安全風(fēng)險評估在煤系易滑地層邊坡綜合整治后的應(yīng)用

鄭 康

(廣東省南粵交通投資建設(shè)有限公司，廣州 510623)

0 引言

在山區(qū)高速公路的建設(shè)過程中，受環(huán)境地質(zhì)條件的影響和制約，沿線開挖原自然斜坡形成多處高陡邊坡，部分高陡邊坡和邊坡病害體采用了刷方減載、擋墻、斜向鋼錨管、豎向鋼花管、錨桿、錨索或抗滑樁等措施[1-2]進(jìn)行了綜合整治。由于地質(zhì)條件的不斷惡化，一些不良地質(zhì)體逐步發(fā)展到危險狀態(tài)，對高速公路的運(yùn)營管理造成了較大的安全隱患。

煤系地層[3-4]大多夾軟弱夾層(如炭質(zhì)頁巖、泥巖或煤層)，其巖性軟硬不均，空間上分布不均，層間膠結(jié)性較差，結(jié)構(gòu)松散，遇水易軟化崩解，在地下水和外營力作用下易形成軟弱帶，具有隔水、含水和強(qiáng)度軟弱的特點，自然斜坡開挖后導(dǎo)致坡腳臨空、坡體松弛和應(yīng)力集中，煤系軟弱帶易形成邊坡變形破壞的滑動面，故煤系地層屬易滑地層。

本文結(jié)合國內(nèi)類似邊坡安全風(fēng)險評估[5-6]經(jīng)驗，綜合地質(zhì)調(diào)繪、邊坡病害調(diào)查和監(jiān)測成果，對綜合整治后的煤系易滑地層邊坡，以清云高速公路地豆服務(wù)區(qū)AK0+353～AK0+513右側(cè)路塹邊坡為例，進(jìn)行安全風(fēng)險評估(包括適宜性評價、穩(wěn)定性評價和安全風(fēng)險評價)，劃分安全風(fēng)險等級并提出適宜的應(yīng)對措施，為高速公路的安全運(yùn)營管理提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 邊坡工程概況

1.1 地形地貌

該路塹邊坡位于江谷鎮(zhèn)，交通極為不便，施工時需修筑簡易便道。塹頂為緩坡地形，坡度3°～8°，距刷方頂線平距約120m為110kV高壓電塔。線路走向180°，坡向90°，施工圖設(shè)計文件未見鉆孔資料。

1.2 原設(shè)計措施

該路塹原設(shè)計為五級坡，最大坡高45.2m，分級坡高10m，第一～五級坡坡率1:1.0，分級平臺寬2m。第一、三級坡均采用4排φ32錨桿框架加固，第二級坡采用3排4φ15.2預(yù)應(yīng)力錨索框架加固，第四級坡采用人字形骨架植草防護(hù)，第五級坡采用植草防護(hù)，原設(shè)計斷面如圖1所示。

圖1 原設(shè)計典型斷面

1.3 補(bǔ)充勘查成果

2017年5月23日～6月3日期間，該路塹邊坡進(jìn)行了補(bǔ)充鉆探(圖2～圖4)，共布設(shè)3個勘探斷面、7個鉆孔，總孔深266m。鉆孔揭露地層如下：

(1)強(qiáng)風(fēng)化巖：

①強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁巖(砂土狀)：灰黑色，巖質(zhì)極軟，遇水易風(fēng)化崩解。

②強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖(砂土狀)：褐黃色，薄層狀構(gòu)造，巖質(zhì)極軟，遇水易風(fēng)化崩解。

③強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁巖：灰褐、灰黑色，巖體破碎，巖芯呈碎塊、角礫狀，巖質(zhì)較軟，遇水易風(fēng)化崩解。

④強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖：褐黃色，薄層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙極發(fā)育，巖芯呈碎塊狀、角礫狀，巖質(zhì)軟。

(2)強(qiáng)風(fēng)化夾中風(fēng)化炭質(zhì)頁巖：灰褐、灰黑色，局部為褐黃色變質(zhì)砂巖，巖質(zhì)較硬，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯呈碎塊狀、少量短柱狀。

(3)中風(fēng)化炭質(zhì)頁巖：灰褐、灰黑色，巖質(zhì)較硬，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖芯呈短柱狀、少量碎塊狀。

圖2 砂土狀炭質(zhì)頁巖

圖3 碎塊狀炭質(zhì)頁巖

圖4 AK0+435地質(zhì)橫斷面

1.4 邊坡病害調(diào)查

2017年6月5日調(diào)查時，該路塹邊坡(圖5)已開挖至三級坡上部，坡面暫未見明顯變形。

圖5 AK0+353～AK0+513右側(cè)路塹(2017.06.05)

邊坡中下部揭露強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁巖(煤系地層)(圖6)，小里程段出露位置較高。坡面巖體破碎，結(jié)構(gòu)面發(fā)育，局部地段層面順傾(圖7)，層面傾向170°～185°，傾角28°～43°。砂巖透水，炭質(zhì)頁巖隔水，鉆孔揭露坡腳地下水位埋深13～26m。

