跨江橋梁項(xiàng)目環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)概率計(jì)算及影響因素分析

宋 丹，楊肅博，譚 馳，龔 立，李 靈

(1.重慶市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，重慶 401147;2.重慶忠慶環(huán)境工程咨詢服務(wù)有限公司，重慶 400016;3.四川省環(huán)境工程評(píng)估中心，成都 610041)

交通項(xiàng)目中的橋梁工程特別是跨大江、大河橋梁在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)方面具有其專有的特點(diǎn)?？绾訕蛄汗こ踢\(yùn)營(yíng)期存在的風(fēng)險(xiǎn)主要表現(xiàn)在工程投運(yùn)后，運(yùn)輸有毒有害及易燃易爆等危險(xiǎn)物品的車輛因交通事故或違反危險(xiǎn)品運(yùn)輸?shù)挠嘘P(guān)規(guī)定，運(yùn)輸途中發(fā)生交通事故，造成有毒有害品泄漏或是有毒有害物品運(yùn)輸車輛墜落入江中，產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境以及飲用水水質(zhì)污染問題。因此，在環(huán)境影響評(píng)價(jià)中，對(duì)跨河橋梁發(fā)生環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的概率進(jìn)行合理的分析就顯得尤為重要［1，2］。

本文選擇以重慶主城區(qū)某跨江橋梁為例，綜合考慮區(qū)域交通事故統(tǒng)計(jì)、事故影響因素、橋梁限制條件等方面，對(duì)跨河橋梁的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)概率進(jìn)行分析，以尋求得到切實(shí)可行的計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)概率的方法［3］。

1 可信風(fēng)險(xiǎn)事故類型

跨江橋梁項(xiàng)目存在的可信風(fēng)險(xiǎn)事故主要是危險(xiǎn)品運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)，包括以下兩方面:

(1)危險(xiǎn)品運(yùn)輸車輛在橋面發(fā)生事故，造成運(yùn)輸?shù)奈ｋU(xiǎn)品外泄、外溢、噴發(fā)等，進(jìn)而使危化品進(jìn)入水體，可能造成的水體污染;

(2)危險(xiǎn)品運(yùn)輸車輛失控沖入水體或是經(jīng)欄桿攔截后發(fā)生罐、車分離，危險(xiǎn)品罐墜入江中，造成水質(zhì)污染［3，4］。

2 重慶市交通事故資料統(tǒng)計(jì)

2.1 重慶市交通事故統(tǒng)計(jì)

根據(jù)重慶市政府公布的歷年道路交通事故情況盤點(diǎn)以及重慶市年鑒中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，全市2004年～2011年發(fā)生交通事故統(tǒng)計(jì)見表1。

從表1 中可看出，重慶市交通事故量隨著年份的增加呈現(xiàn)出先升高后降低趨勢(shì)，1999年～2003年之間，由于車輛的陡增以及城市交通體系處于逐步完善過程，造成了交通事故逐年增加;而2003年后，隨著城市交通管理水平、道路安全保障措施以及駕駛員自身素質(zhì)的提高，交通事故量在而后的幾年內(nèi)出現(xiàn)了明顯下降，直至2009年～2011年，交通事故開始進(jìn)入了一個(gè)較為緩和的下降過程。由此可以推斷未來的年份，重慶市交通事故量將處于一個(gè)平穩(wěn)期。

表1 重慶市歷年交通事故統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistic for traffic accidents in Chongqing over the years

因此，將2009年～2011年之間的交通事故統(tǒng)計(jì)平均值作為評(píng)價(jià)依據(jù)具有較好的代表性和有效性。

2.2 區(qū)域交通事故比例

按照重慶市歷年交通事故組成以及全市公路工作會(huì)議統(tǒng)計(jì)信息結(jié)果，主城區(qū)范圍內(nèi)與城鄉(xiāng)結(jié)合處、遠(yuǎn)郊地區(qū)發(fā)生交通事故的比例見表2。結(jié)合統(tǒng)計(jì)結(jié)果，主城區(qū)范圍事故比例逐年增加，接近占總事故量的50%，評(píng)價(jià)可以此作為事故統(tǒng)計(jì)比例。

表2 區(qū)域交通事故比例統(tǒng)計(jì)Tab.2 Proportion statistic for tracffic accidents in different area

2.3 通車?yán)锍探y(tǒng)計(jì)

根據(jù)重慶市統(tǒng)計(jì)年鑒，重慶市歷年通車?yán)锍探y(tǒng)計(jì)見表3。按照區(qū)域進(jìn)行通車?yán)锍探y(tǒng)計(jì)見表4。

