震后山区公路地质灾害风险评估体系研究——以川九公路震后恢复重建为例

蒋瑜阳, 向 波, 王 东, 王 毅

(四川省公路规划勘察设计研究院有限公司, 四川 成都 610041)

0 引言

四川省地震活动强烈,地形复杂,地质环境十分脆弱,自2008年“5·12”汶川8.0级地震起,陆续经历“4·20”芦山7.0级地震、“11·22”康定6.3级地震、“8·8”九寨沟7.0级地震、“9·5”四川泸定6.8级地震等多次重大地震灾害,震后公路沿线地质灾害频发,几乎每年都会由于崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害导致道路中断,严重威胁山区公路的安全运营,如:雅西高速、汶马高速、都汶高速、成乐高速等重要交通干线。这不仅造成了严重的生命财产损失,而且引起了广泛关注。事后调查发现,这些导致严重后果的地质灾害绝大多数都不在已知的地质灾害隐患点范围内,其主要原因在于:灾害源区地处大山中上部,多数区域人迹罕至,且被植被覆盖,具有高位、隐蔽性特点。因此,如何合理准确地评估震后公路沿线地质灾害受灾程度及风险大小,是震后公路恢复重建亟需解决的重要问题。

目前国内对于地质灾害风险评估的研究较多,但多以区域地质灾害或单点灾害的地质灾害风险评估为主[1-5],国内针对山区公路地质灾害风险评价的方法仍不完善。目前存在的地质灾害风险评估方法主要可以分为三类,主要包括物理模型法、专家评分法和机器学习法三类。物理力学方法要求准确掌握岩土体的物理力学发展过程,并且建立能够真实刻画地质灾害机理的物理力学模型,这对于震后公路单一重要灾害点的评价是可以实现的,但对于震后公路沿线大范围存在众多地质灾害而言,几乎是很难实现的;机器学习方法具有自动学习、更新的强大功能,但依赖于数量较多、质量较高的样本数据,否则无法得到准确地计算模型,机器学习方法是未来地质灾害风险评估方法的主要发展方向;专家评分法原理简单、便于操作,能够考虑地质灾害的各种影响,多数国家和地区采用该方法对地质灾害进行风险评价,是目前最为可靠实用的一类地质灾害风险评估方法。

通过对比目前主要的地质灾害风险评估方法,根据四川山区公路地质灾害位置高、高隐蔽性及高植被覆盖的特点,对现有评估方法进行调整与补充,制定一套适用于四川山区公路的地质灾害风险评估体系,提出了山区公路地质灾害风险两步评分法,该方法更能适合震后在现场快速获得可靠的参数,同时亦能考虑众多参数的影响,方法相对可控可靠,对于指导震后艰险山区公路恢复重建具有重要的意义。

1 山区公路地质灾害风险评估体系

为建立山区公路地质灾害风险评估体系,首先需提出对应的地质灾害评价指标,在对国外目前采用的地质灾害方法总结以及对搜集到的公路地质灾害资料进行致灾因子分析,通过开展多次的业内专家研讨会,邀请专家填写指标及权重调查表等方式,提出考虑危险性评价、防护工程技术状况与危害性评价的一套分层次风险评价指标体系,如图1所示。

图1 风险评价体系图Fig.1 Risk assessment system

指标体系分为评价指标类与评价指标两个层级;指标类包含从灾害发生的可能性、对灾害的防护程度、灾害发生后果这三部分来进行;不同阶段可能存在同名指标,但在一般情况下详细评估阶段的指标分级较初步评估阶段更加细致;指标类及其指标均有自身的权重,因此权重也分为两级。

这样设置的原因是,通过指标分级,能够将各指标按照逻辑关系进行归类,并且在指标分级后能够使各指标的物理意义更加明确,这样也能为后面的指标权重分配创造条件。而如果将不同类型、不同层级的评价指标放在一起,则逻辑不清晰,关系混乱,且不利于评价系统的理解与推广应用。

