永蓝高速公路边坡地质灾害调查与危险性评价

尹 超，田伟平，李家春

(1.山东理工大学交通与车辆工程学院，山东淄博 255049;2.长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西西安 710064)

0 引言

永蓝高速公路即湖南永州至蓝山高速公路，是二连浩特至广州国家高速公路在湖南境内的一段，也是湖南省“五纵七横”高速公路主骨架的重要组成部分［1］。永蓝高速公路沿线地质环境复杂且降雨丰沛，同时因为一些边坡采用信息化施工，方法本身是合理和先进的，但由于施工过程中对信息反馈不及时或对信息分析不科学，致使边坡存在较大安全隐患，在雨季易发生边坡灾害［2］。灾害危险性评价是认识某一地区自然灾害发生可能程度大小的手段和过程，可为灾害预防和治理提供科学依据。进行永蓝高速公路边坡灾害危险性评价，根据灾害隐患点的评价结果对永蓝高速公路灾害防治方案提供直接的咨询服务，对公路建设及沿线地质环境保护具有深远影响。

我国公路边坡灾害危险性评价研究较多，采用的评价模型各有特点。2005年，宋彦辉等根据已有区域地质灾害评价方法，结合公路工程的特点，探讨了山区公路地质灾害危险性评价模型［3］;2011年，齐洪亮按照风险评价的原理和步骤，开展了公路自然灾害危险性评价、承灾体抗灾能力评价和灾害损失评价研究，在此基础上完成了公路自然灾害风险评价［4］;2013年，田伟平、尹超依托GIS平台，采用影响因素叠加法和专家调查法建立评价模型，进行了中国公路地质灾害危险性评价和空间分析，按照地质灾害危险度，将全国分为4级12个地质灾害危险区，完成了公路地质灾害危险性区划［5］。

现行的危险性评价既有定性方法，也有定量方法，如层次分析法、模糊综合评价法等，但这些方法大多由评价者的主观意识决定，在一定程度上影响着评价结果，与实际情况偏差较大。为克服这一问题，本文在对永蓝高速公路孕灾环境和边坡灾害调查的基础上，提出了基于三角白化权熵值函数的危险性评价方法，该方法可以定量描述某一评估对象隶属于某个灰类的程度，即随着被评估指标或样点值的大小而变化的关系，能够有效消除主观因素对评价结果的影响，根据已发生灾害点的评价结果验证模型的正确性，基于此完成永蓝高速公路边坡灾害隐患点的危险性评价。

1 永蓝高速公路边坡灾害调查

2013年10月，作者针对永蓝高速公路边坡灾害多发的现状，进行了资料收集和徒步调查，填写了大量调查表，查明了永蓝高速公路孕灾环境条件和主要边坡灾害点。

1.1 永蓝高速公路孕灾环境

1.1.1 气候条件

永蓝高速公路位于湖南南部，为大陆性中亚热带季风湿润气候，冬冷夏热，春温多变，秋温陡降，春夏多雨，秋冬干旱。多年平均降雨量为1426.6 mm，最大为3089.0 mm，最小为714.0 mm，降雨时空分布不均，4～7月为雨季，占全年总降雨量的58%以上。年平均气温为16～19℃，冬季最冷月(1月)平均温度为8.6℃，夏季平均气温为26～29℃［1-2］。

1.1.2 地形地貌与水文地质条件

调查路段地形起伏较大，平原微丘和山岭重丘交错。山岭重丘区沟谷下切强烈，谷岸出露基岩，自然边坡坡度一般为25°～40°，坡高多在50 m以上;公路边坡为自然山体开挖形成，坡度一般在40°～60°，部分路段达70°～90°，坡高为8 ～50 m［1-2］。

永蓝高速公路沿线河溪发育，地表切割深、密度大，多峡谷，山坡陡峻，间有盆地和谷地。公路沿线地下水丰富，堆积层以下的基岩为弱透水层，水分只能沿基岩顶面流动，易形成滑动面，导致灾害发生［1-2］。