表3 重慶市歷年通車?yán)锍探y(tǒng)計(jì)Tab.3 The analysis for the traffic accidents

表4 2011年分區(qū)通車?yán)锍探y(tǒng)計(jì)Tab.4 Statistic for mileage open to traffic in different subregions in 2011

3 區(qū)域交通事故概率及影響因素分析

3.1 單位里程交通事故概率

本次評(píng)價(jià)項(xiàng)目位于重慶市主城區(qū)，選取2011年作為評(píng)價(jià)基準(zhǔn)年，則按照主城區(qū)域交通事故統(tǒng)計(jì)比例計(jì)算得出評(píng)價(jià)基準(zhǔn)年主城區(qū)交通事故為2865次;然后依據(jù)主城區(qū)都市發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)圈交通里程統(tǒng)計(jì)(9379km)來計(jì)算擬建大橋所處區(qū)域平均交通事故概率為0.3054 次/km·a。

3.2 項(xiàng)目區(qū)域交通事故因素

為了更準(zhǔn)確預(yù)測(cè)擬建項(xiàng)目區(qū)域事故概率，針對(duì)本項(xiàng)目路段可能涉及的引發(fā)事故特征，本評(píng)價(jià)依據(jù)交通部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以及重慶歷年 (2000年～2011年)道路交通事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行交通事故關(guān)鍵影響因素及特征分類統(tǒng)計(jì)［5］，具體結(jié)果如表5。

表5 交通事故發(fā)生特征分析Tab.5 The analysis for the traffic accidents

4 評(píng)價(jià)項(xiàng)目大橋可信事故概率計(jì)算

鑒于項(xiàng)目所處區(qū)域的環(huán)境敏感程度，為了突出擬建項(xiàng)目擬采取的風(fēng)險(xiǎn)防范措施對(duì)降低事故發(fā)生概率的作用，本文分別從未采取防范措施、采取設(shè)計(jì)措施后以及采取評(píng)價(jià)建議補(bǔ)救措施后的可信事故概率3 種情況進(jìn)行概率分析計(jì)算。

4.1 未考慮防護(hù)措施可信事故概率計(jì)算

(1)概率估算公式

本次研究將常用交通項(xiàng)目事故概率計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了限制因素優(yōu)化，針對(duì)跨江大橋項(xiàng)目特有的風(fēng)險(xiǎn)特征增加了部分影響參數(shù)，來預(yù)測(cè)項(xiàng)目發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)事故的概率，具體公式如下［6］:

式中:

P :預(yù)測(cè)危險(xiǎn)品發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)事故的概率，次/年;

Q0:項(xiàng)目區(qū)域交通事故概率，次/年;

Q1:貨車占整個(gè)交通量的比例，%;

Q2:運(yùn)輸危險(xiǎn)品占貨運(yùn)量比例，%;

Q3:路線特征占事故總數(shù)比例，%;

Q4:事故發(fā)生區(qū)域(路側(cè)事故)占事故總量比例，%;

Q5:事故形態(tài)(翻車)占事故總量比例，%;

Q6:事故形態(tài) (出橋面、墜落)占事故比例，%;

Q7:事故形態(tài)下發(fā)生泄漏的概率，%;

Q8:預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)年交通量與現(xiàn)有統(tǒng)計(jì)交通量比例，%。

(2)影響參數(shù)取值

根據(jù)擬建項(xiàng)目實(shí)際情況分別對(duì)經(jīng)驗(yàn)公式中影響參數(shù)進(jìn)行取值分析。具體取值及依據(jù)見表6。

表6 影響參數(shù)取值(未采取措施)Tab.6 The values for the Impact parameters (without measures)

(3)概率計(jì)算結(jié)果

在不考慮采取防范措施的情況下，概率預(yù)測(cè)計(jì)算結(jié)果為:評(píng)價(jià)年發(fā)生危險(xiǎn)品運(yùn)輸車輛影響墜橋而影響飲用水水源的事故概率約為0.000000529 (即5.29 ×10-7)次/年。

評(píng)價(jià)參考《危險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法及應(yīng)用》中各種風(fēng)險(xiǎn)水平及其可接受程度，由于跨江河流可能存在影響下游飲用水水源等敏感因素，因此本研究對(duì)事故的可接受概率選取為低于最高級(jí)別標(biāo)準(zhǔn)(10-6/a)，即為10-7/a。因此，可以看出，在未采取措施的情況下，擬建項(xiàng)目發(fā)生危險(xiǎn)品進(jìn)入水體影響飲用水安全的概率高于可接受水平。

4.2 考慮采取設(shè)計(jì)措施后可信事故概率計(jì)算

(1)概率估算公式

同樣采用上述經(jīng)驗(yàn)公式來預(yù)測(cè)發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)事故的概率:

