烏尉高速公路邊坡穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)

李元松，高 暉，陳 峰，王亞軍，閆海濤，王章瓊，肖尊群(.武漢工程大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，湖北 武漢 430073；. 中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 43005)

隨著“一帶一路”國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略的逐步實(shí)施與推進(jìn)，西部高寒、高海拔、高地震烈度(俗稱“三高”)地區(qū)高速公路建設(shè)快速發(fā)展，如何對(duì)高陡邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行快速有效評(píng)價(jià)，已成為公路建設(shè)中亟待解決的技術(shù)難題[1～2]。由于“三高”地區(qū)地形地質(zhì)條件復(fù)雜，河谷發(fā)育，深切割劇烈，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍，沿線高陡邊坡林立，加上初步勘察階段工期緊迫，傳統(tǒng)單一判據(jù)的方法已不適用于復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)[3～4]。因此，建立“三高”地區(qū)邊坡巖體質(zhì)量分級(jí)體系，尋找邊坡穩(wěn)定性簡(jiǎn)便、快速評(píng)價(jià)方法，具有廣泛的應(yīng)用前景。

本文擬以G0711烏尉(烏魯木齊至尉犁)高速公路K53-K78段邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)為背景，探討“三高”地區(qū)邊坡巖體質(zhì)量分級(jí)體系，嘗試多判據(jù)綜合評(píng)價(jià)法在邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用。

1 沿線工程地質(zhì)概況

1.1 地形地貌

路線跨越天山山脈，呈中間高、南北低的態(tài)勢(shì)。北端起點(diǎn)倉(cāng)房溝一帶海拔約1 100 m，向南沿 G216 漸次爬升至后峽(2 020 m)，再到路線最高點(diǎn)勝利達(dá)坂東側(cè)(冰達(dá)坂4 238 m)，后順溝下行至烏拉斯臺(tái)(勝利橋約2 570 m)、巴倫臺(tái)(約1 760 m)，在黃水溝(毛額特)一帶(1 290 m)出山。主要為中山峽谷地貌，溝谷呈V型，谷坡山勢(shì)陡峻，多懸崖；溝底沉積物少，易發(fā)洪水。

1.2 地層巖性

路線走廊帶分布自元古界—古生界—中生界—新生界的地層以及花崗巖體，巖性復(fù)雜多樣。研究段地層主要為石炭系奇爾古斯套群(C1qr)灰綠色、灰黑色凝灰?guī)r、粉砂巖、泥巖夾礫巖、硬砂巖、長(zhǎng)石砂巖、灰?guī)r、火山角礫巖，泥盆系天格爾組(D3tc)蔥綠色泥巖、凝灰質(zhì)硅質(zhì)巖、凝灰?guī)r、凝灰砂巖及硅質(zhì)巖、礫巖和(D3tb)凝灰粉砂巖、凝灰砂巖、硅質(zhì)巖、泥質(zhì)粉砂巖夾凝灰?guī)r和灰?guī)r透鏡體。

1.3 構(gòu)造與地震

路線區(qū)屬天山構(gòu)造帶，經(jīng)歷多期褶皺、斷裂、抬升等運(yùn)動(dòng)，形成如今的構(gòu)造格局?？傮w上，路線走向與區(qū)域構(gòu)造線多大角度相交，較為有利。根據(jù) GB 18306—2015[5]，路線地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.40～0.45 s，地震動(dòng)峰值加速度為0.10g～0.20g。根據(jù)區(qū)域資料，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以山脈的隆起抬升及南北兩側(cè)的盆地下降為主要方式。

1.4 不良地質(zhì)

(1)崩塌與巖堆，由于線路順天山的峽谷布置，溝谷切割深，岸坡陡峭，基巖裸露，風(fēng)化強(qiáng)烈，導(dǎo)致沿線崩塌作用發(fā)育；(2)泥石流，由于山勢(shì)陡峻，風(fēng)化嚴(yán)重，雨季降水與積雪融化導(dǎo)致泥石流；(3)積雪及冰川，公路翻越天山山脈，在高海拔地段可見有積雪和冰川；(4)涎流冰，路線大部分修筑在寒冷地區(qū)，往往會(huì)遇到涎流冰的危害，影響交通，威脅行車安全；(5)河岸沖刷，擬建公路大部分順烏魯木齊河谷布置，屬典型的山區(qū)河流，水量隨降雨暴漲快跌，山洪期間對(duì)河岸的沖刷明顯。

