山体滑坡灾害险情的水上交通管制模式

程志友,　王平义,　杨成渝,　王仕贤,　郑　捷,　李亚玲

(1. 重庆交通大学水利水运工程教育部重点实验室, 重庆 400074; 2. 武汉理工大学内河航运技术湖北省重点实验室, 湖北 武汉 430063; 3. 重庆交通大学航运与船舶工程学院, 重庆 400074; 4. 重庆交通大学国家内河航道整治工程技术研究中心, 重庆 400074; 5. 长江海事局指挥中心, 湖北 武汉 430016; 6. 重庆海事局指挥中心, 重庆 401121; 7. 武汉理工大学交通学院, 湖北 武汉 430063)

不少内河山区航道山体滑坡灾害多发.大规模滑坡体冲入航道,不仅破坏航道设施,其产生的巨型涌浪还将导致周围船舶和浮动设施的损毁.历史上长江三峡河道山体滑坡灾害频发.长江三峡工程蓄水成库后,两岸山体滑坡风险更为严重.据调研了解,截至2014年7月三峡库区范围内崩塌滑坡已达5 000多处.2015年6月,重庆巫山大宁河江东寺北岸(与长江交汇处约200 m)突发大型滑坡,引发巨大涌浪,造成对岸21艘小型船舶(渔船、农用船为主)翻沉,另有21艘靠泊船舶断缆漂航.

文献[1]采用zigbee技术构建无线遥感网络,设计了基于恒阻大变形锚索吸收能量的滑坡破坏变形全程监测系统,并实现了滑坡的稳定、次稳定、近滑、临滑的分级预警;文献[2]通过比尺模型实验研究滑坡与其涌浪的关系,实验表明波浪特征主要与滑坡体积和Froude系数有关;文献[3]通过物理模型实验进一步研究滑坡与其涌浪的关系,实验表明涌浪流场不稳定和呈非线性,并分析了4类波形特征;文献[4]通过物理模型实验研究了三峡库区两个滑坡涌浪灾害案例,提出滑坡体滑入角、水深、滑入速度、几何尺度、滑移量等与波形、波幅、波峰、波谷等涌浪特征参数之间的关系;文献[5]基于重力相似和阻力相似准则设计物理模型实验研究了峡谷形河道陡岩体滑坡对航道、水工建筑物和船舶的静态和动态破坏,并以长江三峡链子崖滑坡为实例,论证了峡谷型河道滑坡涌浪的主要特征,提出了涌浪估算的经验公式;文献[6-11]通过物理模型实验研究了山区河道型水库滑坡涌浪特性,分析了涌浪对航道通航的影响和对船舶的破坏特征,并根据有关参数变化特征推导出山区河道港口码头及锚地建设的安全限制要求和船舶安全影响水域;文献[12]在风险的经典定义基础上,进一步细化风险定义为“风险值是威胁发生可能性、后果严重性和系统脆弱性的乘积”;文献[13]根据山体滑坡海事风险的形成机制研究其三维测度方法,提出了以山体滑坡变形破坏阶段、滑坡涌浪规模、涌浪损毁船舶的系统风险综合系数为测度指标的海事风险评判模型,并通过实例说明该方法及风险评判模型的应用.可见有关国内外研究现状主要集中在山体滑坡监测预警、涌浪特性及其对航运破坏上,暂未发现山体滑坡灾害水上交通管制的相关研究.

由于山体滑坡及其涌浪形成机制及作用机理极为复杂,论文仅以大中规模剧动式岩土混合体滑坡[14]及其涌浪为对象,研究山体滑坡灾害海事风险演变特性的水上交通管制模式,为出现山体滑坡灾害险情的水上交通管制实践提供理论参考.

1　滑坡涌浪灾害的海事风险演变特性

1.1　山体滑坡灾害的发生机制

本身不利的力学条件和环境外力诱发是形成山体边坡失稳滑移的主要因素.航道两侧滑坡隐患体失稳滑移不仅与其内部动力作用有关,还与雨水冲淋、河水涨落冲刷、地质震动等环境外力诱发因素有关[8,15-18].

