崔志強 孫亞麗

（衢州學院建筑工程學院，衢州324000，中國）

0 引 言

關于地質災害風險等級評估的研究仍是地質災害研究領域的重要課題之一。落石作為一種常見的地質災害，其屬于崩塌的一種表現(xiàn)類型，包括巖石碎片的分離和它們的自由落體，隨后的滾動、滑動、彈跳和斜坡底部附近的沉積，并被描述為最快的滑坡類型（劉傳正，2015，2019）。關于地質災害風險的概念，1984年聯(lián)合國教科文組織UNESCO將其定義為：因為某種特定的自然災害的影響對經(jīng)濟、社會、人口所可能產(chǎn)生的損失（馬寅生等，2004）。斜坡形態(tài)測量和潛在的落石特征是決定巖石是否會落下的最重要因素。對于自由落體的巖石塊，雖然速度受空氣摩擦的影響，但對運動的影響較?。╒ishal et al.，2017）。在一些歷史悠久的特殊地貌山體，或是長久經(jīng)受降雨侵蝕和風化剝削的山體，落石現(xiàn)象尤為常見，并且其具有發(fā)生時間和位置的不確定性，墜落速度快、危害大的特點（馬貴臣，2019），導致了許多突發(fā)事件的發(fā)生。譬如2019年2月8日20：07分發(fā)生在北京龍慶峽冰燈展因山體碎石墜落致數(shù)名游客受傷，共有13人前往醫(yī)院救治，更有一名游客不幸身亡（魯暢等，2019）；以及2015年3月19日上午，廣西壯族自治區(qū)的桂林疊彩山景區(qū)發(fā)生巖石掉落現(xiàn)象，掉落的巖石剛好砸中從游船上下來的某旅行團游客，導致數(shù)名游客死傷的事件（楊晨等，2015）。

胡厚田（1989，1996）通過統(tǒng)計大量數(shù)據(jù)對落石進行宏觀預測，采用模糊評判法對山體落石的穩(wěn)定性進行評估；張路青等（2004，2005）針對危巖落石發(fā)育條件的影響因素進行評分，進而評估危巖體落石的危險性；鄭黎明（1994）對災害長期的發(fā)展做了相關預測；鞏尚卿等（2014）將落石災害的危險性評價轉換為概率形式進行表達，進而獲得危巖落石的危險程度；王廣坤等（2014）基于泊松分布提出了威脅區(qū)內落石災害年均概率計算方法；武中鵬等（2019）以貴州威寧縣新發(fā)鄉(xiāng)樊家?guī)r為例，根據(jù)蒙特卡洛法計算不同情況下的危巖失穩(wěn)概率，模擬落石軌跡／圈畫影響范圍劃分高中低危險區(qū)。但總體而言，在進行落石防災減災工程、落石區(qū)域劃分及安全區(qū)域土地規(guī)劃時，較多仍是按照經(jīng)驗進行，缺乏相關量化評價作為決策依據(jù)。在國外，落石災害風險性分級一直被作為受落石威脅地區(qū)一切工程建設活動的首要決策依據(jù)，同樣也建立了一些定量風險性分級和評價方法，如加拿大國家鐵路部－落石災害和風險評估系統(tǒng)（RHRA Rating System）（Pritchard et al.，2005）、美國俄勒岡交通部－落石災害評級系統(tǒng)（Rockfall Hazard Rating System，RHRS）（Federnal Highway Administration of USA，1993）。原始RHRS落石風險評估系統(tǒng)是由12個所謂的影響因子組成（Antoniou，2013），通過這些影響因子對山體進行評估和評分并且對分數(shù)進行匯總。對于每個影響因子，評分標準分數(shù)從3分以指數(shù)形式增加到81分（設定分數(shù)僅僅代表從1～100的連續(xù)分數(shù)）。這些影響因子包含關于山體各類物理性危險特征（斜坡高度、地質特征、落石體積／塊體大?。?、誘發(fā)落石原因（主要考慮降雨因素和斜坡上有水）和歷史落石頻率等幾個要素。原評級系統(tǒng)還考慮了影響時間、空間概率的因素以及風險要素的脆弱性（溝渠效率、平均車輛風險、決策視距百分比、道路寬度）。但由于本文研究是針對景區(qū)內部進行的評級，所以不考慮交通與道路方面的類別，故將評分系統(tǒng)簡化為7個有效影響因子（斜坡高度、不連續(xù)性指數(shù)、巖石摩擦程度、巖體結構條件、落石體積／塊體大小、年均降雨量、歷史落石程度）。顯然，最后總分越高也就意味著落石風險越大。

