山地災害環境下橋梁施工安全系統脆弱性評價

劉坤杰，郝 偉，王德凱，張 然

(蘭州交通大學土木工程學院,甘肅 蘭州 730070)

0 引言

我國西部地區群山連綿、萬壑千巖,在修建完善西部地區綜合立體交通網絡時,跨越崇山峻嶺峽谷河流必不可少,因此橋梁建設成為西部山區交通系統不可或缺的一部分。然而該地區地質條件復雜,滑坡、泥石流、崩塌等山地災害頻發導致橋梁施工難度大、風險高,且對災害應對能力要求更高[1]。因此對山地災害環境下橋梁施工進行安全評價從而預防事故的發生顯得尤為重要。

目前針對橋梁工程施工安全風險的研究已有不少,如王飛球等[2]運用4M1E分析方法建立橋梁施工安全風險評估指標體系,構建基于BP神經網絡的跨既有線高速鐵路橋梁施工安全風險評估模型,系統分析橋梁施工安全性;施洲等[3]基于傳統風險評估方法,引入DEMATEL算法識別動態評估風險源,構建基于貝葉斯網絡分析模型的大型橋梁風險動態評估方法;安朗[4]結合大跨徑斜拉橋施工風險特點,提出了基于MCMC法與CCRAA法的大跨徑斜拉橋施工風險預警模型;Li等[5]用云熵權法對各風險指標進行賦權,運用云模型理論進行風險評價;Sun等[6]提出了一種基于聚類分析、集值統計和熵權法的考慮多信息融合的創新型橋梁施工風險評估算法。然而,上述研究僅從橋梁類型與施工特點出發對橋梁施工安全進行分析,缺乏對惡劣環境和自然災害影響的考慮,且未形成完整的山地災害環境下橋梁施工安全系統的綜合評價體系,對山地災害環境下的橋梁順利建設產生了一定的阻礙。

橋梁施工過程可視作一個復雜的系統,施工過程的安全性可用系統的脆弱性刻畫。脆弱性理論在多個領域都有所應用,秦旋等[7]將脆弱性作為綠色建筑工程項目風險的一部分,界定了脆弱性與風險之間的影響關系和影響路徑,彌補現階段對工程風險研究忽略脆弱性的不足,從新的視角詮釋綠色建筑項目風險的認知和評價問題;張蕾等[8]基于系統脆弱性的理論分析了隧道施工安全管理系統的組成要素及內外部擾動源,通過ISM方法剖析脆弱性因素間的耦合關系,從而構建了脆弱性評價的層級體系。根據已有文獻,采用脆弱性評價研究系統的安全狀態更加直觀,對分析風險與系統之間的關系更為準確快速。

鑒于此,本文以西北山區橋梁建設工程安全系統為研究對象,引入脆弱性的概念,考慮山地災害影響與惡劣自然環境,構建山地災害環境下橋梁施工安全系統脆弱性評價指標體系,并建立基于CRITIC的多屬性決策組合賦權——二維云模型評價山地災害環境下橋梁施工安全系統的脆弱性。以此為山地災害頻發的山區橋梁建設工程提供安全管理的新思路。

1 橋梁施工安全系統脆弱性評價

1.1 脆弱性理論

脆弱性的理念最早起源于對自然災害學的研究,Timmerman P率先提出了脆弱性的概念。脆弱性主要包含了暴露性、易損性、適應性等性質。暴露性是指系統對來自內外部可能導致危機的事件的接觸程度;易損性是指系統缺乏吸收干擾的能力,或者缺乏在危機因子的干擾下保持基本結構、關鍵功能以及運行機制不發生根本變化的緩沖能力;適應性是指為了應對實際發生的或預計到的變化及其各種影響,而在系統內進行調整的恢復能力[9]。目前脆弱性的概念廣泛應用于各個研究領域,例如:災害學、生態學、計算機科學、社會科學等。但由于不同學科領域研究的對象不同以及學科視角不同,對脆弱性的定義也有所不同。結合上述觀點以及脆弱性的相關理論,可以將橋梁施工安全系統脆弱性定義為:橋梁施工安全系統受到內部或外部風險擾動時的變化程度,受到擾動時系統對其的應對能力以及在擾動過后系統自身的恢復能力,見圖1。

