黄土山区冲沟地形桥梁下部结构安全风险评价

王 磊，郭震山，杨国俊

(1．中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065；2．山西省交通科技研发有限公司桥梁工程防灾减灾山西省重点实验室，山西 太原 030006；3．兰州理工大学防震减灾研究所，甘肃 兰州 730050)

黄土山区峁梁沟壑纵横起伏，夏、秋季节短历时强降雨集中，穿越黄土山区的公路桥梁下部结构往往沿“V”或“U”型冲沟高低布设，其下部结构主要采用单排双柱式桥墩和摩擦桩，墩台边坡为高陡坡甚至为高急坡。由于其特殊的地质、地形、地貌及水文气候条件，若设计考虑不完善、施工操作不规范、管理养护不到位，桥址排水设施功能往往会不同程度丧失，桥址极易出现大范围水毁，致使墩台桩基外露。这些特点导致黄土山区冲沟地形桥梁下部结构面临极大的安全风险。

目前，国内外对黄土山区冲沟地形桥梁下部结构的相关研究大多集中在自身使用功能的评价方面[1-5]，鲜有关于桥址周边环境条件对桥梁下部结构安全影响的研究。冯忠居等[6]将影响多雨冲沟区桥梁桩基安全的因素分为自然因素和人为因素；张刚刚等[7]基于陕北吴定高速公路黄土峁梁沟壑区桥梁设计的特点，指出黄土地区桥梁在设计过程中需充分考虑岸坡坍塌对桥台安全的影响；赵宝俊等[8]基于陕北某高速公路实地调研结果，分析了水毁前后黄土沟壑地形桥梁下部结构的各种病害及其成因，并建立了运营期黄土沟壑地形桥梁下部结构的安全风险预警评价系统。

总体来看，已有研究对影响黄土山区冲沟地形桥梁下部结构安全的风险因素有了一定的了解，但多是针对具体工程或经验性总结，认识还很不全面，未建立起相应的风险评价指标体系和可行的风险评价方法，不能对黄土山区冲沟地形桥梁下部结构潜在的风险进行有效预防。鉴于此，本文针对黄土山区冲沟地形桥梁下部结构安全风险评价研究方面的空白，基于山西省岢临(S85)、临离(G59)、太佳(S50)、汾离(G20)4条吕梁山区高速公路上的174座桥梁下部结构的实地调查结果[9]，建立了包括安全风险识别、安全风险估计、安全风险评价与控制的桥梁下部结构完整的安全风险评价方法。该风险评价方法首先在全面揭示黄土山区冲沟地形桥梁下部结构风险诱发机制及演变过程规律的基础上，建立了黄土山区冲沟地形桥梁下部结构的安全风险评价指标体系；然后根据层次分析(AHP)与模糊综合评判(FCE)方法各自的优点[10-11]，采用层次分析-模糊综合评判法估计了黄土山区冲沟地形桥梁下部结构的整体安全风险水平；最后应用该评价方法对黄土山区冲沟地形中某大桥下部结构的安全风险进行了评价，以验证该方法的有效性。

1 安全风险识别

开展风险评价的首要问题是风险识别，这也是进行风险评价所有后续工作的前提[12]。对于黄土山区冲沟地形桥梁下部结构存在的安全隐患，安全风险识别的关键在于确定桥梁下部结构的水毁特征及其对黄土山区冲沟地形桥址环境条件的敏感性，主要包括三个方面的内容：①分析黄土山区冲沟地形桥梁下部结构的承载性状和承载机理；②确定典型水毁场景；③确定风险诱发因子。安全风险源识别步骤，见图1。

图1 黄土山区冲沟地形桥梁下部结构安全风险源识别步骤

1.1 黄土山区冲沟地形桥梁下部结构的承载性状和承载机理分析

开展黄土山区冲沟地形桥梁下部结构典型水毁场景及风险源分析的前提是要明确其下部结构承载性状和承载机理，重点是分析桥址环境条件对桩基及桩基承载性状的影响。桥址环境条件对桩基的影响主要表现在：多种风险因素耦合引起风险事故发生，即桥梁墩台桩基础水毁外露，导致风险损失。桥址环境影响分析主要是通过对桩基水毁外露特点和水毁演变过程的分析确定关键因素(见图2)。桩基承载性状和承载机理分析包括桩基承载设计方法和理论、黄土山区冲沟地形桥梁设计要求、冲沟地形桩基承载特性等。

