工程高邊坡開(kāi)挖治理過(guò)程定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

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(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)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(guò)程中開(kāi)挖巖土體產(chǎn)生一定側(cè)向臨空面的坡體，由于其開(kāi)挖過(guò)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(kāi)挖過(guò)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(jì)財(cái)產(chǎn)損失[1]。近年我國(guó)大量修建公路鐵路，因此產(chǎn)生許多超高路塹邊坡，其過(guò)程中產(chǎn)生的邊坡穩(wěn)定性安全問(wèn)題越來(lái)越受到廣泛的關(guān)注與重視[2-3]。

國(guó)際上目前主要的路塹邊坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(xiǎn)管理當(dāng)中，至今發(fā)展30余年。2005年在溫哥華召開(kāi)了“國(guó)際滑坡風(fēng)險(xiǎn)管理會(huì)議”，系統(tǒng)地總結(jié)了有關(guān)滑坡風(fēng)險(xiǎn)管理的理論、實(shí)踐和發(fā)展趨勢(shì)，提出了系統(tǒng)的滑坡風(fēng)險(xiǎn)管理體系，對(duì)后來(lái)的研究提供指導(dǎo)與借鑒[4]。我國(guó)交通運(yùn)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(xiǎn)評(píng)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(xiǎn)評(píng)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(xiǎn)評(píng)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(shí)踐中得到發(fā)展與應(yīng)用[6-7]。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)路塹邊坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(shí)空概率等很難做到完全定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。隨著路塹邊坡復(fù)雜程度的發(fā)展以及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的普及，路塹邊坡定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估勢(shì)必得到全面的發(fā)展于應(yīng)用。

1 工程高邊坡定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)方案

1.1 工程高邊坡定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)方案

工程高邊坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估由風(fēng)險(xiǎn)分析、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)管理三大環(huán)節(jié)構(gòu)成，各環(huán)節(jié)均突出重點(diǎn)、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(xiǎn)評(píng)估技術(shù)體系(見(jiàn)圖1)[8]。在工程高邊坡定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理論體系中，定義分析范圍、危險(xiǎn)性分析、危害后果分析三個(gè)步驟循序漸進(jìn)地形成災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析流程[9]。同時(shí)通過(guò)對(duì)邊坡的破壞概率、承災(zāi)體的時(shí)空概率、滑坡到達(dá)承災(zāi)體的概率、承災(zāi)體的易損性評(píng)價(jià)四個(gè)關(guān)鍵性指標(biāo)的定量確定來(lái)制定整個(gè)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)框架。

1.2 邊坡風(fēng)險(xiǎn)定量計(jì)算

工程高邊坡風(fēng)險(xiǎn)定量計(jì)算結(jié)合路塹邊坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)框架中的風(fēng)險(xiǎn)分析和評(píng)價(jià)兩大環(huán)節(jié)，參考AGS在詳細(xì)風(fēng)險(xiǎn)分析定量指標(biāo)基礎(chǔ)上對(duì)路塹邊坡財(cái)產(chǎn)損失和人身傷害損失進(jìn)行定量風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算[10]。具體見(jiàn)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(cái)產(chǎn)損失價(jià)值；PL表示邊坡破壞的概率即危險(xiǎn)性；PT∶L表示邊坡災(zāi)害到達(dá)承災(zāi)體的概率；PS∶T表示承災(zāi)體的時(shí)空概率；VD∶T表人員的易損性；Vprop表示財(cái)產(chǎn)易損性；E表示承災(zāi)體的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

圖1路塹邊坡風(fēng)險(xiǎn)管理框架[6]

2 依托對(duì)象工程地質(zhì)條件

基于路塹邊坡風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)估技術(shù)框架，本文對(duì)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(kāi)挖后和加固施工后進(jìn)行定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(jiǎn)單，主要為沖洪積層、坡殘積層及風(fēng)化巖層組成，場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度值為0.05g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組。

K1+160—K1+310邊坡典型斷面圖見(jiàn)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(lèi)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(lèi)活動(dòng)影響劇烈(見(jiàn)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(jì)方案及穩(wěn)定性要求

依據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)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(shí)參考《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330—2013)，得出該工點(diǎn)的邊坡治理工程等級(jí)為Ⅰ級(jí)，規(guī)范評(píng)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(jì)開(kāi)挖6級(jí)，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(qiáng)風(fēng)化花崗巖，為超高路塹邊坡。具體施工方案見(jiàn)表1，具體設(shè)計(jì)斷面圖見(jiàn)圖4。

表1 施工設(shè)計(jì)方案

3 邊坡開(kāi)挖施工的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

3.1 危險(xiǎn)性分析

危險(xiǎn)性分析是工程高邊坡定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通常運(yùn)用極限平衡法或有限元數(shù)值模擬法對(duì)開(kāi)挖邊坡進(jìn)行建模計(jì)算求得其安全系數(shù)，進(jìn)而判定邊坡的危險(xiǎn)性[13]。但在實(shí)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(wú)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(xiǎn)性分析中，計(jì)算邊坡破壞概率。

