楊昌睿,李遠(yuǎn)富,鄒 鑫,譚 義,樊惠惠

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031； 2.高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031)

艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路沿線極端氣候多變、板塊運(yùn)動活躍，地震頻繁強(qiáng)烈，氣象及其衍生災(zāi)害、大型崩塌、重大滑坡、高勢能泥石流、災(zāi)害鏈等自然災(zāi)害問題十分突出，其條件復(fù)雜、數(shù)量多、規(guī)模大、危害嚴(yán)重、防治艱巨。隨著人類活動的增加，環(huán)境破壞加劇，近年來地震活躍，降雨異常等因素的影響，致使艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路崩滑流地質(zhì)災(zāi)害日趨強(qiáng)烈，嚴(yán)重影響鐵路正常運(yùn)行和行車安全[1]。因此，針對艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路典型崩滑流災(zāi)害鏈進(jìn)行全過程風(fēng)險(xiǎn)評估研究，揭示其災(zāi)害鏈系統(tǒng)演化規(guī)律，為艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路安全建設(shè)和安全運(yùn)營提供技術(shù)保障，全面提升我國鐵路行業(yè)抵御自然災(zāi)害的綜合防范能力具有十分重要的意義。

國內(nèi)劉愛華[2]等提出一種基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的災(zāi)害鏈風(fēng)險(xiǎn)評估模型的建模方法；哈斯[3]等梳理歸納了相關(guān)學(xué)者對災(zāi)害鏈的研究成果，對災(zāi)害鏈研究目前存在的問題和未來發(fā)展趨勢進(jìn)行了探討；國外Carpignano[4]等認(rèn)為，災(zāi)害鏈?zhǔn)菫?zāi)害事件間的激發(fā)作用而形成的多米諾現(xiàn)象；Helbing[5]認(rèn)為，災(zāi)害之間的因果關(guān)系使得災(zāi)害系統(tǒng)的復(fù)雜性大大加深。當(dāng)前從災(zāi)害鏈角度出發(fā)，有關(guān)山區(qū)鐵路災(zāi)害鏈的研究主要集中在特征研究與形成機(jī)制研究等方面，以建立災(zāi)害鏈網(wǎng)絡(luò)開展山區(qū)鐵路災(zāi)害鏈風(fēng)險(xiǎn)評估研究相對較少。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論由于其系統(tǒng)性及其復(fù)雜性，被廣泛應(yīng)用于風(fēng)險(xiǎn)評估領(lǐng)域的研究，例如城市軌道交通災(zāi)害鏈演化網(wǎng)絡(luò)模型及其風(fēng)險(xiǎn)分析[6]、鐵路系統(tǒng)事故致因與風(fēng)險(xiǎn)分析[7]、鐵路危貨運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)評估[8]，空中交通態(tài)勢風(fēng)險(xiǎn)評估[9]等。

基于此，根據(jù)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的基本特點(diǎn)，結(jié)合艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路現(xiàn)狀，對崩滑流災(zāi)害鏈中各環(huán)節(jié)的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行全過程評估，分析艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路典型崩滑流災(zāi)害鏈成災(zāi)機(jī)理，構(gòu)建艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路崩滑流災(zāi)害鏈復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型，綜合評估災(zāi)害網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的重要度和邊的脆弱性，分析該模型中各致因因素，找出關(guān)鍵致因因素，在實(shí)際中加強(qiáng)對關(guān)鍵因素的控制，從而降低鐵路災(zāi)害事件發(fā)生的概率。通過崩滑流歷史災(zāi)情數(shù)據(jù)，深入認(rèn)識崩塌、滑坡、泥石流作用下對山區(qū)鐵路建設(shè)和行車運(yùn)營的影響；對崩滑流災(zāi)害鏈演化過程進(jìn)行推理，辨識致災(zāi)演化災(zāi)害鏈中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，并且對災(zāi)害鏈的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行具體分析，為山區(qū)鐵路次生或衍生災(zāi)害的防控以及斷鏈減災(zāi)的決策提供科學(xué)依據(jù)。

1 鐵路崩滑流災(zāi)害鏈的結(jié)構(gòu)特征

1.1 山區(qū)鐵路崩滑流災(zāi)害鏈定義

山區(qū)鐵路崩滑流災(zāi)害鏈?zhǔn)侵赣上到y(tǒng)環(huán)境某種致災(zāi)因子導(dǎo)致崩塌滑坡泥石流災(zāi)害發(fā)生，進(jìn)而引發(fā)一系列災(zāi)害串發(fā)或并發(fā)現(xiàn)象。災(zāi)害鏈復(fù)雜性取決于崩滑流災(zāi)害系統(tǒng)的內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜性，不同的致災(zāi)因子引發(fā)崩滑流災(zāi)害，作用于鐵路工程系統(tǒng)，產(chǎn)生新的致災(zāi)因子，產(chǎn)生新的災(zāi)害事件，并通過鏈?zhǔn)椒磻?yīng)演變成山區(qū)鐵路崩滑流災(zāi)害鏈。

