣候變化給生態(tài)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會等帶來的重大負(fù)面影響,已引起各國政府和公眾的普遍關(guān)注。高速公路的邊坡是公路的重要組成部分,它包括公路的路堤邊坡及公路兩旁的路塹邊坡。堅(jiān)實(shí)穩(wěn)定的邊坡可以保障路基穩(wěn)定,排水系統(tǒng)暢通,路面系統(tǒng)完好和道路的安全運(yùn)營。但是氣象狀況的變化會對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響,導(dǎo)致邊坡滑坡或崩塌等病害發(fā)生。例如在連續(xù)幾場大雨過后,一些邊坡會滑動、崩塌和沖刷。此外,干旱、凍脹和高溫的循環(huán)作用等也會引發(fā)和加速邊坡病害的發(fā)生。“十個邊坡九個水”形象地說明了邊坡穩(wěn)定性與地下水的活動關(guān)系。氣象災(zāi)害對公路邊坡的影響是多方面的,降雨強(qiáng)度、降雨量、降雨歷時等都可能影響邊坡的穩(wěn)定性。公路邊坡常見病害有剝落、沖蝕、泥流、坍塌,嚴(yán)重時造成邊坡失穩(wěn)出現(xiàn)滑坡。根據(jù)羅纘錦等和張少宏等的分析,由于黃土高原地區(qū)高速公路路堤式和路塹式邊坡坡度大多介于33.7°~73.3°之間,因黃土土質(zhì)松疏,垂直節(jié)理,干燥時尚相當(dāng)堅(jiān)實(shí),但一遇雨水浸泡,極易發(fā)生水土流失,而水土流失與暴雨和持續(xù)性降水關(guān)系密切。因此在黃土高原地區(qū)強(qiáng)降水(中雨、大雨和暴雨)和持續(xù)性降水更容易造成公路土體強(qiáng)度的降低而形成邊坡病害;太陽輻射、風(fēng)力侵蝕以及溫、濕度的突變也會造成邊坡病害。平定高速公路由東西兩段組成,東段起于平?jīng)鍪袥艽h的羅漢洞,經(jīng)涇川、嵋峴、崆峒區(qū),止于甘寧界的沿川子,西段起于寧甘界靜寧縣司橋,經(jīng)靜寧、太平店、會寧、西鞏驛,止于定西市安定區(qū)的十八里鋪。處于水土流失嚴(yán)重和地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的黃土高原地區(qū),經(jīng)過地區(qū)大多為黃土溝壑、峁梁、丘陵地帶,高速公路建設(shè)中經(jīng)常會遇到高路堤和深路塹路段。沿線又有涇河、響河、祖河、祖厲河等河流穿過,自然地理和氣候條件特殊,干旱、冰雹、局地暴雨等重大氣象災(zāi)害及由此引發(fā)的山洪、泥石流等自然災(zāi)害時有發(fā)生,對當(dāng)?shù)厝嗣裆?cái)產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。有關(guān)黃土高原地區(qū)的氣候特征,氣象工作者已做了大量研究[6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16],但針對平定沿線區(qū)域氣候變化的研究還不多見。為了順利執(zhí)行“氣象災(zāi)害對平定高速公路邊坡的影響及防治技術(shù)研究”項(xiàng)目,課題組首先收集了平定沿線氣象臺站資料,分析了平定沿線不同路段近40年的氣候變化特征,以期為平定沿線進(jìn)一步開展邊坡土體與大氣相互作用加強(qiáng)觀測和最終在不同路段實(shí)施的邊坡防護(hù)措施提供借鑒。2日降水和712月氣溫選取平定沿線定西、會寧、通渭、平?jīng)觥艽?