山區(qū)高速公路棄渣場安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)體系研究

葉咸，尹淏，趙鑫，王冠群，高瑜

（1.云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司 云南省數(shù)字交通重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（籌），云南 昆明 650041；2.云南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，云南 昆明 650216）

0 引言

近年來高速公路工程建設(shè)里程不斷增加，以云南省為例，截至2021 年底，高速公路通車總里程超過9 000 km。受地形地貌條件制約，山區(qū)高速公路建設(shè)過程中隧道工程、高邊坡工程比例高，由此產(chǎn)生了大量廢棄土石方，因此山區(qū)高速公路附屬建設(shè)了大量棄渣場工程。據(jù)統(tǒng)計(jì)，云南省新建高速公路雙向四車道平均每2.01 km 設(shè)置1 座棄渣場；新建雙向六車道高速公路上，平均每1.59 km 設(shè)置1 座棄渣場［1］，可見棄渣場數(shù)量很大。棄渣場若出現(xiàn)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，將對環(huán)境保護(hù)、水土保持、公路建筑物及下游環(huán)境敏感點(diǎn)等造成惡劣的影響［2］。

據(jù)王韜等［3］研究，棄渣場工程存在多個(gè)方面的安全風(fēng)險(xiǎn)，然而對于高速公路棄渣場工程目前沒有統(tǒng)一的安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)與控制方法，仍處于棄渣體邊坡穩(wěn)定性計(jì)算、泥石流危險(xiǎn)度評價(jià)階段；余雷［4］提出了生產(chǎn)項(xiàng)目棄渣場潛在危險(xiǎn)性評價(jià)方法；肖鴻等［5］基于專家調(diào)查法，開展了高速公路棄土場安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)；吳偉東等［6］基于改進(jìn)PPC 模型，提出了鐵路棄渣場綜合風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)系統(tǒng)。這些方法技術(shù)上可行，但是考慮的指標(biāo)不夠全面或依賴巖土試驗(yàn)參數(shù)，然而棄渣場的巖土體參數(shù)是較難準(zhǔn)確獲取的。本文在大量收集工程實(shí)例進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，采用專家群決策層次分析模型，構(gòu)建山區(qū)高速公路棄渣場安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)體系，通過借助現(xiàn)場調(diào)查和專家經(jīng)驗(yàn)的方法，對棄渣場安全風(fēng)險(xiǎn)影響因素的量化取值，避免了巖土參數(shù)等難獲取對評價(jià)體系的影響，實(shí)現(xiàn)了棄渣場安全風(fēng)險(xiǎn)定量評估和風(fēng)險(xiǎn)等級確定，為棄渣場安全防控和風(fēng)險(xiǎn)決策提供技術(shù)支持。

1 安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型的構(gòu)建

經(jīng)過對云南省內(nèi)1 369 座高速公路棄渣場環(huán)評、勘察、穩(wěn)定性評估資料進(jìn)行分析，棄渣場工程安全風(fēng)險(xiǎn)影響因素可以概括為選址和設(shè)計(jì)因素、施工因素、區(qū)域地質(zhì)因素、外部影響因素及資料完整性因素5 個(gè)方面。本文采用層次分析模型進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，這5 個(gè)方面的因素構(gòu)成了模型的準(zhǔn)則層［7］。結(jié)合高速公路棄渣場工程的實(shí)際情況，選取了18 個(gè)評價(jià)指標(biāo)，形成如圖1 所示的層次分析評價(jià)模型。

圖1 安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)層次分析模型Figure 1 AHP model for safety risk assessment