1.1.3 地质构造、岩性与地震

调查区地表多被第四系覆盖，以灰岩为主，局地有花岗斑岩出露。坡面砂土厚约0.5 m，其下是约2 m厚的泥质灰岩，中厚层结构。公路边坡岩土层理发育，层间胶结差，多处于强风化或全风化状态。小型断裂和各类节理裂隙对边坡灾害起控制作用。调查发现，永蓝高速公路部分路段沿断裂带布置，节理十分发育，如仅荷叶塘高架桥桥区就有4条小断层发育。地震对永蓝高速公路边坡稳定性的影响较大，水平向外力使边坡法向压力削减、下滑力增强，促使斜坡滑动，同时，强震使地震带附近岩土体松动，易引起崩滑灾害［1-2］。

1.2 永蓝高速公路边坡灾害调查

1.2.1 永蓝高速公路主要边坡灾害点

根据对调查数据的整理、分析，永蓝高速公路沿线共有边坡灾害20余处，其中影响严重、规模较大的7处(表1、图1)。

表1 永蓝高速公路主要边坡灾害点Table 1 The main slope disaster points of Yonglan expressway

1.2.2 永蓝高速公路边坡灾害类型

永蓝高速公路边坡灾害主要有滑坡和崩塌两类(表1)。

(1)滑坡

根据滑体物质的不同，永蓝高速公路沿线滑坡灾害可分为岩质滑坡和堆积层滑坡两类。

图1 永蓝高速公路主要边坡灾害点分布示意图Fig．1 The distribution map of main slope disaster points of Yonglan expressway

岩质滑坡是主要边坡灾害类型之一，又可分为破碎岩石滑坡和顺层岩石滑坡。破碎岩石滑坡分布较多、危害较大，其滑体由构造、风化作用而破碎、松散的岩石组成，岩层产状紊乱，岩体内结构面发育，但仍保持原有岩层结构特点，常位于断层附近，数量集中。堆积层滑坡具有明显的圈椅状外貌，坡面较平缓，滑体以土石混杂为主，多分布在山坡低洼处或山间沟谷出口处。滑带多依附于基岩顶面，地下水丰富，滑带倾角较缓，抗剪强度低，施工开挖会加剧变形，促发滑坡滑动失稳。

以K18+000～K18+350滑坡隐患点(1号灾害点)为例，该隐患点位于永州市零陵区桐子坪乡白泥坳村境内，永蓝高速公路和S216分别在其前、后缘通过，涉及长度约350 m。表现为后缘宽、前缘窄、横向长、纵向短的簸箕状，地表形态特征不明显，既没有前缘的隆起鼓丘，也没有后缘的拉张裂缝，但滑体中部却呈现易于积水的低洼坡地［6］。

根据钻探及物探揭露，该隐患点为一老滑坡，原始地貌为一上陡下缓、地表水和地下水易于汇集的凹形斜坡，后缘位于S216右侧山坡，滑面埋深约13 m，属中层破碎岩体滑坡。路基的开挖可能导致山体的平衡被破坏，诱使滑坡复活(图2)。

(2)崩塌

崩塌灾害在永蓝高速公路全线均有分布。其特征是崩塌物堆积在坡脚或路肩形成松散堆积体，无原岩，结构松散，碎块石含量大于90%，堆积体表面一般覆盖1～2 m厚的残、坡积层，底界面多为较完整的基岩。

K22+175～K22+480(2号灾害点)边坡在施工过程中已发生崩塌灾害，岩性为强风化砂岩，节理裂隙发育，岩体破碎，完整性差，呈角砾状散体结构(图3)。

图2 K18+000～K18+350滑坡概况Fig．2 Landslide at K18+000 ～ K18+350

图3 K22+175～K22+480崩塌概况Fig．3 Collapse at K22+175 ～ K22+480

该边坡坡度约45°，表部出露残坡积亚粘土，结构疏松杂乱，工程性质差，下伏强风化砂岩，均为自稳能力差的岩土体，路基开挖引起边坡失稳崩塌，造成工期延误。

2 永蓝高速公路边坡灾害危险性评价

危险性评价是包含多指标的综合评价，即对每一评价对象赋予一个等级和权重，再根据评价模型进行分析计算。这就要求危险性评价中必须首先确定评价指标并进行分级。

2.1 永蓝高速公路边坡灾害危险性评价指标

影响灾害危险性的因素很多，它们之间相互联系、相互制约。永蓝高速公路边坡灾害的发生一方面取决于斜坡自身的基础条件和内动力地质条件，另一方面与斜坡受到的外营力有关，同时，历史灾害状况对边坡灾害的发生也有一定影响。因此，本文将永蓝高速公路边坡灾害危险性评价指标分为内在因素、诱发因素和历史灾害状况三类(图4)。