、西?個測站1971\_2006年4~10月的逐日降水和1~12月氣溫資料;1971\_2003年1~12月白銀、固原、靜寧3個測站的月平均氣溫和4~10月降水資料。對可能影響平定沿線邊坡穩(wěn)定性的主要因子,如夏\,秋季的強(qiáng)降水(中雨、大雨和暴雨)和持續(xù)性降水,以及冬季淺層土壤的反復(fù)凍融過程進(jìn)行重點(diǎn)分析。3結(jié)果分析3.1沿線降水的時空分布3.1.1年降水、月降雨特征圖1為平定沿線區(qū)域多年平均降水量分布。由圖可見,平定沿線地區(qū)多年平均降水量的分布趨勢為東多西少,南多北少,由東南向西北明顯遞減。在未仔細(xì)考慮山區(qū)地形降水的情況下,從東面的西峰年降水量538mm到西面的白銀降水量急劇降至200mm左右,降幅達(dá)338mm。很明顯,平定沿線東西段年降雨量差異很大。錢正安等指出,在更大范圍的多年平均雨量圖上,平定沿線正好處于青藏高原東北側(cè)明顯南伸的“V”形干谷軸線白銀-定西-武山-武都一線的東北側(cè)?？梢?平定沿線降水自西向東明顯增加,特別是六盤山以東,而雨量的南北向差異不大。故依據(jù)項(xiàng)目研究和邊坡防護(hù)需要,我們把400mm等值線以西路段定為較干區(qū)域,以東路段定為較濕潤區(qū)域。氣象學(xué)中規(guī)定,當(dāng)日雨量<10mm時為小雨;介于10~25mm之間為中雨,25~50mm為大雨,50mm以上為暴雨。由于黃土高原的土質(zhì)松散,較小強(qiáng)度的降水也足以對公路邊坡造成危害,因此我們分別統(tǒng)計(jì)了沿線各站每年中雨以上不同等級(中雨、大雨及暴雨)的總降水日數(shù)。圖2為平定沿線多年平均中雨雨量日數(shù)分布。從圖中可以看出,多年平均中雨雨量日數(shù)分布和平均年降水量等值線的走向大體相一致,也是東西差異特別明顯,從東到西依次減少。東端的涇川每年中雨日數(shù)平均為11.8天,而西端的定西僅為9.6天。平均來說,東段平?jīng)龅闹杏暧炅拷邓鞌?shù)僅比西段多2天左右。平定沿線多年平均的大雨雨量日數(shù)分布和中雨雨量日數(shù)的分布趨勢一致,也是從東到西依次減少(圖略),就整個沿線區(qū)域來說,平均大雨雨量日數(shù)在東部的涇川、西峰為每年4天左右;而西部的會寧、定西約為每年1.65天。在平定沿線西段的定西、通渭、會寧多年平均暴雨日數(shù)也明顯少于東段的平?jīng)?、涇川和西?圖略),這和前面所述的西北地區(qū)大范圍雨量分布是一致的。值得注意的是,盡管在平定沿線西段降雨量(特別是強(qiáng)降水量)明顯少于東段,但平定沿線西段的公路邊坡病害并無明顯少于東段。這表明由于沿線西段長期干旱,植被覆蓋度低,西部較少的強(qiáng)降水對公路邊坡的破壞性相對更大。3.1.2年降水量年變化和年際變化特征3.1.2.降水量值對比通過對沿線臺站降水量資料的分析,發(fā)現(xiàn)過去近40年來平定沿線區(qū)域降水主要集中在4~10月。其中,4~10月降水量占年降水量的90%以上,春季降水約占20%左右,秋季比春季略高,冬季最少,僅占年降水的2%左右。另外,在研究區(qū)域內(nèi),半干旱區(qū)的定西、會寧及通渭3個測站的降水量值相近,年變化趨勢一致;類似地,半濕潤區(qū)的平?jīng)觥艽拔鞣?個測站的降水量值及年變化趨勢也基本一致,故選取定西、平?jīng)龇謩e代表平定線西、東兩段。圖3為平?jīng)龊投ㄎ髡?971-2006年平均降水量變化和年平均中雨以上降水日數(shù)的年變化。