深切峡谷区公路桥梁段斜坡崩滑灾害风险评估

程 强

(四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610041)

0 引言

我国西部山区地形复杂，峡谷密布、山高坡陡，在铁路、公路工程建设中，桥梁工程众多。顺峡谷布线的道路工程，线位上方往往有百米级、千米级的斜坡，斜坡高位岩土体一旦失稳，将对桥梁等构造物构成严重威胁。例如汶川地震诱发的高陡边坡崩滑灾害，造成多座桥梁被砸毁[1]。在高烈度深切峡谷山区修建桥梁工程，评估边坡地质灾害风险，制定灾害防治策略，是桥梁建设中的关键问题。

地质灾害风险研究是自然灾害风险研究的一个分支，近年来国内外在地质灾害风险评估理论方法和技术流程方面开展了大量研究。FEll R[2]发表了地质灾害风险评估指南，随后COROMINAS J等多位学者进行了细化完善[3-4]。地质灾害的风险评价主要分为点评价、面评价和区域性评价。区域性评价采用区域性调查和统计分析为主，主要为宏观减灾决策提供依据。例如丁佳佳[5]根据滑坡编目和影响因素分析，进行了万州区滑坡地质灾害风险评价。杨志华等[6]考虑震后效应进行青藏高原东缘地质灾害评价。面评价研究方法以调查为主，辅以部分勘探和试验工作。王萌等[7]，徐林荣等[8]基于各因素统计分析，进行了公路、铁路等线性工程地质灾害评估和危险性区域划分。点评价主要针对单一灾害体和单体工程，需要开展大量的勘探和试验工作。目前地质灾害风险分析研究，区域性评价和面评价研究较多，对于单一灾害点的评价研究较少，针对高陡斜坡区桥梁段斜坡崩滑灾害风险评价问题研究深度不足。

本文针对深切峡谷区特大跨径桥梁工程，采用边坡灾害体稳定性、灾害体规模、运动速度及冲击能量等定量指标分析评价边坡地质灾害危险性，给出了桥梁段斜坡崩滑灾害易发性、危险性、风险等级评定指标，并结合川藏高速公路雅安至康定段泸定大渡河桥这一典型实例进行分析。

1 桥梁段斜坡崩滑灾害风险评估方法

桥梁段斜坡崩滑灾害风险即桥梁段斜坡崩滑灾害发生的可能性(概率)以及其对桥梁产生的后果(损失)，可用下式表示：

R=P×C

(1)

式中：R——风险；

P——地质灾害发生的概率；

C——危害，即灾害可能导致的后果。

桥梁段斜坡崩滑灾害评估属于点评价，评价对象虽然较为单一，但评价的深度和定量化的要求较高，其评估过程见图1。

1.1 易发程度分析

通过地质勘探和室内外试验，查明边坡地形地貌、地层岩性(含岩土物理力学性质)和坡体结构特性，综合外部环境因素(降雨、地震、施工等)，采用定性定量分析相结合的方法，得出边坡岩土体稳定性的定量评价指标，进而进行易发性判别(表1)。

表1 边坡地质灾害易发性判别表

备注：F为边坡稳定系数，Fst为边坡稳定安全系数，根据边坡规模、工况、工程重要性等级等综合确定。

1.2 危险性分析

边坡地质灾害危险性主要研究分析失稳岩土体危害范围、运动速度、强度等，不同的边坡灾害体其运动特征及危害形式有较大的差异。坡面崩塌滚石，运动过程中在坡面滚动、弹跳，对构造物的危害主要在于滚石的冲击力，其危险性可根据冲击能量判定。蠕动变形以及慢速-中速变形的滑坡，其危害主要在于滑坡推力作用于构造物，可根据滑坡规模、厚度等对其危险性进行判别。高位岩土体的滑动失稳，运动过程中往往碎屑流化，其对构造物的危害主要在于碎屑流的冲击力，可采用运动学分析[9]、颗粒流模拟分析[10]等方法进行计算。