最后，關于落石風險允許標準需通過FN曲線與ALARP（as low as reasonable practicable）原則（UK Parlianment，1974）相結合的方法來確定（徐繼維等，2016），并以此來作為風險決策的重要判據(jù)。

本文將借鑒上述國外對落石災害風險的有關定義及處理辦法對衢州藥王山及江郎山景區(qū)落石災害風險進行評估與決策。其目的是為了初步建立起一個簡單的景區(qū)落石風險評價體系，使得景區(qū)落石風險評價及防災減災具有理論和技術支撐，進而能全面分析地質災害活動與人類社會關系，定量化地去評價地質災害的破壞效應。

1 研究對象區(qū)域地質概況

藥王山由上侏羅統(tǒng)磨石山群構成，形成于侏羅紀晚期－早白堊紀，距今約1×108～1.5×108年前。區(qū)內到處可見縱橫交錯的溝壑，典型的“V”字型山谷，該地貌與其附近江西的三清山以及安徽的黃山類似，均屬火成巖奇峰地貌，局部為丹霞地貌。江郎山屬于丹霞地貌的典型代表，其地表以上大部分巖體為侏羅紀火山巖和白堊系盆地紅色沉積巖，地理位置處于江山—紹興深斷裂帶和保安—峽口—張村斷裂帶之間的峽口盆地中。其中江山—紹興深斷裂帶為穿越硅鋁層達硅鎂層的斷裂，控制著斷裂帶兩側地質構造的發(fā)展，保安—峽口—張村斷裂帶較之江山—紹興深斷裂帶為次一級斷裂（彭花明等，2001）。

藥王山區(qū)內地層形成于侏羅紀晚期或白堊紀，距今約1×108～1.5×108年前。境域在地質構造上屬“巨龍頂火山推測噴發(fā)中心”，由火山碎屑巖、花崗巖、片麻巖構成，系燕山期火山巖。區(qū)內溝壑縱橫，山谷呈典型的“V”字型，其地貌與安徽的黃山、江西的三清山同屬火成巖奇峰地貌和局部丹霞地貌，為峰巒盤踞的深谷奇峰景觀。江郎山位于華夏古陸西北緣江紹斷裂帶南塢─和睦斷層與新屋—張村斷層之間的峽口盆地中。該盆地呈北東向展布，由白堊紀紫紅色砂礫巖組成，長約30ikm，寬約10ikm，是由火山噴發(fā)所產(chǎn)生的大量火山巖及花崗巖類的侵入，在晚元古代變質巖基底上覆蓋巨厚的火山巖，經(jīng)過后期慢慢的抬升與下沉逐漸成型。因此該盆地周圍主要為侏羅紀的火山巖，其次為晚元古代變質巖（彭花明等，2001）。

2 落石災害評級系統(tǒng)RHRS相關概述

目前，很多國家，甚至同一國家內不同地區(qū)都擁有自己的RHRS評級體系，因為所處地理位置與環(huán)境的不同致使各自評級系統(tǒng)所考慮的影響因子不同。落石危險等級的概念最初是由加拿大太平洋鐵路部所提出，隨后又公布了第一個全國范圍內的落石災害等級指數(shù)分級系統(tǒng)。該系統(tǒng)后來在1984年被俄勒岡交通部所修改，并作為落石災害評級依據(jù)。

