公路水毁灾害识别技术研究
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摘要
论文以暴雨、洪水导致的公路水毁灾害为研究对象，依托西部交通建设科技项目“路基灾害防治技术推广及应用示范”等科研项目，结合“干线公路灾害防治工程试点”，从灾害类型、危险因子和危险程度等方面对公路水毁灾害风险识别技术进行了全面系统的研究。灾害识别是公路防灾减灾工作的前提和基础，公路水毁灾害识别技术的研究对于公路水毁灾害的预防、治理以及公路规划建设、养护管理具有重要意义。
针对公路工程的特殊性，通过现场调查、理论分析等，利用已有室内模型试验资料，在对公路水毁灾害类型及成因、识别原则方法等进行研究的基础上，提出从区域路网层面、路线层面和路段层面等3个层面进行公路水毁灾害识别，并建立了识别指标体系。研究得到以下主要成果：
（1）根据致灾因子、发生位置及破坏类型，将公路水毁类型划分为沿河公路水毁灾害（包括沟谷泥石流水毁、小桥及涵洞水毁、沿河公路及其冲刷防护建筑物水毁）和边坡水毁灾害（主要包括坡面侵蚀、坡面冲刷、边坡降雨失稳以及边坡排水沟渠系统和防护工程水毁）两大类。并着重研究了沿河公路水毁和边坡水毁灾害的类型、成因及影响因素。
（2）选择地表坡度、海拔高程、地表破碎程度以及岩土类型等要素，基于GIS编制了《地表形态指数图》、《中国公路岩石类型分布图》和《中国公路土类型分布图》，反映其区域差异性及对公路建设的影响，并用于公路水毁灾害区域风险识别。
（3）从区域、路线和路段等层面分析了灾害识别的必要性，总结归纳了灾害识别的原则、方法和技术手段；借鉴“中国公路水文区划”、“中国公路岩土区划”等研究基础，建立了公路水毁灾害区域识别方法，从宏观角度把握区域水毁灾害发育、分布特点；提出了由路基几何形态、内部结构面、岩土工程性质等3个要素构成的路基工程地质结构及路基灾害分析方法，从路线和路段角度研究水毁灾害成灾特点。
（4）对于沿河公路水毁灾害，综合考虑降雨、植被覆盖度、河网密度和沟谷比重(即沟谷面积占坡面面积比)等影响因素，形成河川径流强度指数，基于GIS编制了《中国沿河公路水毁区域识别图》，进行区域路网沿河公路水毁灾害的初判；提出了沿河公路、小桥涵和沟谷泥石流水毁易发地段的超前识别判据及路线危险性分段方法，实现了路线沿河公路水毁灾害的预判；建立了沿河公路水毁灾害危险度计算方法，完成路段层面沿河公路水毁灾害的详判。
（5）对于公路边坡水毁灾害，综合考虑降雨、地形坡度、岩土类型和植被覆盖度等影响因素构成坡面径流强度指数，基于GIS编制了《中国公路边坡水毁区域识别图》，进行区域路网公路边坡水毁灾害的初判；研究了公路边坡水毁灾害的易发地段识别方法及识别判据，为路线边坡水毁灾害的预判提供参考；根据公路边坡水毁灾害发育的阶段性，将崩塌、滑坡、坡面泥石流的发育阶段划分为早、中、晚3个链式阶段，由此建立了公路边坡水毁灾害危险度定量识别方法，从而实现了路段层面公路边坡水毁灾害的详判。
论文提出的灾害灾前识别方法简单实用，有助于实现公路水毁灾害预防和治理的主动性、超前性，并结合工程实例进行了应用、验证；初步开发的识别系统实现了公路水毁灾害识别的流程化和可视化，具有较好的可操作性和经济性。
This dissertation is supported by Application Research On Disaster Prevention AndMitigation In Highway Engineering, the foundation of project of transportation constructionin West China from Ministry of Transport of the People’s Republic of China. Combining withthe arterial highway disaster prevention pilot project, this dissertation mainly researches onthe risk identification technology for highway flood damage, which is caused by heavy rainsor floods. Hazard identification is to have a basic understanding of the activity level, damagecapacity and other characteristics of disaster risk sources. It is the basis for highway disasterprevention and mitigation. Therefore, the highway flood damage identification technology,from the aspects of disaster types, risk factors and degree of risk, has important engineeringsignificance for natural disaster prevention and treatment, as well as the construction,conservation and management of highway.
As for the highway engineering, through on-site investigations, theoretical analysis,using the existing indoor model test data, based on the study of the types, causes,identification principles and methods for highway flood damage, the idea of highway flooddamage identification from3levels such as the regional road network, the road line and theroad section, is proposed. And the identification index system is established.