2 問卷設(shè)計(jì)與專家調(diào)查

本文通過對云南省內(nèi)1 369 座高速公路棄渣場資料進(jìn)行分析研究，邀請公路設(shè)計(jì)、水土保持設(shè)計(jì)、工程地質(zhì)、環(huán)境保護(hù)等長期從事棄渣場勘察設(shè)計(jì)、監(jiān)測、安全評估等專業(yè)的技術(shù)專家和工作人員進(jìn)行問卷調(diào)查。問卷內(nèi)容除了基本信息外還包括棄渣場安全方面的專業(yè)技術(shù)問題?；拘畔ū徽{(diào)查者的職務(wù)職稱、學(xué)歷、所從事的專業(yè)及從事該專業(yè)的工作年限；棄渣場安全專業(yè)問題則是針對模型指標(biāo)專門設(shè)計(jì)。受訪專家需要結(jié)合自身的工作經(jīng)驗(yàn)，圍繞影響棄渣場安全的影響因素，對模型方案中指標(biāo)間的重要程度進(jìn)行對比［8］，并在安全問題的出現(xiàn)、治理、管控等方面進(jìn)行拓展。本次研究過程中一共向云南、四川、重慶、廣西等地專業(yè)技術(shù)人員發(fā)出64份問卷，成功回收64份，經(jīng)檢查均為有效問卷，問卷有效率達(dá)100%。

3 群決策專家的選取及權(quán)重確定

棄渣場安全風(fēng)險(xiǎn)控制因素類型涉及選址設(shè)計(jì)、施工、地質(zhì)等幾個(gè)方面，因此相應(yīng)地，群組專家主要由公路工程、工程地質(zhì)勘察、水土保持等專業(yè)的技術(shù)人員組成。由于每個(gè)專家的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)不同，對構(gòu)成模型的各個(gè)指標(biāo)及其相互關(guān)系的影響程度存在理解上的差異，由此導(dǎo)致了群組專家的個(gè)人權(quán)重對決策結(jié)果的影響非常大［9-11］，因此在群組專家權(quán)重的確定上需要遵循科學(xué)合理的原則。本文中專家權(quán)重由職稱屬性和所從事專業(yè)的屬性兩部分屬性權(quán)重構(gòu)成，即專家權(quán)重W1=專家職稱權(quán)重W2×專家從事專業(yè)權(quán)重W3。兩個(gè)屬性權(quán)重均體現(xiàn)了專家對棄渣場工程的經(jīng)驗(yàn)與學(xué)識的積累程度?？紤]與棄渣場工程關(guān)聯(lián)的緊密性，水土保持＞公路工程＞地質(zhì)工程＞環(huán)境工程，對專家所從事專業(yè)進(jìn)行區(qū)分，賦予不同權(quán)重，進(jìn)行歸一化處理，最終得到專家屬性權(quán)重如表1 所示。

表1 群組專家信息及屬性權(quán)重Table 1 Group expert information and attribute weight

專家權(quán)重的考慮是較為復(fù)雜的，職稱、從事專業(yè)屬于較為基本的屬性，下一步還可以結(jié)合從事專業(yè)年限等方面，對專家權(quán)重進(jìn)一步優(yōu)化。

由表1 可知：本次群組專家中工程師有24 人、高級工程師有27 人、正高級工程師有13 人，其中高級及以上職稱人數(shù)占比62%。因?yàn)闂壴鼒龉こ滩粌H涉及環(huán)水保、公路，還涉及地質(zhì)工程與巖土工程專業(yè)，因此選取的專家中水土保持專家35 人、公路行業(yè)專家15 人、環(huán)境保護(hù)方面專家5 人、地質(zhì)工程專家9 人，環(huán)水保方面專家占比63%，本次研究專家群組構(gòu)成較為合理。

4 群決策AHP 評價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定

本文采用群決策AHP 法構(gòu)建安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)體系，群決策AHP 法，即利用大量專家組成專家群組，代替專家個(gè)人決策，從而可有效避免專家個(gè)人主觀偏好造成的影響［9-10］?；跅壴鼒霭踩L(fēng)險(xiǎn)評價(jià)18個(gè)指標(biāo)層次分析模型，首先采用群決策方法，借助AHP 層次分析軟件，根據(jù)群組專家對指標(biāo)因素的相互比較，構(gòu)造判斷矩陣，從而確定評價(jià)模型中各個(gè)指標(biāo)的主觀權(quán)重。然后結(jié)合專家屬性權(quán)重，完成專家群的數(shù)據(jù)集結(jié)分析，最終得到18 個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，見圖2。

圖2 棄渣場安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)權(quán)重Figure 2 Safety risk assessment index weight of waste dump

