山區公路 崩塌災害隱患危險性評價方法研究

李軍輝

（北京市地質研究所，北京 100120）

山區公路 崩塌災害隱患危險性評價方法研究

李軍輝

（北京市地質研究所，北京 100120）

以G109國道門頭溝段崩塌災害隱患為例，提出運用定性和定量相結合的方法，對山區公路崩塌災害隱患進行穩定性評價。根據山區公路發生的崩塌災害，可能造成的損失大小難以定量化估計的情況，將損失大小用危害程度來代替。應用層次分析-模糊數學評價方法，對崩塌災害可能造成的危害程度進行了定量評價。

山區公路；崩塌災害隱患；穩定性；危害程度：危險性評價

0 引言

我國是一個多山的國家，近年我國山區公路崩塌災害時有發生，給社會經濟和人民生命財產造成嚴重威脅。我國山區公路大都等級低，受地形影響，公路大都在山區自然邊坡上進行人工削坡修建，邊坡坡面一般高而陡，且大都自然裸露，未采取工程防治措施，因此崩塌災害時有發生。為有效、準確的對山區公路崩塌災害隱患危險性進行評價，為隱患路段的防治措施提供更科學合理的依據，研究山區公路崩塌災害隱患危險性評價方法具有非常重要的現實意義。

目前，針對山區公路崩塌災害的研究工作主要集中于崩塌的形成和破壞機理研究、勘查評價、治理措施等方面，評價對象主要集中在小比例尺區域性的災害評價和大比例尺的局部災害點的評價，對于線狀山區道路進行整體危險性評價并詳細劃分出災害隱患路段的研究較少。類似的研究成果有Pierson[1~2]等根據經驗評分系統建立了最為簡單的崩塌發生地點預測評價模型；張路青等對川藏公路南線(八宿至林芝段)滾石的發生頻率進行了估計，通過遭遇滾石的概率及承載體的易損性分析，得到車輛和行人經過不同滾石區時遭遇滾石而致命的風險；胡存亮對河北山區公路應用黃金分割法建立了公路崩塌災害發生的評判模型；許強等以丹巴縣雙擁路危巖崩塌體為例，提出了適用于單體危巖崩塌的風險評價方法；周遠忠等利用模糊綜合評價法，構建評價因素集，利用AHP法確定評價因素權重，通過文獻法和專家打分法制定評價因素分級標準，選取合適的隸屬度函數，對該公路進行了綜合評價；齊洪亮等以層次分析法和綜合指標法為主要研究手段，建立了滑坡危險性評價模型，并以G316陜西安康段的3處公路滑坡為研究對象，對評價模型進行了驗證，取得較好的效果。本文在搜集整理國內外相關資料的基礎上，以北京市門頭溝區G109國道崩塌災害隱患為例，采用自然歷史分析法、赤平投影法、工程地質類比法及極限平衡分析法，對崩塌災害隱患的穩定性進行評價，依據國土資源部《地質災害危險性評估技術規范》（試行）中表4、5，致災地質體穩定性或地質災害形成條件的充分程度與地質災害發生可能性的關系，從而確定崩塌災害發生的可能性；根據山區公路崩塌災害特點，確定危害程度指標，應用模糊數學評價方法對崩塌災害隱患的危害程度進行評價，從而確定崩塌災害隱患的危險性。初步建立了一套切實可行的山區公路崩塌災害隱患危險性評價的技術方法。

1 G109國道門頭溝段崩塌災害的總體特征

門頭溝區位于北京城區西南，東經1 1 5o25′00"～116o10′07"，北緯39o48′34"～40o10′37"之間。G109國道門頭溝段(以下簡稱G109)其位于門頭溝區中部，東西貫穿門頭溝區，長度95.91km。該地區地貌類型自東向西依次為平原區、丘陵區、低山區及中山區，東西最大落差達2230m；G109沿線地層從中元古界薊縣系至新生界除個別地層缺失外，其余均有出露，尤以中生界侏羅系最為發育(圖1)。因此，該段道路存在大量的高陡邊坡，地形高差較大，溝谷切割強烈，裸露巖體在風化、卸荷等作用下崩塌、落石等災害時有發生，在雨季尤甚。根據G109已發生崩塌災害特征分析，災害發生時間、空間分布是不均勻的，根據2006～2011年北京市公路局門頭溝區分局的統計，該段道路6年共發生大于5m3的崩塌61次，其中崩塌清理量小于100m3的占59次，大于100m3的僅發生2次。最大的一次是2011年5月28日，K87處發生崩塌，阻斷了國道交通，經過搶修最終清理方量8459m3(照片1)。G109邊坡破壞形式主要以崩塌和落石為主；崩塌災害破壞類型經赤平投影分析判定，以滑移、傾倒破壞為主；落石以滾落、直落為主。

圖1 G109國道門頭溝段區域地質簡圖

2 工作方法及技術路線

根據對搜集資料的整理分析及野外踏勘情況，確定本次工作采用地形測量、綜合工程地質測繪、地質災害調查、三維激光掃描、工程地質鉆探、地球物理勘探、巖石取樣及測試、圖件編繪、綜合分析研究等方法開展工作(圖2)，在此基礎上對資料進行分析整理并最終形成成果報告。

