巖質(zhì)高邊坡運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系研究*

吳忠廣，申瑞君，萬(wàn)福茂，張 迪

(1.交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院，北京 100029；2.交科院檢測(cè)技術(shù)(北京)有限公司，北京 100013； 3.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083)

0 引言

山區(qū)高速公路運(yùn)營(yíng)期巖質(zhì)高邊坡存在著山體高陡、巖體破碎、不利結(jié)構(gòu)面發(fā)育、巖石風(fēng)化嚴(yán)重與坡體覆蓋層穩(wěn)定性較差等問(wèn)題，受氣候氣象、地質(zhì)水文條件及施工期遺留工程缺陷等因素的影響，經(jīng)常發(fā)生掉塊落石、崩塌坍塌、滑坡以及防護(hù)加固工程結(jié)構(gòu)變形或破壞等現(xiàn)象，導(dǎo)致的事故較多。2015年11月13日，浙江省麗水市蓮都區(qū)雅溪鎮(zhèn)里東村發(fā)生山體滑坡，塌方量30余萬(wàn)立方米。歷次事故情況表明，影響巖質(zhì)高邊坡運(yùn)營(yíng)安全的風(fēng)險(xiǎn)可分為主觀風(fēng)險(xiǎn)與客觀風(fēng)險(xiǎn)2類(lèi)，其中，主觀風(fēng)險(xiǎn)包括養(yǎng)護(hù)管理體制機(jī)制、管養(yǎng)人員隊(duì)伍素質(zhì)等，客觀因素包括工程規(guī)模、支護(hù)結(jié)構(gòu)、氣候條件、地質(zhì)情況等。如何科學(xué)的識(shí)別導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)期巖質(zhì)高邊坡事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)致險(xiǎn)因子，建立合理的評(píng)估指標(biāo)體系，對(duì)準(zhǔn)確估測(cè)邊坡運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)水平具有重要意義。

目前，針對(duì)運(yùn)營(yíng)期高邊坡風(fēng)險(xiǎn)的研究側(cè)重邊坡病害分析[1-2]、穩(wěn)定性評(píng)價(jià)[3-4]及治理方法應(yīng)用[5]等。對(duì)高邊坡風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)方法的研究總體上可分為定性分析與定量分析2種，前者主要包括事件樹(shù)[6](ETA)、安全檢查表[7](SCL)、風(fēng)險(xiǎn)傳遞路徑[8]等方法，后者主要包括事故樹(shù)[9](FTA)、作業(yè)條件風(fēng)險(xiǎn)分析方法[10](LEC)、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)[11-13](Bayesian Networks, BN)等。然而，對(duì)于巖質(zhì)高邊坡運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系的確定尚缺乏系統(tǒng)有效的方法，常常出現(xiàn)評(píng)估指標(biāo)選取依據(jù)不充分或過(guò)于主觀、指標(biāo)分級(jí)閾值劃分不合理、指標(biāo)值獲取困難等問(wèn)題。基于運(yùn)營(yíng)期巖質(zhì)高邊坡的特點(diǎn)，本文采用逐坡普查與重點(diǎn)調(diào)查相結(jié)合、工程地質(zhì)類(lèi)比與復(fù)核相結(jié)合、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法，研究建立巖質(zhì)高邊坡運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系，為后續(xù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型的建立奠定基礎(chǔ)，使評(píng)估結(jié)果更具有科學(xué)性和實(shí)用性。

1 評(píng)估指標(biāo)辨識(shí)

1.1 逐坡普查與重點(diǎn)調(diào)查

邊坡現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查采用逐段逐點(diǎn)普查和重點(diǎn)邊坡調(diào)查2種方式，確定運(yùn)營(yíng)期高邊坡基本信息和動(dòng)態(tài)信息。其中，基本信息情況調(diào)查[15]內(nèi)容主要包括：

