公路地質災害監(jiān)測預警和減災技術

1、公路地質災害監(jiān)測預警公路地質災害監(jiān)測預警和減災技術和減災技術 王成華 研究員 孔紀名 研究員 中國科學院中國科學院水利部成都山地災害與環(huán)境研究所水利部成都山地災害與環(huán)境研究所2010年年10月月目目 錄錄1.公路地質災害主要類型及與公路相互作用公路地質災害主要類型及與公路相互作用2.山區(qū)公路危險性區(qū)劃山區(qū)公路危險性區(qū)劃3.山區(qū)公路地質災害安全監(jiān)測預警體系山區(qū)公路地質災害安全監(jiān)測預警體系4.山區(qū)公路地質災害防御體系山區(qū)公路地質災害防御體系1 公路地質災害主要類型及與公路相互作用1.1 地質災害及主要類型（1）什么是公路地質災害 由于地質作用引起的公路路基、邊坡、橋涵等設施的毀壞和對相關 人員生命

2、財產造成損失的災害（2）地質災害的主要類型常見的公路地質災害類型崩塌滑坡泥石流地面塌陷地裂縫 1.2 泥石流災害（1）什么是泥石流 指山區(qū)溝谷中，由暴雨、冰雪融水或庫塘潰壩等水源激發(fā)，形成的一種挾帶大量泥砂、石塊等固體物質的特殊洪流。往往突然爆發(fā)，渾濁的流體沿著陡峻的山溝奔騰咆哮而下，山谷猶如雷鳴，在很短時間內將大量泥沙石塊沖出溝外，在寬闊的堆積區(qū)橫沖直撞、漫流堆積，常常給人類生命財產造成很大危害泥石流摧毀房屋和田地，51人死亡(四川丹巴，2003) （2）泥石流分區(qū) 匯水區(qū)（清水區(qū)） 形成區(qū) 流通區(qū) 堆積區(qū)（3）泥石流形成條件 陡峻的山坡溝道 充足的松散固體物質 強大的水動力條件(4)用溝谷

3、微小地貌形態(tài)變化進行泥石流發(fā)生條件判別用溝谷微小地貌形態(tài)變化進行泥石流發(fā)生條件判別 地貌發(fā)育階段地貌發(fā)育階段發(fā)展期發(fā)展期旺盛期旺盛期衰退期衰退期停歇期停歇期形態(tài)特征形態(tài)特征 山坡以凸形坡為主。形成區(qū)分散，并逐漸擴大，流通區(qū)較短。扇面新鮮，淤積漸快山坡從凸形坡轉為凹形坡。溝槽堆積和堵塞形象嚴重。形成區(qū)擴大，有時較集中，流通區(qū)向上延伸。扇面新鮮，漫流現(xiàn)象嚴重山坡為凹形坡。形成區(qū)縮小，流通區(qū)向上延伸。溝槽逐漸下切。扇面陳舊，生長植物，植被較好全溝下切，溝槽穩(wěn)定。形成區(qū)基本消失，逐漸變?yōu)槠胀ㄉ胶闇?。植被恢復良好山坡塊體運動山坡塊體運動發(fā)展明顯。多見新生溝谷，有少量崩塌、滑坡強烈發(fā)育，供給物主要來自崩塌

4、、滑坡、錯落等，片蝕、側蝕也很發(fā)育明顯衰退。崩滑漸趨穩(wěn)定，以溝槽搬運及側蝕供給為主山坡塊體運動基本消失滑塌面積率（）滑塌面積率（）1-101010-11單位面積固體物質單位面積固體物質儲量儲量1-101010-11沖淤性質與趨勢沖淤性質與趨勢以淤為主，淤積速度增快以淤為主，淤積值大有沖有淤，淤積速度變小沖刷下切危害程度危害程度較大最大較大小 1.3 地質災害與公路相互作用（1）滑坡崩塌對公路的作用 剪斷公路 損毀路面 埋沒公路剪斷公路剪斷公路埋沒公路埋沒公路損毀路面損毀路面（2）公路建設開挖引起滑坡崩塌 開挖坡腳引起滑坡 開挖坡腳引起崩塌（3）泥石流對公路的作用泥石流沖毀路基泥石流埋沒公路泥石

5、流沖毀橋梁泥石流沖毀路基泥石流埋沒路面泥石流沖毀橋梁（4）公路對泥石流的作用 公路建設棄渣溝谷棄渣泥石流 公路橋涵壓縮過流斷面阻礙泥石流通行2 山區(qū)公路斜坡危險性區(qū)劃2.1 區(qū)劃的目的和必要性（1）區(qū)劃的目的 全面了解和掌握公路災害的分布與危險程度 為公路安全管理和防治提供技術支持（2）必要性 公路安全管理部門需要 公路防災規(guī)劃制定需要 公路災害監(jiān)測預警需要 (3) 分區(qū)原則 1)針對性原則 2)據(jù)實情原則 3)科學性原則 4)區(qū)內相似、區(qū)際相異原則 5)求大同、存小異原則 6)易操作適用性原則 2.2 斜坡危險性分級與區(qū)劃方法（1）斜坡危險性分級 極危險斜坡 危險斜坡 相對穩(wěn)定斜坡（2）斜坡

