（道路与铁道工程专业论文）基于GIS的水麻路危岩落石管理系统.pdf

摘要 危岩地质灾害在我国西部是一个比较常见的地质灾害，尤其是在高速公路等 大规模土木工程建设的情况下，更加频发。由于危岩灾害具有长期潜伏性和发生 的不确定性，所以长期以来一直威胁着高速公路的运营安全。本论文是在这一背 景下依托重庆交通科研设计院”山区高速公路综合运营安全技术研究”展开的。本 论文的主要内容是通过对危岩稳定性评价的结果和危岩塌落后对水麻路的破坏情 况并利用概率论的相关知识得出危岩对水麻路的风险情况。运用v i s u a l b a s i c 开 发了危岩落石管理系统的水麻路风险评价程序，并用s u p e r m a p 进行图像的管理。 论文的主要研究工作有： ( 1 ) 对影响危岩稳定性的因素进行研究，共总结出1 3 个对危岩稳定性有影响 的因素，根据抓主要矛盾的原则对评价指标进行筛选，最终选定7 个评价指标。 ( 2 ) 根据层次分析法的基本原理，对7 个评价指标进行两两比较分析，得到 各项指标的权重表，进而按层次分析法基本步骤对水麻路危岩进行评价，得到了 水麻路危岩稳定性评价结果。 ( 3 ) 对危岩落石管理系统的空间数据库和属性数据库进行了开发，并对危岩 落石管理系统的界面进行了设计。 ( 4 ) 按照危岩塌落后对路面造成破坏的概率和危岩稳定性概率并运用概率论 的基本知识提出了对水麻路的风险评价模型。 ( 5 ) 运用v i s u a l b a s i c 对水麻路危岩落石管理系统的风险评价子模块进行了 开发。并运用r o c k f a l l 软件对其进行了验证，结果证明该子模块得出的情况与实 际情况较为吻合。 通过对水麻路危岩落石管理系统的开发可以有效的对交通事故的发生起到警 示作用，从而对危岩采取相应的处治措施。 关键词：危岩；管理系统；层次分析法；地理信息系统；评价；相关系数；模型； a b s t r a c t d a n g e r o u sg e o l o g i c a ld i s a s t e r s ，i nt h ew e s t e r nr e g i o no fc h i n a , i sar e l a t i v e l y c o m m o nt h i n g ，a n di sm o r ef r e q u e n te s p e c i a l l yi nh i g h w a yc o n s t r u c t i o na n do t h e r l a r g e s c a l ec i v i le n g i n e e r i n g d u et op o t e n t i a la n dl o n g - t e r mu n c e r t a i n t i e sd a n g e r o u s g e o l o g i c a ld i s a s t e r st h r e a t e nt h eo p e r a t i o n a ls a f e t yo fh i g h w a y t h i sp a p e r i nt h i s c o n t e x t ，i sc a r r i e dt h r o u g ht h ep r o j e c to f ”m o u n t a i na r e ah i g h w a ys a f e t yr e s e a r c hi n g e n e r a lo p e r a t a t i o n ”b a s e do nc h o n g q i n gj i a o t o n gs c i e n t i f i c & r e s e a r c hi n s t i t u t i o n 1 1 1 e m a i nc o n t e n t so ft h et h e s i si st h ee v a l u a t i o no fd a n g e r o u sr o c kt os h u i m ar o a dt h r o u g h t h es t a b i l i t yo fr o c ka n dt h ec o l l a p s eo ft h er o a dd a m a g ed e b r e g e a s i ai nt h eu s eo f p o s s i b i l i t yo ft h e o r ya n da c k n o w l e d g e a p p l yw i t hv i s u a l b a s i cd e v e l o pt h ee v a l u a t i o n o fd a n g e r o u sr o c km a n a g e m e n ts y s t e ma n dm a k eu s eo fs u p e r m a pm a n a g e st h ei m a g e s ，n l i sp a p e ri n c l u d i n ga c h i e v e m e n t sa sf a l l o w s ( 1 ) t