羅葉軍

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安　710043)

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復(fù)雜地質(zhì)山區(qū)安順至紫云高速公路定線研究

羅葉軍

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安710043)

摘要：安順至紫云高速公路所經(jīng)區(qū)域地貌以巖溶及侵蝕中低山地貌為主,尤其楊武鄉(xiāng)至終點(diǎn)段地形起伏較大,地貌類型復(fù)雜多變,斷層破碎帶、巖溶消水洞、出水口、溶腔、暗河等較為發(fā)育,順層邊坡較多,在復(fù)雜地質(zhì)區(qū)域定線時(shí)應(yīng)首先察明線路廊帶內(nèi)地形、地質(zhì)條件,研究線路各段落工程地質(zhì)主要特點(diǎn),抓住控制線路布設(shè)的關(guān)鍵因素,提出合理可行的線路方案及比選意見。論述在項(xiàng)目定測(cè)期間,應(yīng)用綜合地質(zhì)選線技術(shù)使推薦的線路方案良好繞避開斷層破碎帶,合理地繞避巖溶消水洞、出水口及暗河等,有效減少順層邊坡,推薦的線路方案安全、經(jīng)濟(jì)、合理。

關(guān)鍵詞：高速公路；地質(zhì)選線；斷層破碎帶；巖溶地貌；順層邊坡

1安順至紫云路工程概況

安順至紫云高速公路是貴州省高速公路網(wǎng)規(guī)劃“五縱”中的赤水至望謨高速公路之中段，項(xiàng)目北接滬昆國(guó)家高速公路(清鎮(zhèn)至黃果樹段)，南連貴州省規(guī)劃路網(wǎng)“五橫”中的惠水至興仁高速公路(圖1)。項(xiàng)目起點(diǎn)位于安順市東貓貓洞，向南經(jīng)云峰、舊州、雙堡、楊武、貓營(yíng)、板當(dāng)?shù)揉l(xiāng)鎮(zhèn)，終點(diǎn)至紫云縣城東北的沙子哨，全長(zhǎng)55.8 km。項(xiàng)目是國(guó)家級(jí)新區(qū)貴安新區(qū)的重要交通走廊，連接滬昆國(guó)家高速公路、貴昆鐵路、滬昆客運(yùn)專線等經(jīng)濟(jì)廊帶，建成后將顯著促進(jìn)沿線地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。全線采用雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)速度80、100 km/h，整體式路基寬度24.5、26 m，全線設(shè)互通式立交6處，服務(wù)區(qū)1處。

2項(xiàng)目區(qū)域地貌、地質(zhì)特點(diǎn)(圖2)

項(xiàng)目所處區(qū)域地形總體上北高南低，海拔1 070～1 555 m，以項(xiàng)目中部的楊武鄉(xiāng)為界，北部地形平緩，丘峰為主，一般高差小于100 m，山體孤立，形如“竹筍”。楊武以南山體高大、渾厚，地形起伏急劇，地貌類型復(fù)雜多變，斷層破碎帶、巖溶消水洞、出水口、溶腔、暗河等較為發(fā)育，順層邊坡較多，地質(zhì)條件復(fù)雜。

圖1　項(xiàng)目地理位置

因此重點(diǎn)論述項(xiàng)目楊武以南至終點(diǎn)段，在初測(cè)及初步設(shè)計(jì)階段線路走廊帶大體明了的情況下，定測(cè)及施工圖設(shè)計(jì)階段，進(jìn)一步根據(jù)廊帶內(nèi)地貌、地質(zhì)特點(diǎn)，精確、科學(xué)、合理地選定線路平縱橫斷面的定線研究工作。對(duì)于地質(zhì)復(fù)雜區(qū)域的定線設(shè)計(jì)，應(yīng)采取多種勘探手段，加強(qiáng)地質(zhì)勘察工作，深入分析地質(zhì)資料，全面掌握區(qū)域內(nèi)工程地質(zhì)情況[1]，分析線路各段落工程地質(zhì)主要特點(diǎn)，抓住控制線路布設(shè)的關(guān)鍵因素，比選出科學(xué)合理的線路平縱斷面。根據(jù)沿線工程地質(zhì)主要特征及相應(yīng)的選線關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，重點(diǎn)選取了4段典型的段落進(jìn)行論述，分別是線路與斷層破碎帶、線路與巖溶發(fā)育區(qū)、線路與層狀邊坡以及終點(diǎn)處既有路接入的路橋比選。

