公路泥石流灾害危险性评价方法

赵　欢， 尹　超， 张启龙

(1.陕西铁路工程职业技术学院 道桥工程系， 陕西 渭南　714000；　2.山东理工大学 交通与车辆工程学院， 山东 淄博　255049；　3.长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室， 陕西 西安　710064)



公路泥石流灾害危险性评价方法

赵欢1， 尹超2，3， 张启龙3

(1.陕西铁路工程职业技术学院 道桥工程系， 陕西 渭南714000；2.山东理工大学 交通与车辆工程学院， 山东 淄博255049；3.长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室， 陕西 西安710064)

[摘要]为减轻泥石流对公路的危害，对公路泥石流灾害进行了危险性评价。分析了公路泥石流灾害的概念和分类，从地形地貌条件、物源条件、水源条件、人类工程活动条件和植被条件5方面研究了公路泥石流灾害的影响因素，建立了公路泥石流灾害危险性评价指标体系和公路泥石流灾害危险性评价模型，将公路泥石流灾害危险性分为无危险、低危险、一般危险和高危险4级。采用G108周至、佛坪和宁强3个路段的4处公路泥石流灾害点对公路泥石流灾害危险性评价模型进行了实例分析，评价结果与现场调查结果吻合，证明了本研究的合理性。

[关键词]道路工程； 泥石流； 危险性； 影响因素； 评价指标； 评价模型

0前言

我国地域辽阔，自然环境的地带性和非地带性差异巨大，除火山喷发外，各种地质灾害频发，由此造成的人员伤亡和财产损失十分严重。作为线状结构，公路展布在自然环境中，沿线有不同的地形、地质和水文条件，同时，公路的建设也会对自然环境的原始稳定状态产生影响，导致公路经常遭受地质灾害的威胁[1，2]。公路泥石流灾害是山区公路沿线普遍存在且破坏作用极其强烈的灾害类型，其发生频率虽然不大，但因泥石流具有发生突然、破坏性强等特点，一旦发生将会对公路造成毁灭性影响，例如，2010年8月12日，曾遭受汶川地震重创的四川省绵竹市清平乡、天池乡等山区发生强降雨，引发多处泥石流灾害，灾害体总规模超过600万m3，造成7人死亡、7人失踪、33人受伤、500余人被困，刚刚通车的汉清公路和S303南华隧道等路段中断，经济损失达1亿多元[3.4]。

近100 a来，国内外众多学者对泥石流灾害进行了深入研究，但受监测手段和人员素质的限制，很难对泥石流灾害发生的时间和地点进行精确预测，鉴于此，加强泥石流灾害危险性评价研究成为减轻泥石流灾害损失的有效途径之一[5]。20世纪90年代中期，重庆交通大学的陈洪凯教授对公路泥石流灾害进行了开创性研究，分析了公路泥石流灾害的形成条件及活动规律，开发了速流结构和底埋隧道等泥石流防治新技术[6]。庄建琦等通过野外考察和高分辨率遥感影像数据，获得了汶川地震极震区都汶公路泥石流沟的基础数据，并以泥石流总量和沟床比降作为参数建立了单沟泥石流危险性评价模型[7]。夏添结合现场调查资料和遥感解译数据，通过集水阈值法对北川地区进行了集水单元划分，建立了基于集水区域和信息量法的震后泥石流灾害危险性评价模型[8]。

通过对国内外相关研究资料的总结分析可知，虽然泥石流灾害危险性评价研究较多，但大多是从自然环境角度进行的，即仅针对公路泥石流灾害的孕灾环境和致灾因素展开研究，很少有针对公路等人工构造物的泥石流灾害危险性评价研究。本文在总结已有研究成果的基础上，分析了公路泥石流灾害的影响因素，选取了公路泥石流灾害危险性评价指标并建立了危险性评价模型，以G108秦巴山区段泥石流灾害点为例，对评价模型进行了实例分析，且评价结果与实际调查结果一致，说明本文的研究是科学、合理的。

