山區高速公路地震滑坡危險性預測

張嘉榮 唐云波

在高速公路選線設計階段，往往只考慮已發生的地質災害，忽視了路線走廊帶內未來可能發生的地質災害對于路線選擇的影響。以四川山區某高速公路的選線規劃為例，將基于GIS軟件計算高速公路附近區域邊坡在遭受6.0級地震時的邊坡危險性。采用基于Newmark法的地震滑坡危險性評價方法，綜合考慮高程、坡度、巖土體強度、地震動參數分布等影響因子，計算區域地震邊坡永久位移值。結果表明，該高速公路北側較小段落路線處于地震滑坡的高危險區，其余路線段落均處于低危險區，證明該推薦方案的路線選擇基本避開了地震滑坡的危險區域。

高速公路選線設計; 地震滑坡; 危險性評價

U416.1+62 A

［定稿日期］2022-03-23

［作者簡介］張嘉榮（1994—），男，碩士，助理工程師，從事鐵路、公路選線設計工作。

中國地處世界兩大地震帶——環太平洋火山地震帶和阿爾卑斯帶附近，地震活動十分頻繁。地震通常會誘發一系列地質災害，如泥石流、滑坡、崩塌等，15世紀至今，有準確記載產生過次生滑坡、崩塌的地震有134次［1］，特別是復雜艱險山區地震活動性強、頻度高，由地震觸發的地質災害極為嚴重。例如，2008年“5·12”汶川特大地震觸發大量滑坡地質災害，造成重大人員傷亡，其中青川東河口滑坡致使4個村莊被掩埋，780余人遇難［2］。地震地質災害也會造成巨大的交通基礎設施損害，如對路基、橋梁造成破壞，阻礙交通，威脅人民的生命財產安全。近年來，高速公路建設不斷向地形艱險、地質條件復雜的山區延伸，面對山區地震所帶來的地質災害，高速公路工程的建設安全與運營安全也不斷受到新的挑戰，若處理不當，不僅將增加建設階段高速公路投資，也將對運營階段的高速公路埋下諸多安全隱患。而在高速公路的設計階段，以路線布設與選擇為核心的選線設計是高速公路建設的基礎，而在選線設計階段，目前常見的選線原則往往只考慮已發生的地質災害，如對于已發生的崩滑災害，路線往往采用傍山隧道繞避、跨河換岸繞避等措施減少災害影響［3］，忽視了路線走廊帶內未來可能發生的地質災害對于路線選擇的影響。因此，為同時保障山區高速公路的建設與運營安全，最大程度提升項目效益與降低項目運營風險，對于地震誘發地質災害的危險性預測尤為重要，應在選線設計階段與影響路線走向的其他因素統籌考慮。

本文以四川境內某山區高速公路選線成果為例，對該高速公路推薦路線方案的沿線地震誘發滑坡危險性進行預測研究。

1 研究區域概況

1.1 地形地貌

該高速公路項目線位近南北走向，區域屬海拔高程500～2 000 m的低中山地貌區（圖1）。項目區內地形起伏較大，沿線主要為構造剝蝕地形，穿越低中山侵蝕構造區（I）地貌單元。項目區地面絕對標高560～1 470 m，相對高差達250～1 000 m，山脊脈絡清晰，走向多呈北東向，山頂多呈尖脊狀。沿線地形主要為叢山溝谷、壟崗槽谷、脊狀山地形等，自然坡度25°～60°，侵蝕構造作用強烈，地形起伏大，溝谷多呈“V”字型深切，河流切割深度大，南部侵蝕基準面降低，形成區內北高南低的地貌形態。區內植被茂密，人口較少，地形艱險，地質條件復雜。

1.2 地層巖性與地質構造

項目沿線第四系零星分布，沉積物成因類型主要有沖積、洪積、殘積、坡積等。下伏基巖主要為侏羅系（J）、三疊系（T）、二疊系（P）、石炭系（C）、泥盆系（D）、志留系（S）及寒武系（∈）沉積巖；華力西-印支期二疊紀（γδ4-5）花崗閃長巖、加里東期（ει）粗面巖等巖漿巖零星分布。

測區地跨揚子準地臺及秦嶺褶皺系2個一級構造單元。根據區域不整合或平行不整合、沉積旋回及沉積建造的特點，區內可劃分出加里東、華力西—印支2個構造層。主要構造體系有：摩天嶺加里東褶皺帶、龍門山印支摺皺帶、喬莊大斷裂、林庵寺-茶壩大斷裂與馬角壩-羅家壩斷裂帶。該區地質構造復雜，新構造運動表現為區域性地殼急劇上升并伴隨斷裂活動，地震活動較為頻繁。