h ef a c t o r st h a ta f f e c tt h es t a b i l i t yo ft h er o c ka r es t u d i e d ，a n ds u mu p13p a i r s o ft h e m a c c o r d i n gt o g r a s pt h ep r i n c i p a lo fc o n t r a d i c t i o nt o s e l e c tt h ee v a l u a t i o n i n d i c a t o r s ，f i n a l l ys e l e c t7f a c t o r s ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p a lo fa h p , w h i c hg i v eac o m p a r a t i v et o7i n d i c a t o r s a w e i g h tt a b l ew a sg o t s t i l la p p l y i n gt ot h eb a s i cs t e p st oe v a l u a t et h es h u i m ar o a d n e r e s u l t so fs t a b i l i t ya r eg o t ( 3 ) t h es p a t i a ld a t a b a s ea n dp r o p e r t yd a t a b a s eo fr o c k f a l lm a n a g e m e n ts y s t e mi s d e v e l o p e da n dt h ei n t e r f a c ei sd e s i g n e d ( 4 ) a c c o r d i n gt o t h ed a m a g ep o s s i b i l i t yo fd a n g e r o u sr o c k c o l l a p s ea n dt h e p o s s i b i l i t yo fd a n g e r o u sr o c ks t a b i l i t yw h i c hp u tf o r w a r dt ot h er i s ke v a l u a t i o nm o d e l a p p l y i n gw i t ht h ep o s s i b i l i t yt h e o r yk n o w l e d g e ( 5 ) t h er i s ke v a l u a t i o ns u b m o d u l e so fs h u i m ar o a dd a n g e r o u sr o c km a n a g e m e n t s y s t e mi sd e v e l o p e d ，a p p l y i n gw i t hv i s u a l b a s i c ，a n dv e r i f i e dt h er e s u l t si nl i n ew i t ht h e a c t u a ls i t u a t i o n t h r o u g ht h ed e v e l o p m e n to fs h u i m ar o a dd a n g e r o u sr o c km a n g e m e n ts y s t e m w h i c hc a ne f f e c t i v ew a r nt h eo c c u r r e n c eo ft r a f f i ca c c i d e n t s ，a n dt h et a k ec o r r e s p o n d i n g m e a s u r e k e y w o r d s ：d a n g e r o u s r o c k ；m a n a g e m e n t ；a h p ；s y s t e m ；g i s ；e v a l u a t i o n ；c o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t ；m o d e l 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：审 日期：2 绎哆月，乡日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行 信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留 在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：酗节 日期：触罗年干月乡日 指导教师虢修聿国 咻工哆年矽月多日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系 列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规 定享受相关权益。 