1.2 構建橋梁施工安全系統脆弱性評價指標體系

橋梁的建設是完善西北地區綜合立體交通網絡不可或缺的一部分,西北地區自然地質環境復雜,氣候多變,特殊巖土多為膨脹性泥巖,此類土壤遇水侵蝕后會發生軟化崩解,加之該地區短時強降雨較集中,在暴雨的沖刷下使得橋梁基礎穩定性降低。同時該地區地形切割陡峻,巖土體支離破碎,在人類工程活動空間不斷擴大下以及雨水的影響導致滑坡、崩塌、泥石流等山地災害頻發。滑坡、泥石流主要使橋梁墩臺以及基礎發生偏移,梁體產生裂縫;崩塌則為崩塌體直接撞擊橋面導致橋梁坍塌、橋面折斷或者梁體破壞,或為崩塌體撞擊橋梁墩柱致使墩臺破壞而導致橋梁整體坍塌。此外,該地區在水文條件的影響下形成溶洞或土洞,樁基礎施工過程中如果處理方法不當,往往會造成掉鉆、漏漿、坍孔等事故,給橋梁施工帶來極大的風險。西北山區晝夜溫差大,混凝土澆筑后結構表面和內部溫度梯度大,膨脹程度不一致很容易導致橋梁結構關鍵部位的混凝土開裂,降低了結構剛度以及結構的承載力極限,從而降低了應對山地災害能力。同時在山區修建橋梁,橋梁線形不像平原一樣以直線為主,由于地形陡峭,為了避開山地災害易發地段,不得不采用較多的平曲線以及較大的縱橫坡,給橋梁施工帶來了更多潛在風險。

通過上述對西北山區自然地質環境以及橋梁施工技術的分析,本文基于公路橋梁和隧道工程施工安全風險評估指南、JTG B05—2015公路項目安全性評價規范[10]和JTG/T 3650—2020公路橋涵施工技術規范[11]等相關規范以及文獻資料[12-16],同時咨詢設計單位以及施工單位相關專家對橋梁施工安全系統脆弱性進行研究探討,從自然環境脆弱性、物資設備脆弱性、施工人員脆弱性、安全管理脆弱性、施工技術脆弱性這5個方面建立山地災害環境下橋梁施工安全系統脆弱性評價指標體系,見圖2。

2 基于CRITIC的多屬性決策組合賦權方法

為了提高山地災害環境下橋梁施工安全系統脆弱性評價的準確性,本文采用CRITIC多屬性決策組合賦權方法將G1法確定的主觀權重與熵權法確定的客觀權重進行集成優化獲得評價指標綜合權重。

CRITIC的多屬性決策組合賦權方法[17]綜合了各種賦權方法的特點,該方法通過利用對比強度和沖突性結合構造組合權重,其中對比度表示不同評價指標方法對同一指標賦權數值的差異,第j項指標對比度可由標準差σj表示;沖突性表示不同指標之間的相關程度,沖突性數值越小,正相關越顯著。其具體賦權步驟如下:

1)計算指標沖突性:

(1)

其中,rij為評價指標i和j之間的相關系數。

2)計算指標信息承載量Cj,表達式如下:

(2)

3)信息量Cj反映指標j的重要程度,計算最優組合權重系數θj,表達式如下:

(3)

4)計算最優組合權重wc:

wc=(θ1w1+θ2w2+…+θlwl),l=1,2,…,l

(4)

3 橋梁施工安全脆弱性評價模型

3.1 二維云模型

由于山地災害環境下橋梁施工安全風險因素復雜多變,為了更好地體現系統的應對能力和恢復能力對橋梁施工安全系統脆弱性的影響,采用二維云模型[18],能夠更加客觀準確地對待評對象進行評價。由云模型理論可知,設F是服從正態分布的二維隨機函數,Ex和Ey均為期望值,Enx和Eny均為標準差,則稱滿足式(5)的云滴drop(Xi,Yi,μi)構成的模型為二維正態云模型。

(5)