沿線主要工程地質(zhì)概況及地質(zhì)災(zāi)害分布見圖1。

圖1 烏魯木齊至尉犁段高速公路地質(zhì)災(zāi)害分布圖Fig.1 Geological disaster distribution in Wu—Yu highway

2 邊坡變形破壞模式

邊坡變形破壞模式與巖體的結(jié)構(gòu)特征密切相關(guān)。巖體結(jié)構(gòu)分為層狀結(jié)構(gòu)、塊狀結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)和散體結(jié)構(gòu)。其中，層狀結(jié)構(gòu)巖體可根據(jù)層面與坡面的空間關(guān)系進(jìn)一步劃分為：順向巖質(zhì)邊坡、反向巖質(zhì)邊坡、切向巖質(zhì)邊坡三種類型[3](表1)。

調(diào)查路段30個(gè)巖質(zhì)邊坡中，層狀巖質(zhì)邊坡問題比較突出。

表1 順向、反向巖質(zhì)邊坡劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Classification standard of forward and reverse rock slope

2.1 中-緩?fù)鈨A巖質(zhì)邊坡拉裂-滑移破壞

邊坡巖層傾向與邊坡傾向相同，層面對(duì)邊坡破壞面起控制作用。研究區(qū)順層邊坡多發(fā)育兩組以上構(gòu)造節(jié)理，層間軟弱面分布較多，巖塊強(qiáng)度對(duì)邊坡穩(wěn)定性有影響但不起控制作用，軟弱面一般為滑移面，當(dāng)上覆巖體的下滑力大于滑面上的抗滑力時(shí)，邊坡巖體沿下伏軟弱面向坡前臨空方向滑移，并使滑移體拉裂解體。當(dāng)坡體下部滑移受阻時(shí)，發(fā)生彎曲變形直至貫通破壞。

2.2 中-陡(內(nèi))外傾巖質(zhì)邊坡傾倒破壞

當(dāng)巖層面傾角大于坡面傾角時(shí)，軟弱結(jié)構(gòu)面在傾向方向無(wú)自由臨空面，巖層面一般不會(huì)導(dǎo)致邊坡發(fā)生滑移破壞，而易發(fā)生傾倒破壞。巖體在自重作用下，于前緣開始向臨空方向作懸臂梁彎曲，并逐漸向坡內(nèi)發(fā)展，導(dǎo)致坡體后緣開裂，形成平行于走向的反坡臺(tái)階和槽溝，根部折斷，當(dāng)坡體內(nèi)折斷帶的剪應(yīng)力超過其抗剪強(qiáng)度時(shí)，坡體逐漸錯(cuò)動(dòng)下滑形成傾倒塌滑體。

2.3 中-緩內(nèi)傾反向巖質(zhì)邊坡

這類邊坡屬于比較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)類型，不具備產(chǎn)生變形破壞的基本地質(zhì)條件，調(diào)查路段沒有這種結(jié)構(gòu)類型的邊坡。

2.4 近直立狀巖質(zhì)邊坡-崩塌(碎落)破壞

該類邊坡巖體存在近直立狀結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面對(duì)邊坡穩(wěn)定起控制作用。坡上巖體在重力作用下，發(fā)生突然急劇的傾落運(yùn)動(dòng)。崩塌體與坡體的分離界面往往是傾角很大的不連續(xù)面，如節(jié)理、片理、劈理、層面、破碎帶等，崩塌體的運(yùn)動(dòng)方式為傾倒、崩落與碎落。

3 邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法

G0711K53-K78段地處“三高”地區(qū)，地質(zhì)條件復(fù)雜，且時(shí)間緊，任務(wù)重，初測(cè)階段資料匱乏，可利用數(shù)據(jù)極少，全面系統(tǒng)地評(píng)價(jià)每一邊坡的穩(wěn)定性非常困難。因此針對(duì)該工程特點(diǎn)采用必要的簡(jiǎn)化處理，其技術(shù)思路如圖2所示。

