山體滑坡災害險情的水上交通管制模式

程志友,　王平義,　楊成渝,　王仕賢,　鄭　捷,　李亞玲

(1. 重慶交通大學水利水運工程教育部重點實驗室, 重慶 400074; 2. 武漢理工大學內河航運技術湖北省重點實驗室, 湖北 武漢 430063; 3. 重慶交通大學航運與船舶工程學院, 重慶 400074; 4. 重慶交通大學國家內河航道整治工程技術研究中心, 重慶 400074; 5. 長江海事局指揮中心, 湖北 武漢 430016; 6. 重慶海事局指揮中心, 重慶 401121; 7. 武漢理工大學交通學院, 湖北 武漢 430063)

不少內河山區(qū)航道山體滑坡災害多發(fā).大規(guī)模滑坡體沖入航道,不僅破壞航道設施,其產生的巨型涌浪還將導致周圍船舶和浮動設施的損毀.歷史上長江三峽河道山體滑坡災害頻發(fā).長江三峽工程蓄水成庫后,兩岸山體滑坡風險更為嚴重.據(jù)調研了解,截至2014年7月三峽庫區(qū)范圍內崩塌滑坡已達5 000多處.2015年6月,重慶巫山大寧河江東寺北岸(與長江交匯處約200 m)突發(fā)大型滑坡,引發(fā)巨大涌浪,造成對岸21艘小型船舶(漁船、農用船為主)翻沉,另有21艘靠泊船舶斷纜漂航.

文獻[1]采用zigbee技術構建無線遙感網(wǎng)絡,設計了基于恒阻大變形錨索吸收能量的滑坡破壞變形全程監(jiān)測系統(tǒng),并實現(xiàn)了滑坡的穩(wěn)定、次穩(wěn)定、近滑、臨滑的分級預警;文獻[2]通過比尺模型實驗研究滑坡與其涌浪的關系,實驗表明波浪特征主要與滑坡體積和Froude系數(shù)有關;文獻[3]通過物理模型實驗進一步研究滑坡與其涌浪的關系,實驗表明涌浪流場不穩(wěn)定和呈非線性,并分析了4類波形特征;文獻[4]通過物理模型實驗研究了三峽庫區(qū)兩個滑坡涌浪災害案例,提出滑坡體滑入角、水深、滑入速度、幾何尺度、滑移量等與波形、波幅、波峰、波谷等涌浪特征參數(shù)之間的關系;文獻[5]基于重力相似和阻力相似準則設計物理模型實驗研究了峽谷形河道陡巖體滑坡對航道、水工建筑物和船舶的靜態(tài)和動態(tài)破壞,并以長江三峽鏈子崖滑坡為實例,論證了峽谷型河道滑坡涌浪的主要特征,提出了涌浪估算的經(jīng)驗公式;文獻[6-11]通過物理模型實驗研究了山區(qū)河道型水庫滑坡涌浪特性,分析了涌浪對航道通航的影響和對船舶的破壞特征,并根據(jù)有關參數(shù)變化特征推導出山區(qū)河道港口碼頭及錨地建設的安全限制要求和船舶安全影響水域;文獻[12]在風險的經(jīng)典定義基礎上,進一步細化風險定義為“風險值是威脅發(fā)生可能性、后果嚴重性和系統(tǒng)脆弱性的乘積”;文獻[13]根據(jù)山體滑坡海事風險的形成機制研究其三維測度方法,提出了以山體滑坡變形破壞階段、滑坡涌浪規(guī)模、涌浪損毀船舶的系統(tǒng)風險綜合系數(shù)為測度指標的海事風險評判模型,并通過實例說明該方法及風險評判模型的應用.可見有關國內外研究現(xiàn)狀主要集中在山體滑坡監(jiān)測預警、涌浪特性及其對航運破壞上,暫未發(fā)現(xiàn)山體滑坡災害水上交通管制的相關研究.