3楊武過境段斷層破碎帶定線研究

圖2　項(xiàng)目線路方案平面示意

線路在經(jīng)楊武鄉(xiāng)西側(cè)的大陸地村至胡壩村段，當(dāng)?shù)卣疄闇p少線路對(duì)水田、良田的占?jí)?，傾向線位基本走行于荒地、林地內(nèi)的AK方案，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察、調(diào)查，發(fā)現(xiàn)AK方案處于補(bǔ)董沖斷層破碎帶內(nèi)，定測(cè)階段根據(jù)地質(zhì)、地形條件，提出3個(gè)方案進(jìn)行同精度綜合比選，如圖3所示。

圖3　楊武過境段線路方案平面示意

3.1　楊武過境段地質(zhì)條件

線路方案與地質(zhì)構(gòu)造關(guān)系為K、AK、BK 3方案均沿毛栗坡背斜西翼布置，毛栗坡背斜軸部為泥盆系上統(tǒng)堯梭組(D3y)白云巖，兩翼為C-P石灰?guī)r及少量白云巖，砂頁巖。地層傾角60°～80°，背斜西翼為補(bǔ)董沖斷層所破壞，破碎帶寬150～400 m，賦存巖溶水及斷層破碎帶裂隙水，巖溶水以泉的形式出露，向地表低洼處排泄，斷層裂隙水以漫流形式出露于斷層破碎帶表層。根據(jù)貴州省地質(zhì)局《區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報(bào)告》(貴陽幅G-48-ⅹⅦ)地質(zhì)調(diào)查報(bào)告反映，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘察的滑坡、崩塌等不良地質(zhì)的發(fā)育情況，推斷補(bǔ)董沖斷層屬于晚近時(shí)期不穩(wěn)定性斷層。AK方案完全走行在補(bǔ)董沖斷層破碎帶內(nèi)，K方案、BK方案距離斷層以西250～600 m，與斷層平行走行。

3.2　方案比選

(1)線路對(duì)沿線影響角度分析

AK方案沿線絕大部分為荒地和林地，土壤較為貧瘠，占用耕地面積最小，但線路兩側(cè)山體植被良好，喬木密集高大，砍伐樹木量大；BK方案走行于空曠地帶，絕大部分為優(yōu)質(zhì)水田，離村莊較遠(yuǎn)，拆遷房屋最少；K方案沿山腳布設(shè)，占地多為梯臺(tái)水澆地，且鄰近村莊，有一定拆遷量。

(2)從工程地質(zhì)、工程安全性角度分析(圖4)

圖4　A-A地質(zhì)剖面示意

AK方案位于補(bǔ)董沖斷層破碎帶內(nèi)，通過14處滑坡，屬于多發(fā)、易發(fā)、多梯次滑坡群區(qū)域，工程處理難度較大，后期運(yùn)營(yíng)安全隱患大[2]，工程地質(zhì)條件最差；BK方案離斷層破碎帶距離最遠(yuǎn)，但所處地勢(shì)較低，走行于河谷低洼匯水區(qū)域，地表局部段落巖溶發(fā)育；K方案走行于山腳坡地，走向平行于溝谷砂巖與灰?guī)r地層分界線，基本避開了補(bǔ)董沖斷層帶的影響范圍，適宜公路工程建設(shè)，但經(jīng)多處山口，上游有微、小型水壩，需做好防洪和防潰壩措施。因此，就工程地質(zhì)條件及工程安全角度而言，K方案的工程地質(zhì)條件良好，BK方案的工程地質(zhì)條件次之，AK方案的工程地質(zhì)條極差。

