黃土山區沖溝地形橋梁下部結構安全風險評價

王 磊，郭震山，楊國俊

(1．中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710065；2．山西省交通科技研發有限公司橋梁工程防災減災山西省重點實驗室，山西 太原 030006；3．蘭州理工大學防震減災研究所，甘肅 蘭州 730050)

黃土山區峁梁溝壑縱橫起伏，夏、秋季節短歷時強降雨集中，穿越黃土山區的公路橋梁下部結構往往沿“V”或“U”型沖溝高低布設，其下部結構主要采用單排雙柱式橋墩和摩擦樁，墩臺邊坡為高陡坡甚至為高急坡。由于其特殊的地質、地形、地貌及水文氣候條件，若設計考慮不完善、施工操作不規范、管理養護不到位，橋址排水設施功能往往會不同程度喪失，橋址極易出現大范圍水毀，致使墩臺樁基外露。這些特點導致黃土山區沖溝地形橋梁下部結構面臨極大的安全風險。

目前，國內外對黃土山區沖溝地形橋梁下部結構的相關研究大多集中在自身使用功能的評價方面[1-5]，鮮有關于橋址周邊環境條件對橋梁下部結構安全影響的研究。馮忠居等[6]將影響多雨沖溝區橋梁樁基安全的因素分為自然因素和人為因素；張剛剛等[7]基于陜北吳定高速公路黃土峁梁溝壑區橋梁設計的特點，指出黃土地區橋梁在設計過程中需充分考慮岸坡坍塌對橋臺安全的影響；趙寶俊等[8]基于陜北某高速公路實地調研結果，分析了水毀前后黃土溝壑地形橋梁下部結構的各種病害及其成因，并建立了運營期黃土溝壑地形橋梁下部結構的安全風險預警評價系統。

總體來看，已有研究對影響黃土山區沖溝地形橋梁下部結構安全的風險因素有了一定的了解，但多是針對具體工程或經驗性總結，認識還很不全面，未建立起相應的風險評價指標體系和可行的風險評價方法，不能對黃土山區沖溝地形橋梁下部結構潛在的風險進行有效預防。鑒于此，本文針對黃土山區沖溝地形橋梁下部結構安全風險評價研究方面的空白，基于山西省岢臨(S85)、臨離(G59)、太佳(S50)、汾離(G20)4條呂梁山區高速公路上的174座橋梁下部結構的實地調查結果[9]，建立了包括安全風險識別、安全風險估計、安全風險評價與控制的橋梁下部結構完整的安全風險評價方法。該風險評價方法首先在全面揭示黃土山區沖溝地形橋梁下部結構風險誘發機制及演變過程規律的基礎上，建立了黃土山區沖溝地形橋梁下部結構的安全風險評價指標體系；然后根據層次分析(AHP)與模糊綜合評判(FCE)方法各自的優點[10-11]，采用層次分析-模糊綜合評判法估計了黃土山區沖溝地形橋梁下部結構的整體安全風險水平；最后應用該評價方法對黃土山區沖溝地形中某大橋下部結構的安全風險進行了評價，以驗證該方法的有效性。

1 安全風險識別

開展風險評價的首要問題是風險識別，這也是進行風險評價所有后續工作的前提[12]。對于黃土山區沖溝地形橋梁下部結構存在的安全隱患，安全風險識別的關鍵在于確定橋梁下部結構的水毀特征及其對黃土山區沖溝地形橋址環境條件的敏感性，主要包括三個方面的內容：①分析黃土山區沖溝地形橋梁下部結構的承載性狀和承載機理；②確定典型水毀場景；③確定風險誘發因子。安全風險源識別步驟，見圖1。