(1)内在因素

图4 永蓝高速公路边坡灾害危险性评价指标体系Fig．4 The risk assessment indicator system for Yonglan expressway slope disaster

内在因素包括边坡自身因素、植被条件和风化条件等。边坡自身形态是形成边坡灾害的基础条件。从局部地形看，只有坡度和坡高适宜，才能形成临空面，从而导致灾害发生。据统计，滑坡一般发生在15°以上的斜坡，崩塌集中于坡度大于45°的边坡上，长期上升的分水岭山区和岸坡陡立的峡谷区也易发生崩塌。

岩土体在各种风化营力长期作用下，结构和应力状态会发生改变，强度和稳定性不断降低，表层岩体完整性被破坏，容易为边坡灾害提供物质来源。永蓝高速公路边坡岩体多处于强风化或全风化状态，在块状岩体分布区易发生崩塌灾害，在层状岩体分布区易发生滑坡灾害。

坡体植被覆盖好的地区，岩体处于弱风化状态，坡体稳定性好，不易发生边坡灾害，而植被条件差的地区，则易发生崩塌、滑坡灾害。

(2)诱发因素

诱发因素包括降雨条件和人类活动条件等。降雨对边坡灾害具有诱发作用。一方面雨水渗入边坡岩土体内，增大了岩土体自重，使下滑力与抗滑力之间的平衡难以维持;另一方面，渗入岩土体的水分，会沿岩土体的各种节理裂隙面流动，增大了裂隙宽度，加大了灾害发生可能性。

人类活动对永蓝高速公路边坡灾害的发生体现在三个方面:①人工削坡和切坡，破坏了坡体原有的稳定结构;②不合理的灌溉等导致地下水位上升，坡体含水率提高;③不合理的施工方法、质量控制和监理等导致工程质量低下。

(3)历史灾害状况

永蓝高速公路边坡灾害历史发生状况指历史灾害发生的密度、范围和强度。为不影响正常使用，灾害发生后，公路管理部门会迅速采取处理和加固措施，使历史灾害对危险性的影响降到最小。鉴于此，在永蓝高速公路边坡灾害危险性评价中不考虑历史灾害状况。

综上所述，本文选取坡度和坡高作为表征边坡内在因素的指标，选取植被覆盖度和风化波速比作为表征植被覆盖状况和风化程度的指标，选取年平均降雨量和边坡开挖高度作为表征降雨和人类活动状况的指标，建立永蓝高速公路边坡灾害危险性评价指标体系，依据孕灾环境特点和各指标对灾害发生的影响程度，将各指标数值分为5级，分别为极低危险、低危险、中等危险、高危险和极高危险，并采用专家打分法确定各指标权重值(表2)。

表2 永蓝高速公路边坡灾害危险性评价指标分级及权重Table 2 The risk assessment indicators’grading and weights for Yonglan expressway slope disasters

2.2 三角白化权函数评估基本理论

本文采用三角白化权熵值函数方法进行永蓝高速公路边坡灾害危险性评价，该方法是灰色聚类评价的一种，通过求解被评价灾害点属于各危险程度的综合聚类系数和熵值，用于确定灾害点是否属于某一危险类别。

设有n个对象，m个评价指标，k个不同的灰类，对象i关于指标j的观测值为xij，i=1，2，…，n;j=1，2，…，m。根据xij的值对相应的对象i进行评估。具体步骤如下:

(1)按评估要求划分灰类数s，将各指标的取值分为s个灰类，例如将j指标的取值范围［a1，as+1］划分为s个区间:［a1，a2］，…，［ak-1，ak］，…，［as-1，as］，［as，as+1］，其中，ak(k=1，2，…，s，s+1)的值一般可根据实际情况的要求或定性研究结果确定。

