山区公路 崩塌灾害隐患危险性评价方法研究

李军辉

（北京市地质研究所，北京 100120）

山区公路 崩塌灾害隐患危险性评价方法研究

李军辉

（北京市地质研究所，北京 100120）

以G109国道门头沟段崩塌灾害隐患为例，提出运用定性和定量相结合的方法，对山区公路崩塌灾害隐患进行稳定性评价。根据山区公路发生的崩塌灾害，可能造成的损失大小难以定量化估计的情况，将损失大小用危害程度来代替。应用层次分析-模糊数学评价方法，对崩塌灾害可能造成的危害程度进行了定量评价。

山区公路；崩塌灾害隐患；稳定性；危害程度：危险性评价

0 引言

我国是一个多山的国家，近年我国山区公路崩塌灾害时有发生，给社会经济和人民生命财产造成严重威胁。我国山区公路大都等级低，受地形影响，公路大都在山区自然边坡上进行人工削坡修建，边坡坡面一般高而陡，且大都自然裸露，未采取工程防治措施，因此崩塌灾害时有发生。为有效、准确的对山区公路崩塌灾害隐患危险性进行评价，为隐患路段的防治措施提供更科学合理的依据，研究山区公路崩塌灾害隐患危险性评价方法具有非常重要的现实意义。

目前，针对山区公路崩塌灾害的研究工作主要集中于崩塌的形成和破坏机理研究、勘查评价、治理措施等方面，评价对象主要集中在小比例尺区域性的灾害评价和大比例尺的局部灾害点的评价，对于线状山区道路进行整体危险性评价并详细划分出灾害隐患路段的研究较少。类似的研究成果有Pierson[1~2]等根据经验评分系统建立了最为简单的崩塌发生地点预测评价模型；张路青等对川藏公路南线(八宿至林芝段)滚石的发生频率进行了估计，通过遭遇滚石的概率及承载体的易损性分析，得到车辆和行人经过不同滚石区时遭遇滚石而致命的风险；胡存亮对河北山区公路应用黄金分割法建立了公路崩塌灾害发生的评判模型；许强等以丹巴县双拥路危岩崩塌体为例，提出了适用于单体危岩崩塌的风险评价方法；周远忠等利用模糊综合评价法，构建评价因素集，利用AHP法确定评价因素权重，通过文献法和专家打分法制定评价因素分级标准，选取合适的隶属度函数，对该公路进行了综合评价；齐洪亮等以层次分析法和综合指标法为主要研究手段，建立了滑坡危险性评价模型，并以G316陕西安康段的3处公路滑坡为研究对象，对评价模型进行了验证，取得较好的效果。本文在搜集整理国内外相关资料的基础上，以北京市门头沟区G109国道崩塌灾害隐患为例，采用自然历史分析法、赤平投影法、工程地质类比法及极限平衡分析法，对崩塌灾害隐患的稳定性进行评价，依据国土资源部《地质灾害危险性评估技术规范》（试行）中表4、5，致灾地质体稳定性或地质灾害形成条件的充分程度与地质灾害发生可能性的关系，从而确定崩塌灾害发生的可能性；根据山区公路崩塌灾害特点，确定危害程度指标，应用模糊数学评价方法对崩塌灾害隐患的危害程度进行评价，从而确定崩塌灾害隐患的危险性。初步建立了一套切实可行的山区公路崩塌灾害隐患危险性评价的技术方法。

