山區(qū)既有鐵路地質災害風險評估方法

魏少偉，雷大鵬，盧大瑋，顏志雄，張玉芳( 1．中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081; 2．高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京100081; ．西安鐵路局工務處，陜西西安　710054)

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山區(qū)既有鐵路地質災害風險評估方法

魏少偉1，2，雷大鵬3，盧大瑋3，顏志雄1，2，張玉芳1，2
( 1．中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081; 2．高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京100081; 3．西安鐵路局工務處，陜西西安710054)

摘要:提出一種針對山區(qū)鐵路既有線地質災害的風險評估方法。首先，對自然山體地質災害類型及嚴重程度進行調查分析，結合既有防護工程的適宜性及技術狀況評價，得出災害危險性概率等級;其次，依據地質災害發(fā)生后影響范圍及恢復通車快慢，得出災害事故損失等級;最后，由災害危險性概率與事故損失的乘積得到災害風險等級。

關鍵詞:鐵路地質災害風險評估損失等級危險性概率風險等級

1　概述

近年來，在地震、強降雨等極端氣候的多重影響下，山區(qū)鐵路沿線地質災害呈多發(fā)趨勢，成為鐵路防災減災工作亟需解決的重大難題。

山區(qū)鐵路沿線的地質災害，具有線長點多、災害類型豐富、基礎資料不完善、防治要求高等突出特點。要做到科學防治、主動防治，應首先建立科學合理的地質災害評估體系，這樣才能“有的放矢”、“對癥下藥”。

目前地質災害風險評估理論研究基本形成兩個研究方向:

1)以統(tǒng)計分析方法、地理工程技術方法、神經網絡分析法等定量評價為基礎，建立針對區(qū)域地質災害的定量風險評估方法［1-5］。數學方法若不能在詮釋鐵路沿線地質災害本身的發(fā)生、發(fā)展規(guī)律上獲得新知的話，勢必不太可能得出更好的危險性評價結果。

2)以可靠度理論為基礎，針對單點災害的定量風險評估方法［6］。該類方法不適宜鐵路沿線地質災害線長點多、基礎資料不完善等特點，僅適用于重點災害點的評估。

針對鐵路既有線地質災害特點，上述兩類方法均不適用，目前我國也尚未形成完整、統(tǒng)一的山區(qū)鐵路既有線地質災害風險評估方法。

基于鐵路沿線地質災害評估的現實需求，對西安、廣西、昆明、南寧等鐵路局地質災害評估現狀進行了調研，提出一種在既有防護工程的適宜性、技術狀況評價的基礎上，采用安全性評價與風險評價相結合的定性、定量地質災害綜合評估方法。

2地質災害風險評估流程

風險等級是根據災害發(fā)生的危險性概率和風險事故損失來綜合評級的。風險等級可表征為風險事故發(fā)生的概率和事故損失的乘積。地質災害評估流程見圖1。

圖1地質災害評估流程

3地質災害評價標準

地質災害評價標準包括:①地質災害類型;②擋護設施的適宜性評價;③擋護設施的技術狀況評價;④地質災害危險性概率評價;⑤地質災害事故損失評價;⑥地質災害風險等級;⑦防治等級。

3. 1地質災害類型

鐵路既有線地質災害類型分兩大類:邊坡病害與擋護結構病害(受地質災害影響)。

3. 1. 1邊坡病害

邊坡病害包括崩塌落石、風化剝落、滑坡、溜坍、泥石流、河流沖刷等。

3. 1. 2擋護結構病害

擋護結構病害從成因分為三大類:①因自身質量問題導致的病害;②因自身承載力不足導致的病害;③排水系統(tǒng)失效。

以擋墻為例，擋墻病害類型可分為:

1)因擋墻質量問題導致的病害:①墻體幾何尺寸不足(與設計比較) ;②墻體材料不符合要求;③墻體有空洞;④墻體粘結不足。

2)因擋墻承載力不足導致的病害:①基礎滑動破壞;②繞墻趾轉動的破壞;③基礎產生不均勻沉陷;④墻身剪切破壞;⑤沿軟弱層破裂面滑動。

3)擋墻排水系統(tǒng)失效:①泄水孔結構、材料老化;②墻背填土反濾層破壞;③排水系統(tǒng)堵塞、失效。

3. 2擋護設施適宜性評價

擋護設施的適宜性評價，首先是通過現場調查，從地形地質條件、現場病害情況和歷史病害記錄等信息，判斷邊坡是否存在災害，或者災害的類型。再從現狀擋護結構類型對地質災害主要因素的抑制作用進行適宜性評價。

可從宏觀上進行大致的定性判斷。導致邊坡病害的因素有主要因素(或控制因素)和次要因素，不同邊坡病害對擋護設施有不同的破壞力。從擋護設施對產生邊坡病害主要因素的控制程度和對變形破壞力抵抗的有效性兩個方面，將擋護設施的適宜性劃分為4個等級，見表1。

