山区高速公路地震滑坡危险性预测

张嘉荣 唐云波

在高速公路选线设计阶段，往往只考虑已发生的地质灾害，忽视了路线走廊带内未来可能发生的地质灾害对于路线选择的影响。以四川山区某高速公路的选线规划为例，将基于GIS软件计算高速公路附近区域边坡在遭受6.0级地震时的边坡危险性。采用基于Newmark法的地震滑坡危险性评价方法，综合考虑高程、坡度、岩土体强度、地震动参数分布等影响因子，计算区域地震边坡永久位移值。结果表明，该高速公路北侧较小段落路线处于地震滑坡的高危险区，其余路线段落均处于低危险区，证明该推荐方案的路线选择基本避开了地震滑坡的危险区域。

高速公路选线设计; 地震滑坡; 危险性评价

U416.1+62 A

［定稿日期］2022-03-23

［作者简介］张嘉荣（1994—），男，硕士，助理工程师，从事铁路、公路选线设计工作。

中国地处世界两大地震带——环太平洋火山地震带和阿尔卑斯带附近，地震活动十分频繁。地震通常会诱发一系列地质灾害，如泥石流、滑坡、崩塌等，15世纪至今，有准确记载产生过次生滑坡、崩塌的地震有134次［1］，特别是复杂艰险山区地震活动性强、频度高，由地震触发的地质灾害极为严重。例如，2008年“5·12”汶川特大地震触发大量滑坡地质灾害，造成重大人员伤亡，其中青川东河口滑坡致使4个村庄被掩埋，780余人遇难［2］。地震地质灾害也会造成巨大的交通基础设施损害，如对路基、桥梁造成破坏，阻碍交通，威胁人民的生命财产安全。近年来，高速公路建设不断向地形艰险、地质条件复杂的山区延伸，面对山区地震所带来的地质灾害，高速公路工程的建设安全与運营安全也不断受到新的挑战，若处理不当，不仅将增加建设阶段高速公路投资，也将对运营阶段的高速公路埋下诸多安全隐患。而在高速公路的设计阶段，以路线布设与选择为核心的选线设计是高速公路建设的基础，而在选线设计阶段，目前常见的选线原则往往只考虑已发生的地质灾害，如对于已发生的崩滑灾害，路线往往采用傍山隧道绕避、跨河换岸绕避等措施减少灾害影响［3］，忽视了路线走廊带内未来可能发生的地质灾害对于路线选择的影响。因此，为同时保障山区高速公路的建设与运营安全，最大程度提升项目效益与降低项目运营风险，对于地震诱发地质灾害的危险性预测尤为重要，应在选线设计阶段与影响路线走向的其他因素统筹考虑。

本文以四川境内某山区高速公路选线成果为例，对该高速公路推荐路线方案的沿线地震诱发滑坡危险性进行预测研究。

1 研究区域概况

1.1 地形地貌

该高速公路项目线位近南北走向，区域属海拔高程500～2 000 m的低中山地貌区（图1）。项目区内地形起伏较大，沿线主要为构造剥蚀地形，穿越低中山侵蚀构造区（I）地貌单元。项目区地面绝对标高560～1 470 m，相对高差达250～1 000 m，山脊脉络清晰，走向多呈北东向，山顶多呈尖脊状。沿线地形主要为丛山沟谷、垄岗槽谷、脊状山地形等，自然坡度25°～60°，侵蚀构造作用强烈，地形起伏大，沟谷多呈“V”字型深切，河流切割深度大，南部侵蚀基准面降低，形成区内北高南低的地貌形态。区内植被茂密，人口较少，地形艰险，地质条件复杂。

1.2 地层岩性与地质构造

项目沿线第四系零星分布，沉积物成因类型主要有冲积、洪积、残积、坡积等。下伏基岩主要为侏罗系（J）、三叠系（T）、二叠系（P）、石炭系（C）、泥盆系（D）、志留系（S）及寒武系（∈）沉积岩；华力西-印支期二叠纪（γδ4-5）花岗闪长岩、加里东期（ει）粗面岩等岩浆岩零星分布。

测区地跨扬子准地台及秦岭褶皱系2个一级构造单元。根据区域不整合或平行不整合、沉积旋回及沉积建造的特点，区内可划分出加里东、华力西—印支2个构造层。主要构造体系有：摩天岭加里东褶皱带、龙门山印支摺皱带、乔庄大断裂、林庵寺-茶坝大断裂与马角坝-罗家坝断裂带。该区地质构造复杂，新构造运动表现为区域性地壳急剧上升并伴随断裂活动，地震活动较为频繁。

1.3 气候

本项目区地处四川北部边缘山区，川、甘、陕交界处，属亚热带湿润季风气候类型，夏季盛行湿润的西南风，年平均气温13.7 ℃，从东至西逐渐降低。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现在8月上旬或中旬，达80～100 mm。项目沿线区域历年平均降雨量在20世纪70年代以前主要表现为波动变幅大、降雨年均降雨量大等特征。20世纪70年代后期，青川县历年月平均降雨量的变化主要表现为平稳波动的特征。

2 地震滑坡危险性评价的Newmark方法

Newmark法首次于1965年由Newmark提出并用于对堤坝的稳定分析［4］，该方法基于动力平衡理论，对单体的斜坡动力稳定性进行分析，后经大量学者的改进与发展，现已成为应用于地震滑坡危险性评价的重要方法。本文中采用的是传统的Newmark刚塑性滑块法，该方法在计算滑块位移时假设：土体为刚塑性体，滑块的临界加速度（安全系数为1）为常量，当地震荷载的加速度超过临界加速度时发生滑动；在地震荷载作用时土体强度不会发生改变，滑体下滑时产生完整的破坏面；滑体滑动方向向下；地震动垂直分量对永久位移影响忽略不计等（图2）。

