永藍高速公路邊坡地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與危險性評價

尹 超，田偉平，李家春

(1.山東理工大學(xué)交通與車輛工程學(xué)院，山東淄博 255049;2.長安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，陜西西安 710064)

0 引言

永藍高速公路即湖南永州至藍山高速公路，是二連浩特至廣州國家高速公路在湖南境內(nèi)的一段，也是湖南省“五縱七橫”高速公路主骨架的重要組成部分［1］。永藍高速公路沿線地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜且降雨豐沛，同時因為一些邊坡采用信息化施工，方法本身是合理和先進的，但由于施工過程中對信息反饋不及時或?qū)π畔⒎治霾豢茖W(xué)，致使邊坡存在較大安全隱患，在雨季易發(fā)生邊坡災(zāi)害［2］。災(zāi)害危險性評價是認(rèn)識某一地區(qū)自然災(zāi)害發(fā)生可能程度大小的手段和過程，可為災(zāi)害預(yù)防和治理提供科學(xué)依據(jù)。進行永藍高速公路邊坡災(zāi)害危險性評價，根據(jù)災(zāi)害隱患點的評價結(jié)果對永藍高速公路災(zāi)害防治方案提供直接的咨詢服務(wù)，對公路建設(shè)及沿線地質(zhì)環(huán)境保護具有深遠影響。

我國公路邊坡災(zāi)害危險性評價研究較多，采用的評價模型各有特點。2005年，宋彥輝等根據(jù)已有區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害評價方法，結(jié)合公路工程的特點，探討了山區(qū)公路地質(zhì)災(zāi)害危險性評價模型［3］;2011年，齊洪亮按照風(fēng)險評價的原理和步驟，開展了公路自然災(zāi)害危險性評價、承災(zāi)體抗災(zāi)能力評價和災(zāi)害損失評價研究，在此基礎(chǔ)上完成了公路自然災(zāi)害風(fēng)險評價［4］;2013年，田偉平、尹超依托GIS平臺，采用影響因素疊加法和專家調(diào)查法建立評價模型，進行了中國公路地質(zhì)災(zāi)害危險性評價和空間分析，按照地質(zhì)災(zāi)害危險度，將全國分為4級12個地質(zhì)災(zāi)害危險區(qū)，完成了公路地質(zhì)災(zāi)害危險性區(qū)劃［5］。

現(xiàn)行的危險性評價既有定性方法，也有定量方法，如層次分析法、模糊綜合評價法等，但這些方法大多由評價者的主觀意識決定，在一定程度上影響著評價結(jié)果，與實際情況偏差較大。為克服這一問題，本文在對永藍高速公路孕災(zāi)環(huán)境和邊坡災(zāi)害調(diào)查的基礎(chǔ)上，提出了基于三角白化權(quán)熵值函數(shù)的危險性評價方法，該方法可以定量描述某一評估對象隸屬于某個灰類的程度，即隨著被評估指標(biāo)或樣點值的大小而變化的關(guān)系，能夠有效消除主觀因素對評價結(jié)果的影響，根據(jù)已發(fā)生災(zāi)害點的評價結(jié)果驗證模型的正確性，基于此完成永藍高速公路邊坡災(zāi)害隱患點的危險性評價。

1 永藍高速公路邊坡災(zāi)害調(diào)查

2013年10月，作者針對永藍高速公路邊坡災(zāi)害多發(fā)的現(xiàn)狀，進行了資料收集和徒步調(diào)查，填寫了大量調(diào)查表，查明了永藍高速公路孕災(zāi)環(huán)境條件和主要邊坡災(zāi)害點。

1.1 永藍高速公路孕災(zāi)環(huán)境

1.1.1 氣候條件

永藍高速公路位于湖南南部，為大陸性中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，冬冷夏熱，春溫多變，秋溫陡降，春夏多雨，秋冬干旱。多年平均降雨量為1426.6 mm，最大為3089.0 mm，最小為714.0 mm，降雨時空分布不均，4～7月為雨季，占全年總降雨量的58%以上。年平均氣溫為16～19℃，冬季最冷月(1月)平均溫度為8.6℃，夏季平均氣溫為26～29℃［1-2］。