1.2 山區(qū)鐵路崩滑流災(zāi)害鏈形成機(jī)理

根據(jù)災(zāi)害學(xué)的相關(guān)研究理論，災(zāi)害鏈的形成是內(nèi)部環(huán)境系統(tǒng)及外部環(huán)境系統(tǒng)中各種因素相互作用的結(jié)果[10]。導(dǎo)致山區(qū)鐵路災(zāi)害的因素很多，主要分為4個(gè)因素，即人員、管理、設(shè)備和環(huán)境，而這些因素間的相互影響使其災(zāi)害后果難以預(yù)測。

山區(qū)鐵路災(zāi)害是自然災(zāi)害系統(tǒng)的一種，由孕災(zāi)環(huán)境、致災(zāi)因子、承災(zāi)體共同組成，是3個(gè)因素綜合作用的結(jié)果。孕災(zāi)環(huán)境是致災(zāi)因子與承災(zāi)體發(fā)生聯(lián)系的中間紐帶，保持孕災(zāi)環(huán)境的有序性是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全的基本條件；致災(zāi)因子是導(dǎo)致災(zāi)害發(fā)生的直接原因，是災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的重要要素。承災(zāi)體是指包括人類本身在內(nèi)的脆弱的物質(zhì)文化環(huán)境。山區(qū)鐵路工程是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，它是由不同子系統(tǒng)所構(gòu)成，包括線路、車站、車輛三大基礎(chǔ)設(shè)備和電氣、信號控制、運(yùn)行等系統(tǒng)。當(dāng)子系統(tǒng)中的任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，都將有可能引起潛在的風(fēng)險(xiǎn)事故，并引發(fā)一連串的連鎖反應(yīng)。山區(qū)鐵路災(zāi)害鏈形成模式見圖1。

在各類山區(qū)鐵路災(zāi)害事件中，由降雨、地質(zhì)變化引發(fā)的崩塌、滑坡、泥石流相關(guān)的災(zāi)害事故尤為突出。據(jù)有關(guān)學(xué)者統(tǒng)計(jì)，我國鐵路沿線的滑坡、崩塌、泥石流災(zāi)害約占全國山區(qū)鐵路沿線地質(zhì)災(zāi)害的80%以上，平均每年中斷運(yùn)輸約40次，中斷行車800多h；每年造成的直接經(jīng)濟(jì)損失超過7 000萬元。以川藏鐵路康定至昌都段為例，甘孜—昌都區(qū)域既有崩塌災(zāi)害點(diǎn)406個(gè)，既有滑坡災(zāi)害點(diǎn)1 086個(gè)，既有泥石流災(zāi)害點(diǎn)1 478個(gè)。崩塌、滑坡、泥石流屬于山地地質(zhì)災(zāi)害，它們的形成條件、區(qū)域分布規(guī)律相近，相互影響接踵成鏈之后，極具破壞性的崩滑流災(zāi)害鏈由此產(chǎn)生。它會導(dǎo)致鐵路設(shè)施路基、軌道、隧道、橋涵、信號及防護(hù)設(shè)施發(fā)生變形、懸空、淤埋、失效等，影響鐵路行車運(yùn)營和安全建設(shè)，危害極大。因此，主要針對崩滑流災(zāi)害鏈對山區(qū)鐵路災(zāi)害鏈?zhǔn)叫?yīng)進(jìn)行分析。山區(qū)典型崩滑流災(zāi)害鏈模式見圖2。

2 山區(qū)鐵路崩滑流災(zāi)害鏈演化網(wǎng)絡(luò)模型

在分析崩滑流災(zāi)害系統(tǒng)演化過程的基礎(chǔ)上，建立了山區(qū)鐵路崩滑流災(zāi)害系統(tǒng)的演化網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中共選用26個(gè)節(jié)點(diǎn)，即26個(gè)災(zāi)害事件。山區(qū)鐵路崩滑流災(zāi)害系統(tǒng)演化過程中子災(zāi)害事件分級是根據(jù)崩滑流災(zāi)害演化鏈中災(zāi)害事件傳播的先后順序進(jìn)行分類，主要分為三級，第一級是崩滑流直接導(dǎo)致的子災(zāi)害事件，如淤埋線路、車站、橋涵和隧道、沖毀周邊道路和房屋建筑等；第二級是崩滑流子災(zāi)害事件導(dǎo)致的其他的災(zāi)害事件，如行車中斷或癱瘓、通信線路受損、旅客滯留等；第三級是二級子災(zāi)害事件引起的災(zāi)害事件，如轉(zhuǎn)移人口等；具體分級內(nèi)容如表1所示。