1.1 评价指标

公路地质灾害包括泥石流、滑坡、崩塌等多种类型,鉴于篇幅原因,重点对泥石流评价指标进行说明。

1.1.1 可能性

泥石流可能性指标包括物源条件、地形地貌、气象水文三类指标。

1.1.2 防护程度

泥石流防护程度指标主要衡量的是对泥石流的抑制作用的大小。初步评估中,仅分为有防护、无防护两种情况;在详细评估中,将常见的各类泥石流防护措施分为强、中、弱、无四个等级。

1.1.3 后果

公路边坡泥石流的后果指标包括公路等级及危害性两个评价指标。

1.2 评价指标权重

评价指标权重体现了该评价指标的取值变化对危险性的影响大小。评价指标的获取方法较多,应用较广泛的方法主要有排序法、专家调查分析法、层次分析法、二次项系数法等。其中,排序法首先需要确定指标之间的重要性排序,然后根据计算公式就能得到具体的指标权重,因此该方法具有操作简便的特点,但是对于固定的指标排序来说,排序法得到的指标权重是固定的;而专家调查分析法是在广泛收集专家对指标权重意见的基础上,对这些专家意见进行统计分析,并得到最终权重的方法,专家调查分析法可以最大限度地吸取行业内专家的工程经验,得到较灵活的权重值,以弥补排序法的缺陷。因此课题组在确定权重时,主要采取排序法和专家调查分析法这两种方法综合求解。

泥石流、滑坡、崩塌、边坡失稳、路基水毁等不同的灾害类型均建立了相应的指标权重系数表,本文以泥石流风险评价指标为例进行详细叙述,具体权重系数如表1所列。

表1 泥石流风险评价指标权重系数选用表

2 山区公路地质灾害风险评价具体方法

基于山区公路地质灾害分类、评价指标体系,提出了山区公路地质灾害风险评价方法,可简称为两步评分法。

其要点为将需评价的公路路段分成初步评分与详细评分两个阶段,各阶段分别包括崩塌落石、泥石流、边坡失稳、路基水毁四种灾害类型,即整个系统包括8张评分表,如图2所示。

图2 评分系统结构Fig.2 Scoring system structure

鉴于篇幅原因,重点对泥石流灾害风险评价示例说明。

2.1 建立公式

按照初步评分与详细评分两个阶段建立总得分公式。初步风险评价阶段灾害风险根据危险性、防护工程技术状况及危害性的各项一级指标进行评价,详细风险评价阶段灾害风险根据危险性、防护工程技术状况及危害性的各项一级指标与二级指标进行组合评价。

(1) 初步风险评价阶段灾害风险总得分公式:

(1)

式中:R为灾害风险总得分;H为危险性指标总得分;P为防护工程技术状况指标总得分;V为危害性指标总得分;rHi、rPi、rVi为危险性指标、防护工程技术状况指标、危害性指标的一级指标的权重;xHi、xPi、xVi分别为危险性指标、防护工程技术状况指标、危害性指标的一级指标得分;k、m、y分别为危险性指标、防护工程技术状况指标、危害性指标的一级指标的项数。

(2) 详细风险评价阶段灾害风险总得分公式:

(2)

式中:rHij、rPij、rVij分别为危险性指标、防护工程技术状况指标、危害性指标的二级指标的权重;xHij、xPij、xVij分别为危险性指标、防护工程技术状况指标、危害性指标的二级指标得分;l、n、z分别为危险性指标、防护工程技术状况指标、危害性指标的二级指标的项数。

2.2 制定评分表

公路泥石流初步与详细评分表中的指标类为物源条件、地形条件、气象水文、防护措施与后果5种。在初步评分表中,物源条件包含的评价指标为历史灾害、物源类型与物源丰富程度3项;地形条件包括的评价指标纵坡坡度1项;气象水文包括的评价指标为年均降雨量与汇水条件2项;防护措施包括的评价指标为防护强度1项;后果包括的评价指标为泥石流与公路关系、危害性与公路等级3项。