式中:Q0～Q8同式(1);

Q9:橋面防撞欄以及人行道加強(qiáng)欄桿對(duì)事故的降低比例。

(2)影響參數(shù)取值

擬建大橋在橋面兩側(cè)布置0.7m 高加強(qiáng)組合式防撞欄以及人行道加強(qiáng)欄桿，設(shè)計(jì)負(fù)荷滿足《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》 (JTG D81 -2006)中規(guī)定的SB 級(jí)防撞等級(jí)。本評(píng)價(jià)針對(duì)設(shè)計(jì)擬采取的防范措施后的影響參數(shù)(Q8、Q9)進(jìn)行分析。

①危險(xiǎn)品車翻越防撞欄桿概率分析(Q8)

車輛與護(hù)攔理想的碰撞和防護(hù)發(fā)生在車輛重心高度及前保險(xiǎn)杠高度與護(hù)欄梁的高度相當(dāng)?shù)那樾蜗?，否則容易發(fā)生兩種情況:車輛鉆入護(hù)欄橫梁下面或者車輛從護(hù)欄橫梁上翻越。

本次研究主要對(duì)避免車輛翻越情況下防護(hù)欄桿最低高度進(jìn)行校核計(jì)算。

A:碰撞條件統(tǒng)計(jì)

車輛類型及噸位:考慮擬建項(xiàng)目區(qū)域可能存在的危險(xiǎn)品運(yùn)輸類型，參考國(guó)內(nèi)公路車輛碰撞欄桿事故調(diào)查結(jié)果，同時(shí)依據(jù)重慶市?；愤\(yùn)輸車輛登記標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)選取18t 貨車為碰撞參考車型。

碰撞角度:車輛與護(hù)攔的碰撞角度服從正態(tài)分布，85%保證率的碰撞角度為20.3°，因此，本評(píng)價(jià)選取初時(shí)碰撞角度為20°。

初始速度:擬建項(xiàng)目設(shè)計(jì)車速為60km/h，考慮到事故多發(fā)生在超速行使的狀態(tài)，本次選取初始碰撞速度為80km/h。

B:碰撞事故翻越計(jì)算及汽車質(zhì)心高度核準(zhǔn)［8］

本評(píng)價(jià)利用能量守恒定理，假設(shè)汽車撞擊護(hù)攔后，垂直于護(hù)攔的速度帶來的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為翻越欄桿的勢(shì)能。

如圖1、圖2 所示，車輛與護(hù)欄接觸后向護(hù)欄靠攏且與護(hù)攔平行，然后在前進(jìn)的同時(shí)繞O 點(diǎn)發(fā)生橫向轉(zhuǎn)動(dòng)。

設(shè)車輛平行于護(hù)欄時(shí)的橫向速度為V0sinθ，在Δt 時(shí)間后，車輛相對(duì)于O 點(diǎn)的角速度為ω，橫向速度為V，則ω·h=V，其中θ 為汽車初始駛?cè)肱鲎步嵌?，h 為車輛質(zhì)心距護(hù)欄頂端的垂直距離［9，10］。

圖2 汽車碰撞平面示意圖Fig.2 The schematic diagram of plane for the car crash

根據(jù)動(dòng)量定理和動(dòng)量矩定理:

其中J 為汽車的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，可求出車體的橫向速度:

根據(jù)上式可以得到車輛動(dòng)能為:

碰撞過程中最不利的情況為質(zhì)心越過O 點(diǎn)上方從而導(dǎo)致車體傾覆，該極限情況就是碰撞初始動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為汽車的勢(shì)能，使得汽車質(zhì)心恰好轉(zhuǎn)至O 點(diǎn)上方，此時(shí)車體的動(dòng)能為0。因此，根據(jù)功能原理:

依據(jù)上式可以求出h 的極大值，最后根據(jù)車體的質(zhì)心高度可以求出護(hù)欄高度。

根據(jù)前述設(shè)計(jì)條件:速度80km/h，質(zhì)心高度為H 的18t 位貨車與防護(hù)欄發(fā)生初始角20°的碰撞時(shí)，計(jì)算得h=0.66m。擬建項(xiàng)目采用的《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD81 -2006)》的F 型護(hù)欄，不考慮汽車碰撞時(shí)爬高，因此，可得護(hù)欄高度應(yīng)為H-0.66。

擬建項(xiàng)目擬采取的護(hù)攔高度為0.7m，則可推得汽車的質(zhì)心高度為1.36m。考慮到汽車初始碰撞速度相對(duì)保守，可以認(rèn)為在防護(hù)欄高度為0.7m 的情況下，可以有效地避免質(zhì)心高度為1.4m 的貨車碰撞過程發(fā)生翻越事故。

