山區沿河公路地質風險形成機制*

陳遠川，陳洪凱

(重慶交通大學巖土工程研究所，重慶400074)

山區沿河公路地質風險形成機制*

陳遠川，陳洪凱

(重慶交通大學巖土工程研究所，重慶400074)

根據山區沿河公路災害的特點，將以巖土介質為主的傳統地質災害類型和水沙介質災害類型整合，提出了“廣義地質災害體”的概念，并以介質組成為標準進行了廣義地質災害體分類。在孕災環境評價和致災因子評價的基礎上，提出了廣義地質災害體的孕災環境與致災因子異相耦合發育機理。基于公路承災體健康的理念，認為公路承災體易損性主要受控于公路結構本身的健康性態，采取技術可行、經濟合理的技術措施使結構健康復原是工程性減災措施的目的。將公路承災體類型分為結構性承災體和功能性承災體兩類。提出了公路地質風險的耦合對抗形成機制，即公路地質風險是廣義地質災害體危險性與公路承災體易損性之間時空耦合對抗的結果。認為地質風險評估是關于多因素非線性災害風險系統的預測評價問題。根據地質風險形成的耦合機制，提出了采用解耦措施來逆向控制公路地質風險形成演化過程的減災思路。針對山區沿河公路，給出了從孕災環境、致災因子、廣義地質災害體危險性、承災體易損性評價到地質風險評估的思路與一般函數表達式。

沿河公路;地質風險;廣義地質災害體;承災體易損性;耦合對抗機制;解耦措施;承災體健康復原

0 引言

地質災害風險是聯合國國際減災十年之后國際社會災害風險研究學界的重點課題之一。在公路工程領域，開展山區沿河公路地質風險評估與減災研究對公路災害風險管理學界和山區公路管理、養護部門都具有重要的理論參考和工程實用價值。山區沿河公路地質風險具有自然屬性和社會屬性的雙重特性［1］。自然屬性體現為山區沿河公路地質災害的危險性，社會屬性體現為山區沿河公路毀損、斷道等造成的經濟損失和人員傷亡等不利后果，二者相互疊加、綜合后最終形成山區沿河公路地質風險。山區沿河公路地質災害危險性由孕災環境和致災因子二者之間的合成、綜合作用決定，山區沿河公路承災體的毀損及斷道等造成的經濟損失和人員傷亡等不利后果受控于山區沿河公路結構的健康性態。

地質風險形成機制是開展公路地質風險評估與減災研究的基礎。通過公路地質風險評估達到貫徹山區沿河公路“防治結合，以防為主，深化主動防御”的防治原則的目的。將工程性“硬”措施與非工程性“軟”措施相結合，強調災前以防為主，而不是等災害發生以后再治，可有效降低公路養護、維修和應急搶通等對資源的消耗量，為建設節約型社會貢獻力量。

迄今，國內外許多學者都進行了公路地質災害風險相關的研究，可概括為:公路水毀災害機理和災害系統研究［2－4］、公路災害環境評價研究［5－14］、公路崩滑 流 災 害和路基沉陷評 價 研究［15－22］、公路邊坡和高切坡評價研究［23－24］、公路易損性和抗災能力研究［25－26］等5個方面。從文獻分析可知，目前公路地質災害風險研究對單災種的評價研究較多，對多災種綜合風險研究較少;決定評價指標分級量化取值和權重分配合理性的公路災害物理力學機制研究不夠深入，未根本搞清楚災害毀損公路的力學機制，導致評價標準、評價指標量化中存在較多人為主觀因素;評價方法多是借用單一災害點評價和區域評價的方法，未建立適用于公路這種線形結構物的評價方法;對公路地質災害危險性評價研究較多，而對公路地質災害損失、公路承災體健康狀況的評估研究較少。因此以公路地質風險形成機制研究為基礎，系統開展公路地質風險評估研究，構建公路地質風險評估理論體系有重要意義。

本文針對山區沿河公路地質風險形成機制，從孕災環境、致災因子、承災體組成的災害系統中多因素非線性相互作用的角度，基于山區沿河公路可能遭受災害類型的實際情況，提出了“廣義地質災害體”的概念和廣義地質災害體發育的孕災環境與致災因子異相耦合機理;基于公路承災體結構健康的理念，對公路承災體易損性評價進行研究，提出了結構健康復原的減災思想;最后，提出了公路地質風險的耦合對抗形成機制和“解耦”的減災思路。