圖1 山區(qū)鐵路災(zāi)害鏈形成模式

圖2 山區(qū)鐵路典型崩滑流災(zāi)害鏈成災(zāi)流程

表1 山區(qū)鐵路崩滑流災(zāi)害系統(tǒng)演化網(wǎng)絡(luò)災(zāi)害事件分級

山區(qū)鐵路崩滑流災(zāi)害系統(tǒng)演化網(wǎng)絡(luò)包括26個(gè)災(zāi)害事件和33條演化邊，即存在某一災(zāi)害事件誘發(fā)另一衍生災(zāi)害的演化行為。圖3所示即為山區(qū)鐵路崩滑流災(zāi)害演化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)示意。

圖3 山區(qū)鐵路崩滑流災(zāi)害演化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)示意

3 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)全過程風(fēng)險(xiǎn)評估

3.1 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的重要度分析

節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的重要控制因素，節(jié)點(diǎn)的重要度越高，對應(yīng)災(zāi)害事件與其他災(zāi)害事件的聯(lián)系越緊密。結(jié)合山區(qū)鐵路崩滑流災(zāi)害鏈網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，利用節(jié)點(diǎn)出入度、子網(wǎng)數(shù)、支鏈數(shù)和介數(shù)中心度4個(gè)指標(biāo)，分析各個(gè)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的重要度，據(jù)此進(jìn)行節(jié)點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)評估和斷鏈控制。

(1)出入度。出入度表示災(zāi)害事件的輸入與輸出關(guān)系，其中入度表示該事件的誘因事件，出度表示該事件的引發(fā)事件，其數(shù)值由系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)確定。事件出度越大，則該事件造成的后果越嚴(yán)重；入度越大，則導(dǎo)致該事件的路徑越多，控制難度越大。節(jié)點(diǎn)的度指標(biāo)表達(dá)式為

Cd(x)=d(x)

(1)

式中，d(x)為與節(jié)點(diǎn)x直接相連的節(jié)點(diǎn)數(shù)。

(2)子網(wǎng)數(shù)和支鏈數(shù)。節(jié)點(diǎn)子網(wǎng)數(shù)是事件模型中所有事件數(shù)量之和。事件所含支鏈數(shù)表示從一級事件至終極事件的所有路徑中經(jīng)過該事件的路徑數(shù)目之和。兩個(gè)指標(biāo)表征災(zāi)害事件后果的嚴(yán)重性，指標(biāo)值越大，事件致災(zāi)重要度越高。

(3)介數(shù)中心度。介數(shù)中心度量化了某節(jié)點(diǎn)在點(diǎn)對之間短路徑上的橋梁能力，是度量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中心化的一項(xiàng)重要指標(biāo)。其表達(dá)式為

(2)

式中，σ(s,t)為節(jié)點(diǎn)s與節(jié)點(diǎn)t之間最短路徑數(shù)目；σ(s,t|v)為節(jié)點(diǎn)s到節(jié)點(diǎn)t經(jīng)過節(jié)點(diǎn)v的最短路徑數(shù)目。

3.2 網(wǎng)絡(luò)邊的脆弱性分析

網(wǎng)絡(luò)邊的脆弱性越大，與其他節(jié)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)程度越大，重要性越高。結(jié)合山區(qū)鐵路崩滑流災(zāi)害鏈網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，根據(jù)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的一些概念及網(wǎng)絡(luò)抗毀性評價(jià)，選擇邊介數(shù)、連通度、平均路徑長度3個(gè)指標(biāo)研究災(zāi)害網(wǎng)絡(luò)邊的脆弱性。

(1)邊介數(shù)。網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)過某條邊的最短路徑數(shù)。其表達(dá)式為

(3)

式中，Bi為邊i的介數(shù)；njk(i)為節(jié)點(diǎn)j、k之間最短路徑經(jīng)過邊i的次數(shù)。

(2)連通度。以有向圖中某起始節(jié)點(diǎn)出發(fā)，能夠連通的節(jié)點(diǎn)數(shù)和總節(jié)點(diǎn)數(shù)的比值。其表達(dá)式為

(4)

式中，N為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的總數(shù)；Ni為從某起始節(jié)點(diǎn)出發(fā)能夠連通的節(jié)點(diǎn)數(shù)。