(3)從工程規(guī)模、工程投資角度分析

AK方案約5 km長(zhǎng)的線路走行于補(bǔ)董沖斷層破碎帶內(nèi)，地形起伏大，不良地質(zhì)多，土方開挖較大，特殊路基措施多，路基擋護(hù)規(guī)模極大，橋梁長(zhǎng)度逾1 km；BK方案以一般路基為主，工程較為簡(jiǎn)單，工程規(guī)模??；K方案臨山腳布設(shè)，有一定的路基防護(hù)工程，三方案工程經(jīng)濟(jì)比較見表1。

表1　方案主要工程數(shù)量及經(jīng)濟(jì)比較

(4)推薦意見

由于AK方案走行于補(bǔ)董沖斷層破碎帶中，工程地質(zhì)條件特差，處理難度極大，后期運(yùn)營(yíng)安全存在一定的隱患，不符合線路工程一般應(yīng)垂直或大角度穿越斷層破碎帶的基本選線原則，通過綜合比選，經(jīng)貴州省交通廳組織專家會(huì)論證，并取得當(dāng)?shù)卣?，最終推薦采用K方案。

4翁菁至貶王段巖溶發(fā)育區(qū)定線研究

4.1　巖溶區(qū)地質(zhì)選線原則

巖溶是水對(duì)可溶性巖石(碳酸鹽巖、硫酸鹽巖、鹵素鹽巖)進(jìn)行的化學(xué)溶解作用和機(jī)械破壞作用以及由這些作用所引起的各種現(xiàn)象與形態(tài)的總稱[3]，在貴州地區(qū)，無論是高山、丘陵還是平緩地帶，都有大面積的巖溶分布，只是發(fā)育的階段和發(fā)育的程度不同。

巖溶地區(qū)選線應(yīng)充分察明沿線地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造，巖溶發(fā)育主要受層面的控制，地質(zhì)構(gòu)造的褶皺和斷層往往對(duì)地表水滲流及地下水流徑起控制作用，有條件時(shí)線路應(yīng)盡力避免由褶皺核部平行通過，盡可能由褶皺翼部巖溶不發(fā)育或發(fā)育弱的地層組通過。巖溶地貌對(duì)選線也具有良好的參鑒作用，在山丘地區(qū)，丘峰的頂部通常是早期巖溶水平通道而谷底常為現(xiàn)代巖溶水平通道，線路最好由山丘腰部通過[4]。線路穿行于自然地質(zhì)環(huán)境中并對(duì)地質(zhì)環(huán)境改造著，應(yīng)充分尊重地質(zhì)規(guī)律，遵循地質(zhì)原則，盡量避免工程實(shí)施對(duì)地質(zhì)環(huán)境的改變[5]，巖溶地區(qū)地表河流與地下河流經(jīng)過漫長(zhǎng)年代的地質(zhì)作用而形成，明河、暗河錯(cuò)綜交匯，往往難以全部察明，選線時(shí)應(yīng)盡力避免破壞或改變現(xiàn)狀水系徑流，河谷地區(qū)應(yīng)盡力減少侵占排洪匯水面積，應(yīng)重視工程排水設(shè)計(jì)。

4.2　翁菁至貶王段巖溶發(fā)育概況

翁菁至貶王段為毛栗坡背斜與江洞溝向斜兩構(gòu)造的傾伏端擠壓接觸區(qū)，貶王溝位于江洞溝向斜核部，兩岸地勢(shì)陡峻，谷底狹長(zhǎng)平緩，為地表水、地下水匯集地帶，為暗河、明河轉(zhuǎn)換過渡地帶，也是垂直流向水平流過度匯集地帶，選線主要受暗河，消水洞、出水口、溶蝕洼地等要素控制(圖5)。

圖5　翁菁至貶王段地質(zhì)構(gòu)造示意

4.3　線路與巖溶區(qū)處理措施

(1)維護(hù)現(xiàn)狀地上、地下水運(yùn)動(dòng)途徑和方向，避免工程實(shí)施影響現(xiàn)狀水循環(huán)系統(tǒng)。由于溝谷狹長(zhǎng)，地上河與地下暗河交錯(cuò)連接，線路布設(shè)避免影響既有水系徑流，通過優(yōu)化調(diào)整平面線形，采用分離式路基等，基本繞避開了區(qū)域內(nèi)的全部消水洞、出水口、溶蝕洼地及明、暗河。