位论文作者签名：泛廖哼 日期：细7 年乍月f 乡v 1 指导教师签名：劫d 翰 魄矽年勿月，弓日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景、目的及意义 我国是一个地质灾害多发的国家，尤其是在我国西南山区，危岩、滑坡、泥 石流等地质灾害频繁发生，严重威胁到区域内道路交通的安全，使得西南山区成 为我国交通安全事故发生的重灾区；加上近几年我国开始实施西部大开发战略， 随着公路建设飞速发展，以及交通量快速增长，提高道路交通的安全性成为非常 迫切的要求。 西部山区是我国地质灾害最为严重的地区之一，伴随高速公路建设向周边山 区的快速发展，地质环境恶化、地质灾害急剧增加，防灾减灾的形势严峻。目前， 大量在建和拟建高速公路都将面临危岩、崩塌等地质灾害问题，特别是云南省的 几条主要出省通道的地形地貌都具有水麻高速公路的特点，所以对本课题研究对 其它的类似的工程项目具有一定的借鉴意义。 在这些威胁道路安全地质灾害的研究中，对危岩灾害( 图11 ) 的研究是相对 薄弱的环节，然而在我国西南山区公路，由于所处地形、地质条件的原因，路线 两侧的高山边坡或原有的山体往往存在较多的危岩和崩塌落石路段，加上这些危 岩不可能进行全面积的加固处治，使得经常发生由于危岩发生崩塌落石灾害造成 人员伤亡的惨痛教训。因此对山区道路危岩的深入研究具有紧迫性、实用性。 第一章绪论 图11 危岩及危岩灾害 f i g 11 d a n g e r o u sr o c ka n dt h ed is a s t e r so f t h ed a n g e r o u sr o c k 本课题便是在这一背景下提出研究基于g i s 的危岩落石管理系统，建立基于 g i s 的危岩落石管理系统对预肪事故的发生能起到警示作用，同时能够及时对危岩 进行处治，防止事故的发生。因此是十分必要的。 地理信息系统是2 0 世纪6 0 年代兴起的- - i 1 新兴学科，是计算机与地理信息 学相结合的产物，是在计算机软硬件支持下，运用系统工程和信息科学理论，科 学分析和管理有空间内涵的地理数据，以提供对规划、管理、决策和研究所需要 信息的技术系统“。 本论文提出了针对公路路线及不同结构物空间关系的岩石边坡的稳定性评价 方法，并基于g i s 开发了集公路危岩落石信息管理、宏观稳定性评价、稳定性分 类为一体的系统软件。这套软件充分利用了g i s 强大的空间属性管理能力和友好 的图形显示功能，明显的确定出危岩的位置，从而为采取相应的治理措旄、道路 安全营运管理提供了方便。 1 2 国内外危岩风险评价及灾害系统研究现状 1 2 1 国外危岩风险评价及灾害系统研究现状 公路危岩灾害的风险评价研究源于公路安全评价。而安全评价的概念应用于 公路方面是在2 0 世纪8 0 年代初英国开始的，起初是由于一些新建道路在刚刚通 车不久即发生很多本可避免的交通事故为了防止此类事故的发生，学者第一次 提出了安全评价的概念；但这一概念被直到8 0 年代末才被正式采用；到1 9 9 1 年， 英国已强制要求对所有的国家主干道和高速公路进行安全评价。2 0 世纪9 0 年代早 期的澳大利亚、新西兰，9 0 年代中期的加拿大，9 0 年代末的美国都先后开始了对 公路安全评价的研究，引入该概念并进行研究。目前其他国家和地区如：新加坡、 马柬西亚、南非、意大利、丹麦、荷兰和香港等都开始对公路安全评价进行了相 关研究。 盈誓瑟粼黼删鬣瘸 裂溺爹，。删秽一戮霪 第一章绪论 3 国外研究的内容主要包括：公路安全评价的概念、步骤、阶段、效益成本分 析及评价队伍的构成、人员素质的要求等，研究的重点在于如何利用评价人员在 公路安全方面的经验对各阶段的公路工程安全隐患进行识别，因此国外的安全评 价的研究报告或标准规范中均提供了各阶段的安全评价的速查表( 或称“检查 表”) 。这一措施己获得了积极的效果。另外，一些发达国家也在研究量化的交通 安全评价模型，美国联邦公路局组织多方人力、物力进行了系统的工作，对相关 的关键技术和应用平台进行了研究、开发，目前已经推出了具有突破意义的i h s d m ( i n t e r a c t i v eh i g h w a ys a f e t yd e s i g nm o d e l ，互动式的公路安全设计模型) 的 b 测试版，为公路安全评价、安全改良提供了核心的技术支持。 危岩、崩塌的地质灾害可接受风险水平研究是近几年来国际上一个令人关注 的新的学术课题。在我国对该问题的研究基本上属于空白，很少有人对该问题有 较深入的认识。危岩、崩塌的地质灾害灾害可接受风险一般以人员伤亡、经济损 失以及社会环境价值损失来表征。对人员伤亡来说，目前主要采用f ( 灾害概率) - - n ( 人员伤亡) 准则法；对于经济损失，一般采用损益比( c o s t - - b e n e f i tr a t i o ) 、 不同年概率条件下的经济损失值等来表示。 危岩、崩塌的地质灾害可接受风险水平并非一成不变的，而是因地、因时而 异的。通过对世界上的一些大型及灾难性危岩、崩塌的地质灾害进行分析，可得 到单个危岩、崩塌地质灾害的可接受风险准则。