照片1 87km處崩塌災害

圖2 工作技術路線

3 劃分評價單元

此次崩塌災害調查過程中，結合邊坡微地貌、邊坡坡向、坡高、巖性、構造及可能的隱患坡段等，將G109劃分為191個坡段，坡段起止定位點297個，用統一的方法進行坡段野外命名編號：公路編號-坡段所處的公路里程-坡段序號，如G109-K119-01。

4 崩塌災害隱患穩定性評價

G109崩塌災害隱患穩定性評價采用定性和定量相結合的方法，分3步進行(圖3)，前兩步是定性、半定量的方法，第三步是定量的評價方法。第一步根據野外調查和《建筑邊坡工程技術規范》(GB 50330-2002) 12.2中邊坡坡率允許值表，可以判斷哪些坡段是穩定的，剩余坡段進入下一步。第二步對第一步不能判定其是否穩定的坡段，首先確定其變形破壞類型，其次根據該坡段崩塌災害體變形破壞跡象和巖體特征判定其穩定與否。坡腳有碎石土或石塊堆積的，即可判斷有塊體墜落；有結構面切割形成的危巖體，則需進行赤平投影判斷。依據《建筑邊坡工程技術規范》(GB 50330-2002) 附錄A巖質邊坡的巖體分類表，對于隨機塊體（由IV級結構面及以下切割的塊體），無需進行單個塊體的穩定性評價，對于定位塊體（由IV級結構面以上切割的塊體）坡段或難以判定是否整體失穩的坡段，進入下一步；第三步對于前兩步不能判定的復雜坡段，根據各個坡段的特點，酌情應用工程地質類比、極限平衡分析以及強度折減方法進行整體穩定性的分析；該步的巖體力學參數采用現場取樣測試和野外獲得的地質強度指數(GSI)值[3]進行綜合確定；G109崩塌災害穩定性評價通過以上3個步驟的判定，最終得出了191個坡段的穩定性評價結果。

圖3 崩塌災害體穩定性分析流程

5 崩塌災害發生的可能性評價

（1）崩塌災害發生的可能性分級標準

G109國道沿線地質災害主要為崩塌、落石。本項目依據《地質災害危險性評估技術規范》(試行)的相關規定進行地質災害可能性分析。當能判斷地質體的穩定性時，崩塌災害發生可能性應根據地質體在不利工況下的穩定性按表1判斷。

表1 地質災害發生可能性按致災地質體穩定性判定

對不能用穩定性判斷的隨機塊體，如落石，其發生可能性可根據巖體的完整性指標來判斷落石災害發生的可能性，見表2。

表2 落石發生可能性判定表

邊坡陡峻，坡體巖體為堅硬巖或較堅硬巖，坡面巖體完整性較差，屬于中風化和強風化，坡腳距路面近，一般容易發生落石災害；邊坡陡峻，巖體為軟巖，易風化，一般坡面較難形成較大塊體，邊坡坡面往往容易發生風化剝落。巖質邊坡可能同時存在不同災種，按照“就高不就低”的原則，以地質災害發生的可能性較高的確定。

（2）崩塌災害發生的可能性評價

根據上述判定標準，最終得出G109共191處坡段崩塌災害發生可能性評價結果。

6 崩塌災害可能造成的危害程度評價

6.1 崩塌災害可能造成的危害程度分級標準

對于山區公路未發生的崩塌災害可能造成的損失大小難以定量化估計，本文將損失大小用危害程度來代替，更符合實際情況。因此，根據山區公路崩塌災害特點和相關國內外研究成果，我們選擇了公路運營的車流量大小、崩塌災害隱患的規模以及危巖體的高度來確定崩塌災害可能造成的危害程度等級，見表3。

由于公路為線性運輸基礎設施,崩塌災情的大小與該路段上的交通量大小密切相關，現有崩塌災害等級的劃分因其沒有考慮交通量，不能直接應用于公路崩塌災害評價。崩塌災害對交通的影響更為敏感，較小的災害可能產生較大危害程度。要獲得快速、準確的災情評估并作出合理的搶險方案，有必要提出新的等級劃分方法使其適用于公路崩塌災害。公路等級不同，在各條交通道路上的交通量也必然不同。在崩塌體積相同的條件下，等級越高的公路由于其交通量大，受阻的車輛也相應增多，造成車輛及人員傷亡的可能性也大，崩塌災害等級就越高。因此考慮交通量這個影響因素后，公路崩塌災害等級劃分更為準確，適用性更強。

巖土體邊坡在發生崩塌時崩塌體積大小直接決定災害程度，而崩塌體積也是道路搶通工程量的決定因素，是公路崩塌災害等級劃分的直接依據。在公路中，每年發生的崩塌數量多，但大部分崩塌塊體的體積比較小。按崩塌體的塊體規模，可分為碎落、落石、崩塌。公路中碎落屬于小型崩塌，碎落和落石體積一般在1m3以下，對公路及車輛影響、危害較小，可及時清除。大于1m3的落石可能會阻擋半幅路面，并可能造成車輛及人員傷亡。如果崩塌堆積物在100 m3以上，則可能完全阻斷交通，嚴重影響道路的運營，如有車輛經過則可能造成大量人員傷亡。因此，大于100m3以上的崩塌體對道路車輛及人員可能造成巨大危害。