(2)由于路基工程占?jí)毫瞬糠譁瞎让娣e，縮小了溝谷匯水面積，在地表河流經(jīng)消水洞匯入地下暗河區(qū)域，由于消水洞及地下暗河的斷面泄洪能力有限，降雨量大時(shí)在消水洞上游經(jīng)常產(chǎn)生雍水浸泡路基，因此線路縱斷面高程設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮防洪，同時(shí)路基工程應(yīng)采取防浸措施。

5貶王至新場(chǎng)段復(fù)雜地層區(qū)定線研究

復(fù)雜地層區(qū)是指在產(chǎn)生層狀巖質(zhì)邊坡的區(qū)域，巖層的產(chǎn)狀復(fù)雜多變。貶王至新場(chǎng)段地形起伏較大，路基工程多且邊坡高度較大，巖層產(chǎn)狀對(duì)路基邊坡的穩(wěn)定性起控制作用，因此定線時(shí)必須厘清線路與沿線巖層產(chǎn)狀關(guān)系，合理確定線路在山體中的空間位置，盡量避免出現(xiàn)順層邊坡，大量工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，順層巖質(zhì)邊坡是失穩(wěn)最多、危害最大的一類邊坡[6]。

5.1　巖層走向與線路走向關(guān)系

巖層產(chǎn)狀三要素為走向、傾向及傾角[7]，線路走向與巖層走向的關(guān)系大體有平行、斜交、正交3種情況，用赤平極射投影[8]表示，如圖6所示。圖6中A表示線路走向(同路基邊坡面走向)90°∠30°，B巖層走向(90°∠45°)與線路走向平行，C巖層走向(135°∠45°)與線路斜交45°，D巖層走向(180°∠45°)與線路走向垂直。

圖6　巖層走向與線路走向關(guān)系赤平極射投影

5.2　巖層傾向、傾角與路基邊坡的關(guān)系(圖7～圖10)

在巖層走向與線路走向關(guān)系一定的情況下，路基邊坡的穩(wěn)定性主要受巖層的傾向、傾角控制，以巖層走向與線路走向平行為例，巖層與路基邊坡面的關(guān)系可分為逆傾或順傾，其中順傾又可分為順向緩傾和順向陡傾[9]。逆傾指巖層傾向與路基邊坡面傾向相反，在赤平投極射投影圖中P面(90°∠63°)為路基邊坡，H面(270°∠45°)為逆傾巖層。順傾指巖層傾向與路基邊坡面傾向一致，其中順向緩傾指巖層的傾角較小一般小于15°，在赤平投極射投影圖中G面(90°∠15°)所示，路基邊坡開挖后巖層雖然產(chǎn)生了臨空面，但其穩(wěn)定性尚好。順向陡傾指巖層的傾角較大，路基邊坡開挖后所產(chǎn)生的臨空面將明顯影響巖層的穩(wěn)定性，在赤平投極射投影圖中F(90°∠50°)面所示。

圖7　逆傾邊坡示意

圖8　順向緩傾邊坡示意

圖9　順向陡傾邊坡示意

圖10　巖層傾向與路基邊坡關(guān)系赤平投影

5.3　路基邊坡穩(wěn)定性與巖層產(chǎn)狀關(guān)系

當(dāng)線路走向與巖層走向平行時(shí)，巖層傾向減路基坡面傾向之差值θ(圖6)為0，假設(shè)順傾巖體沿其層面向下的滑力為F(圖11)，在理想條件下為重力在該方向的分力。當(dāng)巖層走向與線路走向夾角為θ時(shí)，巖體順層面向路基坡面方向的下滑力F′為F在θ方向的一個(gè)分力，當(dāng)θ=0°時(shí)，F(xiàn)′=F，巖體沿層面下滑力在路基坡面的分力最大；當(dāng)θ=90°時(shí)，F(xiàn)′=0，巖體沿層面下滑力在路基坡面的分力為零，路基邊坡最為穩(wěn)定；因此，F(xiàn)′與F近似呈余弦關(guān)系，即F′=F·cosθ(圖12)。選線時(shí)線路經(jīng)孤峰山體或沿溝谷布線時(shí)應(yīng)盡可能布設(shè)在挖方邊坡逆傾的一側(cè)，如順傾邊坡不可避免時(shí)應(yīng)盡可能增大線路與巖層走向的夾角。

