基于發(fā)生概率和致災(zāi)性的危巖落石災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

劉偉鵬 毛邦燕

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031)

危巖落石是復(fù)雜山區(qū)鐵路修建中常見(jiàn)的不良地質(zhì)現(xiàn)象，給線路施工和運(yùn)營(yíng)造成嚴(yán)重危害。因此，對(duì)危巖落石進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)意義重大。

危巖落石發(fā)育影響因素的不確定性、非定量性和模糊性使其致災(zāi)結(jié)果也具不確定性。胡厚田、曾廉等對(duì)危巖體的穩(wěn)定性進(jìn)行定性或定量計(jì)算，判斷危巖落石失穩(wěn)情況，這種定量判斷方法能夠反映危巖體穩(wěn)定性，但無(wú)法反映危巖體的不確定性[1-2]。胡厚田[3]針對(duì)寶成線和黔桂線，基于大量調(diào)查統(tǒng)計(jì)資料，采用信息量統(tǒng)計(jì)方法對(duì)落石進(jìn)行宏觀預(yù)測(cè)，確定了崩塌落石的危險(xiǎn)區(qū)段，并采用模糊綜合評(píng)判法對(duì)落石工點(diǎn)危巖體的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估。張路青等[4]通過(guò)對(duì)危巖落石影響因素發(fā)育條件打分，進(jìn)而評(píng)估危巖落石的危險(xiǎn)性。葉四橋等[5]把模糊數(shù)學(xué)引入到危巖落石風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中，通過(guò)層次分析法和模糊數(shù)對(duì)危巖落石發(fā)育條件進(jìn)行量化，從而獲得危巖落石的危險(xiǎn)度。這些研究主要致力于對(duì)危巖落石穩(wěn)定性和發(fā)生可能性進(jìn)行評(píng)價(jià)，而對(duì)其致災(zāi)性卻鮮有研究。

通過(guò)對(duì)危巖落石發(fā)育條件進(jìn)行量化評(píng)分，獲取危巖落石發(fā)生概率，并通過(guò)人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失層面計(jì)算落石發(fā)生后區(qū)域致災(zāi)程度。最后，利用這兩個(gè)方面綜合評(píng)估危巖落石對(duì)線路工程的危害程度，為控制危巖落石災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)提供參考意見(jiàn)。

1 基于AHP方法的危巖落石發(fā)生概率評(píng)價(jià)

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的確立及層次構(gòu)建

層次分析法(AHP)由運(yùn)籌學(xué)家Saaty提出[6]，該方法可通過(guò)信息定量刻畫(huà)，將原來(lái)模糊性、文字性的決策要素?cái)?shù)學(xué)化，可為多目標(biāo)、多準(zhǔn)則復(fù)雜決策問(wèn)題提供幫助[7]。危巖落石不良地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)由多種因素共同作用[8]，其影響因素可分兩種，其一為影響危巖體發(fā)育和崩落的可能性要素，包括地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、氣象水文、地震和落石歷史發(fā)生情況等[9]；另一類為落石崩落后造成災(zāi)害的可能性及災(zāi)害的嚴(yán)重性影響要素，包括地形地貌中坡面的坡高、坡形、植被發(fā)育情況及落石的防治措施等[10]。危巖落石發(fā)生概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估：對(duì)危巖落石發(fā)育影響因素進(jìn)行分析，選取6個(gè)一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)和18個(gè)二級(jí)指標(biāo)，如圖1所示。

圖1 危巖落石發(fā)生概率評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

在野外地質(zhì)調(diào)查中，通常對(duì)危巖落石的評(píng)價(jià)都是基于現(xiàn)場(chǎng)描述，這些評(píng)價(jià)少部分可以利用數(shù)值進(jìn)行表征，而大多數(shù)只能通過(guò)定性文字進(jìn)行表述[11]。為了能夠利用數(shù)值進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，可以對(duì)定性描述建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)表，利用打分法對(duì)各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行量化。下面根據(jù)以往勘測(cè)經(jīng)驗(yàn)和文獻(xiàn)[12-13]，總結(jié)提出危巖落石發(fā)生概率各評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)，如表1所示。

1.2 指標(biāo)權(quán)重的確定

利用AHP方法可對(duì)各指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行分配和檢驗(yàn)。在評(píng)價(jià)指標(biāo)層次構(gòu)建完成后，可對(duì)一級(jí)指標(biāo)和二級(jí)指標(biāo)分別建立判斷矩陣，在此基礎(chǔ)上計(jì)算出各因子在該級(jí)中的權(quán)重值，并進(jìn)行C.R.檢驗(yàn)。

