山区既有铁路地质灾害风险评估方法

魏少伟，雷大鹏，卢大玮，颜志雄，张玉芳( 1．中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081; 2．高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京100081; ．西安铁路局工务处，陕西西安　710054)



山区既有铁路地质灾害风险评估方法

魏少伟1，2，雷大鹏3，卢大玮3，颜志雄1，2，张玉芳1，2
( 1．中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081; 2．高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京100081; 3．西安铁路局工务处，陕西西安710054)

摘要:提出一种针对山区铁路既有线地质灾害的风险评估方法。首先，对自然山体地质灾害类型及严重程度进行调查分析，结合既有防护工程的适宜性及技术状况评价，得出灾害危险性概率等级;其次，依据地质灾害发生后影响范围及恢复通车快慢，得出灾害事故损失等级;最后，由灾害危险性概率与事故损失的乘积得到灾害风险等级。

关键词:铁路地质灾害风险评估损失等级危险性概率风险等级

1　概述

近年来，在地震、强降雨等极端气候的多重影响下，山区铁路沿线地质灾害呈多发趋势，成为铁路防灾减灾工作亟需解决的重大难题。

山区铁路沿线的地质灾害，具有线长点多、灾害类型丰富、基础资料不完善、防治要求高等突出特点。要做到科学防治、主动防治，应首先建立科学合理的地质灾害评估体系，这样才能“有的放矢”、“对症下药”。

目前地质灾害风险评估理论研究基本形成两个研究方向:

1)以统计分析方法、地理工程技术方法、神经网络分析法等定量评价为基础，建立针对区域地质灾害的定量风险评估方法［1-5］。数学方法若不能在诠释铁路沿线地质灾害本身的发生、发展规律上获得新知的话，势必不太可能得出更好的危险性评价结果。

2)以可靠度理论为基础，针对单点灾害的定量风险评估方法［6］。该类方法不适宜铁路沿线地质灾害线长点多、基础资料不完善等特点，仅适用于重点灾害点的评估。

针对铁路既有线地质灾害特点，上述两类方法均不适用，目前我国也尚未形成完整、统一的山区铁路既有线地质灾害风险评估方法。

基于铁路沿线地质灾害评估的现实需求，对西安、广西、昆明、南宁等铁路局地质灾害评估现状进行了调研，提出一种在既有防护工程的适宜性、技术状况评价的基础上，采用安全性评价与风险评价相结合的定性、定量地质灾害综合评估方法。

2地质灾害风险评估流程

风险等级是根据灾害发生的危险性概率和风险事故损失来综合评级的。风险等级可表征为风险事故发生的概率和事故损失的乘积。地质灾害评估流程见图1。

图1地质灾害评估流程

3地质灾害评价标准

地质灾害评价标准包括:①地质灾害类型;②挡护设施的适宜性评价;③挡护设施的技术状况评价;④地质灾害危险性概率评价;⑤地质灾害事故损失评价;⑥地质灾害风险等级;⑦防治等级。

3. 1地质灾害类型

铁路既有线地质灾害类型分两大类:边坡病害与挡护结构病害(受地质灾害影响)。

3. 1. 1边坡病害

边坡病害包括崩塌落石、风化剥落、滑坡、溜坍、泥石流、河流冲刷等。

3. 1. 2挡护结构病害

挡护结构病害从成因分为三大类:①因自身质量问题导致的病害;②因自身承载力不足导致的病害;③排水系统失效。

以挡墙为例，挡墙病害类型可分为:

1)因挡墙质量问题导致的病害:①墙体几何尺寸不足(与设计比较) ;②墙体材料不符合要求;③墙体有空洞;④墙体粘结不足。

2)因挡墙承载力不足导致的病害:①基础滑动破坏;②绕墙趾转动的破坏;③基础产生不均匀沉陷;④墙身剪切破坏;⑤沿软弱层破裂面滑动。

3)挡墙排水系统失效:①泄水孔结构、材料老化;②墙背填土反滤层破坏;③排水系统堵塞、失效。

3. 2挡护设施适宜性评价

挡护设施的适宜性评价，首先是通过现场调查，从地形地质条件、现场病害情况和历史病害记录等信息，判断边坡是否存在灾害，或者灾害的类型。再从现状挡护结构类型对地质灾害主要因素的抑制作用进行适宜性评价。

可从宏观上进行大致的定性判断。导致边坡病害的因素有主要因素(或控制因素)和次要因素，不同边坡病害对挡护设施有不同的破坏力。从挡护设施对产生边坡病害主要因素的控制程度和对变形破坏力抵抗的有效性两个方面，将挡护设施的适宜性划分为4个等级，见表1。