為避免決策模型出錯(cuò)，對檢測判斷矩陣邏輯性進(jìn)行檢查，采用CR 指標(biāo)進(jìn)行一致性檢驗(yàn)：

式中：ICI為一致性指標(biāo)；IRI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)；RCR為一致性比率［10-11］。當(dāng)RCR＜0.1 時(shí)，判斷矩陣具有較好的一致性，決策模型合理。經(jīng)計(jì)算，本次群決策組合RCR=0.011 3，符合式（1）中判斷標(biāo)準(zhǔn)，表明模型通過一致性檢驗(yàn)，結(jié)果準(zhǔn)確度較高，準(zhǔn)則層一致性檢驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 準(zhǔn)則層一致性檢驗(yàn)結(jié)果Table 2 Criterion-level consistency test results

5 群決策AHP 安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系

得到棄渣場各二級指標(biāo)的權(quán)重后，即可根據(jù)各指標(biāo)的程度進(jìn)行打分，棄渣場工程安全風(fēng)險(xiǎn)可按下式進(jìn)行量化：

式中：F為風(fēng)險(xiǎn)分值；Xi為一級指標(biāo)分值；Rij為二級指標(biāo)分值；Wij為二級指標(biāo)權(quán)重；i=1，2，3，4，5；j=1，2，…，n；i為一級指標(biāo)的個(gè)數(shù)，n為對應(yīng)的第i類一級評估指標(biāo)中包括的二級指標(biāo)的個(gè)數(shù)。

將18 個(gè)指標(biāo)進(jìn)行細(xì)化分級，根據(jù)每個(gè)指標(biāo)的特點(diǎn)進(jìn)行百分值打分，構(gòu)建棄渣場工程安全風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)體系。

本次研究運(yùn)用蒙特卡洛隨機(jī)抽樣技術(shù)，抽樣次數(shù)1×107次，可靠度R在99%以上，滿足精度要求。按照正態(tài)分布函數(shù)，以頻率分別為10%、60%、90%時(shí)的抽樣結(jié)果將風(fēng)險(xiǎn)等級劃分為4 個(gè)等級，并得到各風(fēng)險(xiǎn)等級的閾值。棄渣場安全風(fēng)險(xiǎn)等級劃分結(jié)果見表3。

表3 棄渣場安全風(fēng)險(xiǎn)分級標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Safety risk classification standard of waste dump

依據(jù)以上研究成果，根據(jù)不同風(fēng)險(xiǎn)等級，提出相對應(yīng)的棄渣場安全風(fēng)險(xiǎn)控制措施，形成棄渣場安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)技術(shù)體系，實(shí)施現(xiàn)場管理和監(jiān)控預(yù)警。風(fēng)險(xiǎn)分級管理措施建議見表4。

表4 風(fēng)險(xiǎn)分級管理措施Table 4 Risk classification management measures

6 應(yīng)用實(shí)例

6.1 工程地質(zhì)概況

香格里拉至麗江（白漢場）高速公路上補(bǔ)洛大橋左右幅為連續(xù)剛構(gòu)橋，橋梁全長476 m，橋梁跨越海巴洛泥石流溝。海巴洛泥石流溝位于哈巴雪山的西側(cè)，泥石流溝的流域范圍內(nèi)最高海拔為5 396 m。經(jīng)過調(diào)查，流域內(nèi)目前仍發(fā)育有少量冰川。受冰川消融、衰退等影響，上游泥石流溝道中存在大量的冰磧物，在溝道兩側(cè)廣泛分布滑坡堆積體。該溝屬于高頻泥石流溝，經(jīng)訪問，每年均有泥石流發(fā)生，發(fā)生頻率2～3 次/年，且發(fā)生的規(guī)模較大。據(jù)趙鑫等［12］研究，該泥石流具有高位、高易發(fā)和高隱蔽等特征，泥石流一旦發(fā)生，對下游基礎(chǔ)設(shè)施和人民生命財(cái)產(chǎn)安全將造成極為嚴(yán)重的影響。此外香麗高速、香麗鐵路部分棄渣堆放于泥石流溝溝道兩側(cè)，更加劇了泥石流發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

6.2 工程地質(zhì)條件

實(shí)例棄渣場位于云貴高原中部，地處山地斜坡中下部，屬構(gòu)造侵蝕地貌區(qū)，地形較陡，植被極為茂密。研究區(qū)內(nèi)水系較為發(fā)育，河流主要包括金沙江、沖江河等，河道狹窄，流速較快，河流流量在雨季明顯增多。