根据对桥梁工程可能造成的危害，边坡地质灾害危险性等级划分为极高、高、中等、低等4个等级(表2)。

1.3 桥梁工程易损性评估

桥梁工程的易损性一般指桥梁在地震、不良地质及各种因素作用下受损害及破坏的程度。李宏男等[11]总结了国内外学者对桥梁损伤程度的划分和评判指标，将桥梁损伤程度划分为轻度破坏、中度破坏、严重破坏和完全破坏，汶川地震后对于桥梁损伤程度的划分[2]与之也基本类似。边坡地质灾害对桥梁的损伤，主要表现为岩土压力、冲击力作用下造成的桥梁基础和墩台的变形开裂、冲击损伤，并牵引上部结构产生变形移位，也有落石导致上部结构受损的情况。岩土压力和冲击力作用下受损害程度，可根据结构分析计算的方法进行评估。不同结构型式的桥梁，易于受损的部位、受损后的危害程度有较大的差异。参考已有研究并结合边坡地质灾害对桥梁危害的特点，给出各种桥梁损伤程度分级的定性评价见表3。

表2 边坡地质灾害危险性判别表

备注：表中V为滑坡、崩塌等的体积(m3)

表3 桥梁损失状态的定性描述

1.4 斜坡崩滑灾害风险等级及防治可行性评定

根据前面边坡地质灾害的易发性、危险性分析和构造物易损性评估，可由式(1)计算边坡地质灾害的风险等级。某个桥梁工程，可能受多个地质灾害体的危害；同一个地质灾害体也可能对同一桥梁造成多种危害，包括不同桥梁构件的损失，以及运营损失、人员伤亡和车辆损失、社会绕行损失等。因此假定有m种灾害事件，每种灾害事件对桥梁构成n种危害，则式(1)可表达为：

(2)

式中，li，j——事件i对桥梁造成的第j种损失；

f(vj)——损失价值转换函数；

Pi——第i种灾害发生的概率。

针对运营桥梁工程特点，地质灾害对桥梁造成的损失li,j主要包括：

(1)桥梁构件的损失：主要包括桥梁上部及下部结构的损坏等；(2)桥梁运营期间人员和车辆的损失：指一旦桥梁垮塌，可能造成的人员伤亡，车辆财产损失等；(3)运营损失：指桥梁受损维修期间，通行费的损失；(4)绕行损失：指桥梁受损维修期间，社会车辆绕行其他道路，形成的时间成本、绕行费用成本和社会声誉等损失。

由于桥梁的设计有一定的使用年限，风险评估需要考虑在使用年限内，遇到特定地质灾害的概率，进而计算特定地质灾害事件在一定概率水平下的损失，则式(2)表达为：

(3)

式中：R[T]——在设计使用年限内的损失;

Pi,t——特定地质灾害事件在设计使用年限内发生的时间概率。

由于不同规模的桥梁，损失的绝对数字差异巨大，因此用下式表达桥梁在设计使用年限内受地质灾害作用的风险概率：

Rr=R[T]/Rc

(4)

式中：Rc——桥梁建设成本；

Rr——设计使用年限内全桥价值损失事件发生的风险概率。

桥梁工程受地质灾害作用损失的程度，也可以根据受损程度表达，表4为根据Rr和桥梁受损程度，进行桥梁段斜坡崩滑灾害风险等级划分。

表4 边坡地质灾害风险等级判别表

1.5 桥梁段斜坡崩滑灾害防治可行性评估

分析评定桥梁段斜坡崩滑灾害风险等级后，可根据边坡地质灾害的规模、防治工程的可实施性，分析评估地质灾害是否可通过有效工程防治措施，降低风险，从而评价防治可行性(表5)。

表5 边坡地质灾害防治可行性判别表

根据风险等级和防治可行性的评定，可进行桥位方案选择决策，指导桥梁结构布设和桥梁段斜坡崩滑灾害防治措施的制定。由于桥墩构造物抵抗水平向荷载和变形的能力弱，因此斜坡上布设的桥梁工程应高度重视边坡地质灾害的评估和防治工作。对于灾害风险等级高-极高，边坡地质灾害难于防治-无法防治的区域，应避免进行桥梁工程建设，尤其是特殊结构和大跨桥梁建设。对于灾害风险等级低-中等，边坡地质灾害可防治的桥梁工程，应考虑高位岩土体失稳后可能造成坡面碎屑流、滚石等灾害的防治，确保桥梁构造物安全。