6、危險性區(qū)劃方法 分區(qū)因子疊加法 綜合指標數(shù)值分析法 專家系統(tǒng)分析法神經網絡模糊評判 2.3 分區(qū)因子疊加法（1）因子選擇與分級有較多崩塌坡度極陡坡地形有較多滑坡、少量崩塌坡度陡坡地形有少量滑坡坡度緩坡地形無滑坡崩塌坡度緩傾平地坡度因子454525251010滑坡崩塌有可能發(fā)生少量特大型坡高極高坡地形坡崩塌有可能發(fā)生少量大型滑坡高高坡地形坡崩塌有可能發(fā)生少量中型滑坡高中坡地形坡崩塌有可能發(fā)生少量小型滑坡高低坡地形坡高因子mmmmmm3003001001003030體極軟巖體、堅硬破碎巖極易發(fā)地層軟巖巖體易發(fā)地層堅硬巖體偶發(fā)地層地層巖性有完善優(yōu)勢結構面有部分優(yōu)勢結構面缺少優(yōu)勢結構面坡體結構面（2）

7、制作單因圖（等比例尺）用線條表示：水平、左斜、右斜、垂直4個方向表示上述4個因子。用空白、虛線、細實線、粗實線表示每個因子分級。用灰度表示（在計算機上用） 用灰度 0表示單因子最低級 8表示單因子第二級 16表示單因子第三級 24表示單因子最高級（第四級）（3）單因子疊加（4）制作區(qū)劃圖 按線條密度進行危險性分區(qū) 按疊置后的灰度大小進行危險性分區(qū) 繪制分區(qū)圖2.4 綜合指標數(shù)值分析法（1）分區(qū)因子選擇斜坡變形現(xiàn)狀斜坡水作用人為開挖坡腳河流沖刷坡腳外部條件縱向橫向坡形坡體結構風化程度類型地層巖性坡高坡度地形內部條件危險斜坡判別因子（2）分區(qū)因子指標體系 因子作用指標：每個因子在災害形成中的作用大

8、小 作用指標確定方法專家打分、黃金分割法和因子貢獻率法 公路邊坡危險性判別指標體系危危險險斜斜坡坡判判別別的的指指標標體體系系表表（3）分區(qū)模型建立 模糊判別法 神經網絡法 本文采用模糊評判法 每一單元上述因子作用指數(shù)之和為 將上式進行歸一化處理，便轉化成斜坡危險度DSjiADjiADS201（4）具體做法 制作區(qū)劃單元網格圖：可采用等分法和非等分法 調查計算每個網格單元的因子綜合指數(shù)，并填繪 在每個網格單元內。 確定分級界限指標 繪制危險斜坡區(qū)劃圖 到現(xiàn)場抽樣檢驗調查、核實、修正2.5 專家系統(tǒng)法（1）基本原理收集整理專家經驗進行分析梳理、編制危險斜坡專家判別綜合表將此表與將要判別的斜坡進行

9、對照分析屬何級別的斜坡（2）公路危險斜坡專家判別綜合表2.6 公路斜坡危險性分區(qū)范例 以貴州省三凱公路為例 貴陽凱里三穗，長260多公里，其中凱里三穗160km為新建，位于貴陽以東，黔東南州北部，屬西部黔中高原丘陵地形向東湘西山地過渡的中高山、中低山地形。 地層：貴陽凱里以二疊系碳酸鹽為主，山地丘陵上 有 中生代、新生代砂、頁、泥巖出露。 凱里三穗為二疊系以前的老地層為主，有變質砂 巖、頁巖、板巖、千枚巖等，呈強風化狀。 分布滑坡7個，崩塌1個，危險斜坡38個。3 山區(qū)公路地質災害安全監(jiān)測預警體系3.1 現(xiàn)行公路管理體制（1）（2） 縣交通局為國家基層管理中心，本監(jiān)測預警體系是基于縣公路管理中