圖1 黃土山區沖溝地形橋梁下部結構安全風險源識別步驟

1.1 黃土山區沖溝地形橋梁下部結構的承載性狀和承載機理分析

開展黃土山區沖溝地形橋梁下部結構典型水毀場景及風險源分析的前提是要明確其下部結構承載性狀和承載機理，重點是分析橋址環境條件對樁基及樁基承載性狀的影響。橋址環境條件對樁基的影響主要表現在：多種風險因素耦合引起風險事故發生，即橋梁墩臺樁基礎水毀外露，導致風險損失。橋址環境影響分析主要是通過對樁基水毀外露特點和水毀演變過程的分析確定關鍵因素(見圖2)。樁基承載性狀和承載機理分析包括樁基承載設計方法和理論、黃土山區沖溝地形橋梁設計要求、沖溝地形樁基承載特性等。

圖2 黃土山區沖溝地形橋梁下部結構水毀演變過程

1.2 典型的水毀場景分析

典型的水毀場景是全過程描述橋梁墩臺樁基礎從風險因子誘發、不斷累積發展至大范圍水毀外露，最終對橋梁下部結構主體產生的不利影響。黃土山區沖溝地形橋梁下部結構典型水毀場景分析主要內容包括[9]：①分析橋梁下部結構布設與橋址排水系統的空間位置關系、橋址排水系統與周邊環境的相對空間位置關系以及橋梁下部結構布設與橋址周邊環境的相對空間位置關系，確定危險源類型及典型水毀場景特征；②根據樁基承載性狀和承載機理分析，確定樁基基本特征，如樁基類型、下部結構型式；③結合樁基承載性狀和承載機理分析確定黃土山區沖溝地形橋梁下部結構的危險場景。

圖3為本次實地調查的黃土山區沖溝地形某高速公路橋梁下部結構典型的危險場景。

圖3 某高速公路橋梁下部結構典型的危險場景

由圖3可以看出，處于“V”或“U”型沖溝斜坡中間的單排雙柱式橋墩樁基嚴重外露和高陡邊坡臺前土體不斷水毀崩塌后退是最為典型的危險場景。

1.3 安全風險源識別

黃土沖溝地形橋梁下部結構的安全風險源是指給橋梁下部結構正常使用功能帶來消極作用的關鍵因素。根據橋梁下部水毀調查及其成因分析結果，黃土沖溝地形橋梁下部結構的安全風險源包括自然環境因素、設計因素、施工因素和管理養護因素[9]，各因素相互耦合滲透，并具有可轉化性，共同影響橋梁下部結構的安全。基于山西省呂梁山區4條高速公路上的174座橋梁下部結構的實地調查結果[9]，識別出黃土山區沖溝地形橋梁下部結構的關鍵安全風險源，并建立了其安全風險評價指標體系，見圖4。

圖4 黃土山區沖溝地形橋梁下部結構的安全風險評價指標體系

2 安全風險估計

基于上述建立的安全風險評價指標體系，明確各目標風險指標的風險概率和風險損失是安全風險估計的核心。本文主要通過定性方法(Deiphi法)和定量方法(Monte Carlo法、故障樹法、模糊分析法、層次分析法)確定各風險指標的風險概率和風險損失[13-16]，以使橋梁下部結構安全風險分析的量化結果可滿足山區橋梁管理養護人員的決策需求。

基于黃土山區沖溝地形橋梁下部結構安全風險評價指標體系的特點，為了兼顧安全風險評價過程中對指標層次化和評判數量化的要求，又考慮到安全風險分析過程中存在的人為不確定性，采用層次分析與模糊評判相結合的方法(即AHP-FCE法)對特殊地形橋梁下部結構的安全風險進行評價，具體包括以下內容：根據安全風險識別結果建立安全風險多層次評價指標體系；基于決策需求建立評語集，并基于實地調查結果構建各評價指標權重集及隸屬度矩陣；最后依次進行多層次綜合評判[17]。

