基于RHRS系统的景区落石风险评估与决策*

2020-09-10崔志强孙亚丽

工程地质学报 2020年4期

崔志强孙亚丽

（衢州学院建筑工程学院，衢州324000，中国）

0 引言

关于地质灾害风险等级评估的研究仍是地质灾害研究领域的重要课题之一。落石作为一种常见的地质灾害，其属于崩塌的一种表现类型，包括岩石碎片的分离和它们的自由落体，随后的滚动、滑动、弹跳和斜坡底部附近的沉积，并被描述为最快的滑坡类型（刘传正，2015，2019）。关于地质灾害风险的概念，1984年联合国教科文组织UNESCO将其定义为：因为某种特定的自然灾害的影响对经济、社会、人口所可能产生的损失（马寅生等，2004）。斜坡形态测量和潜在的落石特征是决定岩石是否会落下的最重要因素。对于自由落体的岩石块，虽然速度受空气摩擦的影响，但对运动的影响较小（Vishal et al.，2017）。在一些历史悠久的特殊地貌山体，或是长久经受降雨侵蚀和风化剥削的山体，落石现象尤为常见，并且其具有发生时间和位置的不确定性，坠落速度快、危害大的特点（马贵臣，2019），导致了许多突发事件的发生。譬如2019年2月8日20：07分发生在北京龙庆峡冰灯展因山体碎石坠落致数名游客受伤，共有13人前往医院救治，更有一名游客不幸身亡（鲁畅等，2019）；以及2015年3月19日上午，广西壮族自治区的桂林叠彩山景区发生岩石掉落现象，掉落的岩石刚好砸中从游船上下来的某旅行团游客，导致数名游客死伤的事件（杨晨等，2015）。

胡厚田（1989，1996）通过统计大量数据对落石进行宏观预测，采用模糊评判法对山体落石的稳定性进行评估；张路青等（2004，2005）针对危岩落石发育条件的影响因素进行评分，进而评估危岩体落石的危险性；郑黎明（1994）对灾害长期的发展做了相关预测；巩尚卿等（2014）将落石灾害的危险性评价转换为概率形式进行表达，进而获得危岩落石的危险程度；王广坤等（2014）基于泊松分布提出了威胁区内落石灾害年均概率计算方法；武中鹏等（2019）以贵州威宁县新发乡樊家岩为例，根据蒙特卡洛法计算不同情况下的危岩失稳概率，模拟落石轨迹／圈画影响范围划分高中低危险区。但总体而言，在进行落石防灾减灾工程、落石区域划分及安全区域土地规划时，较多仍是按照经验进行，缺乏相关量化评价作为决策依据。在国外，落石灾害风险性分级一直被作为受落石威胁地区一切工程建设活动的首要决策依据，同样也建立了一些定量风险性分级和评价方法，如加拿大国家铁路部－落石灾害和风险评估系统（RHRA Rating System）（Pritchard et al.，2005）、美国俄勒冈交通部－落石灾害评级系统（Rockfall Hazard Rating System，RHRS）（Federnal Highway Administration of USA，1993）。原始RHRS落石风险评估系统是由12个所谓的影响因子组成（Antoniou，2013），通过这些影响因子对山体进行评估和评分并且对分数进行汇总。对于每个影响因子，评分标准分数从3分以指数形式增加到81分（设定分数仅仅代表从1～100的连续分数）。这些影响因子包含关于山体各类物理性危险特征（斜坡高度、地质特征、落石体积／块体大小）、诱发落石原因（主要考虑降雨因素和斜坡上有水）和历史落石频率等几个要素。原评级系统还考虑了影响时间、空间概率的因素以及风险要素的脆弱性（沟渠效率、平均车辆风险、决策视距百分比、道路宽度）。但由于本文研究是针对景区内部进行的评级，所以不考虑交通与道路方面的类别，故将评分系统简化为7个有效影响因子（斜坡高度、不连续性指数、岩石摩擦程度、岩体结构条件、落石体积／块体大小、年均降雨量、历史落石程度）。显然，最后总分越高也就意味着落石风险越大。