3.1 修正的邊坡巖體質(zhì)量分級(jí)方法——THRSMR法

巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性主要受巖體結(jié)構(gòu)控制，巖體質(zhì)量分級(jí)能充分反映巖體結(jié)構(gòu)特征。張?jiān)臶6]針對(duì)天山地區(qū)高寒高海拔、凍融作用強(qiáng)烈的特點(diǎn)，對(duì)坡高修正系數(shù)ξ及結(jié)構(gòu)面條件系數(shù)λ進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)整，并引入凍融系數(shù)δ，建立了適用于天山公路的邊坡巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)體系TSMR，其綜合評(píng)分值由式(1)確定：

TSMR=δξRMR-λ(F1F2F3)+F4

(1)

式中：F1——不連續(xù)面傾向與邊坡傾向關(guān)系調(diào)整值；

F2——不連續(xù)面傾角大小調(diào)整值；

F3——不連續(xù)面與坡面傾角關(guān)系調(diào)整值；

F4——邊坡開挖方法調(diào)整參數(shù)。

TSMR體系綜合考慮了巖石強(qiáng)度、巖體完整性、結(jié)構(gòu)面與坡面產(chǎn)狀關(guān)系、坡高、凍融循環(huán)等因素，但未考慮地震因素的影響。本文根據(jù)擬靜力法，將地震力等效為作用于邊坡塊體的水平力，針對(duì)TSMR的評(píng)級(jí)結(jié)果，利用GEO-SLOPE軟件進(jìn)行大量計(jì)算與統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合類似工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出適用于“三高”地區(qū)的巖體質(zhì)量分級(jí)體系THRSMR(three high region slope mass rating)，計(jì)算公式如下：

THRSMR=β[δξRMR-λ(F1F2F3)]+F4

(2)

式中：β——考慮地震力的修正系數(shù)，取值見表2。

其余參數(shù)與TSMR體系相同。

表2 地震作用系數(shù)βTable 2 Coefficient of seismic action β

THRSMR體系仍沿用TSMR體系的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，即最大值為100，最小值為0，以20分劃分等級(jí)，共分為5級(jí)[7～8]。THRSMR的合理性驗(yàn)證，作者將另文詳細(xì)介紹。

3.2 基于Monte Carlo的可靠度評(píng)價(jià)

關(guān)于Monte Carlo法計(jì)算原理有諸多報(bào)道[9～10]，本文僅對(duì)其實(shí)施步驟作簡(jiǎn)要?dú)w納：

(1)確定邊坡分析剖面，選擇適合工程地質(zhì)力學(xué)模型的破壞模式；

(2)確定影響邊坡穩(wěn)定性各個(gè)變量的概率分布和分布參數(shù)，包括強(qiáng)度參數(shù)(c、φ)、容重等參數(shù)；

(3)根據(jù)已判定的破壞模式，確定最危險(xiǎn)的潛在滑移面；

(4)根據(jù)隨機(jī)變量{x1，x2，…，xn}的分布函數(shù)和參數(shù)，隨機(jī)地抽取同分布的一組隨機(jī)數(shù)x1，x2，…，xn；

(5)由所建的狀態(tài)方程式計(jì)算一個(gè)函數(shù)值，取得安全系數(shù)的一個(gè)樣本；

圖2 研究技術(shù)路線圖Fig.2 Technical flow chart of the research work

(6)重復(fù)(4)、(5)直至達(dá)到預(yù)期的精度要求的試驗(yàn)次數(shù)N；

(7)由N個(gè)安全系數(shù)擬合其概率分布F(k)，估計(jì)均值μk、標(biāo)準(zhǔn)差σk，統(tǒng)計(jì)安全系數(shù)小于等于1的次數(shù)M；

上述(4)到(7)計(jì)算工作量大，Geo-Studio軟件中的Slope模塊可以方便實(shí)現(xiàn)上述功能。其輸出結(jié)果見圖3～4。

圖3 概率密度Fig.3 Probability density function

圖4 概率分布Fig.4 Probability distribution function

通過計(jì)算邊坡的可靠度指標(biāo)和破壞概率，充分反映各種不確定性因素對(duì)邊坡的影響，能更全面地體現(xiàn)邊坡的穩(wěn)定狀況，避免了安全系數(shù)使用過程中的絕對(duì)化。