由于山體滑坡及其涌浪形成機制及作用機理極為復雜,論文僅以大中規(guī)模劇動式巖土混合體滑坡[14]及其涌浪為對象,研究山體滑坡災害海事風險演變特性的水上交通管制模式,為出現(xiàn)山體滑坡災害險情的水上交通管制實踐提供理論參考.

1　滑坡涌浪災害的海事風險演變特性

1.1　山體滑坡災害的發(fā)生機制

本身不利的力學條件和環(huán)境外力誘發(fā)是形成山體邊坡失穩(wěn)滑移的主要因素.航道兩側滑坡隱患體失穩(wěn)滑移不僅與其內部動力作用有關,還與雨水沖淋、河水漲落沖刷、地質震動等環(huán)境外力誘發(fā)因素有關[8,15-18].

1.2　山體滑坡的變形破壞演變過程

文獻[8,13,18-20]和課題組實地調研結論表明,在不考慮人為干預條件下山體滑坡破壞變形可分為3個變化時期,即蠕動變化時期、勻速發(fā)展時期和加速發(fā)展時期.根據(jù)滑坡監(jiān)測需要,加速發(fā)展時期又細分為初加速、中加速、臨破壞3個變形過程.初加速階段破壞變形明顯,數(shù)月內大規(guī)模滑移的概率較大;中加速階段臨滑前兆顯現(xiàn),幾天或數(shù)周內大規(guī)模滑移的概率大;臨破壞階段臨滑征兆顯著,數(shù)小時或當天內大規(guī)模滑移的概率很大[13,18-20].

1.3　山體滑坡滑移的演進特征

據(jù)文獻[8,14]和實地調研了解,發(fā)展演變的滑坡隱患體在滑移前可能有兩種演進結果:一種是連續(xù)演進而滑移,即在內部動力作用或環(huán)境外力因素影響下滑移;另一種是在發(fā)展演變進程中得到緩解,即可能得到了有利的自然環(huán)境作用條件、局部滑移調整以致改善了力學綜合作用條件或經(jīng)人為修復干預而得到緩解,但在一定條件下可能反復發(fā)展.

1.4　滑坡涌浪特性及其破壞特征

滑坡涌浪特性與滑坡體幾何尺度、土力學性質、滑移時運動速度、流固耦合特性、航道幾何形態(tài)及水流特性等因素相關[8,13-14,21-22].由于滑坡涌浪形成與作用機制十分復雜,基于最不利原則,論文主要考慮山體滑坡規(guī)模與涌浪規(guī)模相一致,且在相同通航環(huán)境條件下對船舶及浮動設施造成相應等級的危害.

重慶交通大學通過水工物理模型進行了大量以破碎巖石為主的劇動型山體滑坡實驗,并分析了滑坡涌浪特性及其對航道通航的影響,得到了基于實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的有關研究成果.

(1) 涌浪波高

文獻[9]表明,滑坡涌浪首浪高度與臨滑水深、滑坡體入水角度、滑坡的厚度及寬度有關,涌浪沿程波高與首浪高度、涌浪的傳播距離有關,即與臨滑水深、滑坡體入水角度、滑坡的厚度及寬度、傳播距離有關,并給出了涌浪首浪高度和沿程波高的經(jīng)驗公式.

(2) 涌浪破壞能力

山體滑坡涌浪破壞河道中船舶及浮動設施,主要表現(xiàn)為涌浪力矩損毀船舶穩(wěn)性及浮動設施的位置穩(wěn)定性而使其失穩(wěn)翻沉,巨型涌浪破壞船舶及浮動設施的浮性而使其浸水沉沒[13].

1.5　山體滑坡災害的海事風險研判

(1) 山體滑坡災害海事風險的基本定義

根據(jù)風險的基本定義,山體滑坡災害海事風險為[13]

R=PC,

(1)

式中:

P為山體滑坡的發(fā)生概率;

C為滑坡涌浪損毀船舶及浮動設施的可能后果.

