田 明，王建洪，肖 羚，杜宇翔

(1.云南大永高速公路有限公司, 云南 大理 671000；2.云南省交通投資建設(shè)集團(tuán)有限公司, 云南 昆明 650200；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

我國(guó)西南地區(qū)處于青藏高原周邊地帶，曾在第四紀(jì)經(jīng)歷過(guò)強(qiáng)烈的下切期，導(dǎo)致斜坡發(fā)生劇烈的變形破壞運(yùn)動(dòng)，形成了大量的崩塌型巨厚堆積層[1]。堆積體邊坡的失穩(wěn)破壞條件不同于巖質(zhì)邊坡或土質(zhì)邊坡，其中堆積層厚度和含石量是決定堆積體邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。公路邊坡具有沿線呈點(diǎn)狀分布、間隔距離長(zhǎng)、數(shù)量多、歷史數(shù)據(jù)積累少，而且易受環(huán)境變化及人類工程活動(dòng)的影響的特點(diǎn)，很難獲取每個(gè)邊坡詳細(xì)的巖體特征及力學(xué)參數(shù)?？紤]公路堆積體邊坡的堆積體特性，準(zhǔn)確、快速地對(duì)堆積體邊坡作出風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，可為我國(guó)西南地區(qū)山區(qū)公路建設(shè)提供有效的施工指導(dǎo)和建議。

近年來(lái)，半定量評(píng)估方法被逐漸引入到安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，如層次分析法[2]、模糊綜合評(píng)判法[3]等。該類方法能夠快速進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，有效指導(dǎo)施工，保障工程項(xiàng)目的順利進(jìn)行，故而受到風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估人員的青睞。國(guó)內(nèi)很多學(xué)者對(duì)該類方法在邊坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的應(yīng)用方面進(jìn)行了研究，證實(shí)了該類評(píng)估方法的可行性[4-6]。張勇慧等[7]建立公路巖質(zhì)邊坡評(píng)價(jià)體系，應(yīng)用模糊綜合評(píng)判法對(duì)湖湘地區(qū)常吉高速公路142個(gè)巖質(zhì)高邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分級(jí)評(píng)價(jià)，評(píng)判結(jié)果與實(shí)際邊坡失穩(wěn)情況較為吻合。杜時(shí)貴等[8]基于結(jié)構(gòu)面的空間位置、規(guī)模大小和邊坡匹配關(guān)系的分層分析，提出了系統(tǒng)評(píng)價(jià)露天礦山邊坡穩(wěn)定性的分級(jí)分析方法，并對(duì)云南省普洱市大平掌銅礦采場(chǎng)東部邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果與邊坡的實(shí)際變形破壞特征非常吻合。唐亞明等[9]應(yīng)用自己設(shè)計(jì)的邊坡分級(jí)系統(tǒng)，對(duì)黃土滑塌類地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行半定量評(píng)價(jià)，并得出了不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的黃土邊坡區(qū)域分布規(guī)律。半定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性取決于評(píng)價(jià)指標(biāo)選取的合理性，而很多公路邊坡風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估方法并未討論評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取方法以及所選指標(biāo)的合理性，故無(wú)法保證得出準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)結(jié)果。

危險(xiǎn)源辨識(shí)是指識(shí)別危險(xiǎn)源并確定其特性，可為安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)。國(guó)內(nèi)外已開(kāi)發(fā)出的危險(xiǎn)源辨識(shí)方法有幾十種之多，如事故樹(shù)分析法、事件樹(shù)分析法、LEC法等，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)實(shí)例分析對(duì)各種危險(xiǎn)源辨識(shí)方法進(jìn)行了研究，表明了該類方法的實(shí)用性[10-16]。馬安鋒等[17]應(yīng)用事故樹(shù)分析方法分析了造成基坑失穩(wěn)事故的危險(xiǎn)源，為基坑支護(hù)過(guò)程制定了施工安全專項(xiàng)方案。王剛毅[18]應(yīng)用事故樹(shù)分析方法詳細(xì)分析了不同時(shí)期尾礦庫(kù)的危險(xiǎn)源，建立了具體事故的事件樹(shù)模型，總結(jié)了失事后果經(jīng)驗(yàn)估算方法，計(jì)算得出了綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果，證明了事件樹(shù)方法的可行性。