3.3 基于多判據(jù)的模糊綜合評(píng)價(jià)法

相對(duì)于G0711烏尉段，位于高寒、高海拔和高地震烈度地區(qū)，這類規(guī)模大、地質(zhì)條件復(fù)雜、各種影響因素交織且勘察資料嚴(yán)重不足的高陡邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)而言，前述各種計(jì)算方法所得結(jié)論也只是單一理論模型的計(jì)算結(jié)果。盡管建模過程以及各種參數(shù)的確定過程中，也考慮了專家的經(jīng)驗(yàn)，但這種結(jié)論仍然是基于半經(jīng)驗(yàn)半理論的分析結(jié)果，暫稱之為穩(wěn)定性基礎(chǔ)評(píng)價(jià)。由于地質(zhì)體的復(fù)雜性，邊坡工程問題是信息不全、信息模糊問題，因此必須引入更為綜合性的評(píng)估方法，才能得出相對(duì)客觀的評(píng)估結(jié)論，而模糊綜合評(píng)價(jià)理論正適用于解決此類問題。本次研究在前述單一方法所得評(píng)價(jià)結(jié)論的基礎(chǔ)上，嘗試?yán)媚：C合評(píng)價(jià)模型對(duì)G0711高速公路烏尉段典型邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行進(jìn)一步的綜合評(píng)定。

3.3.1評(píng)判指標(biāo)

(1)定性評(píng)價(jià)M1

對(duì)于巖質(zhì)邊坡選擇THRSMR評(píng)價(jià)法的結(jié)論，作為穩(wěn)定性進(jìn)一步評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)指標(biāo)。按百分制打法，分為五級(jí)：[80,100]，Ⅰ(穩(wěn)定)；[60,80)，Ⅱ(基本穩(wěn)定)；[40,60)，Ⅲ(潛在不穩(wěn)定)；[20,40)，Ⅳ(欠穩(wěn)定)；[0,20)，Ⅴ(不穩(wěn)定)。

對(duì)于土質(zhì)或巖土混合邊坡，傳統(tǒng)定性方法中尚無(wú)與巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分級(jí)相對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)方法，因此，本次研究將初級(jí)模糊評(píng)價(jià)結(jié)論作為進(jìn)一步評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)指標(biāo)。評(píng)價(jià)結(jié)果是Ⅰ(穩(wěn)定)，Ⅱ(基本穩(wěn)定)，Ⅲ(潛在不穩(wěn)定)，Ⅳ(欠穩(wěn)定)和Ⅴ(不穩(wěn)定)五級(jí)，屬離散型指標(biāo)。

(2)極限平衡法M2

極限平衡法的計(jì)算結(jié)果為總體安全系數(shù)，為連續(xù)性指標(biāo)。安全系數(shù)F>1.2為穩(wěn)定，Ⅰ級(jí)；1.1～1.2為基本穩(wěn)定，Ⅱ級(jí)；1.05～1.1為潛在不穩(wěn)定，Ⅲ級(jí)；1.00～1.05為欠穩(wěn)定，Ⅳ級(jí)；<1.0為不穩(wěn)定，Ⅴ級(jí)。

(3)數(shù)值計(jì)算法M3

本次研究應(yīng)用的數(shù)值計(jì)算方法主要以有限單元法為主(代表性計(jì)算軟件MIDAS-GTS、ABQUES、GEO-slope/SIGMA)、有限差分法(FLAC3D)和離散單元法為輔(UDEC5.0)，采用強(qiáng)度折減法。

強(qiáng)度折減法的結(jié)果也為總體安全系數(shù)，為連續(xù)性指標(biāo)。安全系數(shù)F>1.2為穩(wěn)定，Ⅰ級(jí)；1.1～1.2為基本穩(wěn)定，Ⅱ級(jí)；1.05～1.1為潛在不穩(wěn)定，Ⅲ級(jí)；1.0～1.05為欠穩(wěn)定，Ⅳ級(jí)；<1.0為不穩(wěn)定，Ⅴ級(jí)。

(4)可靠性評(píng)價(jià)法M4

可靠性評(píng)價(jià)結(jié)果統(tǒng)一以失效概率輸出，屬連續(xù)變量。失效概率Pf<0.05，為穩(wěn)定，Ⅰ級(jí)；0.05≤Pf<0.075，為基本穩(wěn)定，Ⅱ級(jí)；0.075

3.3.2權(quán)重確定

根據(jù)前節(jié)選定指標(biāo)，采用AHP與專家評(píng)分等綜合方法[11～13]，計(jì)算各評(píng)價(jià)方法的權(quán)重如表3所示。

表3 烏尉高速邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 3 Evaluation criteria for stability for slope along the Wu—Yu highway

