山區(qū)高速公路地震滑坡危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)

張嘉榮 唐云波

在高速公路選線設(shè)計(jì)階段，往往只考慮已發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害，忽視了路線走廊帶內(nèi)未來可能發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害對(duì)于路線選擇的影響。以四川山區(qū)某高速公路的選線規(guī)劃為例，將基于GIS軟件計(jì)算高速公路附近區(qū)域邊坡在遭受6.0級(jí)地震時(shí)的邊坡危險(xiǎn)性。采用基于Newmark法的地震滑坡危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法，綜合考慮高程、坡度、巖土體強(qiáng)度、地震動(dòng)參數(shù)分布等影響因子，計(jì)算區(qū)域地震邊坡永久位移值。結(jié)果表明，該高速公路北側(cè)較小段落路線處于地震滑坡的高危險(xiǎn)區(qū)，其余路線段落均處于低危險(xiǎn)區(qū)，證明該推薦方案的路線選擇基本避開了地震滑坡的危險(xiǎn)區(qū)域。

高速公路選線設(shè)計(jì); 地震滑坡; 危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

U416.1+62 A

［定稿日期］2022-03-23

［作者簡(jiǎn)介］張嘉榮（1994—），男，碩士，助理工程師，從事鐵路、公路選線設(shè)計(jì)工作。

中國(guó)地處世界兩大地震帶——環(huán)太平洋火山地震帶和阿爾卑斯帶附近，地震活動(dòng)十分頻繁。地震通常會(huì)誘發(fā)一系列地質(zhì)災(zāi)害，如泥石流、滑坡、崩塌等，15世紀(jì)至今，有準(zhǔn)確記載產(chǎn)生過次生滑坡、崩塌的地震有134次［1］，特別是復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)地震活動(dòng)性強(qiáng)、頻度高，由地震觸發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害極為嚴(yán)重。例如，2008年“5·12”汶川特大地震觸發(fā)大量滑坡地質(zhì)災(zāi)害，造成重大人員傷亡，其中青川東河口滑坡致使4個(gè)村莊被掩埋，780余人遇難［2］。地震地質(zhì)災(zāi)害也會(huì)造成巨大的交通基礎(chǔ)設(shè)施損害，如對(duì)路基、橋梁造成破壞，阻礙交通，威脅人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。近年來，高速公路建設(shè)不斷向地形艱險(xiǎn)、地質(zhì)條件復(fù)雜的山區(qū)延伸，面對(duì)山區(qū)地震所帶來的地質(zhì)災(zāi)害，高速公路工程的建設(shè)安全與運(yùn)營(yíng)安全也不斷受到新的挑戰(zhàn)，若處理不當(dāng)，不僅將增加建設(shè)階段高速公路投資，也將對(duì)運(yùn)營(yíng)階段的高速公路埋下諸多安全隱患。而在高速公路的設(shè)計(jì)階段，以路線布設(shè)與選擇為核心的選線設(shè)計(jì)是高速公路建設(shè)的基礎(chǔ)，而在選線設(shè)計(jì)階段，目前常見的選線原則往往只考慮已發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害，如對(duì)于已發(fā)生的崩滑災(zāi)害，路線往往采用傍山隧道繞避、跨河換岸繞避等措施減少災(zāi)害影響［3］，忽視了路線走廊帶內(nèi)未來可能發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害對(duì)于路線選擇的影響。因此，為同時(shí)保障山區(qū)高速公路的建設(shè)與運(yùn)營(yíng)安全，最大程度提升項(xiàng)目效益與降低項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于地震誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)尤為重要，應(yīng)在選線設(shè)計(jì)階段與影響路線走向的其他因素統(tǒng)籌考慮。

本文以四川境內(nèi)某山區(qū)高速公路選線成果為例，對(duì)該高速公路推薦路線方案的沿線地震誘發(fā)滑坡危險(xiǎn)性進(jìn)行預(yù)測(cè)研究。

