魏少偉，雷大鵬，盧大瑋，顏志雄，張玉芳( 1．中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081; 2．高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081; ．西安鐵路局工務(wù)處，陜西西安　710054)

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山區(qū)既有鐵路地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081; 2．高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081; 3．西安鐵路局工務(wù)處，陜西西安710054)

摘要:提出一種針對(duì)山區(qū)鐵路既有線地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。首先，對(duì)自然山體地質(zhì)災(zāi)害類型及嚴(yán)重程度進(jìn)行調(diào)查分析，結(jié)合既有防護(hù)工程的適宜性及技術(shù)狀況評(píng)價(jià)，得出災(zāi)害危險(xiǎn)性概率等級(jí);其次，依據(jù)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生后影響范圍及恢復(fù)通車快慢，得出災(zāi)害事故損失等級(jí);最后，由災(zāi)害危險(xiǎn)性概率與事故損失的乘積得到災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

關(guān)鍵詞:鐵路地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估損失等級(jí)危險(xiǎn)性概率風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

1　概述

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

山區(qū)鐵路沿線的地質(zhì)災(zāi)害，具有線長(zhǎng)點(diǎn)多、災(zāi)害類型豐富、基礎(chǔ)資料不完善、防治要求高等突出特點(diǎn)。要做到科學(xué)防治、主動(dòng)防治，應(yīng)首先建立科學(xué)合理的地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估體系，這樣才能“有的放矢”、“對(duì)癥下藥”。

目前地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理論研究基本形成兩個(gè)研究方向:

1)以統(tǒng)計(jì)分析方法、地理工程技術(shù)方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法等定量評(píng)價(jià)為基礎(chǔ)，建立針對(duì)區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法［1-5］。數(shù)學(xué)方法若不能在詮釋鐵路沿線地質(zhì)災(zāi)害本身的發(fā)生、發(fā)展規(guī)律上獲得新知的話，勢(shì)必不太可能得出更好的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果。

2)以可靠度理論為基礎(chǔ)，針對(duì)單點(diǎn)災(zāi)害的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法［6］。該類方法不適宜鐵路沿線地質(zhì)災(zāi)害線長(zhǎng)點(diǎn)多、基礎(chǔ)資料不完善等特點(diǎn)，僅適用于重點(diǎn)災(zāi)害點(diǎn)的評(píng)估。

針對(duì)鐵路既有線地質(zhì)災(zāi)害特點(diǎn)，上述兩類方法均不適用，目前我國(guó)也尚未形成完整、統(tǒng)一的山區(qū)鐵路既有線地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。

基于鐵路沿線地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估的現(xiàn)實(shí)需求，對(duì)西安、廣西、昆明、南寧等鐵路局地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)研，提出一種在既有防護(hù)工程的適宜性、技術(shù)狀況評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，采用安全性評(píng)價(jià)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)相結(jié)合的定性、定量地質(zhì)災(zāi)害綜合評(píng)估方法。

2地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程

風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)是根據(jù)災(zāi)害發(fā)生的危險(xiǎn)性概率和風(fēng)險(xiǎn)事故損失來(lái)綜合評(píng)級(jí)的。風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)可表征為風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生的概率和事故損失的乘積。地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估流程見圖1。

圖1地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估流程

3地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)包括:①地質(zhì)災(zāi)害類型;②擋護(hù)設(shè)施的適宜性評(píng)價(jià);③擋護(hù)設(shè)施的技術(shù)狀況評(píng)價(jià);④地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性概率評(píng)價(jià);⑤地質(zhì)災(zāi)害事故損失評(píng)價(jià);⑥地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí);⑦防治等級(jí)。