2.1 建立層次模型

層次分析法的首要問題是建立全面的安全風險多層次評價指標體系。基于橋梁下部結構安全風險源識別結果，黃土山區沖溝地形橋梁下部結構的安全風險評價指標體系U可分成m個子指標即一級評價指標Ui(i=1,2,…,m),一級評價指標集U=(U1,U2,…,Um)；每個一級評價指標Ui又可分為n個二級評價指標Uij(j=1，2，…，n),對應的二級評價指標集Ui=(Ui1,Ui2,…，Uin)。這樣便得到一個黃土山區沖溝地形橋梁下部結構安全風險三層次的評價指標體系(見圖4)。

2.2 建立評語集

層次模型各評價指標集中描述相應評價指標評判狀態的集合為評語集[17]，不同風險概率和風險損失水平用Vk表示，V=(V1,V2,…，Vk)。在橋梁工程領域[18]，V一般可劃分為5個不同水平等級(即k=5)，即V=(極低，低，中，高，極高)。黃土山區沖溝地形橋梁下部結構安全風險評價的核心工作就是要確定其風險概率和風險損失水平等級，不同風險概率和風險損失水平等級的分級標準，見表1和表2[17]。

表1 黃土山區沖溝地形橋梁下部結構安全風險概率水平等級的分級標準

表2 黃土山區沖溝地形橋梁下部結構安全風險損失水平等級的分級標準

2.3 確定評價指標權重集

確定各評價指標相應權重是層次分析法的基本內容，權重集表征層次模型中各評價指標的相對重要性。按照姚敏等[19]對模糊一致矩陣的研究論述，通過以下3個步驟確定各評價指標權重：①根據專家調查意見建立優先關系矩陣；②通過變換構建符合一致性要求的模糊判斷矩陣；③確定各評價指標權重集。

2.3.1 建立優先關系矩陣

優先關系矩陣能夠直觀地表征層次模型中同一層次評價指標集中兩兩評價指標之間的相對重要性，一般根據專家調查意見將層次模型中不同評價指標對特殊地形條件橋梁下部結構安全風險的敏感程度兩兩評價指標之間進行比較得出，通常從底層評價指標集Ui建立判斷矩陣：

(1)

式中：aij(i,j=1，2，…，n)表示評價指標Uei相對于Uej的重要性(e=1，2，…，m)。

在用于兩兩評價指標之間比較的數值方法中，1～9標度法使用最為廣泛[18]，但該方法存在人的主觀判斷對aij的影響過大等不足之處，而模糊一致判斷矩陣能夠將人為主觀判斷的影響程度降到最低限度[19]，故本文按照模糊一致判斷矩陣方法得到aij:

(2)

式中：s(i)、s(j)分別表示評價指標Uei和Uej的相對重要性程度。

顯然，0≤aij≤1，且aij+aji=1，矩陣a是模糊互補矩陣。

2.3.2 構建模糊一致判斷矩陣

為了消除優先關系判斷矩陣與人主觀思維過程一致性存在的差異，使決策更科學、合理,需對得到的模糊互補矩陣a作進一步變換。對a=(aij)n×n按行求和，得到：

(3)

對bi再作如下變換：

(4)

則A=(Aij)n×n即是模糊一致判斷矩陣。

2.3.3 確定評價指標權重集

本文在模糊一致判斷矩陣的基礎上采用和行歸一法確定各評價指標相應的權重[12]。首先，按下式變換處理模糊一致判斷矩陣A中元素Aij,得到變換后矩陣E=(eij)n×n，其中eij為

(5)

然后，按行相加矩陣E,可變換得到向量F=(f2,f2,…，fn)；最后，經歸一化處理向量F，得到各評價指標權重集Wi=(wi1,wi2,…,win)T。通過同樣的方法，可求得一級評價指標集U的權重集W,一級指標Ui的權重也可以通過專家調查結果直接確定。

2. 4 建立隸屬度矩陣

為了確定同一評價指標集中各評價指標相對于評語集中各評語等級的隸屬程度，建立隸屬度矩陣，這也是模糊綜合評價法的關鍵步驟。建立的隸屬度矩陣R如下：

(6)