1公路泥石流灾害危险性评价

1.1公路泥石流灾害的类型

公路泥石流灾害是指在沟谷深壑、地形险峻的地区，对公路带来严重影响的、由强降雨等自然灾害引发的、携带有大量泥沙和石块的特殊洪流。公路泥石流灾害主要通过阻塞、淤埋、冲刷、撞击等方式对路基、桥涵及其他公路附属构造物产生危害，同时由于堆积物压缩、堵塞河道和迫使主河槽流向变化等诱发公路间接水毁[9]。

根据不同的划分标准，公路泥石流灾害可以分为不同类型。主要划分标准有：发育公路泥石流灾害的流域特征、公路泥石流灾害的性状和成分以及公路泥石流灾害的规模等，如表1所示[10]。

1.2公路泥石流灾害危险性评价的内容

根据公路泥石流灾害的特点，公路泥石流灾害危险性评价的内容主要包括3方面。

表1 公路泥石流灾害类型划分Table1 Typesclassificationofhighwaydebrisflowdisaster划分依据公路泥石流灾害类型发育公路泥石流灾害的流域特征坡面型泥石流沟谷型泥石流公路泥石流灾害的性状和成分粘性泥石流稀性泥石流黄土泥流公路泥石流灾害的规模特大型泥石流(≥100万m3)大型泥石流(10～100万m3)中型泥石流(1～10万m3)小型泥石流(≤1万m3)

① 公路泥石流灾害影响因素分析。即从众多的自然环境因素中，筛选出对公路泥石流灾害危险性产生较大影响的因素，并分析各因素的强度特征对公路泥石流灾害危险性的影响机理。

② 公路泥石流灾害危险性评价指标的选取。即在公路泥石流灾害影响因素分析的基础上，提取最能反映各影响因素作用特点的数字特征或强度指标，并对各评价指标进行分级和评分。

③ 公路泥石流灾害危险性评价模型的建立。即在公路泥石流灾害影响因素和危险性评价指标研究的基础上，建立合理的数学模型计算公路泥石流灾害危险度，并以此作为公路泥石流灾害危险性评价的结果。

2公路泥石流灾害危险性评价指标

2.1公路泥石流灾害影响因素

公路泥石流灾害的形成需要3个基本条件： ①陡峭便于集水集物的适当地形； ②上游堆积有丰富的固体松散物质； ③短时间内有突然性的大量流水来源。此外，人类工程活动和植被条件对公路泥石流灾害的形成也有一定影响[11]。

2.1.1地形地貌条件

地形地貌条件对沟谷型公路泥石流灾害和坡面型公路泥石流灾害发生、发展的控制作用并不相同：对于沟谷型公路泥石流灾害，沟床坡度的势能条件为泥石流提供位能，赋予泥石流侵蚀、搬运和堆积固体物质的能量；对于坡面型公路泥石流灾害，在坡面和沟槽的演变中，地形坡度和较大的流域面积可以提供足够数量的水体和土石体。

2.1.2物源条件

泥石流沟是由形成区、流通区和堆积区三部分构成的。公路泥石流灾害形成的物源条件指形成区土石体的类型、分布、性状、结构、储备方量和补给方式等，其来源受风化作用、地层岩性和气候等因素的影响。从岩性看，各种成因的第四系松散堆积物最容易受到侵蚀和冲刷，沟床内的冲洪积物、山坡上的残坡积物以及崩塌、滑坡形成的堆积物等都是公路泥石流灾害的主要物源。

2.1.3水源条件

水既是公路泥石流灾害的组成物质，也是松散固体堆积物的搬运介质。公路泥石流灾害的水源主要有大气降水、冰雪融水、水库溃决水和地表水等，其中约90%的公路泥石流灾害是由暴雨引发的。我国降雨过程及降雨量的空间分异特征导致了公路泥石流灾害的区域性差异，如我国西南地区年均降雨量较大且暴雨集中，公路泥石流灾害较为发育。

2.1.4人类工程活动

随着人类工程活动强度和广度的不断发展，自然资源和自然环境的开发利用程度也在不断扩大。当人类活动违反自然规律时(如在公路、铁路和其他建筑结构的新建和改建过程中进行不合理地边坡开挖和植被破坏)，可能引发公路泥石流灾害。