邊坡編號(hào)、起

訖樁號(hào)、線路走向、邊坡走向、邊坡長(zhǎng)度、邊坡高度、邊坡級(jí)數(shù)、邊坡坡率，邊坡地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造特征、坡體結(jié)構(gòu)類(lèi)型、賦存水發(fā)育狀態(tài)與分布規(guī)律等。同時(shí)，基本信息還應(yīng)包括邊坡的工程簡(jiǎn)介、工程圖片、交通流量等信息。動(dòng)態(tài)信息調(diào)查[15]內(nèi)容主要包括：截排水工程調(diào)查、普通防護(hù)工程調(diào)查、支擋工程調(diào)查、錨固工程調(diào)查、邊坡防護(hù)加固工程等結(jié)構(gòu)缺損狀態(tài)調(diào)查，以及坡面沖刷調(diào)查、風(fēng)化剝落調(diào)查、掉塊落石調(diào)查、坍塌崩塌調(diào)查、邊坡滑坡調(diào)查、山體滑坡調(diào)查等邊坡病害發(fā)育狀態(tài)調(diào)查。

為便于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查信息獲取，結(jié)合邊坡調(diào)查基本信息與動(dòng)態(tài)信息，提出運(yùn)營(yíng)期巖質(zhì)高邊坡安全檢查表，該表克服了傳統(tǒng)檢查表[1,7]存在的檢查項(xiàng)目不全、系統(tǒng)性不強(qiáng)等問(wèn)題的局限，具體見(jiàn)表1。

表1 XX合同段運(yùn)營(yíng)期巖質(zhì)高邊坡安全檢查

記錄人： 日期：

1.2 工程地質(zhì)類(lèi)比與復(fù)核

在邊坡基本信息調(diào)查的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)針對(duì)運(yùn)營(yíng)邊坡裸露巖體或鄰近相似山體揭露巖體狀況進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查[16]，包括巖體風(fēng)化特征、坡體結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)面特征等，與具有類(lèi)似工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件的既有邊坡或其它穩(wěn)定邊坡進(jìn)行合理性分析與比對(duì)，并與地質(zhì)勘察報(bào)告進(jìn)行復(fù)核確認(rèn)。其中，結(jié)構(gòu)面特征主要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)出露巖體實(shí)際，判定結(jié)構(gòu)面類(lèi)別、結(jié)構(gòu)面間距、結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度及發(fā)育程度，對(duì)于因邊坡護(hù)面覆蓋而無(wú)法確定的情況，應(yīng)如實(shí)記錄并拍照留存。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)復(fù)核，綜合判斷邊坡破壞模式，對(duì)于巖質(zhì)邊坡被噴射混凝土等護(hù)面所覆蓋[15]，現(xiàn)場(chǎng)檢查時(shí)及通過(guò)資料收集均難以確定破壞模式的情況列入邊坡破壞模式分類(lèi)中。

1.3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值計(jì)算

選取主要結(jié)構(gòu)斷面，基于現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)信息調(diào)查，對(duì)于具備測(cè)樁條件的抗滑樁，用低應(yīng)變儀對(duì)樁身完整性進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的樁面情況(如是否有鋼筋外露銹蝕、麻面、風(fēng)化剝落等情況)以及樁間土狀況(如變形失穩(wěn)、越頂破壞、土拱失效等)，確定抗滑樁及樁板墻指標(biāo)分級(jí)；對(duì)于錨桿/錨索框架，除調(diào)查框架基本信息外，還應(yīng)重點(diǎn)調(diào)查錨墩是否布設(shè)及其完整性、錨索是否外露銹蝕、樁錨連接部位是否出現(xiàn)裂縫等，確定錨桿/錨索框架指標(biāo)分級(jí)。依據(jù)竣工圖等設(shè)計(jì)資料，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果，利用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，復(fù)核原始設(shè)計(jì)工況條件下邊坡穩(wěn)定情況與支擋結(jié)構(gòu)受力變化，對(duì)邊坡設(shè)計(jì)方案合理性及適宜性進(jìn)行綜合分析判斷，確定設(shè)計(jì)因素的影響。

1.4 指標(biāo)的確定

對(duì)運(yùn)營(yíng)期巖質(zhì)高邊坡指標(biāo)的辨識(shí)采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、地質(zhì)復(fù)核與監(jiān)測(cè)計(jì)算相結(jié)合的方法，具體如圖1所示。其中，由現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查確定邊坡基本信息，篩選出邊坡斷面幾何特征A與水的影響C2個(gè)一級(jí)指標(biāo)；通過(guò)地質(zhì)復(fù)核對(duì)基本信息中坡體結(jié)構(gòu)及地質(zhì)特征進(jìn)行確定，得到邊坡巖體結(jié)構(gòu)B及邊坡破壞模式E2個(gè)一級(jí)指標(biāo)；通過(guò)對(duì)抗滑樁及樁板墻與錨桿/錨索框架梁等支擋結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與模擬計(jì)算，判斷設(shè)計(jì)合理性，進(jìn)而確定支擋加固結(jié)構(gòu)設(shè)施D一級(jí)指標(biāo)。

