震区公路边坡与路基防灾减灾.docx

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震区公路边坡与路基防灾减灾

震区公路边坡与路基防灾减灾

——典型破坏模式与防治技术

唐胜传

（招商局重庆交通科研设计院有限公司研究员）

0前言

汶川大地震的发生已经近两年了，在这两年时间里，曾多次出入汶川，无论从道路交通还是城镇建设，都在日新月异的进行着，汶川震区本身的面貌焕然一新。

但是地震本身，却以更加频繁、更加猛烈的姿态在世界范围内发生。

据统计，汶川地震发生两年来，世界范围内发生的7.0级以上的强震达30次之多，其中包括让我们感到切肤之痛的海地地震和玉树地震。

温总理指出“多难兴邦”，在“多难”和“兴邦”之间的桥梁，则是对于灾难的充分尊重、深刻理解和有效学习。

汶川地震发生2年以来，交通科技工作者在交通运输部、各级政府及西部项目管理中心的强力组织下，系统的对地震后公路的抢险保通、恢复重建等各阶段、各领域开展了研究。

在公路路基和边坡的防灾减灾方面，也取得了一些进展，在此向各位领导汇报，与各位同行探讨，希望可以抛砖引玉，引出更多的真知灼见。

1边坡及路基防灾减灾研究框架

边坡及路基灾害防灾减灾的总体研究框架如图1所示。

致灾模式和致灾机理的研究，是防灾减灾研究的基础。

主要揭示破坏发生、发展、触发的过程及发生部位。

防治机理的研究，是防灾减灾研究的核心。

主要研究荷载的传递机理，防治结构自身组成及结构计算。

质量检测是防灾减灾的保证，确保防灾减灾的结构按照设计的要求严格的在现场施作完成。

致灾模式和致灾机理研究、防治机理研究和质量检测三者共同组成了完整的防灾减灾研究内容。

图1边坡及路基灾害研究框架

2边坡的破坏模式及防治

2.1震时边坡破坏模式

一、主要破坏类型

边坡病害是地震造成的分布范围最广、病害最严重的病害之一，处于地震中央断裂带附近的公路边坡病害尤为明显，震中区常形成崩塌性滑坡，掩埋道路或堵塞江河形成堰塞湖淹没道路。