本文考慮堆積體邊坡的特性，應(yīng)用危險(xiǎn)源辨識(shí)方法合理選取公路堆積體邊坡的評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)層次分析法和模糊綜合評(píng)判法相結(jié)合，建立了公路堆積體邊坡的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估方法，并將其應(yīng)用于云南大理到永勝(大永)高速公路沿線堆積體邊坡的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

1 危險(xiǎn)源辨識(shí)

為了對(duì)邊坡進(jìn)行客觀合理的危險(xiǎn)源辨識(shí)，首先要定義邊坡危險(xiǎn)源。中國(guó)《職業(yè)健康安全管理體系 規(guī)范》[19](GB/T 28001—2001)中對(duì)于危險(xiǎn)源的定義：“可能導(dǎo)致傷害或疾病、財(cái)產(chǎn)損失、工作環(huán)境破壞或者這些情況組合的根源或狀態(tài)”。根據(jù)該定義，本文對(duì)邊坡危險(xiǎn)源定義為：“可能導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)破壞的固有地質(zhì)特征或環(huán)境狀態(tài)”。

1.1 事故樹(shù)分析

采用事故樹(shù)分析方法進(jìn)行堆積體邊坡危險(xiǎn)源辨識(shí)。事故樹(shù)分析法是從需要分析的特定事故或者故障(頂上事件)開(kāi)始，逐層分析事故發(fā)生原因，直到找出事故的全部基本原因(底事件)為止。事故樹(shù)分析方法可以有效地分析事故所對(duì)應(yīng)事件或?qū)ο蟮奈ｋU(xiǎn)源。分析步驟如下：

(1) 對(duì)邊坡失穩(wěn)破壞事故進(jìn)行事故致因分析，構(gòu)造邊坡失穩(wěn)破壞事故樹(shù)符號(hào)和意義，見(jiàn)表1。

表1 事故樹(shù)中的符號(hào)和意義

(2) 構(gòu)造事故樹(shù)模型，找出事故的所有基本原因，如圖1所示。

圖1 邊坡失穩(wěn)破壞事故樹(shù)

(3) 根據(jù)事故樹(shù)寫(xiě)出事故樹(shù)結(jié)構(gòu)式：

T=A1+A2=B1+B2+B3+X14+X15=

X1+X2+X3+X4+X5+X6+X7+X8+

X9+X10+X11+X12+X13+X14+X15

(1)

1.2 危險(xiǎn)源確立

由事故樹(shù)分析法得到的事故基本原因確定邊坡危險(xiǎn)源因子。按照事故樹(shù)模型結(jié)構(gòu)，結(jié)合對(duì)邊坡危險(xiǎn)源的定義和危險(xiǎn)源分類方法，將危險(xiǎn)源分為第一類危險(xiǎn)源和第二類危險(xiǎn)源。第一類危險(xiǎn)源為根源危險(xiǎn)源，是指系統(tǒng)中存在的、可能發(fā)生意外釋放的能量或危險(xiǎn)物質(zhì)，第二類危險(xiǎn)源為狀態(tài)危險(xiǎn)源，是指導(dǎo)致屏蔽措施失效或破壞的各種不安全因素。對(duì)于邊坡系統(tǒng)，第一類危險(xiǎn)源是指邊坡系統(tǒng)內(nèi)在危險(xiǎn)源，屬于邊坡本身固有屬性，按坡體表面和坡體內(nèi)部特征，分為地形地貌和巖土體特征。地形地貌對(duì)應(yīng)的危險(xiǎn)源因子有坡高、坡角和坡面形態(tài)；巖土體特征根據(jù)不同巖性類型邊坡確定危險(xiǎn)源，對(duì)于堆積體邊坡，考慮基巖特性、土石混合體特性以及接觸面特性，危險(xiǎn)源因子可確定為基巖巖性、基巖風(fēng)化程度和堆積體厚度等。第二類危險(xiǎn)源為邊坡系統(tǒng)外在危險(xiǎn)源，是對(duì)邊坡系統(tǒng)產(chǎn)生影響的外在不安全因素，包括人工開(kāi)挖活動(dòng)、降雨和地震。所確定的堆積體邊坡危險(xiǎn)源如圖2所示。

