山区公路强震灾害链影响与控制*——以映卧公路为例<br/>

山区公路强震灾害链影响与控制*——以映卧公路为例

2012-01-26成良霞苏生瑞李松张宁博

灾害学 2012年2期

成良霞，苏生瑞，李松，张宁博

(1．长安大学地质工程与测绘学院，陕西西安710054;2．甘肃省地质环境监测院，甘肃兰州730050)

0 引言

汶川8.0级强震以来，全球强震频发。一个震级较高的地震可以触发1×105km2范围内的数千甚至数万个地质灾害［1－2］。重大自然灾害一经发生，极易借助自然生态系统之间相互依存、相互制约的关系，产生连锁效应，由一种灾害引发出一系列灾害，从一个地域空间扩散到另一个更广阔的地域空间，这种呈链式有序结构的大灾传承效应称为灾害链。巨灾和灾害链对人民生命财产所造成的危害十分巨大［3］。

强震作为地球活动的产物，对震区的自然、社会及生态环境会造成直接而巨大的破坏。由于强震震区所处位置的地形地貌及社会环境不同，会形成不同形式的次生灾害，如滑坡、泥石流等，而这些次生灾害又因其内部因素之间的关联可形成链(网)式灾害，即地震灾害链，这也给灾区及周邻地区带来严重的破坏。

当前，对地震灾害链的研究还处于起步阶段，地震灾害链的理论及其评价方法和技术还不完善。姚清林［4］针对地震灾害链特征，提出了灾害链预测的两个基本途径:其一是基于对灾害链过程与影响、传承机理的认识;其二基于对链接点的关系的认识。同时认为阻断灾害链的方法为三类:一断;二消;三避。门可佩［5］提出重大地震灾害链的时空有序性，地震灾害链网络结构及其预测方法。李明等［6］对典型地质灾害链式机理进行了研究，张瑞雪等［7］依据近年来国内外发生的一系列重大地质灾害实例，包括印尼海啸和汶川大地震，初步分析几种地质灾害相互诱发的可能性，并分析了这几种地质灾害内在关联性。就汶川地震灾害链而言，仅有唐晓春［8］、高建国［9］、王春振，陈国阶［10］、向灵芝等［11］、赵静等［12］、马保成等［13］等人进行研究过。可见现阶段对于汶川强震灾害链的研究成果不是很多，而对山区公路强震灾害链的研究，主要着重于山区公路强震灾害链的研究，成果更少。

公路作为山区交通动脉，由于受到山区地形地貌条件的限制，往往仅为线性串联公路。强震作为一种区域性的自然灾害，不仅震时造成了大面积的山区公路破坏，给抗震救灾造成极大的阻碍，同时造成山区公路两侧的山体松动，震后震裂山体在外界因素的影响下极易形成链(网)式灾害，威胁到灾区灾后重建、社会稳定及经济发展。对处在震中的映卧公路而言，强震引发的崩塌并不是唯一的地质灾害。在震后两年多的时间内，地震－山体崩塌、滑坡－泥石流－阻断道路交通灾害链使得历经两次改扩建都未能完工的映卧公路拟在2011年汛期后启动第三次改扩建。因此，有必要在前人研究的基础上，结合震后映卧公路的实地调查，深入开展山区公路强震灾害链的研究，并对山区公路强震灾害链的控制提出了一定的建议，为日后震后山区公路的抢通和恢复重建提供理论参考。

1 映卧公路概况

映秀至卧龙公路处于四川省汶川县境内，四川盆地西北边缘，全长45.5 km，为一条横贯东西的重要干线公路，连接映秀、卧龙、日隆(四姑娘山)，沿线地质条件复杂。

1.1 地质环境概况

映卧公路路线沿渔子溪两岸布线，映秀为最低点，海拔900 m左右，然后沿渔子溪河谷逆流而上，至耿达高程约1 500 m，卧龙高程约2 050 m，沿线最高峰火烧坡海拔4 141 m，盘龙寺最高海拔3 970 m［14］。该公路基本沿横穿龙门山构造带方向布线，起自中央主断裂(映秀)，穿龙门山后山断裂(耿达)。该公路沿线地质构造复杂，断裂构造发育，总体上路线通过两大构造体系，即龙门山华夏系构造和小金弧形褶皱带，同时在地层上也分为龙门山地层分区和马尔康地层分区。