2 典型实例分析

川藏高速公路雅安至康定段泸定大渡河特大桥为千米级悬索桥，桥梁位于泸定县城上游约6 km，初步设计拟定了上坝、中坝和咱里三个桥位作为桥位比较研究，其中上坝和中坝桥位桥梁主跨1 200 m，两岸均采用隧道锚；咱里桥位桥梁主跨1 100 m，雅安岸采用隧道锚、康定岸采用重力锚。图2为桥梁地理位置图。

图2 桥梁地理位置图Fig.2 Geographic position of the bridge

2.1 斜坡崩滑灾害风险评估

该桥梁跨越大渡河深切峡谷，距鲜水河活动断裂带直线距离约22 km， E1地震作用下地震动峰值加速度0.275g，E2地震作用下地震动峰值加速度0.49g。三个桥位均涉及高陡边坡稳定问题，其中上坝和中坝桥位雅安岸边坡高分别为550 m、500 m，康定岸边坡高1 000 m；咱里桥位雅安岸边坡高500 m，康定岸为冰碛体。针对三个桥位边坡， 通过系统工程地质勘探和室内外岩土物理力学性质试验，判定边坡坡体结构、失稳破坏模式，进而通过数值模拟、极限平衡分析等方法分析研究边坡岩土体稳定性[12]，并通过结构分析计算桥梁构造物抗力，得到各桥位边坡岩土体稳定系数、失稳概率，失稳岩土体运动速度、冲击力及危害(表6)。

根据式(3)和式(4)，可计算设计使用年限内全桥价值损失事件发生的风险概率。例如E1地震重现期T1=475a，桥梁设计使用年限Td=100a，则在E1地震作用下，灾害事件概率P=P31×Td/T1。

根据受损程度和风险概率计算，可判定各桥位风险等级，进而根据地质灾害处治能力，并考虑经济性、施工难度等因素，进行防治可行性评估(表7)。

表6 各桥位边坡碎屑流运动速度

备注：F1为天然工况稳定系数，F2为暴雨工况稳定系数，F31为E1地震工况稳定系数，F32为E2地震工况稳定系数。P1为天然工况失稳概率，P2为暴雨工况失稳概率，P31为E1地震工况失稳概率，P32为E2地震工况失稳概率。

表7 泸定大渡河特大桥斜坡崩滑灾害风险评估

2.2 斜坡崩滑灾害风险防控

(1)桥位选择

根据边坡地质灾害风险等级防治可行性评定，可见上坝和中坝桥位灾害风险等级极高，难于防治或无法防治。咱里桥位风险等级中等，可采取防治措施消除风险，因此选取咱里桥位。

(2)咱里桥位边坡地质灾害防控

桥位雅安岸边坡高约500 m，主墩以上边坡高约260 m，边坡地质灾害主要为崩坡积土层滑移失稳，厚3～10 m。设计采取预加固桩、框架锚杆/索(以中风化基岩为锚固段)等对边坡进行加固，平面及典型剖面见图3及图4。还针对边坡高位岩土体失稳形成坡面碎屑流，可能对桥梁构造物构成危害的问题，在泸定隧道洞口上方、隧道锚洞口上方，设置人字形碎屑流拦截结构，拦截结构上方土体在地震作用下失稳时，可实现对碎屑流的拦截和疏排(图3及图4中所示第1道拦挡和第2道拦挡)。

图3 咱里桥位雅安岸边坡防护措施平面布置图Fig.3 Layout plan of protection measures of Zanli Bridge on Ya’an Bank

图4 咱里桥位雅安岸边坡防护措施剖面布置图Fig.4 Section plan of slope protection measures for Ya’an Bank of Zanli Bridge on Ya’an Bank

3 结语

(1)峡谷山区桥梁段斜坡崩滑灾害风险评价包括易发程度分析、危险性分析、易损性评估、风险等级确定和防治可行性评价等内容，本文给出了各阶段评价的等级划分、判别指标和方法，可供类似工程边坡地质灾害评估参考。

(2)川藏高速公路泸定大渡河特大桥两岸边坡高陡、地震烈度高，根据边坡地质灾害评估结果选用了风险最低的咱里桥位，采用边坡加固和碎屑流拦截结构相结合的方法，实现对边坡地质灾害的防治。