(2) 山體滑坡災害發(fā)生概率的研判要素

劇動式山體滑坡的發(fā)生概率主要由滑坡體的變形破壞階段決定,同時受河水沖刷、雨水沖淋、地質震動等外力誘發(fā)要素影響[8,13,16,18,20].借助文獻[12]的風險概率表達思想和文獻[13,23]的風險概率表達方式,山體滑坡的發(fā)生概率為

P=P1E1,

(2)

式中:

P1為山體滑坡在各變形破壞階段的發(fā)生概率;

E1為環(huán)境外力誘發(fā)要素(河水沖刷、雨水沖淋、地質震動等)對山體滑坡發(fā)生概率的影響系數(shù),簡稱環(huán)境外力誘發(fā)系數(shù).

(3) 滑坡涌浪損毀船舶及浮動設施的危害后果的研判要素

滑坡涌浪損毀船舶及浮動設施的危害后果主要與滑坡涌浪規(guī)模有關,同時還受船舶及浮動設施避險時的通航環(huán)境條件等因素影響[13,20,24].

由于滑坡涌浪損毀船舶及浮動設施的可能后果受多種因素制約影響,論文僅考慮水上交通管制所關切的主要因素,即考慮滑坡涌浪損毀船舶及浮動設施的可能后果主要與滑坡涌浪規(guī)模有關,同時還受船舶及浮動設施避險時的通航環(huán)境條件影響制約.借助文獻[12]的風險危害后果表達思想和文獻[13,23]的風險危害后果表達方式,滑坡涌浪損毀船舶及浮動設施的可能后果可表達為

C=C1N1,

(3)

式中:

C1為滑坡涌浪規(guī)模;

N1為通航環(huán)境條件(夜間、低能見度、不利風流因素等)對船舶及浮動設施避險能力的影響制約系數(shù),簡稱通航環(huán)境條件制約系數(shù).

(4) 山體滑坡災害海事風險的研判要素

由式(1)、(2)、(3)可得山體滑坡災害的海事風險為

R=P1E1C1N1.

(4)

式(4)與文獻[12]的風險表達思想及文獻[13,23]的風險表達方式相一致,也與山體滑坡災害水上交通管制實踐所考量的要素相一致.

2　山體滑坡災害的水上交通管制模式

2.1　山體滑坡海事風險特性對水上交通管制的影響

地質勘查部門預報主要給出有關滑坡發(fā)生概率的預警建議,而不會給出確定性的預報結論.盡可能降低滑坡涌浪災害造成的海事風險和適當保護航道通航效率是海事管理部門實施水上交通管制要解決的主要問題.因此,科學研判山體滑坡災害的海事風險演變特性,研究設計針對性的水上交通管制模式是實施水上交通管制要解決的關鍵問題.

2.2　水上交通管制模式設計分析

2.2.1水上交通管制模式

論文探討的水上交通管制模式主要包括水上交通管制的形式和水上交通管制的限航等級兩大要素.

(1) 水上交通管制形式分析

水上交通管制的形式應與山體滑坡發(fā)生概率相對應.當山體滑坡發(fā)生概率較高時,采取管制程度較嚴格的水上交通管制形式;當山體滑坡發(fā)生概率較低時,采取管制程度較低的水上交通管制形式[13].

水上交通管制形式主要有禁航、限制性通航、戒備性通航等[25].視限制形式限制性通航主要有限時通航、限定船舶通航、限定通航.

(2) 水上交通管制的限航等級分析

水上交通管制的限航等級應與山體滑坡災害海事風險嚴重程度相對應.當山體滑坡災害海事風險較高時,采取管制程度較高的限航等級;當海事風險較低時,采取管制程度較低的限航等級.

限航等級主要表現(xiàn)在限航水域范圍和限航船舶對象層次上,也可體現(xiàn)在限航時間或通航形式上.