圖1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)辨識(shí)技術(shù)路線Fig.1 Technology roadmap of risk assessment for the indicator identification

2 評(píng)估指標(biāo)體系

2.1 體系構(gòu)建思路

根據(jù)以上指標(biāo)的辨識(shí)與分析，確定了5個(gè)一級(jí)指標(biāo)。在參考相關(guān)文獻(xiàn)[1,3,7,10,15-16]、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研與專(zhuān)家咨詢(xún)的基礎(chǔ)上，確定二級(jí)指標(biāo)及具體分類(lèi)。指標(biāo)權(quán)重分值的確定是體系構(gòu)建的難點(diǎn)，首先，分值選取原則參照《高速公路路塹高邊坡工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指南(試行)》[15]的設(shè)定原則，采用百分制，并根據(jù)各指標(biāo)影響因素的不同進(jìn)行折算；其次，對(duì)定性指標(biāo)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查病害具體情形進(jìn)行區(qū)分，對(duì)于定量指標(biāo)，以現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)分析、試驗(yàn)驗(yàn)證等界定分級(jí)閾值；同時(shí)，結(jié)合以往文獻(xiàn)[1,7,15]和工程案例進(jìn)行試算，確定指標(biāo)合理性與適宜性。為確保指標(biāo)取值的準(zhǔn)確性，體系表中明確了各指標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)定性判斷或定量監(jiān)測(cè)的取值方法。

2.2 指標(biāo)體系的建立

基于以上指標(biāo)體系建立的思路，巖質(zhì)高邊坡運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系見(jiàn)表2。

3 工程實(shí)例

3.1 工程背景

重慶某高速公路全長(zhǎng)59 km，全線地形主要為構(gòu)造溶蝕、剝蝕中低山灰?guī)r及粉砂巖深切谷地斜坡地貌，地質(zhì)條件復(fù)雜，線路出露主要為三疊系中統(tǒng)巴東組第一段(T2b1)、第二段(T2b2)、第三段(T2b3)、第四段(T2b4)及第四系殘坡積(Qel+dl)地層，坡率1∶0.5和1∶0.75的邊坡較多。該高速公路于2010年建成通車(chē)，運(yùn)營(yíng)過(guò)程中多處邊坡出現(xiàn)病害，尤其以A05，A09，A16，A12等4個(gè)合同段19處高邊坡病害情況較為突出，

以A09標(biāo)

續(xù)表2

段ZK1302+480～ZK1302+800上邊坡(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“0902上邊坡”)為例對(duì)建立的指標(biāo)體系各指標(biāo)進(jìn)行賦值。0902上邊坡位于山體中部，坡高約23 m，自然坡度30～45°，出露地層具有二元結(jié)構(gòu)，上部地表殘坡積物厚度變化較大，在+580剖面厚度約9～14 m，+670剖面厚度約12～19 m，+730剖面厚度約6～8 m；下部基巖為三疊系巴東組泥灰?guī)r，傾向坡內(nèi)，傾角約25°。該邊坡先后經(jīng)過(guò)3次設(shè)計(jì)變更，具體見(jiàn)圖2。

圖2 上邊坡Fig.2 0902 slope

3.2 指標(biāo)賦值

3.2.1 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，確定邊坡斷面幾何特征與水的影響各指標(biāo)取值，其中，水的影響現(xiàn)場(chǎng)照片見(jiàn)圖3。

圖3 擋板滲水痕跡Fig.3 Baffle seepage traces

3.2.2 地質(zhì)類(lèi)比與復(fù)核

經(jīng)地質(zhì)復(fù)核，該斜坡地層產(chǎn)狀157°∠28°，為單斜地層，與山坡成逆向坡，路線走向與地層走向近于平行，淺部巖石節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體多切割成塊狀，主要發(fā)育節(jié)理有3組，均呈閉合狀，其主要特征如下：L1：產(chǎn)狀185°∠77°，水平延伸1.60～2.30 m；L2： 產(chǎn)狀355°∠63°，水平延伸0.90～2.10 m；L3：產(chǎn)狀 277°∠60°，水平延伸2.50～4.20 m。本邊坡上部覆蓋層較厚，破壞模式為沿覆蓋層與巖體交界面滑動(dòng)。