表1擋護設施的適宜性分級標準劃分

3. 3擋護設施技術狀況評價

擋護設施技術狀況評價主要從擋護設施質量缺損狀況，使用過程中的損害情況和本身老化的情況三方面來評價擋護設施的缺損程度。據此進行技術狀況的評價，評估擋護結構抵抗災害的能力。

擋護設施的三個組成部分護坡、擋墻、排水的權重分別為W1= 20%，W2= 60%，W3= 20%，其中護坡的組成部件片石、勾縫、基礎、坡高及坡率的評分標準見表2。

表2護坡各組成部件評分標準

綜合一級指標權重與二級指標權重，可得擋護設施自身質量評定等級。綜合評定方法見表3。根據不同邊坡擋護設施的特點，采用專家評估法確定各組成部分的一級指標權重和組成部件的二級指標權重。

3. 4地質災害危險性概率評價

目前鐵路邊坡設計多采用安全系數法，安全系數K越高，邊坡災害發(fā)生的可能性越小。

針對邊坡安全(穩(wěn)定)系數的評價，采用兩種方法，一種是極限平衡法，一種是變形跡象法。

極限平衡法，是巖土安全穩(wěn)定性分析的主要方法之一，鐵路部門常用的極限平衡法是傳遞系數法。既有線病害工點的極限平衡法，要考慮擋護設施技術狀況對其承載能力的影響。

表3邊坡擋護設施自身質量等級綜合評定方法

變形跡象法，是通過邊坡變形跡象推斷邊坡穩(wěn)定狀態(tài)的方法。研究證明，地表裂縫的發(fā)展過程與滑坡發(fā)育間存在有規(guī)律性的生成關系。由于滑體和滑帶的變形在地表形變和形跡上出現明顯可區(qū)分的跡象，徐邦棟［7］將滑坡滑動依次劃分為蠕動、擠壓、微動、滑動、大動和固結6個發(fā)育階段。依據滑坡變形跡象6階段的總結，本項目中變形跡象與邊坡安全狀況劃分標準見表4。

表4邊坡變形跡象與安全狀況劃分標準

邊坡安全狀況與危險性概率的對應關系見表5。

表5災害發(fā)生概率等級標準

3. 5地質災害事故損失評價

地質災害事故損失評價，按災害發(fā)生后影響范圍及恢復通車快慢劃分，見表6。

表6風險事故損失等級評價

3. 6地質災害風險等級

風險等級可表征為風險事故發(fā)生的概率和事故損失的乘積，風險等級劃分見表7。

表7風險等級劃分

3. 7防治等級

對應地質災害風險等級，提出鐵路地質災害防治等級，見表8。

表8地質災害防治等級

4　工程實例分析

4. 1工程概述

1)地形地貌:寶成K320 + 472—K320 + 770左側邊坡位于寶成線朝天—觀音壩區(qū)間，自然坡高約70 m，自然坡度約28°，邊坡呈直線坡。坡面植被較發(fā)育，以小型喬木為主，線路從坡體下部切坡通過。塹坡高約8～20 m，坡度約70°。線路走向285°，坡向15°，見圖2。

2)地質條件:坡體表層為碎石土，下覆基巖為粉砂巖，強～中風化，強風化巖體結構面發(fā)育，整體破碎，呈紅褐色;中風化巖體巖質較硬，呈深褐色。邊坡巖體結構面發(fā)育，巖層順傾，局部發(fā)現順坡向泥質夾層，不利于邊坡穩(wěn)定。據現場調查，巖層產狀355°∠25°，結構面產狀:①170°∠84°;②187°∠24°。

圖2工點全貌

3)地下水情況:現場調查，正在施工的地段局部見地下水出露，土體潮濕。

4)原設計情況:邊坡下部采用漿砌護面墻防護。

4. 2病害情況

1)災害成因及情況概述:地下水軟化作用使坡體內泥化夾層強度降低，邊坡沿該面易發(fā)生滑坡。

據現場調查，該段邊坡巖體為順層邊坡，局部形成泥化夾層，雨水下滲造成該結構面強度軟化，易發(fā)生滑坡(見圖3)。調查時該處正進行排水涵洞施工，從施工開挖出露能清晰看出坡體內泥化夾層受水滲透的情況。同時該處護面墻片石尺寸、規(guī)格及整體厚度均存在一定質量問題，難以有效起到抑制巖土體變形及滑動的效果(見圖4)。同時，在護面墻發(fā)現多處裂縫。從現有調查情況分析，該處病害與各級護面墻基礎承載力不足有直接關系，但護面墻的進一步損毀，易造成后部坡體淺層滑動，邊坡災害斷面示意如圖5。

圖3泥化夾層

圖4坡體內順坡向結構面發(fā)育及護面墻缺損

圖5邊坡災害斷面示意(單位: m)