1.2 地质灾害概况

汶川地震后，据地震后国土资源航空物探遥感中心对震中附近的映秀镇地区317国道和303省道灾害的航空遥感图像及解译，汶川地震在映秀镇地区毁路共36段，毁路总长度约为13 168 m，所占比例为65.3%。其中，崩塌引起的毁路24段，毁路长度约为8 123m，所占比例为61.7%［15］。通过地震现场的实地调查表明，映卧公路受到严重的次生灾害的破坏，特别是映秀到耿达段，约75%道路被地震崩滑、泥石流堆积物掩埋［14］。震后经过紧急抢通，初步恢复交通，但由于公路两侧的次生地质灾害严重，多次中断交通，同时形成强震灾害链对公路及震区造成严重影响(图1)。

图1 公路沿线地震地质灾害分布略图

2 山区公路强震灾害链分析

单因引发的灾害越来越少，任何一个(种)灾害发生的原因都不是孤立的、静止的，都是与其他因素相联系的;而任何一个(种)灾害发生，都要对其周围环境(包括与其发生广泛联系的其他系统)产生多种多样的影响，进而为其他事物或现象(诸如与其同类或异类的灾害)的发生提供条件［16］。因此，对山区公路强震灾害链进行分析，不仅要从公路自身系统考虑，而且还要从公路社会系统考虑。

2.1 公路自身系统及其灾害链形成

公路是由环境与元素构成的系统。根据山区公路系统中元素性质不同，分为固有元素与临时元素，具体环境与各元素内容关系如图2所示。汶川地震对山区公路造成了大量的次生地质灾害，同时灾害在内外复杂因素的耦合作用下，不同灾害先后暴发形成链式效应，造成二次灾害，及灾害放大效应。通过对映卧公路的现场调查，震后山区公路两旁的边坡崩塌、滑坡堆积体大段掩埋公路路基、桥梁及隧道出口;崩塌落石砸坏、停积于路面，砸毁桥梁及隧道进出口;崩塌滑坡堆积体堰塞、壅塞河道形成堰塞湖，淹没路基;崩塌滑坡堆积体在强暴雨的条件下诱发震后泥石流掩埋公路。可见，汶川地震对山区公路环境和固有元素的破坏是一定的，对临时元素的危害则是不确定的。

图2 山区公路系统环境及元素

在前人研究的基础上，结合震后山区公路实际调查，总结得出公路自身系统灾害链(图3)。公路自身系统灾害链具体形成过程是山区公路两旁的边坡上裸露岩体在暴雨、风化等环境因素长期侵蚀下，其节理、裂隙不断向纵深层扩展，在汶川地震的诱发下，形成崩塌、滑坡灾害。由于地震荷载作用使斜坡的整体性遭到破坏，降低了斜坡岩土体的抗剪强度，使得大量斜坡处于欠稳定状态，因而还有相当数量受地震破坏的山坡上存在摇摇欲坠的危岩，稳定性很差，稍有外力作用，即会失稳，对车辆、行人威胁极大。松散崩塌滑坡堆积物和不稳定边坡堆积于沟床、上一级斜坡带，在暴雨和洪水等外因继续耦合作用下，其不同粒径的岩土体将在强烈水力和能量冲击下，以不同体态(固、液或气态)物质产生集散与搬运作用，构成破坏力极强泥石流，严重破坏交通设施和阻断交通，直接威胁交通干线。其中有些大型泥石流流入河道，因流速太快，河道太窄，从而堵塞河道，形成堰塞湖，严重威胁山区公路旁居民和重建人员的安全。