10、心論述的。交通局縣級交通廳（交通委員會）省級交通部國家級三級管理部門村級機耕道縣、鄉(xiāng)公路省道、省級高速公路國道、跨省高速公路公路級別3.2 監(jiān)測預警體系建設（1）監(jiān)測預警體系建設的原則 科學性原則 研究公路線性工程特征，依據(jù)監(jiān)測的目的， 收集國內外有關資料，規(guī)劃本縣（地區(qū)）公 路安全監(jiān)測網絡 針對性原則 針對公路，保障公路安全運行 簡單易操作性原則（2）監(jiān)測預警保護的重點 國道、高速公路 省道、省內高速公路 縣道 重要地段，中、大型橋梁保護（3）監(jiān)測預警網絡建設 依據(jù)我國公路管理體制，建議建立以縣公路局為中心的縣、養(yǎng)護工區(qū)、沿線村民參與的“三級公路安全監(jiān)測網絡”，他們的職責如下。 鐵道部已列專

11、題研究鐵路災害多發(fā)地段安全監(jiān)測預警網絡建設?？h公路安全監(jiān)測預警中心縣公路安全監(jiān)測預警中心公路養(yǎng)護工區(qū)安全監(jiān)測組公路養(yǎng)護工區(qū)安全監(jiān)測組公路沿線村民群測群防點公路沿線村民群測群防點組織縣內各公路地質災害危險性區(qū)劃，確定地質災害組織縣內各公路地質災害危險性區(qū)劃，確定地質災害重點監(jiān)測隱患點，一般監(jiān)測隱患點。制定監(jiān)測方案、重點監(jiān)測隱患點，一般監(jiān)測隱患點。制定監(jiān)測方案、監(jiān)測計劃。向養(yǎng)護工區(qū)監(jiān)測組布署，每年汛前、汛后監(jiān)測計劃。向養(yǎng)護工區(qū)監(jiān)測組布署，每年汛前、汛后到各線進行地災排查，檢查指導計劃的實施。到各線進行地災排查，檢查指導計劃的實施。參與本工區(qū)內地質災害調查、危險性區(qū)劃、確定重點參與本工區(qū)內地質災害調

12、查、危險性區(qū)劃、確定重點隱患點和一般隱患點，負責地災重點隱患點監(jiān)測。組隱患點和一般隱患點，負責地災重點隱患點監(jiān)測。組織指導本工區(qū)沿線村民對一般隱患點監(jiān)測和定期公路織指導本工區(qū)沿線村民對一般隱患點監(jiān)測和定期公路沿線地面災變巡查。定期向縣中心上報監(jiān)測資料。緊沿線地面災變巡查。定期向縣中心上報監(jiān)測資料。緊急情況下隨時上報。急情況下隨時上報。負責分工線路的一般災害隱患點監(jiān)測和地面巡查，定負責分工線路的一般災害隱患點監(jiān)測和地面巡查，定時向工區(qū)安全監(jiān)測小組報告，緊急情況時，隨時報告。時向工區(qū)安全監(jiān)測小組報告，緊急情況時，隨時報告?？h級公路地質災害監(jiān)測網絡結構及職能劃分3.3 山區(qū)公路地質災害預警（1）公路

13、地質災害預警體系縣災害防御指揮中心縣災害防御指揮中心公路環(huán)公路環(huán)境資料境資料縣公路安全監(jiān)測預警中心縣公路安全監(jiān)測預警中心公路地質災公路地質災害現(xiàn)狀資料害現(xiàn)狀資料公路地災危險公路地災危險性區(qū)劃資料性區(qū)劃資料公路地災隱公路地災隱患點資料患點資料地災監(jiān)測網地災監(jiān)測網布設資料布設資料地災監(jiān)地災監(jiān)測體系測體系適時監(jiān)適時監(jiān)測資料測資料監(jiān)測預警監(jiān)測預警智能系統(tǒng)智能系統(tǒng)預報警預報警報標準報標準專家專家系統(tǒng)系統(tǒng)綜合決策分析綜合決策分析應急搶險處理應急搶險處理警報警報縣監(jiān)測預警體系框圖（2）公路地質災害預警報分類 依據(jù)某類災害可能發(fā)生的時間分為：長期預報 又稱災害發(fā)生趨勢預測，一般預測在三年以后發(fā)生中期預報 預測

14、時段一般在13年內發(fā)生短期預報 預報時段1年左右發(fā)生臨發(fā)預報 一般在3個月內發(fā)生?？煞譃槿A段發(fā)布 一級警報 預報時段三個月，可能在三個月內發(fā)生 二級警報 預報時段三天，可能在三天內發(fā)生 三級警報 預報時段一天，可能在一天內發(fā)生3.4 公路地質災害監(jiān)測預警智能系統(tǒng)（1）智能系統(tǒng)的結構基礎信息數(shù)據(jù)庫動態(tài)信息數(shù)據(jù)庫信息綜合處理，災害預警報決策分析軟件包信息輸入輸出（發(fā)布）系統(tǒng) （2）智能系統(tǒng)的功能信息獲取輸入的功能信息存儲的 功能信息自動查詢的功能信息更替的功能（資料數(shù)據(jù)陳舊了，用新的資料替換）信息分析、處理、決策的功能（由一系列分析軟件來完成）信息決策輸出的功能 （3）智能系統(tǒng)的運行輸入某公路環(huán)