运用量化风险评价技术所估算的 风险，如发生在合理可行的最低限度范围，便应就各种实用可行性的风险减缓措 施，进行成本一效益分析。进行这些分析的目的，是计算每一项风险减缓措施的 成效是否能抵消其成本，以便决定是否采取这些措施。 现在有些国家已订有风险管理及分析的一般指引，例如英国标准b s 8 4 4 4 ，澳 大利亚新西兰标准a s - - 2 5 4 3 6 0 及加拿大标准c a n c s a q 6 3 4 - - 9 1 。但到现在为止 国际上还没有规范涉及可接受的危岩、崩塌地质灾害风险水平值。然而一些在做 危岩、崩塌地质灾害风险评价时会遇到以下问题：何种条件下的风险是可以接受； 何种条件下的风险是不能接受，必须采取措施控制，这就需要有一标准能够帮助 决策者对风险的接受与否做出科学的判断。 目前国外灾害系统主要是在各种在地质灾害方面的应用，由于g i s 系统可以方 便的将地质信息、工程技术等有机的融为一体，因此，国外广泛用它作为基础平 台开发地质灾害治理决策支持系统。从8 0 年代至今，g i s 技术的应用也从数据管理， 多源数据集数字化输入和绘图输出，至u d e m 或d t m 模型的使用，至u g i s 结合灾害评价 模型的扩展分析，n l j g i s 与决策支持系统( d s s ) 的集成，到网络g i s ，逐步发展深 入应用。 在国外，基于g i s 开展的诸多关于地质灾害评价和防治的工作中，以下两项研 4 第一章绪论 究是具有代表性的。 印度r o o r k e e 大学地球科学系的r e g u p t a 矛i b c j o s h i ( 1 9 9 0 年) 用g i s 方法 对喜马拉雅山麓的r a m g a n g ac a t c h m e n t 地区进行滑坡灾害危险性分带。该研究基于 多源数据集，如航空像片、m s s 磁带数据、m s s 图象、假彩色合成图象及各种野外 数据，包括地质、构造、地形、土地利用及滑坡分布。以上数据需要进行数字处 理、图象处理等处理，然后解译绘制出专题平面图，包括地质图( 岩性与构造) ， 滑坡分布图，土地利用图等。这些图件经数字化及有关数据都存储在g i s 系统中， 找出与滑坡灾害评价相关的因素，如滑坡活动与岩性的关系，滑坡活动与土地利 用的关系，不同斜坡类型的滑坡分布情况，滑坡分布与主要断裂带的距离关系。 经过统计及经验分析，引入一个滑坡危险系数( l n r f ) 。l n r f 值越大，表示该地滑 坡灾害发生的危险性越高。并且对l n r f 的三个危险级别分别赋予0 、1 、2 三个权重。 考虑到滑坡的发生是多个因素综合作用的结果，故调用g i s 的叠加分类模型 ( o v e r l a y ) ，将各因素的权重叠加，得到综合图件，图上反映的是每个地区的权重 总和。根据给定标准，即可在这张图上勾出滑坡灾害危险性分布图。 荷兰i t c 的v a nw e s t e nc j 和哥伦比亚i g a c 的a l z a t eb o n i l l aj b ( 1 9 9 0 年) 基于 g i s 对山区地质灾害进行分析。他们在数据采集、整理方面作了大量工作，建立了 一套完整的数据库；在此基础上，开发出了分析评价模型，如斜坡稳定性分析模 型，其主要功能是计算斜坡稳定的安全系数。另外，两位学者还利用g i s 所生成的 数字高程模型( d e m ) ，开发出了一部山区落石滚落速率计算模型，并据此绘出了 研究区内落石速率分布图2 | 。 1 2 2 国内危岩风险评价方法及灾害系统研究现状 危岩、崩塌的稳定性评价目前的方法主要有四大类：数值分析法、可靠度分 析法、按监测资料计算的比较辨识法及静力解析计算法。 1 ) 数值计算和仿真 近几十年来，孙钧、钱七虎等从国外引进和自行研制了许多切实可行的数值 分析方法用于解决边坡工程的计算。应用数值方法进行边坡工程的计算可以采用 弹塑性理论和极限平衡分析解决，方便地处理岩石边坡问题的非线性等特征，得 到地应力场、应变场和位移场，非常直观地模拟边坡变形破坏过程。数值方法适 用于分析边坡岩体与加固结构的相互作用，地下水渗流，地震等因素对边坡稳定 性的影响，能依据岩土的破坏准则，确定边坡的塑性区或拉裂区域，分析边坡的 累进性破坏过程和确定边坡的起始破坏部位。采用离散元可以仿真边坡的整体滑 动过程，对于预测边坡的破坏规模和方式具有重要的意义；用有限元计算应力和 位移时，工程中采用的接触单元( 或央层单元) 求解接触问题，因无法求解有初 始间隙的接触问题及因采用单元内应力作为屈服削据可能导致失真现象，故其应 第一章绪论 5 用受到限制。刘国明( 1 9 9 4 ) 采用有限元对三峡链子崖危岩体静力稳定性分析时， 考虑了软弱夹层的材料非线性及裂缝的接触非线性问题，提出连杆接触有限元模 型以满足求解工程接触问题的需要，并将岩块简化为弹性体。刘国明等人基于夹 层单元及连杆接触单元非线性模型、线弹性体单元模型及静力分析法，还研制了 适于复杂岩质边坡稳定性分析的三维有限元程序，应用该程序对链子崖危岩体进 行稳定性计算，结论与现场实际相符。