式中：rij(i=1，2，…，n；j=1，2，…，k)為第i個評價指標相對于第j個評語等級的隸屬度。

本文采用專家調查法及統計分析各評價指標集的隸屬度矩陣，得到黃土山區沖溝地形橋梁下部結構安全風險評價指標集U1的風險概率隸屬結果，見表3。

表3 黃土山區沖溝地形橋梁下部結構安全風險評價指標集U1的風險概率隸屬結果

2.5 多層次綜合評判

多層次綜合評判的基本思路是：確定二級評價指標權重集和隸屬度矩陣后，得到二級評價指標評判集；在此基礎上確定一級評價指標評判集，最終得到目標指標(U)的評判結果。

2.5.1 底層指標評判

底層指標評判集Di可由相應評價指標的權重集Wi和隸屬度矩陣Ri得到[17]，即：

=(di1,di2,…,dik) (i=1，2，…，m)

(7)

式中：“°”表示模糊運算合成算子，常用的模糊合成算子共有4種[14]，本文采用主因素決定算子M(∧，∨),忽略其他次要因素而突出主要因素的影響，即：

(i=1，2，…，m;j=1,2,…,n;e=1,2,…,k)

(8)

在此基礎上，對底層評價指標評判集Di作無量綱歸一化處理。

2.5.2 一級評價指標評判

一級評價指標隸屬度矩陣R可由二級評價指標評判集Di和一級評價指標權重集W得到，即：

R=(D2,D2,…,Dm)T

考慮一級評價指標權重集W,可得到一級評價指標評判集D為

=(d1,d2,…,dk)

(9)

在此基礎上，對一級評價指標評判集D作無量綱歸一化處理。

一級評價指標權重集W也可由專家根據工程經驗直接給出，對于這種情況，一級評價指標評判集D可由以下公式直接得到：

(10)

2.5.3 目標指標的綜合評判

對于橋梁結構工程安全風險評價層次模型，評判集D可通過以上步驟逐層評判得到，評分集可通過評語集V的風險概率和風險損失區間中間值得到，即G=(0.1，0.3，0.5，0.7，0.9)，最終可得到目標指標U的安全風險水平估計結果H，即：

H=D°GT=(d1,d2,…,dk)°(g1,g2,…,gk)T

(11)

3 安全風險評價與控制

安全風險評價就是基于上述工作，全面分析風險概率和風險損失水平估計結果即安全風險概率評分Hp和安全風險損失評分Hl,通過建立評價模型，綜合評估黃土山區沖溝地形橋梁下部結構的整體安全風險，確定其安全風險水平，并提出針對性的安全風險水平接受準則。黃土山區沖溝地形橋梁下部結構的整體安全風險水平等級評價矩陣見表4，對于不同安全風險水平的黃土山區沖溝地形橋梁下部結構相應的接受準則，見表5。

表4 黃土山區沖溝地形橋梁下部結構的整體安全風險水平等級評價矩陣

表5 黃土山區沖溝地形橋梁下部結構的安全風險水平接受準則

4 案例分析

山西省呂梁山區岢臨(岢嵐—臨縣)高速公路ZB1合同段某大橋全長156.00 m，為先簡支后連續預應力連續小箱梁橋，下部結構采用柱式矩形墩、樁柱式橋臺和灌注樁基礎。橋址地形呈典型“V”型沖溝，最大高差約35 m左右，坡中、坡頂全為柱式樁基礎。5#臺樁基斜坡坡度較大、臨坡距過小，在沖溝地形和橋址排水的影響下，其結構的安全風險較大，需完善橋址排水系統設計及防護設施規劃。但從實際調查結果看，橋址排水設施“千瘡百孔”，安全隱患“層出不窮”，主要表現在：0#臺、5#臺樁基都出現大范圍水毀，左幅5#臺樁基外露，右幅1#墩樁基外露4 m左右，橋梁下部結構面臨極大的安全隱患。因此，亟需對該橋梁下部結構的安全風險進行評價。