图2 黄土山区冲沟地形桥梁下部结构水毁演变过程

1.2 典型的水毁场景分析

典型的水毁场景是全过程描述桥梁墩台桩基础从风险因子诱发、不断累积发展至大范围水毁外露，最终对桥梁下部结构主体产生的不利影响。黄土山区冲沟地形桥梁下部结构典型水毁场景分析主要内容包括[9]：①分析桥梁下部结构布设与桥址排水系统的空间位置关系、桥址排水系统与周边环境的相对空间位置关系以及桥梁下部结构布设与桥址周边环境的相对空间位置关系，确定危险源类型及典型水毁场景特征；②根据桩基承载性状和承载机理分析，确定桩基基本特征，如桩基类型、下部结构型式；③结合桩基承载性状和承载机理分析确定黄土山区冲沟地形桥梁下部结构的危险场景。

图3为本次实地调查的黄土山区冲沟地形某高速公路桥梁下部结构典型的危险场景。

图3 某高速公路桥梁下部结构典型的危险场景

由图3可以看出，处于“V”或“U”型冲沟斜坡中间的单排双柱式桥墩桩基严重外露和高陡边坡台前土体不断水毁崩塌后退是最为典型的危险场景。

1.3 安全风险源识别

黄土冲沟地形桥梁下部结构的安全风险源是指给桥梁下部结构正常使用功能带来消极作用的关键因素。根据桥梁下部水毁调查及其成因分析结果，黄土冲沟地形桥梁下部结构的安全风险源包括自然环境因素、设计因素、施工因素和管理养护因素[9]，各因素相互耦合渗透，并具有可转化性，共同影响桥梁下部结构的安全。基于山西省吕梁山区4条高速公路上的174座桥梁下部结构的实地调查结果[9]，识别出黄土山区冲沟地形桥梁下部结构的关键安全风险源，并建立了其安全风险评价指标体系，见图4。

图4 黄土山区冲沟地形桥梁下部结构的安全风险评价指标体系

2 安全风险估计

基于上述建立的安全风险评价指标体系，明确各目标风险指标的风险概率和风险损失是安全风险估计的核心。本文主要通过定性方法(Deiphi法)和定量方法(Monte Carlo法、故障树法、模糊分析法、层次分析法)确定各风险指标的风险概率和风险损失[13-16]，以使桥梁下部结构安全风险分析的量化结果可满足山区桥梁管理养护人员的决策需求。

基于黄土山区冲沟地形桥梁下部结构安全风险评价指标体系的特点，为了兼顾安全风险评价过程中对指标层次化和评判数量化的要求，又考虑到安全风险分析过程中存在的人为不确定性，采用层次分析与模糊评判相结合的方法(即AHP-FCE法)对特殊地形桥梁下部结构的安全风险进行评价，具体包括以下内容：根据安全风险识别结果建立安全风险多层次评价指标体系；基于决策需求建立评语集，并基于实地调查结果构建各评价指标权重集及隶属度矩阵；最后依次进行多层次综合评判[17]。

2.1 建立层次模型

层次分析法的首要问题是建立全面的安全风险多层次评价指标体系。基于桥梁下部结构安全风险源识别结果，黄土山区冲沟地形桥梁下部结构的安全风险评价指标体系U可分成m个子指标即一级评价指标Ui(i=1,2,…,m),一级评价指标集U=(U1,U2,…,Um)；每个一级评价指标Ui又可分为n个二级评价指标Uij(j=1，2，…，n),对应的二级评价指标集Ui=(Ui1,Ui2,…，Uin)。这样便得到一个黄土山区冲沟地形桥梁下部结构安全风险三层次的评价指标体系(见图4)。

2.2 建立评语集

层次模型各评价指标集中描述相应评价指标评判状态的集合为评语集[17]，不同风险概率和风险损失水平用Vk表示，V=(V1,V2,…，Vk)。在桥梁工程领域[18]，V一般可划分为5个不同水平等级(即k=5)，即V=(极低，低，中，高，极高)。黄土山区冲沟地形桥梁下部结构安全风险评价的核心工作就是要确定其风险概率和风险损失水平等级，不同风险概率和风险损失水平等级的分级标准，见表1和表2[17]。

表1 黄土山区冲沟地形桥梁下部结构安全风险概率水平等级的分级标准

表2 黄土山区冲沟地形桥梁下部结构安全风险损失水平等级的分级标准

2.3 确定评价指标权重集

确定各评价指标相应权重是层次分析法的基本内容，权重集表征层次模型中各评价指标的相对重要性。按照姚敏等[19]对模糊一致矩阵的研究论述，通过以下3个步骤确定各评价指标权重：①根据专家调查意见建立优先关系矩阵；②通过变换构建符合一致性要求的模糊判断矩阵；③确定各评价指标权重集。

2.3.1 建立优先关系矩阵

优先关系矩阵能够直观地表征层次模型中同一层次评价指标集中两两评价指标之间的相对重要性，一般根据专家调查意见将层次模型中不同评价指标对特殊地形条件桥梁下部结构安全风险的敏感程度两两评价指标之间进行比较得出，通常从底层评价指标集Ui建立判断矩阵：

(1)