1 山區沿河公路地質災害體研究

在公路工程中，通常意義的地質災害只包含崩塌、滑坡、泥石流、路基沉陷等不良地質條件，未涉及山洪和河道洪水災害。但是，由于山區沿河公路所處的特殊地形地貌位置、沿河水力特征和公路兩側小流域對極端降雨條件的高敏感性，使得公路沿線小流域出口處的山洪和平行公路走向的河道洪水都是導致山區沿河公路路基、小橋、涵洞、公路支擋防護結構、路面等承災體毀損的重要災害類型。因此本文將山洪災害和河道洪水災害一起納入影響山區沿河公路地質安全的地質災害體范疇，并界定“廣義地質災害體”的概念，以便于開展山區沿河公路地質風險形成機制研究。

本文這樣界定“廣義地質災害體”:在與公路工程結構地質安全和巖土減災相關的研究過程和工程實踐中，在傳統的以崩、滑、流等巖土介質為主的地質災害類型基礎上，增加山洪災害、河道洪水災害等以水這種流體介質為主的水沙災害類型，將所有會對公路工程結構產生毀損致災作用的災害類型統稱為“廣義地質災害體”。山區沿河公路地質風險形成機制研究中，廣義地質災害體主要包括:傳統的以巖土介質為主的地質災害類型，如崩、滑、流、路基沉陷等;以水沙介質為主的山洪災害和河道洪水災害。

1.1 廣義地質災害體類型

不同的地質災害體對公路承災體有不同的致災作用，因此對廣義地質災害體類型進行合理劃分，有利于山區沿河公路地質災害危險性和致災機理的研究。

分類方案一:按災害種類劃分為以危巖、崩塌、滾(落)石、表層滑坡、深部滑坡、坡面泥石流、溝谷泥石流、路基沉陷等為代表的傳統地質災害類型和以小流域山洪、河道洪水等為代表的水沙災害類型(圖1)。

圖1 廣義地質災害體分類方案一

分類方案二:按致災體介質類型和復雜程度劃分為土體介質災害體、巖體介質災害體、水體介質災害體、巖土復合介質災害體、水沙混合介質災害體和水土石混合介質災害體等類型(圖2)。方案二從地質災害體介質組成的角度出發，采用介質類型和介質復雜程度進行廣義地質災害體的類型劃分，可供固液氣三相介質耦合及相變研究、多孔介質、裂隙介質和復雜介質災變力學研究參考。

圖2 廣義地質災害體分類方案二

1.2 山區沿河公路地質災害孕災環境評價

孕災環境是形成廣義地質災害體的重要方面。在實地調研、文獻分析和專家咨詢的基礎上，綜合考慮山區沿河公路沿線地質災害發育現狀(x1)、河流水力特征(x2)、河段地形(x3)、公路沿線小流域產匯流和產沙特征(x4)、工程巖土性質(x5)、斜坡結構(x6)、斜坡水文地質條件(x7)、年均降雨量(x8)、植被覆蓋度(x9)、氣溫起伏度(x10)和地質構造條件(x11)等因素對山區沿河公路孕災環境的影響。

在指標體系優化的基礎上，對各指標進行分級量化、確定權重，采用合理的評價方法，得出研究區域山區沿河公路孕災環境的評價結果。山區沿河公路地質災害孕災環境條件按評價結果可分為危險區、高易發區、中易發區和低易發區。孕災環境評價可用式(1)所示的一般函數表達式表示，評價過程為一個多因素非線性的數學決策計算問題。

式中:Z為孕災環境綜合評價值;xi為孕災環境評價指標，i=1，2，3，…;f為構建的孕災環境指標和孕災環境綜合評價結果之間的非線性函數映射關系。

當山區沿河公路孕災環境評價采用多因素綜合指數法時，計算得到的綜合指數是公路地質災害孕災環境的綜合量化值，孕災環境評價公式(1)具體化為式(2)的形式，其計算公式為:

式中:Z為孕災環境綜合指數;Wi為指標權重值;Fi為孕災環境指標量化值;n為指標個數。

山區沿河公路地質災害孕災環境強調相對靜態的公路地質災害體易發條件，是進行廣義地質災害體發育機理研究和危險性評價的基礎。

1.3 山區沿河公路地質災害致災因子強度評價

致災因子從廣義地質災害體形成的誘發、激發條件的角度出發，考慮極端降雨特征(t1)、洪水特征(t2)、地震條件(t3)和人類活動(t4)等因素進行致災因子對廣義地質災害體成因的貢獻率分析。山區沿河公路地質災害致災因子強調動態的降雨、地震、人類活動等對廣義地質災害體形成演化的影響。區別于孕災環境的歷年平均降雨因素，致災因子中的降雨因素側重于考慮長歷時、高強度、大雨量的極端降雨條件。人類活動可用人口密度等指標進行量化。致災因子強度評價可用式(3)所示的一般函數表達式表示，評價過程同樣為一個多因素非線性的數學決策計算問題。

式中:I為致災因子綜合強度評價值;tj為致災因子指標，j=1，2，3，…;g為構建的致災因子指標和致災因子綜合強度評價值之間的非線性函數映射關系。

1.4 廣義地質災害體的發育機理——孕災環境與致災因子異相耦合

廣義地質災害體災害的發生受孕災環境和致災因子兩方面的控制，孕災環境是廣義地質災害體形成的宏觀背景，致災因子是災害發生的誘發或激發因素，因此廣義地質災害體的發育機理包括形成機理和誘發機理兩個方面。形成機理從孕災環境角度研究廣義地質災害體的宏觀孕發條件，以便于從地質環境、生態環境、氣象氣候條件等大的背景下開展減災工作，比如孕源減災、控源減災等減災理念的提出。誘發機理從致災因子角度研究直接導致災害發生的致災關鍵要素，以便于研發具體的工程性減災技術手段來切斷災害鏈，阻斷廣義地質災害體的形成演化過程，提高公路工程結構的地質安全，減少公路地質風險。

廣義地質災害體的發育是孕災環境系統和致災因子集合中多因素非線性異變耦合的結果，要有效抗御其對公路承災體的毀損致災作用、保證公路工程結構的地質安全、合理有效規避公路地質風險，必須以各種地質災害體毀損相應公路承災體的機理研究和形成各類廣義地質災害體的耦合效應研究為依據。

在廣義地質災害體的發育過程中，孕災環境起內因的作用，而致災因子則起外因的作用，地震、暴雨、人類活動等致災因子“外荷載”對孕災環境中的潛在災變地質體起擾動的作用。

1.5 廣義地質災害體的危險性評價

山區沿河公路廣義地質災害體危險性由公路地質災害的孕災環境綜合評價結果Z和致災因子綜合強度評價結果I之間的合成、綜合作用決定。要量化廣義地質災害體危險性等級，需要構建孕災環境綜合評價結果、致災因子綜合強度評價結果二者和廣義地質災害體危險性等級之間的函數映射關系。廣義地質災害體的危險性評價可用式(4)所示的一般函數表達式表示。

式中:H為廣義地質災害體危險性等級;Z為孕災環境綜合指數;I為致災因子綜合強度評價結果;u為構建的孕災環境綜合評價結果、致災因子綜合強度評價結果二者和廣義地質災害體危險性等級之間的非線性函數映射關系。

廣義地質災害體危險性評價的過程見圖3。

圖3 廣義地質災害體危險性評價過程

2 山區沿河公路承災體研究

山區沿河公路地質風險是山區沿河公路沿線的廣義地質災害體危險性與山區沿河公路承災體易損性耦合對抗的綜合表現。因此，山區沿河公路不同路段的不同類型承災體及其抗災能力(易損性)是核算山區沿河公路水毀災害損失的基礎，是構建山區沿河公路地質風險評估方法的重要方面。

2.1 山區沿河公路承災體類型

不同的公路承災體類型對可能的地質災害體的致災毀損作用有不同的響應，故對公路承災體類型進行合理劃分，有助于公路承災體的易損性(脆弱性)和健康性態研究。將山區沿河公路承災體分為結構性承災體和功能性承災體兩大類，其中結構性承災體主要包括路基、小橋涵、邊坡加固及防護結構，功能性承災體主要包括路線和路網(圖4)。

圖4 山區沿河公路承災體

2.2 山區沿河公路承災體易損性評價

公路承災體易損性主要取決于公路承災體的健康狀態，在孕災環境和致災因子相互作用形成的廣義地質災害體危險性一定的條件下，公路承災體抗毀能力越高，越有利于抗御各種災害，越有助于提高公路結構的地質安全和規避公路地質風險。