圖2 堆積體邊坡危險(xiǎn)源確立

2 堆積體邊坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系

2.1 層次分析法賦權(quán)重

以危險(xiǎn)源辨識(shí)方法確立的危險(xiǎn)源作為評(píng)價(jià)指標(biāo)因子集，應(yīng)用層次分析法，將山區(qū)公路堆積體邊坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估問(wèn)題分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層，分析下層因子相對(duì)于上層因子的單排序情況，通過(guò)量化比較構(gòu)造判斷矩陣，求得判斷矩陣的最大特征值所對(duì)應(yīng)的特征向量，并進(jìn)行歸一化處理，即可作為該層因子的權(quán)重。判斷矩陣還需滿足一致性要求。

以指標(biāo)層{C21，C22，C23，C24，C25，C26}為例，說(shuō)明權(quán)重的確定步驟及判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)方法。

(1) 判斷矩陣構(gòu)造:

(2)

(2) 權(quán)重向量計(jì)算。判斷矩陣的最大特征值λmax= 6.122 5，對(duì)應(yīng)的特征向量歸一化后即為權(quán)重：

w=(0.064,0.250,0.101,0.160,0.382,0.043)

(3)

(3) 一致性檢驗(yàn)。判斷矩陣為6階，查表可知r.i. = 1.26，可求出c.r.：

(4)

(5)

式(4)說(shuō)明判斷矩陣滿足一致性要求，權(quán)重確定合理。層次分析法所確定的因子集權(quán)重見(jiàn)表2。

表2 因子集權(quán)重

2.2 模糊綜合評(píng)判法確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

2.2.1 底層指標(biāo)隸屬度向量確定

通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)[16]，結(jié)合堆積體邊坡特性，確定邊坡單因素風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表3。建立因子集底層指標(biāo)相對(duì)于評(píng)價(jià)集的隸屬度計(jì)算模型，具體方法為：對(duì)于連續(xù)型指標(biāo)，如坡高、坡角、堆積體厚度等，通過(guò)構(gòu)造降半梯形-三角形-升半梯形隸屬度函數(shù)，對(duì)于區(qū)間等級(jí)II、III，取評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的中值作為三角形函數(shù)峰值(所構(gòu)造的堆積體厚度隸屬度函數(shù)如圖3所示)，將指標(biāo)取值作為自變量代入隸屬度函數(shù)，可求得指標(biāo)對(duì)各風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的隸屬度向量；對(duì)于離散型指標(biāo)，構(gòu)造各風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的判斷矩陣，為保證單因素指標(biāo)對(duì)于各等級(jí)的隸屬度之和為1，方便數(shù)據(jù)處理，求得該矩陣最大特征值所對(duì)應(yīng)的特征向量并作歸一化處理，作為指標(biāo)對(duì)各風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的隸屬度向量。

表3 單因素風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

圖3 堆積體厚度隸屬度函數(shù)

2.2.2 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)判定

以某公路邊坡為例，基巖為鈣質(zhì)膠結(jié)砂巖，屬于硬巖，基巖強(qiáng)風(fēng)化。上層堆積體平均厚度為6 m，碎石平均含量為10%。坡面傾向與斜坡巖層產(chǎn)狀相反，屬逆向坡，與節(jié)理裂隙成大角度相交，對(duì)邊坡穩(wěn)定有利。第四系孔隙水多以潛水形式出現(xiàn)，水量甚微，深挖區(qū)孔隙水埋深較淺，水量不大，基巖裂隙水埋深深，對(duì)挖方路塹影響不大。

以{C21，C22，C23，C24，C25，C26}為底層指標(biāo)，計(jì)算上層指標(biāo)C2的隸屬度向量：

(1) 隸屬度矩陣構(gòu)造。由所確定指標(biāo)層{C21，C22，C23，C24，C25，C26}的隸屬度向量，構(gòu)造隸屬度矩陣，橫向表示各指標(biāo)對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的隸屬度向量：

(6)