(2)令λk=(ak+ak+1)/2属于第k个灰类的白化权函数值为1，连接(λk，1)与第k-1个灰类的起点ak-1和第k+1个灰类的终点ak+2，得到j指标关于k灰类的三角白化权函数)，j=1，2，…，m;k=1，2，…，s。对于，可分别将j指标取数域向左、右延拓至a0，as+2(图5)。

图5 三角白化权函数求解示意Fig．5 The schematic of triangular whitenization function

对指标j的一个观测值x，可由式1计算出其属于灰类k(k=1，2，…，s)的隶属度)。

(3)由式2计算i(i=1，2，…，n)关于灰类k(k=1，2，…，s)的综合聚类系数。

2.3 永蓝高速公路边坡灾害危险性评价

本文针对表1中的7个灾害点进行危险性评价。对应危险性评价指标分级，确定各灾害点评价指标的取值和级别隶属(表3)。

表3 各灾害点评价指标取值Table 3 The assessment indicators’values of disaster points

根据表2给出的危险性评价指标及分级，计算得到三角白化权函数的基本参数，如表4所示，其中，、为第j指标的延拓值，为第j指标第k灰类的临界值，计算方法如式3所示。

表4 评价指标取值延拓值及灰类临界值Table 4 The continuation values and gray thresholds of assessment indicators

根据表2～4中的数据和三角白化权函数的计算方法，对永蓝高速公路边坡灾害危险性进行评价，得到各灾害点对各级危险性的综合聚类系数和熵值(表5)。

由表5可知，灾害点2和灾害点7均为已发生灾害，其评价结果为高危险，由此可见，评价结果和灾害实际发生情况是相符的，说明该评价方法科学、合理，可以利用评价结果预测潜在灾害点的危险状况。

对于尚未发生的潜在灾害点，灾害点1和灾害点6评价结果为高危险，灾害点3和灾害点5为中等危险，灾害点4为低危险。虽然灾害点1和6均为高危险，但其属于高危险的综合聚类系数分别为0.4532和0.4394，数值较小且熵值分别为1.5336、1.4890，接近ln5=1.6094，因此，灾害点1和6虽属于高危险但并不稳定，有向中等危险过渡的可能。灾害点5虽为中等危险，但其熵值为1.4802，且属于中等危险的综合聚类系数仅比属于低危险的综合聚类系数大0.0265，故灾害点5介于低危险和中等危险之间更为合理。灾害点3评价结果为中等危险，其综合聚类指数为0.5786，远大于其他危险等级的综合聚类系数，且熵值较小(1.1204)，所以灾害点3属于中等危险是稳定的。灾害点4的熵值较大，接近ln5=1.6094，且属于低危险的综合聚类系数仅比属于中等危险的综合聚类系数大0.0667，因此，灾害点4虽属低危险但并不稳定，可能过渡为中等危险。

表5 各灾害点危险性评价计算结果Table 5 The results of risk assessment for disaster points

3 结论

(1)利用资料收集和实地调查的方法，查明了永蓝高速公路沿线主要孕灾环境特点和影响严重、规模较大的7处主要边坡灾害点，并分别对一处潜在滑坡灾害点(1号灾害点)和一处已发生的崩塌灾害点(2号灾害点)进行灾害特征说明。

(2)从内在因素、诱发因素和历史灾害状况三方面建立了包括坡度、坡高、植被覆盖度、风化波速比、年平均降雨量和边坡开挖高度的永蓝高速公路边坡灾害危险性评价指标体系，根据各指标对灾害发生的影响特点，将各指标分为5级，并采用专家打分法确定各指标权重。

(3)通过三角白化权函数建立了永蓝高速公路边坡灾害危险性评价模型，对7处灾害点进行了危险性评价，已发生灾害点的评价结果与灾害实际情况相符，说明该方法是科学、合理的。

(4)根据潜在灾害点的危险性评价结果，共有高危险灾害点2处，中等危险灾害点2处、低危险灾害点1处。在永蓝高速公路建设和运营过程中，应特别注意对高危险灾害点的监测和预防，将灾害可能造成的损失降到最低。

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