深切峽谷區(qū)公路橋梁段斜坡崩滑災(zāi)害風險評估

程 強

(四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610041)

0 引言

我國西部山區(qū)地形復雜，峽谷密布、山高坡陡，在鐵路、公路工程建設(shè)中，橋梁工程眾多。順峽谷布線的道路工程，線位上方往往有百米級、千米級的斜坡，斜坡高位巖土體一旦失穩(wěn)，將對橋梁等構(gòu)造物構(gòu)成嚴重威脅。例如汶川地震誘發(fā)的高陡邊坡崩滑災(zāi)害，造成多座橋梁被砸毀[1]。在高烈度深切峽谷山區(qū)修建橋梁工程，評估邊坡地質(zhì)災(zāi)害風險，制定災(zāi)害防治策略，是橋梁建設(shè)中的關(guān)鍵問題。

地質(zhì)災(zāi)害風險研究是自然災(zāi)害風險研究的一個分支，近年來國內(nèi)外在地質(zhì)災(zāi)害風險評估理論方法和技術(shù)流程方面開展了大量研究。FEll R[2]發(fā)表了地質(zhì)災(zāi)害風險評估指南，隨后COROMINAS J等多位學者進行了細化完善[3-4]。地質(zhì)災(zāi)害的風險評價主要分為點評價、面評價和區(qū)域性評價。區(qū)域性評價采用區(qū)域性調(diào)查和統(tǒng)計分析為主，主要為宏觀減災(zāi)決策提供依據(jù)。例如丁佳佳[5]根據(jù)滑坡編目和影響因素分析，進行了萬州區(qū)滑坡地質(zhì)災(zāi)害風險評價。楊志華等[6]考慮震后效應(yīng)進行青藏高原東緣地質(zhì)災(zāi)害評價。面評價研究方法以調(diào)查為主，輔以部分勘探和試驗工作。王萌等[7]，徐林榮等[8]基于各因素統(tǒng)計分析，進行了公路、鐵路等線性工程地質(zhì)災(zāi)害評估和危險性區(qū)域劃分。點評價主要針對單一災(zāi)害體和單體工程，需要開展大量的勘探和試驗工作。目前地質(zhì)災(zāi)害風險分析研究，區(qū)域性評價和面評價研究較多，對于單一災(zāi)害點的評價研究較少，針對高陡斜坡區(qū)橋梁段斜坡崩滑災(zāi)害風險評價問題研究深度不足。

本文針對深切峽谷區(qū)特大跨徑橋梁工程，采用邊坡災(zāi)害體穩(wěn)定性、災(zāi)害體規(guī)模、運動速度及沖擊能量等定量指標分析評價邊坡地質(zhì)災(zāi)害危險性，給出了橋梁段斜坡崩滑災(zāi)害易發(fā)性、危險性、風險等級評定指標，并結(jié)合川藏高速公路雅安至康定段瀘定大渡河橋這一典型實例進行分析。

1 橋梁段斜坡崩滑災(zāi)害風險評估方法

橋梁段斜坡崩滑災(zāi)害風險即橋梁段斜坡崩滑災(zāi)害發(fā)生的可能性(概率)以及其對橋梁產(chǎn)生的后果(損失)，可用下式表示：

R=P×C

(1)

式中：R——風險；

P——地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的概率；

C——危害，即災(zāi)害可能導致的后果。

橋梁段斜坡崩滑災(zāi)害評估屬于點評價，評價對象雖然較為單一，但評價的深度和定量化的要求較高，其評估過程見圖1。

1.1 易發(fā)程度分析

通過地質(zhì)勘探和室內(nèi)外試驗，查明邊坡地形地貌、地層巖性(含巖土物理力學性質(zhì))和坡體結(jié)構(gòu)特性，綜合外部環(huán)境因素(降雨、地震、施工等)，采用定性定量分析相結(jié)合的方法，得出邊坡巖土體穩(wěn)定性的定量評價指標，進而進行易發(fā)性判別(表1)。