另外，随着数值分析方法不断发展，出现 不同的数值方法相互结合，如有限元、边界元、无限元、离散元与块体元的相互 结合数值解和解析解的结合，以及非确定性的数值方法，如随机有限元、模糊有 限元、概率数值分析等方法。这些方法的结合能充分发挥各自的特长，解决复杂 的岩土工程问题。岩体变形破坏过程非常复杂，建立合理的计算模型和准确的计 算参数取值使其客观描述岩体特征是数值计算是否合理的关键，但到目前为止， 数值计算模型仍在不断的完善中，加上计算工作量巨大，操作过程也十分复杂， 科研中可以采用，却还很难推广到实际工程中。 2 ) 可靠度法 在边坡稳定性分析中，最基本的评价指标是极限平衡方程的解，传统的方法 是采用以安全系数为度量指标的定值法。可靠度方法用于分析危岩稳定性，其关 键在于功能函数的建立和概率尺度的确定。谢全敏( 1 9 9 8 ) 运用蒙特卡罗边界法 分析危岩稳定性，这种方法是通过求解岩体破坏概率来评价其稳定性，实际上相 当于计算边界上点( x l ，x 2 ，x m ) 处基本随机变量x 1 的概率分布函数的均值， 这样可以免去对控制危岩体的基本随机变量x l 的抽样，具有较小的方差。该方法 建立了直接坠落，沿单面滑动和沿双面滑动的三种破坏功能函数。但在某些工程 设计中，按可靠度方法计算是安全的，实际运营却发生了破坏，其原因复杂多样， 其中很重要的一个因素就是忽视了计算参数的不确定性。 3 ) 系统辨识法和人工神经网络法 张奇华提出了一种边坡变形破坏的系统辨识方法。其主要思想是：在工程地 质区域，考虑变形破坏方式及相应的变形破坏特征、位移关系式，针对各种可能 的变形和破坏建立( 或调整优化已有的) 变形监测网，由监测资料计算得到变形 区域的空间位移向量，对比各种可能的变形破坏方式相应的变形特征和位移关系 式，从而辨识出实际发生的变形破坏方式、变形区域及变形演化成破坏的过程。 这种系统辨识方法，旨在探索将边坡的变形、破坏分析与监测网，监测数据有机 的结合起来，并定量化，主要针对在通常情况下( 无地震、暴雨、人工扰动) 的 变形、破坏。系统辨识识方法需要相应的变形监测网及监测资料的支持，而且变 形一破坏的演化过程中，变形区域，变形破坏方式不可能一成不变，监测点需要 及时补充，并注意系统辨识识方法的完善，随机应变。另外，该方法在工作时， 6 第一章绪论 会碰到一些不明确的情况，在确定变形区域，求取空间位移矢量时，给结论带来 不确定性。沿着系统辨识法的思路，近年来，人工神经网络开始应用于边坡工程 的稳定性分析评价。 4 ) 静力解析法 在工程实际中最常用的稳定性分析方法还是静力解析法，这种方法简单可行， 结果明确，但对危岩体破坏模式认识的区别导致了失稳判据的不同，判据中参数 的确定又与地勘资料的准确性密切相关。 此外，孙云志，陈明东，胡厚田、陈洪凯等人也分别根据自己的分类模式或 具体工程特点提出了静力失稳判据，这此判据大同小异，不外乎根据经典的理论 力学和材料力学平衡原理得出。 危岩、崩塌型地质灾害具有的高维性、复杂性、开放性以及动态性。因此， 从系统科学的观点来看，危岩、崩塌型灾害系统是一个动态复杂大系统。针对这 一复杂大系统的控制与管理，无论是采用经典的控制理论，还是采用传统的运筹 学技术，都将遇到困难。综上可见，目前在危岩、崩塌的稳定性评价研究方面总 体水平不高，尚未构建一套比较成熟的研究体系。随着山丘地区经济建设快速发 展的需求，尤其满足山区城镇、高速公路建设的需求，存在的危岩体必须治理， 而治理危岩必然要求研究水平与其相适应。目前，此方面研究的发展趋势及主要 研究内容主要围绕下述四个方面： ( 1 ) 危岩破坏模式方面的研究 ( 2 ) 关于危岩形成的卸荷扩展机理 ( 3 ) 关于荷载与荷载组合 ( 4 ) 关于稳定性计算方法 解析方法计算危岩体的稳定性，通常是在平面上进行静力分析得到，在合理 确定破坏模式和荷载影响后，应考虑到危岩体是块体而不是平面，其整体性和尺 寸效应应该在稳定性计算中得以反映，按照三维问题进行危岩稳定性计算，虽然 实施起来存在相当难度，但是由于实际需要而成为必然的发展方向。建立计算结 果的危岩稳定性评价标准也是迫切的。 在我国西南部山区公路，公路沿线的危岩造成的崩塌落石已经成为一种危害 比较严重的灾害，严重威胁公路及沿线的生命财产安全。由于其灾害的发生具有 突发性，破坏失稳具有突发性、至灾性和毁灭性等特点，因此对公路沿线可能造 成崩塌落石的危岩地区进行安全风险评价将是非常关键的一步。 目前在我国还没有进行过公路交通安全评价体系的系统研究，以及修订相关 的交通安全评价标准和规范，因此在危岩的风险评价更是个空白。目前在部分省 市丌展的安全评价工作主要是引进国外的一些方法或将现行标准、规范中涉及公 第一章绪论 7 路安全的指标加以引申。但是实际上，其安全评价不仅仅是检查是否符合标准， 而是应该评价该公路是否能为道路使用者提供安全的行车环境。目前国内在这方 面己作了一些研究工作，提出了根据地质情况、构造运动、降水、公路交通量、 平曲线半径路面等各种致灾因素来确定综合影响系数来评价其风险水平。但是由 于这一问题的复杂性，至今仍有许多问题尚未解决。 