图3 山区公路次生地质灾害链

2.2 公路社会系统及其灾害链形成

公路作为公路沿线的城镇(乡村)社会系统的交通生命线，受到山区地形地貌条件的限制，为单线串联公路。沿线的各个城镇(乡村)社会系统是独立的系统，与山区公路系统一起形成了一个线性的串联的公路社会系统(图4)。当公路系统中某一(几)处发生破坏，如路基、桥梁、隧道结构的破坏，将会导致公路交通堵塞，中断，从而影响到城镇社会系统，发生链式反应，后果最为严重的是导致整个公路社会系统瘫痪。

从系统论的角度看，把山区公路自身系统灾害链(图3)与山区公路社会系统(图4)相联系，可以得出山区公路社会系统强震灾害链(图5)。调查期间恰逢雨季，使得灾害链式效应凸现得更加明显。2010年8月13日的大雨造成映卧公路K34段崩塌碎屑流，阻断交通3d;K07段形成堰塞湖，阻断交通达一个月之久;公路两旁震时、震后崩塌产生的碎屑和块体在降雨和温差变化的条件下反复滑动失稳，产生多次飞石伤人现象，对施工队伍和人员造成过巨大损失。经野外调查收集的10 d 07:00－18:00资料统计，“飞石”灾害多是在大雨过后又遇太阳暴晒后发生的，且发生时间集中在08:00－11:00及14:00－16:00，这段时间正是一天中温度变化最明显的时段。飞石灾害对过往行人和车辆构成潜在的威胁。此外，受灾期间，断水断电现象时有发生，通信信号也是时有时无，从而会对救灾造成一定的延误。

图4 山区公路社会系统

图5 山区公路社会系统强震灾害链

2.3 山区公路强震灾害链影响

程强等2009年5月对映卧公路地震地质灾害进行调查研究，映卧公路沿线次生地质灾害共计147处，其中崩塌119处，震后滑坡3处，泥石流11处，堰塞湖14处，大段公路路基被埋或被淹，4座桥梁严重受损，3个隧道进出口被埋［14］。

由于映卧公路震后地质灾害严重，在强降雨的条件下极易发生灾害，对过往行人和车辆造成威胁和阻碍交通。所以2010年8月本课题组对映卧公路又进行了详细的专项地质灾害调查。调查发现次生地质灾害共计117处，其中崩塌99处，泥石流18处。此次调查的崩塌灾害点既包括原来调查的崩塌点60处，又含有在强降雨条件下新增的崩塌灾害点39处，并且崩塌中含有滑坡式崩塌。此次调查的泥石流灾害部分是由原崩塌灾害点转换发育而来的，如地震时崩塌D04号点，已有震后崩塌堆积体堆积在坡体表面，在2010年8月13日大雨后，转换发育为坡面泥石流N09。根据调查资料研究整理，山区公路经强震后，映卧公路灾害链中崩塌灾害发育为主体，滑坡，泥石流次之。

2.3.1 崩塌

震后崩塌对映卧公路的破坏主要有以下两个方面。

(1)震后崩塌对路基的危害包括砸坏和掩埋路面、砸坏和掩埋支挡结构(路堑墙、拦石墙、主动防护网和被动防护网)以及堵塞排水设施。如映卧公路第22个崩塌点BT22(K16+494～K16+620)，崩塌堆积体掩埋路面长约80 m，宽约2 m(图6)。

(2)崩塌灾害对桥梁的危害以砸坏和掩埋桥梁为主，对隧道的危害，主要以堵塞隧道口，砸坏已修建的棚洞为主。如映卧公路第7个崩塌点BT07(K09+947～K10+310)为崩塌松散堆积体在强降雨条件下再次失稳，堆积在盘龙山隧道出口，堵塞了半个洞口(图7)。

