王 旭
(中鐵上海設(shè)計院集團(tuán)有限公司 工勘院地質(zhì)所,上海 200070)
高速鐵路在通過山區(qū)時,往往需要興建大量的橋梁以及隧道。其中大量隧道進(jìn)出口的邊、仰角高陡,地質(zhì)條件惡劣,在雨水以及地震等自然災(zāi)害的作用下產(chǎn)生危巖崩塌現(xiàn)象,對路基、橋梁、隧道等的建設(shè)與運營安全影響極大。針對危巖落石的評價,國內(nèi)外尚無通行的評價方法。筆者通過查閱中外文獻(xiàn),對比分析了幾種評價方法后發(fā)現(xiàn)使用可拓法評價危巖落石風(fēng)險的優(yōu)勢明顯,只要建立合理的評價體系,通過量化評價指標(biāo),使用簡單關(guān)聯(lián)函數(shù)法計算各指標(biāo)所占權(quán)重,可以得出較為符合實際的風(fēng)險評價結(jié)果,并通過工程實例驗證了該方法的合理性。
我國學(xué)者蔡文[1]研究員于1983年創(chuàng)立了一門原創(chuàng)性橫斷學(xué)科——可拓學(xué),通過建立多指標(biāo)的評估模型來完整評價事物。邊坡危巖體崩塌落石風(fēng)險的可拓評估流程如圖1所示。
圖1 危巖落石風(fēng)險可拓評估流程圖
物元是基元類別中的一種,屬于可拓學(xué)的邏輯細(xì)胞之一。物元是形式化描述事物的基本元,由事物特征的名稱及相應(yīng)的量值構(gòu)成的有序的三元組表示,即物元=(物,特征名,量值)。給定特征c,它的量值的取值范圍稱為c的量域,也叫節(jié)域。特征的量域的一部分稱為量值域,也叫經(jīng)典域。
設(shè)物元:
式中,Rj——第j個同征物無;Nj——所劃分的第j個評價級別;Cj——第j個評價指標(biāo);Vij——Nj關(guān)于指標(biāo)Cj所規(guī)定的取值范圍,Vij=〈aij,bij〉,即經(jīng)典域。
以邊坡落石沖擊明洞結(jié)構(gòu)為研究對象時可得到物元如下:
式中,P——待評價危巖落石的全體;Vip——Vip=〈aip,bip〉為P關(guān)于指標(biāo)Ci的取值范圍,即P的節(jié)域,VijVip。
對待評的危巖P,把所收集到的統(tǒng)計數(shù)據(jù)或分析結(jié)果用物元R表示,則稱R為待評物元。
式中,p——某一具體風(fēng)險危巖;vi——p關(guān)于評價指標(biāo)ci的值,即危巖的具體指標(biāo)數(shù)據(jù)。
使用簡單關(guān)聯(lián)函數(shù)法確定各指標(biāo)的權(quán)重,其考慮到各評價指標(biāo)的權(quán)重并不是絕對的,而是相對的,隨相對具體的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)而改變,因此更具有客觀性、合理性。
設(shè)
式中,i=1,2,…,n;j=1,2,…,m。
若vi∈Vip,則有:
若指標(biāo)c1落入的級別越高,則該指標(biāo)應(yīng)賦予越大的權(quán)重,則有:
若c1指標(biāo)落入的級別越高,則該指標(biāo)應(yīng)賦予越小的權(quán)重,則有:
則指標(biāo)c1的權(quán)重為:
關(guān)聯(lián)函數(shù)可以精確反映事物所處的狀態(tài),為對象的量化帶來了方便。當(dāng)關(guān)聯(lián)函數(shù)值處于臨界值時,其發(fā)展趨勢可能向大于零或小于零的方向,也可能繼續(xù)處于臨界狀態(tài)。
式中:
隧道洞口段待評危巖落石風(fēng)險等級的關(guān)聯(lián)函數(shù)如下:
若
則p評定屬于等級j0。
令
則j*稱為p的級別變量特征值。例如j0=3,j*=3.5則表明待評對象p的風(fēng)險處于j0=3級,即為3級風(fēng)險,嚴(yán)格評價應(yīng)屬于3.5級,即j*代表p所屬等級偏向另一級的程度。
基于以往研究[2],危巖落石災(zāi)害的發(fā)生可以總結(jié)為兩個過程:①危巖脫離基巖;②落石在邊坡上運動。綜合考慮各種影響因素,適用于可拓法研究的危巖落石影響因素有十二條[3],分別為:巖石本身風(fēng)化程度、溫差、濕度、巖石類型與特性、地震發(fā)生的概率、地震發(fā)生的烈度、降水量、落石高度、落石質(zhì)量、落石形狀、邊坡坡度、植被覆蓋率。
回顧以往研究,往往直接使用模型計算得出風(fēng)險評價等級結(jié)論。該文提出了一種新型的雙風(fēng)險評價體系,通過對指標(biāo)的合理劃分,可顯著改善風(fēng)險評價的效果。
雙風(fēng)險評價體系的優(yōu)點:通過劃分,將影響當(dāng)下的風(fēng)險指標(biāo)與影響未來發(fā)生風(fēng)險的指標(biāo)區(qū)分開來,有利于分析危險源,更準(zhǔn)確地揭示了風(fēng)險源和人力可以改變的風(fēng)險程度。