图2主要边坡破坏类型

图3S303映秀至日隆段崩塌性滑坡掩埋公路图4广元某公路崩塌堵塞道路

图5G213国道都江堰至映秀段落石

二、水平抛射形成机制

（1）极震区强大的水平作用力，为坡体水平运动提供了初始速度/加速度和水平惯性力——“平抛作用”；

（2）坡体在强大地震水平力作用下，呈水平向抛射，构成岩坡后续的高速滑动和跳跃式崩塌。

图6巨石水平抛射

图7水平抛射型滑坡

图8滑坡高速滑动跳跃

三、地震崩塌形成机制

（1）强震作用下，坡体松弛、破裂、倾倒、溃曲、溃散和溃喷，统称之为“崩塌”；

（2）地震崩塌的类型：

倾倒、滑移、错断、滚石；

（3）陡崖崩塌部位，被多组结构面的复杂组合所切割、破碎，进而解体，在地震力作用下发生崩塌；

（4）汶川地震中的崩塌破坏，主要发生在山脊末端和山梁的突出部位，岩块夹杂土石大面积散落，而未见明显滑动面。

图9新北川中学岩崩

四、地震滑坡形成机制

“震裂－溃滑－抛射－高速碎屑流－远程滑动”，高陡的后缘岩壁显示强烈的张性破裂，并－垮倒底。

可分为同发型滑坡和后发型滑坡。

“同发型”滑坡：

指初震同时，原已接近临界状态的坡体即时失稳滑动；“后发型”滑坡：

滞后于初震发生的时刻，该型滑坡占全部的90％以上。

图10地震岩质滑坡形成机制

图11青川东河口滑坡

图12安县肖家桥巨型滑坡

2.2地震次生灾害

一、崩塌－滑坡－泥石流－堰塞湖－溃堤－水灾

图13青川县马公乡朝阳村特大滑坡-碎石流

图14碎屑流化（流态化）形成机制

图15岩质滑坡→碎屑流→堰塞湖

图16碎屑流进入河流后，推动前沿水流高速运动，形成十多米高的涌浪

二、边坡落石

因为地震导致的岩体松动，或大规模崩塌破坏后尚位于断崖陡壁处的岩块大量存在，边坡落石的风险将长期存在，由于落石的发生具有时间和空间的双重不确定性，对公路安全运营的危害极大。

典型的案例是，在2009年7月25日凌晨，四川省阿坝州汶川境内国道213线彻底关大桥被巨石砸断，该桥全长300余米，被打断100余米，有车辆掉入岷江。

该次事件除造成6死12伤外，要进入汶川的车辆必须绕行700公里左右，经过雅安、宝兴，翻越夹金山，经过小金，理县，才能到达。

也因此，边坡落石的风险评估成为灾后公路恢复重建过程中的重要研究内容之一。

图17彻底关大桥被砸断后的图片一

图18彻底关大桥被砸断后的图片二

2.3边坡落石的风险性评估

由于边坡落石的发生具有时间和空间的双重不确定性，因此很难用确定性的方法进行评价。

如图19所示情形，公路右侧不同的高程上分布有三条危岩带，要判断这些危言带对其下方公路的运营安全是否形成威胁，须从两个方面进行：

一是三个危岩带中的一个以上发生失稳；二是失稳的岩块能否落在路基范围之内。

对于边坡落石的风险性评价也正是基于上述两个方面展开。

图19典型落石风险性评价断面

一、公路危岩稳定性风险评价

公路危岩崩塌的形成条件相当复杂，因此在分析其潜在危险性时，所涉及的内容非常广泛。

为了使分析指标适应潜在危险性分析需要，遵从以下思路：

综合分析已有危岩及其稳定性信息，结合专家经验，初步筛选出评价指标项。

对初步筛选出的评价指标进行相关分析等数学处理，去掉一部分重复或交叉的因素，以便在保证评价指标能充分体现与地质灾害有关的各个主要方面的状况的同时，保持各个评价指标相互独立。

根据上文所述之原则和要求，将评价灾害潜在危险性指标分为背景指标、分析指标和目标指标，如图20所列。

图20崩塌、落石稳定性的主要影响因素

崩塌、落石的稳定性是诸多影响因素决定的，每种影响因素在危岩稳定性指标体系中的影响程度都有很大差别，即使是同种因素，在不同其它因素影响条件下，其发挥的影响作用程度也会有很大不同，据此可将影响因素进行等级划分。

而正是由于不同影响因素在不同条件下其发挥程度不同，从而影响崩塌落石的稳定性，为此，根据定性分析并结合定量评价结果，在对各影响因素综合分析评价的基础上，将危岩稳定性程度划分为四个等级，即危险性低（I）、危险性中等（II）、危险性较高（III）、危险性高（Ⅳ）。

大体上遵循这样一个原则：

当则量化值越大，则该危岩稳定性越高。

具体分级评价标准概况如下：

a、危险性低（I）

在沿线的危岩带规模极小，变形破坏程度轻微，没有近期发生的变形破坏迹象，其可能变形破坏发生崩塌、落石灾害的风险小。

b、危险性中等（II）

在沿线的危岩带规模小，变形破坏程度中等破坏，有可能发生较小规模的崩塌和落石破坏，但不会产生较大的危害。

c、危险性较高（III）

在沿线的危岩带规模中等、变形破坏程度较大，在不利因素的影响下（如地震、降水）有可能发生较大危害的崩塌、落石灾害。

d、危险性高（Ⅳ）

此类危岩带中，危岩体风化严重，变形程度大，有的甚至出现破坏变形的迹象，在未来施工建设中或通车运行中都可能发生严重的、大规模的崩塌、落石灾害。

对于公路危岩稳定性风险评价方法，可采用影响因素综合评判法、模糊综合评判理论（Fuzzy）、可拓学分析模型（Topology）、人工神经网络模型等多种方法综合进行。