圖4施工設(shè)計(jì)斷面圖

K1+160—K1+310路塹邊坡開(kāi)挖形成6級(jí)高52.9 m超高邊坡，坡體開(kāi)挖量大。本文運(yùn)用GeoStudio軟件中的蒙特卡洛模擬法結(jié)合極限平衡分析對(duì)其進(jìn)行破壞概率計(jì)算，由于當(dāng)蒙特卡洛計(jì)算次數(shù)超過(guò)2000次時(shí)邊坡破壞概率趨于穩(wěn)定達(dá)到精度要求，故取模擬次數(shù)2000次進(jìn)行分析計(jì)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(qiáng)風(fēng)化花崗巖為基巖模塊，具體巖土體參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 巖土參數(shù)值

通過(guò)計(jì)算得到在邊坡開(kāi)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(jiàn)圖5)，不滿(mǎn)足規(guī)范要求，故邊坡需進(jìn)行整體加固處理。

圖5邊坡開(kāi)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(guò)對(duì)邊坡影響范圍內(nèi)的承災(zāi)體進(jìn)行識(shí)別，分析承災(zāi)體價(jià)值、災(zāi)害到達(dá)承災(zāi)體概率、承災(zāi)體時(shí)空概率、承災(zāi)體易損性，進(jìn)而估算人身傷害損失和財(cái)產(chǎn)損失[15]。

(1) 承災(zāi)體識(shí)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(guò)往車(chē)輛行人。

(2) 承災(zāi)體價(jià)值分析。該邊坡開(kāi)挖高度52.9 m，坡面長(zhǎng)度約81 m，滑坡角α=38°(定義滑坡角α為邊坡開(kāi)挖頂端到坡腳點(diǎn)的連線與水平面的夾角)。運(yùn)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(zhǎng)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(jì)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(zhǎng)度為150 m，綜合計(jì)算的到該邊坡滑動(dòng)影響土地面積為37 234 m2，合計(jì)3.73 hm2，當(dāng)?shù)孛慨€征地費(fèi)用為13.175萬(wàn)元，計(jì)算得到土地資源價(jià)值為737.8萬(wàn)元。

坡腳道路工程受邊坡影響長(zhǎng)度為邊坡的走向長(zhǎng)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(jià)，路基工程每延米造價(jià)2.2萬(wàn)元，路面工程每延米造價(jià)0.9萬(wàn)元，故公路工程直接損失為465萬(wàn)元。

應(yīng)同時(shí)考慮發(fā)生滑坡災(zāi)害時(shí)的間接經(jīng)濟(jì)損失，國(guó)土資源部[18]統(tǒng)計(jì)得出的滑坡災(zāi)害間接經(jīng)濟(jì)損失為直接經(jīng)濟(jì)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(jì)損失與間接經(jīng)濟(jì)損失總和。

(3) 災(zāi)害到達(dá)承災(zāi)體概率及承災(zāi)體時(shí)空概率分析。災(zāi)害到達(dá)承災(zāi)體的概率PT∶L根據(jù)兩者之間的距離來(lái)確定，當(dāng)承災(zāi)體處于坡體上時(shí)，PT∶L=1；當(dāng)承災(zāi)體處于邊坡滑移路徑范圍內(nèi)時(shí)，按兩者之間的距離進(jìn)行定量估計(jì)，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(shí)，PT∶L=0.0～0.5之間[19]。因此，K1+160—K1+310邊坡到達(dá)承災(zāi)體的概率見(jiàn)匯總表3。

表3 邊坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(shí)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(shí)空概率PS∶T=1；人員時(shí)空概率主要計(jì)算在坡腳道路過(guò)往車(chē)輛中的人員，AGS給出了過(guò)往車(chē)輛在坡腳道路中行駛的時(shí)空概率計(jì)算公式：

(4)

式中：PS∶T為承災(zāi)體時(shí)空概率；L為邊坡長(zhǎng)度；Nv為日車(chē)流量；Vv為平均車(chē)速。

K1+160—K1+310邊坡總長(zhǎng)150 m，由于是開(kāi)挖階段故以施工便道通行的工程車(chē)輛為主，平均車(chē)速約為Vv=20 km/h，日通過(guò)車(chē)次約Nv=360輛/日。計(jì)算得到人員時(shí)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(xiǎn)評(píng)估中的難點(diǎn)，對(duì)于固定型承災(zāi)體本文參考殷坤龍通過(guò)大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)提出承災(zāi)體易損性建議值(見(jiàn)表4)；人員易損性由人員年齡組成來(lái)確定(見(jiàn)表5)[20]。該邊坡各承災(zāi)體易損性見(jiàn)匯總表3。

表4 建構(gòu)筑結(jié)構(gòu)類(lèi)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(kāi)挖風(fēng)險(xiǎn)定量估算

