基于發生概率和致災性的危巖落石災害風險評價

劉偉鵬 毛邦燕

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610031)

危巖落石是復雜山區鐵路修建中常見的不良地質現象，給線路施工和運營造成嚴重危害。因此，對危巖落石進行風險評價意義重大。

危巖落石發育影響因素的不確定性、非定量性和模糊性使其致災結果也具不確定性。胡厚田、曾廉等對危巖體的穩定性進行定性或定量計算，判斷危巖落石失穩情況，這種定量判斷方法能夠反映危巖體穩定性，但無法反映危巖體的不確定性[1-2]。胡厚田[3]針對寶成線和黔桂線，基于大量調查統計資料，采用信息量統計方法對落石進行宏觀預測，確定了崩塌落石的危險區段，并采用模糊綜合評判法對落石工點危巖體的穩定性進行評估。張路青等[4]通過對危巖落石影響因素發育條件打分，進而評估危巖落石的危險性。葉四橋等[5]把模糊數學引入到危巖落石風險評價中，通過層次分析法和模糊數對危巖落石發育條件進行量化，從而獲得危巖落石的危險度。這些研究主要致力于對危巖落石穩定性和發生可能性進行評價，而對其致災性卻鮮有研究。

通過對危巖落石發育條件進行量化評分，獲取危巖落石發生概率，并通過人員傷亡和經濟損失層面計算落石發生后區域致災程度。最后，利用這兩個方面綜合評估危巖落石對線路工程的危害程度，為控制危巖落石災害風險提供參考意見。

1 基于AHP方法的危巖落石發生概率評價

1.1 評價指標的確立及層次構建

層次分析法(AHP)由運籌學家Saaty提出[6]，該方法可通過信息定量刻畫，將原來模糊性、文字性的決策要素數學化，可為多目標、多準則復雜決策問題提供幫助[7]。危巖落石不良地質災害風險由多種因素共同作用[8]，其影響因素可分兩種，其一為影響危巖體發育和崩落的可能性要素，包括地形地貌、地層巖性、地質構造、氣象水文、地震和落石歷史發生情況等[9]；另一類為落石崩落后造成災害的可能性及災害的嚴重性影響要素，包括地形地貌中坡面的坡高、坡形、植被發育情況及落石的防治措施等[10]。危巖落石發生概率風險評估：對危巖落石發育影響因素進行分析，選取6個一級評價指標和18個二級指標，如圖1所示。

圖1 危巖落石發生概率評價指標體系

在野外地質調查中，通常對危巖落石的評價都是基于現場描述，這些評價少部分可以利用數值進行表征，而大多數只能通過定性文字進行表述[11]。為了能夠利用數值進行相關計算，可以對定性描述建立一個標準等級表，利用打分法對各個指標進行量化。下面根據以往勘測經驗和文獻[12-13]，總結提出危巖落石發生概率各評價指標的標準等級，如表1所示。

1.2 指標權重的確定

利用AHP方法可對各指標權重進行分配和檢驗。在評價指標層次構建完成后，可對一級指標和二級指標分別建立判斷矩陣，在此基礎上計算出各因子在該級中的權重值，并進行C.R.檢驗。

利用AHP對危巖落石發生影響因素的重要程度進行劃分，可獲得一級指標和對應的二級指標標度矩陣，并計算各因子在對應級別中的權重值和一致性情況，最終獲得危巖落石災害發生風險評估的各級指標權重(如表2所示)。

表2 各級指標權重分配

1.3 模型建立與發生概率等級劃分

高陡斜坡危巖落石的風險受眾多地質因素控制，可將這些因素(一級指標)分別表示為x1，x2，……，xn。在必要條件下，每一評價因素xi又可進行進一步劃分為若干次級評價因子(二級指標)，可表示為xi1，xi2，……，xin，同樣，各次一級評價因子又可以再劃分為若干個更次一級的評價因子，直至因子能全面、系統地反映各個控制影響方面。通常情況下，兩級指標即可滿足分析需要。根據每一基本評價因素或評價因子的量化標準對事物發展的影響進行評分；再按逆序疊加法求得其綜合評價值，并結合實際分析，對其進行最終評判。危巖落石發生概率評估的數學模型(RHRA)為

(3)

式中 RHRA——各方案x級指標體系綜合評價值，其中第一級指標體系綜合評價值為各方案最后評價值；

xk——第i個方案第k個指標量化特征值；

Wik——各評價指標的綜合權重，Wik=Wi×Wk，其中Wi為一級指標權重，Wk為二級指標權重。

獲得危巖落石發生概率評估值后，可根據表3獲得危巖落石的發生概率值和概率等級。

表3 危巖落石發生概率

2 危巖落石致災性風險等級評價

落石災害致災危險性是指其對生命、財產、社會和環境產生負面影響的可能性和嚴重性的度量，可以通過致災可能性和對應產生的后果表示[12]。要評價致災后果的嚴重性，首先要確定承災體的構成部分、損失計算方法和對應標準，進而對其進行易損性、損失等級劃分和風險評價。

2.1 承災體類型

在地質災害中，承災體遭受損失程度既與地質災害的種類和特征參數有關，也與承災體本身的種類和特性有關。對線路工程而言，落石災害所造成的破壞主要包括了以下幾個類別。

(1)人員傷亡：危巖災害具有突發性、分布廣等特點，發生后會造成一定的人員傷亡。線路工程中造成人員傷亡主要有兩種方式，其一為施工階段施工人員及施工現場附近人員或者運營階段中線路維護人員被擊中造成的傷害；其二為運營階段落石砸中列車或者破壞線路導致列車出現安全事故造成的人員傷亡。

