山区桥梁建设期泥石流灾害风险评价

程杰

(苏交科集团股份有限公司,江苏南京 210017)



山区桥梁建设期泥石流灾害风险评价

程杰

(苏交科集团股份有限公司,江苏南京 210017)

摘要:为了对山区桥梁建设期防范泥石流灾害提供科学的决策依据,文中从泥石流发生的潜在危险性、桥梁的抗灾能力两个方面构建风险评价指标体系,利用流域环境动态函数与降雨条件函数进行潜在危险性评价,再利用模糊综合评价法对桥梁进行抗灾能力评价,求得山区桥梁建设期发生泥石流灾害的风险度,并将该理论和方法运用到实例中,对某山区一座在建先简支后刚构桥梁建设期发生泥石流的可能性及危害进行评价,验证其可行性。

关键词:工程管理;桥梁;泥石流灾害;危险性评价;抗灾能力评价;模糊综合评价

桥梁是布设于地表的一条带状构造物,在碰到各种地质灾害时难免会遭到破坏,而山区的地形地貌复杂、地质条件不稳定、地质灾害十分频繁,对山区桥梁构成较大威胁。其中泥石流的暴发通常较突然,且历时短暂、速度快、破坏力强,能将大量固体物质冲出山外。泥石流会以冲刷、撞击的形式对流经区域的桥梁造成直接破坏,泥石流的沉积还会对河道造成淤塞,引发水流冲毁桥梁的上部结构。因此,寻找一种科学的方法预估泥石流对桥梁的破坏性,对山区桥梁建设期防范泥石流灾害意义重大。

1 泥石流灾害风险评价原理

1.1 泥石流灾害风险分析

对泥石流灾害进行风险评估,就是对可能遭到破坏的承载体附近泥石流可能发生的概率及其可能损失进行评价和估算的过程。根据联合国救灾组织对自然灾害风险的定义,其中包含致灾因子和脆弱性两个因素。因此,发生泥石流灾害的风险度D可通过下式来计算:

式中:D∈[0,1];H∈[0,1],表示潜在危险性;F∈[0,1],表示抗灾能力。

泥石流风险度等级划分见表1。

表1 泥石流风险度等级

1.2 评价体系的建立

对山区处于建设期的桥梁进行泥石流灾害风险评价,就是分析在桥梁附近发生泥石流灾害的可能性及发生泥石流后对桥梁会造成多大破坏两个方面,评价指标体系见图1。

图1 山区桥梁建设期泥石流灾害风险评价指标体系

2 泥石流风险评价方法

2.1 潜在危险性评价

通过对某区域内历史灾害发生的强度及诱发泥石流灾害的风险因素两方面进行潜在危险性评价。历史灾害发生强度为诱发灾害风险评价提供依据与补充,对泥石流的活动程度进行综合评价,反映该区域内发生泥石流的可能性。

采用环境动态函数E与降雨条件函数R的乘积Y来判断泥石流是否发生。由于人类活动因素可通过一些制度进行约束,量化较难,只考虑其他因素对泥石流的影响。

(1)环境动态函数为:

式中:Ki为诱发因素统计权重;Ni为诱发因素的量化评分值(见表2)。

E取值的含义如下:E＜3.5时,流域环境稳定;若3.5≤E＜8.4,则流域环境基本稳定;8.4≤E ＜11.37时,流域环境不稳定;E≥11.37时,流域环境很不稳定。

表2 环境动态因素的量化评分值

(2)降雨条件函数为:

式中:K为降雨修正系数,K＞1;H24为该地区1 d的最大降雨量(mm);H24(D)为降雨量在1 d内可能引发泥石流的界限值(mm);H1为该地区1 h最大降雨量(mm);H1(D)为降雨量在1 h内可能诱发泥石流的界限值(mm);H1/6为该地区10 min最大降雨量(mm);H1/6(D)为降雨量在10 min内可能诱发泥石流的界限值(mm)。

H24(D)、H1(D)、H1/6(D)的取值见表3。

表3 引发泥石流界限值的取值　mm

R取值的含义如下:R＜3.1时,表示安全雨情;3.1≤R≤4.2时,表示可能发生泥石流的概率P＜0.2;4.2＜R≤10时,表示可能发生泥石流的概率为0.2≤P≤0.8;R＞10时,表示可能发生泥石流的概率P＞0.8。

(3)泥石流是否发生的综合判别函数为:

各参数取值见表4。Y取值的含义:25＜Y＜35 时,泥石流发生的几率约为64%;Y≤25时,发生泥石流的几率约为17%;Y≥35时,发生泥石流的几率约为85%。

表4 判别函数值

2.2 抗灾能力评价

泥石流爆发后,泥石流主要通过以下方式对桥梁造成破坏:1)对桥梁进行冲刷,使桥梁基础受到掏蚀,进而破坏桥梁基础的稳定性;2)泥石流中含有大量固体物质,加上泥石流速度快,其对桥梁的冲击力大,造成桥梁的桥墩丧失承载力并影响桥梁的整体性能;3)泥石流若在桥梁附近沉积,会造成桥梁堵塞,进而破坏桥梁上部结构。