2.2.2水上交通管制模式與山體滑坡災害海事風險的關系式

為了降低山體滑坡險情水域的船舶安全風險同時又適當保護水域通航效率,設計水上交通管制模式要考慮3個方面:

(1) 水上交通管制的形式要與山體滑坡發(fā)生概率相對應,以使交通管制的通航安全保障功能與管制影響依據(jù)實際需求而得到合理優(yōu)化;

(2) 水上交通管制的限航等級要與山體滑坡災害海事風險程度相對應,以合理控制限航水域范圍、限航船舶對象及限航時間,以避免因盲目限航對船舶營運活動造成不必要的干擾;

(3) 水上交通管制模式整體上要與山體滑坡海事風險演變特性相適應,以使交通管制的通航安全保障與效率維持功能從時效上能適應山體滑坡海事風險變化的要求.

根據(jù)式(4)及上述水上交通管制模式設計構想,提出水上交通管制模式與山體滑坡災害海事風險研判要素的關系式為

(5)

式中：

J1(x)為水上交通管制形式的函數(shù),為等級量化數(shù)據(jù);

x為交通管制形式,通常為等級量化數(shù)據(jù),分為正常通航、戒備性通航、限制性通航、禁航 4級;

J2(m)為限航等級的函數(shù),為等級量化數(shù)據(jù);

m為限航等級,為等級量化參數(shù),分為要求所有船舶保持戒備航行、限制高風險船舶通過或限時通航及限定通航形式、限制一切船舶通過、限制一切船舶通過且要求浮動設施及(或)人員撤離 4級;

f1(t,e)為山體滑坡災害發(fā)生概率的研判函數(shù),為發(fā)生概率P的等級量化數(shù)據(jù)或百分比數(shù)據(jù);

f2(t,e,n,s)為山體滑坡災害海事風險的研判函數(shù),為綜合風險R的等級量化數(shù)據(jù);

t為滑坡體變形破壞的發(fā)展階段,分為初加速發(fā)展階段、中加速階段、臨破壞階段、滑坡險情緩解階段,為等級量化數(shù)據(jù),可由GPS、全站型電子速測儀等手段監(jiān)測滑坡位移獲得相關數(shù)據(jù)，并用滑坡滑動的變形速率指標判定;

e為環(huán)境外力誘發(fā)因素,主要有河水沖刷、雨水沖淋、地質震動等因素,為等級量化數(shù)據(jù);

n為通航環(huán)境條件制約因素,主要有夜間、能見度不良、不利風流條件等因素,為等級量化數(shù)據(jù);

s為滑坡涌浪規(guī)模,為等級量化數(shù)據(jù),主要與滑坡體形狀參數(shù)、臨滑水深、滑移時運動速度、航道幾何形態(tài)及地形條件等要素有關.

2.3　水上交通管制模式設計

結合上述分析和山體滑坡災害水上交通管制實踐做法,設計基于山體滑坡災害海事風險演變特性的水上交通管制模式基本結構，交通管制模式具體設計還需結合實際情況綜合確定，其設計分析過程如下：

(1) 根據(jù)滑坡變形破壞階段t和環(huán)境外力誘發(fā)因素e的實際情況,對P1和E1進行賦值,由式(2)計算山體滑坡的發(fā)生概率P；

(2) 根據(jù)滑坡涌浪規(guī)模s和通航環(huán)境條件制約因素n的實際情況,對C1和N1進行賦值,由式(3)計算滑坡涌浪損毀船舶的可能后果C；

(3) 在上述基礎上,由式(1)或式(4)計算山體滑坡災害海事風險R；

(4) 根據(jù)式(4)和式(5)的對應物理意義,由P和R綜合確定交通管制模式,交通管制模式中的交通管制形式x主要由P決定,交通管制模式中的限航等級m主要由R決定.

