基于危險源辨識方法的公路堆積體邊坡風險等級評估

田 明，王建洪，肖 羚，杜宇翔

(1.云南大永高速公路有限公司, 云南 大理 671000；2.云南省交通投資建設集團有限公司, 云南 昆明 650200；3.中國科學院大學, 北京 100049)

我國西南地區(qū)處于青藏高原周邊地帶，曾在第四紀經(jīng)歷過強烈的下切期，導致斜坡發(fā)生劇烈的變形破壞運動，形成了大量的崩塌型巨厚堆積層[1]。堆積體邊坡的失穩(wěn)破壞條件不同于巖質(zhì)邊坡或土質(zhì)邊坡，其中堆積層厚度和含石量是決定堆積體邊坡穩(wěn)定性的關鍵因素。公路邊坡具有沿線呈點狀分布、間隔距離長、數(shù)量多、歷史數(shù)據(jù)積累少，而且易受環(huán)境變化及人類工程活動的影響的特點，很難獲取每個邊坡詳細的巖體特征及力學參數(shù)?？紤]公路堆積體邊坡的堆積體特性，準確、快速地對堆積體邊坡作出風險評估，可為我國西南地區(qū)山區(qū)公路建設提供有效的施工指導和建議。

近年來，半定量評估方法被逐漸引入到安全風險評估，如層次分析法[2]、模糊綜合評判法[3]等。該類方法能夠快速進行安全風險評估，有效指導施工，保障工程項目的順利進行，故而受到風險評估人員的青睞。國內(nèi)很多學者對該類方法在邊坡風險評估的應用方面進行了研究，證實了該類評估方法的可行性[4-6]。張勇慧等[7]建立公路巖質(zhì)邊坡評價體系，應用模糊綜合評判法對湖湘地區(qū)常吉高速公路142個巖質(zhì)高邊坡進行穩(wěn)定性分級評價，評判結果與實際邊坡失穩(wěn)情況較為吻合。杜時貴等[8]基于結構面的空間位置、規(guī)模大小和邊坡匹配關系的分層分析，提出了系統(tǒng)評價露天礦山邊坡穩(wěn)定性的分級分析方法，并對云南省普洱市大平掌銅礦采場東部邊坡進行了穩(wěn)定性評價，評價結果與邊坡的實際變形破壞特征非常吻合。唐亞明等[9]應用自己設計的邊坡分級系統(tǒng)，對黃土滑塌類地質(zhì)災害的風險進行半定量評價，并得出了不同風險等級的黃土邊坡區(qū)域分布規(guī)律。半定量風險評估方法評價結果的準確性取決于評價指標選取的合理性，而很多公路邊坡風險等級評估方法并未討論評價指標的選取方法以及所選指標的合理性，故無法保證得出準確的評價結果。

危險源辨識是指識別危險源并確定其特性，可為安全風險評估提供合理的評價指標。國內(nèi)外已開發(fā)出的危險源辨識方法有幾十種之多，如事故樹分析法、事件樹分析法、LEC法等，國內(nèi)外學者通過實例分析對各種危險源辨識方法進行了研究，表明了該類方法的實用性[10-16]。馬安鋒等[17]應用事故樹分析方法分析了造成基坑失穩(wěn)事故的危險源，為基坑支護過程制定了施工安全專項方案。王剛毅[18]應用事故樹分析方法詳細分析了不同時期尾礦庫的危險源，建立了具體事故的事件樹模型，總結了失事后果經(jīng)驗估算方法，計算得出了綜合風險評估結果，證明了事件樹方法的可行性。

本文考慮堆積體邊坡的特性，應用危險源辨識方法合理選取公路堆積體邊坡的評價指標，通過層次分析法和模糊綜合評判法相結合，建立了公路堆積體邊坡的風險等級評估方法，并將其應用于云南大理到永勝(大永)高速公路沿線堆積體邊坡的風險評價。

1 危險源辨識

為了對邊坡進行客觀合理的危險源辨識，首先要定義邊坡危險源。中國《職業(yè)健康安全管理體系 規(guī)范》[19](GB/T 28001—2001)中對于危險源的定義：“可能導致傷害或疾病、財產(chǎn)損失、工作環(huán)境破壞或者這些情況組合的根源或狀態(tài)”。根據(jù)該定義，本文對邊坡危險源定義為：“可能導致邊坡失穩(wěn)破壞的固有地質(zhì)特征或環(huán)境狀態(tài)”。

