震后山區(qū)公路地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估體系研究
——以川九公路震后恢復(fù)重建為例

蔣瑜陽, 向 波, 王 東, 王 毅

(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

四川省地震活動強(qiáng)烈,地形復(fù)雜,地質(zhì)環(huán)境十分脆弱,自2008年“5·12”汶川8.0級地震起,陸續(xù)經(jīng)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(zāi)害,震后公路沿線地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā),幾乎每年都會由于崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害導(dǎo)致道路中斷,嚴(yán)重威脅山區(qū)公路的安全運(yùn)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(yán)重的生命財產(chǎn)損失,而且引起了廣泛關(guān)注。事后調(diào)查發(fā)現(xiàn),這些導(dǎo)致嚴(yán)重后果的地質(zhì)災(zāi)害絕大多數(shù)都不在已知的地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)范圍內(nèi),其主要原因在于:災(zāi)害源區(qū)地處大山中上部,多數(shù)區(qū)域人跡罕至,且被植被覆蓋,具有高位、隱蔽性特點(diǎn)。因此,如何合理準(zhǔn)確地評估震后公路沿線地質(zhì)災(zāi)害受災(zāi)程度及風(fēng)險大小,是震后公路恢復(fù)重建亟需解決的重要問題。

目前國內(nèi)對于地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估的研究較多,但多以區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害或單點(diǎn)災(zāi)害的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估為主[1-5],國內(nèi)針對山區(qū)公路地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價的方法仍不完善。目前存在的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)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(jī)器學(xué)習(xí)法三類。物理力學(xué)方法要求準(zhǔn)確掌握巖土體的物理力學(xué)發(fā)展過程,并且建立能夠真實刻畫地質(zhì)災(zāi)害機(jī)理的物理力學(xué)模型,這對于震后公路單一重要災(zāi)害點(diǎn)的評價是可以實現(xiàn)的,但對于震后公路沿線大范圍存在眾多地質(zhì)災(zāi)害而言,幾乎是很難實現(xiàn)的;機(jī)器學(xué)習(xí)方法具有自動學(xué)習(xí)、更新的強(qiáng)大功能,但依賴于數(shù)量較多、質(zhì)量較高的樣本數(shù)據(jù),否則無法得到準(zhǔn)確地計算模型,機(jī)器學(xué)習(xí)方法是未來地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估方法的主要發(fā)展方向;專家評分法原理簡單、便于操作,能夠考慮地質(zhì)災(zāi)害的各種影響,多數(shù)國家和地區(qū)采用該方法對地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行風(fēng)險評價,是目前最為可靠實用的一類地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估方法。

通過對比目前主要的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估方法,根據(jù)四川山區(qū)公路地質(zhì)災(zāi)害位置高、高隱蔽性及高植被覆蓋的特點(diǎn),對現(xiàn)有評估方法進(jìn)行調(diào)整與補(bǔ)充,制定一套適用于四川山區(qū)公路的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估體系,提出了山區(qū)公路地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險兩步評分法,該方法更能適合震后在現(xiàn)場快速獲得可靠的參數(shù),同時亦能考慮眾多參數(shù)的影響,方法相對可控可靠,對于指導(dǎo)震后艱險山區(qū)公路恢復(fù)重建具有重要的意義。

1 山區(qū)公路地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估體系

為建立山區(qū)公路地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估體系,首先需提出對應(yīng)的地質(zhì)災(zāi)害評價指標(biāo),在對國外目前采用的地質(zhì)災(zāi)害方法總結(jié)以及對搜集到的公路地質(zhì)災(zāi)害資料進(jìn)行致災(zāi)因子分析,通過開展多次的業(yè)內(nèi)專家研討會,邀請專家填寫指標(biāo)及權(quán)重調(diào)查表等方式,提出考慮危險性評價、防護(hù)工程技術(shù)狀況與危害性評價的一套分層次風(fēng)險評價指標(biāo)體系,如圖1所示。

圖1 風(fēng)險評價體系圖Fig.1 Risk assessment system

指標(biāo)體系分為評價指標(biāo)類與評價指標(biāo)兩個層級;指標(biāo)類包含從災(zāi)害發(fā)生的可能性、對災(zāi)害的防護(hù)程度、災(zāi)害發(fā)生后果這三部分來進(jìn)行;不同階段可能存在同名指標(biāo),但在一般情況下詳細(xì)評估階段的指標(biāo)分級較初步評估階段更加細(xì)致;指標(biāo)類及其指標(biāo)均有自身的權(quán)重,因此權(quán)重也分為兩級。

這樣設(shè)置的原因是,通過指標(biāo)分級,能夠?qū)⒏髦笜?biāo)按照邏輯關(guān)系進(jìn)行歸類,并且在指標(biāo)分級后能夠使各指標(biāo)的物理意義更加明確,這樣也能為后面的指標(biāo)權(quán)重分配創(chuàng)造條件。而如果將不同類型、不同層級的評價指標(biāo)放在一起,則邏輯不清晰,關(guān)系混亂,且不利于評價系統(tǒng)的理解與推廣應(yīng)用。