3. 1地質(zhì)災(zāi)害類型

鐵路既有線地質(zhì)災(zāi)害類型分兩大類:邊坡病害與擋護(hù)結(jié)構(gòu)病害(受地質(zhì)災(zāi)害影響)。

3. 1. 1邊坡病害

邊坡病害包括崩塌落石、風(fēng)化剝落、滑坡、溜坍、泥石流、河流沖刷等。

3. 1. 2擋護(hù)結(jié)構(gòu)病害

擋護(hù)結(jié)構(gòu)病害從成因分為三大類:①因自身質(zhì)量問題導(dǎo)致的病害;②因自身承載力不足導(dǎo)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(zhì)量問題導(dǎo)致的病害:①墻體幾何尺寸不足(與設(shè)計(jì)比較) ;②墻體材料不符合要求;③墻體有空洞;④墻體粘結(jié)不足。

2)因擋墻承載力不足導(dǎo)致的病害:①基礎(chǔ)滑動(dòng)破壞;②繞墻趾轉(zhuǎn)動(dòng)的破壞;③基礎(chǔ)產(chǎn)生不均勻沉陷;④墻身剪切破壞;⑤沿軟弱層破裂面滑動(dòng)。

3)擋墻排水系統(tǒng)失效:①泄水孔結(jié)構(gòu)、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(hù)設(shè)施適宜性評(píng)價(jià)

擋護(hù)設(shè)施的適宜性評(píng)價(jià)，首先是通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，從地形地質(zhì)條件、現(xiàn)場(chǎng)病害情況和歷史病害記錄等信息，判斷邊坡是否存在災(zāi)害，或者災(zāi)害的類型。再?gòu)默F(xiàn)狀擋護(hù)結(jié)構(gòu)類型對(duì)地質(zhì)災(zāi)害主要因素的抑制作用進(jìn)行適宜性評(píng)價(jià)。

可從宏觀上進(jìn)行大致的定性判斷。導(dǎo)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(duì)擋護(hù)設(shè)施有不同的破壞力。從擋護(hù)設(shè)施對(duì)產(chǎn)生邊坡病害主要因素的控制程度和對(duì)變形破壞力抵抗的有效性兩個(gè)方面，將擋護(hù)設(shè)施的適宜性劃分為4個(gè)等級(jí)，見表1。

表1擋護(hù)設(shè)施的適宜性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)劃分

3. 3擋護(hù)設(shè)施技術(shù)狀況評(píng)價(jià)

擋護(hù)設(shè)施技術(shù)狀況評(píng)價(jià)主要從擋護(hù)設(shè)施質(zhì)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(lái)評(píng)價(jià)擋護(hù)設(shè)施的缺損程度。據(jù)此進(jìn)行技術(shù)狀況的評(píng)價(jià)，評(píng)估擋護(hù)結(jié)構(gòu)抵抗災(zāi)害的能力。

擋護(hù)設(shè)施的三個(gè)組成部分護(hù)坡、擋墻、排水的權(quán)重分別為W1= 20%，W2= 60%，W3= 20%，其中護(hù)坡的組成部件片石、勾縫、基礎(chǔ)、坡高及坡率的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2護(hù)坡各組成部件評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

綜合一級(jí)指標(biāo)權(quán)重與二級(jí)指標(biāo)權(quán)重，可得擋護(hù)設(shè)施自身質(zhì)量評(píng)定等級(jí)。綜合評(píng)定方法見表3。根據(jù)不同邊坡?lián)踝o(hù)設(shè)施的特點(diǎn)，采用專家評(píng)估法確定各組成部分的一級(jí)指標(biāo)權(quán)重和組成部件的二級(jí)指標(biāo)權(quán)重。

3. 4地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性概率評(píng)價(jià)

目前鐵路邊坡設(shè)計(jì)多采用安全系數(shù)法，安全系數(shù)K越高，邊坡災(zāi)害發(fā)生的可能性越小。

針對(duì)邊坡安全(穩(wěn)定)系數(shù)的評(píng)價(jià)，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(shù)法。既有線病害工點(diǎn)的極限平衡法，要考慮擋護(hù)設(shè)施技術(shù)狀況對(duì)其承載能力的影響。