1.1.2 地形地貌與水文地質(zhì)條件

調(diào)查路段地形起伏較大，平原微丘和山嶺重丘交錯。山嶺重丘區(qū)溝谷下切強烈，谷岸出露基巖，自然邊坡坡度一般為25°～40°，坡高多在50 m以上;公路邊坡為自然山體開挖形成，坡度一般在40°～60°，部分路段達70°～90°，坡高為8 ～50 m［1-2］。

永藍高速公路沿線河溪發(fā)育，地表切割深、密度大，多峽谷，山坡陡峻，間有盆地和谷地。公路沿線地下水豐富，堆積層以下的基巖為弱透水層，水分只能沿基巖頂面流動，易形成滑動面，導(dǎo)致災(zāi)害發(fā)生［1-2］。

1.1.3 地質(zhì)構(gòu)造、巖性與地震

調(diào)查區(qū)地表多被第四系覆蓋，以灰?guī)r為主，局地有花崗斑巖出露。坡面砂土厚約0.5 m，其下是約2 m厚的泥質(zhì)灰?guī)r，中厚層結(jié)構(gòu)。公路邊坡巖土層理發(fā)育，層間膠結(jié)差，多處于強風(fēng)化或全風(fēng)化狀態(tài)。小型斷裂和各類節(jié)理裂隙對邊坡災(zāi)害起控制作用。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，永藍高速公路部分路段沿斷裂帶布置，節(jié)理十分發(fā)育，如僅荷葉塘高架橋橋區(qū)就有4條小斷層發(fā)育。地震對永藍高速公路邊坡穩(wěn)定性的影響較大，水平向外力使邊坡法向壓力削減、下滑力增強，促使斜坡滑動，同時，強震使地震帶附近巖土體松動，易引起崩滑災(zāi)害［1-2］。

1.2 永藍高速公路邊坡災(zāi)害調(diào)查

1.2.1 永藍高速公路主要邊坡災(zāi)害點

根據(jù)對調(diào)查數(shù)據(jù)的整理、分析，永藍高速公路沿線共有邊坡災(zāi)害20余處，其中影響嚴(yán)重、規(guī)模較大的7處(表1、圖1)。

表1 永藍高速公路主要邊坡災(zāi)害點Table 1 The main slope disaster points of Yonglan expressway

1.2.2 永藍高速公路邊坡災(zāi)害類型

永藍高速公路邊坡災(zāi)害主要有滑坡和崩塌兩類(表1)。

(1)滑坡

根據(jù)滑體物質(zhì)的不同，永藍高速公路沿線滑坡災(zāi)害可分為巖質(zhì)滑坡和堆積層滑坡兩類。

圖1 永藍高速公路主要邊坡災(zāi)害點分布示意圖Fig．1 The distribution map of main slope disaster points of Yonglan expressway

巖質(zhì)滑坡是主要邊坡災(zāi)害類型之一，又可分為破碎巖石滑坡和順層巖石滑坡。破碎巖石滑坡分布較多、危害較大，其滑體由構(gòu)造、風(fēng)化作用而破碎、松散的巖石組成，巖層產(chǎn)狀紊亂，巖體內(nèi)結(jié)構(gòu)面發(fā)育，但仍保持原有巖層結(jié)構(gòu)特點，常位于斷層附近，數(shù)量集中。堆積層滑坡具有明顯的圈椅狀外貌，坡面較平緩，滑體以土石混雜為主，多分布在山坡低洼處或山間溝谷出口處?；瑤Ф嘁栏接诨鶐r頂面，地下水豐富，滑帶傾角較緩，抗剪強度低，施工開挖會加劇變形，促發(fā)滑坡滑動失穩(wěn)。

以K18+000～K18+350滑坡隱患點(1號災(zāi)害點)為例，該隱患點位于永州市零陵區(qū)桐子坪鄉(xiāng)白泥坳村境內(nèi)，永藍高速公路和S216分別在其前、后緣通過，涉及長度約350 m。表現(xiàn)為后緣寬、前緣窄、橫向長、縱向短的簸箕狀，地表形態(tài)特征不明顯，既沒有前緣的隆起鼓丘，也沒有后緣的拉張裂縫，但滑體中部卻呈現(xiàn)易于積水的低洼坡地［6］。