利用AHP對(duì)危巖落石發(fā)生影響因素的重要程度進(jìn)行劃分，可獲得一級(jí)指標(biāo)和對(duì)應(yīng)的二級(jí)指標(biāo)標(biāo)度矩陣，并計(jì)算各因子在對(duì)應(yīng)級(jí)別中的權(quán)重值和一致性情況，最終獲得危巖落石災(zāi)害發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的各級(jí)指標(biāo)權(quán)重(如表2所示)。

表2 各級(jí)指標(biāo)權(quán)重分配

1.3 模型建立與發(fā)生概率等級(jí)劃分

高陡斜坡危巖落石的風(fēng)險(xiǎn)受眾多地質(zhì)因素控制，可將這些因素(一級(jí)指標(biāo))分別表示為x1，x2，……，xn。在必要條件下，每一評(píng)價(jià)因素xi又可進(jìn)行進(jìn)一步劃分為若干次級(jí)評(píng)價(jià)因子(二級(jí)指標(biāo))，可表示為xi1，xi2，……，xin，同樣，各次一級(jí)評(píng)價(jià)因子又可以再劃分為若干個(gè)更次一級(jí)的評(píng)價(jià)因子，直至因子能全面、系統(tǒng)地反映各個(gè)控制影響方面。通常情況下，兩級(jí)指標(biāo)即可滿足分析需要。根據(jù)每一基本評(píng)價(jià)因素或評(píng)價(jià)因子的量化標(biāo)準(zhǔn)對(duì)事物發(fā)展的影響進(jìn)行評(píng)分；再按逆序疊加法求得其綜合評(píng)價(jià)值，并結(jié)合實(shí)際分析，對(duì)其進(jìn)行最終評(píng)判。危巖落石發(fā)生概率評(píng)估的數(shù)學(xué)模型(RHRA)為

(3)

式中 RHRA——各方案x級(jí)指標(biāo)體系綜合評(píng)價(jià)值，其中第一級(jí)指標(biāo)體系綜合評(píng)價(jià)值為各方案最后評(píng)價(jià)值；

xk——第i個(gè)方案第k個(gè)指標(biāo)量化特征值；

Wik——各評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合權(quán)重，Wik=Wi×Wk，其中Wi為一級(jí)指標(biāo)權(quán)重，Wk為二級(jí)指標(biāo)權(quán)重。

獲得危巖落石發(fā)生概率評(píng)估值后，可根據(jù)表3獲得危巖落石的發(fā)生概率值和概率等級(jí)。

表3 危巖落石發(fā)生概率

2 危巖落石致災(zāi)性風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)

落石災(zāi)害致災(zāi)危險(xiǎn)性是指其對(duì)生命、財(cái)產(chǎn)、社會(huì)和環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響的可能性和嚴(yán)重性的度量，可以通過(guò)致災(zāi)可能性和對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的后果表示[12]。要評(píng)價(jià)致災(zāi)后果的嚴(yán)重性，首先要確定承災(zāi)體的構(gòu)成部分、損失計(jì)算方法和對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行易損性、損失等級(jí)劃分和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

2.1 承災(zāi)體類型

在地質(zhì)災(zāi)害中，承災(zāi)體遭受損失程度既與地質(zhì)災(zāi)害的種類和特征參數(shù)有關(guān)，也與承災(zāi)體本身的種類和特性有關(guān)。對(duì)線路工程而言，落石災(zāi)害所造成的破壞主要包括了以下幾個(gè)類別。

(1)人員傷亡：危巖災(zāi)害具有突發(fā)性、分布廣等特點(diǎn)，發(fā)生后會(huì)造成一定的人員傷亡。線路工程中造成人員傷亡主要有兩種方式，其一為施工階段施工人員及施工現(xiàn)場(chǎng)附近人員或者運(yùn)營(yíng)階段中線路維護(hù)人員被擊中造成的傷害；其二為運(yùn)營(yíng)階段落石砸中列車(chē)或者破壞線路導(dǎo)致列車(chē)出現(xiàn)安全事故造成的人員傷亡。

(2)工程設(shè)施破壞

工程設(shè)施主要包括線路正線和輔助設(shè)施，如施工期間已完成的線路主體和輔助設(shè)施，運(yùn)營(yíng)期的線路主體和輔助設(shè)施，如鐵路線路、通信系統(tǒng)、給水排水系統(tǒng)、供電系統(tǒng)等。

