山區(qū)公路 崩塌災(zāi)害隱患危險性評價方法研究

李軍輝

（北京市地質(zhì)研究所，北京 100120）

山區(qū)公路 崩塌災(zāi)害隱患危險性評價方法研究

李軍輝

（北京市地質(zhì)研究所，北京 100120）

以G109國道門頭溝段崩塌災(zāi)害隱患為例，提出運用定性和定量相結(jié)合的方法，對山區(qū)公路崩塌災(zāi)害隱患進行穩(wěn)定性評價。根據(jù)山區(qū)公路發(fā)生的崩塌災(zāi)害，可能造成的損失大小難以定量化估計的情況，將損失大小用危害程度來代替。應(yīng)用層次分析-模糊數(shù)學(xué)評價方法，對崩塌災(zāi)害可能造成的危害程度進行了定量評價。

山區(qū)公路；崩塌災(zāi)害隱患；穩(wěn)定性；危害程度：危險性評價

0 引言

我國是一個多山的國家，近年我國山區(qū)公路崩塌災(zāi)害時有發(fā)生，給社會經(jīng)濟和人民生命財產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅。我國山區(qū)公路大都等級低，受地形影響，公路大都在山區(qū)自然邊坡上進行人工削坡修建，邊坡坡面一般高而陡，且大都自然裸露，未采取工程防治措施，因此崩塌災(zāi)害時有發(fā)生。為有效、準(zhǔn)確的對山區(qū)公路崩塌災(zāi)害隱患危險性進行評價，為隱患路段的防治措施提供更科學(xué)合理的依據(jù)，研究山區(qū)公路崩塌災(zāi)害隱患危險性評價方法具有非常重要的現(xiàn)實意義。

目前，針對山區(qū)公路崩塌災(zāi)害的研究工作主要集中于崩塌的形成和破壞機理研究、勘查評價、治理措施等方面，評價對象主要集中在小比例尺區(qū)域性的災(zāi)害評價和大比例尺的局部災(zāi)害點的評價，對于線狀山區(qū)道路進行整體危險性評價并詳細劃分出災(zāi)害隱患路段的研究較少。類似的研究成果有Pierson[1~2]等根據(jù)經(jīng)驗評分系統(tǒng)建立了最為簡單的崩塌發(fā)生地點預(yù)測評價模型；張路青等對川藏公路南線(八宿至林芝段)滾石的發(fā)生頻率進行了估計，通過遭遇滾石的概率及承載體的易損性分析，得到車輛和行人經(jīng)過不同滾石區(qū)時遭遇滾石而致命的風(fēng)險；胡存亮對河北山區(qū)公路應(yīng)用黃金分割法建立了公路崩塌災(zāi)害發(fā)生的評判模型；許強等以丹巴縣雙擁路危巖崩塌體為例，提出了適用于單體危巖崩塌的風(fēng)險評價方法；周遠忠等利用模糊綜合評價法，構(gòu)建評價因素集，利用AHP法確定評價因素權(quán)重，通過文獻法和專家打分法制定評價因素分級標(biāo)準(zhǔn)，選取合適的隸屬度函數(shù)，對該公路進行了綜合評價；齊洪亮等以層次分析法和綜合指標(biāo)法為主要研究手段，建立了滑坡危險性評價模型，并以G316陜西安康段的3處公路滑坡為研究對象，對評價模型進行了驗證，取得較好的效果。本文在搜集整理國內(nèi)外相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，以北京市門頭溝區(qū)G109國道崩塌災(zāi)害隱患為例，采用自然歷史分析法、赤平投影法、工程地質(zhì)類比法及極限平衡分析法，對崩塌災(zāi)害隱患的穩(wěn)定性進行評價，依據(jù)國土資源部《地質(zhì)災(zāi)害危險性評估技術(shù)規(guī)范》（試行）中表4、5，致災(zāi)地質(zhì)體穩(wěn)定性或地質(zhì)災(zāi)害形成條件的充分程度與地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生可能性的關(guān)系，從而確定崩塌災(zāi)害發(fā)生的可能性；根據(jù)山區(qū)公路崩塌災(zāi)害特點，確定危害程度指標(biāo)，應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)評價方法對崩塌災(zāi)害隱患的危害程度進行評價，從而確定崩塌災(zāi)害隱患的危險性。初步建立了一套切實可行的山區(qū)公路崩塌災(zāi)害隱患危險性評價的技術(shù)方法。