1 G109国道门头沟段崩塌灾害的总体特征

门头沟区位于北京城区西南，东经1 1 5º25′00"～116º10′07"，北纬39º48′34"～40º10′37"之间。G109国道门头沟段(以下简称G109)其位于门头沟区中部，东西贯穿门头沟区，长度95.91km。该地区地貌类型自东向西依次为平原区、丘陵区、低山区及中山区，东西最大落差达2230m；G109沿线地层从中元古界蓟县系至新生界除个别地层缺失外，其余均有出露，尤以中生界侏罗系最为发育(图1)。因此，该段道路存在大量的高陡边坡，地形高差较大，沟谷切割强烈，裸露岩体在风化、卸荷等作用下崩塌、落石等灾害时有发生，在雨季尤甚。根据G109已发生崩塌灾害特征分析，灾害发生时间、空间分布是不均匀的，根据2006～2011年北京市公路局门头沟区分局的统计，该段道路6年共发生大于5m³的崩塌61次，其中崩塌清理量小于100m³的占59次，大于100m³的仅发生2次。最大的一次是2011年5月28日，K87处发生崩塌，阻断了国道交通，经过抢修最终清理方量8459m³(照片1)。G109边坡破坏形式主要以崩塌和落石为主；崩塌灾害破坏类型经赤平投影分析判定，以滑移、倾倒破坏为主；落石以滚落、直落为主。

图1 G109国道门头沟段区域地质简图

2 工作方法及技术路线

根据对搜集资料的整理分析及野外踏勘情况，确定本次工作采用地形测量、综合工程地质测绘、地质灾害调查、三维激光扫描、工程地质钻探、地球物理勘探、岩石取样及测试、图件编绘、综合分析研究等方法开展工作(图2)，在此基础上对资料进行分析整理并最终形成成果报告。

照片1 87km处崩塌灾害

图2 工作技术路线

3 划分评价单元

此次崩塌灾害调查过程中，结合边坡微地貌、边坡坡向、坡高、岩性、构造及可能的隐患坡段等，将G109划分为191个坡段，坡段起止定位点297个，用统一的方法进行坡段野外命名编号：公路编号-坡段所处的公路里程-坡段序号，如G109-K119-01。

4 崩塌灾害隐患稳定性评价

G109崩塌灾害隐患稳定性评价采用定性和定量相结合的方法，分3步进行(图3)，前两步是定性、半定量的方法，第三步是定量的评价方法。第一步根据野外调查和《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330-2002) 12.2中边坡坡率允许值表，可以判断哪些坡段是稳定的，剩余坡段进入下一步。第二步对第一步不能判定其是否稳定的坡段，首先确定其变形破坏类型，其次根据该坡段崩塌灾害体变形破坏迹象和岩体特征判定其稳定与否。坡脚有碎石土或石块堆积的，即可判断有块体坠落；有结构面切割形成的危岩体，则需进行赤平投影判断。依据《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330-2002) 附录A岩质边坡的岩体分类表，对于随机块体（由IV级结构面及以下切割的块体），无需进行单个块体的稳定性评价，对于定位块体（由IV级结构面以上切割的块体）坡段或难以判定是否整体失稳的坡段，进入下一步；第三步对于前两步不能判定的复杂坡段，根据各个坡段的特点，酌情应用工程地质类比、极限平衡分析以及强度折减方法进行整体稳定性的分析；该步的岩体力学参数采用现场取样测试和野外获得的地质强度指数(GSI)值[3]进行综合确定；G109崩塌灾害稳定性评价通过以上3个步骤的判定，最终得出了191个坡段的稳定性评价结果。

图3 崩塌灾害体稳定性分析流程

5 崩塌灾害发生的可能性评价

（1）崩塌灾害发生的可能性分级标准

G109国道沿线地质灾害主要为崩塌、落石。本项目依据《地质灾害危险性评估技术规范》(试行)的相关规定进行地质灾害可能性分析。当能判断地质体的稳定性时，崩塌灾害发生可能性应根据地质体在不利工况下的稳定性按表1判断。

表1 地质灾害发生可能性按致灾地质体稳定性判定

对不能用稳定性判断的随机块体，如落石，其发生可能性可根据岩体的完整性指标来判断落石灾害发生的可能性，见表2。

表2 落石发生可能性判定表

边坡陡峻，坡体岩体为坚硬岩或较坚硬岩，坡面岩体完整性较差，属于中风化和强风化，坡脚距路面近，一般容易发生落石灾害；边坡陡峻，岩体为软岩，易风化，一般坡面较难形成较大块体，边坡坡面往往容易发生风化剥落。岩质边坡可能同时存在不同灾种，按照“就高不就低”的原则，以地质灾害发生的可能性较高的确定。