2)災害類型及規(guī)模:災害類型為滑坡，可滑總方量約為1. 75萬m3，邊坡坡腳距線路水平距離約4. 0 m，危巖體距線路垂直高度在4～30 m。

4. 3邊坡災害(病害)評價

1)適宜性評價。邊坡災害類型為滑坡，滑體距線路垂直高度在4～30 m。采用漿砌護面墻防護對滑坡的抑制作用小，不適宜，屬四級。

2)技術狀況評價。據現場調查，該處漿砌防護墻整體質量存在問題，且局部已出現病害。其中，從調查可知，片石規(guī)格、厚度均不達標，取片石評分R1= 4(差) ;坡面局部勾縫脫落、片石間漿體強度差，取勾縫評分R2= 4(差) ;調查過程五級護坡有整體下錯趨勢，各級護坡未做地基處理，基礎承載力嚴重不足，取基礎評分R3= 5(危險) ;邊坡最高約20 m，坡度約70°，取坡高及坡率評分R4= 4(差)。詳細分值見表9。

表9技術狀況評價詳細分值

3)災害危險性概率評價。據現場調查，邊坡為順層邊坡，局部形成泥化夾層，雨水下滲造成該結構面強度軟化，易發(fā)生滑坡。目前該邊坡護面墻體已局部開裂，坡體后緣出現局部環(huán)形不連續(xù)微裂縫。依據變形跡象法，邊坡處于主滑蠕動階段，1. 10≤K＜1. 15，確定其災害危險性概率屬二級:偶爾發(fā)生。

4)災害事故損失評價。據現場調查，邊坡可滑總方量約為1. 75萬m3，坡腳距線路水平距離約4. 0 m，滑坡體距線路垂直高度在4～30 m。滑坡體侵線后需較長時間搶險才能通車，確定其災害事故損失評價屬四級:特大。

5)風險等級評價。根據表8該工點對應的風險等級屬三級:高度風險。

6)防治措施建議、造價估算及規(guī)劃。防治措施建議: K320 + 472—K320 + 770段邊坡采用斜向控制注漿鋼錨管+錨索框架加固，錨索設置在二級坡面，一、三級坡設置鋼錨管。鋼錨管、錨索間距為3 m×3 m，框架梁尺寸為0. 4 m×0. 3 m，共需鋼錨管約3 000 m、錨索約3 500 m。盡快施工K320 + 650處排水涵洞，做好施工期安全工作。

造價估算: ( 3 000 + 3 500)×500 = 325萬元;防治等級:盡快整治;近中遠期規(guī)劃:中期。

5主要結論及需改進工作

5. 1主要結論

1)在山區(qū)鐵路沿線地質災害評估實踐基礎上，提出一種在既有防護工程的適宜性、技術狀況評價的基礎上，采用安全性評價與風險評價相結合的定性、定量綜合風險評估方法。

2)以寶成線K320 + 472—K320 + 770左側邊坡為例，對該方法應用進行闡述與示范。

5. 2需改進工作

1)加強崩塌落石定量分析，包括穩(wěn)定性分析、落石范圍計算等;

2)事故損失評價中，引入災害點周邊環(huán)境、災害點可視條件等影響因素，完善事故損失評價標準;

3)針對目前鐵路地質災害管理現狀，建立實用、便捷、合理的地質災害信息管理平臺。

參考文獻

［1］張春山，吳滿路，張業(yè)成．地質災害風險評價方法及展望［J］．自然災害學報，2003，12( 1) : 96-102．

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［3］蘇經宇，周錫文，樊水榮．泥石流危險等級評價的模糊數學方法［J］．自然災害學報，1993，2( 2) : 83-90．

［4］張業(yè)成，胡景江．中國地質災害危險性分析與災變區(qū)劃［J］．地質災害與環(huán)境保護，1995( 3) : 55-67．

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［6］祝玉學．邊坡可靠性分析［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，1993．

［7］徐邦棟．滑坡分析與防治［M］．北京:中國鐵道出版社，2001．

(責任審編趙其文)

聲明

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《鐵道建筑》編輯部

Risk assessment method of geological disaster of existing mountain railway

WEI Shaowei1，2，LEI Dapeng3，LU Dawei3，YAN Zhixiong1，2，ZHANG Yufang1，2
( 1．Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2．State Key Laboratory for Track Technology of High-Speed Railway，Beijing 100081，China; 3．Track Maintenance Department，Xi'an Railway Bureau，Shaanxi Xi'an 710054，China)

Abstract:A risk assessment method of geological disaster for existing mountain railways was proposed．First，the types and severity of natural mountain geological disaster was investigated and analyzed，the disaster risk probability grade was obtained by combining with suitability and technical condition evaluation of the existing protection engineering．Next，the disaster loss grade was concluded according to the disaster influence range and the restoring traffic time．Last，the disaster risk grade was calculated by the product of the disaster risk probability and accident loss．

Key words:Risk assessment; Suitability evaluation; T echnical condition evaluation; Risk probability; Risk grade

文章編號:1003-1995( 2016) 01-0053-06

中圖分類號:U216．41+9．2

文獻標識碼:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．01．11

作者簡介:魏少偉( 1984—)，男，副研究員，博士。

收稿日期:2015-11-07;修回日期: 2015-12-08