吳昊城，王 浩，戴旭明，林治基，陳善棠，丘仁科

(1.福州大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院， 福建 福州 350116；2.地質(zhì)工程福建省高校工程研究中心， 福建 福州 350116；3.中國能源建設(shè)集團廣東省電力設(shè)計研究院， 廣東 廣州 510663；4.龍巖雙永高速公路有限責(zé)任公司， 福建 龍巖 364000)

路塹邊坡是道路修建過程中開挖巖土體產(chǎn)生一定側(cè)向臨空面的坡體，由于其開挖過程多變、地質(zhì)條件復(fù)雜、應(yīng)力卸荷松弛明顯，故極易在開挖過程乃至施工結(jié)束后產(chǎn)生變形失穩(wěn)，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟財產(chǎn)損失[1]。近年我國大量修建公路鐵路，因此產(chǎn)生許多超高路塹邊坡，其過程中產(chǎn)生的邊坡穩(wěn)定性安全問題越來越受到廣泛的關(guān)注與重視[2-3]。

國際上目前主要的路塹邊坡風(fēng)險評估管理方案將其歸納于滑坡、崩塌落石、泥石流等廣義的風(fēng)險管理當(dāng)中，至今發(fā)展30余年。2005年在溫哥華召開了“國際滑坡風(fēng)險管理會議”，系統(tǒng)地總結(jié)了有關(guān)滑坡風(fēng)險管理的理論、實踐和發(fā)展趨勢，提出了系統(tǒng)的滑坡風(fēng)險管理體系，對后來的研究提供指導(dǎo)與借鑒[4]。我國交通運輸部于2015年出版了《高速公路路塹高邊坡工程施工安全風(fēng)險評估指南(試行)》[5]，總結(jié)出了一套較為完整的路塹邊坡風(fēng)險評估管理方法。同期王浩等人提出了塹邊坡全壽命周期風(fēng)險評估與管理技術(shù)框架，初步規(guī)定了其工作流程和技術(shù)方案，在生產(chǎn)實踐中得到發(fā)展與應(yīng)用[6-7]。

目前國內(nèi)外對路塹邊坡風(fēng)險評估主要研究集中在定性或半定量階段，特別是災(zāi)害后果研究中承災(zāi)體的易損性、承災(zāi)體時空概率等很難做到完全定量風(fēng)險評估。隨著路塹邊坡復(fù)雜程度的發(fā)展以及風(fēng)險評估的普及，路塹邊坡定量風(fēng)險評估勢必得到全面的發(fā)展于應(yīng)用。

1 工程高邊坡定量風(fēng)險評估技術(shù)方案

1.1 工程高邊坡定量風(fēng)險評估技術(shù)方案

工程高邊坡風(fēng)險評估由風(fēng)險分析、風(fēng)險評價和風(fēng)險管理三大環(huán)節(jié)構(gòu)成，各環(huán)節(jié)均突出重點、明確目標(biāo)，又相互緊密聯(lián)系，協(xié)同構(gòu)成完整的風(fēng)險評估技術(shù)體系(見圖1)[8]。在工程高邊坡定量風(fēng)險評估理論體系中，定義分析范圍、危險性分析、危害后果分析三個步驟循序漸進地形成災(zāi)害風(fēng)險分析流程[9]。同時通過對邊坡的破壞概率、承災(zāi)體的時空概率、滑坡到達承災(zāi)體的概率、承災(zāi)體的易損性評價四個關(guān)鍵性指標(biāo)的定量確定來制定整個定量風(fēng)險評估技術(shù)框架。

1.2 邊坡風(fēng)險定量計算

工程高邊坡風(fēng)險定量計算結(jié)合路塹邊坡風(fēng)險評估技術(shù)框架中的風(fēng)險分析和評價兩大環(huán)節(jié)，參考AGS在詳細(xì)風(fēng)險分析定量指標(biāo)基礎(chǔ)上對路塹邊坡財產(chǎn)損失和人身傷害損失進行定量風(fēng)險計算[10]。具體見公式(1)、公式(2)。

PLOL=PL×PT∶L×PS∶T×VD∶T

(1)

Rprop=PL×PT∶L×PS∶T×Vprop×E

(2)

式中：PLOL表示邊坡災(zāi)害造成的年人員傷亡概率；Rprop表示邊坡災(zāi)害造成的年財產(chǎn)損失價值；PL表示邊坡破壞的概率即危險性；PT∶L表示邊坡災(zāi)害到達承災(zāi)體的概率；PS∶T表示承災(zāi)體的時空概率；VD∶T表人員的易損性；Vprop表示財產(chǎn)易損性；E表示承災(zāi)體的經(jīng)濟價值。