表1挡护设施的适宜性分级标准划分

3. 3挡护设施技术状况评价

挡护设施技术状况评价主要从挡护设施质量缺损状况，使用过程中的损害情况和本身老化的情况三方面来评价挡护设施的缺损程度。据此进行技术状况的评价，评估挡护结构抵抗灾害的能力。

挡护设施的三个组成部分护坡、挡墙、排水的权重分别为W1= 20%，W2= 60%，W3= 20%，其中护坡的组成部件片石、勾缝、基础、坡高及坡率的评分标准见表2。

表2护坡各组成部件评分标准

综合一级指标权重与二级指标权重，可得挡护设施自身质量评定等级。综合评定方法见表3。根据不同边坡挡护设施的特点，采用专家评估法确定各组成部分的一级指标权重和组成部件的二级指标权重。

3. 4地质灾害危险性概率评价

目前铁路边坡设计多采用安全系数法，安全系数K越高，边坡灾害发生的可能性越小。

针对边坡安全(稳定)系数的评价，采用两种方法，一种是极限平衡法，一种是变形迹象法。

极限平衡法，是岩土安全稳定性分析的主要方法之一，铁路部门常用的极限平衡法是传递系数法。既有线病害工点的极限平衡法，要考虑挡护设施技术状况对其承载能力的影响。

表3边坡挡护设施自身质量等级综合评定方法

变形迹象法，是通过边坡变形迹象推断边坡稳定状态的方法。研究证明，地表裂缝的发展过程与滑坡发育间存在有规律性的生成关系。由于滑体和滑带的变形在地表形变和形迹上出现明显可区分的迹象，徐邦栋［7］将滑坡滑动依次划分为蠕动、挤压、微动、滑动、大动和固结6个发育阶段。依据滑坡变形迹象6阶段的总结，本项目中变形迹象与边坡安全状况划分标准见表4。

表4边坡变形迹象与安全状况划分标准

边坡安全状况与危险性概率的对应关系见表5。

表5灾害发生概率等级标准

3. 5地质灾害事故损失评价

地质灾害事故损失评价，按灾害发生后影响范围及恢复通车快慢划分，见表6。

表6风险事故损失等级评价

3. 6地质灾害风险等级

风险等级可表征为风险事故发生的概率和事故损失的乘积，风险等级划分见表7。

表7风险等级划分

3. 7防治等级

对应地质灾害风险等级，提出铁路地质灾害防治等级，见表8。

表8地质灾害防治等级

4　工程实例分析

4. 1工程概述

1)地形地貌:宝成K320 + 472—K320 + 770左侧边坡位于宝成线朝天—观音坝区间，自然坡高约70 m，自然坡度约28°，边坡呈直线坡。坡面植被较发育，以小型乔木为主，线路从坡体下部切坡通过。堑坡高约8～20 m，坡度约70°。线路走向285°，坡向15°，见图2。

2)地质条件:坡体表层为碎石土，下覆基岩为粉砂岩，强～中风化，强风化岩体结构面发育，整体破碎，呈红褐色;中风化岩体岩质较硬，呈深褐色。边坡岩体结构面发育，岩层顺倾，局部发现顺坡向泥质夹层，不利于边坡稳定。据现场调查，岩层产状355°∠25°，结构面产状:①170°∠84°;②187°∠24°。

图2工点全貌

3)地下水情况:现场调查，正在施工的地段局部见地下水出露，土体潮湿。

4)原设计情况:边坡下部采用浆砌护面墙防护。

4. 2病害情况

1)灾害成因及情况概述:地下水软化作用使坡体内泥化夹层强度降低，边坡沿该面易发生滑坡。

据现场调查，该段边坡岩体为顺层边坡，局部形成泥化夹层，雨水下渗造成该结构面强度软化，易发生滑坡(见图3)。调查时该处正进行排水涵洞施工，从施工开挖出露能清晰看出坡体内泥化夹层受水渗透的情况。同时该处护面墙片石尺寸、规格及整体厚度均存在一定质量问题，难以有效起到抑制岩土体变形及滑动的效果(见图4)。同时，在护面墙发现多处裂缝。从现有调查情况分析，该处病害与各级护面墙基础承载力不足有直接关系，但护面墙的进一步损毁，易造成后部坡体浅层滑动，边坡灾害断面示意如图5。

图3泥化夹层

图4坡体内顺坡向结构面发育及护面墙缺损

图5边坡灾害断面示意(单位: m)

2)灾害类型及规模:灾害类型为滑坡，可滑总方量约为1. 75万m3，边坡坡脚距线路水平距离约4. 0 m，危岩体距线路垂直高度在4～30 m。

4. 3边坡灾害(病害)评价

1)适宜性评价。边坡灾害类型为滑坡，滑体距线路垂直高度在4～30 m。采用浆砌护面墙防护对滑坡的抑制作用小，不适宜，属四级。

2)技术状况评价。据现场调查，该处浆砌防护墙整体质量存在问题，且局部已出现病害。其中，从调查可知，片石规格、厚度均不达标，取片石评分R1= 4(差) ;坡面局部勾缝脱落、片石间浆体强度差，取勾缝评分R2= 4(差) ;调查过程五级护坡有整体下错趋势，各级护坡未做地基处理，基础承载力严重不足，取基础评分R3= 5(危险) ;边坡最高约20 m，坡度约70°，取坡高及坡率评分R4= 4(差)。详细分值见表9。