（2）崩塌灾害发生的可能性评价

根据上述判定标准，最终得出G109共191处坡段崩塌灾害发生可能性评价结果。

6 崩塌灾害可能造成的危害程度评价

6.1 崩塌灾害可能造成的危害程度分级标准

对于山区公路未发生的崩塌灾害可能造成的损失大小难以定量化估计，本文将损失大小用危害程度来代替，更符合实际情况。因此，根据山区公路崩塌灾害特点和相关国内外研究成果，我们选择了公路运营的车流量大小、崩塌灾害隐患的规模以及危岩体的高度来确定崩塌灾害可能造成的危害程度等级，见表3。

由于公路为线性运输基础设施,崩塌灾情的大小与该路段上的交通量大小密切相关，现有崩塌灾害等级的划分因其没有考虑交通量，不能直接应用于公路崩塌灾害评价。崩塌灾害对交通的影响更为敏感，较小的灾害可能产生较大危害程度。要获得快速、准确的灾情评估并作出合理的抢险方案，有必要提出新的等级划分方法使其适用于公路崩塌灾害。公路等级不同，在各条交通道路上的交通量也必然不同。在崩塌体积相同的条件下，等级越高的公路由于其交通量大，受阻的车辆也相应增多，造成车辆及人员伤亡的可能性也大，崩塌灾害等级就越高。因此考虑交通量这个影响因素后，公路崩塌灾害等级划分更为准确，适用性更强。

岩土体边坡在发生崩塌时崩塌体积大小直接决定灾害程度，而崩塌体积也是道路抢通工程量的决定因素，是公路崩塌灾害等级划分的直接依据。在公路中，每年发生的崩塌数量多，但大部分崩塌块体的体积比较小。按崩塌体的块体规模，可分为碎落、落石、崩塌。公路中碎落属于小型崩塌，碎落和落石体积一般在1m3以下，对公路及车辆影响、危害较小，可及时清除。大于1m3的落石可能会阻挡半幅路面，并可能造成车辆及人员伤亡。如果崩塌堆积物在100 m3以上，则可能完全阻断交通，严重影响道路的运营，如有车辆经过则可能造成大量人员伤亡。因此，大于100m3以上的崩塌体对道路车辆及人员可能造成巨大危害。

边坡的高度决定了危岩体的高度，而危岩体的高低直接决定了崩塌体的冲击能量和覆盖范围。山区公路边坡高度在5～10m的边坡，一般产生的崩塌危害都较小，所以危害程度轻的平均落差以10m为界限；而公路边坡坡高在10～30m 发生崩塌灾害较为常见，可作为危害程度中等与重的分界点；崩塌落差越大，冲击能量越大，造成的危害也越大。

表3 崩塌灾害可能造成的危害程度分级

6.2 崩塌灾害可能造成危害程度的层次分析——模糊数学评价方法

（1）影响因素的确定

根据以上分析可知，公路崩塌灾害危害程度的影响因子包括车流量、危岩体悬挂高度以及危岩体高度，对3个因子编号，可确定因素集为

建立如图4所示模糊评价体系。

（2）各因素权重的确定

目前，确定权重系数的方法有多种，其中最常见的有德尔菲法，专家打分法，层次分析法。前两种方法受专家主观性影响大，本文拟采用层次分析法确定各评价指标的权重。

层次分析法（AHP）是通过两两因素对比，逐层比较多种关联因素，最后确定诸因素整体关系的一种方法。该方法首先由A.L.Saaty在20世纪70年代中期提出，80年代引入我国，取得一些成果。它适用于处理多因素、多层次、多目标的复杂系统工程问题，可以将人们的主观判断尽可能与客观实际情况相符。

本文建立图4所示的层次结构模型后，引入Saaty的标度方法。采用该标度法对各层中的因子相对上一层次目标的重要性进行两两比较，构造相应的判断矩阵，计算其最大特征根和对应的特征向量，并进行判断矩阵一致性检验，若判断矩阵满足一致性检验，权重分配合理。