4.1 確定評價指標權重集

由專家調查意見和公式(1)～(5)，可得到該黃土沖溝地形橋梁下部結構安全風險二級評價指標集Ui的權重集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

一級評價指標集U的權重集W通過專家經驗直接給出,即：W=(0.40,0.20,0.20,0.20)T。

4.2 建立隸屬度矩陣

自然環境因素U1的風險概率隸屬度矩陣由專家調查分析得到,即：

采用同樣方法，可得到設計因素U2、施工因素U3和管理養護因素U4的隸屬度矩陣Ri。

4. 3 多層次綜合評判

以黃土沖溝地形橋梁下部結構的安全風險概率評判為例，由公式(7)～(8)可得到二級評價指標評判集Di如下：

由二級評價指標評判集Di和公式(9)～(10)，可得到一級評價指標評判集D為

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

由公式(11)，該橋梁下部結構的安全風險概率評分Hp=0.702 5。由同樣方法，可得到該橋梁下部結構的安全風險損失評分Hl=0.723 8。

4. 4 安全風險評價與控制

基于上述評價結果，該橋梁下部結構的安全風險概率和安全風險損失估計結果分別為Hp=0.702 5和Hl=0.723 8。由表4整體安全風險水平等級評價矩陣可知，該橋梁下部結構的整體安全風險水平為Ⅳ級；由表5安全風險水平接受準則可知，該橋梁下部結構的整體風險水平處于極高風險水平等級，屬于不可接受的風險水平，必須高度重視并采取切實有效的風險規避措施，直至將風險降低到不期望的水平。

為了防范與化解其安全風險，對該橋梁應采取優化橋址排水設計、加強施工過程控制、加大管理養護等風險控制措施，其安全風險控制原則和主要內容如下：

(1) 處理好短期發展與長期使用性能的關系，實施具有針對性、主動性、超前性的處治對策；解決好防沖防滲問題；遵循遠接遠送、迅速分離、降低流速、分散徑流、加固溝槽的原則；做到統一布置，逐項設計。

(2) 橋址填挖交界及臺前護坡處，溝槽基礎必須位于原狀土上，不能滿足要求時，基底軟土及護坡填土應整體進行夯實處治；高陡邊坡必須要進行邊坡防護工程設計，并要保證施工順利進行及后期運營安全。

(3) 提高橋梁排水設施管理養護的投入，建設專門的排水設施養護工程師隊伍，并加大養護力度，完善經常檢查及定期檢查機制，同時建立健全完備的橋梁下部結構長期監測大數據平臺。

該橋梁下部結構采取了相應的安全風險控制措施后的風險評價結果，見表6。

表6 黃土山區沖溝地形某橋梁下部結構的安全風險控制結果

由表6可知，采取安全風險控制措施后該橋梁下部結構的安全風險水平降至Ⅱ級，屬于可接受的風險水平。

5 結 論

黃土山區沖溝地形橋梁下部結構的安全風險評價對運營橋梁下部結構的安全風險具有可預見性，有助于防范與化解橋梁下部結構的安全風險，并可減少后期管理養護損失，本文研究得到結論如下：

(1) 分析了黃土山區沖溝地形橋梁下部結構可能存在的安全風險及其影響因素，提出了橋梁下部結構安全風險評價指標體系。

(2) 提出了黃土山區沖溝地形橋梁下部結構的安全風險評價方法，并提出了風險控制準則。

(3) 建立了一套完整的黃土山區沖溝地形橋梁下部結構的安全風險評價方法，運用該評價方法對某運營橋梁下部結構的安全風險進行了評價。結果表明：該評價方法能夠有效分析并預測該橋梁下部結構的安全風險水平，從而驗證了該方法的有效性。