跨江桥梁项目环境风险概率计算及影响因素分析

宋 丹，杨肃博，谭 驰，龚 立，李 灵

(1.重庆市环境监测中心，重庆 401147;2.重庆忠庆环境工程咨询服务有限公司，重庆 400016;3.四川省环境工程评估中心，成都 610041)

交通项目中的桥梁工程特别是跨大江、大河桥梁在环境风险方面具有其专有的特点。跨河桥梁工程运营期存在的风险主要表现在工程投运后，运输有毒有害及易燃易爆等危险物品的车辆因交通事故或违反危险品运输的有关规定，运输途中发生交通事故，造成有毒有害品泄漏或是有毒有害物品运输车辆坠落入江中，产生严重的环境以及饮用水水质污染问题。因此，在环境影响评价中，对跨河桥梁发生环境风险的概率进行合理的分析就显得尤为重要［1，2］。

本文选择以重庆主城区某跨江桥梁为例，综合考虑区域交通事故统计、事故影响因素、桥梁限制条件等方面，对跨河桥梁的环境风险概率进行分析，以寻求得到切实可行的计算风险概率的方法［3］。

1 可信风险事故类型

跨江桥梁项目存在的可信风险事故主要是危险品运输风险，包括以下两方面:

(1)危险品运输车辆在桥面发生事故，造成运输的危险品外泄、外溢、喷发等，进而使危化品进入水体，可能造成的水体污染;

(2)危险品运输车辆失控冲入水体或是经栏杆拦截后发生罐、车分离，危险品罐坠入江中，造成水质污染［3，4］。

2 重庆市交通事故资料统计

2.1 重庆市交通事故统计

根据重庆市政府公布的历年道路交通事故情况盘点以及重庆市年鉴中的统计数据，全市2004年～2011年发生交通事故统计见表1。

从表1 中可看出，重庆市交通事故量随着年份的增加呈现出先升高后降低趋势，1999年～2003年之间，由于车辆的陡增以及城市交通体系处于逐步完善过程，造成了交通事故逐年增加;而2003年后，随着城市交通管理水平、道路安全保障措施以及驾驶员自身素质的提高，交通事故量在而后的几年内出现了明显下降，直至2009年～2011年，交通事故开始进入了一个较为缓和的下降过程。由此可以推断未来的年份，重庆市交通事故量将处于一个平稳期。

表1 重庆市历年交通事故统计Tab.1 Statistic for traffic accidents in Chongqing over the years

因此，将2009年～2011年之间的交通事故统计平均值作为评价依据具有较好的代表性和有效性。

2.2 区域交通事故比例

按照重庆市历年交通事故组成以及全市公路工作会议统计信息结果，主城区范围内与城乡结合处、远郊地区发生交通事故的比例见表2。结合统计结果，主城区范围事故比例逐年增加，接近占总事故量的50%，评价可以此作为事故统计比例。

表2 区域交通事故比例统计Tab.2 Proportion statistic for tracffic accidents in different area

2.3 通车里程统计

根据重庆市统计年鉴，重庆市历年通车里程统计见表3。按照区域进行通车里程统计见表4。

表3 重庆市历年通车里程统计Tab.3 The analysis for the traffic accidents

表4 2011年分区通车里程统计Tab.4 Statistic for mileage open to traffic in different subregions in 2011

3 区域交通事故概率及影响因素分析

3.1 单位里程交通事故概率

本次评价项目位于重庆市主城区，选取2011年作为评价基准年，则按照主城区域交通事故统计比例计算得出评价基准年主城区交通事故为2865次;然后依据主城区都市发达经济圈交通里程统计(9379km)来计算拟建大桥所处区域平均交通事故概率为0.3054 次/km·a。

3.2 项目区域交通事故因素

为了更准确预测拟建项目区域事故概率，针对本项目路段可能涉及的引发事故特征，本评价依据交通部统计数据以及重庆历年 (2000年～2011年)道路交通事故统计数据进行交通事故关键影响因素及特征分类统计［5］，具体结果如表5。

表5 交通事故发生特征分析Tab.5 The analysis for the traffic accidents

4 评价项目大桥可信事故概率计算

鉴于项目所处区域的环境敏感程度，为了突出拟建项目拟采取的风险防范措施对降低事故发生概率的作用，本文分别从未采取防范措施、采取设计措施后以及采取评价建议补救措施后的可信事故概率3 种情况进行概率分析计算。

4.1 未考虑防护措施可信事故概率计算

(1)概率估算公式

本次研究将常用交通项目事故概率计算经验公式进行了限制因素优化，针对跨江大桥项目特有的风险特征增加了部分影响参数，来预测项目发生风险事故的概率，具体公式如下［6］:

式中:

P :预测危险品发生风险事故的概率，次/年;

Q0:项目区域交通事故概率，次/年;

Q1:货车占整个交通量的比例，%;

Q2:运输危险品占货运量比例，%;

Q3:路线特征占事故总数比例，%;

Q4:事故发生区域(路侧事故)占事故总量比例，%;

Q5:事故形态(翻车)占事故总量比例，%;

Q6:事故形态 (出桥面、坠落)占事故比例，%;

Q7:事故形态下发生泄漏的概率，%;

Q8:预测评价年交通量与现有统计交通量比例，%。

(2)影响参数取值

根据拟建项目实际情况分别对经验公式中影响参数进行取值分析。具体取值及依据见表6。

表6 影响参数取值(未采取措施)Tab.6 The values for the Impact parameters (without measures)

(3)概率计算结果

在不考虑采取防范措施的情况下，概率预测计算结果为:评价年发生危险品运输车辆影响坠桥而影响饮用水水源的事故概率约为0.000000529 (即5.29 ×10-7)次/年。

评价参考《危险评价方法及应用》中各种风险水平及其可接受程度，由于跨江河流可能存在影响下游饮用水水源等敏感因素，因此本研究对事故的可接受概率选取为低于最高级别标准(10-6/a)，即为10-7/a。因此，可以看出，在未采取措施的情况下，拟建项目发生危险品进入水体影响饮用水安全的概率高于可接受水平。

4.2 考虑采取设计措施后可信事故概率计算

(1)概率估算公式

同样采用上述经验公式来预测发生风险事故的概率:

式中:Q0～Q8同式(1);

Q9:桥面防撞栏以及人行道加强栏杆对事故的降低比例。

(2)影响参数取值

拟建大桥在桥面两侧布置0.7m 高加强组合式防撞栏以及人行道加强栏杆，设计负荷满足《公路交通安全设施设计规范》 (JTG D81 -2006)中规定的SB 级防撞等级。本评价针对设计拟采取的防范措施后的影响参数(Q8、Q9)进行分析。

①危险品车翻越防撞栏杆概率分析(Q8)

车辆与护拦理想的碰撞和防护发生在车辆重心高度及前保险杠高度与护栏梁的高度相当的情形下，否则容易发生两种情况:车辆钻入护栏横梁下面或者车辆从护栏横梁上翻越。

本次研究主要对避免车辆翻越情况下防护栏杆最低高度进行校核计算。

A:碰撞条件统计

车辆类型及吨位:考虑拟建项目区域可能存在的危险品运输类型，参考国内公路车辆碰撞栏杆事故调查结果，同时依据重庆市危化品运输车辆登记标准，评价选取18t 货车为碰撞参考车型。

碰撞角度:车辆与护拦的碰撞角度服从正态分布，85%保证率的碰撞角度为20.3°，因此，本评价选取初时碰撞角度为20°。

初始速度:拟建项目设计车速为60km/h，考虑到事故多发生在超速行使的状态，本次选取初始碰撞速度为80km/h。

B:碰撞事故翻越计算及汽车质心高度核准［8］

本评价利用能量守恒定理，假设汽车撞击护拦后，垂直于护拦的速度带来的动能全部转化为翻越栏杆的势能。

如图1、图2 所示，车辆与护栏接触后向护栏靠拢且与护拦平行，然后在前进的同时绕O 点发生横向转动。

设车辆平行于护栏时的横向速度为V0sinθ，在Δt 时间后，车辆相对于O 点的角速度为ω，横向速度为V，则ω·h=V，其中θ 为汽车初始驶入碰撞角度，h 为车辆质心距护栏顶端的垂直距离［9，10］。

图2 汽车碰撞平面示意图Fig.2 The schematic diagram of plane for the car crash

根据动量定理和动量矩定理:

其中J 为汽车的转动惯量，可求出车体的横向速度:

根据上式可以得到车辆动能为:

碰撞过程中最不利的情况为质心越过O 点上方从而导致车体倾覆，该极限情况就是碰撞初始动能全部转化为汽车的势能，使得汽车质心恰好转至O 点上方，此时车体的动能为0。因此，根据功能原理:

依据上式可以求出h 的极大值，最后根据车体的质心高度可以求出护栏高度。

根据前述设计条件:速度80km/h，质心高度为H 的18t 位货车与防护栏发生初始角20°的碰撞时，计算得h=0.66m。拟建项目采用的《公路交通安全设施设计规范》(JTGD81 -2006)》的F 型护栏，不考虑汽车碰撞时爬高，因此，可得护栏高度应为H-0.66。