式中：aij(i,j=1，2，…，n)表示评价指标Uei相对于Uej的重要性(e=1，2，…，m)。

在用于两两评价指标之间比较的数值方法中，1～9标度法使用最为广泛[18]，但该方法存在人的主观判断对aij的影响过大等不足之处，而模糊一致判断矩阵能够将人为主观判断的影响程度降到最低限度[19]，故本文按照模糊一致判断矩阵方法得到aij:

(2)

式中：s(i)、s(j)分别表示评价指标Uei和Uej的相对重要性程度。

显然，0≤aij≤1，且aij+aji=1，矩阵a是模糊互补矩阵。

2.3.2 构建模糊一致判断矩阵

为了消除优先关系判断矩阵与人主观思维过程一致性存在的差异，使决策更科学、合理,需对得到的模糊互补矩阵a作进一步变换。对a=(aij)n×n按行求和，得到：

(3)

对bi再作如下变换：

(4)

则A=(Aij)n×n即是模糊一致判断矩阵。

2.3.3 确定评价指标权重集

本文在模糊一致判断矩阵的基础上采用和行归一法确定各评价指标相应的权重[12]。首先，按下式变换处理模糊一致判断矩阵A中元素Aij,得到变换后矩阵E=(eij)n×n，其中eij为

(5)

然后，按行相加矩阵E,可变换得到向量F=(f2,f2,…，fn)；最后，经归一化处理向量F，得到各评价指标权重集Wi=(wi1,wi2,…,win)T。通过同样的方法，可求得一级评价指标集U的权重集W,一级指标Ui的权重也可以通过专家调查结果直接确定。

2. 4 建立隶属度矩阵

为了确定同一评价指标集中各评价指标相对于评语集中各评语等级的隶属程度，建立隶属度矩阵，这也是模糊综合评价法的关键步骤。建立的隶属度矩阵R如下：

(6)

式中：rij(i=1，2，…，n；j=1，2，…，k)为第i个评价指标相对于第j个评语等级的隶属度。

本文采用专家调查法及统计分析各评价指标集的隶属度矩阵，得到黄土山区冲沟地形桥梁下部结构安全风险评价指标集U1的风险概率隶属结果，见表3。

表3 黄土山区冲沟地形桥梁下部结构安全风险评价指标集U1的风险概率隶属结果

2.5 多层次综合评判

多层次综合评判的基本思路是：确定二级评价指标权重集和隶属度矩阵后，得到二级评价指标评判集；在此基础上确定一级评价指标评判集，最终得到目标指标(U)的评判结果。

2.5.1 底层指标评判

底层指标评判集Di可由相应评价指标的权重集Wi和隶属度矩阵Ri得到[17]，即：

=(di1,di2,…,dik) (i=1，2，…，m)

(7)

式中：“∘”表示模糊运算合成算子，常用的模糊合成算子共有4种[14]，本文采用主因素决定算子M(∧，∨),忽略其他次要因素而突出主要因素的影响，即：

(i=1，2，…，m;j=1,2,…,n;e=1,2,…,k)

(8)

在此基础上，对底层评价指标评判集Di作无量纲归一化处理。

2.5.2 一级评价指标评判

一级评价指标隶属度矩阵R可由二级评价指标评判集Di和一级评价指标权重集W得到，即：

R=(D2,D2,…,Dm)T

考虑一级评价指标权重集W,可得到一级评价指标评判集D为

=(d1,d2,…,dk)

(9)

在此基础上，对一级评价指标评判集D作无量纲归一化处理。

一级评价指标权重集W也可由专家根据工程经验直接给出，对于这种情况，一级评价指标评判集D可由以下公式直接得到：

(10)

2.5.3 目标指标的综合评判

对于桥梁结构工程安全风险评价层次模型，评判集D可通过以上步骤逐层评判得到，评分集可通过评语集V的风险概率和风险损失区间中间值得到，即G=(0.1，0.3，0.5，0.7，0.9)，最终可得到目标指标U的安全风险水平估计结果H，即：

H=D∘GT=(d1,d2,…,dk)∘(g1,g2,…,gk)T

(11)

3 安全风险评价与控制

安全风险评价就是基于上述工作，全面分析风险概率和风险损失水平估计结果即安全风险概率评分Hp和安全风险损失评分Hl,通过建立评价模型，综合评估黄土山区冲沟地形桥梁下部结构的整体安全风险，确定其安全风险水平，并提出针对性的安全风险水平接受准则。黄土山区冲沟地形桥梁下部结构的整体安全风险水平等级评价矩阵见表4，对于不同安全风险水平的黄土山区冲沟地形桥梁下部结构相应的接受准则，见表5。