最后，关于落石风险允许标准需通过FN曲线与ALARP（as low as reasonable practicable）原则（UK Parlianment，1974）相结合的方法来确定（徐继维等，2016），并以此来作为风险决策的重要判据。

本文将借鉴上述国外对落石灾害风险的有关定义及处理办法对衢州药王山及江郎山景区落石灾害风险进行评估与决策。其目的是为了初步建立起一个简单的景区落石风险评价体系，使得景区落石风险评价及防灾减灾具有理论和技术支撑，进而能全面分析地质灾害活动与人类社会关系，定量化地去评价地质灾害的破坏效应。

1 研究对象区域地质概况

药王山由上侏罗统磨石山群构成，形成于侏罗纪晚期－早白垩纪，距今约1×108～1.5×108年前。区内到处可见纵横交错的沟壑，典型的“V”字型山谷，该地貌与其附近江西的三清山以及安徽的黄山类似，均属火成岩奇峰地貌，局部为丹霞地貌。江郎山属于丹霞地貌的典型代表，其地表以上大部分岩体为侏罗纪火山岩和白垩系盆地红色沉积岩，地理位置处于江山—绍兴深断裂带和保安—峡口—张村断裂带之间的峡口盆地中。其中江山—绍兴深断裂带为穿越硅铝层达硅镁层的断裂，控制着断裂带两侧地质构造的发展，保安—峡口—张村断裂带较之江山—绍兴深断裂带为次一级断裂（彭花明等，2001）。

药王山区内地层形成于侏罗纪晚期或白垩纪，距今约1×108～1.5×108年前。境域在地质构造上属“巨龙顶火山推测喷发中心”，由火山碎屑岩、花岗岩、片麻岩构成，系燕山期火山岩。区内沟壑纵横，山谷呈典型的“V”字型，其地貌与安徽的黄山、江西的三清山同属火成岩奇峰地貌和局部丹霞地貌，为峰峦盘踞的深谷奇峰景观。江郎山位于华夏古陆西北缘江绍断裂带南坞─和睦断层与新屋—张村断层之间的峡口盆地中。该盆地呈北东向展布，由白垩纪紫红色砂砾岩组成，长约30ikm，宽约10ikm，是由火山喷发所产生的大量火山岩及花岗岩类的侵入，在晚元古代变质岩基底上覆盖巨厚的火山岩，经过后期慢慢的抬升与下沉逐渐成型。因此该盆地周围主要为侏罗纪的火山岩，其次为晚元古代变质岩（彭花明等，2001）。

2 落石灾害评级系统RHRS相关概述

目前，很多国家，甚至同一国家内不同地区都拥有自己的RHRS评级体系，因为所处地理位置与环境的不同致使各自评级系统所考虑的影响因子不同。落石危险等级的概念最初是由加拿大太平洋铁路部所提出，随后又公布了第一个全国范围内的落石灾害等级指数分级系统。该系统后来在1984年被俄勒冈交通部所修改，并作为落石灾害评级依据。

本文将以RHRS评价系统（Ferlisi et al.，2012）为基础并结合景区实际情况进行评分，选用多个影响因子（表1）对景区落石灾害危险性进行分析。最后以综合分数高低来评定落石灾害风险性。

该评级系统为研究落石灾害提供了良好的工具。可用于确定给定区域内落石灾害危险程度，以便采取相应补救措施。

3 影响因子及数据处理

3.1 斜坡高度

斜坡高度这一影响因子，在定义潜在落石强度时考虑了岩石块释放区域的高度。斜坡上的岩石位置越高，其势能就越大。药王山马尾瀑、和江郎山一线天所测量的高度均是代表斜坡的垂直高度。测量是从落石预计下落的最高点开始的。如果预计落石来自切口上方的天然斜坡，则使用总垂直高度。