拟建项目拟采取的护拦高度为0.7m，则可推得汽车的质心高度为1.36m。考虑到汽车初始碰撞速度相对保守，可以认为在防护栏高度为0.7m 的情况下，可以有效地避免质心高度为1.4m 的货车碰撞过程发生翻越事故。

C:栏杆碰撞强度计算

考虑到项目所在区域可能造成二次污染重大事故，拟建项目护拦防撞等级为SB 级别。根据SB级别碰撞强度试验条件，我国对护拦的防撞力进行了实测与计算比较，具体见表7。

表7 防护栏碰撞力比较Tab.7 The collision force comparison of the fence

从表7 中可看出，拟建项目采取的SB 防撞级别可以抵挡20t 货车、80km/h 的撞击强度。由此可看出，在严格按照《公路交通安全设施施工技术规范》(JTG F71 -2006)》施工的情况下，基本不会发生车辆冲破护拦的事故。

②人行道栏杆拦罐体截概率

根据《公路交通安全设施设计规范》(JTGD81-2006)》中规定，设置人行道的桥梁道路，可以不考虑车辆掉下的可能性。

但是为了预防车辆碰撞行人以及非机动车事故增加的危险，特别是避免危险品运输车辆在被路侧防撞栏杆拦挡后发生罐、车分离的情况下可能造成的罐体坠桥事故，拟建项目利用高度差将机动车道和人行道在平面上有机分开，同时在人行道外侧设置了人行道加强栏杆，形成双排桥梁护拦的方式，保证了防撞强度以及防坠落要求。

(3)影响参数的取值

根据以上计算结果及防范措施，影响参数具体取值及依据见表8。

表8 影响参数取值(设计采用措施)Tab.8 The values for the impact parameters(design measures)

(4)采取设计拟采用措施后概率计算

在采取设计拟采用措施以后，发生危险品运输车辆影响坠桥影响饮用水水源的事故概率为0.000000159 (即1.19 ×10-7)次/a，和可接受概率为10-7的可接受水平仍有一定的差距

4.3 采取补充措施后可信事故概率计算

(1)概率估算公式

采用常用经验公式来预测发生风险事故的概率:

式中:Q0～Q9同式(2);

Q10:桥面防撞栏升高至0.8m 对事故的降低比例;

Q11:全路段危化品禁行。

(2)影响参数的取值

影响参数具体取值及依据见表9。

表9 影响参数取值(采用补充措施)Tab.9 The values for the impact parameters(taking the complementary measures)

(3)采取评价补充措施后概率计算

在采取评价补充措施以后，发生危险品运输车辆影响坠桥及影响饮用水水源的事故概率为0.0000000135 (即0.135 ×10-7)次/a，低于了本次研究确定可接受概率10-7的标准。

5 结论

(1)跨江大桥项目对项目区域水环境风险产生的最大可信事故是危化品在跨越水体时发生事故进而产生侧翻、坠河、泄露等引起的对水环境的影响，应该对目前采用的风险概率计算模型中的限制因素进行修正，增加大桥项目特定的影响限制因素。

(2)通过对项目区域交通事故基础数据统计得到了具有代表性的事故概率基数，在综合考虑本次研究增加的各项限制因素的情况下计算出了大桥项目发生最大可信事故的概率。

(3)大桥项目除了应严格落实设计采取的风险防范措施以外，更应该从环境风险评价角度采取更为严格地补充措施，以求使得可信事故概率达到可接受的水平。

［1］国家环保总局监督管理司.中国环境影响评价［M］.北京:化学工业出版社，2000 .

［2］陆雍森.环境评价［M］.上海:同济大学出版社，1999 .

［3］HJT169-2004，建设项目环境风险评价技术导则［S］.

［4］赵剑强.公路交通与环境保护［M］.北京:人民交通出版社，2002.

［5］李 杨.公路路侧安全等级评估及防护方法研究［D］.西安:长安大学，2008.

［6］国家环境保护总局环境影响评价工程师职业资格管理办公室.环境影响评价工程师职业资格登记培训系列教材——交通类(试用)［M］.北京:中国环境科学出版社，2006.

［7］刘凯峥，刘浩学，晏远春，徐 磊，蒋世应.罐体车辆道路运输危险品事故特征分析［J］.安全与环境学报，2010，10(3):130-133.

［8］司景萍.液类货物运输中质心位置的计算分析［J］.内蒙古工业大学学报，2002，21(3):222-226.

［9］姚启明，孙 利，李明飞，才 华，周兰玉.汽车冲击防撞护栏的运动响应分 析［J］.沈阳建筑工程学院学报，2002，18(4):250-253.

［10］张 宇.汽车重心高度在交通事故处理中的应用［J］.公安交通科技，2006，10(2):45-46.