趙　歡， 尹　超， 張啟龍

(1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 道橋工程系， 陜西 渭南　714000；　2.山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院， 山東 淄博　255049；　3.長安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安　710064)

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公路泥石流災(zāi)害危險性評價方法

趙歡1， 尹超2，3， 張啟龍3

(1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 道橋工程系， 陜西 渭南714000；2.山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院， 山東 淄博255049；3.長安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安710064)

[摘要]為減輕泥石流對公路的危害，對公路泥石流災(zāi)害進(jìn)行了危險性評價。分析了公路泥石流災(zāi)害的概念和分類，從地形地貌條件、物源條件、水源條件、人類工程活動條件和植被條件5方面研究了公路泥石流災(zāi)害的影響因素，建立了公路泥石流災(zāi)害危險性評價指標(biāo)體系和公路泥石流災(zāi)害危險性評價模型，將公路泥石流災(zāi)害危險性分為無危險、低危險、一般危險和高危險4級。采用G108周至、佛坪和寧強(qiáng)3個路段的4處公路泥石流災(zāi)害點(diǎn)對公路泥石流災(zāi)害危險性評價模型進(jìn)行了實(shí)例分析，評價結(jié)果與現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果吻合，證明了本研究的合理性。

[關(guān)鍵詞]道路工程； 泥石流； 危險性； 影響因素； 評價指標(biāo)； 評價模型

0前言

我國地域遼闊，自然環(huán)境的地帶性和非地帶性差異巨大，除火山噴發(fā)外，各種地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，由此造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失十分嚴(yán)重。作為線狀結(jié)構(gòu)，公路展布在自然環(huán)境中，沿線有不同的地形、地質(zhì)和水文條件，同時，公路的建設(shè)也會對自然環(huán)境的原始穩(wěn)定狀態(tài)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致公路經(jīng)常遭受地質(zhì)災(zāi)害的威脅[1，2]。公路泥石流災(zāi)害是山區(qū)公路沿線普遍存在且破壞作用極其強(qiáng)烈的災(zāi)害類型，其發(fā)生頻率雖然不大，但因泥石流具有發(fā)生突然、破壞性強(qiáng)等特點(diǎn)，一旦發(fā)生將會對公路造成毀滅性影響，例如，2010年8月12日，曾遭受汶川地震重創(chuàng)的四川省綿竹市清平鄉(xiāng)、天池鄉(xiāng)等山區(qū)發(fā)生強(qiáng)降雨，引發(fā)多處泥石流災(zāi)害，災(zāi)害體總規(guī)模超過600萬m3，造成7人死亡、7人失蹤、33人受傷、500余人被困，剛剛通車的漢清公路和S303南華隧道等路段中斷，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1億多元[3.4]。

近100 a來，國內(nèi)外眾多學(xué)者對泥石流災(zāi)害進(jìn)行了深入研究，但受監(jiān)測手段和人員素質(zhì)的限制，很難對泥石流災(zāi)害發(fā)生的時間和地點(diǎn)進(jìn)行精確預(yù)測，鑒于此，加強(qiáng)泥石流災(zāi)害危險性評價研究成為減輕泥石流災(zāi)害損失的有效途徑之一[5]。20世紀(jì)90年代中期，重慶交通大學(xué)的陳洪凱教授對公路泥石流災(zāi)害進(jìn)行了開創(chuàng)性研究，分析了公路泥石流災(zāi)害的形成條件及活動規(guī)律，開發(fā)了速流結(jié)構(gòu)和底埋隧道等泥石流防治新技術(shù)[6]。莊建琦等通過野外考察和高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)，獲得了汶川地震極震區(qū)都汶公路泥石流溝的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并以泥石流總量和溝床比降作為參數(shù)建立了單溝泥石流危險性評價模型[7]。夏添結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查資料和遙感解譯數(shù)據(jù)，通過集水閾值法對北川地區(qū)進(jìn)行了集水單元劃分，建立了基于集水區(qū)域和信息量法的震后泥石流災(zāi)害危險性評價模型[8]。

