震后山區公路地質災害風險評估體系研究
——以川九公路震后恢復重建為例

蔣瑜陽, 向 波, 王 東, 王 毅

(四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司, 四川 成都 610041)

0 引言

四川省地震活動強烈,地形復雜,地質環境十分脆弱,自2008年“5·12”汶川8.0級地震起,陸續經歷“4·20”蘆山7.0級地震、“11·22”康定6.3級地震、“8·8”九寨溝7.0級地震、“9·5”四川瀘定6.8級地震等多次重大地震災害,震后公路沿線地質災害頻發,幾乎每年都會由于崩塌、滑坡、泥石流等地質災害導致道路中斷,嚴重威脅山區公路的安全運營,如:雅西高速、汶馬高速、都汶高速、成樂高速等重要交通干線。這不僅造成了嚴重的生命財產損失,而且引起了廣泛關注。事后調查發現,這些導致嚴重后果的地質災害絕大多數都不在已知的地質災害隱患點范圍內,其主要原因在于:災害源區地處大山中上部,多數區域人跡罕至,且被植被覆蓋,具有高位、隱蔽性特點。因此,如何合理準確地評估震后公路沿線地質災害受災程度及風險大小,是震后公路恢復重建亟需解決的重要問題。

目前國內對于地質災害風險評估的研究較多,但多以區域地質災害或單點災害的地質災害風險評估為主[1-5],國內針對山區公路地質災害風險評價的方法仍不完善。目前存在的地質災害風險評估方法主要可以分為三類,主要包括物理模型法、專家評分法和機器學習法三類。物理力學方法要求準確掌握巖土體的物理力學發展過程,并且建立能夠真實刻畫地質災害機理的物理力學模型,這對于震后公路單一重要災害點的評價是可以實現的,但對于震后公路沿線大范圍存在眾多地質災害而言,幾乎是很難實現的;機器學習方法具有自動學習、更新的強大功能,但依賴于數量較多、質量較高的樣本數據,否則無法得到準確地計算模型,機器學習方法是未來地質災害風險評估方法的主要發展方向;專家評分法原理簡單、便于操作,能夠考慮地質災害的各種影響,多數國家和地區采用該方法對地質災害進行風險評價,是目前最為可靠實用的一類地質災害風險評估方法。

通過對比目前主要的地質災害風險評估方法,根據四川山區公路地質災害位置高、高隱蔽性及高植被覆蓋的特點,對現有評估方法進行調整與補充,制定一套適用于四川山區公路的地質災害風險評估體系,提出了山區公路地質災害風險兩步評分法,該方法更能適合震后在現場快速獲得可靠的參數,同時亦能考慮眾多參數的影響,方法相對可控可靠,對于指導震后艱險山區公路恢復重建具有重要的意義。

1 山區公路地質災害風險評估體系

為建立山區公路地質災害風險評估體系,首先需提出對應的地質災害評價指標,在對國外目前采用的地質災害方法總結以及對搜集到的公路地質災害資料進行致災因子分析,通過開展多次的業內專家研討會,邀請專家填寫指標及權重調查表等方式,提出考慮危險性評價、防護工程技術狀況與危害性評價的一套分層次風險評價指標體系,如圖1所示。

圖1 風險評價體系圖Fig.1 Risk assessment system

指標體系分為評價指標類與評價指標兩個層級;指標類包含從災害發生的可能性、對災害的防護程度、災害發生后果這三部分來進行;不同階段可能存在同名指標,但在一般情況下詳細評估階段的指標分級較初步評估階段更加細致;指標類及其指標均有自身的權重,因此權重也分為兩級。

這樣設置的原因是,通過指標分級,能夠將各指標按照邏輯關系進行歸類,并且在指標分級后能夠使各指標的物理意義更加明確,這樣也能為后面的指標權重分配創造條件。而如果將不同類型、不同層級的評價指標放在一起,則邏輯不清晰,關系混亂,且不利于評價系統的理解與推廣應用。