1.2　山体滑坡的变形破坏演变过程

文献[8,13,18-20]和课题组实地调研结论表明,在不考虑人为干预条件下山体滑坡破坏变形可分为3个变化时期,即蠕动变化时期、匀速发展时期和加速发展时期.根据滑坡监测需要,加速发展时期又细分为初加速、中加速、临破坏3个变形过程.初加速阶段破坏变形明显,数月内大规模滑移的概率较大;中加速阶段临滑前兆显现,几天或数周内大规模滑移的概率大;临破坏阶段临滑征兆显著,数小时或当天内大规模滑移的概率很大[13,18-20].

1.3　山体滑坡滑移的演进特征

据文献[8,14]和实地调研了解,发展演变的滑坡隐患体在滑移前可能有两种演进结果:一种是连续演进而滑移,即在内部动力作用或环境外力因素影响下滑移;另一种是在发展演变进程中得到缓解,即可能得到了有利的自然环境作用条件、局部滑移调整以致改善了力学综合作用条件或经人为修复干预而得到缓解,但在一定条件下可能反复发展.

1.4　滑坡涌浪特性及其破坏特征

滑坡涌浪特性与滑坡体几何尺度、土力学性质、滑移时运动速度、流固耦合特性、航道几何形态及水流特性等因素相关[8,13-14,21-22].由于滑坡涌浪形成与作用机制十分复杂,基于最不利原则,论文主要考虑山体滑坡规模与涌浪规模相一致,且在相同通航环境条件下对船舶及浮动设施造成相应等级的危害.

重庆交通大学通过水工物理模型进行了大量以破碎岩石为主的剧动型山体滑坡实验,并分析了滑坡涌浪特性及其对航道通航的影响,得到了基于实验数据统计分析的有关研究成果.

(1) 涌浪波高

文献[9]表明,滑坡涌浪首浪高度与临滑水深、滑坡体入水角度、滑坡的厚度及宽度有关,涌浪沿程波高与首浪高度、涌浪的传播距离有关,即与临滑水深、滑坡体入水角度、滑坡的厚度及宽度、传播距离有关,并给出了涌浪首浪高度和沿程波高的经验公式.

(2) 涌浪破坏能力

山体滑坡涌浪破坏河道中船舶及浮动设施,主要表现为涌浪力矩损毁船舶稳性及浮动设施的位置稳定性而使其失稳翻沉,巨型涌浪破坏船舶及浮动设施的浮性而使其浸水沉没[13].

1.5　山体滑坡灾害的海事风险研判

(1) 山体滑坡灾害海事风险的基本定义

根据风险的基本定义,山体滑坡灾害海事风险为[13]

R=PC,

(1)

式中:

P为山体滑坡的发生概率;

C为滑坡涌浪损毁船舶及浮动设施的可能后果.

(2) 山体滑坡灾害发生概率的研判要素

剧动式山体滑坡的发生概率主要由滑坡体的变形破坏阶段决定,同时受河水冲刷、雨水冲淋、地质震动等外力诱发要素影响[8,13,16,18,20].借助文献[12]的风险概率表达思想和文献[13,23]的风险概率表达方式,山体滑坡的发生概率为

P=P1E1,

(2)

式中:

P1为山体滑坡在各变形破坏阶段的发生概率;

E1为环境外力诱发要素(河水冲刷、雨水冲淋、地质震动等)对山体滑坡发生概率的影响系数,简称环境外力诱发系数.

(3) 滑坡涌浪损毁船舶及浮动设施的危害后果的研判要素

滑坡涌浪损毁船舶及浮动设施的危害后果主要与滑坡涌浪规模有关,同时还受船舶及浮动设施避险时的通航环境条件等因素影响[13,20,24].

由于滑坡涌浪损毁船舶及浮动设施的可能后果受多种因素制约影响,论文仅考虑水上交通管制所关切的主要因素,即考虑滑坡涌浪损毁船舶及浮动设施的可能后果主要与滑坡涌浪规模有关,同时还受船舶及浮动设施避险时的通航环境条件影响制约.借助文献[12]的风险危害后果表达思想和文献[13,23]的风险危害后果表达方式,滑坡涌浪损毁船舶及浮动设施的可能后果可表达为

C=C1N1,

(3)

式中:

C1为滑坡涌浪规模;

N1为通航环境条件(夜间、低能见度、不利风流因素等)对船舶及浮动设施避险能力的影响制约系数,简称通航环境条件制约系数.