圖11　平行(θ=0°)順層邊坡示意

圖12　走向關(guān)系與邊坡穩(wěn)定性示意

5.4　貶王至新場(chǎng)段典型深挖工點(diǎn)定線

定測(cè)期間通過對(duì)貶王至新場(chǎng)段沿線地形、地質(zhì)情況進(jìn)行詳細(xì)勘查，對(duì)深挖路基段的巖層產(chǎn)狀精確勘測(cè)，盡可能使巖層與路基邊坡呈逆傾狀態(tài)，對(duì)于難以避免的順層邊坡應(yīng)盡可能增大二者走向夾角，并合理確定路基挖方邊坡的坡率，采取經(jīng)濟(jì)可靠的防護(hù)措施，確保路基邊坡穩(wěn)定。施工圖定測(cè)階段經(jīng)過對(duì)線路方案的優(yōu)化比選，較初步設(shè)計(jì)階段有效地減少了順層邊坡段落，線路優(yōu)化后主要深挖路基工點(diǎn)見表2。

表2　貶王至新場(chǎng)段主要挖方路基產(chǎn)狀

6終點(diǎn)段既有路接入定線研究

6.1　接線條件概況

安紫高速終點(diǎn)與既有惠興高速相接，接線范圍內(nèi)地形起伏急驟，山體自然坡面陡峭，地質(zhì)條件較差，既有惠興高速平縱線形指標(biāo)較低，橋梁密集，路基深挖高填，坡面擋護(hù)工程較多，通過對(duì)立交方案進(jìn)行綜合比選論證，最佳的立交方案位于沙子哨附近。該方案整體布局呈“Y”形(圖13)，但該方案的設(shè)計(jì)難點(diǎn)集中在惠水至安順方向右轉(zhuǎn)D匝道的平面位置選定上。定測(cè)階段對(duì)D匝道提出了“拆除重建高邊坡方案”和“拼接高橋方案”，對(duì)兩方案進(jìn)行了同精度比選。

圖13　沙子哨互通D匝道方案平面示意

6.2　拆除重建高邊坡方案

該方案D匝道引出時(shí)需對(duì)既有惠興路加寬約8～30 m，但加寬范圍內(nèi)惠興高速右側(cè)為一挖方高邊坡，邊坡高約75 m，坡率約1∶0.75，為順層巖質(zhì)邊坡，設(shè)有預(yù)應(yīng)力錨墩、錨索等防護(hù)措施，預(yù)應(yīng)力錨索長(zhǎng)約18～25 m，預(yù)應(yīng)力750 kN。該方案需對(duì)既有高邊坡進(jìn)行拆除并重建，開挖處橫斷面設(shè)計(jì)如圖14所示，既有高邊坡現(xiàn)場(chǎng)情況如圖15所示。

圖14?、?Ⅰ剖面橫斷面設(shè)計(jì)示意(單位：m)

圖15?、?Ⅰ剖面既有高邊坡現(xiàn)場(chǎng)

6.3　拼接高橋方案

該方案D匝道由既有惠興高速一座大橋上引出，該橋左幅橋?yàn)?-40 m T梁，右幅橋?yàn)?-40 m T梁，墩高約42 m，該方案D匝道引出時(shí)需將右幅橋拼寬5孔，見圖16、圖17。

圖16　高橋拼寬處平面示意

圖17　拼接高橋現(xiàn)場(chǎng)

6.4　方案分析

拆除重建高邊坡方案線路較短，線形順直，投資較省。但邊坡開挖高度大、拆除既有錨索多，錨索預(yù)應(yīng)力卸載、釋放過程中的安全與拆除錨索的順序有重要關(guān)系，國(guó)內(nèi)可借鑒經(jīng)驗(yàn)不多[10]，錨索卸載及開挖邊坡過程中可能出現(xiàn)錨索構(gòu)件彈射、巖體崩塌、爆破飛石等風(fēng)險(xiǎn)，巖體爆破作業(yè)時(shí)需臨時(shí)性中斷雙向交通，對(duì)既有高速運(yùn)營(yíng)安全影響大，實(shí)施周期長(zhǎng)。