本文將以RHRS評價系統(tǒng)（Ferlisi et al.，2012）為基礎并結合景區(qū)實際情況進行評分，選用多個影響因子（表1）對景區(qū)落石災害危險性進行分析。最后以綜合分數(shù)高低來評定落石災害風險性。

該評級系統(tǒng)為研究落石災害提供了良好的工具。可用于確定給定區(qū)域內落石災害危險程度，以便采取相應補救措施。

3 影響因子及數(shù)據(jù)處理

3.1 斜坡高度

斜坡高度這一影響因子，在定義潛在落石強度時考慮了巖石塊釋放區(qū)域的高度。斜坡上的巖石位置越高，其勢能就越大。藥王山馬尾瀑、和江郎山一線天所測量的高度均是代表斜坡的垂直高度。測量是從落石預計下落的最高點開始的。如果預計落石來自切口上方的天然斜坡，則使用總垂直高度。

分數(shù)計算的原始RHRS指數(shù)函數(shù)（Ferlisi et al.，2012）為：

式中：H為總垂直高度（m）。

經(jīng)實地勘測，藥王山馬尾瀑高度落差75.8im，江郎山一線天高度落差312im，均已高于30im，因此根據(jù)表1可得出斜坡高度影響因子相應的風險評分均為81。

3.2 巖體結構和不連續(xù)性指數(shù)

在建議的落石風險評級系統(tǒng)實施過程中，通過表2將巖體所具有的塊狀性質和節(jié)理的方向與其風化條件和粗糙度聯(lián)系起來，并產(chǎn)生了一個名為結構和不連續(xù)性指數(shù)（SDI）的影響因子。該指數(shù)基于對巖體中不連續(xù)面的巖性、結構和條件的評估，且僅對露出的巖體進行估算。

表1 有關詳細評級的類別摘要表（Antoniou，2013）Table 1 Summary table of influencing factors for detailed rating in RHRS（Antoniou，2013）

分數(shù)計算的原始RHRS指數(shù)函數(shù)（Ferlisi et al.，2012）為：

式中：SDI指數(shù)具體參照表2。

對于嚴重破碎的巖體或者剪切巖體，巖石滑動是最可能的破壞類型，并且根據(jù)現(xiàn)場勘測景區(qū)內巖體很少出現(xiàn)不連續(xù)的節(jié)理。經(jīng)詳細的地質調查得出了關于藥王山馬尾瀑處巖體不連續(xù)性指數(shù)在40和50之間的值。江郎山巖體特征是部分受擾動的巖體，其塊體由許多節(jié)理切割形成，其中至少兩個節(jié)理呈現(xiàn)相反的方向，而節(jié)理是粗糙不規(guī)則的起伏平面，因此50～70之間的結構和不連續(xù)性指數(shù)數(shù)值更適合于該山體。計算時為得到準確數(shù)值以便于后期評估風險，可取其平均值進行評分，分別為45、60。由此帶入式（2）可得藥王山結構和不連續(xù)性指數(shù)評分為7；江郎山結構和不連續(xù)性指數(shù)評分為4.2。

3.3 年均降雨量

在降雨過后，雨水侵蝕巖壁致使巖壁上的危巖體出現(xiàn)急劇變形，并且由于雨水的滲入，使周圍巖體產(chǎn)生靜水壓力及動水壓力，也就是說將會在裂縫中產(chǎn)生瞬時孔隙水壓力，致使原有裂縫發(fā)生水力劈裂（黃勇等，2018），雨水不僅會進一步軟化巖體結構面之間的充填物，使其抗剪強度降低，還會使其內部黏土液化產(chǎn)生膨脹力，進一步破壞巖體的穩(wěn)定性，促使危巖體失穩(wěn)，從而誘發(fā)落石（汪華斌等，2019）。在RHRS系統(tǒng)中對這些參數(shù)進行了定性估計，而在上述評級系統(tǒng)中將其分為4類：年降雨量少于600imm的地區(qū)被定性為低降雨量地區(qū)，年降雨量超過600imm但不足1200imm的地區(qū)被定性為中降雨量地區(qū)，年降雨量超過1200imm但不足1800imm的地區(qū)被定性為中至高降雨量地區(qū)，降水區(qū)和最終每年降雨量超過1800imm的地區(qū)被稱為高降水區(qū)。

