河北省地質(zhì)災(zāi)害已治理工程可靠性評(píng)價(jià)方法研究

魏瑩瑩 崔 陽(yáng) 魏國(guó)振

(1.河北省地質(zhì)資源環(huán)境監(jiān)測(cè)與保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 石家莊 050021；2.河北省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院 石家莊 050021；3.河北省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 石家莊 050000)

工程結(jié)構(gòu)的可靠性是指工程結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的能力。工程結(jié)構(gòu)的可靠度是指工程結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的概率。河北省地質(zhì)災(zāi)害已治理工程的可靠性評(píng)價(jià)是在統(tǒng)計(jì)河北省地質(zhì)災(zāi)害已治理工程數(shù)據(jù)，搜集勘查設(shè)計(jì)施工監(jiān)理驗(yàn)收資料、氣象水文資料、地質(zhì)環(huán)境資料、人類工程經(jīng)濟(jì)活動(dòng)資料及地質(zhì)災(zāi)害防治效果資料的基礎(chǔ)上，利用建筑結(jié)構(gòu)可靠度計(jì)算模型，進(jìn)行可靠度評(píng)價(jià)，確定評(píng)價(jià)指標(biāo)，初步建立地質(zhì)災(zāi)害已治理工程可靠性評(píng)價(jià)體系，為地質(zhì)災(zāi)害已治理工程評(píng)價(jià)工作提供經(jīng)驗(yàn)。

1 河北省地質(zhì)災(zāi)害已治理工程概況

2021年，河北省累計(jì)完成地質(zhì)災(zāi)害治理工程(包含正規(guī)治理工程和應(yīng)急治理工程)283處，按地市分類：石家莊26處、唐山26處、秦皇島16處、邯鄲15處、邢臺(tái)2處、保定60處、張家口24處、承德111處、衡水1處、廊坊2處、滄州市0處，雄安新區(qū)0處。其中，承德市地質(zhì)災(zāi)害已治理工程數(shù)量最多，占全省總數(shù)的39.22%；按災(zāi)害種類分類：崩塌120處、滑坡42處、泥石流110處、地面塌陷7處、地裂縫4處。其中，崩塌、泥石流治理工程數(shù)量較多，分別占全省總數(shù)的42.40%、38.87%(表1)。

表1 河北省地質(zhì)災(zāi)害已治理工程分布

河北省崩塌地質(zhì)災(zāi)害已治理工程中主動(dòng)治理措施(錨固、掛主動(dòng)網(wǎng)、清理危巖、修筑截排水溝)52處，被動(dòng)治理措施(修筑被動(dòng)網(wǎng)、攔石(土)墻)22處，綜合治理(主動(dòng)治理措施+被動(dòng)治理措施)46處；滑坡地質(zhì)災(zāi)害已治理工程中主動(dòng)治理措施(削方減載、坡面綠化修復(fù)、抗滑樁、錨固和截排水溝)10處，被動(dòng)(修筑重力式擋墻、樁板墻)2處，綜合防治(主動(dòng)治理措施+被動(dòng)治理措施)30處；泥石流地質(zhì)災(zāi)害已治理工程中固定物源措施(植樹造林、種植草皮、修筑攔擋墻)10處，攔擋治理措施(修筑谷坊壩、柵格壩)19處，排導(dǎo)治理措施(修建導(dǎo)流槽、防護(hù)堤)21處，綜合防治(固源+攔擋、固源+攔擋+排導(dǎo)、固源+排導(dǎo)、攔擋+排導(dǎo))60處；地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害已治理工程主要采取地表排水、防滲和回填注漿等綜合治理措施；地裂縫地質(zhì)災(zāi)害已治理工程主要采取回填、壓實(shí)和防滲的綜合治理措施。因此，河北省地質(zhì)災(zāi)害治理工程以綜合治理措施為主(圖1)。

圖1 河北省各災(zāi)種地質(zhì)災(zāi)害治理措施分類

2 河北省地質(zhì)災(zāi)害已治理工程可靠性評(píng)價(jià)

2.1 地質(zhì)災(zāi)害已治理工程結(jié)構(gòu)可靠度計(jì)算模型的建立

河北省地質(zhì)災(zāi)害已治理工程結(jié)構(gòu)可靠度計(jì)算模型的建立是在統(tǒng)計(jì)地質(zhì)災(zāi)害已治理工程數(shù)據(jù)(搜集勘查設(shè)計(jì)施工監(jiān)理驗(yàn)收資料、氣象水文資料、地質(zhì)環(huán)境資料、人類工程經(jīng)濟(jì)活動(dòng)資料及地質(zhì)災(zāi)害防治效果資料)基礎(chǔ)上，利用建筑結(jié)構(gòu)可靠度計(jì)算模型進(jìn)行評(píng)價(jià)。工程結(jié)構(gòu)的可靠性是指工程結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的能力。工程結(jié)構(gòu)的可靠度是指工程結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的概率。失效概率pf為結(jié)構(gòu)不能完成預(yù)定功能的概率?？煽慷戎笜?biāo)β為度量結(jié)構(gòu)可靠度的數(shù)值指標(biāo)?？煽慷戎笜?biāo)β與失效概率pf的關(guān)系為β=-φ-1(Pf)，其中φ-1(·)為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)的反函數(shù)。既有結(jié)構(gòu)指已經(jīng)存在的各類工程結(jié)構(gòu)。地質(zhì)災(zāi)害已治理工程可靠性評(píng)價(jià)按既有結(jié)構(gòu)的可靠度性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