通過對國內(nèi)外相關(guān)研究資料的總結(jié)分析可知，雖然泥石流災(zāi)害危險性評價研究較多，但大多是從自然環(huán)境角度進(jìn)行的，即僅針對公路泥石流災(zāi)害的孕災(zāi)環(huán)境和致災(zāi)因素展開研究，很少有針對公路等人工構(gòu)造物的泥石流災(zāi)害危險性評價研究。本文在總結(jié)已有研究成果的基礎(chǔ)上，分析了公路泥石流災(zāi)害的影響因素，選取了公路泥石流災(zāi)害危險性評價指標(biāo)并建立了危險性評價模型，以G108秦巴山區(qū)段泥石流災(zāi)害點(diǎn)為例，對評價模型進(jìn)行了實(shí)例分析，且評價結(jié)果與實(shí)際調(diào)查結(jié)果一致，說明本文的研究是科學(xué)、合理的。

1公路泥石流災(zāi)害危險性評價

1.1公路泥石流災(zāi)害的類型

公路泥石流災(zāi)害是指在溝谷深壑、地形險峻的地區(qū)，對公路帶來嚴(yán)重影響的、由強(qiáng)降雨等自然災(zāi)害引發(fā)的、攜帶有大量泥沙和石塊的特殊洪流。公路泥石流災(zāi)害主要通過阻塞、淤埋、沖刷、撞擊等方式對路基、橋涵及其他公路附屬構(gòu)造物產(chǎn)生危害，同時由于堆積物壓縮、堵塞河道和迫使主河槽流向變化等誘發(fā)公路間接水毀[9]。

根據(jù)不同的劃分標(biāo)準(zhǔn)，公路泥石流災(zāi)害可以分為不同類型。主要劃分標(biāo)準(zhǔn)有：發(fā)育公路泥石流災(zāi)害的流域特征、公路泥石流災(zāi)害的性狀和成分以及公路泥石流災(zāi)害的規(guī)模等，如表1所示[10]。

1.2公路泥石流災(zāi)害危險性評價的內(nèi)容

根據(jù)公路泥石流災(zāi)害的特點(diǎn)，公路泥石流災(zāi)害危險性評價的內(nèi)容主要包括3方面。

表1 公路泥石流災(zāi)害類型劃分Table1 Typesclassificationofhighwaydebrisflowdisaster劃分依據(jù)公路泥石流災(zāi)害類型發(fā)育公路泥石流災(zāi)害的流域特征坡面型泥石流溝谷型泥石流公路泥石流災(zāi)害的性狀和成分粘性泥石流稀性泥石流黃土泥流公路泥石流災(zāi)害的規(guī)模特大型泥石流(≥100萬m3)大型泥石流(10～100萬m3)中型泥石流(1～10萬m3)小型泥石流(≤1萬m3)

① 公路泥石流災(zāi)害影響因素分析。即從眾多的自然環(huán)境因素中，篩選出對公路泥石流災(zāi)害危險性產(chǎn)生較大影響的因素，并分析各因素的強(qiáng)度特征對公路泥石流災(zāi)害危險性的影響機(jī)理。

② 公路泥石流災(zāi)害危險性評價指標(biāo)的選取。即在公路泥石流災(zāi)害影響因素分析的基礎(chǔ)上，提取最能反映各影響因素作用特點(diǎn)的數(shù)字特征或強(qiáng)度指標(biāo)，并對各評價指標(biāo)進(jìn)行分級和評分。

③ 公路泥石流災(zāi)害危險性評價模型的建立。即在公路泥石流災(zāi)害影響因素和危險性評價指標(biāo)研究的基礎(chǔ)上，建立合理的數(shù)學(xué)模型計算公路泥石流災(zāi)害危險度，并以此作為公路泥石流災(zāi)害危險性評價的結(jié)果。

2公路泥石流災(zāi)害危險性評價指標(biāo)

2.1公路泥石流災(zāi)害影響因素

公路泥石流災(zāi)害的形成需要3個基本條件： ①陡峭便于集水集物的適當(dāng)?shù)匦危?②上游堆積有豐富的固體松散物質(zhì)； ③短時間內(nèi)有突然性的大量流水來源。此外，人類工程活動和植被條件對公路泥石流災(zāi)害的形成也有一定影響[11]。

2.1.1地形地貌條件

地形地貌條件對溝谷型公路泥石流災(zāi)害和坡面型公路泥石流災(zāi)害發(fā)生、發(fā)展的控制作用并不相同：對于溝谷型公路泥石流災(zāi)害，溝床坡度的勢能條件為泥石流提供位能，賦予泥石流侵蝕、搬運(yùn)和堆積固體物質(zhì)的能量；對于坡面型公路泥石流災(zāi)害，在坡面和溝槽的演變中，地形坡度和較大的流域面積可以提供足夠數(shù)量的水體和土石體。