1 G109國道門頭溝段崩塌災(zāi)害的總體特征

門頭溝區(qū)位于北京城區(qū)西南，東經(jīng)1 1 5o25′00"～116o10′07"，北緯39o48′34"～40o10′37"之間。G109國道門頭溝段(以下簡稱G109)其位于門頭溝區(qū)中部，東西貫穿門頭溝區(qū)，長度95.91km。該地區(qū)地貌類型自東向西依次為平原區(qū)、丘陵區(qū)、低山區(qū)及中山區(qū)，東西最大落差達2230m；G109沿線地層從中元古界薊縣系至新生界除個別地層缺失外，其余均有出露，尤以中生界侏羅系最為發(fā)育(圖1)。因此，該段道路存在大量的高陡邊坡，地形高差較大，溝谷切割強烈，裸露巖體在風(fēng)化、卸荷等作用下崩塌、落石等災(zāi)害時有發(fā)生，在雨季尤甚。根據(jù)G109已發(fā)生崩塌災(zāi)害特征分析，災(zāi)害發(fā)生時間、空間分布是不均勻的，根據(jù)2006～2011年北京市公路局門頭溝區(qū)分局的統(tǒng)計，該段道路6年共發(fā)生大于5m3的崩塌61次，其中崩塌清理量小于100m3的占59次，大于100m3的僅發(fā)生2次。最大的一次是2011年5月28日，K87處發(fā)生崩塌，阻斷了國道交通，經(jīng)過搶修最終清理方量8459m3(照片1)。G109邊坡破壞形式主要以崩塌和落石為主；崩塌災(zāi)害破壞類型經(jīng)赤平投影分析判定，以滑移、傾倒破壞為主；落石以滾落、直落為主。

圖1 G109國道門頭溝段區(qū)域地質(zhì)簡圖

2 工作方法及技術(shù)路線

根據(jù)對搜集資料的整理分析及野外踏勘情況，確定本次工作采用地形測量、綜合工程地質(zhì)測繪、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、三維激光掃描、工程地質(zhì)鉆探、地球物理勘探、巖石取樣及測試、圖件編繪、綜合分析研究等方法開展工作(圖2)，在此基礎(chǔ)上對資料進行分析整理并最終形成成果報告。

照片1 87km處崩塌災(zāi)害

圖2 工作技術(shù)路線

3 劃分評價單元

此次崩塌災(zāi)害調(diào)查過程中，結(jié)合邊坡微地貌、邊坡坡向、坡高、巖性、構(gòu)造及可能的隱患坡段等，將G109劃分為191個坡段，坡段起止定位點297個，用統(tǒng)一的方法進行坡段野外命名編號：公路編號-坡段所處的公路里程-坡段序號，如G109-K119-01。

4 崩塌災(zāi)害隱患穩(wěn)定性評價

G109崩塌災(zāi)害隱患穩(wěn)定性評價采用定性和定量相結(jié)合的方法，分3步進行(圖3)，前兩步是定性、半定量的方法，第三步是定量的評價方法。第一步根據(jù)野外調(diào)查和《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330-2002) 12.2中邊坡坡率允許值表，可以判斷哪些坡段是穩(wěn)定的，剩余坡段進入下一步。第二步對第一步不能判定其是否穩(wěn)定的坡段，首先確定其變形破壞類型，其次根據(jù)該坡段崩塌災(zāi)害體變形破壞跡象和巖體特征判定其穩(wěn)定與否。坡腳有碎石土或石塊堆積的，即可判斷有塊體墜落；有結(jié)構(gòu)面切割形成的危巖體，則需進行赤平投影判斷。依據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330-2002) 附錄A巖質(zhì)邊坡的巖體分類表，對于隨機塊體（由IV級結(jié)構(gòu)面及以下切割的塊體），無需進行單個塊體的穩(wěn)定性評價，對于定位塊體（由IV級結(jié)構(gòu)面以上切割的塊體）坡段或難以判定是否整體失穩(wěn)的坡段，進入下一步；第三步對于前兩步不能判定的復(fù)雜坡段，根據(jù)各個坡段的特點，酌情應(yīng)用工程地質(zhì)類比、極限平衡分析以及強度折減方法進行整體穩(wěn)定性的分析；該步的巖體力學(xué)參數(shù)采用現(xiàn)場取樣測試和野外獲得的地質(zhì)強度指數(shù)(GSI)值[3]進行綜合確定；G109崩塌災(zāi)害穩(wěn)定性評價通過以上3個步驟的判定，最終得出了191個坡段的穩(wěn)定性評價結(jié)果。

圖3 崩塌災(zāi)害體穩(wěn)定性分析流程

5 崩塌災(zāi)害發(fā)生的可能性評價

（1）崩塌災(zāi)害發(fā)生的可能性分級標(biāo)準(zhǔn)