分數(shù)計算的原始RHRS指數(shù)函數(shù)（Ferlisi et al.，2012）為：

式中：x為降雨量（mm）。

根據(jù)氣象報道所得到的衢州2018年各月份降雨量（圖1）可計算出的衢州全年平均降雨量x為320imm少于600imm，整個地區(qū)為低降雨量地區(qū)，分值應按照表1取為3。其他對危巖體的影響還有風化作用、卸荷作用、植物以及人類活動的影響，由于RHRS所考慮影響因子為降雨量，所以其他因素不展開研究。

圖1 衢州2018年各月降雨量及全年平均降雨量統(tǒng)計Fig.1 Statistics of monthly rainfall and annual mean rainfall in Quzhou in 2018

表2 不連續(xù)指數(shù)表（SDI）Table 2 Structural and discontinuities index（SDI）

3.4 落石體積

通過現(xiàn)場調查，選取了藥王山落石分布較為集中且密集的區(qū)域——馬尾瀑下方水潭周邊（圖2），江郎山—一線天（圖3），從圖中可以看出該區(qū)域散布著較多的堆積體，根據(jù)在兩個景區(qū)內所測的大量數(shù)據(jù)顯示，落石的主要形狀為塊狀和板狀，還有一些三角形、三棱柱和條狀。塊狀落石由于其幾何面的尺寸相差較小，所以易于沿碰撞坡面滾動且距離相對較遠；而板狀落石由于其幾何面的長度與寬度較高度相差較大，所以脫離母巖后難以發(fā)生滾動，但會沿碰撞坡面發(fā)生相對的滑動現(xiàn)象。

圖2 藥王山馬尾瀑下方水潭落石密集處Fig.2 Rockfalls concentrated at the bottom of Mawei Waterfall in Yaowangshan Mountain

圖3 江郎山一線天全貌Fig.3 The panorama of Jianglang Mountain

藥王山和江郎山的落石石塊體積數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析（圖4）如下，根據(jù)在現(xiàn)場收集的落石，藥王山落石體積主要集中在3.67×10－4～7.98×10－7m3，江郎山落石體積主要集中在2.64×10－4～1.75×10－7m3并且區(qū)域塊石較為零散，塊體體積一般較小。參照表1可得落石體積對應評分皆為3。

3.5 歷史落石程度

落石歷史這一信息最好從負責落石的維護人員處獲得，它直接代表了現(xiàn)場已知的活動。不過鑒于所研究的景區(qū)首次被作為參考樣本，沒有可用的歷史記錄，所以可以根據(jù)公式進行推測，引用分數(shù)的指數(shù)函數(shù)（Ferlisi et al.，2012）如下：

圖4 落石石塊體積與數(shù)量分布圖Fig.4 Volume and quantity distribution diagram of rockfall rocks

式中：x相關評價系數(shù)（具體參照表1）

在目前的工作中，落石頻率是根據(jù)可用的歷史事故數(shù)據(jù)來計算的。由于缺少事故數(shù)據(jù)的記錄部分，所以頻率被假定為“低”，評分為3（表3）。

表3 落石歷史類別采用的分數(shù)Table 3 Adopted scores for rockfall history category

3.6 巖石摩擦程度和結構條件

巖石摩擦程度是根據(jù)巖體材料特性、表面粗糙程度和填充特性所決定的，結構條件則是由于侵蝕所造成的。若巖體發(fā)生松動，可以根據(jù)松動巖體表面物理性質和侵蝕程度來描述（表1）。其分值評定并無相應公式，應根據(jù)實際地質情況進行分析評定。