3　案例分析

長江上游巫山干井子滑坡位于長江上游里程160～165 km,長江巫峽南岸.經(jīng)初步研判滑坡隱患體超過1 ×106m3、高程140～370 m,強變形區(qū)滑坡隱患體約 2×105m3、高程140～240 m,初步考慮為劇動式山體(以破碎巖石為主)滑坡.2015年6月底至7月初,三峽庫區(qū)處于放水末期,由于水位下落航道兩側邊坡逐漸露出水面,期間存在大雨沖淋現(xiàn)象,地質勘查部門發(fā)出滑坡險情黃色預警,長江海事管理部門曾多次研討實施交通管制.

(1) 涌浪傳播估算

考慮到滑坡隱患體超過1×106m3、強變形區(qū)滑坡隱患體約2×105m3、高程140～240 m,為避免造成過度交通管制,僅以強變形區(qū)估算涌浪首浪高度和限制波高下的傳播距離，結合實地調研及有關數(shù)據(jù)估測強變形區(qū)滑移體的縱深長約80 m、寬度約 65 m、厚度約40 m、入滑角60°(轉換為弧度計算)、河道實際水深約120 m.

涌浪傳播有多種經(jīng)驗公式估算,論文借用文獻[9]中有關經(jīng)驗公式推算出涌浪首浪波高為7.46 m.由船舶限制波高0.5 m作為沿程波高的限制值[9],由文獻[9]中經(jīng)驗公式推算涌浪傳播距離為3 698 m.

(2) 滑坡險情研判和參數(shù)取值

① 滑坡位移監(jiān)測與變形破壞階段研判

根據(jù)向地質部門調研所獲得的滑坡位移GPS監(jiān)測數(shù)據(jù),發(fā)布預警前水平方向30、20、10 d平均變形速率分別約1.5、1.7、2.0 mm/d,經(jīng)計算該滑坡體水平方向10 d平均變形速率增大，同時結合該滑坡體后緣垂直方向整體位移變形觀測及宏觀征兆觀察,初步判斷該滑坡體開始進入中加速變形破壞階段,此時P1=0.4.

② 環(huán)境誘發(fā)因素研判

由于庫區(qū)水位下落,河水對航道兩側邊坡形成浸泡沖刷作用,此時E1=1.5.

期間存在強降雨,也對邊坡形成沖刷影響,故環(huán)境誘發(fā)因素考慮滑坡體受庫區(qū)水位下落沖刷和雨水沖刷雙重作用,此時E1=1.8.

③ 滑坡涌浪規(guī)模研判

將估算的初始涌浪波高與《海洋調查規(guī)范》規(guī)定的浪高等級進行參考對比，同時參考滑坡規(guī)模的等級[26],初步判定該滑坡可能造成大中規(guī)模滑坡涌浪,此時C1=2.5.

④ 船舶避險的通航環(huán)境限制條件研判

該水域期間曾間斷出現(xiàn)過低能見度現(xiàn)象,期間無明顯的不利風流條件.由于考慮夜間和低能見度情形下通航的可能性,故船舶避險的通航環(huán)境條件主要考慮夜間及低能見度影響.通航環(huán)境限制條件中,正常條件及夜間N1=1.2,能見度不良時N1=1.5.

根據(jù)該滑坡監(jiān)測數(shù)據(jù)與有關統(tǒng)計資料數(shù)據(jù)比較確定各參數(shù)取值的等級量化區(qū)間;根據(jù)該滑坡監(jiān)測數(shù)據(jù)、有關經(jīng)驗數(shù)據(jù)及專家評分結論綜合對比,確定各參數(shù)的取值，見表1.

(3) 海事風險研判

① 庫區(qū)水位漲落沖刷過程

當處于庫區(qū)水位漲落沖刷過程時,由式(2)可計算P=0.6；

當通航環(huán)境限制條件為正常條件及夜間時,由式(4)可計算R=1.80；

當通航環(huán)境限制條件為能見度不良時,由式(4)可計算R=2.25.

② 庫區(qū)水位漲落沖刷與大雨沖淋并存過程

當處于庫區(qū)水位漲落沖刷與大雨沖淋并存過程時,由式(2)可計算P=0.72；

當通航環(huán)境限制條件為正常條件及夜間時,由式(4)可計算R=2.16；

當通航環(huán)境限制條件為能見度不良時,由式(4)可計算R=2.70.