表3邊坡?lián)踝o(hù)設(shè)施自身質(zhì)量等級(jí)綜合評(píng)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(guān)系。由于滑體和滑帶的變形在地表形變和形跡上出現(xiàn)明顯可區(qū)分的跡象，徐邦棟［7］將滑坡滑動(dòng)依次劃分為蠕動(dòng)、擠壓、微動(dòng)、滑動(dòng)、大動(dòng)和固結(jié)6個(gè)發(fā)育階段。依據(jù)滑坡變形跡象6階段的總結(jié)，本項(xiàng)目中變形跡象與邊坡安全狀況劃分標(biāo)準(zhǔn)見表4。

表4邊坡變形跡象與安全狀況劃分標(biāo)準(zhǔn)

邊坡安全狀況與危險(xiǎn)性概率的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表5。

表5災(zāi)害發(fā)生概率等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3. 5地質(zhì)災(zāi)害事故損失評(píng)價(jià)

地質(zhì)災(zāi)害事故損失評(píng)價(jià)，按災(zāi)害發(fā)生后影響范圍及恢復(fù)通車快慢劃分，見表6。

表6風(fēng)險(xiǎn)事故損失等級(jí)評(píng)價(jià)

3. 6地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)可表征為風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生的概率和事故損失的乘積，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分見表7。

表7風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

3. 7防治等級(jí)

對(duì)應(yīng)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，提出鐵路地質(zhì)災(zāi)害防治等級(jí)，見表8。

表8地質(zhì)災(zāi)害防治等級(jí)

4　工程實(shí)例分析

4. 1工程概述

1)地形地貌:寶成K320 + 472—K320 + 770左側(cè)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(zhì)條件:坡體表層為碎石土，下覆基巖為粉砂巖，強(qiáng)～中風(fēng)化，強(qiáng)風(fēng)化巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育，整體破碎，呈紅褐色;中風(fēng)化巖體巖質(zhì)較硬，呈深褐色。邊坡巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育，巖層順傾，局部發(fā)現(xiàn)順坡向泥質(zhì)夾層，不利于邊坡穩(wěn)定。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，巖層產(chǎn)狀355°∠25°，結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀:①170°∠84°;②187°∠24°。

圖2工點(diǎn)全貌

3)地下水情況:現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，正在施工的地段局部見地下水出露，土體潮濕。

4)原設(shè)計(jì)情況:邊坡下部采用漿砌護(hù)面墻防護(hù)。

4. 2病害情況

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

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)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(jié)構(gòu)面強(qiáng)度軟化，易發(fā)生滑坡(見圖3)。調(diào)查時(shí)該處正進(jìn)行排水涵洞施工，從施工開挖出露能清晰看出坡體內(nèi)泥化夾層受水滲透的情況。同時(shí)該處護(hù)面墻片石尺寸、規(guī)格及整體厚度均存在一定質(zhì)量問題，難以有效起到抑制巖土體變形及滑動(dòng)的效果(見圖4)。同時(shí)，在護(hù)面墻發(fā)現(xiàn)多處裂縫。從現(xiàn)有調(diào)查情況分析，該處病害與各級(jí)護(hù)面墻基礎(chǔ)承載力不足有直接關(guān)系，但護(hù)面墻的進(jìn)一步損毀，易造成后部坡體淺層滑動(dòng)，邊坡災(zāi)害斷面示意如圖5。

圖3泥化夾層

圖4坡體內(nèi)順坡向結(jié)構(gòu)面發(fā)育及護(hù)面墻缺損

圖5邊坡災(zāi)害斷面示意(單位: m)

2)災(zāi)害類型及規(guī)模:災(zāi)害類型為滑坡，可滑總方量約為1. 75萬(wàn)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(zāi)害(病害)評(píng)價(jià)

1)適宜性評(píng)價(jià)。邊坡災(zāi)害類型為滑坡，滑體距線路垂直高度在4～30 m。采用漿砌護(hù)面墻防護(hù)對(duì)滑坡的抑制作用小，不適宜，屬四級(jí)。