1 研究區(qū)域概況

1.1 地形地貌

該高速公路項(xiàng)目線位近南北走向，區(qū)域?qū)俸０胃叱?00～2 000 m的低中山地貌區(qū)（圖1）。項(xiàng)目區(qū)內(nèi)地形起伏較大，沿線主要為構(gòu)造剝蝕地形，穿越低中山侵蝕構(gòu)造區(qū)（I）地貌單元。項(xiàng)目區(qū)地面絕對(duì)標(biāo)高560～1 470 m，相對(duì)高差達(dá)250～1 000 m，山脊脈絡(luò)清晰，走向多呈北東向，山頂多呈尖脊?fàn)睢Ｑ鼐€地形主要為叢山溝谷、壟崗槽谷、脊?fàn)钌降匦蔚?，自然坡?5°～60°，侵蝕構(gòu)造作用強(qiáng)烈，地形起伏大，溝谷多呈“V”字型深切，河流切割深度大，南部侵蝕基準(zhǔn)面降低，形成區(qū)內(nèi)北高南低的地貌形態(tài)。區(qū)內(nèi)植被茂密，人口較少，地形艱險(xiǎn)，地質(zhì)條件復(fù)雜。

1.2 地層巖性與地質(zhì)構(gòu)造

項(xiàng)目沿線第四系零星分布，沉積物成因類型主要有沖積、洪積、殘積、坡積等。下伏基巖主要為侏羅系（J）、三疊系（T）、二疊系（P）、石炭系（C）、泥盆系（D）、志留系（S）及寒武系（∈）沉積巖；華力西-印支期二疊紀(jì)（γδ4-5）花崗閃長(zhǎng)巖、加里東期（ει）粗面巖等巖漿巖零星分布。

測(cè)區(qū)地跨揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)及秦嶺褶皺系2個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元。根據(jù)區(qū)域不整合或平行不整合、沉積旋回及沉積建造的特點(diǎn)，區(qū)內(nèi)可劃分出加里東、華力西—印支2個(gè)構(gòu)造層。主要構(gòu)造體系有：摩天嶺加里東褶皺帶、龍門山印支摺皺帶、喬莊大斷裂、林庵寺-茶壩大斷裂與馬角壩-羅家壩斷裂帶。該區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為區(qū)域性地殼急劇上升并伴隨斷裂活動(dòng)，地震活動(dòng)較為頻繁。

1.3 氣候

本項(xiàng)目區(qū)地處四川北部邊緣山區(qū)，川、甘、陜交界處，屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候類型，夏季盛行濕潤(rùn)的西南風(fēng)，年平均氣溫13.7 ℃，從東至西逐漸降低。年降雨量1 021.7 mm，降雨主要集中在7～9月，占全年降雨量的50%以上，年最大日降雨量一般出現(xiàn)在8月上旬或中旬，達(dá)80～100 mm。項(xiàng)目沿線區(qū)域歷年平均降雨量在20世紀(jì)70年代以前主要表現(xiàn)為波動(dòng)變幅大、降雨年均降雨量大等特征。20世紀(jì)70年代后期，青川縣歷年月平均降雨量的變化主要表現(xiàn)為平穩(wěn)波動(dòng)的特征。

2 地震滑坡危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的Newmark方法

Newmark法首次于1965年由Newmark提出并用于對(duì)堤壩的穩(wěn)定分析［4］，該方法基于動(dòng)力平衡理論，對(duì)單體的斜坡動(dòng)力穩(wěn)定性進(jìn)行分析，后經(jīng)大量學(xué)者的改進(jìn)與發(fā)展，現(xiàn)已成為應(yīng)用于地震滑坡危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的重要方法。本文中采用的是傳統(tǒng)的Newmark剛塑性滑塊法，該方法在計(jì)算滑塊位移時(shí)假設(shè)：土體為剛塑性體，滑塊的臨界加速度（安全系數(shù)為1）為常量，當(dāng)?shù)卣鸷奢d的加速度超過臨界加速度時(shí)發(fā)生滑動(dòng)；在地震荷載作用時(shí)土體強(qiáng)度不會(huì)發(fā)生改變，滑體下滑時(shí)產(chǎn)生完整的破壞面；滑體滑動(dòng)方向向下；地震動(dòng)垂直分量對(duì)永久位移影響忽略不計(jì)等（圖2）。

根據(jù)滑塊模型（圖2）可以進(jìn)行計(jì)算：

（1）臨界加速度見式（1）。

ac=clm+gcosαtanφ-gsinα（1）

式中：ac為邊坡臨界加速度，c為粘聚力，φ為內(nèi)摩擦角，g為重力加速度，m為滑動(dòng)塊體的質(zhì)量，l為塊體長(zhǎng)度，α為斜坡傾角。ac通常被用來表示邊坡抵抗地震動(dòng)加速度能力的表達(dá)式，是衡量邊坡對(duì)地震力破壞敏感性的重要指標(biāo)。