(4) 山体滑坡灾害海事风险的研判要素

由式(1)、(2)、(3)可得山体滑坡灾害的海事风险为

R=P1E1C1N1.

(4)

式(4)与文献[12]的风险表达思想及文献[13,23]的风险表达方式相一致,也与山体滑坡灾害水上交通管制实践所考量的要素相一致.

2　山体滑坡灾害的水上交通管制模式

2.1　山体滑坡海事风险特性对水上交通管制的影响

地质勘查部门预报主要给出有关滑坡发生概率的预警建议,而不会给出确定性的预报结论.尽可能降低滑坡涌浪灾害造成的海事风险和适当保护航道通航效率是海事管理部门实施水上交通管制要解决的主要问题.因此,科学研判山体滑坡灾害的海事风险演变特性,研究设计针对性的水上交通管制模式是实施水上交通管制要解决的关键问题.

2.2　水上交通管制模式设计分析

2.2.1水上交通管制模式

论文探讨的水上交通管制模式主要包括水上交通管制的形式和水上交通管制的限航等级两大要素.

(1) 水上交通管制形式分析

水上交通管制的形式应与山体滑坡发生概率相对应.当山体滑坡发生概率较高时,采取管制程度较严格的水上交通管制形式;当山体滑坡发生概率较低时,采取管制程度较低的水上交通管制形式[13].

水上交通管制形式主要有禁航、限制性通航、戒备性通航等[25].视限制形式限制性通航主要有限时通航、限定船舶通航、限定通航.

(2) 水上交通管制的限航等级分析

水上交通管制的限航等级应与山体滑坡灾害海事风险严重程度相对应.当山体滑坡灾害海事风险较高时,采取管制程度较高的限航等级;当海事风险较低时,采取管制程度较低的限航等级.

限航等级主要表现在限航水域范围和限航船舶对象层次上,也可体现在限航时间或通航形式上.

2.2.2水上交通管制模式与山体滑坡灾害海事风险的关系式

为了降低山体滑坡险情水域的船舶安全风险同时又适当保护水域通航效率,设计水上交通管制模式要考虑3个方面:

(1) 水上交通管制的形式要与山体滑坡发生概率相对应,以使交通管制的通航安全保障功能与管制影响依据实际需求而得到合理优化;

(2) 水上交通管制的限航等级要与山体滑坡灾害海事风险程度相对应,以合理控制限航水域范围、限航船舶对象及限航时间,以避免因盲目限航对船舶营运活动造成不必要的干扰;

(3) 水上交通管制模式整体上要与山体滑坡海事风险演变特性相适应,以使交通管制的通航安全保障与效率维持功能从时效上能适应山体滑坡海事风险变化的要求.

根据式(4)及上述水上交通管制模式设计构想,提出水上交通管制模式与山体滑坡灾害海事风险研判要素的关系式为

(5)

式中：

J1(x)为水上交通管制形式的函数,为等级量化数据;

x为交通管制形式,通常为等级量化数据,分为正常通航、戒备性通航、限制性通航、禁航 4级;

J2(m)为限航等级的函数,为等级量化数据;

m为限航等级,为等级量化参数,分为要求所有船舶保持戒备航行、限制高风险船舶通过或限时通航及限定通航形式、限制一切船舶通过、限制一切船舶通过且要求浮动设施及(或)人员撤离 4级;

f1(t,e)为山体滑坡灾害发生概率的研判函数,为发生概率P的等级量化数据或百分比数据;

f2(t,e,n,s)为山体滑坡灾害海事风险的研判函数,为综合风险R的等级量化数据;

t为滑坡体变形破坏的发展阶段,分为初加速发展阶段、中加速阶段、临破坏阶段、滑坡险情缓解阶段,为等级量化数据,可由GPS、全站型电子速测仪等手段监测滑坡位移获得相关数据，并用滑坡滑动的变形速率指标判定;

e为环境外力诱发因素,主要有河水冲刷、雨水冲淋、地质震动等因素,为等级量化数据;

n为通航环境条件制约因素,主要有夜间、能见度不良、不利风流条件等因素,为等级量化数据;

s为滑坡涌浪规模,为等级量化数据,主要与滑坡体形状参数、临滑水深、滑移时运动速度、航道几何形态及地形条件等要素有关.