由圖可看出,該兩站夏季(6~8月)的降水量占年降水量的比重較大,一般在50%以上。各站降水最大的月份都出現(xiàn)在7月或8月,尤其是其中、大雨的天數(shù)。在西段3個測站中,暴雨只出現(xiàn)在7、8月;東段的3個測站則以7、8月為主,5、6月也有出現(xiàn)(圖略)。俞亞勛等指出,西北區(qū)天水以東及西峰以南地區(qū)的降水,還可能受東亞夏季風(fēng)北推第二階段6~7月江淮梅雨期暴雨的影響;而平定沿線西段3個測站則主要受東亞夏季風(fēng)北推第三階段-7~8月北方多雨期暴雨的影響。張少宏等的研究表明,7、8月平定沿線的邊坡病害出現(xiàn)頻數(shù)也更高些。3.1.2.降水的變率分析在平定沿線6個測站36年的年降水變化序列中,只有平?jīng)稣镜慕邓渴俏⑷踉黾拥?增加幅度為0.20mm·a-1,其余5個測站都是減少的(圖4)。常用年降水變率作為衡量某一地區(qū)逐年降水穩(wěn)定程度的一個指標(biāo),它是降水標(biāo)準(zhǔn)差與多年平均降水量的百分比。計(jì)算得到各站的降水量變率分別是白銀44.2%、定西42.6%、會寧40.6%、靜寧38.2%、通渭38.4%、固原36.7%、平?jīng)?1.1%、涇川33.5%和西峰32.6%。從年際降水量的變率來看,半干旱區(qū)域的降水量相當(dāng)不穩(wěn)定,容易發(fā)生旱澇災(zāi)害。在過去36年中,在半干旱區(qū)域的3個測站,其中雨、大雨及暴雨日數(shù)幾乎都是減少的,僅大雨日數(shù)呈弱增加趨勢,這一點(diǎn)值得關(guān)注。而半濕潤區(qū)域的3個測站出現(xiàn)大雨的日數(shù)都呈增加趨勢,再結(jié)合圖4可看到,該3個測站的年降水量也是減少的,這表明在半濕潤區(qū)站的降水強(qiáng)度也是增加的(圖略)。那么,在過去40年中,各站降水量的連續(xù)性有無變化呢?我們還檢查了平定沿線6個測站出現(xiàn)降水歷時≥3天的頻數(shù),結(jié)果表明,平定沿線6個測站連續(xù)性降水量都呈減少態(tài)勢,所不同的是半干旱區(qū)降水的連續(xù)性下降趨勢更為明顯;沿線6個測站均在1970年代至1980年代中期出現(xiàn)較多連續(xù)性降水,且降水量大;1980年代末期至1990年代中期,連續(xù)性降水量都明顯減少。過去近40年來,上述6個測站的降水量在減少,強(qiáng)降水日數(shù)在減少,連續(xù)性降水日數(shù)也在減少,這些特點(diǎn)與張存杰等過去30多年因東亞季風(fēng)在減弱的結(jié)論吻合。當(dāng)然,到了1990年代末和21世紀(jì)初的幾年里連續(xù)性降水次數(shù)又有增加趨勢,雨量也在增加(圖略)。3.2不同粒度條件下平均氣溫的變化規(guī)律年平均氣溫可以給出一地氣候總的冷熱概念。由圖5可看到,平定沿線區(qū)域年平均氣溫的總體分布特點(diǎn)是,由東南向西北逐漸減小。東南端的涇川年平均氣溫為10.17℃,到了西北端的定西年平均氣溫則降至6.88℃,降幅達(dá)3.29℃。計(jì)算得到西峰、涇川、平?jīng)?、通渭、會寧和定西的氣溫變率依次?7%,21%,31%,35%,50%和43%,基本上隨緯度的增高而增大,這與已有研究結(jié)果中全國范圍多年平均氣溫變率的分布是一致的。分析平定沿線各站年平均氣溫變化傾向率,可以看出,在全球氣候變暖的大背景下,平定沿線區(qū)域氣候變暖的趨勢十分顯著,但受不同緯度的影響,各測站的變化略有差異。