廣義地質災害體與公路承災體的相互作用關系見圖5。將廣義地質災害體對公路承災體的致災毀損作用概化為推擠、牽拉、“沖”、“淤”、“滲”五類力學模式。公路承災體的抗災能力用結構的健康性態來體現。山區沿河公路承災體易損性評價是一個受多因素影響的非線性決策問題，易損性主要決定于公路承災體結構自身的強度、剛度及穩定性，優選不同類型承災體的易損性評價指標，選擇合理、適用、先進的公路易損性評價方法(數學模型)進行山區沿河公路承災體的抗災能力研究。

公路承災體易損性評價可用式(5)所示的一般函數表達式表示，評價過程同樣為一個多因素非線性的數學決策計算問題。

式中:V為承災體易損性評價值;uj為易損性評價指標，j=1，2，3，…;k為構建的易損性評價指標和承災體易損性評價值之間的非線性函數映射關系。

圖5 廣義地質災害體與公路承災體的相互作用

(1)山區沿河路基易損性評價指標:路基填料類型(u1)，路基拔河高度(u2)，路基邊坡承沖面坡度(u3)，路基管養措施(u4)，路基使用年限(u5)，路基防護措施(u6)，路基處河段類型(u7)。

(2)山區沿河公路小橋涵易損性評價指標:沖刷深度(u1)，橋涵位置(u2)，迎沖部位的消能防沖措施(u3)，過流能力(u4)，進出口形式(u5)，輸沙抗淤能力(u6)，橋涵的管養措施(u7)。

(3)山區沿河公路邊坡易損性評價指標:邊坡坡度(u1)，斷面形式(u2)，養護措施(u3)，使用年限(u4)，路基填料類型(u5)，山區沿河公路路面寬度(u6)。路基填料類型和路面寬度影響公路邊坡失穩導致公路斷道后的搶通速度和恢復能力。

3 山區沿河公路地質風險形成機制

公路地質風險具有自然屬性和社會屬性的雙重性質。自然屬性體現為孕災環境和致災因子異相耦合形成的廣義地質災害體的危險性;社會屬性體現為災害體可能導致的公路毀損、人員傷亡和經濟損失等不利后果。地質風險的社會屬性很大程度上受公路工程結構健康性態的影響，即公路承災體抗御廣義地質災害體毀損作用的能力(易損性)是決定不利地質風險后果的關鍵。廣義地質災害體的危險性決定致災“荷載”的強度大小，公路承災體的易損性決定公路結構對不利“荷載”作用的響應特征。因此，公路地質風險形成是廣義地質災害體危險性和公路承災體易損性二者之間耦合對抗作用的結果(圖6)。

山區沿河公路地質風險形成機制可用式(6)所示的一般函數表達式表示，即公路地質風險形成是孕災環境、致災因子和承災體三大災害風險子系統中多因素非線性相互作用的耦合對抗過程。

式中:R為公路地質風險;H為廣義地質災害體危險性;V為公路承災體易損性;c為廣義地質災害體危險性與公路承災體易損性之間時空耦合對抗的非線性耦合映射。

圖6 公路地質風險形成機制

公路地質風險研究的目的是保證公路工程結構的地質安全，提高公路抗御災害的能力，并合理規避公路地質風險，為公路減災決策提供依據，要實現以上目標需要以地質災害毀損公路的力學機理研究和公路災害的統計規律研究為基礎，采用非線性GIS方法為手段實現地質風險自然屬性和社會屬性的疊加、綜合，合理預測并量化潛在的災害不利后果，并以評估預測結果為依據進行合理的減災決策(圖6)。因此，地質風險評估問題是一個多因素非線性的災害風險系統預測評價問題。

公路地質風險是廣義地質災害體危險性和公路承災體易損性之間時空耦合對抗、相互作用的結果，根據地質風險形成的耦合機制，提出技術可行、經濟合理的解耦措施來反向控制公路地質風險的形成演化過程是公路減災的一個思路。通過解耦措施盡力防止公路災害發育環境的構成，有效而適時地改造公路災害發育環境及全過程監測公路地質災害是公路減災的有效方法。具體的解耦措施可以是宏觀地改善生態氣候、植樹造林、孕源減災、合理引導人類活動等降低廣義地質災害體的危險性、阻斷廣義地質災害體形成的政策，也可以是具體地研發工程性技術措施來提高公路承災體的健康性態和抗災能力、使劣化的公路結構健康復原。