(2)工程設施破壞

工程設施主要包括線路正線和輔助設施，如施工期間已完成的線路主體和輔助設施，運營期的線路主體和輔助設施，如鐵路線路、通信系統、給水排水系統、供電系統等。

(3)機械設施破壞

機械設施主要為施工期和運營期的機械設備，如施工期間的施工設備(挖掘機器、牽引機械、土方車、精密測量儀器等)；運營期間的汽車車輛、火車機車等。

(4)工期延誤或停運

工期延誤是指危巖落石致使工程建設時間延長；停運是指危巖落石致使線路需要重新修建或者消除安全隱患所造成的列車停運時間。

2.2 承災體損失計算

危巖落石發生后，承災體損失計算是評價危巖落石致災等級的直接依據。要計算承災體損失，首先要確定危巖落石受災范圍以及對應承災體發生損壞的概率，進而計算承災體損失值。

(1)受災區域范圍及受災基礎概率確定

受災范圍的確定可以根據地形特征確定，受災基礎概率可以根據現場落石分布調查或者根據落石數值模擬獲取[12]。目前，三維落石模擬程序不完善，通常是利用二維剖面法進行模擬[13]。通過區內不同危巖落石塊體的數值模擬，可以得到危巖落石在平面上停留的頻數值，通過網格劃分可以統計出平面上不同網格區域危巖落石停留頻數。根據該頻數值和對應的網格中心坐標，可以繪制出危巖落石受災概率等值線圖，區內任意一點的危巖落石受災概率可以從圖中獲取[14]。

(2)致災損失計算

不同落石規模對不同承災體的破壞程度是不同的。因此，建立一個合理的落石災害易損率對計算致災損失有重要作用。部分粒徑的落石易損率如表4所示，其他粒徑尺寸可用內插法求解(對于等效粒徑大于20 m的按照20 m取值)。

表4 不同類型承災體在不同規模落石下易損性

致災損失計算主要依據危巖落石對線路影響范圍內到達承災體的概率和承災體的易損性進行計算，進而獲得各個階段不同類型承災體造成的損失量。各承災體在不同階段的損失可按表5計算。

表5 各承災體損失計算

2.3 致災性等級劃分

危巖落石所造成的損失不同，所對應的等級也不同?？砂闯袨捏w所受損失的嚴重程度劃分致災等級標準。參照《鐵路建設工程風險管理技術規范》(2014)和《鐵路隧道工程風險管理技術規范》(2016)相關規定[14]，結合危巖落石致災性特點，對危巖落石致災性等級進行劃分，如表7所示，通過計算得到不同受災類型的受災值及致災等級(見表6)。

表6 落石發生后致災等級標準

3 落石綜合風險等級與風險接受準則劃分

結合目前高陡邊坡危巖落石發生后的安全、經濟和社會危害性，以及危巖落石防治施工技術水平和風險接受準則，可將危巖落石風險性劃分為五個等級，即極高風險(Ⅴ)高風險(Ⅳ)、中等風險(Ⅲ)、中低風險(Ⅱ)、低風險(Ⅰ)(見表7)。

表7 危巖落石災害綜合風險評估等級與可接受等級標準

通過野外地質調繪資料和搜集到的資料，可通過危巖落石發生概率模型和致災模型獲得這兩個危險性評價因子，進行危巖落石的綜合風險等級劃分(見表8)。

表8 危巖落石綜合風險等級劃分

4 工程實例

新華隧道進口位于湖北省宜昌市興山縣新華鎮附近，出口位于榛子鄉附近，全長18630 m，最大埋深1023 m。隧址區地表發育一條常年流水沖溝，流量較大，溝內以塊石為主，兩側基巖出露，下伏基巖為前震旦系神龍架群石槽河組白云巖，屬構造溶蝕、侵蝕中山地貌區，邊坡為上陡下緩地形。

4.1 工點危巖落石發生概率評估

根據新華隧址區內的地質調查，結合前述危巖落石量化評價指標標準表，對該段危巖的指標評分如表9所示。

根據各量化評分指標，利用式(3)計算得到新華隧道紙廠溝危巖落石發生概率風險評價分值為

(13)

該段危巖落石為極高概率危巖落石區，危巖落石發生崩落概率等級為V級。

4.2 工點危巖落石致災性評估

對危巖落石工點進行野外調查和Rockfall數值模擬：該影響區長約97 m，影響線路的最大致災風險概率為0.9，如圖2所示。根據調查，段內最大危巖體體積約有2 000 m3，其等效粒徑可達50 m，為巨型崩塌體[15]。

表9 紙廠溝淺埋段危巖落石評價指標量化

圖2 落石模擬結果與落石停留位置

按照施工及運營期的實際情況，利用式(4)～式(12)對各承災體損失進行計算，結果如表10所示。由表10可知，該工點的致災性風險等級為Ⅴ級。

表10 不同承災體損失計算結果

4.3 設計防護與驗證

通過對隧址區危巖落石的災害風險評價，得到該處危巖對隧道的綜合風險等級為Ⅴ級，建議進行繞避，即改變出口位置，原出口改為淺埋。

5 結論

(1)建立了基于發生概率等級和致災概率等級的危巖落石危險性綜合評價體系，對危巖落石發育的各個因素進行量化評分，利用AHP方法獲取危巖落石發生的綜合評分指標，確定危巖落石發生概率等級；利用危巖落石致災概率評價鐵路承災體致災損失，獲取致災等級。最后，通過發生概率等級和致災等級劃分危巖落石綜合風險等級。

(2)新華隧道出口處危巖落石綜合風險評價明，該處危巖落石發生概率為Ⅴ級，致災性等級為Ⅴ級，綜合危險性等級為Ⅴ級，危巖對隧道出口危害極大，建議進行繞避。后期監測發現，該危巖發生了數起落石，危害原方案隧道口，與評價結果一致。