图4 崩塌灾害危害等级模糊评价体系

（3）隶属度函数的构建

由于表3中的因子均为连续型，可以采用公式法确定评价指标的隶属度，即建立隶属度与指标数值之间的函数关系，即隶属函数，隶属度可以通过代入实测值得到。采用“降半梯形”分布建立隶属函数，公式如下：

式中，a，b，c为地质灾害危害程度分级的三级标准值；x为实际值。

（4）评价结果

根据上述计算方法，对各坡段逐个建立影响指标隶属度矩阵，确定权重向量，通过execl编辑公式计算，得出每个坡段的级别隶属度，最后根据最大隶属度原则确定G109各坡段的崩塌灾害危害程度等级。

7 崩塌灾害危险性评价

（1）崩塌灾害危险性分级评价标准

公路沿线崩塌灾害危险性分级参考《地质灾害危险性评估规范》（试行）的相关规定编制，见表4。

表4 地质灾害危险性分级表

（2）评价结果

按照上述方法对G109共191处坡段进行危险性评估，其中危险性大的35处，占坡段总数的的18.3%，累计长度8898m，危险性中等的36处，占坡段总数的18.9%，累计长度7770m，危险性小的120个，占坡段总数的62.8%，累计长度24307m。根据本次评估结果，将危险性大和中的71处坡段作为重要隐患进行重点提出，并给出防治建议；对危险性小的坡段只作为一般隐患，不单独提出防治措施，只建议加强日常的巡查工作。

[1]国土资源部文件.国土资发[2004]69号附件，建设用地地质灾害危险性评估技术要求(试行)，2004.

[2]国土资源部发布.地质灾害危险性评估技术规范(试行)，2008.

[3]Pierson L A, Davis S A, Van Vickle. Rockfall Hazard Rating System：Implementation Manual[R].Federal Highway Administration Publication SA-93-057，1990：172.

[4]Cancelli A, Crosta G.Hazard and risk assessment in rockfall prone areas[C]//Proceedings Conference on Risk and Reliability in Ground Engineering。1993：177～190.

[5]陈祖煜.岩质边坡稳定分析—原理•方法•程序. 北京：中国水利水电出版社，2005.

[6]胡厚田.崩塌与落石[M].北京：中国铁道出版社，1989.

[7]王普清,张增科，等著.河北省公路典型地质灾害评价与防治技术研究.北京：地质出版社，2007.

[8]胡厚田，等.边坡地质灾害的预测预报.成都：西南交通大学出版社，2000.

[9]伍法权.岩质高陡边坡变形与稳定性评价工程地质工作方法.工程地质学报，2004,12：199～210.

[10]吴亚子.山区公路地质灾害危险性评估方法研究[D].成都理工大学，2005：20～22.

[11]胡存亮.山区公路崩塌灾害评判模型研究.交通标准化，2007，7：53～56.

[12]许强，陈伟.单体危岩崩塌灾害风险评价方法—以四川省丹巴县危岩崩塌体为例.地质通报，2009，08：1039～1046.

[13]周远忠，等.基于模糊综合评价法的山区公路地质灾害危险性评价.道路工程，2010，04：94～97.

[14]齐洪亮，等.公路路基地质灾害危险性综合评价方法研究.路基工程，2011，02：44～46.

Research on Risk Assessment of Landslide Hazard in the Highway of Mountain Area

LI Junhui
（Beijing Institute of Geology, Beijing 100120,China）

This paper takes the G109 in Mentougou section of national highway landslide hazard as an example, and adopts the qualitative and quantitative methods to evaluate the stability of landslide of highway in mountainous area. According to the landslide of mountainous highway, it may cause the loss of the quantitative estimates of the size, and the size of damage degree may replace the loss. Application of analytic hierarchy process and fuzzy evaluation method may be used to evaluate the damage degree of the landslide.

Highway in mountainous area；Landslide hazard；Stability；Degree of harm；Risk assessment

P642.21

A

1007-1903（2014）03-0023-06

李军辉(1979- )，男，工程师，主要从事地质灾害勘查、设计及防治、岩土勘察研究。Email：shmilyljh@sina.com。