3.3.3隸屬度計(jì)算

對(duì)于離散型指標(biāo)，先按一定準(zhǔn)則作量化處理，即將因素分成5個(gè)等級(jí)：Ⅰ(0.9)，Ⅱ(0.7)，Ⅲ(0.5)，Ⅳ(0.3)和Ⅴ(0.1)。然后取梯形函數(shù)作為隸屬度函數(shù)，對(duì)于連續(xù)性指標(biāo)，取嶺型分布函數(shù)為隸屬度函數(shù)[14～16]。

3.3.4計(jì)算模型

依據(jù)模糊綜合評(píng)判理論，結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)，評(píng)價(jià)步驟如下：

(1)評(píng)語(yǔ)集={穩(wěn)定Ⅰ，基本穩(wěn)定Ⅱ，潛在不穩(wěn)定Ⅲ，欠穩(wěn)定Ⅳ，不穩(wěn)定Ⅴ}；

(2)因子集= {定性分析,極限平衡分析，數(shù)值分析，可靠度分析}；

(3)因子權(quán)重采用AHP方法，A=[0.3462，0.2692，0.1923，0.1923]T。

(4)根據(jù)各因素隸屬度函數(shù)，確定模糊隸屬度，從而建立各研究邊坡的單因素評(píng)判矩陣Ri。

(5)按下式進(jìn)行模糊綜合運(yùn)算

(3)

(6)根據(jù)最大隸屬度準(zhǔn)則對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行模糊綜合評(píng)判。

4 評(píng)價(jià)結(jié)果

利用上述方法，將研究區(qū)邊坡典型觀測(cè)點(diǎn)的穩(wěn)定性進(jìn)行模糊綜合評(píng)判，其結(jié)果見表4?？梢钥闯觯芯繀^(qū)段36個(gè)邊坡中，自然狀態(tài)下圍巖穩(wěn)定性等級(jí)為Ⅰ級(jí)的11個(gè)，Ⅱ級(jí)17個(gè)，Ⅲ級(jí)8個(gè)；地震工況下圍巖穩(wěn)定性等級(jí)為Ⅱ級(jí)的1個(gè)，Ⅲ級(jí)24個(gè)，Ⅳ級(jí)4個(gè)，Ⅴ級(jí)7個(gè)，可見地震作用是該區(qū)段邊坡穩(wěn)定的重要影響因素。

另一方面，從表4還可以看出，極限平衡法的計(jì)算結(jié)果與定性分析結(jié)果基本一致，而數(shù)值分析法所得安全系數(shù)值略偏大，可靠度評(píng)價(jià)法的結(jié)果決定于強(qiáng)度參數(shù)的離散性特征。這也是從另一側(cè)面說明綜合評(píng)判模型中所選權(quán)重的合理性。

5 結(jié)論

(1)研究區(qū)段36個(gè)邊坡中，自然狀態(tài)下圍巖穩(wěn)定性等級(jí)為Ⅰ級(jí)的11個(gè)，Ⅱ級(jí)17個(gè)，Ⅲ級(jí)8個(gè)；地震工況下圍巖穩(wěn)定性等級(jí)為Ⅱ級(jí)的1個(gè)，Ⅲ級(jí)24個(gè)，Ⅳ級(jí)4個(gè)，Ⅴ級(jí)7個(gè)，可見地震作用是該區(qū)段邊坡穩(wěn)定的重要因素。

(2)極限平衡法與定性分析結(jié)果基本一致，而數(shù)值分析法所得安全系數(shù)值略偏大，可靠度評(píng)價(jià)法的結(jié)果決定于強(qiáng)度參數(shù)的離散性特征。

(3)本文引入地震作用系數(shù)β，對(duì)TSMR體系進(jìn)行的修正；基于多判據(jù)的評(píng)價(jià)方法能綜合考慮專家經(jīng)驗(yàn)，集多種方法的結(jié)論于一體，有效克服傳統(tǒng)單一判據(jù)所得結(jié)論可信度偏低的缺陷，符合巖土工程學(xué)科特點(diǎn)，適用于“三高”地區(qū)公路邊坡穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)。

表4 G0711烏尉高速WYSJ-1合同段K53-K78岸坡穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)Table 4 Comprehensive evaluation of slope stability at K53-K78 section in G0711 of the Wu—Yu highway

*注：表中邊坡穩(wěn)定性最終等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)與極限平衡法相同。