結合景區(qū)實際情況以及對采集樣本分析可知藥王山其巖體表面物理性質多為平面、條紋狀且具有較多侵蝕特征；江郎山巖體表面為粗糙、不規(guī)則狀，侵蝕特征較少。因此，參照表1可得其巖石摩擦程度評分分別為20、11；結構條件評分分別為25、12。

4 RHRS風險綜合評價及落石災害風險決策

4.1 風險綜合評價結果

景區(qū)內引入了一個基于RHRS落石風險評估系統(tǒng)，旨在可以更加有效預測景區(qū)內風險，以便幫助減少景區(qū)內的落石災害事件的發(fā)生。其中各項指數(shù)評分函數(shù)被用來表示增加的危險。上述方法根據(jù)景區(qū)內實際有效的影響因子修改為7項，這些影響因子被定性描述并進行相當主觀的估計。此外，原始地質特征RHRS方法考慮了兩組地質因素，第1種包括斜坡或切口，其中節(jié)理、層理面或其他不連續(xù)性是主要的結構特征。不連續(xù)面上的巖石摩擦由巖石材料的抗壓強度以及任何填充土壤的表面粗糙度和物理性質決定。第2種則是以差異侵蝕或坡度過大為主要因素，控制落石的發(fā)生。對于這兩種情況，評分標準在最初的RHRS方法中是定性固定的。但就研究區(qū)而言，主要地質因素是第一種的因素，所以將原始類別“地質特征”改為“不連續(xù)性指數(shù)”（表4）。

表4 落石分級系統(tǒng)應用實例Table 4 Application example of the rockfall rating system

上述方法通過對落石風險系統(tǒng)的影響因子進行評分來對落石進行評估，結果如表4所示。參考HRHS歷史評定標準（Antoniou，2013），并結合景區(qū)實際情況將總分低于230的視為緊急程度較低的補救工程，而總分高于390的則需要立即采取穩(wěn)定措施。由表4中得到的評分結果來看，藥王山與江郎山的風險等級并不是很高，屬于緊急性較低補救工程。最后，結合風險允許標準并根據(jù)可接受風險程度進行風險決策。

4.2 風險允許標準

目前，國際上公認的風險允許標準評價法主要有4種，分別是生活質量指數(shù)法、成本效益法、矩陣法以及FN曲線法（陳偉，2012），其中FN曲線法最為普遍。風險允許標準采用FN曲線與ALARP（as low as reasonable practicable）原則（UK Parlianment，1974）相結合的方法來確定（徐繼維等，2016），可用以評判已存在災害的風險水平是否需要或者需要何種強度等級的穩(wěn)定措施來進行風險控制，是進行風險決策的重要判據(jù)。

首先，需要確定能接受與不能接受標準線所需截距與斜率。能接受與不能接受標準線斜率要保持一致，國際上使用較多的為－1。截距數(shù)值需根據(jù)我國最新地質災害的可接受風險水平選取。根據(jù)繪出的FN曲線能接受的標準線與不能接受的標準線，將位于其上部分劃定為不可接受風險區(qū)，其下劃定為可接受風險區(qū)。

4.2.1 FN曲線法

英國和荷蘭等國家對風險允許標準的研究一直處于領先行列。關于FN曲線法，英國、荷蘭等國使用的不可容忍曲線斜率均為－1（趙忠剛等，2008）。

公 式 （IUGS Working Group on Landslides，Committee on Risk Assessment，1997.）如下：

限制線為：

式中：FN（x）為某特定區(qū)域內年死亡人數(shù)小于或等于x的概率分布函數(shù)；C為常數(shù)，用來確定FN曲線位置；n為確定限制線的斜率（當前研究多取1或2）。

從表5可以看出多個國家對風險允許標準研究均取得一定的成果。由此，我們可以更加直觀地看出風險允許標準的取值需要考慮諸多因素。每個國家的不同國情，將會導致不同的評判標準，哪怕同一地域，所處地理位置的微小偏差以及所考慮對象的不同，也會使得風險允許標準發(fā)生變化。因此，風險允許標準的取值與一個國家社會的經(jīng)濟發(fā)展程度以及人類活動密切相關，需要根據(jù)實際情況具體分析。