2)技術(shù)狀況評(píng)價(jià)。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，該處漿砌防護(hù)墻整體質(zhì)量存在問題，且局部已出現(xiàn)病害。其中，從調(diào)查可知，片石規(guī)格、厚度均不達(dá)標(biāo)，取片石評(píng)分R1= 4(差) ;坡面局部勾縫脫落、片石間漿體強(qiáng)度差，取勾縫評(píng)分R2= 4(差) ;調(diào)查過程五級(jí)護(hù)坡有整體下錯(cuò)趨勢(shì)，各級(jí)護(hù)坡未做地基處理，基礎(chǔ)承載力嚴(yán)重不足，取基礎(chǔ)評(píng)分R3= 5(危險(xiǎn)) ;邊坡最高約20 m，坡度約70°，取坡高及坡率評(píng)分R4= 4(差)。詳細(xì)分值見表9。

表9技術(shù)狀況評(píng)價(jià)詳細(xì)分值

3)災(zāi)害危險(xiǎn)性概率評(píng)價(jià)。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，邊坡為順層邊坡，局部形成泥化夾層，雨水下滲造成該結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度軟化，易發(fā)生滑坡。目前該邊坡護(hù)面墻體已局部開裂，坡體后緣出現(xiàn)局部環(huán)形不連續(xù)微裂縫。依據(jù)變形跡象法，邊坡處于主滑蠕動(dòng)階段，1. 10≤K＜1. 15，確定其災(zāi)害危險(xiǎn)性概率屬二級(jí):偶爾發(fā)生。

4)災(zāi)害事故損失評(píng)價(jià)。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，邊坡可滑總方量約為1. 75萬(wàn)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?；麦w侵線后需較長(zhǎng)時(shí)間搶險(xiǎn)才能通車，確定其災(zāi)害事故損失評(píng)價(jià)屬四級(jí):特大。

5)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)。根據(jù)表8該工點(diǎn)對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)屬三級(jí):高度風(fēng)險(xiǎn)。

6)防治措施建議、造價(jià)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(shè)置在二級(jí)坡面，一、三級(jí)坡設(shè)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(jià)估算: ( 3 000 + 3 500)×500 = 325萬(wàn)元;防治等級(jí):盡快整治;近中遠(yuǎn)期規(guī)劃:中期。

5主要結(jié)論及需改進(jìn)工作

5. 1主要結(jié)論

1)在山區(qū)鐵路沿線地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估實(shí)踐基礎(chǔ)上，提出一種在既有防護(hù)工程的適宜性、技術(shù)狀況評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，采用安全性評(píng)價(jià)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)相結(jié)合的定性、定量綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。

2)以寶成線K320 + 472—K320 + 770左側(cè)邊坡為例，對(duì)該方法應(yīng)用進(jìn)行闡述與示范。

5. 2需改進(jìn)工作

1)加強(qiáng)崩塌落石定量分析，包括穩(wěn)定性分析、落石范圍計(jì)算等;

2)事故損失評(píng)價(jià)中，引入災(zāi)害點(diǎn)周邊環(huán)境、災(zāi)害點(diǎn)可視條件等影響因素，完善事故損失評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn);

3)針對(duì)目前鐵路地質(zhì)災(zāi)害管理現(xiàn)狀，建立實(shí)用、便捷、合理的地質(zhì)災(zāi)害信息管理平臺(tái)。

參考文獻(xiàn)

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［7］徐邦棟．滑坡分析與防治［M］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2001．

(責(zé)任審編趙其文)

聲明

本刊重申:稿件凡經(jīng)本刊發(fā)表，即視為作者同意授權(quán)本刊代理其作品電子版信息有線和無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)傳播權(quán);并且本刊有權(quán)授權(quán)第三方進(jìn)行電子版信息有線和無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)傳播。本刊支付的稿費(fèi)已包括上述使用方式的費(fèi)用。作者如不同意，請(qǐng)投稿時(shí)申明。

《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(hào):1003-1995( 2016) 01-0053-06

中圖分類號(hào):U216．41+9．2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

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

作者簡(jiǎn)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