（2）安全系數(shù)見式（2）。

安全系數(shù)FS是按照擬靜力分析法進(jìn)行計(jì)算，為抗滑力與滑動(dòng)力的比值，即：

FS=τrτd=cl+mgcosαtanφmgsinα-kγwtanφγtanα（2）

式中：γ為坡體重度，γw為水的重度，k為滑體中飽和土厚與滑坡厚度之比。

將式（1）、式（2）聯(lián)立代入計(jì)算，可以得到臨界加速度（ac）與安全系數(shù)（FS）之間的關(guān)系式（3），即：

ac=（FS-1）gsinα（3）

（3）滑塊位移見式（4）。

通過對(duì)滑塊進(jìn)行簡(jiǎn)單的受力平衡分析后，我們可以得到滑動(dòng)塊體的臨界加速度值，當(dāng)?shù)卣鸷奢d的加速度超過滑體的臨界加速度時(shí)，滑體將沿著斜面向下進(jìn)行滑動(dòng)。對(duì)地震動(dòng)加速度與臨界加速度的正差值進(jìn)行一次積分可求得滑體滑動(dòng)的速度，再進(jìn)行第二次積分即可得到滑體滑動(dòng)的位移時(shí)程。

DN=∫∫t|a（t）-ac|dtdt（4）

式中：DN為Newmark永久位移，a（t）為地震動(dòng)加速度時(shí)程，ac為坡體的臨界加速度。

Wilson和Keefer（1983）［5］將試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)案例和Newmark計(jì)算的位移值進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)Newmark法能夠很好地估計(jì)實(shí)際滑坡位移值，可以有效地分析地震邊坡穩(wěn)定性。

3 地震滑坡危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)

為了完成該高速公路附近區(qū)域地震滑坡危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)，本研究以距公路10 km為緩沖區(qū)建立研究區(qū)域。首先，從USGS（美國(guó)地質(zhì)勘探局）下載研究所需的高程數(shù)據(jù)見圖3（a）；根據(jù)中國(guó)地質(zhì)資料館公開的1∶20萬的地質(zhì)圖，將研究區(qū)域巖土體類型進(jìn)行分組，查找地質(zhì)手冊(cè)數(shù)據(jù)，獲取到每個(gè)地質(zhì)分組的粘聚力、內(nèi)摩擦角及重度。然后，基于GIS將高程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為坡度數(shù)據(jù)見圖3（b），由圖可知該區(qū)域內(nèi)最高坡度可達(dá)到55°，為滑坡的觸發(fā)提供了較好的地形條件。由式（2）可計(jì)算出安全系數(shù)值（邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，安全系數(shù)值大于1），結(jié)合安全系數(shù)值和式（3），可得到臨界加速度值得分布見圖3（d）。

為了探討地震誘發(fā)的滑坡對(duì)該高速公路的影響，本研究擬假設(shè)青川斷裂發(fā)生一次Mw6.0級(jí)地震。研究參考Liu等［6］提出的地震動(dòng)衰減模型，計(jì)算得到該區(qū)域的地震動(dòng)峰值加速度和地震動(dòng)峰值速度分布圖（圖4）。由圖可知，靠近斷裂帶位置的峰值加速度值最大，可達(dá)到0.59g，峰值速度為17.59～48.21 cm/s。

綜上，已經(jīng)獲取計(jì)算得到了該研究所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為便于計(jì)算，將所有數(shù)據(jù)處理為20 m×20 m的柵格數(shù)據(jù)。論文選用了Saygili和 Rathje于2008年建立的永久位移預(yù)測(cè)模型計(jì)算研究區(qū)域的位移值［7］。該模型選取的地震動(dòng)源于震級(jí)5.0～7.9，斷層距小于100 km的地震事件，模型式子如式（5）。