圖1路塹邊坡風(fēng)險管理框架[6]

2 依托對象工程地質(zhì)條件

基于路塹邊坡風(fēng)險定量評估技術(shù)框架，本文對福建省漳武高速公路龍巖市永定大道拓建段K1+160—K1+310段路塹高邊坡開挖后和加固施工后進行定量風(fēng)險評估。

2.1 邊坡工程地質(zhì)條件

漳武高速公路永定大道K1+160—K1+310段左側(cè)高邊坡位于龍巖市永定區(qū)西溪鄉(xiāng)，道路沿線屬剝蝕丘陵、沖洪積地貌，原始地形波狀起伏，形態(tài)復(fù)雜，變化較大。沿線地層簡單，主要為沖洪積層、坡殘積層及風(fēng)化巖層組成，場地抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計地震動峰值加速度值為0.05g，設(shè)計地震分組為第二組。

K1+160—K1+310邊坡典型斷面圖見圖2。

2.2 周邊地質(zhì)環(huán)境

永定區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)型氣候，降雨流量受季節(jié)性影響較大，暴雨季節(jié)流量驟增。地下水主要為素填土中的上層滯水、沖洪積層松散巖類孔隙潛水、風(fēng)化帶網(wǎng)狀孔隙裂隙水及基巖裂隙水。水位及水量隨季節(jié)變化較大。坡腳50 m處存在大量民房，人類活動影響劇烈(見圖3)。

圖2 工程地質(zhì)剖面圖

圖3邊坡周邊環(huán)境圖

2.3 邊坡工程設(shè)計方案及穩(wěn)定性要求

依據(jù)《公路路基設(shè)計規(guī)范》[11](JTG D30—2015)，要求邊坡治理加固后安全系數(shù)應(yīng)為1.20≤Fs≤1.30，同時參考《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330—2013)，得出該工點的邊坡治理工程等級為Ⅰ級，規(guī)范評定要求邊坡的安全系數(shù)Fs≥1.25。該邊坡臨近建構(gòu)筑物，基于安全穩(wěn)定性要求，依據(jù)規(guī)范總體綜合考慮安全系數(shù)Fs≥1.25。

K1+160—K1+310邊坡設(shè)計開挖6級，坡高52.9 m，土層至上而下以此為坡積粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化花崗巖、碎塊狀強風(fēng)化花崗巖，為超高路塹邊坡。具體施工方案見表1，具體設(shè)計斷面圖見圖4。

表1 施工設(shè)計方案

3 邊坡開挖施工的定量風(fēng)險評估

3.1 危險性分析

危險性分析是工程高邊坡定量風(fēng)險評估的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通常運用極限平衡法或有限元數(shù)值模擬法對開挖邊坡進行建模計算求得其安全系數(shù)，進而判定邊坡的危險性[13]。但在實際工程中，由于坡體巖土體存在一定的變異性，導(dǎo)致安全系數(shù)無法完全反映邊坡的穩(wěn)定性，具有高安全系數(shù)的邊坡也存在失穩(wěn)破壞的可能。故將概率分析方法引入到邊坡危險性分析中，計算邊坡破壞概率。

圖4施工設(shè)計斷面圖

K1+160—K1+310路塹邊坡開挖形成6級高52.9 m超高邊坡，坡體開挖量大。本文運用GeoStudio軟件中的蒙特卡洛模擬法結(jié)合極限平衡分析對其進行破壞概率計算，由于當(dāng)蒙特卡洛計算次數(shù)超過2000次時邊坡破壞概率趨于穩(wěn)定達到精度要求，故取模擬次數(shù)2000次進行分析計算[14]。由于該邊坡屬于二元結(jié)構(gòu)邊坡，定義底部碎塊狀強風(fēng)化花崗巖為基巖模塊，具體巖土體參數(shù)見表2。

表2 巖土參數(shù)值

通過計算得到在邊坡開挖后，其安全系數(shù)為Fs=1.052<1.25，破壞概率PL1為25.02%，可靠性指數(shù)為0.663(見圖5)，不滿足規(guī)范要求，故邊坡需進行整體加固處理。

圖5邊坡開挖概率分析圖

3.2 危害后果分析

工程高邊坡危害后果分析是通過對邊坡影響范圍內(nèi)的承災(zāi)體進行識別，分析承災(zāi)體價值、災(zāi)害到達承災(zāi)體概率、承災(zāi)體時空概率、承災(zāi)體易損性，進而估算人身傷害損失和財產(chǎn)損失[15]。