G109國道沿線地質(zhì)災(zāi)害主要為崩塌、落石。本項目依據(jù)《地質(zhì)災(zāi)害危險性評估技術(shù)規(guī)范》(試行)的相關(guān)規(guī)定進行地質(zhì)災(zāi)害可能性分析。當(dāng)能判斷地質(zhì)體的穩(wěn)定性時，崩塌災(zāi)害發(fā)生可能性應(yīng)根據(jù)地質(zhì)體在不利工況下的穩(wěn)定性按表1判斷。

表1 地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生可能性按致災(zāi)地質(zhì)體穩(wěn)定性判定

對不能用穩(wěn)定性判斷的隨機塊體，如落石，其發(fā)生可能性可根據(jù)巖體的完整性指標(biāo)來判斷落石災(zāi)害發(fā)生的可能性，見表2。

表2 落石發(fā)生可能性判定表

邊坡陡峻，坡體巖體為堅硬巖或較堅硬巖，坡面巖體完整性較差，屬于中風(fēng)化和強風(fēng)化，坡腳距路面近，一般容易發(fā)生落石災(zāi)害；邊坡陡峻，巖體為軟巖，易風(fēng)化，一般坡面較難形成較大塊體，邊坡坡面往往容易發(fā)生風(fēng)化剝落。巖質(zhì)邊坡可能同時存在不同災(zāi)種，按照“就高不就低”的原則，以地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性較高的確定。

（2）崩塌災(zāi)害發(fā)生的可能性評價

根據(jù)上述判定標(biāo)準(zhǔn)，最終得出G109共191處坡段崩塌災(zāi)害發(fā)生可能性評價結(jié)果。

6 崩塌災(zāi)害可能造成的危害程度評價

6.1 崩塌災(zāi)害可能造成的危害程度分級標(biāo)準(zhǔn)

對于山區(qū)公路未發(fā)生的崩塌災(zāi)害可能造成的損失大小難以定量化估計，本文將損失大小用危害程度來代替，更符合實際情況。因此，根據(jù)山區(qū)公路崩塌災(zāi)害特點和相關(guān)國內(nèi)外研究成果，我們選擇了公路運營的車流量大小、崩塌災(zāi)害隱患的規(guī)模以及危巖體的高度來確定崩塌災(zāi)害可能造成的危害程度等級，見表3。

由于公路為線性運輸基礎(chǔ)設(shè)施,崩塌災(zāi)情的大小與該路段上的交通量大小密切相關(guān)，現(xiàn)有崩塌災(zāi)害等級的劃分因其沒有考慮交通量，不能直接應(yīng)用于公路崩塌災(zāi)害評價。崩塌災(zāi)害對交通的影響更為敏感，較小的災(zāi)害可能產(chǎn)生較大危害程度。要獲得快速、準(zhǔn)確的災(zāi)情評估并作出合理的搶險方案，有必要提出新的等級劃分方法使其適用于公路崩塌災(zāi)害。公路等級不同，在各條交通道路上的交通量也必然不同。在崩塌體積相同的條件下，等級越高的公路由于其交通量大，受阻的車輛也相應(yīng)增多，造成車輛及人員傷亡的可能性也大，崩塌災(zāi)害等級就越高。因此考慮交通量這個影響因素后，公路崩塌災(zāi)害等級劃分更為準(zhǔn)確，適用性更強。

巖土體邊坡在發(fā)生崩塌時崩塌體積大小直接決定災(zāi)害程度，而崩塌體積也是道路搶通工程量的決定因素，是公路崩塌災(zāi)害等級劃分的直接依據(jù)。在公路中，每年發(fā)生的崩塌數(shù)量多，但大部分崩塌塊體的體積比較小。按崩塌體的塊體規(guī)模，可分為碎落、落石、崩塌。公路中碎落屬于小型崩塌，碎落和落石體積一般在1m3以下，對公路及車輛影響、危害較小，可及時清除。大于1m3的落石可能會阻擋半幅路面，并可能造成車輛及人員傷亡。如果崩塌堆積物在100 m3以上，則可能完全阻斷交通，嚴(yán)重影響道路的運營，如有車輛經(jīng)過則可能造成大量人員傷亡。因此，大于100m3以上的崩塌體對道路車輛及人員可能造成巨大危害。

邊坡的高度決定了危巖體的高度，而危巖體的高低直接決定了崩塌體的沖擊能量和覆蓋范圍。山區(qū)公路邊坡高度在5～10m的邊坡，一般產(chǎn)生的崩塌危害都較小，所以危害程度輕的平均落差以10m為界限；而公路邊坡坡高在10～30m 發(fā)生崩塌災(zāi)害較為常見，可作為危害程度中等與重的分界點；崩塌落差越大，沖擊能量越大，造成的危害也越大。