图6 BT22失稳岩体掩埋路面

图7 BT07失稳岩体堵塞隧道口

2.3.2 滑坡

由于沿线地面横坡陡峻，地震诱发滑坡灾害仅3处，其一为较为特殊的基岩地下水压力作用下高速远程滑坡灾害即映秀至卧龙公路24 km处的高速远程滑坡，它对映卧公路的破坏主要是掩埋路面，砸碎索桥及堵塞渔子溪河道(图8)。

图8 K24滑坡砸碎索桥

2.3.3 泥石流

震后泥石流严重威胁着公路震后恢复重建。2008－2010年映卧公路沿线均不同程度发生泥石流灾害，尤以2010年“8·13”暴雨泥石流灾害为甚。据2010年8月公路路线调查统计，映卧公路沿线共发生大小泥石流灾害18处，以南华隧道出口泥石流、瀑布山庄泥石流危害最大。泥石流给山区公路造成的危害是掩埋公路路基，堵塞涵洞等。如N11(K39+622～K39+754)为地震后已有堆积体在8月13日大雨后引发坡面泥石流，掩埋公路100 m、宽12 m、厚0.5－1.5 m(图9)。有的泥石流流入公路旁的渔子溪后，堵塞河道，在强降雨条件下又形成堰塞湖，从而淹没渔子溪下游公路，并对河流下游居民构成威胁。

图9 N11泥石流掩埋路基，部分已被清理

3 山区公路强震灾害链控制

由上述分析可知，山区公路强震灾害链主要可以分为公路自身系统及其灾害链和公路社会系统及其灾害链，灾害链发生后对山区公路及其周边环境的创伤是巨大的。如果能在公路自身系统灾害链中切断链源，就能达到对公路强震灾害链控制(断链)的目的。但由于灾害(链)的隐蔽性、复杂性，无法对灾害(链)进行完全的控制(阻断)。因此，在地质灾害发生后，如果能在“阻断交通”环节进行控制(断链)，对公路系统中的临时元素(行人、车)进行紧急有序的疏通，对公路固有元素(桥、隧、路)进行快速抢修(通)也能达到有效控制的目的。因此，山区公路强震灾害链的控制应该从对山区公路抢通和山区公路自身灾害链源头着手。

(1)山区公路抢通(修)措施

对于山区公路的抢通(修)措施来说，主要是建立山区公路灾害抢通系统。当次生地质灾害造成公路破坏，从而导致系统拥堵时，利用山区公路灾害抢通系统，对公路固有元素(桥、路、隧)进行快速抢通，并保通，使得山区公路社会系统通畅。

①对环境进行监测，当有发生极端气候可能时，立刻进入抢通备战状态。如交通指挥人员，抢通工程人员及设备。

②当山区公路发生破坏时，对于公路破坏点的位置、规模及破坏类型，要能够迅速确定。

③通过交通指挥，将公路系统中的临时元素(行人、行车)进行迅速疏散，确保抢通工程人员及设备能以最快速度赶到破坏现场。

④立即对灾害及公路破坏的情况进行专家会商，选定合适的治理及抢通措施后，迅速组织抢通施工人员进场抢通。

⑤对抢通后的公路进行交通管制，保证公路交通的畅通，并优先确保抢险救灾车辆通行。

(2)公路自身灾害链的控制

①对危险性等级高的灾害点，应综合考虑灾害类型、形成原因、稳定性及变形破坏机制、水文地质及工程地质条件、场地建(构)筑物及施工影响等因素，有针对性地采取及时有效、安全适用、经济合理、技术可行的治理措施予以根治，对于那些危险性巨大的崩塌和泥石流灾害还可以考虑绕避或隧道方式。在山区道路恢复重建中，进行道路地质灾害评估，对有大型滑坡和泥石流灾害点和隐患点重新选线，尽量采取绕避方案，从源头上减少灾害。