(1)結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)方程

結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)可采用下列極限狀態(tài)方程描述：

g(X1,X2,…，Xn)=0

式中：g(·)—結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)；

Xi(1,2,…,n)—基本變量，指結(jié)構(gòu)上的各種作用和環(huán)境影響、材料和巖土的性能及幾何參數(shù)等；在進(jìn)行可靠度分析時(shí)，基本變量應(yīng)作為隨機(jī)變量。

(2)結(jié)構(gòu)可靠度計(jì)算值計(jì)算模型

地質(zhì)災(zāi)害治理工程按多個(gè)非正態(tài)相關(guān)的基本變量且極限狀態(tài)方程為式g(X1,X2,…，Xn)=0時(shí)，用下面的公式替換后進(jìn)行迭代計(jì)算，從而確定各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重值及可靠度計(jì)算值β。

式中：g(·)—結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的功能函數(shù)，包括計(jì)算模式的不定性；

Xi(i=1,2,…，n)—基本變量；

fxi(·)、Fxi(·)—基本變量Xi的概率密度函數(shù)和概率分布函數(shù)；

ΡXiXjφ(·)、φ(·)φ-1(·)—標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)隨機(jī)變量的概率密度函數(shù)、概率分布函數(shù)和概率分布函數(shù)的反函數(shù)；

2.2 河北省地質(zhì)災(zāi)害已治理工程可靠度評(píng)價(jià)因子的確定

(1)評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定

采用層次分析法建立滑坡防治效果評(píng)價(jià)模型，一級(jí)指標(biāo)分為地質(zhì)環(huán)境條件因子、地質(zhì)災(zāi)害本體因子、防治工程技術(shù)指標(biāo)因子和社會(huì)影響評(píng)價(jià)指標(biāo)因子；在一級(jí)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，分列14個(gè)二級(jí)指標(biāo)。

(2)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)可靠度計(jì)算的要求，對(duì)專家打分進(jìn)行均化處理，構(gòu)造相關(guān)判斷矩陣。經(jīng)過(guò)計(jì)算，地質(zhì)環(huán)境條件因子(A1)、地質(zhì)災(zāi)害本體因子(A2)、防治工程技術(shù)指標(biāo)因子(A3)和社會(huì)影響評(píng)價(jià)指標(biāo)因子(A4)的權(quán)重分別為0.20、0.3、0.40和0.10。在此基礎(chǔ)上，對(duì)二級(jí)指標(biāo)進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)可靠度分析計(jì)算，分別得到地形地貌、巖土質(zhì)量及地震烈度等二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重(表2)。三級(jí)單因素指標(biāo)權(quán)重值劃分采用經(jīng)驗(yàn)方法，如地災(zāi)體復(fù)雜程度指標(biāo)中:極復(fù)雜的權(quán)重值為0.04、復(fù)雜的權(quán)重值為0.05、中等為0.08、簡(jiǎn)單為0.10，該因素權(quán)值越大，越有利于地質(zhì)災(zāi)害治理，其防治效果也越好，地質(zhì)災(zāi)害防治工程可靠度越高。

(3)評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)河北省地質(zhì)災(zāi)害已治理工程野外調(diào)查和室內(nèi)資料分析，可靠度高的為258處，占總數(shù)的91.17%，可靠度中等的為13處，占總數(shù)的4.60%，可靠度低的為12處，占總數(shù)的4.23%(表3)。

表3 河北省地質(zhì)災(zāi)害已治理工程評(píng)價(jià)成果表

3 結(jié)論和建議

地質(zhì)災(zāi)害具有復(fù)雜性、隱蔽性、突發(fā)性和不可預(yù)見(jiàn)性等特點(diǎn)，部分地質(zhì)災(zāi)害防治工程竣工后常出現(xiàn)不同程度的失穩(wěn)破壞現(xiàn)象。因此，開展防治工程的運(yùn)行效果評(píng)價(jià)，及時(shí)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)和反饋有效信息具有重要的理論和實(shí)際意義。本文在河北省地質(zhì)災(zāi)害已治理工程專項(xiàng)調(diào)查和分析的基礎(chǔ)上，開展防治工程運(yùn)行效果評(píng)價(jià)研究，獲得一些主要認(rèn)識(shí)。

結(jié)合地質(zhì)災(zāi)害特點(diǎn)、建筑結(jié)構(gòu)可靠度評(píng)價(jià)模型及地質(zhì)災(zāi)害防治經(jīng)驗(yàn)，提出了地質(zhì)災(zāi)害防治效果評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系，包括地質(zhì)環(huán)境條件因子、地質(zhì)災(zāi)害本體因子、防治工程技術(shù)指標(biāo)因子和社會(huì)影響評(píng)價(jià)指標(biāo)因子4個(gè)一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)和14個(gè)二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)。建議將地質(zhì)災(zāi)害已治理工程可靠度(β)劃分為3個(gè)等級(jí):高(β>0.75)、中(0.50≤β≤0.75)、低(失敗)(β<0.5)。

通過(guò)對(duì)河北省地質(zhì)災(zāi)害已治理工程整體分析，治理效果比較明顯，運(yùn)維現(xiàn)狀較好，可靠度高等級(jí)的已治理工程為258處，占總數(shù)的91.17%。

采用建筑結(jié)構(gòu)可靠度計(jì)算法對(duì)河北省地質(zhì)災(zāi)害已治理工程可靠度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)表明，河北省內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害已治理工程中，仍存在安全隱患，建議加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，及時(shí)采取修繕加固措施，將安全隱患消除在萌芽之時(shí)。由于河北省內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育分布特征和形成機(jī)理具有復(fù)雜性，開展地質(zhì)災(zāi)害已治理工程可靠度評(píng)價(jià)還是一個(gè)探索的過(guò)程，有待于在今后實(shí)踐過(guò)程中進(jìn)一步修正。