表3 崩塌災(zāi)害可能造成的危害程度分級

6.2 崩塌災(zāi)害可能造成危害程度的層次分析——模糊數(shù)學(xué)評價方法

（1）影響因素的確定

根據(jù)以上分析可知，公路崩塌災(zāi)害危害程度的影響因子包括車流量、危巖體懸掛高度以及危巖體高度，對3個因子編號，可確定因素集為

建立如圖4所示模糊評價體系。

（2）各因素權(quán)重的確定

目前，確定權(quán)重系數(shù)的方法有多種，其中最常見的有德爾菲法，專家打分法，層次分析法。前兩種方法受專家主觀性影響大，本文擬采用層次分析法確定各評價指標(biāo)的權(quán)重。

層次分析法（AHP）是通過兩兩因素對比，逐層比較多種關(guān)聯(lián)因素，最后確定諸因素整體關(guān)系的一種方法。該方法首先由A.L.Saaty在20世紀(jì)70年代中期提出，80年代引入我國，取得一些成果。它適用于處理多因素、多層次、多目標(biāo)的復(fù)雜系統(tǒng)工程問題，可以將人們的主觀判斷盡可能與客觀實際情況相符。

本文建立圖4所示的層次結(jié)構(gòu)模型后，引入Saaty的標(biāo)度方法。采用該標(biāo)度法對各層中的因子相對上一層次目標(biāo)的重要性進行兩兩比較，構(gòu)造相應(yīng)的判斷矩陣，計算其最大特征根和對應(yīng)的特征向量，并進行判斷矩陣一致性檢驗，若判斷矩陣滿足一致性檢驗，權(quán)重分配合理。

圖4 崩塌災(zāi)害危害等級模糊評價體系

（3）隸屬度函數(shù)的構(gòu)建

由于表3中的因子均為連續(xù)型，可以采用公式法確定評價指標(biāo)的隸屬度，即建立隸屬度與指標(biāo)數(shù)值之間的函數(shù)關(guān)系，即隸屬函數(shù)，隸屬度可以通過代入實測值得到。采用“降半梯形”分布建立隸屬函數(shù)，公式如下：

式中，a，b，c為地質(zhì)災(zāi)害危害程度分級的三級標(biāo)準(zhǔn)值；x為實際值。

（4）評價結(jié)果

根據(jù)上述計算方法，對各坡段逐個建立影響指標(biāo)隸屬度矩陣，確定權(quán)重向量，通過execl編輯公式計算，得出每個坡段的級別隸屬度，最后根據(jù)最大隸屬度原則確定G109各坡段的崩塌災(zāi)害危害程度等級。

7 崩塌災(zāi)害危險性評價

（1）崩塌災(zāi)害危險性分級評價標(biāo)準(zhǔn)

公路沿線崩塌災(zāi)害危險性分級參考《地質(zhì)災(zāi)害危險性評估規(guī)范》（試行）的相關(guān)規(guī)定編制，見表4。

表4 地質(zhì)災(zāi)害危險性分級表

（2）評價結(jié)果

按照上述方法對G109共191處坡段進行危險性評估，其中危險性大的35處，占坡段總數(shù)的的18.3%，累計長度8898m，危險性中等的36處，占坡段總數(shù)的18.9%，累計長度7770m，危險性小的120個，占坡段總數(shù)的62.8%，累計長度24307m。根據(jù)本次評估結(jié)果，將危險性大和中的71處坡段作為重要隱患進行重點提出，并給出防治建議；對危險性小的坡段只作為一般隱患，不單獨提出防治措施，只建議加強日常的巡查工作。

[1]國土資源部文件.國土資發(fā)[2004]69號附件，建設(shè)用地地質(zhì)災(zāi)害危險性評估技術(shù)要求(試行)，2004.

[2]國土資源部發(fā)布.地質(zhì)災(zāi)害危險性評估技術(shù)規(guī)范(試行)，2008.

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Research on Risk Assessment of Landslide Hazard in the Highway of Mountain Area

LI Junhui
（Beijing Institute of Geology, Beijing 100120,China）

This paper takes the G109 in Mentougou section of national highway landslide hazard as an example, and adopts the qualitative and quantitative methods to evaluate the stability of landslide of highway in mountainous area. According to the landslide of mountainous highway, it may cause the loss of the quantitative estimates of the size, and the size of damage degree may replace the loss. Application of analytic hierarchy process and fuzzy evaluation method may be used to evaluate the damage degree of the landslide.

Highway in mountainous area；Landslide hazard；Stability；Degree of harm；Risk assessment

P642.21

A

1007-1903（2014）03-0023-06

李軍輝(1979- )，男，工程師，主要從事地質(zhì)災(zāi)害勘查、設(shè)計及防治、巖土勘察研究。Email：shmilyljh@sina.com。