邊坡的高度決定了危巖體的高度，而危巖體的高低直接決定了崩塌體的沖擊能量和覆蓋范圍。山區公路邊坡高度在5～10m的邊坡，一般產生的崩塌危害都較小，所以危害程度輕的平均落差以10m為界限；而公路邊坡坡高在10～30m 發生崩塌災害較為常見，可作為危害程度中等與重的分界點；崩塌落差越大，沖擊能量越大，造成的危害也越大。

表3 崩塌災害可能造成的危害程度分級

6.2 崩塌災害可能造成危害程度的層次分析——模糊數學評價方法

（1）影響因素的確定

根據以上分析可知，公路崩塌災害危害程度的影響因子包括車流量、危巖體懸掛高度以及危巖體高度，對3個因子編號，可確定因素集為

建立如圖4所示模糊評價體系。

（2）各因素權重的確定

目前，確定權重系數的方法有多種，其中最常見的有德爾菲法，專家打分法，層次分析法。前兩種方法受專家主觀性影響大，本文擬采用層次分析法確定各評價指標的權重。

層次分析法（AHP）是通過兩兩因素對比，逐層比較多種關聯因素，最后確定諸因素整體關系的一種方法。該方法首先由A.L.Saaty在20世紀70年代中期提出，80年代引入我國，取得一些成果。它適用于處理多因素、多層次、多目標的復雜系統工程問題，可以將人們的主觀判斷盡可能與客觀實際情況相符。

本文建立圖4所示的層次結構模型后，引入Saaty的標度方法。采用該標度法對各層中的因子相對上一層次目標的重要性進行兩兩比較，構造相應的判斷矩陣，計算其最大特征根和對應的特征向量，并進行判斷矩陣一致性檢驗，若判斷矩陣滿足一致性檢驗，權重分配合理。

圖4 崩塌災害危害等級模糊評價體系

（3）隸屬度函數的構建

由于表3中的因子均為連續型，可以采用公式法確定評價指標的隸屬度，即建立隸屬度與指標數值之間的函數關系，即隸屬函數，隸屬度可以通過代入實測值得到。采用“降半梯形”分布建立隸屬函數，公式如下：

式中，a，b，c為地質災害危害程度分級的三級標準值；x為實際值。

（4）評價結果

根據上述計算方法，對各坡段逐個建立影響指標隸屬度矩陣，確定權重向量，通過execl編輯公式計算，得出每個坡段的級別隸屬度，最后根據最大隸屬度原則確定G109各坡段的崩塌災害危害程度等級。

7 崩塌災害危險性評價

（1）崩塌災害危險性分級評價標準

公路沿線崩塌災害危險性分級參考《地質災害危險性評估規范》（試行）的相關規定編制，見表4。

表4 地質災害危險性分級表

（2）評價結果

按照上述方法對G109共191處坡段進行危險性評估，其中危險性大的35處，占坡段總數的的18.3%，累計長度8898m，危險性中等的36處，占坡段總數的18.9%，累計長度7770m，危險性小的120個，占坡段總數的62.8%，累計長度24307m。根據本次評估結果，將危險性大和中的71處坡段作為重要隱患進行重點提出，并給出防治建議；對危險性小的坡段只作為一般隱患，不單獨提出防治措施，只建議加強日常的巡查工作。

[1]國土資源部文件.國土資發[2004]69號附件，建設用地地質災害危險性評估技術要求(試行)，2004.

[2]國土資源部發布.地質災害危險性評估技術規范(試行)，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]陳祖煜.巖質邊坡穩定分析—原理?方法?程序. 北京：中國水利水電出版社，2005.

[6]胡厚田.崩塌與落石[M].北京：中國鐵道出版社，1989.

[7]王普清,張增科，等著.河北省公路典型地質災害評價與防治技術研究.北京：地質出版社，2007.

[8]胡厚田，等.邊坡地質災害的預測預報.成都：西南交通大學出版社，2000.

[9]伍法權.巖質高陡邊坡變形與穩定性評價工程地質工作方法.工程地質學報，2004,12：199～210.

[10]吳亞子.山區公路地質災害危險性評估方法研究[D].成都理工大學，2005：20～22.

[11]胡存亮.山區公路崩塌災害評判模型研究.交通標準化，2007，7：53～56.

[12]許強，陳偉.單體危巖崩塌災害風險評價方法—以四川省丹巴縣危巖崩塌體為例.地質通報，2009，08：1039～1046.

[13]周遠忠，等.基于模糊綜合評價法的山區公路地質災害危險性評價.道路工程，2010，04：94～97.

[14]齊洪亮，等.公路路基地質災害危險性綜合評價方法研究.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

李軍輝(1979- )，男，工程師，主要從事地質災害勘查、設計及防治、巖土勘察研究。Email：shmilyljh@sina.com。