分数计算的原始RHRS指数函数（Ferlisi et al.，2012）为：

式中：H为总垂直高度（m）。

经实地勘测，药王山马尾瀑高度落差75.8im，江郎山一线天高度落差312im，均已高于30im，因此根据表1可得出斜坡高度影响因子相应的风险评分均为81。

3.2 岩体结构和不连续性指数

在建议的落石风险评级系统实施过程中，通过表2将岩体所具有的块状性质和节理的方向与其风化条件和粗糙度联系起来，并产生了一个名为结构和不连续性指数（SDI）的影响因子。该指数基于对岩体中不连续面的岩性、结构和条件的评估，且仅对露出的岩体进行估算。

表1 有关详细评级的类别摘要表（Antoniou，2013）Table 1 Summary table of influencing factors for detailed rating in RHRS（Antoniou，2013）

分数计算的原始RHRS指数函数（Ferlisi et al.，2012）为：

式中：SDI指数具体参照表2。

对于严重破碎的岩体或者剪切岩体，岩石滑动是最可能的破坏类型，并且根据现场勘测景区内岩体很少出现不连续的节理。经详细的地质调查得出了关于药王山马尾瀑处岩体不连续性指数在40和50之间的值。江郎山岩体特征是部分受扰动的岩体，其块体由许多节理切割形成，其中至少两个节理呈现相反的方向，而节理是粗糙不规则的起伏平面，因此50～70之间的结构和不连续性指数数值更适合于该山体。计算时为得到准确数值以便于后期评估风险，可取其平均值进行评分，分别为45、60。由此带入式（2）可得药王山结构和不连续性指数评分为7；江郎山结构和不连续性指数评分为4.2。

3.3 年均降雨量

在降雨过后，雨水侵蚀岩壁致使岩壁上的危岩体出现急剧变形，并且由于雨水的渗入，使周围岩体产生静水压力及动水压力，也就是说将会在裂缝中产生瞬时孔隙水压力，致使原有裂缝发生水力劈裂（黄勇等，2018），雨水不仅会进一步软化岩体结构面之间的充填物，使其抗剪强度降低，还会使其内部黏土液化产生膨胀力，进一步破坏岩体的稳定性，促使危岩体失稳，从而诱发落石（汪华斌等，2019）。在RHRS系统中对这些参数进行了定性估计，而在上述评级系统中将其分为4类：年降雨量少于600imm的地区被定性为低降雨量地区，年降雨量超过600imm但不足1200imm的地区被定性为中降雨量地区，年降雨量超过1200imm但不足1800imm的地区被定性为中至高降雨量地区，降水区和最终每年降雨量超过1800imm的地区被称为高降水区。

分数计算的原始RHRS指数函数（Ferlisi et al.，2012）为：

式中：x为降雨量（mm）。

根据气象报道所得到的衢州2018年各月份降雨量（图1）可计算出的衢州全年平均降雨量x为320imm少于600imm，整个地区为低降雨量地区，分值应按照表1取为3。其他对危岩体的影响还有风化作用、卸荷作用、植物以及人类活动的影响，由于RHRS所考虑影响因子为降雨量，所以其他因素不展开研究。

图1 衢州2018年各月降雨量及全年平均降雨量统计Fig.1 Statistics of monthly rainfall and annual mean rainfall in Quzhou in 2018

表2 不连续指数表（SDI）Table 2 Structural and discontinuities index（SDI）

3.4 落石体积

通过现场调查，选取了药王山落石分布较为集中且密集的区域——马尾瀑下方水潭周边（图2），江郎山—一线天（图3），从图中可以看出该区域散布着较多的堆积体，根据在两个景区内所测的大量数据显示，落石的主要形状为块状和板状，还有一些三角形、三棱柱和条状。块状落石由于其几何面的尺寸相差较小，所以易于沿碰撞坡面滚动且距离相对较远；而板状落石由于其几何面的长度与宽度较高度相差较大，所以脱离母岩后难以发生滚动，但会沿碰撞坡面发生相对的滑动现象。