15、境、災害現(xiàn)狀、隱患點特征、監(jiān)測網布設、首次監(jiān)測等基礎資料數(shù)據(jù)輸入專家研究的災害預警報分析決策模型、類比曲線、圖形輸入隱患點監(jiān)測的適時數(shù)據(jù)隨時檢查智能系統(tǒng)的運行情況專家組隨時分析智能系統(tǒng)輸出的信息，一旦出現(xiàn)某隱患點加劇變形或臨發(fā)的前兆，縣監(jiān)測預警中心應立即組織專家考察確認是否報請縣災害防御中心發(fā)出警報。 3.5 重點泥石流隱患點監(jiān)測預警（1）泥石流監(jiān)測的主要內容和方法重點監(jiān)測泥石流溝的松散固體物質儲量和水動力條件（暴雨、冰湖潰決） ，暴雨，湖、庫潰決）水動力條件監(jiān)測（大雨體物監(jiān)測泥石流溝及兩岸松散固度量測泥石流溝、坡比降，坡泥石流形成條件監(jiān)測泥石流流速監(jiān)測泥石流流量監(jiān)測泥石流流態(tài)特征泥石流動力特

16、征監(jiān)測（2）泥石流監(jiān)測預警網絡（以四川省汶川縣城南溝泥石流為例） 南溝自然環(huán)境特征南溝（中、上游為茨里溝）位于縣城東南，岷江左岸一條小支溝，長6km，流域面積8km2, 主峰3201.1m，溝口位于縣城，213國道通過。兩岸坡高陡：上游2030 ，中游2025 ，下游35 以上。主溝縱坡比 降：上游325，中游280 ，下游333.8 。溝谷兩岸出露地層以泥盆系（Dyl2)千枚巖為主，中、上游松散堆積物厚515m。溝谷中游兩岸分布有大型老滑坡4個，估算方量近2000萬m3，1滑坡近20年滑動。降雨量：下游岷江河谷500600mm/年，中、上游8001200mm/年，多暴雨。 險情分析、治理現(xiàn)狀

17、和存在問題威脅 40多個單位、1700多人的安全、固定資產1億元威脅 213國道20042006年進行勘測治理：溝中游1滑坡抗滑樁治理，中下游順 溝道建1000多米長的排導槽排除泥石流， 排導槽上端修了高近5米的攔擋壩。存在問題： 通過城區(qū)段排導槽太小，不能排除大型泥石流，2、3 、4滑坡未治理，有可能在長降雨，特大暴雨中起 動，阻斷茨里溝，發(fā)生大型泥石流。 南溝泥石流監(jiān)測預警網布設溝口建監(jiān)測站，溝溝口建監(jiān)測站，溝內上、中、下建三內上、中、下建三個監(jiān)測點。個監(jiān)測點。上游點清水區(qū)上游點清水區(qū)中游點固體物質中游點固體物質下游點下游點泥石流流態(tài)、泥石流流態(tài)、堆積、成災堆積、成災4 山區(qū)公路地質災害防

18、御對策4.1 公路選線科研階段的防御對策 公路建設規(guī)劃中的選線定線是公路地質災害防治的源頭、第一關， 總結近40年的經驗，公路選線應遵循以下原則。（1）遵循與山系正交的原則，以高橋、長隧道垂直爬上第三地勢階梯。據(jù) 估算：山坡平均坡度為30，越嶺隧道長度增加1km，兩端就可縮短 展線57.7km。 川藏公路二郎山隧道長4.160km，比展線至二郎山埡口縮短線路長 20km，和三小時車程。（2）遵循分段展線的原則，盡早脫離河上行至高原（臺地）上。（3）遵循繞避災害為主的原則，沿河線路利用橋、洞避讓災害多發(fā)段。（4）遵循寧高勿低原則，沿河線路按災害多發(fā)段上界高度以上定線。（5）遵循地質災害坡向分異規(guī)律，沿河線路多走陰坡（南岸），少經陽 坡（北岸）。據(jù)川藏公路然烏108道班，長270km沿河路段，崩 塌、滑坡分布在北岸49處，南岸14處；泥石流北岸80條，南岸45條。（6）遵循多填少挖原則，高原高寒地區(qū)按最佳填方高度定線。（7）遵循少挖少填原則，低山丘陵地區(qū)多用旱橋、棚洞通過。4.2 公路勘察設計中的減災防災措施 對無法避讓的地質災害點，應與公路主體工程同時勘察，同時設計，按以下原則選擇防護措施：（1）有可能發(fā)生崩塌、落石的陡坡（陡岸）段，多采用清除 危巖，棚、洞、網防護。（2）對開挖后有可能引起滑動的