其中,Xi,Yi均為云滴坐標;px,py均為條件云滴坐標;He為超熵;μi為隸屬度。

3.2 橋梁施工安全系統脆弱性評價云

山地災害環境下橋梁施工安全系統脆弱性等級是由橋梁施工安全系統受到內部或外部風險擾動時,系統自身對擾動的應對能力以及在擾動過后系統自身的恢復能力共同決定的,因此選取應對能力和恢復能力作為綜合評價云的兩組基礎變量。邀請橋梁專家對二級指標應對能力和恢復能力進行打分,采用10分制,并且分值精確到0.1。專家對應對能力和恢復能力打分分別形成一個云滴,組成該指標的應對云和恢復云,統稱二維綜合評價云。通過式(6)計算出應對云和恢復云的特征值。

(6)

其中,Ex為樣本期望值;En為熵;He為超熵;q為專家組數;Xk為第k位專家打分值;S2為方差。

將指標層應對云特征值矩陣,指標層恢復云特征值矩陣分別與對應的權重向量矩陣進行合成,得到準則層應對云和恢復云的特征值,進而可求得二維綜合云的特征值。

(7)

3.3 脆弱性評價標準云

合理地劃分橋梁施工安全系統脆弱性等級,有利于對橋梁施工安全狀況做出準確的評價,進而提出相應的措施進行管控。將區間[0,10]均分為五個區間,根據評價指標的應對能力和恢復能力將脆弱性程度劃分為Ⅰ級—Ⅴ級。按照式(8)計算標準云數字特征,具體內容如表1所示。

表1 山地災害環境下橋梁施工安全系統脆弱性評價等級劃分標準

(8)

3.4 綜合評價脆弱性云圖

綜合評價脆弱性云圖可更加直觀地反映出橋梁施工安全系統脆弱性等級,將準則層二維綜合評價云的特征值和標準云的特征值輸入到MATLAB正向云發生器,得到最終二維綜合評價脆弱性云圖,通過與標準云圖對比分析便可得到山地災害環境下橋梁施工安全系統脆弱性評價等級。

3.5 貼近度

通過MATLAB生成的二維綜合評價脆弱性云圖,觀察二維云圖中的綜合云與標準云圖的相對位置關系來確定橋梁施工安全系統脆弱性評價等級,因為二維云圖在三維視圖中呈現會存在一定的視覺誤差,為了提高橋梁施工安全系統脆弱性評價的準確性,因此引入貼近度來計算綜合云和標準云的貼近度,根據式(9)來計算貼近度,貼近度越大說明越接近所對應的脆弱性等級。

(9)

4 實例分析

4.1 工程概況

水家溝大橋位于天水市麥積區水家溝村南側,橋梁全長646 m,最大橋高73 m,主橋采用預應力混凝土連續剛構,橋梁墩臺采用樁基礎。該橋地處水家溝,跨越山間溝谷農田區以及民房,坡陡谷深,地形起伏大,是典型的侵蝕丘陵地貌。在雨期降水量大,山體穩定性差,橋址區特殊巖土主要為濕陷性黃土及膨脹性泥巖,在雨水沖刷下迅速崩解軟化,同時在人類工程活動空間不斷擴大下導致該地區滑坡、崩塌、泥石流等山地災害頻發,致使橋梁施工安全風險較高。鑒于此,邀請10位專家分成5組,根據《天水市鄉村振興南北兩山片區基礎設施項目》地質災害評估意見和地質勘察報告以及現場施工情況,對各個指標的應對能力和恢復能力進行打分,分別用R1和R2表示,如表2所示。

表2 水家溝大橋施工安全系統脆弱性評價指標應對和恢復能力分值

4.2 確定指標權重與評價云圖

考慮到山地災害環境下橋梁施工的特點,參照行業相關規范,將脆弱性評價指標自上而下5個一級指標26個二級指標進行打分,以此來確定各評價指標的權重,分別采用G1法和熵權法計算出指標的主客觀權重,應用式(1)—式(4)計算出最終組合權重,結果見表3。

表3 水家溝大橋施工安全系統脆弱性評價指標組合權重

根據專家對脆弱性指標的量化分值代入式(6),可得到二級指標應對云和恢復云的特征值,然后通過表3中指標的組合權重和云特征值以及式(7)得到一級指標的應對云和恢復云的特征值,同理可得到綜合評價云的特征值,如表4所示。