二、掉入路基范围的可能性评价

危岩失稳落点位于路基范围内的可能性越大，则造成公路和车辆及人员损失的几率就越大，两者呈正相关关系。

对落点在路基范围内的概率的计算采用Rockfall完成。

Rockfall软件具有以下特点：

（1）位置的确定可以有两种方式：

由一个点确定（pointseeder）和由一条线段确定（lineseeder）。

在第一种情况下，所有的模拟的崩塌都由一个点产生，用于模拟危岩位置确定的情况。

第二种情况，所有模拟的崩塌的发生位置由组成坡面的多线段确定，崩塌的发生位置可以是指定线段的任何位置，线段的任何位置产生崩塌的概率均等。

这种方法在无法准确确定崩塌发生位置时采用。

（2）所有的RockFall输入参数既可以是常数也可以是随机变量，包括岩体的质量、原始的位置、调整系数和摩擦角。

这些随机变量之间可以互相独立并服从不同的分布。

采用RockFall对某典型断面进行1000次崩落模拟，如图21所示。

图21Rockfall模拟落石运动轨迹图

三、边坡落石的风险性综合评估

在获得了危岩稳定性风险分析评价和进入路基范围内的可能性评价结果基础上，就可进行边坡落石风险性综合评估。

灾害发生的安全窗理论认为灾害的发生是无数个不利因素同时发生的组合，如高速公路危岩产生灾害需要同时满足以下条件：

其一危岩失稳，崩落的岩块进入路基范围；其二崩落的岩块直接击中路上行驶的车辆造成人员和车辆的损失，或者高速行驶的车辆未能及时发现或躲避位于路面上的岩块而造成人员车辆的损失。

这两者必须同时发生，缺一不可，才能出现危岩灾害。

根据以上分析，危岩的危险性风险分析遵循“就低不就高”原则，如某处危岩（带）的稳定性很差（不稳定状态），但是其易损性很低（进入路基范围的概率小于30％），则该处危岩（带）的危险性综合评价为低。

这一方法，曾成功的用于对震后云南省水麻公路边坡落石危险性评价，在总体评价的79处危岩体中，危险性高和较高的段落有25处、危险性中等的段落有29处、危险性低的段落有25处。