2.1.5植被条件

植被覆盖度和植被类型对于公路泥石流灾害稳定性具有重要影响。植被覆盖度高的地区可以减轻水土流失，减少固体松散物质的补给，从而降低公路泥石流灾害发生的可能性。遮蔽度高的植被与遮蔽度低的植被相比，减轻水土流失的能力更强，更有利于提高公路泥石流灾害稳定性。

2.2公路泥石流灾害危险性评价指标选取

本文建立包括因子层、指标层和状态层的公路泥石流灾害危险性评价指标体系。其中，因子层是公路泥石流灾害影响因素的体现，包括地形地貌条件、物源条件、水流条件、人类工程活动条件和植被条件等5方面。在此基础上，选取能够反映因子层的地形坡度、岩土类型、岩土体风化系数、年均暴雨天数、人类活动强度和植被覆盖度等6项指标建立公路泥石流灾害危险性评价指标体系的指标层。最后，根据不同评价指标的强度特征对公路泥石流灾害的影响特点将各评价指标分为无危险、轻微危险、中等危险、严重危险和极严重危险5级并分别评分1、3、5、7和9，从而建立公路泥石流灾害危险性评价指标体系的状态层，如图1和表2所示。

图1　公路泥石流灾害危险性评价指标体系Figure 1　Assessment indicator system of highway debris 　　　flow disaster

表2 公路泥石流灾害危险性评价指标分级Table2 Assessmentindicatorgradingofhighwaydebrisflowdisaster等级地形坡度/(°)岩土类型岩土体风化系数年均暴雨天数人类活动强度植被覆盖度评分无危险[0,8)硬岩(0.8,1.0][0.0,0.8)无(0.8,1.0]1轻微危险[8,15)砾类土、极软岩(0.6,0.8][0.8,2.5)轻微活跃(0.6,0.8]3中等危险[15,25)粘性土(0.4,0.6][2.5,4.5)中等活跃(0.4,0.6]5严重危险[25,35)砂类土、黄土(0.2,0.4][4.5,6.5)严重活跃(0.2,0.4]7极严重危险[35,90]粉性土[0.0,0.2]≥6.5极严重活跃[0.0,0.2]9

3公路泥石流灾害危险性评价模型

3.1评价模型的建立

本文采用影响因素叠加法建立公路泥石流灾害危险性评价模型，如式(1)所示。

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

(1)

式中：P为公路泥石流灾害危险度，即公路泥石流灾害危险性评价的结果，B为地形坡度指标评分，C为岩土类型指标评分，D为岩土体风化系数指标评分，E为年均暴雨天数指标评分，F为人类活动强度指标评分，G为植被覆盖度指标评分，A1、A2、A3、A4、A5、A6分别为地形坡度、岩土类型、岩土体风化系数、年均暴雨天数、人类活动强度和植被覆盖度指标的权重系数。

本文根据公路泥石流灾害危险度P，将公路泥石流灾害危险性分为4级，即无危险、低危险、一般危险和高危险，如表3所示。

3.2指标权重的确定

不同评价指标对公路泥石流灾害危险性的影响程度是通过评价指标权重量化的。本文采用专家调

表3 公路泥石流灾害危险性等级划分Table3 Riskclassificationofhighwaydebrisflowdisaster公路泥石流灾害危险性等级划分公路泥石流灾害危险度P无危险[0,2.5)低危险[2.5,5.5)一般危险[5.5,7.0)高危险[7.0,9.0]

查法确定评价指标权重，即调查多位相关领域的专家，并将调查结果加权平均后进行人工调整得到，如表4所示。

表4 公路泥石流灾害危险性评价指标权重Table4 Assessmentindicatorvaluesofhighwaydebrisflowdisaster指标权重指标权重地形坡度A10.20年均暴雨天数A40.25岩土类型A20.20人类活动强度A50.10岩土体风化系数A30.10植被覆盖度A60.15