The research mainly obtains the following results:
(1) Firstly, the highway flood damage is classified into two categories as: highwayflood disaster along rivers (including ravine debris flow, small bridges and culverts washout,highway along river and its erosion protection structures damaged by flood), and sloperainfall disaster (mainly including slope erosion, slope instability induced by rainfall as wellas drainage system and slope protection works damaged by runoff). Then, the types, causesand factors for highway flood disaster along river and slope rainfall disaster, are described.
(2) As for the actual situation of highway engineering, Surface Morphology Index Map,The Distribution Map of Highway Rock Types in China and The Distribution Map of HighwaySoil Types in China, which consider such factors as surface slope, altitude, the extent ofsurface fragmentation, as well as the rock and soil types, are compiled by using ArcGIS9.2, toreflect the regional distribution state and its impact on highway construction, and to be helpfulfor the preliminary identification of highway flood damage for regional road network.
(3) Risk identification is the basis of risk management. The necessity of identification isdiscussed from the perspective of regional network, road line and road section. The principles,related methods and procedures and technical means of disaster perception are put forward. And the theory basis of identifying flood damage contains: learning from the natural division
research, regional identification theory is proposed in order to grasp the regional distributionof flood damage from a macro point of view; the subgrade disaster analysis method based onsubgrade geotechnical structure, which consists of3elements such as the subgrade geometry,the internal structural planes and the geotechnical engineering properties, is presented, inorder to study disaster features from the perspective of the road lines and road sections.
(4) As for highway flood damage along rivers, first, according to streamflow intensityindex,“Region Identification Map of Highway Flood Damage along Rivers in China” iscompiled based on GIS, achieving the preliminary identification of highway flood damagealong rivers for regional road network; second, pre-disaster identification criteria for sectionsprone of flood damage like highway subgrade washout along rivers, small bridges andculverts flooding and ravine debris flow are proposed, besides the road hazard segmentationmethod, which realizes the road line pre-disaster identification of highway flood disaster;third, the hazard calculation method for road sections achieves the precise identification offlood disasters.
(5) For the slope rainfall disaster, first, according to slope runoff intensity index,“Region Identification Map of Highway Slope Rainfall Disaster in China” is compiled basedon GIS, realizing the preliminary identification of slope rainfall disaster for regional roadnetwork; second, pre-disaster identification criteria for sections prone of slope rainfall damageare proposed, which provides information for the road line pre-disaster identification ofhighway slope rainfall disaster; third, the highway slope chain reaction mechanism of disasterdevelopment is studied, dividing the development stage of collapse, landslide and slope debrisflow into3stages like early phase, mid-term and late period, on which highway slope rainfallhazard quantitative identification method is suggested, enabling the precise identification ofroad sections slope rainfall disaster.
The pre-disaster identification method of flood disasters proposed in this dissertation issimple and practical; and the identification software system developed makes the highwayflood damage identification programmed and visual, both with good maneuverability andeconomy, and undergoing engineering application and validation.
针对公路工程的特殊性，通过现场调查、理论分析等，利用已有室内模型试验资料，在对公路水毁灾害类型及成因、识别原则方法等进行研究的基础上，提出从区域路网层面、路线层面和路段层面等3个层面进行公路水毁灾害识别，并建立了识别指标体系。研究得到以下主要成果：
（1）根据致灾因子、发生位置及破坏类型，将公路水毁类型划分为沿河公路水毁灾害（包括沟谷泥石流水毁、小桥及涵洞水毁、沿河公路及其冲刷防护建筑物水毁）和边坡水毁灾害（主要包括坡面侵蚀、坡面冲刷、边坡降雨失稳以及边坡排水沟渠系统和防护工程水毁）两大类。并着重研究了沿河公路水毁和边坡水毁灾害的类型、成因及影响因素。
（2）选择地表坡度、海拔高程、地表破碎程度以及岩土类型等要素，基于GIS编制了《地表形态指数图》、《中国公路岩石类型分布图》和《中国公路土类型分布图》，反映其区域差异性及对公路建设的影响，并用于公路水毁灾害区域风险识别。
（3）从区域、路线和路段等层面分析了灾害识别的必要性，总结归纳了灾害识别的原则、方法和技术手段；借鉴“中国公路水文区划”、“中国公路岩土区划”等研究基础，建立了公路水毁灾害区域识别方法，从宏观角度把握区域水毁灾害发育、分布特点；提出了由路基几何形态、内部结构面、岩土工程性质等3个要素构成的路基工程地质结构及路基灾害分析方法，从路线和路段角度研究水毁灾害成灾特点。
（4）对于沿河公路水毁灾害，综合考虑降雨、植被覆盖度、河网密度和沟谷比重(即沟谷面积占坡面面积比)等影响因素，形成河川径流强度指数，基于GIS编制了《中国沿河公路水毁区域识别图》，进行区域路网沿河公路水毁灾害的初判；提出了沿河公路、小桥涵和沟谷泥石流水毁易发地段的超前识别判据及路线危险性分段方法，实现了路线沿河公路水毁灾害的预判；建立了沿河公路水毁灾害危险度计算方法，完成路段层面沿河公路水毁灾害的详判。
（5）对于公路边坡水毁灾害，综合考虑降雨、地形坡度、岩土类型和植被覆盖度等影响因素构成坡面径流强度指数，基于GIS编制了《中国公路边坡水毁区域识别图》，进行区域路网公路边坡水毁灾害的初判；研究了公路边坡水毁灾害的易发地段识别方法及识别判据，为路线边坡水毁灾害的预判提供参考；根据公路边坡水毁灾害发育的阶段性，将崩塌、滑坡、坡面泥石流的发育阶段划分为早、中、晚3个链式阶段，由此建立了公路边坡水毁灾害危险度定量识别方法，从而实现了路段层面公路边坡水毁灾害的详判。
论文提出的灾害灾前识别方法简单实用，有助于实现公路水毁灾害预防和治理的主动性、超前性，并结合工程实例进行了应用、验证；初步开发的识别系统实现了公路水毁灾害识别的流程化和可视化，具有较好的可操作性和经济性。