鉴于山区桥梁受泥石流损毁程度受其设计参数合理性的影响,加上桥梁抗灾能力的影响因素具有较强的模糊性,采用模糊综合评价法对山区桥梁的抗灾能力进行评价,评价指标等级见表5。

表5 桥梁抗灾能力评价指标等级

分值A的含义如下:0.8＜A≤1时,桥梁具有极低抗灾性;0.6＜A≤0.8时,桥梁具有低度抗灾性;0.4＜A≤0.6时,桥梁具有中等抗灾性;0.2＜A ≤0.4时,桥梁具有高度抗灾性;当0＜A≤0.2时,桥梁具有极高抗灾性。

3 实例应用

某山区正在建设一座桥梁,该桥梁主跨180 m,为先简支后刚构。桥址处为一发育不稳定斜坡,倾角约40°,坡体呈松散状态,存在发生泥石流的潜在可能性。桥梁跨越段河道宽320 m,河底标高136 m,桥梁呈80°跨越。

3.1 潜在危险性评价

(1)环境动态函数。根据该桥所处位置的地质状况给出量化评分(见表6)。按式(2)计算,得E= 10.85,流域环境不稳定。

(2)降雨条件函数。通过查阅该地区的历史降雨资料,取H24=158.9 mm、H1=70.8 mm、H1/6=11.8 mm。根据经验,取K=1.2,该地区年平均降雨量为1 046 mm,得H24(D)=60 mm、H1(D)=20mm、H1/6(D)=10 mm。按式(3)计算,得R=7.37,可能发生泥石流的概率接近60%。

表6 环境动态函数量化评分

(3)泥石流发生判别函数。按式(4)计算,得Y =79.96。发生泥石流的几率约为85%,属于极高度危险区,在施工过程中应采取相应措施降低风险。

3.2 抗灾能力评价

首先建立评价集V={极低抗灾性,低度抗灾性,中等抗灾性,高度抗灾性,极高抗灾性}={1,0.8,0.6,0.4,0.2},然后邀请相关专家对抗灾能力评价中各影响因素进行打分,从而确定各指标权重W(见表7),构建隶属度矩阵R(见表8)。

表7 各指标权重

求得模糊向量B=W·R=(0,0,0.313 3,0.530 1,0.156 6),得:

表8 抗灾评价指标评判的隶属度

可见,该桥梁为中等抗灾能力,若发生泥石流,会对桥梁造成一定程度的损害。

3.3 风险度计算

根据上述计算结果,该桥潜在危险度约为0.85,抗灾能力为0.431 3,按式(1)计算,得该桥发生泥石流灾害的风险度D=0.367。根据表1,该桥所在区域泥石流灾害风险为高度风险。评价结果与实际情况相符。

3.4 对策建议

由于该桥的抗灾能力一般,而发生泥石流的潜在危险性却很高,需提高桥梁的抗灾能力。在建设中要合理开挖,不能破坏山坡表层;同时合理进行采石,合理处理弃土、弃渣。在可能形成泥石流的区域修建排水工程如排水渠,在可能发生泥石流的源地采取工程措施,如修建拦砂坝、护坡等,还可修建一些排导工程如导流堤、排导沟等控制泥石流的流向,从而减少对桥梁的损害。

4 结语

该文在系统分析影响泥石流发生的因素及泥石流对桥梁破坏方式的基础上,构建了山区桥梁建设期泥石流灾害风险评价指标体系,综合潜在危险性和抗灾能力两方面来衡量发生泥石流灾害的风险度。实例运用表明,该理论和方法的评价结果与实际情况相符,表明其具有一定的现实意义,可为山区桥梁建设期防范泥石流灾害提供决策依据。

参考文献:

[1]谢功元.山区桥梁建设期多因素风险评估方法研究[D].西安:长安大学,2013.

[2]王莉.高速公路桥梁病害分析与山区桥梁灾害防治[D].长沙:湖南大学,2010.

[3]周小彬.泥石流对桥梁工程的危害及其防治[D].上海:同济大学,2006.

[4]刘光旭,戴尔阜,吴绍洪,等.泥石流灾害风险评估理论与方法研究[J].地理科学进展,2012,31(3).

[5]李欣杰.大东沟泥石流风险性评价研究[D].长春:吉林大学,2014.

[6]韩用顺,崔鹏,刘洪江,等.泥石流灾害风险评价方法及其应用研究[J].中国安全科学学报,2008,18(12).

[7]谭沸良.泥石流区桥梁的防灾减灾设计原则初步研究[D].成都:西南交通大学,2014.

[8]周小彬.泥石流灾害形成条件的判别及其防治措施分析[J].西部探矿工程,2006(10).

[9]张迎春.铁路泥石流灾害风险评价与防治研究[D].北京:北京交通大学,2007.

[10]张杰.大跨度桥梁施工期风险分析方法研究[D].上海:同济大学,2007.

[11]麦华山.高速公路泥石流灾害风险评估研究[D].长沙:中南大学,2008.

[12]薛延信.大型桥梁工程施工期风险识别技术与风险应对研究[D].郑州:郑州大学,2011.

收稿日期:2015-12-04

中图分类号:U445.1

文献标志码:A

文章编号:1671-2668(2016)02-0236-04