研究區(qū)氣候特征表現(xiàn)為干濕季節(jié)分明，垂直變化顯著。棄渣場所處泥石流溝流域范圍可分為3 個(gè)垂直氣候帶，其中海拔2 500 m 以上區(qū)域多年平均降雨量為610 mm 左右；海拔2 000～2 500 m 區(qū)域多年平均降雨量890～930 mm；海拔2 000 m 以下的區(qū)域氣候炎熱，降雨量較少，一般在700 mm 以下。

研究區(qū)上覆為第四系沖積層塊石土、第四系殘坡積塊石土、第四系殘坡積碎石土。下伏基巖為三疊系上統(tǒng)強(qiáng)風(fēng)化板巖、三疊系上統(tǒng)中風(fēng)化板巖。場地區(qū)域?qū)偾嗖馗咴瓟鄩K區(qū)，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，場地受海巴洛背斜影響較大，巖體破碎。

此外根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306—2015），場區(qū)地震動反應(yīng)譜特征周期為0.4 s，地震動峰值加速度小于0.20g，場區(qū)地震基本烈度為8 度。

6.3 棄渣場特征調(diào)查

公路和鐵路隧道棄渣堆放于海巴洛泥石流溝右側(cè)，位于中下游部位，如圖3～5 所示，棄渣場屬于臨河型棄渣場，其棄渣成分主要為碎石，石質(zhì)成分為灰色、灰褐色板巖、灰?guī)r。渣場呈長條形分布，可分為上壩區(qū)和下壩區(qū)，上壩區(qū)為大面積堆放，堆放厚度較大，下壩區(qū)堆放厚度較小，通過無人機(jī)傾斜攝影測量，棄渣場總體庫容約22.2×104m3。棄渣場最大堆高42.9 m，綜合邊坡坡度40°。

圖3 棄渣場上壩區(qū)無人機(jī)影像圖Figure 3 UAV image of dam area of waste dump

圖4 棄渣場上壩區(qū)俯視圖Figure 4 Top view of dam area of waste dump

圖5 A-A′剖面圖（剖面位置見圖4）（坡度40°）Figure 5 A-A′ section (see Figure 4 for section position) (slope of 40°)

通過調(diào)查，棄渣場壓實(shí)度較高。棄渣場目前仍在繼續(xù)收納渣體，尚未開展植被修復(fù)工作。棄渣場上壩區(qū)和下壩區(qū)局部修建兩道擋土墻，一道用于攔渣，一道作為便道的路基擋墻。上壩區(qū)為泥石流溝凸岸，上壩區(qū)與下壩區(qū)銜接處及下壩區(qū)中段為泥石流溝凹岸，泥石流溝凹岸容易受到泥石流沖刷，從而導(dǎo)致?lián)跬翂Φ撞棵摽粘霈F(xiàn)傾覆。

根據(jù)無人機(jī)傾斜攝影成果，棄渣場僅上壩區(qū)頂部開挖了土溝，整個(gè)棄渣場未修建任何截排水設(shè)施。根據(jù)量測，棄渣場底部即為第一處施工便橋，下游距棄渣場底部150 m、290 m、470 m、530 m、570 m 依次為香麗鐵路的施工駐地、第二處施工便橋、香麗鐵路橋墩、第三處施工便橋和香麗高速上補(bǔ)洛大橋橋墩。棄渣場下游基礎(chǔ)設(shè)施較多，一旦發(fā)生較大規(guī)模泥石流，裹挾棄渣向下游產(chǎn)生沖擊，將產(chǎn)生較為嚴(yán)重的后果。

6.4 棄渣場安全風(fēng)險(xiǎn)評估

對海巴洛泥石流溝棄渣場進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評估，通過計(jì)算，該棄渣場安全風(fēng)險(xiǎn)綜合評分為52.408 3分，見表5。

表5 棄渣場安全風(fēng)險(xiǎn)評估表Table 5 Safety risk assessment of waste dump

根據(jù)表3 修正后的安全風(fēng)險(xiǎn)分級標(biāo)準(zhǔn)，該棄渣場安全風(fēng)險(xiǎn)等級為Ⅲ級，為高度風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)表4 風(fēng)險(xiǎn)分級管理措施，應(yīng)對該棄渣場進(jìn)行日常管理、專項(xiàng)整治及監(jiān)控預(yù)警，以便減小棄渣場安全風(fēng)險(xiǎn)。