(2) 上層指標(biāo)隸屬度向量計(jì)算。采用模糊算子M(·，+)，由式(3)、式(6)可求得上層指標(biāo)C2的隸屬度向量：

S=w·R=(0.246,0.284,0.195,0.275)

(7)

逐層計(jì)算上層指標(biāo)隸屬度向量，最終得出目標(biāo)層隸屬度向量，由最大隸屬度原則確定邊坡所屬風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

3 工程應(yīng)用

云南大理到永勝高速公路分為大理段和麗江段兩個(gè)標(biāo)段，其中，大理段起點(diǎn)與大理機(jī)場(chǎng)公路搭接，起點(diǎn)里程為 K0+000，止點(diǎn)位于大理與麗江分界處，止點(diǎn)里程為K52+979.27，全長(zhǎng)約53 km；麗江段起點(diǎn)里程K52+979.270，位于賓川縣力角鎮(zhèn)與永勝縣片角鎮(zhèn)交界處，即接大理段終點(diǎn)，止點(diǎn)里程K91+406.956，永勝縣期納鎮(zhèn)，路線全長(zhǎng)約38 km。線路經(jīng)過(guò)區(qū)域地層出露較多，主要出露奧陶系(O)、泥盆系(D)、二疊系(P)、第四系(Q)地層，地層總厚度在 6 100 m以上。不同成因的第四系松散沉積物廣泛分布于山坡、溝谷和山前地帶及盆地中。包括殘破積層，主要由褐色、褐紅色、褐灰色可塑—硬塑黏土、稍密角礫、稍密碎石等組成；沖洪積層，主要由褐色、灰褐色、褐灰色軟塑—可塑—硬塑黏土，稍密圓礫、稍密卵石、稍密漂石組成。項(xiàng)目區(qū)在區(qū)域上屬高原性氣候，干、雨季分明。年平均降雨量1 176 mm。一般山區(qū)雨量大，壩區(qū)小。降雨量分配極不均勻。 80%集中在雨季6月—10月，每年12月至次年2月有霜期100 d左右。路線所經(jīng)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，構(gòu)造活動(dòng)期次較多，地震活動(dòng)頻繁，特別是挽近期構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈地段，地形切割強(qiáng)烈，地震活動(dòng)特點(diǎn)是具明顯的階段性和周期性，近期地震運(yùn)動(dòng)有所復(fù)活。

通過(guò)對(duì)高速公路沿線的98個(gè)路塹高邊坡的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，結(jié)合路線設(shè)計(jì)方案與區(qū)域地震降雨資料，采用基于危險(xiǎn)源辨識(shí)方法的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系開(kāi)展災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，評(píng)價(jià)結(jié)果為：I級(jí)邊坡1個(gè)，占1%；II級(jí)邊坡49個(gè)，占50%；III級(jí)邊坡28個(gè)，占29%；IV級(jí)邊坡20個(gè)，占20%，見(jiàn)圖4。

圖4 大永高速公路邊坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果

4 結(jié) 論

(1) 針對(duì)我國(guó)西南地區(qū)公路堆積體邊坡的特征，應(yīng)用危險(xiǎn)源辨識(shí)方法中的事故樹(shù)分析方法，考慮堆積體邊坡的堆積層厚度和含石率兩個(gè)關(guān)鍵因子，為公路堆積體邊坡風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估提供了更為合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

(2) 應(yīng)用層次分析法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，運(yùn)用模糊綜合評(píng)判法計(jì)算公路堆積體邊坡風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。該系統(tǒng)方法能夠準(zhǔn)確、快速地對(duì)公路堆積體邊坡進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估，且評(píng)估效率優(yōu)于極限平衡分析和有限元強(qiáng)度折減法等定量評(píng)價(jià)方法。

(3) 針對(duì)云南大永高速公路沿線98個(gè)路塹邊坡，采用建立的評(píng)估體系開(kāi)展堆積體邊坡風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估，其中I級(jí)邊坡1個(gè)，II級(jí)邊坡49個(gè)，III級(jí)邊坡28個(gè)，IV級(jí)邊坡20，可見(jiàn)該方法能有效地評(píng)估公路堆積體邊坡風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，為山區(qū)公路建設(shè)提供有效的施工指導(dǎo)和建議。