对高速公路沿线危岩引起的崩塌落石灾害的风险评价比较特殊，除了一般的 评价特点外，危岩路段的稳定性评价还应当针对公路带状工程的特点确定针对性 的稳定性评价方法，特别是面临大面积的崩塌、危岩区域，公路可能存在多种结 构形式，危岩、崩塌破坏对路基、桥梁、构筑物等的影响差异极大，如何评价以 上不同结构形式区域下的危岩、崩塌体的安全系数计算方法将是本项目研究应进 行研究的重点。在本文，应用现代科学理论，并采用综合分析的方法，将各学科 有机地结合起来，对危岩灾害风险进行评价，为以后决策的提供建议和方法方法。 如何评价以上不同结构形式区域下的危岩、崩塌体的安全系数计算方法将是本项 目研究应进行研究的重点。在本文，应用现代科学理论，并采用综合分析的方法， 将各学科有机地结合起来，对危岩灾害风险进行评价，为以后决策的提供建议和 方法方法。 通常的国内对危岩、崩塌地质灾害的稳定性研究大致可分为三个阶段。七十 年代以前为定性分析阶段，主要停留在危岩、崩塌等危岩地质灾害的识别与定性 描述方面。七十年代到八十年代初为第二阶段，人们的认识已经由感性上升到理 性阶段，以危岩、崩塌形成机制分类研究其主要特点，广泛开展物理模拟与数值 模拟，再现重大斜坡地质灾害的变形破坏过程与机制。这一研究工作至今仍是危 岩产生崩塌落石灾害研究的重点；八十年代以来，随着计算机技术的发展，斜坡 ( 边坡) 数值模拟得以实现，已经成为危岩、崩塌研究的发展趋势。 我国灾害系统也主要是在地质灾害方面的应用，目前我国已经开发了基于g i s 的地质灾害区域评价与危险性区划系统，该系统已经对长江三峡库区新滩一巴东 段地质灾害危险性成功的进行了区划，防止了重大地质灾害的发生。 姜云、王兰生( 1 9 9 8 ) 在山区城市地面岩体稳定性管理与控制中运用g i s ，以重 庆市为典型研究对象，在对城市地面岩体变形破坏形成机制系统研究的基础上， 以i d r i s i 系统为工具，对地面岩体变形进行了时间、空间预测预报。同时通过分 析城市地质环境对土质工程利用的制约关系，对各种土地利用类型的土地能力作 了定量的分析与评价。运用g i s 的信息存储、查询、空间叠加运算及d e m 模型等 功能，得到土地能力的定量分级、斜坡稳定性综合评价分区图。 中国地质科学院水文地质工程研究所在国家“八五期问完成专题研究“京 津唐地质灾害预测防治计算机辅助决策系统”。该系统由信息资源数据库、图形图 8 第一章绪论 像辅助分析、模型预测、经济评价和防治决策分析专家系统等五个子系统构成， 总体结构采用了“四库一体的设计思想，即以地质灾害的预测和防治为目标， 将相关的数据库、图形库、模型库和知识库融为一个有机整体，从而实现了数据 加模型的定量计算与知识加推理的定性分析相互结合、相互渗透，实现了地理信 息系统技术与智能决策支持系统的结合，使该系统不仅具有定量计算与定性分析 的能力，而且具有更加丰富、形象化的空间分析能力。 雷明堂、蒋小珍等( 1 9 9 8 ，2 0 0 1 ) 在岩溶塌陷评价中运用g i s 技术，根据塌陷影 响因素( 如岩溶化程度、断裂分布、上层厚度、水动力条件及已有塌陷分布) ，利 用g i s 的距离分析、标量分析、网络叠加分析和分级分组分析等，完成研究区塌 陷危险性评价与分区。 重庆交通科研院开发的“昆石高速公路边坡稳定评价系统”在公路边坡灾害 防治中取得了良好的效果，该系统具有功能较齐全、性能优良的矢量空间分析、 d t m 分析、图像分析功能，拓扑空间查询功能，边坡宏观稳定评价功能，公路边坡 稳定性分级功能，工点边坡稳定计算功能，边坡加固治理功能，不仅能够对公路 单点边坡的稳定性作出评价，还能对区域宏观的稳定性作出评价，以及具体的治 理措施。 综上所述，国外尤其发达国家将g i s 应用于地质灾害研究起步较早，研究程 度己远远超过我们，此方面的应用也随着g i s 技术的自身发展而深入。我国只能 适合国情，利用现有的技术、有限的人力、财力，探索出一条适合我国国情和地 质地理特色的g i s 技术进行地质灾害评价的技术路线和方法体系6 1 。 1 2 3gis 在边坡工程中的应用 g i s 在边坡中的应用开始于2 0 世纪7 0 年代后期，8 0 年代后，特别是进入9 0 年代以来其应用日趋广泛，目前g i s 在斜坡灾害研究中的应用主要在以下四方面。 1 ) 边坡信息管理 边坡信息管理是指利用g i s 强大的资料存储、维护、更新、查询、检索以及 图形形式进行的可视化查询和显示功能空间数据库功能，将以图形形式保存 的地图和表格资料通过数字化处理进入数据化处理进入数据库管理系统，并以一 定的时间和空间序列组织这些资料。在此基础上进行历史滑坡的条件查询、滑坡 发生的时间和空间规律的分析。1 9 9 2 年，美国的k e r n e j a m e s - m 建立研究了高速公 路边坡数据库，美国联邦地质调查局b i s s - n o r m a n - b 等在1 9 9 8 年建立了基于g i s 的斜坡地质信息数据库、v a nd e r h u r s t 研究了工程地质灾害数据库、我田的戴福 初等于1 9 9 9 年建立了香港地区1 9 8 4 - 1 9 9 5 年历史滑坡空问数据库。 2 ) 滑坡与动、静态环境因素相关分析 通过对滑坡空间分布及其环境背景数据的g i s 图层操作，获得滑坡与影响因 第一章绪论 9 素综合数据库，在此基础上利用g i s 的统计分析功能对数据库属性项进行统计分 析，可获得滑坡发生频率与各影响因子的统计图，进而可据此对此易滑地质环境 条件进行综合分析。