2.1.2物源條件

泥石流溝是由形成區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)三部分構(gòu)成的。公路泥石流災(zāi)害形成的物源條件指形成區(qū)土石體的類型、分布、性狀、結(jié)構(gòu)、儲備方量和補(bǔ)給方式等，其來源受風(fēng)化作用、地層巖性和氣候等因素的影響。從巖性看，各種成因的第四系松散堆積物最容易受到侵蝕和沖刷，溝床內(nèi)的沖洪積物、山坡上的殘坡積物以及崩塌、滑坡形成的堆積物等都是公路泥石流災(zāi)害的主要物源。

2.1.3水源條件

水既是公路泥石流災(zāi)害的組成物質(zhì)，也是松散固體堆積物的搬運(yùn)介質(zhì)。公路泥石流災(zāi)害的水源主要有大氣降水、冰雪融水、水庫潰決水和地表水等，其中約90%的公路泥石流災(zāi)害是由暴雨引發(fā)的。我國降雨過程及降雨量的空間分異特征導(dǎo)致了公路泥石流災(zāi)害的區(qū)域性差異，如我國西南地區(qū)年均降雨量較大且暴雨集中，公路泥石流災(zāi)害較為發(fā)育。

2.1.4人類工程活動

隨著人類工程活動強(qiáng)度和廣度的不斷發(fā)展，自然資源和自然環(huán)境的開發(fā)利用程度也在不斷擴(kuò)大。當(dāng)人類活動違反自然規(guī)律時(如在公路、鐵路和其他建筑結(jié)構(gòu)的新建和改建過程中進(jìn)行不合理地邊坡開挖和植被破壞)，可能引發(fā)公路泥石流災(zāi)害。

2.1.5植被條件

植被覆蓋度和植被類型對于公路泥石流災(zāi)害穩(wěn)定性具有重要影響。植被覆蓋度高的地區(qū)可以減輕水土流失，減少固體松散物質(zhì)的補(bǔ)給，從而降低公路泥石流災(zāi)害發(fā)生的可能性。遮蔽度高的植被與遮蔽度低的植被相比，減輕水土流失的能力更強(qiáng)，更有利于提高公路泥石流災(zāi)害穩(wěn)定性。

2.2公路泥石流災(zāi)害危險性評價指標(biāo)選取

本文建立包括因子層、指標(biāo)層和狀態(tài)層的公路泥石流災(zāi)害危險性評價指標(biāo)體系。其中，因子層是公路泥石流災(zāi)害影響因素的體現(xiàn)，包括地形地貌條件、物源條件、水流條件、人類工程活動條件和植被條件等5方面。在此基礎(chǔ)上，選取能夠反映因子層的地形坡度、巖土類型、巖土體風(fēng)化系數(shù)、年均暴雨天數(shù)、人類活動強(qiáng)度和植被覆蓋度等6項(xiàng)指標(biāo)建立公路泥石流災(zāi)害危險性評價指標(biāo)體系的指標(biāo)層。最后，根據(jù)不同評價指標(biāo)的強(qiáng)度特征對公路泥石流災(zāi)害的影響特點(diǎn)將各評價指標(biāo)分為無危險、輕微危險、中等危險、嚴(yán)重危險和極嚴(yán)重危險5級并分別評分1、3、5、7和9，從而建立公路泥石流災(zāi)害危險性評價指標(biāo)體系的狀態(tài)層，如圖1和表2所示。

圖1　公路泥石流災(zāi)害危險性評價指標(biāo)體系Figure 1　Assessment indicator system of highway debris 　　　flow disaster

表2 公路泥石流災(zāi)害危險性評價指標(biāo)分級Table2 Assessmentindicatorgradingofhighwaydebrisflowdisaster等級地形坡度/(°)巖土類型巖土體風(fēng)化系數(shù)年均暴雨天數(shù)人類活動強(qiáng)度植被覆蓋度評分無危險[0,8)硬巖(0.8,1.0][0.0,0.8)無(0.8,1.0]1輕微危險[8,15)礫類土、極軟巖(0.6,0.8][0.8,2.5)輕微活躍(0.6,0.8]3中等危險[15,25)粘性土(0.4,0.6][2.5,4.5)中等活躍(0.4,0.6]5嚴(yán)重危險[25,35)砂類土、黃土(0.2,0.4][4.5,6.5)嚴(yán)重活躍(0.2,0.4]7極嚴(yán)重危險[35,90]粉性土[0.0,0.2]≥6.5極嚴(yán)重活躍[0.0,0.2]9