1.3 氣候

本項目區地處四川北部邊緣山區，川、甘、陜交界處，屬亞熱帶濕潤季風氣候類型，夏季盛行濕潤的西南風，年平均氣溫13.7 ℃，從東至西逐漸降低。年降雨量1 021.7 mm，降雨主要集中在7～9月，占全年降雨量的50%以上，年最大日降雨量一般出現在8月上旬或中旬，達80～100 mm。項目沿線區域歷年平均降雨量在20世紀70年代以前主要表現為波動變幅大、降雨年均降雨量大等特征。20世紀70年代后期，青川縣歷年月平均降雨量的變化主要表現為平穩波動的特征。

2 地震滑坡危險性評價的Newmark方法

Newmark法首次于1965年由Newmark提出并用于對堤壩的穩定分析［4］，該方法基于動力平衡理論，對單體的斜坡動力穩定性進行分析，后經大量學者的改進與發展，現已成為應用于地震滑坡危險性評價的重要方法。本文中采用的是傳統的Newmark剛塑性滑塊法，該方法在計算滑塊位移時假設：土體為剛塑性體，滑塊的臨界加速度（安全系數為1）為常量，當地震荷載的加速度超過臨界加速度時發生滑動；在地震荷載作用時土體強度不會發生改變，滑體下滑時產生完整的破壞面；滑體滑動方向向下；地震動垂直分量對永久位移影響忽略不計等（圖2）。

根據滑塊模型（圖2）可以進行計算：

（1）臨界加速度見式（1）。

ac=clm+gcosαtanφ-gsinα（1）

式中：ac為邊坡臨界加速度，c為粘聚力，φ為內摩擦角，g為重力加速度，m為滑動塊體的質量，l為塊體長度，α為斜坡傾角。ac通常被用來表示邊坡抵抗地震動加速度能力的表達式，是衡量邊坡對地震力破壞敏感性的重要指標。

（2）安全系數見式（2）。

安全系數FS是按照擬靜力分析法進行計算，為抗滑力與滑動力的比值，即：

FS=τrτd=cl+mgcosαtanφmgsinα-kγwtanφγtanα（2）

式中：γ為坡體重度，γw為水的重度，k為滑體中飽和土厚與滑坡厚度之比。

將式（1）、式（2）聯立代入計算，可以得到臨界加速度（ac）與安全系數（FS）之間的關系式（3），即：

ac=（FS-1）gsinα（3）

（3）滑塊位移見式（4）。

通過對滑塊進行簡單的受力平衡分析后，我們可以得到滑動塊體的臨界加速度值，當地震荷載的加速度超過滑體的臨界加速度時，滑體將沿著斜面向下進行滑動。對地震動加速度與臨界加速度的正差值進行一次積分可求得滑體滑動的速度，再進行第二次積分即可得到滑體滑動的位移時程。

DN=∫∫t|a（t）-ac|dtdt（4）

式中：DN為Newmark永久位移，a（t）為地震動加速度時程，ac為坡體的臨界加速度。

Wilson和Keefer（1983）［5］將試驗及現場案例和Newmark計算的位移值進行對比，發現Newmark法能夠很好地估計實際滑坡位移值，可以有效地分析地震邊坡穩定性。

3 地震滑坡危險性預測

為了完成該高速公路附近區域地震滑坡危險性預測，本研究以距公路10 km為緩沖區建立研究區域。首先，從USGS（美國地質勘探局）下載研究所需的高程數據見圖3（a）；根據中國地質資料館公開的1∶20萬的地質圖，將研究區域巖土體類型進行分組，查找地質手冊數據，獲取到每個地質分組的粘聚力、內摩擦角及重度。然后，基于GIS將高程數據轉換為坡度數據見圖3（b），由圖可知該區域內最高坡度可達到55°，為滑坡的觸發提供了較好的地形條件。由式（2）可計算出安全系數值（邊坡處于穩定狀態，安全系數值大于1），結合安全系數值和式（3），可得到臨界加速度值得分布見圖3（d）。