3.2.3 監(jiān)測(cè)計(jì)算

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，樁身外觀以表面出現(xiàn)風(fēng)化麻面、開(kāi)裂、樁間土流失等不同程度進(jìn)行分級(jí)賦值，現(xiàn)場(chǎng)照片見(jiàn)圖4。經(jīng)對(duì)該邊坡3排37根具備檢測(cè)條件的抗滑樁進(jìn)行RSM低應(yīng)變儀隨機(jī)抽檢，結(jié)果顯示有6根抗滑樁不同程度的存在離析現(xiàn)象，離析長(zhǎng)度占樁長(zhǎng)的比例分布見(jiàn)圖5。

圖4 樁間土流失Fig.4 Soil loss between piles

圖5 抗滑樁離析長(zhǎng)度比例分布Fig.5 Proportion distribution of segregation length of anti-slide pile

選取ZK1302+670剖面進(jìn)行計(jì)算復(fù)核，對(duì)原始設(shè)計(jì)的自重與自重+暴雨2種工況分別計(jì)算，參數(shù)選取設(shè)計(jì)文件中提供的參數(shù)，復(fù)核內(nèi)容分為局部復(fù)核與整體復(fù)核，結(jié)果見(jiàn)表3。根據(jù)實(shí)際的邊坡形態(tài)及支護(hù)方式建立模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)圖6-9。

圖6 邊坡計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分Fig.6 Slope model and meshing

圖7 邊坡位移Fig.7 Slope displacement contour

圖8 邊坡應(yīng)變Fig.8 Slope strain contour

圖9 邊坡結(jié)構(gòu)內(nèi)力Fig.9 Internal force diagram of slope structure

剖面名稱(chēng)工況條件穩(wěn)定系數(shù)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)ZK1302+670自重1.35穩(wěn)定自重+暴雨1.33穩(wěn)定

由數(shù)值模擬結(jié)果可知，邊坡位移主要集中在二級(jí)平臺(tái)抗滑樁后土體，但由于上部防護(hù)方式為樁板墻，防護(hù)結(jié)構(gòu)整體性較好，剛度大，坡體實(shí)際無(wú)變形破壞跡象；邊坡應(yīng)變?cè)诙?jí)平臺(tái)抗滑樁后土體內(nèi)較大，但由于抗滑樁的加固作用，樁前應(yīng)變明顯減??；結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖顯示，滑坡推力主要由二級(jí)平臺(tái)抗滑樁承擔(dān)，二級(jí)平臺(tái)抗滑樁承受了較大的彎矩，邊坡處于整體穩(wěn)定狀態(tài)，綜合分析后認(rèn)為該邊坡支擋加固方案較適宜。

3.2.4 計(jì)算結(jié)果

通過(guò)以上分析，按照表2中各指標(biāo)取值確定方法，得到結(jié)果見(jiàn)表4，分別給出了15個(gè)二級(jí)指標(biāo)分值與取值說(shuō)明，其中，水的影響、支擋加固設(shè)施與邊坡破壞模式對(duì)邊坡整體穩(wěn)定性影響較大。評(píng)估指標(biāo)體系的確定不但便于指標(biāo)賦值，也為后續(xù)評(píng)估模型的建立與風(fēng)險(xiǎn)分析奠定了基礎(chǔ)。

表4 各指標(biāo)取值

續(xù)表4

4 結(jié)論

1)建立了巖質(zhì)高邊坡安全檢查表，給出了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)辨識(shí)技術(shù)路線圖，提出了基于邊坡現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、地質(zhì)類(lèi)比復(fù)核及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬相結(jié)合的巖質(zhì)高邊坡運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)識(shí)別方法。

2)構(gòu)建了巖質(zhì)高邊坡運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系，確定了5個(gè)一級(jí)指標(biāo)與15個(gè)二級(jí)指標(biāo)，劃分了74個(gè)指標(biāo)分級(jí)，給出了各指標(biāo)取值方法，并通過(guò)重慶某高速公路實(shí)例證明了該方法的適用性。

3)對(duì)運(yùn)營(yíng)期巖質(zhì)高邊坡開(kāi)展系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)，建立運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系，有利于查找事故隱患，為后期準(zhǔn)確評(píng)估邊坡風(fēng)險(xiǎn)、形成綜合的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法奠定了基礎(chǔ)。

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