3公路泥石流災(zāi)害危險性評價模型

3.1評價模型的建立

本文采用影響因素疊加法建立公路泥石流災(zāi)害危險性評價模型，如式(1)所示。

P=BA1+CA2+DA3+EA4+FA5+GA6

(1)

式中：P為公路泥石流災(zāi)害危險度，即公路泥石流災(zāi)害危險性評價的結(jié)果，B為地形坡度指標(biāo)評分，C為巖土類型指標(biāo)評分，D為巖土體風(fēng)化系數(shù)指標(biāo)評分，E為年均暴雨天數(shù)指標(biāo)評分，F(xiàn)為人類活動強(qiáng)度指標(biāo)評分，G為植被覆蓋度指標(biāo)評分，A1、A2、A3、A4、A5、A6分別為地形坡度、巖土類型、巖土體風(fēng)化系數(shù)、年均暴雨天數(shù)、人類活動強(qiáng)度和植被覆蓋度指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。

本文根據(jù)公路泥石流災(zāi)害危險度P，將公路泥石流災(zāi)害危險性分為4級，即無危險、低危險、一般危險和高危險，如表3所示。

3.2指標(biāo)權(quán)重的確定

不同評價指標(biāo)對公路泥石流災(zāi)害危險性的影響程度是通過評價指標(biāo)權(quán)重量化的。本文采用專家調(diào)

表3 公路泥石流災(zāi)害危險性等級劃分Table3 Riskclassificationofhighwaydebrisflowdisaster公路泥石流災(zāi)害危險性等級劃分公路泥石流災(zāi)害危險度P無危險[0,2.5)低危險[2.5,5.5)一般危險[5.5,7.0)高危險[7.0,9.0]

查法確定評價指標(biāo)權(quán)重，即調(diào)查多位相關(guān)領(lǐng)域的專家，并將調(diào)查結(jié)果加權(quán)平均后進(jìn)行人工調(diào)整得到，如表4所示。

表4 公路泥石流災(zāi)害危險性評價指標(biāo)權(quán)重Table4 Assessmentindicatorvaluesofhighwaydebrisflowdisaster指標(biāo)權(quán)重指標(biāo)權(quán)重地形坡度A10.20年均暴雨天數(shù)A40.25巖土類型A20.20人類活動強(qiáng)度A50.10巖土體風(fēng)化系數(shù)A30.10植被覆蓋度A60.15

4實(shí)例分析

G108有周至、佛坪和寧強(qiáng)共3個路段穿越秦巴山區(qū)，其總的特點(diǎn)是道路等級低、路面比較窄、線形比較差、轉(zhuǎn)彎半徑比較小、長大縱坡比較多、沿線泥石流災(zāi)害發(fā)育，造成山區(qū)公路行車隱患比較多，經(jīng)常發(fā)生交通事故[12]。2014年8月3日～8日，作者對上述路段進(jìn)行了實(shí)地調(diào)查，查明了沿線4處泥石流災(zāi)害點(diǎn)，并采用本文建立的危險性評價模型進(jìn)行了危險性評價，得到了較好的結(jié)果。

4.1沿線泥石流災(zāi)害調(diào)查結(jié)果

調(diào)查路段共有泥石流災(zāi)害點(diǎn)4處，其中目前基本穩(wěn)定的有1處，不穩(wěn)定的3處，災(zāi)害體規(guī)模大于1 000 m3的2處，如表5所示。

表5 調(diào)查路段泥石流災(zāi)害概況Table5 HighwaydebrisflowdisasterpointsofG108編號災(zāi)害點(diǎn)樁號災(zāi)害體規(guī)模/m3目前狀態(tài)1K1429+500～K1429+5801320不穩(wěn)定2K1436+140～K1436+160500基本穩(wěn)定3K1470+505～K1470+2231250不穩(wěn)定4K1742+200～K1742+250900不穩(wěn)定

其中：K1429+500～K1429+580處泥石流災(zāi)害點(diǎn)較嚴(yán)重。該路段為半填半挖路基，泥石流溝與路線走向基本垂直，溝道出口寬約30 m，堆積物組成特征為土石混合，厚度約2 m，泥石流溝主溝平均比降約65°，堆積物平均粒徑5 cm，最大粒徑15 cm，植被覆蓋稀少，邊坡坡長40 m，寬20 m，巖體破碎嚴(yán)重。該泥石流溝已發(fā)生過災(zāi)害，目前不穩(wěn)定，影響公路范圍長約15 m，寬約4 m，如圖2所示。