C:欄桿碰撞強(qiáng)度計(jì)算

考慮到項(xiàng)目所在區(qū)域可能造成二次污染重大事故，擬建項(xiàng)目護(hù)攔防撞等級(jí)為SB 級(jí)別。根據(jù)SB級(jí)別碰撞強(qiáng)度試驗(yàn)條件，我國(guó)對(duì)護(hù)攔的防撞力進(jìn)行了實(shí)測(cè)與計(jì)算比較，具體見表7。

表7 防護(hù)欄碰撞力比較Tab.7 The collision force comparison of the fence

從表7 中可看出，擬建項(xiàng)目采取的SB 防撞級(jí)別可以抵擋20t 貨車、80km/h 的撞擊強(qiáng)度。由此可看出，在嚴(yán)格按照《公路交通安全設(shè)施施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F71 -2006)》施工的情況下，基本不會(huì)發(fā)生車輛沖破護(hù)攔的事故。

②人行道欄桿攔罐體截概率

根據(jù)《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD81-2006)》中規(guī)定，設(shè)置人行道的橋梁道路，可以不考慮車輛掉下的可能性。

但是為了預(yù)防車輛碰撞行人以及非機(jī)動(dòng)車事故增加的危險(xiǎn)，特別是避免危險(xiǎn)品運(yùn)輸車輛在被路側(cè)防撞欄桿攔擋后發(fā)生罐、車分離的情況下可能造成的罐體墜橋事故，擬建項(xiàng)目利用高度差將機(jī)動(dòng)車道和人行道在平面上有機(jī)分開，同時(shí)在人行道外側(cè)設(shè)置了人行道加強(qiáng)欄桿，形成雙排橋梁護(hù)攔的方式，保證了防撞強(qiáng)度以及防墜落要求。

(3)影響參數(shù)的取值

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果及防范措施，影響參數(shù)具體取值及依據(jù)見表8。

表8 影響參數(shù)取值(設(shè)計(jì)采用措施)Tab.8 The values for the impact parameters(design measures)

(4)采取設(shè)計(jì)擬采用措施后概率計(jì)算

在采取設(shè)計(jì)擬采用措施以后，發(fā)生危險(xiǎn)品運(yùn)輸車輛影響墜橋影響飲用水水源的事故概率為0.000000159 (即1.19 ×10-7)次/a，和可接受概率為10-7的可接受水平仍有一定的差距

4.3 采取補(bǔ)充措施后可信事故概率計(jì)算

(1)概率估算公式

采用常用經(jīng)驗(yàn)公式來預(yù)測(cè)發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)事故的概率:

式中:Q0～Q9同式(2);

Q10:橋面防撞欄升高至0.8m 對(duì)事故的降低比例;

Q11:全路段?；方?。

(2)影響參數(shù)的取值

影響參數(shù)具體取值及依據(jù)見表9。

表9 影響參數(shù)取值(采用補(bǔ)充措施)Tab.9 The values for the impact parameters(taking the complementary measures)

(3)采取評(píng)價(jià)補(bǔ)充措施后概率計(jì)算

在采取評(píng)價(jià)補(bǔ)充措施以后，發(fā)生危險(xiǎn)品運(yùn)輸車輛影響墜橋及影響飲用水水源的事故概率為0.0000000135 (即0.135 ×10-7)次/a，低于了本次研究確定可接受概率10-7的標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

(1)跨江大橋項(xiàng)目對(duì)項(xiàng)目區(qū)域水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生的最大可信事故是危化品在跨越水體時(shí)發(fā)生事故進(jìn)而產(chǎn)生側(cè)翻、墜河、泄露等引起的對(duì)水環(huán)境的影響，應(yīng)該對(duì)目前采用的風(fēng)險(xiǎn)概率計(jì)算模型中的限制因素進(jìn)行修正，增加大橋項(xiàng)目特定的影響限制因素。

(2)通過對(duì)項(xiàng)目區(qū)域交通事故基礎(chǔ)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到了具有代表性的事故概率基數(shù)，在綜合考慮本次研究增加的各項(xiàng)限制因素的情況下計(jì)算出了大橋項(xiàng)目發(fā)生最大可信事故的概率。

(3)大橋項(xiàng)目除了應(yīng)嚴(yán)格落實(shí)設(shè)計(jì)采取的風(fēng)險(xiǎn)防范措施以外，更應(yīng)該從環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)角度采取更為嚴(yán)格地補(bǔ)充措施，以求使得可信事故概率達(dá)到可接受的水平。

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