lnDN=-4.58（ac/PGA）-20.84（ac/PGA）2+

44.75（ac/PGA）3-30.5（ac/PGA）4-0.64ln（PGA）+

1.55ln（PGV）-1.56（5）

式中：ac為臨界加速度（g），PGA為地震動(dòng)峰值加速度（g），PGV為地震動(dòng)峰值速度（cm/s）。

基于GIS柵格計(jì)算器，將臨界加速度、地震動(dòng)峰值加速度和地震動(dòng)峰值速度（圖4）進(jìn)行疊加計(jì)算，可求得研究區(qū)域地震滑坡的永久位移分布見圖5（a）。根據(jù)位移分布圖可發(fā)現(xiàn)，該公路的北部部分段道路附近的邊坡在地震條件下可能會(huì)發(fā)生滑坡，公路南邊段大多數(shù)處于0位移區(qū)域，這表明該道路的選線規(guī)劃避開了部分高危險(xiǎn)性的邊坡。為了更好地體現(xiàn)公路附近邊坡對(duì)公路的影響程度，本研究將公路均分為50段，并劃定了以2 km為間距的緩沖區(qū)圈。然后基于GIS的分區(qū)統(tǒng)計(jì)工具，計(jì)算得到每個(gè)緩沖區(qū)內(nèi)位移平均值。最后，將這些值進(jìn)行歸一化處理，并賦值到每段公路中得到如圖5（b）所示的高速公路地震滑坡危險(xiǎn)性地圖。圖中黑色公路段表示該段公路在遭受地震時(shí)可能受到滑坡的危害性最大，白色則表示該段道路可能遭受的地震滑坡影響最低（顏色僅代表各段公路受地震滑坡影響的比較程度，不代表真實(shí)可能遭受的危險(xiǎn)）。

4 結(jié)論

本研究分析的高速公路位于地形艱險(xiǎn)、地質(zhì)條件復(fù)雜的區(qū)域，且路線靠近活動(dòng)斷裂帶，可能遭受到地震的影響。為了探索地震滑坡對(duì)路線的影響，本文假定該斷裂帶發(fā)生一次震級(jí)為6.0級(jí)的地震，對(duì)該區(qū)域地震滑坡危險(xiǎn)性進(jìn)行計(jì)算分析。根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，該高速公路北側(cè)較小段落路線處于地震滑坡的高危險(xiǎn)區(qū)，其余路線段落均處于低危險(xiǎn)區(qū)，表明該推薦方案的路線選擇基本避開了地震滑坡的危險(xiǎn)區(qū)域。但考慮到即使距離道路較遠(yuǎn)的邊坡一旦發(fā)生破壞，滑體可能滑動(dòng)較大距離，對(duì)高速公路的橋墩或路基造成破壞，導(dǎo)致高速公路斷道等問題。本文最后還對(duì)高速公路沿線兩側(cè)2 km的所有邊坡單元的危險(xiǎn)性進(jìn)行了加權(quán)計(jì)算，結(jié)果表明該路線的部分段可能會(huì)遭受到地震滑坡的影響，因此，在高速公路選線設(shè)計(jì)階段，應(yīng)加強(qiáng)這些區(qū)段邊坡的勘察，有必要時(shí)可提前加設(shè)邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)，以此減少甚至避免地震誘發(fā)滑坡對(duì)高速公路的損壞。

參考文獻(xiàn)

［1］ 孫崇紹. 我國(guó)歷史地震時(shí)滑坡崩塌的發(fā)育及分布特征［J］. 自然災(zāi)害學(xué)報(bào)， 1997， 6（1）： 25-30.

［2］ 張迎賓， 柳靜. 復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)陸地交通地震地質(zhì)災(zāi)害早期識(shí)別及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)［J］. 高速鐵路技術(shù)， 2018，S（2）：33-37.

［3］ 楊昌鳳. 高烈度山區(qū)公路選線策略［J］. 中外公路， 2015，35（6）：1-4.

［4］ NEWMARK. EFFECTS OF EARTHQUAKES ON DAMS AND EMBANKMENTS［J］. GEOTECHNIQUE， 1965 （15）.

［5］ R. C. Wilson， D. K. Keefer. Dynamic analysis of a slope failure from the 6 August 1979 Coyote Lake， California， earthquake［J］. Bulletin of the Seismological Society of America， 1983 （73）：863-877.

［6］ J. Liu， Y. Zhang， J. Wei， et al. Hazard assessment of earthquake-induced landslidesby using permanent displacement model considering near-fault pulse-like ground motions［J］. 2021 （80）：8503-8518.

［7］ G. Saygili， E. M. J. J. o. g. Rathje， g. engineering. Empirical predictive models for earthquake-induced sliding displacements of slopes［J］. 2008 （134）：790-803.