在2010年的泥石流中，映秀至耿达近20 km路面几乎全部被埋。映卧公路2～7 km段、11～16 km段、耿达段将各新增一个隧道进行避让。同时，这些新增的隧道两端洞口将搭建10 m多长的棚洞，可以抵挡崩塌的山体，确保地质灾害来临时不掩埋隧道洞口。公路33～34 km段，线路走向呈S形，再加上曾有山体滑坡，被称为“魔鬼路段”。这段“魔鬼路段”也将采取隧道方式绕避。新线路将在33 km处跨过河，从对面的山体里建隧道穿越至44.5 km处。

②对于危险性中等的灾害点，在经济允许的情况下尽快治理，结合工程治理及生物治理方式，如果经济能力有限，公路管理部门应加强对这些点的巡逻，特别是在雨季，更要多观察，一旦发现异常情况，应及时采取措施，削减地震中可能诱发灾害体规模和致灾能力，提高公路构筑物的抗灾能力，确保在地震作用下的公路行车安全和畅通，确保公路在经受地震后仍能满足公路的基本使用功能［10］。如由于渔子溪河床受泥石流影响有所抬高，线路的路基普遍设计抬高10 m以上。

③对于危险性小的灾害点，应加强雨季的观测和监控，减少公路灾害的隐患。

④对于基本无危险性区，只需正常巡察，定期观测，并观察是否有新的灾害点出现即可。

4 结语

在前人研究成果及实地调查的基础上，对山区公路强震灾害链进行了深入分析。但由于山区公路强震灾害链错综复杂，灾害产生的影响广泛持久，所以有必要持续对山区公路强震灾害链进行不断地研究，如灾害监测、预警、灾害应急预案、公路快速抢通技术，以及灾后公路灾害防治等，把被动救灾转为主动防灾减灾，确保山区公路的畅通，减少因强震造成的山区公路灾害链带来的人员伤亡及财产损失，为地震灾区的抗震救灾及修复重建打下基石。

［1］Keefer D K．Statistical analysis of an earthquake－induced landslide distribution:the 1989 Loma Prieta，California event［J］．Engineering Geology，2000，58(3/4):231－249．

［2］Keefer D K，Larsen M．Assessing landslide hazards［J］．Science，2000，3(16):1136－1138．

［3］门可佩，高建国.重大灾害链及其防御［J］．地球物理学进展，2008，23(1):270－275．

［4］姚清林.地震灾害链的特征、预测与阻断［C］//中国地震学会第11次学术大会论文摘要集，大理:中国地震学会，2006．

［5］门可佩.重大地震灾害链的时空有序性及其预测研究［J］．地球物理学进展，2007，22(2):645－651．

［6］李明，唐红梅，叶四桥．典型地质灾害链式机理研究［J］．灾害学，2008，23(1):1－4．

［7］张瑞雪，唐益群，王建秀.地质灾害链的诱发机制及减灾［J］．灾害学，2010，25(S0):389．

［8］唐晓春.四川5·12地震灾害链探讨［J］．西南民族大学学报:自然科学版，2008，34(6):1091－1095．

［9］高建国.有关汶川地震灾害链的思考［J］．科学对社会的影响，2008(2):38－42．

［10］王春振，陈国阶，谭荣志，等.“5·12”汶川地震次生山地灾害链(网)的初步研究［J］．四川大学学报:工程科学版，2009，41(S0):84－88．

［11］向灵芝，崔鹏，方华．震后灾害链生机制及其对汶川地震城镇重建的影响［J］．灾害学，2010，25(S0):278－281．

［12］赵静，姚令侃，焦方辉．汶川8.0级地震路堑墙震害特征及机理分析［J］．灾害学，2011，26(1):54－59．

［13］马保成，王亮，牟顺.公路滑坡灾害链式反应阶段性识别方法研究［J］．灾害学，2011，26(2):54－58．