建设单位根据评价结果，对危岩性高和较高的段落进行了专项治理。

2.4边坡防护工程

一、经历过地震考验的加固工程

图22紫坪铺水电站下游右侧岸坡

紫坪铺水电站下游右侧岸坡采用点锚＋锚索框架＋喷射混凝土封闭，在地震期间表现良好，所防护边坡未出现明显破坏。

图23同一边坡支挡未支挡效果对比

图24普通锚杆框架护坡，有局部破坏整体完整

图24采用了锚杆框架粱加固的边坡无变形，而未采用的右侧和左侧中上部坡体变形，

并从框架粱的上方出现剪切-鼓胀

图25采用锚索框架锁口的没有任何变形,而没有采用的可见剪切-鼓出现象

图26采用锚索框架锁口的没有任何变形,而没有采用的可见剪切-鼓出现象

图27抗滑桩作用

图28喷射混凝土在地震中破坏

二、恢复重建中采用的防护

图29大量采用的SNS被动防护网一

图30SNS被动防护网及其破坏情况

图31采用石笼挡墙防护松散堆积体

图30SNS主动防护网

图31棚洞结构应用于落石严重路段

3路基的破坏模式及防治

3.1震时路基破坏模式

地震造成的路面直接病害主要有以下9种类型：

（1）路基路面整体断裂、错动、滑移

（2）基路面整体坍滑

（3）基路面整体沉陷

（4）路基路面隆起、挤压

（5）路面坑凼、碎裂

（6）路面脱空

（7）路基路面被掩埋

（8）地震造成路基路面水毁

（9）地震造成路面纵横向裂缝

图32S205路基路面沉降滑移

图33G213线路基路面严重开裂、滑移

图34G213线路基路面坍滑

图35S303线下挡沉降导致路面沉降错台开裂

图36临河路基坍滑

图37S302路基路面隆起

图38都汶路上边坡崩塌掩埋路基路面

图39S303映秀至耿达段路基被冲毁

图40挡墙倾倒路基垮塌

3.2震时支挡结构破坏模式

边坡支挡结构物主要包括挡墙、护面墙、抗滑桩、桩板墙等，其中，挡墙、护面墙病害较多，而抗滑桩、桩板墙病害相对较轻。

挡墙、护面墙主要病害类型包括三类：

砸坏、坍塌、开裂滑移

图41G213国道挡墙砸坏

图42G213国道都江堰至映秀段护面墙坍塌

图43G213国道都江堰至映秀段挡墙剪切破坏

图44G213国道都江堰至映秀段挡墙剪切开裂

图45抗滑桩移位

3.3公路路基地震动反应分析

美国ElCentro地震波

5.12富顺地震波

5.12小金地震波

5.12松潘地震波

图46计算中采用的地震波

图47计算中采用的模型

图47计算中采用的模型

图48地震峰值加速度的影响

图49地震持续时间的影响

图50地震特性的影响

图51地基坡度的影响

图52路基填筑高度的影响

图53路基坡度的影响

①随坡面高度增加，峰值加速度逐渐增大，坡面下部增长较慢，坡面上部增长较快，在坡面中上部（路基面最外侧）达到最大；地基坡度越陡，加速度放大系数有增大趋势，在坡体中上部表现更加明显；路基高度越大，坡顶的放大系数越大，而在相同高度处，放大系数大体相当；路基坡度越陡，边坡上部放大系数的增长越快，放大系数最大值也越大。

②随坡面高度增加，峰值位移逐渐增大，在坡面中上部达到最大；坡面下部增长较快，坡面上部增长较慢；

③在路基面上，随离坡面距离的增加，峰值加速度逐渐减小，在路面中部靠近临空面一侧有最大值；在路基中部变化最剧烈；

④在路基面上，随离坡面距离的增加，峰值位移逐渐减小，在坡面顶点（路基面最外侧）有最大值；在路基中部变化最剧烈；

⑤加速度峰值以及速度峰值，均在坡面浅层上部有较大的增长，坡体内部靠近地基土，放大系数逐渐变小。

3.3重力式挡墙的动力响应分析

图54挡墙计算模型

图55直立式挡墙墙后作用力及安全系数

图56仰斜式挡墙墙后作用力及安全系数

图57俯斜式挡墙墙后作用力及安全系数

图58横重式挡墙墙后作用力及安全系数

（1）地震过程挡土墙安全系数降低，对应地震波前15s震动不断加强，后15s震动逐渐减弱，挡土墙安全系数前15s降低明显，15s后渐趋平稳，一般抗倾安全系数大于抗滑安全系数。

采用抗倾安全系数的降低幅度（（震前安全系数-震后安全系数）/震前安全系数）从大到小排序为：

仰斜式（0.708）>直立式（0.494）>衡重式（0.436）>俯斜式（0.244）；

（2）综合分析，不同形式挡土墙抗震性能从差到好的顺序为：

仰斜式、直立式、衡重式、俯斜式。

4结语

世界范围内的地震活动正进入活跃期，关于震区公路边坡与路基防灾减灾的研究将是一项紧迫而长期的任务，报告结合震后重建的工程实际，系统的总结了震时边坡、路基及支挡结构的破坏模式，提出了震后边坡楼市风险评估方法，研究了公路路基和挡墙在地震时的动力反应，并对各式挡墙在地震时的性能进行了比较，所得成果对于震后公路的恢复重建起到了一定的支撑作用。