根據(jù)鉆探及物探揭露，該隱患點為一老滑坡，原始地貌為一上陡下緩、地表水和地下水易于匯集的凹形斜坡，后緣位于S216右側(cè)山坡，滑面埋深約13 m，屬中層破碎巖體滑坡。路基的開挖可能導(dǎo)致山體的平衡被破壞，誘使滑坡復(fù)活(圖2)。

(2)崩塌

崩塌災(zāi)害在永藍高速公路全線均有分布。其特征是崩塌物堆積在坡腳或路肩形成松散堆積體，無原巖，結(jié)構(gòu)松散，碎塊石含量大于90%，堆積體表面一般覆蓋1～2 m厚的殘、坡積層，底界面多為較完整的基巖。

K22+175～K22+480(2號災(zāi)害點)邊坡在施工過程中已發(fā)生崩塌災(zāi)害，巖性為強風(fēng)化砂巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，完整性差，呈角礫狀散體結(jié)構(gòu)(圖3)。

圖2 K18+000～K18+350滑坡概況Fig．2 Landslide at K18+000 ～ K18+350

圖3 K22+175～K22+480崩塌概況Fig．3 Collapse at K22+175 ～ K22+480

該邊坡坡度約45°，表部出露殘坡積亞粘土，結(jié)構(gòu)疏松雜亂，工程性質(zhì)差，下伏強風(fēng)化砂巖，均為自穩(wěn)能力差的巖土體，路基開挖引起邊坡失穩(wěn)崩塌，造成工期延誤。

2 永藍高速公路邊坡災(zāi)害危險性評價

危險性評價是包含多指標(biāo)的綜合評價，即對每一評價對象賦予一個等級和權(quán)重，再根據(jù)評價模型進行分析計算。這就要求危險性評價中必須首先確定評價指標(biāo)并進行分級。

2.1 永藍高速公路邊坡災(zāi)害危險性評價指標(biāo)

影響災(zāi)害危險性的因素很多，它們之間相互聯(lián)系、相互制約。永藍高速公路邊坡災(zāi)害的發(fā)生一方面取決于斜坡自身的基礎(chǔ)條件和內(nèi)動力地質(zhì)條件，另一方面與斜坡受到的外營力有關(guān)，同時，歷史災(zāi)害狀況對邊坡災(zāi)害的發(fā)生也有一定影響。因此，本文將永藍高速公路邊坡災(zāi)害危險性評價指標(biāo)分為內(nèi)在因素、誘發(fā)因素和歷史災(zāi)害狀況三類(圖4)。

(1)內(nèi)在因素

圖4 永藍高速公路邊坡災(zāi)害危險性評價指標(biāo)體系Fig．4 The risk assessment indicator system for Yonglan expressway slope disaster

內(nèi)在因素包括邊坡自身因素、植被條件和風(fēng)化條件等。邊坡自身形態(tài)是形成邊坡災(zāi)害的基礎(chǔ)條件。從局部地形看，只有坡度和坡高適宜，才能形成臨空面，從而導(dǎo)致災(zāi)害發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計，滑坡一般發(fā)生在15°以上的斜坡，崩塌集中于坡度大于45°的邊坡上，長期上升的分水嶺山區(qū)和岸坡陡立的峽谷區(qū)也易發(fā)生崩塌。

巖土體在各種風(fēng)化營力長期作用下，結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)會發(fā)生改變，強度和穩(wěn)定性不斷降低，表層巖體完整性被破壞，容易為邊坡災(zāi)害提供物質(zhì)來源。永藍高速公路邊坡巖體多處于強風(fēng)化或全風(fēng)化狀態(tài)，在塊狀巖體分布區(qū)易發(fā)生崩塌災(zāi)害，在層狀巖體分布區(qū)易發(fā)生滑坡災(zāi)害。

坡體植被覆蓋好的地區(qū)，巖體處于弱風(fēng)化狀態(tài)，坡體穩(wěn)定性好，不易發(fā)生邊坡災(zāi)害，而植被條件差的地區(qū)，則易發(fā)生崩塌、滑坡災(zāi)害。

(2)誘發(fā)因素

誘發(fā)因素包括降雨條件和人類活動條件等。降雨對邊坡災(zāi)害具有誘發(fā)作用。一方面雨水滲入邊坡巖土體內(nèi)，增大了巖土體自重，使下滑力與抗滑力之間的平衡難以維持;另一方面，滲入巖土體的水分，會沿巖土體的各種節(jié)理裂隙面流動，增大了裂隙寬度，加大了災(zāi)害發(fā)生可能性。