在公路泥石流详细评分表中,指标类与初步评分表一致,也为物源条件、地形地貌、气象水文、防护措施、后果5种。不同于初步评分表的是,其中物源条件包括的评价指标为历史灾害、一次最大冲出量、物源类型、沿沟松散物储量4项;地形地貌包含的评价指标为纵坡坡度、主沟长度、沟谷横断面形状;气象水文包括的评价指标为年均降雨量、年均最大单日降雨量和汇水条件。鉴于篇幅原因,以下仅列出初步评价阶段的评分表(表2)。

表2 初步评价阶段评分表

2.3 确定风险分级

按照制定的评分表和已确定的权重系数,分初步评价、详细评价两阶段进行计算。通常应先进行初步评价,当确定为中风险时,应进一步详细评价,从而使结论更为精确和可靠,得分越高表明灾害治理难度越大,风险越不可接受。表3、表4为两阶段下不同分级标准得分对应的风险等级。

表3 泥石流风险分级表(初评)

表4 泥石流风险分级表(详评)

3 工程实例分析

3.1 工程概况

川九公路位于四川省阿坝州的九寨沟县和松潘县境内,路线全长约123 km。该条公路九寨天堂至上四寨路段位于文县至玛沁断裂的两个次级断裂之间(上四寨—中查—比芒、九寨天堂—震中—五花海),受“8·8”九寨沟地震影响,地震的主发震断裂切过“九寨天堂”附近,上四寨村的隐伏状地震断裂亦发生次级同震破裂[6],造成该路段成为“8·8”九寨沟地震后受损最为严重的路段,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潜在泥石流等灾害群,如图3所示。

图3 上四寨至九寨天堂段断裂带位置及部分重要灾害点分布图[7]Fig.3 Location of the fault zone and distribution of some important disaster points in Shangsizhai-Jiuzhaitiantang section[7]

3.2 山区公路地质灾害风险评估体系的应用

本路段存在三种恢复重建方案,如图4所示,分别为:

图4 上四寨至九寨天堂段路线方案示意图[8]Fig.4 Schematic diagram of route plan in Shangsizhai-Jiuzhaitiantang section[8]

(1) 方案一:对原路灾害进行治理,从而维持既有道路的K线方案。

(2) 方案二:对B9、B10以及潜在N2泥石流灾害进行治理,设短隧道绕避B7、B8灾害的J+K线方案。

(3) 方案三:设长隧道完全绕避老路沿线既有地质灾害的N方案。

三个方案各有优缺点,特别是在是否保留“九倒拐”这一特殊路段争议较大。作为交通运输部和四川省于2003年联合打造的建设新理念示范公路,川九路上提出的“安全、舒适、环保、示范”“合理采用技术标准、灵活运用技术指标”“最大限度地保护、最小限度的破坏、最大程度地恢复”长期以来得到相关专家和设计人员的推崇[9],而“九倒拐”又是这一理念的完美体现的路段,如果采用方案一和方案二,“九倒拐”能够得到很好的保留;反之,若选用方案三,则该路段将被舍弃(1)戴东昌,杨文银,关昌余,等.川主寺至九寨沟公路环保与景观设计关键技术研究.2015.。

课题组采用山区公路地质灾害风险评估体系对上述灾害群进行了逐一分析评价。其中:

(1) B9、B10崩塌灾害群危及第1拐～第7拐,危岩最大高度达270～290 m,影响路段长约1 600 m。两处高位崩塌灾害风险总得分R分别为312和314,即分别划分为较高风险,基本不可接受(图5)。

图5 九倒拐B9、B10高位崩塌以及与川九路 原路的相对关系Fig.5 Collapses of B9 and B10 and the relative relation with Chuanzhusi-Jiuzhaigou highway

(2) 上四寨B7大型高位崩滑灾害群,最大边坡高度达400 m,影响路段长约700 m(图6);新二拐B8—高位崩滑灾害群,最大边坡高度达500 m,影响路段长约1 200 m。灾害风险总得分R分别为362和386,划分为高风险,不可接受。