表9技术状况评价详细分值

3)灾害危险性概率评价。据现场调查，边坡为顺层边坡，局部形成泥化夹层，雨水下渗造成该结构面强度软化，易发生滑坡。目前该边坡护面墙体已局部开裂，坡体后缘出现局部环形不连续微裂缝。依据变形迹象法，边坡处于主滑蠕动阶段，1. 10≤K＜1. 15，确定其灾害危险性概率属二级:偶尔发生。

4)灾害事故损失评价。据现场调查，边坡可滑总方量约为1. 75万m3，坡脚距线路水平距离约4. 0 m，滑坡体距线路垂直高度在4～30 m。滑坡体侵线后需较长时间抢险才能通车，确定其灾害事故损失评价属四级:特大。

5)风险等级评价。根据表8该工点对应的风险等级属三级:高度风险。

6)防治措施建议、造价估算及规划。防治措施建议: K320 + 472—K320 + 770段边坡采用斜向控制注浆钢锚管+锚索框架加固，锚索设置在二级坡面，一、三级坡设置钢锚管。钢锚管、锚索间距为3 m×3 m，框架梁尺寸为0. 4 m×0. 3 m，共需钢锚管约3 000 m、锚索约3 500 m。尽快施工K320 + 650处排水涵洞，做好施工期安全工作。

造价估算: ( 3 000 + 3 500)×500 = 325万元;防治等级:尽快整治;近中远期规划:中期。

5主要结论及需改进工作

5. 1主要结论

1)在山区铁路沿线地质灾害评估实践基础上，提出一种在既有防护工程的适宜性、技术状况评价的基础上，采用安全性评价与风险评价相结合的定性、定量综合风险评估方法。

2)以宝成线K320 + 472—K320 + 770左侧边坡为例，对该方法应用进行阐述与示范。

5. 2需改进工作

1)加强崩塌落石定量分析，包括稳定性分析、落石范围计算等;

2)事故损失评价中，引入灾害点周边环境、灾害点可视条件等影响因素，完善事故损失评价标准;

3)针对目前铁路地质灾害管理现状，建立实用、便捷、合理的地质灾害信息管理平台。

参考文献

［1］张春山，吴满路，张业成．地质灾害风险评价方法及展望［J］．自然灾害学报，2003，12( 1) : 96-102．

［2］刘希林．泥石流危险度判定的研究［J］．灾害学，1988，3 ( 3) : 10-15．

［3］苏经宇，周锡文，樊水荣．泥石流危险等级评价的模糊数学方法［J］．自然灾害学报，1993，2( 2) : 83-90．

［4］张业成，胡景江．中国地质灾害危险性分析与灾变区划［J］．地质灾害与环境保护，1995( 3) : 55-67．

［5］朱良峰，殷坤龙，张梁，等．地质灾害风险分析与GIS技术应用研究［J］．地理学与国土，2002，18( 4) : 10-13．

［6］祝玉学．边坡可靠性分析［M］．北京:冶金工业出版社，1993．

［7］徐邦栋．滑坡分析与防治［M］．北京:中国铁道出版社，2001．

(责任审编赵其文)

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《铁道建筑》编辑部

Risk assessment method of geological disaster of existing mountain railway

WEI Shaowei1，2，LEI Dapeng3，LU Dawei3，YAN Zhixiong1，2，ZHANG Yufang1，2
( 1．Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2．State Key Laboratory for Track Technology of High-Speed Railway，Beijing 100081，China; 3．Track Maintenance Department，Xi'an Railway Bureau，Shaanxi Xi'an 710054，China)

Abstract:A risk assessment method of geological disaster for existing mountain railways was proposed．First，the types and severity of natural mountain geological disaster was investigated and analyzed，the disaster risk probability grade was obtained by combining with suitability and technical condition evaluation of the existing protection engineering．Next，the disaster loss grade was concluded according to the disaster influence range and the restoring traffic time．Last，the disaster risk grade was calculated by the product of the disaster risk probability and accident loss．

Key words:Risk assessment; Suitability evaluation; T echnical condition evaluation; Risk probability; Risk grade

文章编号:1003-1995( 2016) 01-0053-06

中图分类号:U216．41+9．2

文献标识码:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．01．11

作者简介:魏少伟( 1984—)，男，副研究员，博士。

收稿日期:2015-11-07;修回日期: 2015-12-08