如圖6所示,公路沿線西峰、涇川、平?jīng)?、通渭、會寧和定西?6年的年氣溫傾向率依次為0.57,0.21,0.45,0.39,0.64和0.55℃·(10a)-1,很明顯,會寧、西峰和定西增溫速率較大,涇川、通渭的增溫速率較小。這與以往的研究結(jié)果高緯地區(qū)升溫率高于低緯度地區(qū)的結(jié)論基本一致。從各站多年各月月平均氣溫分布圖上可以看出(圖略),平定沿線多年月平均氣溫的總體趨勢是由東南至西北逐漸減小。6、7月份減小幅度較大,分別達(dá)4.06℃和4.26℃,減小幅度較小的月份是11,12和2月,分別為2.64,2.98和3.00℃,但1月份的減小幅度略高于2月份,為3.30℃。3.3沿線凍土和雪害的變化特征3.3.1凍結(jié)溫度分析利用定西、會寧、靜寧、平?jīng)?個測站1964-2003年共40年5層(0,5,10,20及40cm)土壤溫度資料來分析土壤凍結(jié)狀況。圖7為各站過去40年月平均土壤溫度隨凍結(jié)深度變化的時間剖面圖。由圖可見,平定沿線各站土壤從11月份開始凍結(jié),到次年2月中旬前后全部融化,凍結(jié)持續(xù)近4個月時間,可見,該區(qū)域是典型的季節(jié)性凍土地帶。在4個測站中,定西站土壤最先出現(xiàn)凍結(jié),進(jìn)入11月土壤就開始凍結(jié),隨后會寧、靜寧及平?jīng)稣就寥酪碴懤m(xù)開始凍結(jié)。各站土壤最大凍結(jié)深度均出現(xiàn)在1月,其中定西40年平均土壤最大凍結(jié)深度超過40cm;靜寧約為30cm;會寧、平?jīng)龅淖畲髢鼋Y(jié)深度約為28cm。定西40cm處土壤溫度年變化明顯,變幅達(dá)15℃;會寧、靜寧40cm處土壤基本維持在2℃的常溫狀態(tài)。另外,本文也對1971-2006年36年間12月和2月定西、平?jīng)?個測站5cm及20cm月平均土壤溫度變化進(jìn)行了分析(圖略),發(fā)現(xiàn)12月5cm及20cm處土壤溫度定西比平?jīng)龅?土壤較平?jīng)鱿瘸霈F(xiàn)凍結(jié)。兩地在全球變暖的背景下,5cm處土壤溫度也呈上升趨勢,在過去36年里,該層土壤發(fā)生凍結(jié)的時間有推后趨勢。2月平定沿線區(qū)域季節(jié)性凍土全部融解。5cm和20cm月平均土壤溫度,平?jīng)鲚^定西高,凍結(jié)土壤比定西先出現(xiàn)融解。同12月土壤溫度變化趨勢相似,在過去的36年里,2月兩地5cm和20cm的土壤有明顯的升溫趨勢,表明該區(qū)域凍結(jié)土壤有解凍提前的趨勢。2個測站中,平?jīng)稣旧郎芈矢?土壤融解時間也更加提前。3.3.2織測站積日的日天數(shù)圖8為定西、會寧、通渭、平?jīng)黾皼艽?個測站36年(1971-2006年)冬季各月(1,2,3,11和12月)和年積雪日數(shù)。從圖中可以看出,平定沿線1月積雪日數(shù)最多,2月次之,11月積雪日數(shù)最少,各測站都不足5天。會寧和定西兩地11月、1~3月及年積雪日數(shù)均最多,通渭居中,平?jīng)龊蜎艽ㄗ钌?。年平均積雪日數(shù)會寧站為40.7天,定西站32.5天;通渭、平?jīng)黾皼艽ㄕ疽来螢?8.7,24.5及21.0天。另外,本文還分析了定西、會寧、平?jīng)觥艽?個測站1971-2006年年積雪日總數(shù)變化趨勢(圖略)。發(fā)現(xiàn)36年中4個測站積雪日總數(shù)都有明顯的下降,其中會寧下降最多,定西次之。4區(qū)域劃分及降水、增溫率分析(1)