幫寬高橋方案繞行距離長(zhǎng)，橋梁工程規(guī)模大，工程投資高，但目前國(guó)內(nèi)高速公路改擴(kuò)建拼接橋梁已有較多成功的項(xiàng)目可借鑒[11]，在拼接施工期間僅需封閉半幅高速路，對(duì)既有交通運(yùn)營(yíng)的干擾和影響較小。在選線時(shí)對(duì)涉及施工、運(yùn)營(yíng)期間存有安全隱患的線路方案，方案評(píng)價(jià)應(yīng)充分考慮工程安全性[12]，因此，推薦對(duì)既有路運(yùn)營(yíng)干擾相對(duì)小的拼接高橋方案，經(jīng)貴州省交通廳組織召開安全風(fēng)險(xiǎn)專家評(píng)估會(huì)多次論證，同意推薦方案。

7結(jié)論

通過對(duì)安紫高速公路楊武以南段地貌、地質(zhì)條件的勘察分析，定線時(shí)深入研究沿線各段落工程地質(zhì)的主要特點(diǎn)，抓住控制線路布設(shè)的關(guān)鍵因素，提出了合理可行的線路方案及比選意見。

(1)在處理斷層破碎帶與線路關(guān)系時(shí)，“繞行”方案應(yīng)是最為穩(wěn)妥的方案，當(dāng)難以繞避必須交越時(shí)線路應(yīng)垂直或大角度穿越斷層破碎帶，避免平行走行于斷層破碎帶內(nèi)。

(2)在水系發(fā)達(dá)的巖溶區(qū)，出水口、消水洞、地下暗河等較為發(fā)育，線路布設(shè)應(yīng)充分尊重地質(zhì)規(guī)律，盡可能維持現(xiàn)狀地上、地下水系的運(yùn)動(dòng)途徑和方向。

(3)在層狀巖質(zhì)邊坡區(qū)域定線時(shí)，應(yīng)充分重視巖層產(chǎn)狀與路基邊坡產(chǎn)狀關(guān)系，盡可能避免出現(xiàn)順層邊坡，若順層邊坡不可避免應(yīng)盡可能增大巖層走向與線路走向的夾角。

(4)對(duì)于既有路改擴(kuò)建中復(fù)雜邊坡的開挖重建，施工安全性應(yīng)為方案取舍的首要考慮因素，同時(shí)應(yīng)充分重視工程實(shí)施對(duì)現(xiàn)狀交通的影響。

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Study of Alignment Plan of Anshun to Ziyun Expressway in Complex Geological AreaLUO Ye-jun

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co., Ltd., Xi’an 710043, China)

Abstract：The regional landforms of Anshun to Ziyun Expressway are mainly in the karst and erosion low mountain landscape, especially Yangwu Town to the end section where heavier terrain fluctuation, complex and varied topography, large scope of fault fracture zone, karst cave, water outlet, karst warehouse, underground river, and consequent slope are dominated. Fixing road alignment in the complex geological areas requires first to investigate the route topography and geological conditions, then to study main engineering geology characteristics on each section and collect key factors related to route layout in order that the reasonable and feasible alignment plan and comparison suggestion can be finally proposed. This article addresses the application of comprehensive geological route selection technology during the project final survey period to allow the recommended alignment plan to appropriately pass fault fracture zone, karst cave, water outlet, underground river and the consequent slope. Therefore, the recommended alignment of this project is proved safe, economical and reasonable.

Key words：Expressway; Geological route selection; Fault fracture zone; Karst landforms; Consequent slope

中圖分類號(hào)：U412.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.02.008

文章編號(hào)：1004-2954(2016)02-0038-06

作者簡(jiǎn)介：羅葉軍(1982—)，男，工程師，2005年畢業(yè)于長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院公路與城市道路專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，E-mail:tyy_gyy@163.com。

收稿日期：2015-07-22