4.2.2 ALAPR原則

1974年英國提出的ALARP準則是最早有關災害風險允許標準的概念（圖5），通過合理可行的方法盡可能降低風險。假如在成本效益分析后發(fā)現(xiàn)為降低風險所需費用遠大于可降低的風險所獲的收益時，風險可被容忍的準則。

以中、高風險分界線與中、低風險分界線將風險從高到低劃分為不可接受區(qū)、ALARP區(qū)和風險忽略區(qū)。最經(jīng)濟有效的風險控制是將風險控制在ALARP區(qū)，因為在當前技術條件下，進一步降低風險所付出成本將遠大于所收獲利益。

表5 可容忍風險最大值研究成果Table 5 Research results on maximum tolerable risk

圖5 ALARP準則Fig.5 ALARP criteria

4.3 可接受風險水平

高風險勢必會帶來更大的災害，低風險也并不意味著是最好的。因此，只有將風險控制在一個合理的水平，即人們可接受風險水平（Level of Acceptable Risk，LAR）（王廣坤等，2014）內才可實現(xiàn)效益最大化。根據(jù)自然資源部2008～2017年數(shù)據(jù)統(tǒng)計（圖6、表6），對我國地質災害風險的可接受水平進行合理分析。

圖6 2008～2017年中國因地質災害造成死亡及失蹤人數(shù)Fig.6 Number of deaths and missing persons due to geological disasters in China from 2008 to 2017

2010年有2246人死亡是由于甘肅舟曲泥石流所導致，從其余年份可以較明顯地看出我國因地質災害死亡及失蹤總人數(shù)逐年下降。據(jù)自然資源部調查顯示，在我國受地質災害威脅的人口約有3500萬人。根據(jù)2007～2018年統(tǒng)計數(shù)據(jù)（表6）可得到死亡失蹤率算術平均值為1.98×10－5／a，調和平均值為1.25×10－5／a，幾何平均值為1.46×10－5／a，中位值為1.62×10－5／a。采用中位值來反映可接受風險標準基準值的平均數(shù)可以避免單次災害事件發(fā)生的偶然性。因此，可將1.62×10－5／a作為可接受風險的平均值。由于可容忍風險線值通常較可接受風險值低1～2個數(shù)量級（Fell，1994），因此我國目前最新地質災害可接受風險水平FN曲線的上、下限分別為10×10－4／a和10×10－5／a（圖7）。

表6 2008～2017年我國地質災害受災情況Table 6 Geological disasters in China from 2008 to 2017

圖7 可接受風險Fig.7 Acceptable risk

由于風險是諸多因素共同作用的結果，所以風險允許標準的制訂也同樣需要充分考慮人類活動與社會文化等各個層面的因素，而絕非僅僅是技術問題。只有做到因地制宜，才能正確、有效地評估風險，進而制定有效的措施對風險進行預防和治理。

5 結 論

（1）本文引入RHRS風險評估系統(tǒng)，可通過將影響落石風險的各類影響因子帶入原始指數(shù)公式進行評分使得落石風險評估過程更加深入、直觀。

（2）本文根據(jù)采用FN曲線與ALARP原則相結合的方法來對風險允許標準進行評判，并以此作為風險決策的重要判據(jù)。根據(jù)2008～2017年中國地質災害死亡及失蹤人口數(shù)據(jù)分析結果劃分可接受風險程度，初步建立起一個完整的以景區(qū)落石為背景的災害風險評估與決策過程，為景區(qū)落石評估與決策提供借鑒。

（3）采集衢州藥王山和江郎山的落石相關數(shù)據(jù)進行風險評估僅為示意性分析。其分析結果并不能概括大部分山區(qū)內景區(qū)落石，但其評估與決策方法則可適用于多數(shù)山區(qū)落石風險分析。值得注意的是，特定景區(qū)內必須就景區(qū)具體情況討論某些影響因子的可變性與替代性。