(1) 承災(zāi)體識別。該邊坡地處高速公路路口交匯帶，主要承災(zāi)體有受路塹邊坡影響土地資源、坡腳道路工程、過往車輛行人。

(2) 承災(zāi)體價值分析。該邊坡開挖高度52.9 m，坡面長度約81 m，滑坡角α=38°(定義滑坡角α為邊坡開挖頂端到坡腳點的連線與水平面的夾角)。運用香港邊坡破壞滑移距離公式[16-17]：

logS1=0.109+1.010logH-0.506log(tanα)

S2=(L/4)/tanα

S3=H/tanα

(3)

式中：H為垂直高度；L為坡面長度；α為滑坡角；S1為滑移距離；S2為端影響距離；S3為兩側(cè)影響距離。

計算得到S1=71 m；S2=26 m，S3=68 m。邊坡段落為K1+160—K1+310，其走向長度為150 m，綜合計算的到該邊坡滑動影響土地面積為37 234 m2，合計3.73 hm2，當(dāng)?shù)孛慨€征地費用為13.175萬元，計算得到土地資源價值為737.8萬元。

坡腳道路工程受邊坡影響長度為邊坡的走向長度150 m，道路工程包括路基和路面，參照福建高速公路的造價，路基工程每延米造價2.2萬元，路面工程每延米造價0.9萬元，故公路工程直接損失為465萬元。

應(yīng)同時考慮發(fā)生滑坡災(zāi)害時的間接經(jīng)濟損失，國土資源部[18]統(tǒng)計得出的滑坡災(zāi)害間接經(jīng)濟損失為直接經(jīng)濟損失的1.1倍。由此可以確定滑坡災(zāi)害損失值為直接經(jīng)濟損失與間接經(jīng)濟損失總和。

(3) 災(zāi)害到達承災(zāi)體概率及承災(zāi)體時空概率分析。災(zāi)害到達承災(zāi)體的概率PT∶L根據(jù)兩者之間的距離來確定，當(dāng)承災(zāi)體處于坡體上時，PT∶L=1；當(dāng)承災(zāi)體處于邊坡滑移路徑范圍內(nèi)時，按兩者之間的距離進行定量估計，PT∶L=0.5～1.0之間；當(dāng)承災(zāi)體處于邊坡潛在危害范圍邊界時，PT∶L=0.0～0.5之間[19]。因此，K1+160—K1+310邊坡到達承災(zāi)體的概率見匯總表3。

表3 邊坡風(fēng)險評估參數(shù)匯總表

注：A=PT∶L×PS∶T×Vprop×E；B=1.1×A。

承災(zāi)體的時空概率PS∶T主要由承災(zāi)體本身的性質(zhì)決定，土地資源及道路工程均為固定型承災(zāi)體，其時空概率PS∶T=1；人員時空概率主要計算在坡腳道路過往車輛中的人員，AGS給出了過往車輛在坡腳道路中行駛的時空概率計算公式：

(4)

式中：PS∶T為承災(zāi)體時空概率；L為邊坡長度；Nv為日車流量；Vv為平均車速。

K1+160—K1+310邊坡總長150 m，由于是開挖階段故以施工便道通行的工程車輛為主，平均車速約為Vv=20 km/h，日通過車次約Nv=360輛/日。計算得到人員時空概率PS∶T=0.1125。

(4) 承災(zāi)體易損性分析。承災(zāi)體易損性分析是路塹邊坡風(fēng)險評估中的難點，對于固定型承災(zāi)體本文參考殷坤龍通過大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計提出承災(zāi)體易損性建議值(見表4)；人員易損性由人員年齡組成來確定(見表5)[20]。該邊坡各承災(zāi)體易損性見匯總表3。

表4 建構(gòu)筑結(jié)構(gòu)類型易損性指標(biāo)建議取值

表5 人員易損性取值

3.3 邊坡開挖風(fēng)險定量估算

在危險性分析和災(zāi)害后果分析的基礎(chǔ)上，確定了災(zāi)害到達承災(zāi)體概率、承災(zāi)體時空概率、承災(zāi)體易損性，對邊坡開挖后財產(chǎn)損失和人身傷害進行風(fēng)險定量估算[21]。具體應(yīng)用AGS提出的路塹邊坡風(fēng)險定量估算公式(見公式(1)、公式(2))。K1+160—K1+310邊坡定量風(fēng)險分析：