This dissertation is supported by Application Research On Disaster Prevention AndMitigation In Highway Engineering, the foundation of project of transportation constructionin West China from Ministry of Transport of the People’s Republic of China. Combining withthe arterial highway disaster prevention pilot project, this dissertation mainly researches onthe risk identification technology for highway flood damage, which is caused by heavy rainsor floods. Hazard identification is to have a basic understanding of the activity level, damagecapacity and other characteristics of disaster risk sources. It is the basis for highway disasterprevention and mitigation. Therefore, the highway flood damage identification technology,from the aspects of disaster types, risk factors and degree of risk, has important engineeringsignificance for natural disaster prevention and treatment, as well as the construction,conservation and management of highway.
As for the highway engineering, through on-site investigations, theoretical analysis,using the existing indoor model test data, based on the study of the types, causes,identification principles and methods for highway flood damage, the idea of highway flooddamage identification from3levels such as the regional road network, the road line and theroad section, is proposed. And the identification index system is established.
The research mainly obtains the following results:
(1) Firstly, the highway flood damage is classified into two categories as: highwayflood disaster along rivers (including ravine debris flow, small bridges and culverts washout,highway along river and its erosion protection structures damaged by flood), and sloperainfall disaster (mainly including slope erosion, slope instability induced by rainfall as wellas drainage system and slope protection works damaged by runoff). Then, the types, causesand factors for highway flood disaster along river and slope rainfall disaster, are described.
(2) As for the actual situation of highway engineering, Surface Morphology Index Map,The Distribution Map of Highway Rock Types in China and The Distribution Map of HighwaySoil Types in China, which consider such factors as surface slope, altitude, the extent ofsurface fragmentation, as well as the rock and soil types, are compiled by using ArcGIS9.2, toreflect the regional distribution state and its impact on highway construction, and to be helpfulfor the preliminary identification of highway flood damage for regional road network.
(3) Risk identification is the basis of risk management. The necessity of identification isdiscussed from the perspective of regional network, road line and road section. The principles,related methods and procedures and technical means of disaster perception are put forward. And the theory basis of identifying flood damage contains: learning from the natural division
research, regional identification theory is proposed in order to grasp the regional distributionof flood damage from a macro point of view; the subgrade disaster analysis method based onsubgrade geotechnical structure, which consists of3elements such as the subgrade geometry,the internal structural planes and the geotechnical engineering properties, is presented, inorder to study disaster features from the perspective of the road lines and road sections.
(4) As for highway flood damage along rivers, first, according to streamflow intensityindex,“Region Identification Map of Highway Flood Damage along Rivers in China” iscompiled based on GIS, achieving the preliminary identification of highway flood damagealong rivers for regional road network; second, pre-disaster identification criteria for sectionsprone of flood damage like highway subgrade washout along rivers, small bridges andculverts flooding and ravine debris flow are proposed, besides the road hazard segmentationmethod, which realizes the road line pre-disaster identification of highway flood disaster;third, the hazard calculation method for road sections achieves the precise identification offlood disasters.
(5) For the slope rainfall disaster, first, according to slope runoff intensity index,“Region Identification Map of Highway Slope Rainfall Disaster in China” is compiled basedon GIS, realizing the preliminary identification of slope rainfall disaster for regional roadnetwork; second, pre-disaster identification criteria for sections prone of slope rainfall damageare proposed, which provides information for the road line pre-disaster identification ofhighway slope rainfall disaster; third, the highway slope chain reaction mechanism of disasterdevelopment is studied, dividing the development stage of collapse, landslide and slope debrisflow into3stages like early phase, mid-term and late period, on which highway slope rainfallhazard quantitative identification method is suggested, enabling the precise identification ofroad sections slope rainfall disaster.
The pre-disaster identification method of flood disasters proposed in this dissertation issimple and practical; and the identification software system developed makes the highwayflood damage identification programmed and visual, both with good maneuverability andeconomy, and undergoing engineering application and validation.
引文
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