1.1 評價指標(biāo)

公路地質(zhì)災(zāi)害包括泥石流、滑坡、崩塌等多種類型,鑒于篇幅原因,重點(diǎn)對泥石流評價指標(biāo)進(jìn)行說明。

1.1.1 可能性

泥石流可能性指標(biāo)包括物源條件、地形地貌、氣象水文三類指標(biāo)。

1.1.2 防護(hù)程度

泥石流防護(hù)程度指標(biāo)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(hù)、無防護(hù)兩種情況;在詳細(xì)評估中,將常見的各類泥石流防護(hù)措施分為強(qiáng)、中、弱、無四個等級。

1.1.3 后果

公路邊坡泥石流的后果指標(biāo)包括公路等級及危害性兩個評價指標(biāo)。

1.2 評價指標(biāo)權(quán)重

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

泥石流、滑坡、崩塌、邊坡失穩(wěn)、路基水毀等不同的災(zāi)害類型均建立了相應(yīng)的指標(biāo)權(quán)重系數(shù)表,本文以泥石流風(fēng)險評價指標(biāo)為例進(jìn)行詳細(xì)敘述,具體權(quán)重系數(shù)如表1所列。

表1 泥石流風(fēng)險評價指標(biāo)權(quán)重系數(shù)選用表

2 山區(qū)公路地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價具體方法

基于山區(qū)公路地質(zhì)災(zāi)害分類、評價指標(biāo)體系,提出了山區(qū)公路地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價方法,可簡稱為兩步評分法。

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

圖2 評分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Scoring system structure

鑒于篇幅原因,重點(diǎn)對泥石流災(zāi)害風(fēng)險評價示例說明。

2.1 建立公式

按照初步評分與詳細(xì)評分兩個階段建立總得分公式。初步風(fēng)險評價階段災(zāi)害風(fēng)險根據(jù)危險性、防護(hù)工程技術(shù)狀況及危害性的各項一級指標(biāo)進(jìn)行評價,詳細(xì)風(fēng)險評價階段災(zāi)害風(fēng)險根據(jù)危險性、防護(hù)工程技術(shù)狀況及危害性的各項一級指標(biāo)與二級指標(biāo)進(jìn)行組合評價。

(1) 初步風(fēng)險評價階段災(zāi)害風(fēng)險總得分公式:

(1)

式中:R為災(zāi)害風(fēng)險總得分;H為危險性指標(biāo)總得分;P為防護(hù)工程技術(shù)狀況指標(biāo)總得分;V為危害性指標(biāo)總得分;rHi、rPi、rVi為危險性指標(biāo)、防護(hù)工程技術(shù)狀況指標(biāo)、危害性指標(biāo)的一級指標(biāo)的權(quán)重;xHi、xPi、xVi分別為危險性指標(biāo)、防護(hù)工程技術(shù)狀況指標(biāo)、危害性指標(biāo)的一級指標(biāo)得分;k、m、y分別為危險性指標(biāo)、防護(hù)工程技術(shù)狀況指標(biāo)、危害性指標(biāo)的一級指標(biāo)的項數(shù)。

(2) 詳細(xì)風(fēng)險評價階段災(zāi)害風(fēng)險總得分公式:

(2)

式中:rHij、rPij、rVij分別為危險性指標(biāo)、防護(hù)工程技術(shù)狀況指標(biāo)、危害性指標(biāo)的二級指標(biāo)的權(quán)重;xHij、xPij、xVij分別為危險性指標(biāo)、防護(hù)工程技術(shù)狀況指標(biāo)、危害性指標(biāo)的二級指標(biāo)得分;l、n、z分別為危險性指標(biāo)、防護(hù)工程技術(shù)狀況指標(biāo)、危害性指標(biāo)的二級指標(biāo)的項數(shù)。

2.2 制定評分表

公路泥石流初步與詳細(xì)評分表中的指標(biāo)類為物源條件、地形條件、氣象水文、防護(hù)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(biāo)為歷史災(zāi)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(biāo)縱坡坡度1項;氣象水文包括的評價指標(biāo)為年均降雨量與匯水條件2項;防護(hù)措施包括的評價指標(biāo)為防護(hù)強(qiáng)度1項;后果包括的評價指標(biāo)為泥石流與公路關(guān)系、危害性與公路等級3項。

在公路泥石流詳細(xì)評分表中,指標(biāo)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(hù)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(biāo)為歷史災(zāi)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(biāo)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(biāo)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(fēng)險分級

按照制定的評分表和已確定的權(quán)重系數(shù),分初步評價、詳細(xì)評價兩階段進(jìn)行計算。通常應(yīng)先進(jìn)行初步評價,當(dāng)確定為中風(fēng)險時,應(yīng)進(jìn)一步詳細(xì)評價,從而使結(jié)論更為精確和可靠,得分越高表明災(zāi)害治理難度越大,風(fēng)險越不可接受。表3、表4為兩階段下不同分級標(biāo)準(zhǔn)得分對應(yīng)的風(fēng)險等級。

表3 泥石流風(fēng)險分級表(初評)