4 結論

(1)山區沿河公路路線兩側各個小流域出口處的山洪和平行公路走向的河道洪水是危及山區沿河公路地質安全的重要災害類型。在傳統的以崩、滑、流等巖土介質為主的地質災害類型基礎上，增加山洪災害、河道洪水災害等以水這種流體介質為主的水沙災害類型，將所有會對公路工程結構產生毀損致災作用的災害類型統稱為“廣義地質災害體”。以介質類型為標準提出廣義地質災害體分類便于開展山區沿河公路減災理論研究。

(2)廣義地質災害體的發育是相對靜態的孕災環境系統和動態的致災因子集合中多因素非線性異相耦合的結果。廣義地質災害體的發育機理包括形成機理和誘發機理兩個方面。形成機理從孕災環境角度研究廣義地質災害體的宏觀孕發條件，誘發機理從致災因子角度研究直接激發災害發生的致災關鍵要素。

(3)從公路承災體健康的理念出發，認為公路承災體易損性評價即為公路承災體抗御災害的能力和健康性態評價，提出了公路工程結構健康復原的公路維修養護理念和觀點。公路承災體類型可分為結構性承災體和功能性承災體兩類，對山區沿河公路的路基、小橋涵和邊坡3類結構性承災體初步給出了可供參考的易損性評價指標。

(4)公路地質風險是廣義地質災害體危險性與公路承災體易損性之間時空耦合對抗的結果，根據地質風險形成的耦合對抗機制，提出了采用解耦措施來逆向控制公路地質風險形成演化過程的減災思路。通過解耦措施盡力防止公路災害發育環境的構成，有效而適時地改造公路災害發育環境及全過程監測公路地質災害是公路減災的有效方法。

(5)孕災環境、致災因子和承災體三者構成災害風險系統，認為地質風險評估過程是關于多因素非線性災害風險系統的預測、評價和數學決策計算過程，提出了孕災環境評價、致災因子強度評價、廣義地質災害體危險性評價、承災體易損性評價和地質風險評估的思路和一般函數表達式，可為進一步深入開展山區沿河公路地質風險評估提供依據。

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Formation M echanism of Geological Risk of M ountainous Highway along River

Chen Yuanchuan and Chen Hongkai
(Institute of Geotechnical Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China)

According to the characteristics of mountainous riverside highway disasters，combined traditional geotechnicalmedium geological disasters and flood and sediment disasters，the authors put forward the“generalized geological disasters body”concept，and classified the generalized geological disasters body usingmedium composition for standard．Based on the evaluation of disaster-breeding environment and disaster-causing factor，the catastrophecoupling developmentmechanism of the generalized geological disasters body by interaction between disaster-breeding environment and disaster-causing factor is given．Based on the health concept of highway hazard-affected body，it is thought that vulnerability of hazard-bearing body ismainly controlled by the healthy condition of highway structure．The purpose of engineering disaster alleviationmeasures ismaking structure health recovery by taking technically feasible and economy reasonablemeasures．The highway hazard-affected bodies are divided into two types as structural and functional ones．The coupling and confrontationmechanism of highway geological risk is put forward，which indicates thathighway geological risk is the result of coupling and confrontation between hazard of generalized geological disasters body and vulnerability of highway hazard-bearing body．It is thought that geological risk assessment is about the prediction and evaluation study on themulti-factors and nonlinear disaster risk system．According to the coupling formationmechanism of geological risk，the idea for reverse control of the formation processes of highway geological risk by decoupling measures is proposed．For mountainous riverside highway，the work ideas and general function expressions for disaster-breeding environment，disaster-causing factors，hazard of generalized geological disasters body，vulnerability assessment of hazard-bearing body and geological risk assessment are given．

riverside highway;geological risk;generalized geological disasters body;hazard-bearing body vulnerability;coupling and confrontationmechanism;decouplingmeasures;health recovery of hazard-bearing body

U418.5+4;P642.2

A

1000－811X(2012)03－0006－06

2011－11－24

2012－01－10

西部交通建設科技項目(2009318221035)

陳遠川(1984－)，男，重慶銅梁人，博士研究生，主要從事公路地質安全理論與減災研究．E-mail:Geomechanics2011@gmail．com

陳洪凱(1964－)，男，重慶江津人，博士生導師，教授，主要從事動力地貌學、山地災害演變、安全警報與減災技術研究．E-mail:chenhongkairht@sina．com