1.1 評價指標

公路地質災害包括泥石流、滑坡、崩塌等多種類型,鑒于篇幅原因,重點對泥石流評價指標進行說明。

1.1.1 可能性

泥石流可能性指標包括物源條件、地形地貌、氣象水文三類指標。

1.1.2 防護程度

泥石流防護程度指標主要衡量的是對泥石流的抑制作用的大小。初步評估中,僅分為有防護、無防護兩種情況;在詳細評估中,將常見的各類泥石流防護措施分為強、中、弱、無四個等級。

1.1.3 后果

公路邊坡泥石流的后果指標包括公路等級及危害性兩個評價指標。

1.2 評價指標權重

評價指標權重體現了該評價指標的取值變化對危險性的影響大小。評價指標的獲取方法較多,應用較廣泛的方法主要有排序法、專家調查分析法、層次分析法、二次項系數法等。其中,排序法首先需要確定指標之間的重要性排序,然后根據計算公式就能得到具體的指標權重,因此該方法具有操作簡便的特點,但是對于固定的指標排序來說,排序法得到的指標權重是固定的;而專家調查分析法是在廣泛收集專家對指標權重意見的基礎上,對這些專家意見進行統計分析,并得到最終權重的方法,專家調查分析法可以最大限度地吸取行業內專家的工程經驗,得到較靈活的權重值,以彌補排序法的缺陷。因此課題組在確定權重時,主要采取排序法和專家調查分析法這兩種方法綜合求解。

泥石流、滑坡、崩塌、邊坡失穩、路基水毀等不同的災害類型均建立了相應的指標權重系數表,本文以泥石流風險評價指標為例進行詳細敘述,具體權重系數如表1所列。

表1 泥石流風險評價指標權重系數選用表

2 山區公路地質災害風險評價具體方法

基于山區公路地質災害分類、評價指標體系,提出了山區公路地質災害風險評價方法,可簡稱為兩步評分法。

其要點為將需評價的公路路段分成初步評分與詳細評分兩個階段,各階段分別包括崩塌落石、泥石流、邊坡失穩、路基水毀四種災害類型,即整個系統包括8張評分表,如圖2所示。

圖2 評分系統結構Fig.2 Scoring system structure

鑒于篇幅原因,重點對泥石流災害風險評價示例說明。

2.1 建立公式

按照初步評分與詳細評分兩個階段建立總得分公式。初步風險評價階段災害風險根據危險性、防護工程技術狀況及危害性的各項一級指標進行評價,詳細風險評價階段災害風險根據危險性、防護工程技術狀況及危害性的各項一級指標與二級指標進行組合評價。

(1) 初步風險評價階段災害風險總得分公式:

(1)

式中:R為災害風險總得分;H為危險性指標總得分;P為防護工程技術狀況指標總得分;V為危害性指標總得分;rHi、rPi、rVi為危險性指標、防護工程技術狀況指標、危害性指標的一級指標的權重;xHi、xPi、xVi分別為危險性指標、防護工程技術狀況指標、危害性指標的一級指標得分;k、m、y分別為危險性指標、防護工程技術狀況指標、危害性指標的一級指標的項數。

(2) 詳細風險評價階段災害風險總得分公式:

(2)

式中:rHij、rPij、rVij分別為危險性指標、防護工程技術狀況指標、危害性指標的二級指標的權重;xHij、xPij、xVij分別為危險性指標、防護工程技術狀況指標、危害性指標的二級指標得分;l、n、z分別為危險性指標、防護工程技術狀況指標、危害性指標的二級指標的項數。

2.2 制定評分表

公路泥石流初步與詳細評分表中的指標類為物源條件、地形條件、氣象水文、防護措施與后果5種。在初步評分表中,物源條件包含的評價指標為歷史災害、物源類型與物源豐富程度3項;地形條件包括的評價指標縱坡坡度1項;氣象水文包括的評價指標為年均降雨量與匯水條件2項;防護措施包括的評價指標為防護強度1項;后果包括的評價指標為泥石流與公路關系、危害性與公路等級3項。

在公路泥石流詳細評分表中,指標類與初步評分表一致,也為物源條件、地形地貌、氣象水文、防護措施、后果5種。不同于初步評分表的是,其中物源條件包括的評價指標為歷史災害、一次最大沖出量、物源類型、沿溝松散物儲量4項;地形地貌包含的評價指標為縱坡坡度、主溝長度、溝谷橫斷面形狀;氣象水文包括的評價指標為年均降雨量、年均最大單日降雨量和匯水條件。鑒于篇幅原因,以下僅列出初步評價階段的評分表(表2)。