如l a r s e n 和t o r r e s s a n c h e s ( 1 9 9 8 ) 对p u e r t or i c o 的典型 区域以航片为滑坡数据源，以g i s 为工具，对滑坡发生频率与环境背景因素进行 了统计；g a o j a y ( 1 9 9 2 ) 采用航片为数据源，将解译的滑坡数据库与地形数据库进 行叠加分析；戴福初等( 2 0 0 0 ) 对香港大屿山的易滑地形条件进行了统计分析。 3 ) 滑坡灾害空间预测系统 斜坡稳定性空间评价预测难度较大，从某种意义上讲，边坡稳定性的空间预 测问题比时间预测问题更为复杂和难以解决。国内外滑坡灾害研究者已提出和使 用了许多斜坡稳定性评价预测方法，如逻辑信息量法、综合信息量法、模糊综合 评判法、聚类分析法等等，尽管取得了一些研究成果，但研究成果可操作性、实 用性欠佳，基本上没有可视化、图文一体化效果、也缺乏系统性，目前国内外滑 坡研究者致力于滑坡理论、方法和治理研究的同时，更注意基于高技术的g i s 之 上的滑坡灾害空间预测的系统化研究，将传统的预测方法与g i s 技术相结合，来 进行滑坡空间预测。 4 ) 斜坡灾害预警系统 主要根据斜坡预测评价结果，包括空间及时间预测结果，借助计算机网络系 统发布灾害预警。该方面的研究目前刚刚启动，还有待于进一步发展。 1 3 本文的研究内容、方法及框架 1 3 1 本文的研究内容 本文以水麻高速公路沿线可能造成崩塌、落石灾害的危岩为研究对象，研究 危岩对水麻路的危险性及在此基础上开发危岩危险性评价系统，其研究内容如下： 1 ) 危岩风险评价研究：对危岩的风险评价进行系统的研究，并确立危岩的评 价指标。 2 ) 水麻路危岩危险性评价：通过研究危岩风险评价基本理论与概念，以及危 险性评价指标体系的建立。针对水麻路沿线危岩带，进行灾害的风险评价，并对 其进行分级评定。 3 ) 开发危岩危险性评价系统：在上述评价理论的基础上，利用g i s 平台建立 评价系统，最终以水麻路为实例进行评价。 1 3 2 本文的技术路线 1 ) 对水麻路危岩进行宏观稳定性评价。 2 ) 对水麻路危岩进行易损性评价。 3 ) 运用概率论的知识建立模型对水麻路危岩进行其危险性评价分析。 1 0第一章绪论 4 ) 运用v i s u a l b a s i c 对该评价分析模型程序化，并用r o c k f a l l 进行其验证。 其技术路线图如下： 图1 2 技术路线图 f i 9 1 2t e c h n o l o g yr o u t i n e 1 3 3 本文研究成果 通过本文的研究主要得到以下成果： 1 ) 针对水麻路危岩的特点，将危岩划分为三种类型，即坠落式、滑踏式和滚 落式，并针对每种类型独立的提出了水麻路危险性评价模型。对其它类似的地质 灾害提供了一种评价思路，具有一定的参考价值。 2 ) 针对水麻路危险性评价模型进行了相应的程序开发，经过r o c k f a ll 软件 模拟验证，基本符合实际情况。 3 ) 运用水麻路危险性评价程序对水麻路沿线8 2 个危岩带进行了风险性评价， 结果显示较严重危险段以上占全部的7 3 2 ，表明水麻路危岩带急需采取一定的防 治措施，保证水麻路的运营安全。 第二章公路危岩宏观稳定性评价分析 1 1 第二章公路危岩宏观稳定性评价分析 2 1 宏观危岩稳定性评价的数学模型 边坡稳定性宏观评价是一种包含统计、类比思想的分析方法，由于它以定性 描述和分析为主，因而应用起来或多或少存在随意性和不确定性，难以建立统一 的评判准则、标准。近年来，一些不确定性数学方法( 如模糊数学、灰色理论等) 不断引入工程地质研究中，工程地质量化评价方法应用而生。 边坡稳定性宏观评价的基本思路是：分析众多的研究得比较清楚的或已经被 验证过的地质体对象的工程条件；建立工程地质概念模型，获得同类对象发生、 发展的知识和经验；把对象的工程条件与已研究过的对象作对比，选择一条最相 近的经验用到新对象的评价中去。从数学角度看，边坡宏观稳定性评价因素常常 表现为两种不同性质的的变量，即定性变量和定量变量。如何既利用定量变量， 又利用定性变量，全面地发现规律，建立量化评价关系式，是工程量化评价的关 键性技术问题之一。解决该问题的思路是：设法按某一合理的原则，将定性因素 变为定量变量，并以得到的定量数据为基础，建模计算。 目前用于边坡宏观稳定性评价的主要数学模型有如下几种逻辑信息法、判别 分析法、信息量法、模糊综合评判法、专家评分法、综合评价法、变形破坏指数 法、危险概率分析法和模糊可靠度分析法等。通过对这些方法的适用条件、可操 作性、数据的可获取性、分析结果的可靠性等多方面的综合比较分析，选定了层 次模糊综合评价方法作为本次研究的基本数学模型。 2 2 评价的指标体系 在确定了采用的数学模型之后，能否取得良好的预测效果取决于对研究区已 有的边坡及其稳定性情况的详细分析，提取出恰当的评价因子，并且确定合适的 量化方法。 2 2 1 指标体系选取原则和步骤 任何评价预测模型都是建立在一定评价因素集上的，这个评价因素集就是这 里所指的指标体系。