2.3　水上交通管制模式设计

结合上述分析和山体滑坡灾害水上交通管制实践做法,设计基于山体滑坡灾害海事风险演变特性的水上交通管制模式基本结构，交通管制模式具体设计还需结合实际情况综合确定，其设计分析过程如下：

(1) 根据滑坡变形破坏阶段t和环境外力诱发因素e的实际情况,对P1和E1进行赋值,由式(2)计算山体滑坡的发生概率P；

(2) 根据滑坡涌浪规模s和通航环境条件制约因素n的实际情况,对C1和N1进行赋值,由式(3)计算滑坡涌浪损毁船舶的可能后果C；

(3) 在上述基础上,由式(1)或式(4)计算山体滑坡灾害海事风险R；

(4) 根据式(4)和式(5)的对应物理意义,由P和R综合确定交通管制模式,交通管制模式中的交通管制形式x主要由P决定,交通管制模式中的限航等级m主要由R决定.

3　案例分析

长江上游巫山干井子滑坡位于长江上游里程160～165 km,长江巫峡南岸.经初步研判滑坡隐患体超过1 ×106m3、高程140～370 m,强变形区滑坡隐患体约 2×105m3、高程140～240 m,初步考虑为剧动式山体(以破碎岩石为主)滑坡.2015年6月底至7月初,三峡库区处于放水末期,由于水位下落航道两侧边坡逐渐露出水面,期间存在大雨冲淋现象,地质勘查部门发出滑坡险情黄色预警,长江海事管理部门曾多次研讨实施交通管制.

(1) 涌浪传播估算

考虑到滑坡隐患体超过1×106m3、强变形区滑坡隐患体约2×105m3、高程140～240 m,为避免造成过度交通管制,仅以强变形区估算涌浪首浪高度和限制波高下的传播距离，结合实地调研及有关数据估测强变形区滑移体的纵深长约80 m、宽度约 65 m、厚度约40 m、入滑角60°(转换为弧度计算)、河道实际水深约120 m.

涌浪传播有多种经验公式估算,论文借用文献[9]中有关经验公式推算出涌浪首浪波高为7.46 m.由船舶限制波高0.5 m作为沿程波高的限制值[9],由文献[9]中经验公式推算涌浪传播距离为3 698 m.

(2) 滑坡险情研判和参数取值

① 滑坡位移监测与变形破坏阶段研判

根据向地质部门调研所获得的滑坡位移GPS监测数据,发布预警前水平方向30、20、10 d平均变形速率分别约1.5、1.7、2.0 mm/d,经计算该滑坡体水平方向10 d平均变形速率增大，同时结合该滑坡体后缘垂直方向整体位移变形观测及宏观征兆观察,初步判断该滑坡体开始进入中加速变形破坏阶段,此时P1=0.4.

② 环境诱发因素研判

由于库区水位下落,河水对航道两侧边坡形成浸泡冲刷作用,此时E1=1.5.

期间存在强降雨,也对边坡形成冲刷影响,故环境诱发因素考虑滑坡体受库区水位下落冲刷和雨水冲刷双重作用,此时E1=1.8.

③ 滑坡涌浪规模研判

将估算的初始涌浪波高与《海洋调查规范》规定的浪高等级进行参考对比，同时参考滑坡规模的等级[26],初步判定该滑坡可能造成大中规模滑坡涌浪,此时C1=2.5.

④ 船舶避险的通航环境限制条件研判

该水域期间曾间断出现过低能见度现象,期间无明显的不利风流条件.由于考虑夜间和低能见度情形下通航的可能性,故船舶避险的通航环境条件主要考虑夜间及低能见度影响.通航环境限制条件中,正常条件及夜间N1=1.2,能见度不良时N1=1.5.

根据该滑坡监测数据与有关统计资料数据比较确定各参数取值的等级量化区间;根据该滑坡监测数据、有关经验数据及专家评分结论综合对比,确定各参数的取值，见表1.