現(xiàn)將評價指標(biāo)劃分為兩大類:①現(xiàn)時風(fēng)險;②未來風(fēng)險。
現(xiàn)時風(fēng)險指目前待評區(qū)域發(fā)生災(zāi)害的風(fēng)險性,指標(biāo)包括:巖石本身風(fēng)化程度、落石形狀、落石質(zhì)量、落石高度、巖石類型與特性、邊坡坡度、植被覆蓋率?,F(xiàn)時風(fēng)險可通過人工工程措施進(jìn)行改善,從而降低當(dāng)下發(fā)生風(fēng)險的可能性。
未來風(fēng)險指的是待評區(qū)域?qū)戆l(fā)生災(zāi)害的風(fēng)險性,屬于區(qū)域性,人力難以改變的因素。指標(biāo)包括:地震發(fā)生的概率、地震發(fā)生的烈度、降水量、溫差、濕度、植被覆蓋率、巖石類型與特性。
目前針對落石沖擊隧道明洞的風(fēng)險評價相對較少,因此風(fēng)險評價等級劃分時,應(yīng)根據(jù)對以往危巖崩塌落石風(fēng)險評價的研究[4],并結(jié)合工程實際聯(lián)合確定。將落石風(fēng)險等級定為極低風(fēng)險(Ⅰ)、低風(fēng)險(Ⅱ)、中等風(fēng)險(Ⅲ)、高風(fēng)險(Ⅳ)與極高風(fēng)險(Ⅴ)五類,其相應(yīng)的評價標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)以往的風(fēng)險評價等級,結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)條件與明洞情況綜合確定,如表1所示。
表1 危巖落石風(fēng)險評價參數(shù)
將評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行無量綱化處理,確定其各指標(biāo)所處的風(fēng)險等級。
若計算后的數(shù)值越大,風(fēng)險越低,對安全越有利,采用下式計算:
若計算后的數(shù)值越大,風(fēng)險越高,對安全不利,采用下式計算:
根據(jù)野外調(diào)繪工作結(jié)果顯示該山區(qū)某隧道進(jìn)口段處危巖落石情況突出,現(xiàn)選取該段危巖體作為研究對象,使用可拓法進(jìn)行風(fēng)險評估。
根據(jù)現(xiàn)場實際情況并結(jié)合當(dāng)?shù)刈匀粭l件因素,獲得現(xiàn)時風(fēng)險評價體系具體信息,如表2所示。
表2 隧道進(jìn)口段危巖體現(xiàn)時風(fēng)險評價參數(shù)
根據(jù)收集到的水文地質(zhì)資料,以及現(xiàn)場踏勘采集信息,得到以下該區(qū)域未來風(fēng)險評價指標(biāo),如表3所示。
表3 隧道進(jìn)口段危巖體未來風(fēng)險評價參數(shù)
根據(jù)式(2)~(16),求得巖塊現(xiàn)時風(fēng)險等級與相應(yīng)的變量特征值如表4所示。
表4 危巖體現(xiàn)時風(fēng)險等級評定結(jié)果
求得該區(qū)域巖塊未來風(fēng)險等級與相應(yīng)的變量特征值如表5所示。
表5 危巖體未來風(fēng)險風(fēng)險等級評定結(jié)果
根據(jù)風(fēng)險評價結(jié)果,該山區(qū)高鐵沿線地質(zhì)情況較為復(fù)雜,歷史上發(fā)生過7級以上地震,存在大型斷裂,斷裂分布較密集;降雨量大,空氣較為濕潤,裸露巖石易風(fēng)化。綜合各自然地理指標(biāo),擬建鐵路沿線危巖落石災(zāi)害未來風(fēng)險等級普遍較高,顯示該區(qū)域自然地理條件易發(fā)展危巖落石災(zāi)害,在后續(xù)的建設(shè)及運營過程中,需持續(xù)觀測發(fā)展情況。
(1)使用可拓法進(jìn)行危巖落石風(fēng)險等級的評估是合理的、可行的,其標(biāo)準(zhǔn)、量化了危巖落石風(fēng)險等級的評價,對實現(xiàn)地質(zhì)選線起到了積極的輔助指導(dǎo)意義。
(2)分析研究了構(gòu)成危巖落石風(fēng)險評價體系的各個指標(biāo),探討了指標(biāo)相關(guān)性對可拓法使用的影響,建立了符合獨立性原則的風(fēng)險評估體系,改善了模型結(jié)論的精度。
(3)提出、建立了危巖落石雙風(fēng)險評價體系。通過劃分,將影響當(dāng)下的風(fēng)險指標(biāo)與影響未來發(fā)生風(fēng)險的指標(biāo)區(qū)分開來,更有利于分析危險源,更準(zhǔn)確地揭示了不可抗拒的自然風(fēng)險程度和人力可以改變的風(fēng)險程度。
(4)將建立的模型應(yīng)用于山區(qū)高鐵的地質(zhì)選線工作中,與現(xiàn)場吻合程度高,起到了良好的輔助指導(dǎo)作用。