(3)機(jī)械設(shè)施破壞

機(jī)械設(shè)施主要為施工期和運(yùn)營(yíng)期的機(jī)械設(shè)備，如施工期間的施工設(shè)備(挖掘機(jī)器、牽引機(jī)械、土方車(chē)、精密測(cè)量?jī)x器等)；運(yùn)營(yíng)期間的汽車(chē)車(chē)輛、火車(chē)機(jī)車(chē)等。

(4)工期延誤或停運(yùn)

工期延誤是指危巖落石致使工程建設(shè)時(shí)間延長(zhǎng)；停運(yùn)是指危巖落石致使線路需要重新修建或者消除安全隱患所造成的列車(chē)停運(yùn)時(shí)間。

2.2 承災(zāi)體損失計(jì)算

危巖落石發(fā)生后，承災(zāi)體損失計(jì)算是評(píng)價(jià)危巖落石致災(zāi)等級(jí)的直接依據(jù)。要計(jì)算承災(zāi)體損失，首先要確定危巖落石受災(zāi)范圍以及對(duì)應(yīng)承災(zāi)體發(fā)生損壞的概率，進(jìn)而計(jì)算承災(zāi)體損失值。

(1)受災(zāi)區(qū)域范圍及受災(zāi)基礎(chǔ)概率確定

受災(zāi)范圍的確定可以根據(jù)地形特征確定，受災(zāi)基礎(chǔ)概率可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)落石分布調(diào)查或者根據(jù)落石數(shù)值模擬獲取[12]。目前，三維落石模擬程序不完善，通常是利用二維剖面法進(jìn)行模擬[13]。通過(guò)區(qū)內(nèi)不同危巖落石塊體的數(shù)值模擬，可以得到危巖落石在平面上停留的頻數(shù)值，通過(guò)網(wǎng)格劃分可以統(tǒng)計(jì)出平面上不同網(wǎng)格區(qū)域危巖落石停留頻數(shù)。根據(jù)該頻數(shù)值和對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格中心坐標(biāo)，可以繪制出危巖落石受災(zāi)概率等值線圖，區(qū)內(nèi)任意一點(diǎn)的危巖落石受災(zāi)概率可以從圖中獲取[14]。

(2)致災(zāi)損失計(jì)算

不同落石規(guī)模對(duì)不同承災(zāi)體的破壞程度是不同的。因此，建立一個(gè)合理的落石災(zāi)害易損率對(duì)計(jì)算致災(zāi)損失有重要作用。部分粒徑的落石易損率如表4所示，其他粒徑尺寸可用內(nèi)插法求解(對(duì)于等效粒徑大于20 m的按照20 m取值)。

表4 不同類型承災(zāi)體在不同規(guī)模落石下易損性

致災(zāi)損失計(jì)算主要依據(jù)危巖落石對(duì)線路影響范圍內(nèi)到達(dá)承災(zāi)體的概率和承災(zāi)體的易損性進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而獲得各個(gè)階段不同類型承災(zāi)體造成的損失量。各承災(zāi)體在不同階段的損失可按表5計(jì)算。

表5 各承災(zāi)體損失計(jì)算

2.3 致災(zāi)性等級(jí)劃分

危巖落石所造成的損失不同，所對(duì)應(yīng)的等級(jí)也不同?？砂闯袨?zāi)體所受損失的嚴(yán)重程度劃分致災(zāi)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。參照《鐵路建設(shè)工程風(fēng)險(xiǎn)管理技術(shù)規(guī)范》(2014)和《鐵路隧道工程風(fēng)險(xiǎn)管理技術(shù)規(guī)范》(2016)相關(guān)規(guī)定[14]，結(jié)合危巖落石致災(zāi)性特點(diǎn)，對(duì)危巖落石致災(zāi)性等級(jí)進(jìn)行劃分，如表7所示，通過(guò)計(jì)算得到不同受災(zāi)類型的受災(zāi)值及致災(zāi)等級(jí)(見(jiàn)表6)。

表6 落石發(fā)生后致災(zāi)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3 落石綜合風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)與風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則劃分