1.1 事故樹分析

采用事故樹分析方法進行堆積體邊坡危險源辨識。事故樹分析法是從需要分析的特定事故或者故障(頂上事件)開始，逐層分析事故發(fā)生原因，直到找出事故的全部基本原因(底事件)為止。事故樹分析方法可以有效地分析事故所對應事件或?qū)ο蟮奈ｋU源。分析步驟如下：

(1) 對邊坡失穩(wěn)破壞事故進行事故致因分析，構造邊坡失穩(wěn)破壞事故樹符號和意義，見表1。

表1 事故樹中的符號和意義

(2) 構造事故樹模型，找出事故的所有基本原因，如圖1所示。

圖1 邊坡失穩(wěn)破壞事故樹

(3) 根據(jù)事故樹寫出事故樹結構式：

T=A1+A2=B1+B2+B3+X14+X15=

X1+X2+X3+X4+X5+X6+X7+X8+

X9+X10+X11+X12+X13+X14+X15

(1)

1.2 危險源確立

由事故樹分析法得到的事故基本原因確定邊坡危險源因子。按照事故樹模型結構，結合對邊坡危險源的定義和危險源分類方法，將危險源分為第一類危險源和第二類危險源。第一類危險源為根源危險源，是指系統(tǒng)中存在的、可能發(fā)生意外釋放的能量或危險物質(zhì)，第二類危險源為狀態(tài)危險源，是指導致屏蔽措施失效或破壞的各種不安全因素。對于邊坡系統(tǒng)，第一類危險源是指邊坡系統(tǒng)內(nèi)在危險源，屬于邊坡本身固有屬性，按坡體表面和坡體內(nèi)部特征，分為地形地貌和巖土體特征。地形地貌對應的危險源因子有坡高、坡角和坡面形態(tài)；巖土體特征根據(jù)不同巖性類型邊坡確定危險源，對于堆積體邊坡，考慮基巖特性、土石混合體特性以及接觸面特性，危險源因子可確定為基巖巖性、基巖風化程度和堆積體厚度等。第二類危險源為邊坡系統(tǒng)外在危險源，是對邊坡系統(tǒng)產(chǎn)生影響的外在不安全因素，包括人工開挖活動、降雨和地震。所確定的堆積體邊坡危險源如圖2所示。

圖2 堆積體邊坡危險源確立

2 堆積體邊坡風險評估體系

2.1 層次分析法賦權重

以危險源辨識方法確立的危險源作為評價指標因子集，應用層次分析法，將山區(qū)公路堆積體邊坡風險評估問題分為目標層、準則層、指標層，分析下層因子相對于上層因子的單排序情況，通過量化比較構造判斷矩陣，求得判斷矩陣的最大特征值所對應的特征向量，并進行歸一化處理，即可作為該層因子的權重。判斷矩陣還需滿足一致性要求。

以指標層{C21，C22，C23，C24，C25，C26}為例，說明權重的確定步驟及判斷矩陣的一致性檢驗方法。

(1) 判斷矩陣構造:

(2)

(2) 權重向量計算。判斷矩陣的最大特征值λmax= 6.122 5，對應的特征向量歸一化后即為權重：

w=(0.064,0.250,0.101,0.160,0.382,0.043)

(3)

(3) 一致性檢驗。判斷矩陣為6階，查表可知r.i. = 1.26，可求出c.r.：

(4)

(5)

式(4)說明判斷矩陣滿足一致性要求，權重確定合理。層次分析法所確定的因子集權重見表2。

表2 因子集權重

2.2 模糊綜合評判法確定風險等級

2.2.1 底層指標隸屬度向量確定

通過查閱相關文獻[16]，結合堆積體邊坡特性，確定邊坡單因素風險評估標準，見表3。建立因子集底層指標相對于評價集的隸屬度計算模型，具體方法為：對于連續(xù)型指標，如坡高、坡角、堆積體厚度等，通過構造降半梯形-三角形-升半梯形隸屬度函數(shù)，對于區(qū)間等級II、III，取評價標準的中值作為三角形函數(shù)峰值(所構造的堆積體厚度隸屬度函數(shù)如圖3所示)，將指標取值作為自變量代入隸屬度函數(shù)，可求得指標對各風險等級的隸屬度向量；對于離散型指標，構造各風險等級評價標準的判斷矩陣，為保證單因素指標對于各等級的隸屬度之和為1，方便數(shù)據(jù)處理，求得該矩陣最大特征值所對應的特征向量并作歸一化處理，作為指標對各風險等級的隸屬度向量。

