1、交通基础设施抗震减灾技术研讨会交流材料1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
2、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
3、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。交通基础设施抗震减灾技术研讨会交流材料2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 3 S303 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交通基础设施抗震减灾技术研讨会交流材料3图 5 G213 国道都江堰至映秀段落石二、水平抛射形成机制（1
4、）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 巨石水平抛射交通基础设施抗震减灾技术研讨会交流材料4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；交通基础设施抗震减灾技术研讨会交流材料5（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
5、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交通基础设施抗震减灾技术研讨会交流材料6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交通基础设施抗震减灾技术研讨会交流材料7图 13 青川县马公乡朝阳村特大滑坡- 碎
6、石流图 14 碎屑流化（流态化）形成机制交通基础设施抗震减灾技术研讨会交流材料8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交通基础设施抗震减灾技术研讨会交流材料9二、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 1
7、2 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交通基础设施抗震减灾技术研讨会交流材料102.3 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
8、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。交通基础设施抗
9、震减灾技术研讨会交流材料11危岩危险性影响因素灾害频次灾害规模坡高坡度地层及岩性地质构造危岩类型气候水文地质特征其它因素历史灾害发育岩组类型风化程度地形地貌特征降雨地下水坡面特征地震人类工程活动图 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
10、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（ ） 。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
11、高（）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。交通基础设施抗震减灾技术研讨会交流材料12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
12、种方式：由一个点确定（point seeder）和由一条线段确定（line seeder） 。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 21
13、Rockfall 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，就可交通基础设施抗震减灾技术研讨会交流材料13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
14、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。交通基础设施抗震减灾技术研讨会交流材料14
15、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交通基础设施抗震减灾技术研讨会交流材料15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-鼓出现象交通基础设施抗震减灾技术研讨会交流材料16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 抗滑桩作用交通基础设施抗震减灾技术研讨会交流材料17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 被动防护网一交通基础设施抗震
16、减灾技术研讨会交流材料18图 30 SNS 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交通基础设施抗震减灾技术研讨会交流材料19图 30 SNS 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)基路面整体沉陷交通基础设施抗震减灾技术研讨会交流材料20（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 32 S205 路基路面沉降滑移图 33 G2
17、13 线路基路面严重开裂、滑移交通基础设施抗震减灾技术研讨会交流材料21图 34 G213 线路基路面坍滑图 35 S303 线下挡沉降导致路面沉降错台开裂交通基础设施抗震减灾技术研讨会交流材料22图 36 临河路基坍滑图 37 S302 路基路面隆起交通基础设施抗震减灾技术研讨会交流材料23图 38 都汶路上边坡崩塌掩埋路基路面图 39 S303 映秀至耿达段路基被冲毁交通基础设施抗震减灾技术研讨会交流材料24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
18、害类型包括三类：砸坏、坍塌、开裂滑移图 41 G213 国道挡墙砸坏交通基础设施抗震减灾技术研讨会交流材料25图 42 G213 国道都江堰至映秀段护面墙坍塌图 43 G213 国道都江堰至映秀段挡墙剪切破坏交通基础设施抗震减灾技术研讨会交流材料26图 44 G213 国道都江堰至映秀段挡墙剪切开裂图 45 抗滑桩移位交通基础设施抗震减灾技术研讨会交流材料273.3 公路路基地震动反应分析美国 El Centro 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 计算中采用的模型交通基础设施抗震减灾技术研讨会交流材料28图 47 计算中采用的模型图 48 地震峰值加速度的影响交通基础设施抗震减灾技术研讨会交流材料29图 49 地震持续时间的影响图 50 地震特性的影响交通基础设施抗震减灾技术研讨会交流材料30图 51 地基坡度的影响图 52 路基填筑高度的影响