表4 黄土山区冲沟地形桥梁下部结构的整体安全风险水平等级评价矩阵

表5 黄土山区冲沟地形桥梁下部结构的安全风险水平接受准则

4 案例分析

山西省吕梁山区岢临(岢岚—临县)高速公路ZB1合同段某大桥全长156.00 m，为先简支后连续预应力连续小箱梁桥，下部结构采用柱式矩形墩、桩柱式桥台和灌注桩基础。桥址地形呈典型“V”型冲沟，最大高差约35 m左右，坡中、坡顶全为柱式桩基础。5#台桩基斜坡坡度较大、临坡距过小，在冲沟地形和桥址排水的影响下，其结构的安全风险较大，需完善桥址排水系统设计及防护设施规划。但从实际调查结果看，桥址排水设施“千疮百孔”，安全隐患“层出不穷”，主要表现在：0#台、5#台桩基都出现大范围水毁，左幅5#台桩基外露，右幅1#墩桩基外露4 m左右，桥梁下部结构面临极大的安全隐患。因此，亟需对该桥梁下部结构的安全风险进行评价。

4.1 确定评价指标权重集

由专家调查意见和公式(1)～(5)，可得到该黄土冲沟地形桥梁下部结构安全风险二级评价指标集Ui的权重集Wi如下：

W1=(0.187,0.294,0.385,0.134)T

W2=(0.345,0.305,0.228,0.122)T

W3=(0.426,0.355,0.219)T

W4=(0.382,0.413,0.205)T

一级评价指标集U的权重集W通过专家经验直接给出,即：W=(0.40,0.20,0.20,0.20)T。

4.2 建立隶属度矩阵

自然环境因素U1的风险概率隶属度矩阵由专家调查分析得到,即：

采用同样方法，可得到设计因素U2、施工因素U3和管理养护因素U4的隶属度矩阵Ri。

4. 3 多层次综合评判

以黄土冲沟地形桥梁下部结构的安全风险概率评判为例，由公式(7)～(8)可得到二级评价指标评判集Di如下：

由二级评价指标评判集Di和公式(9)～(10)，可得到一级评价指标评判集D为

D=(0.022 6,0.109 2,0.171 6,0.224 4,0.471 8)

由公式(11)，该桥梁下部结构的安全风险概率评分Hp=0.702 5。由同样方法，可得到该桥梁下部结构的安全风险损失评分Hl=0.723 8。

4. 4 安全风险评价与控制

基于上述评价结果，该桥梁下部结构的安全风险概率和安全风险损失估计结果分别为Hp=0.702 5和Hl=0.723 8。由表4整体安全风险水平等级评价矩阵可知，该桥梁下部结构的整体安全风险水平为Ⅳ级；由表5安全风险水平接受准则可知，该桥梁下部结构的整体风险水平处于极高风险水平等级，属于不可接受的风险水平，必须高度重视并采取切实有效的风险规避措施，直至将风险降低到不期望的水平。

为了防范与化解其安全风险，对该桥梁应采取优化桥址排水设计、加强施工过程控制、加大管理养护等风险控制措施，其安全风险控制原则和主要内容如下：

(1) 处理好短期发展与长期使用性能的关系，实施具有针对性、主动性、超前性的处治对策；解决好防冲防渗问题；遵循远接远送、迅速分离、降低流速、分散径流、加固沟槽的原则；做到统一布置，逐项设计。

(2) 桥址填挖交界及台前护坡处，沟槽基础必须位于原状土上，不能满足要求时，基底软土及护坡填土应整体进行夯实处治；高陡边坡必须要进行边坡防护工程设计，并要保证施工顺利进行及后期运营安全。

(3) 提高桥梁排水设施管理养护的投入，建设专门的排水设施养护工程师队伍，并加大养护力度，完善经常检查及定期检查机制，同时建立健全完备的桥梁下部结构长期监测大数据平台。

该桥梁下部结构采取了相应的安全风险控制措施后的风险评价结果，见表6。

表6 黄土山区冲沟地形某桥梁下部结构的安全风险控制结果

由表6可知，采取安全风险控制措施后该桥梁下部结构的安全风险水平降至Ⅱ级，属于可接受的风险水平。

5 结 论

黄土山区冲沟地形桥梁下部结构的安全风险评价对运营桥梁下部结构的安全风险具有可预见性，有助于防范与化解桥梁下部结构的安全风险，并可减少后期管理养护损失，本文研究得到结论如下：

(1) 分析了黄土山区冲沟地形桥梁下部结构可能存在的安全风险及其影响因素，提出了桥梁下部结构安全风险评价指标体系。

(2) 提出了黄土山区冲沟地形桥梁下部结构的安全风险评价方法，并提出了风险控制准则。

(3) 建立了一套完整的黄土山区冲沟地形桥梁下部结构的安全风险评价方法，运用该评价方法对某运营桥梁下部结构的安全风险进行了评价。结果表明：该评价方法能够有效分析并预测该桥梁下部结构的安全风险水平，从而验证了该方法的有效性。