財產(chǎn)損失定量風(fēng)險計算：

Rprop1=PL1×PT∶L×PS∶T×Vprop×E=

PL×(A+B)=552.6萬元

人身傷害定量風(fēng)險估算：

PLOL1=PL1×PT∶L×PS∶T×VD∶T

=0.2502×0.75×0.1125×0.66

=1.39×10-2

4 邊坡加固治理的定量風(fēng)險評估

4.1 治理加固工程經(jīng)濟估算

K1+160—K1+310高邊坡開挖后形成6級邊坡，計算得其安全系數(shù)、破壞概率、風(fēng)險計算結(jié)果均超過規(guī)范要求，故需對該邊坡進行治理，運用坡腳擋墻結(jié)合預(yù)應(yīng)力錨索施工措施。詳細(xì)加固措施見表1，施工斷面圖見圖4。治理加固總費用為229.8721萬元，具體見表6。

表6 治理加固工程成本估算表

4.2 危險性分析

通過計算得到在邊坡加固后，安全系數(shù)為Fs=1.290>1.25，破壞概率PL2為0.2%，可靠性指數(shù)為2.881(見圖6)均達到規(guī)范要求。

圖6邊坡加固概率分析圖

4.3 危害后果分析

邊坡開挖后進行加固處理，整體安全系數(shù)及可靠性指數(shù)得到較大的提升，破壞概率也相應(yīng)降低到可接受水平。加固后的主要承災(zāi)體與邊坡開挖后基本相同，為受路塹邊坡影響土地資源、坡腳道路工程、過往車輛行人。

由于主要承災(zāi)體未產(chǎn)生變化，邊坡加固后定量風(fēng)險評估計算參量災(zāi)害到達承災(zāi)體概率PT∶L、承災(zāi)體時空概率PS∶T、承災(zāi)體易損性VD∶T、Vprop參照上文計算獲得的數(shù)據(jù)(見表3)。

4.4 邊坡加固風(fēng)險定量估算

K1+160—K1+310高邊坡開挖加固后，沿用上文風(fēng)險定量計算方法，對其進行定量風(fēng)險分析：

財產(chǎn)損失定量風(fēng)險計算：

Rprop2=PL2×PT∶L×PS∶T×Vprop×E=

PL×(A+B)=4.42萬元

人身傷害定量風(fēng)險估算：

PLOL2=PL2×PT∶L×PS∶T×VD∶T=1.114×10-4

5 對比與分析

5.1 工程效果對比分析

對比分析邊坡施工開挖與治理加固兩階段邊坡安全性分析及定量風(fēng)險評估結(jié)果(見表7)，可得出對邊坡進行治理加固后，其安全系數(shù)與可靠性指數(shù)顯著提高至可接受水平，破壞概率、財產(chǎn)損失風(fēng)險值與人身傷害風(fēng)險值均大幅度降低，定量風(fēng)險評估結(jié)果與邊坡穩(wěn)定計算結(jié)果想吻合，體現(xiàn)了工程高邊坡定量風(fēng)險評估技術(shù)方案的適用性。

表7 邊坡災(zāi)害風(fēng)險評估對照表

5.2 技術(shù)經(jīng)濟對比分析

通過對K1+160—K1+310邊坡加固治理前后兩階段定量風(fēng)險評估結(jié)果分析，邊坡開挖階段財產(chǎn)損失風(fēng)險值Rprop1=552.6萬元，加固治理后財產(chǎn)損失風(fēng)險值Rprop2=4.42萬元，邊坡治理工程總費用C=229.8721萬元。邊坡加固治理后的財產(chǎn)損失大幅度降低至可忽略水平?？捎嬎阍撨吰碌墓こ讨卫韮r值為：

該邊坡加固治理后的工程價值大于1充分體現(xiàn)了該邊坡治理工程取得了顯著的經(jīng)濟效益，同時表明本文提出的定量分析評估技術(shù)方案具有較高的科學(xué)性與工程價值。

6 結(jié) 論

本文基于路塹邊坡定量風(fēng)險評估框架，對工程高邊坡開挖及加固階段進行定量風(fēng)險評估，并對比邊坡加固前后定量風(fēng)險評估結(jié)果，得到如下結(jié)論：

(1) 本文研究討論了工程高邊坡定量風(fēng)險評估技術(shù)流程及詳細(xì)計算參數(shù)，對漳武高速K1+160—K1+310段邊坡開挖后進行定量風(fēng)險分析，估算了該段邊坡的財產(chǎn)損失及人身傷害風(fēng)險值，驗證了該邊坡開挖后將面臨較高的失穩(wěn)破壞風(fēng)險，需進行加固治理。

(2) 沿用工程高邊坡定量風(fēng)險評估技術(shù)方案，對該段邊坡加固施工后進行定量風(fēng)險評估，對比前后兩階段評估結(jié)果，該邊坡風(fēng)險值明顯得到改善，驗證了該邊坡加固措施的工程經(jīng)濟價值。