人類活動對永藍高速公路邊坡災(zāi)害的發(fā)生體現(xiàn)在三個方面:①人工削坡和切坡，破壞了坡體原有的穩(wěn)定結(jié)構(gòu);②不合理的灌溉等導(dǎo)致地下水位上升，坡體含水率提高;③不合理的施工方法、質(zhì)量控制和監(jiān)理等導(dǎo)致工程質(zhì)量低下。

(3)歷史災(zāi)害狀況

永藍高速公路邊坡災(zāi)害歷史發(fā)生狀況指歷史災(zāi)害發(fā)生的密度、范圍和強度。為不影響正常使用，災(zāi)害發(fā)生后，公路管理部門會迅速采取處理和加固措施，使歷史災(zāi)害對危險性的影響降到最小。鑒于此，在永藍高速公路邊坡災(zāi)害危險性評價中不考慮歷史災(zāi)害狀況。

綜上所述，本文選取坡度和坡高作為表征邊坡內(nèi)在因素的指標(biāo)，選取植被覆蓋度和風(fēng)化波速比作為表征植被覆蓋狀況和風(fēng)化程度的指標(biāo)，選取年平均降雨量和邊坡開挖高度作為表征降雨和人類活動狀況的指標(biāo)，建立永藍高速公路邊坡災(zāi)害危險性評價指標(biāo)體系，依據(jù)孕災(zāi)環(huán)境特點和各指標(biāo)對災(zāi)害發(fā)生的影響程度，將各指標(biāo)數(shù)值分為5級，分別為極低危險、低危險、中等危險、高危險和極高危險，并采用專家打分法確定各指標(biāo)權(quán)重值(表2)。

表2 永藍高速公路邊坡災(zāi)害危險性評價指標(biāo)分級及權(quán)重Table 2 The risk assessment indicators’grading and weights for Yonglan expressway slope disasters

2.2 三角白化權(quán)函數(shù)評估基本理論

本文采用三角白化權(quán)熵值函數(shù)方法進行永藍高速公路邊坡災(zāi)害危險性評價，該方法是灰色聚類評價的一種，通過求解被評價災(zāi)害點屬于各危險程度的綜合聚類系數(shù)和熵值，用于確定災(zāi)害點是否屬于某一危險類別。

設(shè)有n個對象，m個評價指標(biāo)，k個不同的灰類，對象i關(guān)于指標(biāo)j的觀測值為xij，i=1，2，…，n;j=1，2，…，m。根據(jù)xij的值對相應(yīng)的對象i進行評估。具體步驟如下:

(1)按評估要求劃分灰類數(shù)s，將各指標(biāo)的取值分為s個灰類，例如將j指標(biāo)的取值范圍［a1，as+1］劃分為s個區(qū)間:［a1，a2］，…，［ak-1，ak］，…，［as-1，as］，［as，as+1］，其中，ak(k=1，2，…，s，s+1)的值一般可根據(jù)實際情況的要求或定性研究結(jié)果確定。

(2)令λk=(ak+ak+1)/2屬于第k個灰類的白化權(quán)函數(shù)值為1，連接(λk，1)與第k-1個灰類的起點ak-1和第k+1個灰類的終點ak+2，得到j(luò)指標(biāo)關(guān)于k灰類的三角白化權(quán)函數(shù))，j=1，2，…，m;k=1，2，…，s。對于，可分別將j指標(biāo)取數(shù)域向左、右延拓至a0，as+2(圖5)。

圖5 三角白化權(quán)函數(shù)求解示意Fig．5 The schematic of triangular whitenization function

對指標(biāo)j的一個觀測值x，可由式1計算出其屬于灰類k(k=1，2，…，s)的隸屬度)。

(3)由式2計算i(i=1，2，…，n)關(guān)于灰類k(k=1，2，…，s)的綜合聚類系數(shù)。

2.3 永藍高速公路邊坡災(zāi)害危險性評價

本文針對表1中的7個災(zāi)害點進行危險性評價。對應(yīng)危險性評價指標(biāo)分級，確定各災(zāi)害點評價指標(biāo)的取值和級別隸屬(表3)。

表3 各災(zāi)害點評價指標(biāo)取值Table 3 The assessment indicators’values of disaster points