表1 邊坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性判別表

備注：F為邊坡穩(wěn)定系數(shù)，F(xiàn)st為邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)，根據(jù)邊坡規(guī)模、工況、工程重要性等級等綜合確定。

1.2 危險性分析

邊坡地質(zhì)災(zāi)害危險性主要研究分析失穩(wěn)巖土體危害范圍、運動速度、強度等，不同的邊坡災(zāi)害體其運動特征及危害形式有較大的差異。坡面崩塌滾石，運動過程中在坡面滾動、彈跳，對構(gòu)造物的危害主要在于滾石的沖擊力，其危險性可根據(jù)沖擊能量判定。蠕動變形以及慢速-中速變形的滑坡，其危害主要在于滑坡推力作用于構(gòu)造物，可根據(jù)滑坡規(guī)模、厚度等對其危險性進行判別。高位巖土體的滑動失穩(wěn)，運動過程中往往碎屑流化，其對構(gòu)造物的危害主要在于碎屑流的沖擊力，可采用運動學分析[9]、顆粒流模擬分析[10]等方法進行計算。

根據(jù)對橋梁工程可能造成的危害，邊坡地質(zhì)災(zāi)害危險性等級劃分為極高、高、中等、低等4個等級(表2)。

1.3 橋梁工程易損性評估

橋梁工程的易損性一般指橋梁在地震、不良地質(zhì)及各種因素作用下受損害及破壞的程度。李宏男等[11]總結(jié)了國內(nèi)外學者對橋梁損傷程度的劃分和評判指標，將橋梁損傷程度劃分為輕度破壞、中度破壞、嚴重破壞和完全破壞，汶川地震后對于橋梁損傷程度的劃分[2]與之也基本類似。邊坡地質(zhì)災(zāi)害對橋梁的損傷，主要表現(xiàn)為巖土壓力、沖擊力作用下造成的橋梁基礎(chǔ)和墩臺的變形開裂、沖擊損傷，并牽引上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形移位，也有落石導致上部結(jié)構(gòu)受損的情況。巖土壓力和沖擊力作用下受損害程度，可根據(jù)結(jié)構(gòu)分析計算的方法進行評估。不同結(jié)構(gòu)型式的橋梁，易于受損的部位、受損后的危害程度有較大的差異。參考已有研究并結(jié)合邊坡地質(zhì)災(zāi)害對橋梁危害的特點，給出各種橋梁損傷程度分級的定性評價見表3。

表2 邊坡地質(zhì)災(zāi)害危險性判別表

備注：表中V為滑坡、崩塌等的體積(m3)

表3 橋梁損失狀態(tài)的定性描述

1.4 斜坡崩滑災(zāi)害風險等級及防治可行性評定

根據(jù)前面邊坡地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性、危險性分析和構(gòu)造物易損性評估，可由式(1)計算邊坡地質(zhì)災(zāi)害的風險等級。某個橋梁工程，可能受多個地質(zhì)災(zāi)害體的危害；同一個地質(zhì)災(zāi)害體也可能對同一橋梁造成多種危害，包括不同橋梁構(gòu)件的損失，以及運營損失、人員傷亡和車輛損失、社會繞行損失等。因此假定有m種災(zāi)害事件，每種災(zāi)害事件對橋梁構(gòu)成n種危害，則式(1)可表達為：

(2)

式中，li，j——事件i對橋梁造成的第j種損失；

f(vj)——損失價值轉(zhuǎn)換函數(shù)；

Pi——第i種災(zāi)害發(fā)生的概率。

針對運營橋梁工程特點，地質(zhì)災(zāi)害對橋梁造成的損失li,j主要包括：

(1)橋梁構(gòu)件的損失：主要包括橋梁上部及下部結(jié)構(gòu)的損壞等；(2)橋梁運營期間人員和車輛的損失：指一旦橋梁垮塌，可能造成的人員傷亡，車輛財產(chǎn)損失等；(3)運營損失：指橋梁受損維修期間，通行費的損失；(4)繞行損失：指橋梁受損維修期間，社會車輛繞行其他道路，形成的時間成本、繞行費用成本和社會聲譽等損失。