在危險(xiǎn)性分析和災(zāi)害后果分析的基礎(chǔ)上，確定了災(zāi)害到達(dá)承災(zāi)體概率、承災(zāi)體時(shí)空概率、承災(zāi)體易損性，對(duì)邊坡開(kāi)挖后財(cái)產(chǎn)損失和人身傷害進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)定量估算[21]。具體應(yīng)用AGS提出的路塹邊坡風(fēng)險(xiǎn)定量估算公式(見(jiàn)公式(1)、公式(2))。K1+160—K1+310邊坡定量風(fēng)險(xiǎn)分析：

財(cái)產(chǎn)損失定量風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算：

Rprop1=PL1×PT∶L×PS∶T×Vprop×E=

PL×(A+B)=552.6萬(wàn)元

人身傷害定量風(fēng)險(xiǎn)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(xiǎn)評(píng)估

4.1 治理加固工程經(jīng)濟(jì)估算

K1+160—K1+310高邊坡開(kāi)挖后形成6級(jí)邊坡，計(jì)算得其安全系數(shù)、破壞概率、風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算結(jié)果均超過(guò)規(guī)范要求，故需對(duì)該邊坡進(jìn)行治理，運(yùn)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(jiàn)表1，施工斷面圖見(jiàn)圖4。治理加固總費(fèi)用為229.8721萬(wàn)元，具體見(jiàn)表6。

表6 治理加固工程成本估算表

4.2 危險(xiǎn)性分析

通過(guò)計(jì)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(jiàn)圖6)均達(dá)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(kāi)挖后進(jìn)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(kāi)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(guò)往車(chē)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(xiǎn)評(píng)估計(jì)算參量災(zāi)害到達(dá)承災(zāi)體概率PT∶L、承災(zāi)體時(shí)空概率PS∶T、承災(zāi)體易損性VD∶T、Vprop參照上文計(jì)算獲得的數(shù)據(jù)(見(jiàn)表3)。

4.4 邊坡加固風(fēng)險(xiǎn)定量估算

K1+160—K1+310高邊坡開(kāi)挖加固后，沿用上文風(fēng)險(xiǎn)定量計(jì)算方法，對(duì)其進(jìn)行定量風(fēng)險(xiǎn)分析：

財(cái)產(chǎn)損失定量風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算：

Rprop2=PL2×PT∶L×PS∶T×Vprop×E=

PL×(A+B)=4.42萬(wàn)元

人身傷害定量風(fēng)險(xiǎn)估算：

PLOL2=PL2×PT∶L×PS∶T×VD∶T=1.114×10-4

5 對(duì)比與分析

5.1 工程效果對(duì)比分析

對(duì)比分析邊坡施工開(kāi)挖與治理加固兩階段邊坡安全性分析及定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果(見(jiàn)表7)，可得出對(duì)邊坡進(jìn)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(cái)產(chǎn)損失風(fēng)險(xiǎn)值與人身傷害風(fēng)險(xiǎn)值均大幅度降低，定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果與邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果想吻合，體現(xiàn)了工程高邊坡定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)方案的適用性。

表7 邊坡災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估對(duì)照表

5.2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析

通過(guò)對(duì)K1+160—K1+310邊坡加固治理前后兩階段定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果分析，邊坡開(kāi)挖階段財(cái)產(chǎn)損失風(fēng)險(xiǎn)值Rprop1=552.6萬(wàn)元，加固治理后財(cái)產(chǎn)損失風(fēng)險(xiǎn)值Rprop2=4.42萬(wàn)元，邊坡治理工程總費(fèi)用C=229.8721萬(wàn)元。邊坡加固治理后的財(cái)產(chǎn)損失大幅度降低至可忽略水平?？捎?jì)算該邊坡的工程治理價(jià)值為：

該邊坡加固治理后的工程價(jià)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(jì)效益，同時(shí)表明本文提出的定量分析評(píng)估技術(shù)方案具有較高的科學(xué)性與工程價(jià)值。

6 結(jié) 論

本文基于路塹邊坡定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估框架，對(duì)工程高邊坡開(kāi)挖及加固階段進(jìn)行定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并對(duì)比邊坡加固前后定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(xiǎn)評(píng)估技術(shù)流程及詳細(xì)計(jì)算參數(shù)，對(duì)漳武高速K1+160—K1+310段邊坡開(kāi)挖后進(jìn)行定量風(fēng)險(xiǎn)分析，估算了該段邊坡的財(cái)產(chǎn)損失及人身傷害風(fēng)險(xiǎn)值，驗(yàn)證了該邊坡開(kāi)挖后將面臨較高的失穩(wěn)破壞風(fēng)險(xiǎn)，需進(jìn)行加固治理。

(2) 沿用工程高邊坡定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)方案，對(duì)該段邊坡加固施工后進(jìn)行定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，對(duì)比前后兩階段評(píng)估結(jié)果，該邊坡風(fēng)險(xiǎn)值明顯得到改善，驗(yàn)證了該邊坡加固措施的工程經(jīng)濟(jì)價(jià)值。