表3 單因素風險評估標準

圖3 堆積體厚度隸屬度函數(shù)

2.2.2 風險等級判定

以某公路邊坡為例，基巖為鈣質(zhì)膠結砂巖，屬于硬巖，基巖強風化。上層堆積體平均厚度為6 m，碎石平均含量為10%。坡面傾向與斜坡巖層產(chǎn)狀相反，屬逆向坡，與節(jié)理裂隙成大角度相交，對邊坡穩(wěn)定有利。第四系孔隙水多以潛水形式出現(xiàn)，水量甚微，深挖區(qū)孔隙水埋深較淺，水量不大，基巖裂隙水埋深深，對挖方路塹影響不大。

以{C21，C22，C23，C24，C25，C26}為底層指標，計算上層指標C2的隸屬度向量：

(1) 隸屬度矩陣構造。由所確定指標層{C21，C22，C23，C24，C25，C26}的隸屬度向量，構造隸屬度矩陣，橫向表示各指標對于風險等級的隸屬度向量：

(6)

(2) 上層指標隸屬度向量計算。采用模糊算子M(·，+)，由式(3)、式(6)可求得上層指標C2的隸屬度向量：

S=w·R=(0.246,0.284,0.195,0.275)

(7)

逐層計算上層指標隸屬度向量，最終得出目標層隸屬度向量，由最大隸屬度原則確定邊坡所屬風險等級。

3 工程應用

云南大理到永勝高速公路分為大理段和麗江段兩個標段，其中，大理段起點與大理機場公路搭接，起點里程為 K0+000，止點位于大理與麗江分界處，止點里程為K52+979.27，全長約53 km；麗江段起點里程K52+979.270，位于賓川縣力角鎮(zhèn)與永勝縣片角鎮(zhèn)交界處，即接大理段終點，止點里程K91+406.956，永勝縣期納鎮(zhèn)，路線全長約38 km。線路經(jīng)過區(qū)域地層出露較多，主要出露奧陶系(O)、泥盆系(D)、二疊系(P)、第四系(Q)地層，地層總厚度在 6 100 m以上。不同成因的第四系松散沉積物廣泛分布于山坡、溝谷和山前地帶及盆地中。包括殘破積層，主要由褐色、褐紅色、褐灰色可塑—硬塑黏土、稍密角礫、稍密碎石等組成；沖洪積層，主要由褐色、灰褐色、褐灰色軟塑—可塑—硬塑黏土，稍密圓礫、稍密卵石、稍密漂石組成。項目區(qū)在區(qū)域上屬高原性氣候，干、雨季分明。年平均降雨量1 176 mm。一般山區(qū)雨量大，壩區(qū)小。降雨量分配極不均勻。 80%集中在雨季6月—10月，每年12月至次年2月有霜期100 d左右。路線所經(jīng)區(qū)域地質(zhì)構造復雜，構造活動期次較多，地震活動頻繁，特別是挽近期構造活動強烈地段，地形切割強烈，地震活動特點是具明顯的階段性和周期性，近期地震運動有所復活。

通過對高速公路沿線的98個路塹高邊坡的現(xiàn)場調(diào)查，結合路線設計方案與區(qū)域地震降雨資料，采用基于危險源辨識方法的風險評估體系開展災害風險評估，評價結果為：I級邊坡1個，占1%；II級邊坡49個，占50%；III級邊坡28個，占29%；IV級邊坡20個，占20%，見圖4。

圖4 大永高速公路邊坡風險評估結果

4 結 論

(1) 針對我國西南地區(qū)公路堆積體邊坡的特征，應用危險源辨識方法中的事故樹分析方法，考慮堆積體邊坡的堆積層厚度和含石率兩個關鍵因子，為公路堆積體邊坡風險等級評估提供了更為合理的評價指標。

(2) 應用層次分析法確定評價指標權重，運用模糊綜合評判法計算公路堆積體邊坡風險等級。該系統(tǒng)方法能夠準確、快速地對公路堆積體邊坡進行風險等級評估，且評估效率優(yōu)于極限平衡分析和有限元強度折減法等定量評價方法。

(3) 針對云南大永高速公路沿線98個路塹邊坡，采用建立的評估體系開展堆積體邊坡風險等級評估，其中I級邊坡1個，II級邊坡49個，III級邊坡28個，IV級邊坡20，可見該方法能有效地評估公路堆積體邊坡風險等級，為山區(qū)公路建設提供有效的施工指導和建議。