(4) 交通管制模式與海事風險研判要素的對應關系分析

根據(jù)有關統(tǒng)計資料、水上交通管制實踐資料比較及專家經(jīng)驗評判,確定交通管制模式與海事風險研判要素對應關系見表2.

(5) 水上交通管制模式設計

在上述計算分析基礎上,由式(4)、(5)的對應物理意義,并結合現(xiàn)場實際情況及地質勘查部門預警建議,設計水上交通管制模式.

① 庫區(qū)水位漲落沖刷過程

當通航環(huán)境限制條件為正常條件及夜間時,交通管制模式設計中交通管制形式為戒備性通航,限航等級為要求船舶保持戒備航行；

當通航環(huán)境限制條件為能見度不良時,交通管制模式設計中交通管制形式為限制性通航,限航等級為限定通航形式(實施雙向單線通航或單向通航).

② 庫區(qū)水位漲落沖刷與大雨沖淋并存過程

當通航環(huán)境限制條件為正常條件及夜間時,交通管制模式設計中交通管制形式為限制性通航,限航等級為禁止客船、危險品船等高風險船舶通過，同時禁止船舶夜間通航；

當通航環(huán)境限制條件為能見度不良時,交通管制模式設計中交通管制形式為禁航,限航等級為禁止一切船舶通過.

表1　參數(shù)等級量化與取值區(qū)間Tab.1　Value interval and rank of parameter

表2　交通管制模式與海事風險研判要素的對應關系Tab.2　Relationship between maritime risk and waterway traffic control mode

(6) 防控海事災害的交通管制對策

① 交通管制模式

為防控滑坡可能造成的海事災害,根據(jù)對該滑坡體的海事風險研判結論并結合地質部門的滑坡位移GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)及預警建議,分環(huán)境外力誘發(fā)因素及通航環(huán)境條件情形實施不同管制形式及限航等級的水上交通管制措施,參見本節(jié)上述分析中的“(5) 水上交通管制模式設計”.

② 交通管制水域范圍

以涌浪在0.5 m限制波高下的傳播距離為交通管制水域范圍[9],即得最小交通管制水域范圍為3.698 km.為防控滑坡涌浪可能造成的海事災害,結合水道實際情況,以長江干線神女溪(長江上游航道里程155 km)至巫山長江大橋(長江上游航道里程169 km)共14 km水域為交通管制水域范圍,即滑坡體上下游各7 km水域.

③ 交通管制對象要求

船舶當被允許通過交通管制水域時,應密切關注滑坡體水域航道、航標的調整,盡量遠離滑坡體一側航行.

(7) 交通管制模式的效果評價

論文的風險研判與地質勘查部門預警意見及海事管理部門交通管制決策考慮基本一致,本文設計的水上交通管制模式與海事管理部門的分階段(庫區(qū)水位下落沖刷、大雨沖淋)、分情形(夜間、能見度不良)、分船舶對象實施交通管制相符合.

4　結　論

在歸納分析山體滑坡災害發(fā)生概率和綜合海事風險研判基礎上研究提出了以交通管制形式和限航等級為要素的水上交通管制模式，使用實踐案例對水上交通管制模式設計進行了驗證分析,得到如下結論：(1) 山體滑坡災害發(fā)生概率和綜合海事風險的研判是水上交通管制模式設計考慮的關鍵因素;(2) 水上交通管制模式設計中,交通管制形式應與山體滑坡災害發(fā)生概率相適應,限航等級應與山體滑坡災害海事綜合風險相適應;(3) 結合實際情況綜合確定的水上交通管制模式能合理降低滑坡涌浪災害造成的海事風險和適當保護航道通航效率.

致謝:重慶市教委科學技術項目(kj1400318)和內河航運技術湖北省重點實驗室基金(NHHY2015001)資助.