(3)平均路徑長度。網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)對之間的平均最短距離。其表達(dá)式為

(5)

式中，N為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的總數(shù)；dij為節(jié)點(diǎn)i與j之間的最短距離。

(4)脆弱度。在網(wǎng)絡(luò)連通系數(shù)的基礎(chǔ)上，同時(shí)考慮邊介數(shù)，綜合衡量網(wǎng)絡(luò)抗毀性強(qiáng)弱。可得出計(jì)算邊的脆弱性的表達(dá)式為

(6)

式中，k為該災(zāi)害鏈中邊的總數(shù)；Bi為邊i的介數(shù)；Li、Hi分別為網(wǎng)絡(luò)除去邊i后的平均路徑長度、連通度。

3.3 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估

根據(jù)提出的相關(guān)公式，分析計(jì)算災(zāi)害鏈網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)重要度和邊的脆弱性，結(jié)果見表2、表3。

表2 山區(qū)鐵路崩滑流災(zāi)害網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)重要度分析

表3 山區(qū)鐵路崩滑流災(zāi)害網(wǎng)絡(luò)邊脆弱性分析

從表2可看出，淤埋線路、車站、橋涵和隧道事件的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)出度、子網(wǎng)數(shù)、支鏈數(shù)均為所有事件中最高，表明該事件在災(zāi)害鏈網(wǎng)絡(luò)中的影響最廣泛，事件造成的后果越嚴(yán)重，是災(zāi)情演化網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)；行車中斷或癱瘓事件的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)入度為3、子網(wǎng)數(shù)為3、支鏈數(shù)為6，表明導(dǎo)致該事件的路徑最多，控制難度越大，屬于災(zāi)情演化發(fā)展的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

通過對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)重要度、網(wǎng)絡(luò)邊脆弱性分析計(jì)算，結(jié)果可知，介數(shù)中心度最大是“淤埋線路、車站、橋涵和隧道”事件，說明該事件與后續(xù)誘發(fā)事件聯(lián)系的緊密程度最高。脆弱度最大是邊“淤埋線路、車站、橋涵和隧道→行車中斷或癱瘓”，說明該關(guān)聯(lián)事件重要程度最高。在實(shí)際情況中，崩滑流災(zāi)害對線路、車站、橋涵和隧道的淤埋破壞概率最大，對行車影響最嚴(yán)重。因此，對崩滑流災(zāi)害網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵災(zāi)害鏈進(jìn)行斷鏈控制十分重要。針對災(zāi)害鏈特征，建議對山區(qū)鐵路沿線災(zāi)害易發(fā)點(diǎn)及時(shí)排查，快速有效識別；對汛期做好監(jiān)測，加強(qiáng)地震臨震預(yù)警，實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理路基、軌道、橋涵、隧道等結(jié)構(gòu)性能變化；對變形山體進(jìn)行加固處理，清理河流淤積，阻止災(zāi)害鏈演化；修建攔擋工程，提前制定切實(shí)有效的應(yīng)急搶險(xiǎn)預(yù)案以應(yīng)對崩滑流淤埋災(zāi)害、行車中斷事故。

4 結(jié)語

(1)艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路災(zāi)害復(fù)雜多變，孕災(zāi)環(huán)境敏感、致災(zāi)因子危險(xiǎn)、承載體脆弱，三者彼此關(guān)聯(lián)緊密，綜合作用。系統(tǒng)分析了崩滑流災(zāi)害鏈特點(diǎn)及其對山區(qū)鐵路行車運(yùn)營和施工建設(shè)的風(fēng)險(xiǎn)。

(2)構(gòu)建了山區(qū)鐵路崩滑流災(zāi)害鏈網(wǎng)絡(luò)，從網(wǎng)絡(luò)的抗毀性角度分析災(zāi)害網(wǎng)絡(luò)，選用節(jié)點(diǎn)出入度、子網(wǎng)數(shù)、支鏈數(shù)、介數(shù)中心度，邊介數(shù)、連通度和平均路徑長度7個(gè)評價(jià)指標(biāo)，綜合研究災(zāi)害網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的重要度和邊的脆弱性，給出節(jié)點(diǎn)重要度和邊的脆弱度的計(jì)算方法，為艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路崩滑流災(zāi)害鏈預(yù)防、斷鏈減災(zāi)工作做出決策支持。

(3)提出的山區(qū)鐵路崩滑流災(zāi)害鏈演化網(wǎng)絡(luò)是無權(quán)有向網(wǎng)絡(luò)，適用于定性分析，對山區(qū)進(jìn)行定量的有權(quán)綜合風(fēng)險(xiǎn)評估有待進(jìn)一步深入研究。