根据滑块模型（图2）可以进行计算：

（1）临界加速度见式（1）。

ac=clm+gcosαtanφ-gsinα（1）

式中：ac为边坡临界加速度，c为粘聚力，φ为内摩擦角，g为重力加速度，m为滑动块体的质量，l为块体长度，α为斜坡倾角。ac通常被用来表示边坡抵抗地震动加速度能力的表达式，是衡量边坡对地震力破坏敏感性的重要指标。

（2）安全系数见式（2）。

安全系数FS是按照拟静力分析法进行计算，为抗滑力与滑动力的比值，即：

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

式中：γ为坡体重度，γw为水的重度，k为滑体中饱和土厚与滑坡厚度之比。

将式（1）、式（2）联立代入计算，可以得到临界加速度（ac）与安全系数（FS）之间的关系式（3），即：

ac=（FS-1）gsinα（3）

（3）滑块位移见式（4）。

通过对滑块进行简单的受力平衡分析后，我们可以得到滑动块体的临界加速度值，当地震荷载的加速度超过滑体的临界加速度时，滑体将沿着斜面向下进行滑动。对地震动加速度与临界加速度的正差值进行一次积分可求得滑体滑动的速度，再进行第二次积分即可得到滑体滑动的位移时程。

DN=∫∫t|a（t）-ac|dtdt（4）

式中：DN为Newmark永久位移，a（t）为地震动加速度时程，ac为坡体的临界加速度。

Wilson和Keefer（1983）［5］将试验及现场案例和Newmark计算的位移值进行对比，发现Newmark法能够很好地估计实际滑坡位移值，可以有效地分析地震边坡稳定性。

3 地震滑坡危险性预测

为了完成该高速公路附近区域地震滑坡危险性预测，本研究以距公路10 km为缓冲区建立研究区域。首先，从USGS（美国地质勘探局）下载研究所需的高程数据见图3（a）；根据中国地质资料馆公开的1∶20万的地质图，将研究区域岩土体类型进行分组，查找地质手册数据，获取到每个地质分组的粘聚力、内摩擦角及重度。然后，基于GIS将高程数据转换为坡度数据见图3（b），由图可知该区域内最高坡度可达到55°，为滑坡的触发提供了较好的地形条件。由式（2）可计算出安全系数值（边坡处于稳定状态，安全系数值大于1），结合安全系数值和式（3），可得到临界加速度值得分布见图3（d）。

为了探讨地震诱发的滑坡对该高速公路的影响，本研究拟假设青川断裂发生一次Mw6.0级地震。研究参考Liu等［6］提出的地震动衰减模型，计算得到该区域的地震动峰值加速度和地震动峰值速度分布图（图4）。由图可知，靠近断裂带位置的峰值加速度值最大，可达到0.59g，峰值速度为17.59～48.21 cm/s。

综上，已经获取计算得到了该研究所需基础数据，为便于计算，将所有数据处理为20 m×20 m的栅格数据。论文选用了Saygili和 Rathje于2008年建立的永久位移预测模型计算研究区域的位移值［7］。该模型选取的地震动源于震级5.0～7.9，断层距小于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为临界加速度（g），PGA为地震动峰值加速度（g），PGV为地震动峰值速度（cm/s）。

基于GIS柵格计算器，将临界加速度、地震动峰值加速度和地震动峰值速度（图4）进行叠加计算，可求得研究区域地震滑坡的永久位移分布见图5（a）。根据位移分布图可发现，该公路的北部部分段道路附近的边坡在地震条件下可能会发生滑坡，公路南边段大多数处于0位移区域，这表明该道路的选线规划避开了部分高危险性的边坡。为了更好地体现公路附近边坡对公路的影响程度，本研究将公路均分为50段，并划定了以2 km为间距的缓冲区圈。然后基于GIS的分区统计工具，计算得到每个缓冲区内位移平均值。最后，将这些值进行归一化处理，并赋值到每段公路中得到如图5（b）所示的高速公路地震滑坡危险性地图。图中黑色公路段表示该段公路在遭受地震时可能受到滑坡的危害性最大，白色则表示该段道路可能遭受的地震滑坡影响最低（颜色仅代表各段公路受地震滑坡影响的比较程度，不代表真实可能遭受的危险）。

4 结论

本研究分析的高速公路位于地形艰险、地质条件复杂的区域，且路线靠近活动断裂带，可能遭受到地震的影响。为了探索地震滑坡对路线的影响，本文假定该断裂带发生一次震级为6.0级的地震，对该区域地震滑坡危险性进行计算分析。根据评价结果，该高速公路北侧较小段落路线处于地震滑坡的高危险区，其余路线段落均处于低危险区，表明该推荐方案的路线选择基本避开了地震滑坡的危险区域。但考虑到即使距离道路较远的边坡一旦发生破坏，滑体可能滑动较大距离，对高速公路的桥墩或路基造成破坏，导致高速公路断道等问题。本文最后还对高速公路沿线两侧2 km的所有边坡单元的危险性进行了加权计算，结果表明该路线的部分段可能会遭受到地震滑坡的影响，因此，在高速公路选线设计阶段，应加强这些区段边坡的勘察，有必要时可提前加设边坡支护结构，以此减少甚至避免地震诱发滑坡对高速公路的损坏。

参考文献

［1］ 孙崇绍. 我国历史地震时滑坡崩塌的发育及分布特征［J］. 自然灾害学报， 1997， 6（1）： 25-30.

［2］ 张迎宾， 柳静. 复杂艰险山区陆地交通地震地质灾害早期识别及风险评价［J］. 高速铁路技术， 2018，S（2）：33-37.

［3］ 杨昌凤. 高烈度山区公路选线策略［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.