6.5 風(fēng)險(xiǎn)控制措施

（1） 日常管理措施

加強(qiáng)日常管理，日常巡查時(shí)，對地表、擋土墻等進(jìn)行外觀巡查，巡查頻率15～30 d/次，在連續(xù)降雨、暴雨期間加強(qiáng)人工巡查力度。同時(shí)禁止有關(guān)施工單位繼續(xù)棄渣。

（2） 專項(xiàng)整治措施

開展棄渣場專項(xiàng)整治，針對棄渣場坡度、截排水措施開展相關(guān)工作：① 對棄渣場邊坡進(jìn)行放緩處理，將棄渣場坡度放緩至30°左右，多余的土石方可堆放至上部平臺，堆放過程中應(yīng)進(jìn)行分層碾壓，確保壓實(shí)度；② 棄渣場整體未設(shè)計(jì)修筑截水溝，建議盡快完善截排水溝設(shè)計(jì)和施工，理順棄渣場排水系統(tǒng)，使棄渣場地表水能夠順利排出，截?cái)嗌喜繌搅?，以減少流水對棄渣場上覆土體的侵蝕作用；③ 建議對完工后的棄渣場上覆腐殖土進(jìn)行生態(tài)修復(fù)；④ 建議對底部溝側(cè)擋土墻進(jìn)行加固處理，確保在泥石流沖刷下?lián)跬翂r(shí)的穩(wěn)定。建議對泥石流溝進(jìn)行梳理，通過設(shè)置導(dǎo)流堤、急流槽、束流堤等排導(dǎo)措施，改善泥石流流勢；⑤ 在橋墩上游設(shè)置丁壩、順壩等防護(hù)工程，減少泥石流沖擊影響，確保橋墩的安全。

（3） 監(jiān)控預(yù)警措施

① 棄渣場土體發(fā)生連續(xù)沉降時(shí)，會引發(fā)巖土體原始結(jié)構(gòu)的改變，降低巖土體力學(xué)強(qiáng)度。當(dāng)?shù)乇硭罅繚B入坡體內(nèi)部時(shí)，還會嚴(yán)重危及坡體的安全穩(wěn)定。為減少棄渣場土體沉降對坡體造成的影響，建議采取必要的地表位移監(jiān)測措施對棄渣場表面進(jìn)行監(jiān)測［13］；② 可采用視頻監(jiān)測手段，對棄渣場段泥石流進(jìn)行監(jiān)測，雨季應(yīng)加強(qiáng)泥石流、擋土墻觀測，一旦出現(xiàn)安全問題及時(shí)發(fā)布預(yù)警。

7 結(jié)語

隨著高速公路建設(shè)里程不斷增加，棄渣場數(shù)量顯著增長，然而棄渣場作為高速公路的附屬工程，其安全穩(wěn)定性一直以來沒有較好的方法進(jìn)行直接判定，因此亟須提出安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)體系，對棄渣場安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，從而為其安全運(yùn)營提供技術(shù)支撐。本文在通過大量調(diào)查統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，將棄渣場安全風(fēng)險(xiǎn)控制因素分為選址設(shè)計(jì)因素、施工因素、區(qū)域地質(zhì)環(huán)境條件、外部環(huán)境、資料完整性共5 個(gè)一級指標(biāo)，并進(jìn)一步細(xì)化為18 個(gè)二級指標(biāo)。通過大量專家調(diào)查分析，采用基于群決策的層次分析法計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重，構(gòu)建了棄渣場安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系，并建立分級標(biāo)準(zhǔn)，完善了山區(qū)高速公路棄渣場工程的安全評價(jià)技術(shù)方法體系。需要指出的是，專家權(quán)重和指標(biāo)數(shù)量是基于有限的統(tǒng)計(jì)資料進(jìn)行分析，隨著評估體系使用的不斷擴(kuò)展和大量數(shù)據(jù)的主動或被動積累，還將進(jìn)一步優(yōu)化指標(biāo)體系及權(quán)重，為山區(qū)高速公路棄渣場工程安全風(fēng)險(xiǎn)管控提供幫助。