根據(jù)表2給出的危險性評價指標(biāo)及分級，計算得到三角白化權(quán)函數(shù)的基本參數(shù)，如表4所示，其中，、為第j指標(biāo)的延拓值，為第j指標(biāo)第k灰類的臨界值，計算方法如式3所示。

表4 評價指標(biāo)取值延拓值及灰類臨界值Table 4 The continuation values and gray thresholds of assessment indicators

根據(jù)表2～4中的數(shù)據(jù)和三角白化權(quán)函數(shù)的計算方法，對永藍高速公路邊坡災(zāi)害危險性進行評價，得到各災(zāi)害點對各級危險性的綜合聚類系數(shù)和熵值(表5)。

由表5可知，災(zāi)害點2和災(zāi)害點7均為已發(fā)生災(zāi)害，其評價結(jié)果為高危險，由此可見，評價結(jié)果和災(zāi)害實際發(fā)生情況是相符的，說明該評價方法科學(xué)、合理，可以利用評價結(jié)果預(yù)測潛在災(zāi)害點的危險狀況。

對于尚未發(fā)生的潛在災(zāi)害點，災(zāi)害點1和災(zāi)害點6評價結(jié)果為高危險，災(zāi)害點3和災(zāi)害點5為中等危險，災(zāi)害點4為低危險。雖然災(zāi)害點1和6均為高危險，但其屬于高危險的綜合聚類系數(shù)分別為0.4532和0.4394，數(shù)值較小且熵值分別為1.5336、1.4890，接近ln5=1.6094，因此，災(zāi)害點1和6雖屬于高危險但并不穩(wěn)定，有向中等危險過渡的可能。災(zāi)害點5雖為中等危險，但其熵值為1.4802，且屬于中等危險的綜合聚類系數(shù)僅比屬于低危險的綜合聚類系數(shù)大0.0265，故災(zāi)害點5介于低危險和中等危險之間更為合理。災(zāi)害點3評價結(jié)果為中等危險，其綜合聚類指數(shù)為0.5786，遠大于其他危險等級的綜合聚類系數(shù)，且熵值較小(1.1204)，所以災(zāi)害點3屬于中等危險是穩(wěn)定的。災(zāi)害點4的熵值較大，接近ln5=1.6094，且屬于低危險的綜合聚類系數(shù)僅比屬于中等危險的綜合聚類系數(shù)大0.0667，因此，災(zāi)害點4雖屬低危險但并不穩(wěn)定，可能過渡為中等危險。

表5 各災(zāi)害點危險性評價計算結(jié)果Table 5 The results of risk assessment for disaster points

3 結(jié)論

(1)利用資料收集和實地調(diào)查的方法，查明了永藍高速公路沿線主要孕災(zāi)環(huán)境特點和影響嚴(yán)重、規(guī)模較大的7處主要邊坡災(zāi)害點，并分別對一處潛在滑坡災(zāi)害點(1號災(zāi)害點)和一處已發(fā)生的崩塌災(zāi)害點(2號災(zāi)害點)進行災(zāi)害特征說明。

(2)從內(nèi)在因素、誘發(fā)因素和歷史災(zāi)害狀況三方面建立了包括坡度、坡高、植被覆蓋度、風(fēng)化波速比、年平均降雨量和邊坡開挖高度的永藍高速公路邊坡災(zāi)害危險性評價指標(biāo)體系，根據(jù)各指標(biāo)對災(zāi)害發(fā)生的影響特點，將各指標(biāo)分為5級，并采用專家打分法確定各指標(biāo)權(quán)重。

(3)通過三角白化權(quán)函數(shù)建立了永藍高速公路邊坡災(zāi)害危險性評價模型，對7處災(zāi)害點進行了危險性評價，已發(fā)生災(zāi)害點的評價結(jié)果與災(zāi)害實際情況相符，說明該方法是科學(xué)、合理的。

(4)根據(jù)潛在災(zāi)害點的危險性評價結(jié)果，共有高危險災(zāi)害點2處，中等危險災(zāi)害點2處、低危險災(zāi)害點1處。在永藍高速公路建設(shè)和運營過程中，應(yīng)特別注意對高危險災(zāi)害點的監(jiān)測和預(yù)防，將災(zāi)害可能造成的損失降到最低。

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