表2 初步評價階段評分表

2.3 確定風險分級

按照制定的評分表和已確定的權重系數,分初步評價、詳細評價兩階段進行計算。通常應先進行初步評價,當確定為中風險時,應進一步詳細評價,從而使結論更為精確和可靠,得分越高表明災害治理難度越大,風險越不可接受。表3、表4為兩階段下不同分級標準得分對應的風險等級。

表3 泥石流風險分級表(初評)

表4 泥石流風險分級表(詳評)

3 工程實例分析

3.1 工程概況

川九公路位于四川省阿壩州的九寨溝縣和松潘縣境內,路線全長約123 km。該條公路九寨天堂至上四寨路段位于文縣至瑪沁斷裂的兩個次級斷裂之間(上四寨—中查—比芒、九寨天堂—震中—五花海),受“8·8”九寨溝地震影響,地震的主發震斷裂切過“九寨天堂”附近,上四寨村的隱伏狀地震斷裂亦發生次級同震破裂[6],造成該路段成為“8·8”九寨溝地震后受損最為嚴重的路段,此路段分布有上四寨B7高位崩滑、新二拐B8高位崩滑、九道拐B9、B10高位崩滑、N2潛在泥石流等災害群,如圖3所示。

圖3 上四寨至九寨天堂段斷裂帶位置及部分重要災害點分布圖[7]Fig.3 Location of the fault zone and distribution of some important disaster points in Shangsizhai-Jiuzhaitiantang section[7]

3.2 山區公路地質災害風險評估體系的應用

本路段存在三種恢復重建方案,如圖4所示,分別為:

圖4 上四寨至九寨天堂段路線方案示意圖[8]Fig.4 Schematic diagram of route plan in Shangsizhai-Jiuzhaitiantang section[8]

(1) 方案一:對原路災害進行治理,從而維持既有道路的K線方案。

(2) 方案二:對B9、B10以及潛在N2泥石流災害進行治理,設短隧道繞避B7、B8災害的J+K線方案。

(3) 方案三:設長隧道完全繞避老路沿線既有地質災害的N方案。

三個方案各有優缺點,特別是在是否保留“九倒拐”這一特殊路段爭議較大。作為交通運輸部和四川省于2003年聯合打造的建設新理念示范公路,川九路上提出的“安全、舒適、環保、示范”“合理采用技術標準、靈活運用技術指標”“最大限度地保護、最小限度的破壞、最大程度地恢復”長期以來得到相關專家和設計人員的推崇[9],而“九倒拐”又是這一理念的完美體現的路段,如果采用方案一和方案二,“九倒拐”能夠得到很好的保留;反之,若選用方案三,則該路段將被舍棄(1)戴東昌,楊文銀,關昌余,等.川主寺至九寨溝公路環保與景觀設計關鍵技術研究.2015.。

課題組采用山區公路地質災害風險評估體系對上述災害群進行了逐一分析評價。其中:

(1) B9、B10崩塌災害群危及第1拐～第7拐,危巖最大高度達270～290 m,影響路段長約1 600 m。兩處高位崩塌災害風險總得分R分別為312和314,即分別劃分為較高風險,基本不可接受(圖5)。

圖5 九倒拐B9、B10高位崩塌以及與川九路 原路的相對關系Fig.5 Collapses of B9 and B10 and the relative relation with Chuanzhusi-Jiuzhaigou highway

(2) 上四寨B7大型高位崩滑災害群,最大邊坡高度達400 m,影響路段長約700 m(圖6);新二拐B8—高位崩滑災害群,最大邊坡高度達500 m,影響路段長約1 200 m。災害風險總得分R分別為362和386,劃分為高風險,不可接受。