图2 药王山马尾瀑下方水潭落石密集处Fig.2 Rockfalls concentrated at the bottom of Mawei Waterfall in Yaowangshan Mountain

图3 江郎山一线天全貌Fig.3 The panorama of Jianglang Mountain

药王山和江郎山的落石石块体积数据统计分析（图4）如下，根据在现场收集的落石，药王山落石体积主要集中在3.67×10－4～7.98×10－7m3，江郎山落石体积主要集中在2.64×10－4～1.75×10－7m3并且区域块石较为零散，块体体积一般较小。参照表1可得落石体积对应评分皆为3。

3.5 历史落石程度

落石历史这一信息最好从负责落石的维护人员处获得，它直接代表了现场已知的活动。不过鉴于所研究的景区首次被作为参考样本，没有可用的历史记录，所以可以根据公式进行推测，引用分数的指数函数（Ferlisi et al.，2012）如下：

图4 落石石块体积与数量分布图Fig.4 Volume and quantity distribution diagram of rockfall rocks

式中：x相关评价系数（具体参照表1）

在目前的工作中，落石频率是根据可用的历史事故数据来计算的。由于缺少事故数据的记录部分，所以频率被假定为“低”，评分为3（表3）。

表3 落石历史类别采用的分数Table 3 Adopted scores for rockfall history category

3.6 岩石摩擦程度和结构条件

岩石摩擦程度是根据岩体材料特性、表面粗糙程度和填充特性所决定的，结构条件则是由于侵蚀所造成的。若岩体发生松动，可以根据松动岩体表面物理性质和侵蚀程度来描述（表1）。其分值评定并无相应公式，应根据实际地质情况进行分析评定。

结合景区实际情况以及对采集样本分析可知药王山其岩体表面物理性质多为平面、条纹状且具有较多侵蚀特征；江郎山岩体表面为粗糙、不规则状，侵蚀特征较少。因此，参照表1可得其岩石摩擦程度评分分别为20、11；结构条件评分分别为25、12。

4 RHRS风险综合评价及落石灾害风险决策

4.1 风险综合评价结果

景区内引入了一个基于RHRS落石风险评估系统，旨在可以更加有效预测景区内风险，以便帮助减少景区内的落石灾害事件的发生。其中各项指数评分函数被用来表示增加的危险。上述方法根据景区内实际有效的影响因子修改为7项，这些影响因子被定性描述并进行相当主观的估计。此外，原始地质特征RHRS方法考虑了两组地质因素，第1种包括斜坡或切口，其中节理、层理面或其他不连续性是主要的结构特征。不连续面上的岩石摩擦由岩石材料的抗压强度以及任何填充土壤的表面粗糙度和物理性质决定。第2种则是以差异侵蚀或坡度过大为主要因素，控制落石的发生。对于这两种情况，评分标准在最初的RHRS方法中是定性固定的。但就研究区而言，主要地质因素是第一种的因素，所以将原始类别“地质特征”改为“不连续性指数”（表4）。

表4 落石分级系统应用实例Table 4 Application example of the rockfall rating system

上述方法通过对落石风险系统的影响因子进行评分来对落石进行评估，结果如表4所示。参考HRHS历史评定标准（Antoniou，2013），并结合景区实际情况将总分低于230的视为紧急程度较低的补救工程，而总分高于390的则需要立即采取稳定措施。由表4中得到的评分结果来看，药王山与江郎山的风险等级并不是很高，属于紧急性较低补救工程。最后，结合风险允许标准并根据可接受风险程度进行风险决策。