圖2　K1429+500～K1429+580泥石流災(zāi)害點(diǎn)Figure 2　Highway debris flow disaster point at K1429+　　　500～K1429+580

4.2公路泥石流災(zāi)害危險性評價

通過對各災(zāi)害點(diǎn)的詳細(xì)研究，可以得到各災(zāi)害點(diǎn)危險性評價指標(biāo)的取值或分級狀況，如表6所示。

表6 各災(zāi)害點(diǎn)危險性評價指標(biāo)取值或分級Table6 Valuesorgradingofassessmentindicatorofdisas-terpoints地形坡度(°)巖土類型風(fēng)化系數(shù)年均暴雨天數(shù)/d人類活動強(qiáng)度植被覆蓋度取值或分級150粘性土0.707.0嚴(yán)重活躍0.35260礫類土0.657.0中等活躍0.40345粘性土0.557.0中等活躍0.55430極軟巖0.407.0中等活躍0.30

結(jié)合式1、表3和表4，經(jīng)計算，各公路泥石流災(zāi)害點(diǎn)的危險性評價結(jié)果如表7所示。

表7 公路泥石流災(zāi)害危險性評價結(jié)果Table7 Assessmentresultsofhighwaydebrisflowdisaster編號公路泥石流災(zāi)害危險度P危險性分級17.1高危險26.5一般危險36.8一般危險46.5一般危險

由表7可知：評價結(jié)果與現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果吻合，證明了該評價方法的合理性。

5結(jié)論

① 闡述了公路泥石流災(zāi)害的概念以及對公路的危害，從發(fā)育公路泥石流災(zāi)害的流域特征、公路泥石流災(zāi)害的性狀和成分以及公路泥石流災(zāi)害的規(guī)模等方面對公路泥石流災(zāi)害進(jìn)行了分類。

② 從地形地貌條件、物源條件、水源條件、人類工程活動條件和植被條件5方面分析了公路泥石流災(zāi)害的影響因素，建立了包括因子層、指標(biāo)層和狀態(tài)層的公路泥石流災(zāi)害危險性評價指標(biāo)體系。

③ 采用影響因素疊加法建立了公路泥石流災(zāi)害危險性評價模型，采用專家調(diào)查法確定了危險性

評價指標(biāo)權(quán)重，根據(jù)公路泥石流災(zāi)害危險度P，將公路泥石流災(zāi)害危險性分為無危險、低危險、一般危險和高危險4級。

④ 對G108周至、佛坪和寧強(qiáng)3個路段進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)查，查明了沿線4處公路泥石流災(zāi)害點(diǎn)，利用本文建立的公路泥石流災(zāi)害危險性評價模型對各災(zāi)害點(diǎn)進(jìn)行了危險性評價，評價結(jié)果與現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果吻合，證明了該評價方法的合理性。

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Risk Assessment Method of Highway Debris Flow Disasters

ZHAO Huan1， YIN Chao2，3， ZHANG Qilong3

(1.Department of Highway and Bridge Engineering， Shaanxi Railway Institution， Weinan， Shanxi 714000， China；2.School of Transportation and Vehicle Engineering， Shandong University of Technology， Zibo， Shandong 255049， China；3.Key Laboratory for Special Area Highway Engineering of Ministry of Education， Chang’an University， Xi’an， Shanxi 710064， China)

[Abstract]In order to reduce the damage of debris flow upon highway，risk assessment of highway debris flow disaster was managed.The concept and classification of highway debris flow disaster were analyzed，as well as the influencing factors from topography condition，material sources，water conditions，human engineering activities and vegetation condition.The assessment indicator system and assessment model of highway debris flow disaster were established，and the risk can be divided into no high risk，low risk，general risk and high risk.Four highway debris flow disaster points along G108 were used to the assessment model established in this paper，the assessment results are in occident with the investigation results，which prove the truth of this study.

[Key words]road engineering； debris flow； risk； influencing factor； assessment indicator； assessment model.

[中圖分類號]U 416.06

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1674—0610(2016)02—0236—04

[作者簡介]趙歡(1985—)，男，河南三門峽人，講師、碩士，主要從事公路自然災(zāi)害防治方面的研究。

[基金項(xiàng)目]西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目(200631800007)；中交股份科技研發(fā)項(xiàng)目(2011-ZJKJ-04)

[收稿日期]2015—02—20