(3) 海事风险研判

① 库区水位涨落冲刷过程

当处于库区水位涨落冲刷过程时,由式(2)可计算P=0.6；

当通航环境限制条件为正常条件及夜间时,由式(4)可计算R=1.80；

当通航环境限制条件为能见度不良时,由式(4)可计算R=2.25.

② 库区水位涨落冲刷与大雨冲淋并存过程

当处于库区水位涨落冲刷与大雨冲淋并存过程时,由式(2)可计算P=0.72；

当通航环境限制条件为正常条件及夜间时,由式(4)可计算R=2.16；

当通航环境限制条件为能见度不良时,由式(4)可计算R=2.70.

(4) 交通管制模式与海事风险研判要素的对应关系分析

根据有关统计资料、水上交通管制实践资料比较及专家经验评判,确定交通管制模式与海事风险研判要素对应关系见表2.

(5) 水上交通管制模式设计

在上述计算分析基础上,由式(4)、(5)的对应物理意义,并结合现场实际情况及地质勘查部门预警建议,设计水上交通管制模式.

① 库区水位涨落冲刷过程

当通航环境限制条件为正常条件及夜间时,交通管制模式设计中交通管制形式为戒备性通航,限航等级为要求船舶保持戒备航行；

当通航环境限制条件为能见度不良时,交通管制模式设计中交通管制形式为限制性通航,限航等级为限定通航形式(实施双向单线通航或单向通航).

② 库区水位涨落冲刷与大雨冲淋并存过程

当通航环境限制条件为正常条件及夜间时,交通管制模式设计中交通管制形式为限制性通航,限航等级为禁止客船、危险品船等高风险船舶通过，同时禁止船舶夜间通航；

当通航环境限制条件为能见度不良时,交通管制模式设计中交通管制形式为禁航,限航等级为禁止一切船舶通过.

表1　参数等级量化与取值区间Tab.1　Value interval and rank of parameter

表2　交通管制模式与海事风险研判要素的对应关系Tab.2　Relationship between maritime risk and waterway traffic control mode

(6) 防控海事灾害的交通管制对策

① 交通管制模式

为防控滑坡可能造成的海事灾害,根据对该滑坡体的海事风险研判结论并结合地质部门的滑坡位移GPS监测数据及预警建议,分环境外力诱发因素及通航环境条件情形实施不同管制形式及限航等级的水上交通管制措施,参见本节上述分析中的“(5) 水上交通管制模式设计”.

② 交通管制水域范围

以涌浪在0.5 m限制波高下的传播距离为交通管制水域范围[9],即得最小交通管制水域范围为3.698 km.为防控滑坡涌浪可能造成的海事灾害,结合水道实际情况,以长江干线神女溪(长江上游航道里程155 km)至巫山长江大桥(长江上游航道里程169 km)共14 km水域为交通管制水域范围,即滑坡体上下游各7 km水域.

③ 交通管制对象要求

船舶当被允许通过交通管制水域时,应密切关注滑坡体水域航道、航标的调整,尽量远离滑坡体一侧航行.

(7) 交通管制模式的效果评价

论文的风险研判与地质勘查部门预警意见及海事管理部门交通管制决策考虑基本一致,本文设计的水上交通管制模式与海事管理部门的分阶段(库区水位下落冲刷、大雨冲淋)、分情形(夜间、能见度不良)、分船舶对象实施交通管制相符合.

4　结　论

在归纳分析山体滑坡灾害发生概率和综合海事风险研判基础上研究提出了以交通管制形式和限航等级为要素的水上交通管制模式，使用实践案例对水上交通管制模式设计进行了验证分析,得到如下结论：(1) 山体滑坡灾害发生概率和综合海事风险的研判是水上交通管制模式设计考虑的关键因素;(2) 水上交通管制模式设计中,交通管制形式应与山体滑坡灾害发生概率相适应,限航等级应与山体滑坡灾害海事综合风险相适应;(3) 结合实际情况综合确定的水上交通管制模式能合理降低滑坡涌浪灾害造成的海事风险和适当保护航道通航效率.

致谢:重庆市教委科学技术项目(kj1400318)和内河航运技术湖北省重点实验室基金(NHHY2015001)资助.