4.2 风险允许标准

目前，国际上公认的风险允许标准评价法主要有4种，分别是生活质量指数法、成本效益法、矩阵法以及FN曲线法（陈伟，2012），其中FN曲线法最为普遍。风险允许标准采用FN曲线与ALARP（as low as reasonable practicable）原则（UK Parlianment，1974）相结合的方法来确定（徐继维等，2016），可用以评判已存在灾害的风险水平是否需要或者需要何种强度等级的稳定措施来进行风险控制，是进行风险决策的重要判据。

首先，需要确定能接受与不能接受标准线所需截距与斜率。能接受与不能接受标准线斜率要保持一致，国际上使用较多的为－1。截距数值需根据我国最新地质灾害的可接受风险水平选取。根据绘出的FN曲线能接受的标准线与不能接受的标准线，将位于其上部分划定为不可接受风险区，其下划定为可接受风险区。

4.2.1 FN曲线法

英国和荷兰等国家对风险允许标准的研究一直处于领先行列。关于FN曲线法，英国、荷兰等国使用的不可容忍曲线斜率均为－1（赵忠刚等，2008）。

公式（IUGS Working Group on Landslides，Committee on Risk Assessment，1997.）如下：

限制线为：

式中：FN（x）为某特定区域内年死亡人数小于或等于x的概率分布函数；C为常数，用来确定FN曲线位置；n为确定限制线的斜率（当前研究多取1或2）。

从表5可以看出多个国家对风险允许标准研究均取得一定的成果。由此，我们可以更加直观地看出风险允许标准的取值需要考虑诸多因素。每个国家的不同国情，将会导致不同的评判标准，哪怕同一地域，所处地理位置的微小偏差以及所考虑对象的不同，也会使得风险允许标准发生变化。因此，风险允许标准的取值与一个国家社会的经济发展程度以及人类活动密切相关，需要根据实际情况具体分析。

4.2.2 ALAPR原则

1974年英国提出的ALARP准则是最早有关灾害风险允许标准的概念（图5），通过合理可行的方法尽可能降低风险。假如在成本效益分析后发现为降低风险所需费用远大于可降低的风险所获的收益时，风险可被容忍的准则。

以中、高风险分界线与中、低风险分界线将风险从高到低划分为不可接受区、ALARP区和风险忽略区。最经济有效的风险控制是将风险控制在ALARP区，因为在当前技术条件下，进一步降低风险所付出成本将远大于所收获利益。

表5 可容忍风险最大值研究成果Table 5 Research results on maximum tolerable risk

图5 ALARP准则Fig.5 ALARP criteria

4.3 可接受风险水平

高风险势必会带来更大的灾害，低风险也并不意味着是最好的。因此，只有将风险控制在一个合理的水平，即人们可接受风险水平（Level of Acceptable Risk，LAR）（王广坤等，2014）内才可实现效益最大化。根据自然资源部2008～2017年数据统计（图6、表6），对我国地质灾害风险的可接受水平进行合理分析。

图6 2008～2017年中国因地质灾害造成死亡及失踪人数Fig.6 Number of deaths and missing persons due to geological disasters in China from 2008 to 2017

2010年有2246人死亡是由于甘肃舟曲泥石流所导致，从其余年份可以较明显地看出我国因地质灾害死亡及失踪总人数逐年下降。据自然资源部调查显示，在我国受地质灾害威胁的人口约有3500万人。根据2007～2018年统计数据（表6）可得到死亡失踪率算术平均值为1.98×10－5／a，调和平均值为1.25×10－5／a，几何平均值为1.46×10－5／a，中位值为1.62×10－5／a。采用中位值来反映可接受风险标准基准值的平均数可以避免单次灾害事件发生的偶然性。因此，可将1.62×10－5／a作为可接受风险的平均值。由于可容忍风险线值通常较可接受风险值低1～2个数量级（Fell，1994），因此我国目前最新地质灾害可接受风险水平FN曲线的上、下限分别为10×10－4／a和10×10－5／a（图7）。