图6 无人机拍摄的B6、B7高位崩塌照片Fig.6 Photo of B6 and B7 collapses taken by UAV

(3) 两岸灾害群在暴雨作用下极易形成坡面泥石流[10],最终汇集形成潜在N2泥石流灾害,对上四寨至新二拐段沿河段、第9拐跨河段原路和运营安全造成严重威胁[2]。通过图7所示,该泥石流在2017年8月8日九寨沟地震震后,沟内物源急剧增加,并在强降雨期间多次爆发,为高频泥石流。泥石流灾害风险总得分R=494,划分为极高风险,完全不可接受。

(4) 此外N线新线止点附近存在一处较难处治的滑坡,灾害风险总得分R=322,划分为较高风险,基本不可接受。

鉴于山区公路地质灾害风险评估体系对上述路段灾害的评估结论,尤其是潜在N2泥石流极高风险等级的判断,政府以及规划设计人员采纳了方案三进行了本路段的灾后重建工作。

3.3 重建方案具体实施优化

选用方案三作为恢复重建的路线方案后,尚面临以下工程地质问题:如何更为安全的跨越N2泥石流灾害;如何安全通过新建路段的滑坡灾害;如何在生态敏感区域合理消化新线方案产生的大量隧渣。

(1) 绕避泥石流灾害

设桥跨越泥石流沟,且为防止后期爆发大型泥石流对桥墩的冲撞,对N2泥石流采取了多级拦挡+排导槽疏通+防撞岛保护桥墩的一系列综合措施(图8、图9)。

图8 如意坝大桥跨越N2泥石流总体平面图Fig.8 General plan of Ruyiba Bridge crossing N2 debris flow

图9 如意坝大桥下防撞岛布置图(单位:mm)Fig.9 Layout of anti-collision island under Ruyiba Bridge (Unit:mm)

通过一系列工程措施后,泥石流尽管危险性得分未变,但由于防护工程技术、灾害发生后果两者的得分大大降低,使得灾害风险总得分降低到150以下,风险等级降低到可接受的低风险。

(2) 隧道洞渣综合利用

利用隧渣作为反压滑坡体(图10),在保证滑坡稳定的同时,实现生态敏感区的零弃方,更是在寸土寸金的九寨沟区域场坪出一块新场地。同样使得之前评价为较高风险的滑坡,灾害风险总得分降低到150以下,风险等级降低到可接受的低风险。

3.4 重建方案后评价

九寨沟地震已过去5年多时间,这一区域地质灾害仍在持续演变(图11)。通过九寨天堂至上四寨“九倒拐”路段的航拍比对图(图12、图13)可以看到,上游沟道泥石流物源未见明显减少,多次爆发的泥石流已堆积到老路边,未来老路存在被掩埋风险,风险逐渐加大。但由于采用山区公路地质灾害风险评估体系对这一路段危险性的成功预判,使得灾后重建的新线方案合理绕避了这一极高风险的泥石流灾害。

图11 隧道弃渣反压NK52滑坡体断面示意图(单位:m)Fig.11 Schematic diagram of cross-section of NK52 landslide body with back pressure from waste slag of tunnel (Unit:m)

图13 2021年9月“九倒拐”路段航拍图Fig.13 Aerial photo of the "Jiudaoguai" section in September 2021

同时,现场人员对新线的滑坡体布设了9个监测点进行持续的位移监测,截止2022年9月底,未监测到明显的位移变形,表明隧渣反压滑坡的处治方案合理,原常年蠕动变形滑体的问题已根治,目前已利用这一反压区域修建川九路智慧管理分中心,实现了隧道洞渣综合利用。

4 结语

笔者在参与“8·8”九寨沟7.0级地震抢险保通中,通过项目组建立的山区公路地质灾害风险评估体系,按照核查区域受灾情况;利用风险评价体系进行风险等级的评定;在风险等级划分的基础上,考虑生态敏感性、经济性等多重因素总体策划路线方案,有效指导了川九公路上四寨至九寨天堂艰险路段的灾后恢复重建工作。

川九公路重建通车后,持续保持安全运营,充分考虑危险性评价、防护工程技术状况与危害性评价三者结合的地质灾害风险评估体系得到了很好的验证,也期望相关成果能够为“9·5”四川泸定地震,以及后续类似的公路灾后重建工程提供参考。