4实例分析

G108有周至、佛坪和宁强共3个路段穿越秦巴山区，其总的特点是道路等级低、路面比较窄、线形比较差、转弯半径比较小、长大纵坡比较多、沿线泥石流灾害发育，造成山区公路行车隐患比较多，经常发生交通事故[12]。2014年8月3日～8日，作者对上述路段进行了实地调查，查明了沿线4处泥石流灾害点，并采用本文建立的危险性评价模型进行了危险性评价，得到了较好的结果。

4.1沿线泥石流灾害调查结果

调查路段共有泥石流灾害点4处，其中目前基本稳定的有1处，不稳定的3处，灾害体规模大于1 000 m3的2处，如表5所示。

表5 调查路段泥石流灾害概况Table5 HighwaydebrisflowdisasterpointsofG108编号灾害点桩号灾害体规模/m3目前状态1K1429+500～K1429+5801320不稳定2K1436+140～K1436+160500基本稳定3K1470+505～K1470+2231250不稳定4K1742+200～K1742+250900不稳定

其中：K1429+500～K1429+580处泥石流灾害点较严重。该路段为半填半挖路基，泥石流沟与路线走向基本垂直，沟道出口宽约30 m，堆积物组成特征为土石混合，厚度约2 m，泥石流沟主沟平均比降约65°，堆积物平均粒径5 cm，最大粒径15 cm，植被覆盖稀少，边坡坡长40 m，宽20 m，岩体破碎严重。该泥石流沟已发生过灾害，目前不稳定，影响公路范围长约15 m，宽约4 m，如图2所示。

图2　K1429+500～K1429+580泥石流灾害点Figure 2　Highway debris flow disaster point at K1429+　　　500～K1429+580

4.2公路泥石流灾害危险性评价

通过对各灾害点的详细研究，可以得到各灾害点危险性评价指标的取值或分级状况，如表6所示。

表6 各灾害点危险性评价指标取值或分级Table6 Valuesorgradingofassessmentindicatorofdisas-terpoints地形坡度(°)岩土类型风化系数年均暴雨天数/d人类活动强度植被覆盖度取值或分级150粘性土0.707.0严重活跃0.35260砾类土0.657.0中等活跃0.40345粘性土0.557.0中等活跃0.55430极软岩0.407.0中等活跃0.30

结合式1、表3和表4，经计算，各公路泥石流灾害点的危险性评价结果如表7所示。

表7 公路泥石流灾害危险性评价结果Table7 Assessmentresultsofhighwaydebrisflowdisaster编号公路泥石流灾害危险度P危险性分级17.1高危险26.5一般危险36.8一般危险46.5一般危险

由表7可知：评价结果与现场调查结果吻合，证明了该评价方法的合理性。

5结论

① 阐述了公路泥石流灾害的概念以及对公路的危害，从发育公路泥石流灾害的流域特征、公路泥石流灾害的性状和成分以及公路泥石流灾害的规模等方面对公路泥石流灾害进行了分类。

② 从地形地貌条件、物源条件、水源条件、人类工程活动条件和植被条件5方面分析了公路泥石流灾害的影响因素，建立了包括因子层、指标层和状态层的公路泥石流灾害危险性评价指标体系。

③ 采用影响因素叠加法建立了公路泥石流灾害危险性评价模型，采用专家调查法确定了危险性

评价指标权重，根据公路泥石流灾害危险度P，将公路泥石流灾害危险性分为无危险、低危险、一般危险和高危险4级。

④ 对G108周至、佛坪和宁强3个路段进行了现场调查，查明了沿线4处公路泥石流灾害点，利用本文建立的公路泥石流灾害危险性评价模型对各灾害点进行了危险性评价，评价结果与现场调查结果吻合，证明了该评价方法的合理性。

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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.

[中图分类号]U 416.06

[文献标识码]A

[文章编号]1674—0610(2016)02—0236—04

[作者简介]赵欢(1985—)，男，河南三门峡人，讲师、硕士，主要从事公路自然灾害防治方面的研究。

[基金项目]西部交通建设科技项目(200631800007)；中交股份科技研发项目(2011-ZJKJ-04)

[收稿日期]2015—02—20