对于地质环境这样一个复杂系统，它既包含有自然地质条件 因素，又包含有社会属性的人类活动因素，不仅因素之问的相互关系极为复杂， 而且，因素的量化也很困难。对这样套具有很强不确定性的因素体系，只有通 过深入分析，从复杂的因素交错关系中，抓住问题的实质，提出代表性的指标， 建立指标体系及其量化标准，才可能实现定量评价与预测。 指标体系的合理性将在很大程度上直接影响到评价预测结果。基于传统工程 地质的评价预测工作，往往在指标评价的确定上带有很大的人为性、主观性，指 1 2 第二章公路危岩宏观稳定性评价分析 标的提取不规范，可操作性差，不易推广，这都是本论文力图解决的。 评价指标体系是由若干单项评价指标( 因素) 组成的有机整体，它应反映公 路开挖边坡稳定性宏观评价和要求，而且要全面、合理、科学和实用，并能为有 关人员和部门所接受。一般来说，评价指标体系的选择须遵循如下四条原则：系 统性和普适性原则、规范性和可比性原则、阶段性和精度适应性原则简明性以及 可操作性原则。 建立危岩稳定性评价指标体系。可按照以下步骤进行： 明确评价目标 这是评价工作的根本性指导方针，它在一定程度上确定了评价指标体系及其 评价方法，也确定了评价项目，即总评价目标下的子评价目标。评价项目既要能 够全面地反映评价目的。又具有一定概括性和专一性，能够反映系统某一方面的 特征。 危岩稳定性综合评价的评价目标为危岩灾害性，评价项目包括：地质特征、 地形地貌指标、岩壁的变形破坏特征以及影响因素等。 明确评价指标集 在研究区调查研究的基础上，分析危岩稳定性的控制因素。得到评价指标集。 此时，指标间的结构并未正确地表达出来，因此必须进行进一步的分析确定指标 间的相互关系。即确定指标体系的结构。 制定评价标准 危岩其灾害性是一个受多个因素影响和控制的复杂系统其分析必须是在定 性分析指导下，结合定量分析进行评价。评价标准是评价项目对应评价目标的量 化标准。是联系评价项目与评价目标的“桥梁”，它对评价项目起约束作用。使其 符合评价目标的要求制定危岩稳定性评价标准应满足科学性、准确性和适用性 原则，这也是评价结果能达到准确合理的关键。 2 2 2 评价指标的确定 根据以上原则，并参考前人的研究成果，确定本论文的研究采用的评价指标 如下： 坡度 地形坡度对危岩的稳定性起着明显的控制作用，坡度的不同，在很大程度上 确定了危岩对构造物的破坏程度。因为坡度的变化会使应力分布发生变化。随着 边坡变陡，张应力值和其分布范围随之加大，坡脚最大剪应力值随之加大。崩塌数 与坡度呈泊松分布，一般崩塌坡度在3 5 5 5 。最容易发生的坡度为3 5 5 0 。，超 过反而不易发生崩塌。 坡高 第二章公路危岩宏观稳定性评价分析 1 3 对于一个边坡而言，对其进行稳定性评价时，坡高是重点考虑的因素之一。 尽管边坡高度的变化不改变应力等值线的图像( 对均匀、弹性介质) ，但其数值均 随坡高增加而呈线性增大。同时坡面因垂直冲蚀或挖方而增加坡高将增强侧方应 力的解压而导致坡面岩石的松动与平行于坡面裂隙的形成，增加径流水的穿透机 会，不利于坡面之稳定。 工程地质岩性 作为边坡的物质组成，岩土体的性质对边坡的稳定性必然有很大的控制作用。 在收集基础地质资料的时候，获得的往往是地质图，即：地质意义上的岩性，而 非工程意义上的岩土体类型。因此，在进行评价预测之前还要将之转化为符合工 程需要的工程岩土类型，在这个过程中，出来考虑岩土体的类型、物理力学性质 外，还要适当结合岩土体的结构特征。 岩组类型 岩组类型是指在层状岩体组成的边坡中，有边坡坡面、岩层产状、公路走向 三者之间特定的组合方式决定的边坡形态，对于均质坡或是土坡，则不存在边坡 结构的概念。 边坡结构类型对边坡的稳定性也起着很重要的控制作用。大量的野外边坡调 查资料表明，在公路两侧，边坡结构类型不同，边坡变形发展直至最终破坏，其 形式是截然不同的。 软弱地层状况 软弱地层的存在，不仅是因为其工程岩性软弱而影响边坡的稳定性，更重要 的是其常常作为控制性滑面而直接降低边坡的稳定性，特别是软弱层在一定的地 下水作用条件下，可能饱水软化形成软弱夹层，极大地降低边坡的稳定性。 当软弱地层较厚，并平缓的出露于坡底形成软弱基座时，则还将控制着边坡 的变形破坏模式。如：因软弱基座的压缩、蠕变导致坡体后援产生拉裂缝，并随 着变形的进一步发展，最终形成统一的滑动面，导致边坡的破坏。 构造影响程度 构造对边坡的稳定性也有一定程度上的影响，。断层的存在，主要是断层带及 其附近一定范围内的岩土体将遭到破坏，从而降低坡体的完整程度，同时作为重 要的地下水通道，对边坡的变形和破坏带来不可避免的不利影响。 由褶皱引起的大范围的岩层产状的变化己经在边坡结构中得到体现。因而考 虑其对边坡结构类型的影响也主要是鉴于其对岩土体完整性的破坏和为地下水提 供了运营通道。 已有动力地质现象 已有动力地质现象主要是指已经发生了的崩塌、滑坡等地质灾害。在进行边 1 4 第二章公路危岩宏观稳定性评价分析 坡稳定性宏观稳定性评价的时候，要考虑已经发生的地质灾害。这是因为地质灾 害往往具有群发性、灾害链等特点，在已经发生了灾害的局部区域及其附近往往 就很可能产生新的灾害或者转化为其它类型的地质灾害。 河流地质作用 这主要是针对沿河公路而言的。河流地质作用主要是指河流对岸破坡脚的冲 刷掏蚀作用。