結(jié)合目前高陡邊坡危巖落石發(fā)生后的安全、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)危害性，以及危巖落石防治施工技術(shù)水平和風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則，可將危巖落石風(fēng)險(xiǎn)性劃分為五個(gè)等級(jí)，即極高風(fēng)險(xiǎn)(Ⅴ)高風(fēng)險(xiǎn)(Ⅳ)、中等風(fēng)險(xiǎn)(Ⅲ)、中低風(fēng)險(xiǎn)(Ⅱ)、低風(fēng)險(xiǎn)(Ⅰ)(見(jiàn)表7)。

表7 危巖落石災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等級(jí)與可接受等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

通過(guò)野外地質(zhì)調(diào)繪資料和搜集到的資料，可通過(guò)危巖落石發(fā)生概率模型和致災(zāi)模型獲得這兩個(gè)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)因子，進(jìn)行危巖落石的綜合風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分(見(jiàn)表8)。

表8 危巖落石綜合風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

4 工程實(shí)例

新華隧道進(jìn)口位于湖北省宜昌市興山縣新華鎮(zhèn)附近，出口位于榛子鄉(xiāng)附近，全長(zhǎng)18630 m，最大埋深1023 m。隧址區(qū)地表發(fā)育一條常年流水沖溝，流量較大，溝內(nèi)以塊石為主，兩側(cè)基巖出露，下伏基巖為前震旦系神龍架群石槽河組白云巖，屬構(gòu)造溶蝕、侵蝕中山地貌區(qū)，邊坡為上陡下緩地形。

4.1 工點(diǎn)危巖落石發(fā)生概率評(píng)估

根據(jù)新華隧址區(qū)內(nèi)的地質(zhì)調(diào)查，結(jié)合前述危巖落石量化評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)表，對(duì)該段危巖的指標(biāo)評(píng)分如表9所示。

根據(jù)各量化評(píng)分指標(biāo)，利用式(3)計(jì)算得到新華隧道紙廠溝危巖落石發(fā)生概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)分值為

(13)

該段危巖落石為極高概率危巖落石區(qū)，危巖落石發(fā)生崩落概率等級(jí)為V級(jí)。

4.2 工點(diǎn)危巖落石致災(zāi)性評(píng)估

對(duì)危巖落石工點(diǎn)進(jìn)行野外調(diào)查和Rockfall數(shù)值模擬：該影響區(qū)長(zhǎng)約97 m，影響線路的最大致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)概率為0.9，如圖2所示。根據(jù)調(diào)查，段內(nèi)最大危巖體體積約有2 000 m3，其等效粒徑可達(dá)50 m，為巨型崩塌體[15]。

表9 紙廠溝淺埋段危巖落石評(píng)價(jià)指標(biāo)量化

圖2 落石模擬結(jié)果與落石停留位置

按照施工及運(yùn)營(yíng)期的實(shí)際情況，利用式(4)～式(12)對(duì)各承災(zāi)體損失進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表10所示。由表10可知，該工點(diǎn)的致災(zāi)性風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅴ級(jí)。

表10 不同承災(zāi)體損失計(jì)算結(jié)果

4.3 設(shè)計(jì)防護(hù)與驗(yàn)證

通過(guò)對(duì)隧址區(qū)危巖落石的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，得到該處危巖對(duì)隧道的綜合風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅴ級(jí)，建議進(jìn)行繞避，即改變出口位置，原出口改為淺埋。

5 結(jié)論

(1)建立了基于發(fā)生概率等級(jí)和致災(zāi)概率等級(jí)的危巖落石危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)體系，對(duì)危巖落石發(fā)育的各個(gè)因素進(jìn)行量化評(píng)分，利用AHP方法獲取危巖落石發(fā)生的綜合評(píng)分指標(biāo)，確定危巖落石發(fā)生概率等級(jí)；利用危巖落石致災(zāi)概率評(píng)價(jià)鐵路承災(zāi)體致災(zāi)損失，獲取致災(zāi)等級(jí)。最后，通過(guò)發(fā)生概率等級(jí)和致災(zāi)等級(jí)劃分危巖落石綜合風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

(2)新華隧道出口處危巖落石綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)明，該處危巖落石發(fā)生概率為Ⅴ級(jí)，致災(zāi)性等級(jí)為Ⅴ級(jí)，綜合危險(xiǎn)性等級(jí)為Ⅴ級(jí)，危巖對(duì)隧道出口危害極大，建議進(jìn)行繞避。后期監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，該危巖發(fā)生了數(shù)起落石，危害原方案隧道口，與評(píng)價(jià)結(jié)果一致。