由于橋梁的設(shè)計有一定的使用年限，風險評估需要考慮在使用年限內(nèi)，遇到特定地質(zhì)災(zāi)害的概率，進而計算特定地質(zhì)災(zāi)害事件在一定概率水平下的損失，則式(2)表達為：

(3)

式中：R[T]——在設(shè)計使用年限內(nèi)的損失;

Pi,t——特定地質(zhì)災(zāi)害事件在設(shè)計使用年限內(nèi)發(fā)生的時間概率。

由于不同規(guī)模的橋梁，損失的絕對數(shù)字差異巨大，因此用下式表達橋梁在設(shè)計使用年限內(nèi)受地質(zhì)災(zāi)害作用的風險概率：

Rr=R[T]/Rc

(4)

式中：Rc——橋梁建設(shè)成本；

Rr——設(shè)計使用年限內(nèi)全橋價值損失事件發(fā)生的風險概率。

橋梁工程受地質(zhì)災(zāi)害作用損失的程度，也可以根據(jù)受損程度表達，表4為根據(jù)Rr和橋梁受損程度，進行橋梁段斜坡崩滑災(zāi)害風險等級劃分。

表4 邊坡地質(zhì)災(zāi)害風險等級判別表

1.5 橋梁段斜坡崩滑災(zāi)害防治可行性評估

分析評定橋梁段斜坡崩滑災(zāi)害風險等級后，可根據(jù)邊坡地質(zhì)災(zāi)害的規(guī)模、防治工程的可實施性，分析評估地質(zhì)災(zāi)害是否可通過有效工程防治措施，降低風險，從而評價防治可行性(表5)。

表5 邊坡地質(zhì)災(zāi)害防治可行性判別表

根據(jù)風險等級和防治可行性的評定，可進行橋位方案選擇決策，指導橋梁結(jié)構(gòu)布設(shè)和橋梁段斜坡崩滑災(zāi)害防治措施的制定。由于橋墩構(gòu)造物抵抗水平向荷載和變形的能力弱，因此斜坡上布設(shè)的橋梁工程應(yīng)高度重視邊坡地質(zhì)災(zāi)害的評估和防治工作。對于災(zāi)害風險等級高-極高，邊坡地質(zhì)災(zāi)害難于防治-無法防治的區(qū)域，應(yīng)避免進行橋梁工程建設(shè)，尤其是特殊結(jié)構(gòu)和大跨橋梁建設(shè)。對于災(zāi)害風險等級低-中等，邊坡地質(zhì)災(zāi)害可防治的橋梁工程，應(yīng)考慮高位巖土體失穩(wěn)后可能造成坡面碎屑流、滾石等災(zāi)害的防治，確保橋梁構(gòu)造物安全。

2 典型實例分析

川藏高速公路雅安至康定段瀘定大渡河特大橋為千米級懸索橋，橋梁位于瀘定縣城上游約6 km，初步設(shè)計擬定了上壩、中壩和咱里三個橋位作為橋位比較研究，其中上壩和中壩橋位橋梁主跨1 200 m，兩岸均采用隧道錨；咱里橋位橋梁主跨1 100 m，雅安岸采用隧道錨、康定岸采用重力錨。圖2為橋梁地理位置圖。

圖2 橋梁地理位置圖Fig.2 Geographic position of the bridge

2.1 斜坡崩滑災(zāi)害風險評估

該橋梁跨越大渡河深切峽谷，距鮮水河活動斷裂帶直線距離約22 km， E1地震作用下地震動峰值加速度0.275g，E2地震作用下地震動峰值加速度0.49g。三個橋位均涉及高陡邊坡穩(wěn)定問題，其中上壩和中壩橋位雅安岸邊坡高分別為550 m、500 m，康定岸邊坡高1 000 m；咱里橋位雅安岸邊坡高500 m，康定岸為冰磧體。針對三個橋位邊坡， 通過系統(tǒng)工程地質(zhì)勘探和室內(nèi)外巖土物理力學性質(zhì)試驗，判定邊坡坡體結(jié)構(gòu)、失穩(wěn)破壞模式，進而通過數(shù)值模擬、極限平衡分析等方法分析研究邊坡巖土體穩(wěn)定性[12]，并通過結(jié)構(gòu)分析計算橋梁構(gòu)造物抗力，得到各橋位邊坡巖土體穩(wěn)定系數(shù)、失穩(wěn)概率，失穩(wěn)巖土體運動速度、沖擊力及危害(表6)。