表4 泥石流風(fēng)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(nèi),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(fā)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(fā)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(yán)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(zāi)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(zāi)害點(diǎn)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(qū)公路地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估體系的應(yīng)用

本路段存在三種恢復(fù)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(zāi)害進(jìn)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(zāi)害進(jìn)行治理,設(shè)短隧道繞避B7、B8災(zāi)害的J+K線方案。

(3) 方案三:設(shè)長隧道完全繞避老路沿線既有地質(zhì)災(zāi)害的N方案。

三個方案各有優(yōu)缺點(diǎn),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(yùn)輸部和四川省于2003年聯(lián)合打造的建設(shè)新理念示范公路,川九路上提出的“安全、舒適、環(huán)保、示范”“合理采用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、靈活運(yùn)用技術(shù)指標(biāo)”“最大限度地保護(hù)、最小限度的破壞、最大程度地恢復(fù)”長期以來得到相關(guān)專家和設(shè)計人員的推崇[9],而“九倒拐”又是這一理念的完美體現(xiàn)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(guān)昌余,等.川主寺至九寨溝公路環(huán)保與景觀設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究.2015.。

課題組采用山區(qū)公路地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估體系對上述災(zāi)害群進(jìn)行了逐一分析評價。其中:

(1) B9、B10崩塌災(zāi)害群危及第1拐～第7拐,危巖最大高度達(dá)270～290 m,影響路段長約1 600 m。兩處高位崩塌災(zāi)害風(fēng)險總得分R分別為312和314,即分別劃分為較高風(fēng)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(guān)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(zāi)害群,最大邊坡高度達(dá)400 m,影響路段長約700 m(圖6);新二拐B8—高位崩滑災(zāi)害群,最大邊坡高度達(dá)500 m,影響路段長約1 200 m。災(zāi)害風(fēng)險總得分R分別為362和386,劃分為高風(fēng)險,不可接受。

圖6 無人機(jī)拍攝的B6、B7高位崩塌照片F(xiàn)ig.6 Photo of B6 and B7 collapses taken by UAV

(3) 兩岸災(zāi)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(zāi)害,對上四寨至新二拐段沿河段、第9拐跨河段原路和運(yùn)營安全造成嚴(yán)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(nèi)物源急劇增加,并在強(qiáng)降雨期間多次爆發(fā),為高頻泥石流。泥石流災(zāi)害風(fēng)險總得分R=494,劃分為極高風(fēng)險,完全不可接受。

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

鑒于山區(qū)公路地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估體系對上述路段災(zāi)害的評估結(jié)論,尤其是潛在N2泥石流極高風(fēng)險等級的判斷,政府以及規(guī)劃設(shè)計人員采納了方案三進(jìn)行了本路段的災(zāi)后重建工作。

3.3 重建方案具體實施優(yōu)化

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

(1) 繞避泥石流災(zāi)害

設(shè)橋跨越泥石流溝,且為防止后期爆發(fā)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(dǎo)槽疏通+防撞島保護(hù)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(hù)工程技術(shù)、災(zāi)害發(fā)生后果兩者的得分大大降低,使得災(zāi)害風(fēng)險總得分降低到150以下,風(fēng)險等級降低到可接受的低風(fēng)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(wěn)定的同時,實現(xiàn)生態(tài)敏感區(qū)的零棄方,更是在寸土寸金的九寨溝區(qū)域場坪出一塊新場地。同樣使得之前評價為較高風(fēng)險的滑坡,災(zāi)害風(fēng)險總得分降低到150以下,風(fēng)險等級降低到可接受的低風(fēng)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(qū)域地質(zhì)災(zāi)害仍在持續(xù)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(fā)的泥石流已堆積到老路邊,未來老路存在被掩埋風(fēng)險,風(fēng)險逐漸加大。但由于采用山區(qū)公路地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估體系對這一路段危險性的成功預(yù)判,使得災(zāi)后重建的新線方案合理繞避了這一極高風(fēng)險的泥石流災(zāi)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(xiàn)場人員對新線的滑坡體布設(shè)了9個監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行持續(xù)的位移監(jiān)測,截止2022年9月底,未監(jiān)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(qū)域修建川九路智慧管理分中心,實現(xiàn)了隧道洞渣綜合利用。

4 結(jié)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(qū)公路地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估體系,按照核查區(qū)域受災(zāi)情況;利用風(fēng)險評價體系進(jìn)行風(fēng)險等級的評定;在風(fēng)險等級劃分的基礎(chǔ)上,考慮生態(tài)敏感性、經(jīng)濟(jì)性等多重因素總體策劃路線方案,有效指導(dǎo)了川九公路上四寨至九寨天堂艱險路段的災(zāi)后恢復(fù)重建工作。

川九公路重建通車后,持續(xù)保持安全運(yùn)營,充分考慮危險性評價、防護(hù)工程技術(shù)狀況與危害性評價三者結(jié)合的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估體系得到了很好的驗證,也期望相關(guān)成果能夠為“9·5”四川瀘定地震,以及后續(xù)類似的公路災(zāi)后重建工程提供參考。