為了探討地震誘發的滑坡對該高速公路的影響，本研究擬假設青川斷裂發生一次Mw6.0級地震。研究參考Liu等［6］提出的地震動衰減模型，計算得到該區域的地震動峰值加速度和地震動峰值速度分布圖（圖4）。由圖可知，靠近斷裂帶位置的峰值加速度值最大，可達到0.59g，峰值速度為17.59～48.21 cm/s。

綜上，已經獲取計算得到了該研究所需基礎數據，為便于計算，將所有數據處理為20 m×20 m的柵格數據。論文選用了Saygili和 Rathje于2008年建立的永久位移預測模型計算研究區域的位移值［7］。該模型選取的地震動源于震級5.0～7.9，斷層距小于100 km的地震事件，模型式子如式（5）。

lnDN=-4.58（ac/PGA）-20.84（ac/PGA）2+

44.75（ac/PGA）3-30.5（ac/PGA）4-0.64ln（PGA）+

1.55ln（PGV）-1.56（5）

式中：ac為臨界加速度（g），PGA為地震動峰值加速度（g），PGV為地震動峰值速度（cm/s）。

基于GIS柵格計算器，將臨界加速度、地震動峰值加速度和地震動峰值速度（圖4）進行疊加計算，可求得研究區域地震滑坡的永久位移分布見圖5（a）。根據位移分布圖可發現，該公路的北部部分段道路附近的邊坡在地震條件下可能會發生滑坡，公路南邊段大多數處于0位移區域，這表明該道路的選線規劃避開了部分高危險性的邊坡。為了更好地體現公路附近邊坡對公路的影響程度，本研究將公路均分為50段，并劃定了以2 km為間距的緩沖區圈。然后基于GIS的分區統計工具，計算得到每個緩沖區內位移平均值。最后，將這些值進行歸一化處理，并賦值到每段公路中得到如圖5（b）所示的高速公路地震滑坡危險性地圖。圖中黑色公路段表示該段公路在遭受地震時可能受到滑坡的危害性最大，白色則表示該段道路可能遭受的地震滑坡影響最低（顏色僅代表各段公路受地震滑坡影響的比較程度，不代表真實可能遭受的危險）。

4 結論

本研究分析的高速公路位于地形艱險、地質條件復雜的區域，且路線靠近活動斷裂帶，可能遭受到地震的影響。為了探索地震滑坡對路線的影響，本文假定該斷裂帶發生一次震級為6.0級的地震，對該區域地震滑坡危險性進行計算分析。根據評價結果，該高速公路北側較小段落路線處于地震滑坡的高危險區，其余路線段落均處于低危險區，表明該推薦方案的路線選擇基本避開了地震滑坡的危險區域。但考慮到即使距離道路較遠的邊坡一旦發生破壞，滑體可能滑動較大距離，對高速公路的橋墩或路基造成破壞，導致高速公路斷道等問題。本文最后還對高速公路沿線兩側2 km的所有邊坡單元的危險性進行了加權計算，結果表明該路線的部分段可能會遭受到地震滑坡的影響，因此，在高速公路選線設計階段，應加強這些區段邊坡的勘察，有必要時可提前加設邊坡支護結構，以此減少甚至避免地震誘發滑坡對高速公路的損壞。

參考文獻

［1］ 孫崇紹. 我國歷史地震時滑坡崩塌的發育及分布特征［J］. 自然災害學報， 1997， 6（1）： 25-30.

［2］ 張迎賓， 柳靜. 復雜艱險山區陸地交通地震地質災害早期識別及風險評價［J］. 高速鐵路技術， 2018，S（2）：33-37.

［3］ 楊昌鳳. 高烈度山區公路選線策略［J］. 中外公路， 2015，35（6）：1-4.

［4］ NEWMARK. EFFECTS OF EARTHQUAKES ON DAMS AND EMBANKMENTS［J］. GEOTECHNIQUE， 1965 （15）.

［5］ R. C. Wilson， D. K. Keefer. Dynamic analysis of a slope failure from the 6 August 1979 Coyote Lake， California， earthquake［J］. Bulletin of the Seismological Society of America， 1983 （73）：863-877.

［6］ J. Liu， Y. Zhang， J. Wei， et al. Hazard assessment of earthquake-induced landslidesby using permanent displacement model considering near-fault pulse-like ground motions［J］. 2021 （80）：8503-8518.

［7］ G. Saygili， E. M. J. J. o. g. Rathje， g. engineering. Empirical predictive models for earthquake-induced sliding displacements of slopes［J］. 2008 （134）：790-803.