根據(jù)式(3)和式(4)，可計算設(shè)計使用年限內(nèi)全橋價值損失事件發(fā)生的風險概率。例如E1地震重現(xiàn)期T1=475a，橋梁設(shè)計使用年限Td=100a，則在E1地震作用下，災(zāi)害事件概率P=P31×Td/T1。

根據(jù)受損程度和風險概率計算，可判定各橋位風險等級，進而根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害處治能力，并考慮經(jīng)濟性、施工難度等因素，進行防治可行性評估(表7)。

表6 各橋位邊坡碎屑流運動速度

備注：F1為天然工況穩(wěn)定系數(shù)，F(xiàn)2為暴雨工況穩(wěn)定系數(shù)，F(xiàn)31為E1地震工況穩(wěn)定系數(shù)，F(xiàn)32為E2地震工況穩(wěn)定系數(shù)。P1為天然工況失穩(wěn)概率，P2為暴雨工況失穩(wěn)概率，P31為E1地震工況失穩(wěn)概率，P32為E2地震工況失穩(wěn)概率。

表7 瀘定大渡河特大橋斜坡崩滑災(zāi)害風險評估

2.2 斜坡崩滑災(zāi)害風險防控

(1)橋位選擇

根據(jù)邊坡地質(zhì)災(zāi)害風險等級防治可行性評定，可見上壩和中壩橋位災(zāi)害風險等級極高，難于防治或無法防治。咱里橋位風險等級中等，可采取防治措施消除風險，因此選取咱里橋位。

(2)咱里橋位邊坡地質(zhì)災(zāi)害防控

橋位雅安岸邊坡高約500 m，主墩以上邊坡高約260 m，邊坡地質(zhì)災(zāi)害主要為崩坡積土層滑移失穩(wěn)，厚3～10 m。設(shè)計采取預(yù)加固樁、框架錨桿/索(以中風化基巖為錨固段)等對邊坡進行加固，平面及典型剖面見圖3及圖4。還針對邊坡高位巖土體失穩(wěn)形成坡面碎屑流，可能對橋梁構(gòu)造物構(gòu)成危害的問題，在瀘定隧道洞口上方、隧道錨洞口上方，設(shè)置人字形碎屑流攔截結(jié)構(gòu)，攔截結(jié)構(gòu)上方土體在地震作用下失穩(wěn)時，可實現(xiàn)對碎屑流的攔截和疏排(圖3及圖4中所示第1道攔擋和第2道攔擋)。

圖3 咱里橋位雅安岸邊坡防護措施平面布置圖Fig.3 Layout plan of protection measures of Zanli Bridge on Ya’an Bank

圖4 咱里橋位雅安岸邊坡防護措施剖面布置圖Fig.4 Section plan of slope protection measures for Ya’an Bank of Zanli Bridge on Ya’an Bank

3 結(jié)語

(1)峽谷山區(qū)橋梁段斜坡崩滑災(zāi)害風險評價包括易發(fā)程度分析、危險性分析、易損性評估、風險等級確定和防治可行性評價等內(nèi)容，本文給出了各階段評價的等級劃分、判別指標和方法，可供類似工程邊坡地質(zhì)災(zāi)害評估參考。

(2)川藏高速公路瀘定大渡河特大橋兩岸邊坡高陡、地震烈度高，根據(jù)邊坡地質(zhì)災(zāi)害評估結(jié)果選用了風險最低的咱里橋位，采用邊坡加固和碎屑流攔截結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方法，實現(xiàn)對邊坡地質(zhì)災(zāi)害的防治。