表4 水家溝大橋施工安全系統脆弱性指標應對和恢復能力評價云數字特征

將計算出的綜合評價云特征值和標準云特征值輸入MATLAB正向云發生器,可得到綜合評價云和標準云對比圖,如圖3,圖4所示。為了進一步明確一級指標脆弱性等級,將自然環境L、物資設備J、施工人員K、安全管理X和施工技術M五個一級指標的特征值輸入MATLAB正向云發生器,結合標準云繪制出一級指標對比云圖,如圖5所示。

4.3 貼近度與評價結果

為了使評價結果更加精確,本文引入貼近度來進一步確定水家溝大橋施工安全脆弱性等級。通過式(9)計算綜合評價云與標準云的結果貼近度,分別用N1—N5表示:N1=0.183,N2=0.381,N3=1.434,N4=0.330,N5=0.171,可知貼近度大小關系為:N3>N2>N4>N1>N5,評價結果與Ⅲ級標準云貼近度最大,故最終確定水家溝大橋施工安全脆弱性等級為“脆弱性中”Ⅲ級。

評價結果說明該項目整體脆弱性良好,其受到擾動時系統對其的應對能力以及在擾動過后系統自身的恢復能力較好。由圖5可知,自然環境L和施工技術M脆弱性等級介于Ⅲ級和Ⅳ級之間,更接近標準云Ⅲ級則等級為“脆弱性中”,說明自然環境和施工技術是影響橋梁施工安全系統脆弱性的主要原因,通過現場調查發現水家溝大橋小里程端和大里程端分別存在發育滑坡,同時水家溝屬于泥石流溝,暴雨是引發泥石流的關鍵因素,項目所在區汛期沖溝內有洪水下泄,且部分施工段因雨水及洪水的集中,形成沖刷、淘蝕作用,嚴重影響原地表穩定和施工安全,建議各類工程均應做好防排水措施,防止水流沖刷邊坡,軟化或淘蝕基底,對施工不能避讓的潛在危險斜坡地段和潛在危險滑坡區進行動態監測預警研究,同時加強對橋梁施工技術的把控,經整改后,自然環境L和施工技術M的脆弱性等級明顯降低,如圖6所示;而物資設備J、施工人員K和安全管理X的脆弱等級介于Ⅱ級和Ⅲ級之間,接近標準云Ⅱ級則等級為“脆弱性小”,建議對該方面繼續保持相關管理措施。根據現場調研資料顯示,本文采用基于CRITIC的多屬性決策組合賦權——二維云綜合評價模型獲得的水家溝大橋施工安全脆弱性評價結果與實際情況相符,進一步驗證了本文評價思路與方法的可靠性和實用性。

5 結論

1)將脆弱性理論引入橋梁工程,為山區橋梁工程施工安全管理提供新思路和新方法,在考慮一般環境橋梁施工風險因素的同時,以分析山地災害對橋梁施工的影響為主,構建了包含26個評價指標的山地災害環境下橋梁施工安全系統脆弱性評價指標體系。

2)采用CRITIC的多屬性決策組合賦權方法確定最終權重,避免了使用單一賦權方法的局限性,使評價結果更加精確。利用二維云模型得到綜合評價云圖,初步反映橋梁施工安全系統脆弱性等級,進一步利用貼近度更加準確地反映出橋梁施工安全系統的最終脆弱性等級。

3)基于組合賦權二維云模型對水家溝大橋施工安全系統進行脆弱性評價,得到綜合脆弱性評價結果為“脆弱性中”Ⅲ級,與實際情況契合,驗證了該方法的有效性和可行性,可為類似橋梁工程施工安全系統管理提供借鑒。

4)山地災害環境復雜多變,而橋梁工程日新月異,因此針對山地災害環境下的橋梁工程施工安全系統脆弱性的研究仍需不斷深入,后續研究可隨著橋梁施工技術與山地災害環境實時監測預警方面的研究繼續對該環境下橋梁工程施工安全系統脆弱性進行評價。