圖6 無人機拍攝的B6、B7高位崩塌照片Fig.6 Photo of B6 and B7 collapses taken by UAV

(3) 兩岸災害群在暴雨作用下極易形成坡面泥石流[10],最終匯集形成潛在N2泥石流災害,對上四寨至新二拐段沿河段、第9拐跨河段原路和運營安全造成嚴重威脅[2]。通過圖7所示,該泥石流在2017年8月8日九寨溝地震震后,溝內物源急劇增加,并在強降雨期間多次爆發,為高頻泥石流。泥石流災害風險總得分R=494,劃分為極高風險,完全不可接受。

(4) 此外N線新線止點附近存在一處較難處治的滑坡,災害風險總得分R=322,劃分為較高風險,基本不可接受。

鑒于山區公路地質災害風險評估體系對上述路段災害的評估結論,尤其是潛在N2泥石流極高風險等級的判斷,政府以及規劃設計人員采納了方案三進行了本路段的災后重建工作。

3.3 重建方案具體實施優化

選用方案三作為恢復重建的路線方案后,尚面臨以下工程地質問題:如何更為安全的跨越N2泥石流災害;如何安全通過新建路段的滑坡災害;如何在生態敏感區域合理消化新線方案產生的大量隧渣。

(1) 繞避泥石流災害

設橋跨越泥石流溝,且為防止后期爆發大型泥石流對橋墩的沖撞,對N2泥石流采取了多級攔擋+排導槽疏通+防撞島保護橋墩的一系列綜合措施(圖8、圖9)。

圖8 如意壩大橋跨越N2泥石流總體平面圖Fig.8 General plan of Ruyiba Bridge crossing N2 debris flow

圖9 如意壩大橋下防撞島布置圖(單位:mm)Fig.9 Layout of anti-collision island under Ruyiba Bridge (Unit:mm)

通過一系列工程措施后,泥石流盡管危險性得分未變,但由于防護工程技術、災害發生后果兩者的得分大大降低,使得災害風險總得分降低到150以下,風險等級降低到可接受的低風險。

(2) 隧道洞渣綜合利用

利用隧渣作為反壓滑坡體(圖10),在保證滑坡穩定的同時,實現生態敏感區的零棄方,更是在寸土寸金的九寨溝區域場坪出一塊新場地。同樣使得之前評價為較高風險的滑坡,災害風險總得分降低到150以下,風險等級降低到可接受的低風險。

3.4 重建方案后評價

九寨溝地震已過去5年多時間,這一區域地質災害仍在持續演變(圖11)。通過九寨天堂至上四寨“九倒拐”路段的航拍比對圖(圖12、圖13)可以看到,上游溝道泥石流物源未見明顯減少,多次爆發的泥石流已堆積到老路邊,未來老路存在被掩埋風險,風險逐漸加大。但由于采用山區公路地質災害風險評估體系對這一路段危險性的成功預判,使得災后重建的新線方案合理繞避了這一極高風險的泥石流災害。

圖11 隧道棄渣反壓NK52滑坡體斷面示意圖(單位:m)Fig.11 Schematic diagram of cross-section of NK52 landslide body with back pressure from waste slag of tunnel (Unit:m)

圖13 2021年9月“九倒拐”路段航拍圖Fig.13 Aerial photo of the "Jiudaoguai" section in September 2021

同時,現場人員對新線的滑坡體布設了9個監測點進行持續的位移監測,截止2022年9月底,未監測到明顯的位移變形,表明隧渣反壓滑坡的處治方案合理,原常年蠕動變形滑體的問題已根治,目前已利用這一反壓區域修建川九路智慧管理分中心,實現了隧道洞渣綜合利用。

4 結語

筆者在參與“8·8”九寨溝7.0級地震搶險保通中,通過項目組建立的山區公路地質災害風險評估體系,按照核查區域受災情況;利用風險評價體系進行風險等級的評定;在風險等級劃分的基礎上,考慮生態敏感性、經濟性等多重因素總體策劃路線方案,有效指導了川九公路上四寨至九寨天堂艱險路段的災后恢復重建工作。

川九公路重建通車后,持續保持安全運營,充分考慮危險性評價、防護工程技術狀況與危害性評價三者結合的地質災害風險評估體系得到了很好的驗證,也期望相關成果能夠為“9·5”四川瀘定地震,以及后續類似的公路災后重建工程提供參考。