圖6 坡腳揭露煤系地層

圖7 局部地段層面順傾

雨季期間因基底全、強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁巖(煤系地層)長期泡水，承載力不足，潛在沿變質(zhì)砂巖和炭質(zhì)頁巖交界面或飽水浸潤帶附近發(fā)生大型深層滑動。

原設(shè)計斷面穩(wěn)定性驗算結(jié)果見表1，3個橫斷面的穩(wěn)定系數(shù)K1均小于1.0，表明當(dāng)該邊坡開挖到路槽時邊坡整體處于極不穩(wěn)定的狀態(tài)，因此需盡快進(jìn)行處理，防止邊坡在施工期間出現(xiàn)大型深層滑坡。

表1 原設(shè)計穩(wěn)定性驗算結(jié)果(加固前)

2 綜合整治措施

2.1 刷方減載

綜合考慮該煤系地層邊坡頂部為緩坡地形，山體后方110kV高壓電塔距刷方頂線平距超過120m，具有放緩坡率加寬平臺的條件。具體方案：

(1)分級坡高調(diào)整為8m，第一、二、七級平臺寬8m，其余分級平臺寬2m。

(2)第一級坡坡率1:1.5，第二、三級坡坡率1:1.75，第四～八級坡坡率1:2.0。盡量刷除潛在的深層滑動體。

2.2 加固防護(hù)措施

考慮坡腳仍存在全～強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁巖(煤系地層)，巖質(zhì)極軟泡水易風(fēng)化崩解，潛在發(fā)生局部淺層滑塌的風(fēng)險，影響邊坡的整體穩(wěn)定，具體措施如下：

(1)第一級坡采用4排φ50×4.5斜向鋼錨管框架加固，設(shè)計長度8～14m，水平間距3.0m，通過注漿錨固提高坡腳承載力固腳。

(2)第二～八級坡采用客土噴播植草綠化。

2.3 地表截排水措施

平臺設(shè)平臺水溝，邊坡側(cè)面設(shè)截水天溝。

2.4 地下深層排水措施

第一級坡坡腳設(shè)1排仰斜排水孔，仰角5°～8°。

變更后該邊坡為八級，總坡高58m，設(shè)計采用了刷方減載、坡腳注漿固腳、地表截排水和地下深層排水相結(jié)合的綜合整治措施(圖8)。

圖8 AK0+435變更設(shè)計斷面

3 邊坡病害調(diào)查分析

3.1 地質(zhì)調(diào)繪

通過地質(zhì)調(diào)繪結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料，場區(qū)附近無活動性斷裂通過，坡腳見炭質(zhì)頁巖，巖質(zhì)較軟(屬煤系易滑地層)。局部地段層面順傾，層面傾向170°～185°，傾角28°～43°，對邊坡的局部穩(wěn)定有一定的影響。

3.2 邊坡病害調(diào)查

截止2019年9月21日，監(jiān)測單位對該路塹邊坡(圖9)進(jìn)行了多次定期檢查，除局部平臺排水不暢外，坡面暫未見沖刷或溜坍等病害。

圖9 AK0+353～AK0+513右側(cè)路塹(2019.09.20)

3.3 監(jiān)測成果分析

截止2019年9月21日，地表和深孔位移監(jiān)測曲線如圖10～圖11所示，監(jiān)測成果分析邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖10 地表水平位移/時間曲線

圖11 CX1-2、CX1-4深層水平位移曲線

綜合地質(zhì)調(diào)繪、邊坡病害調(diào)查和監(jiān)測成果分析，該邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，除局部平臺排水不暢外，坡面暫未見沖刷或溜坍等病害。

4 安全風(fēng)險評估

4.1 適宜性

設(shè)計變更結(jié)合坡頂為緩坡地形、臨近區(qū)域無重要構(gòu)建筑物、坡體揭露煤系易滑地層等環(huán)境地質(zhì)特點，對該邊坡采取了刷方減載、坡腳注漿固腳、地表截排水和地下深層排水相結(jié)合的綜合整治措施。

4.2 穩(wěn)定性

對邊坡加固后進(jìn)行穩(wěn)定性計算，計算方法采用不平衡推力法，計算結(jié)果見表2。

表2 變更設(shè)計穩(wěn)定性驗算結(jié)果(加固后)

根據(jù)表2計算結(jié)果，3個斷面的穩(wěn)定系數(shù)K2均大于1.2，表明邊坡在綜合整治后整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4.3 安全風(fēng)險

對潛在發(fā)生安全隱患的邊坡，采取多種分析手段，結(jié)合地質(zhì)調(diào)繪、邊坡調(diào)查、監(jiān)測成果數(shù)據(jù)，進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析評價，給出安全性評價結(jié)論。

邊坡災(zāi)害風(fēng)險評價即分析不同強(qiáng)度的滑坡發(fā)生的概率及其可能造成的邊坡災(zāi)害損失，邊坡災(zāi)害風(fēng)險評價系統(tǒng)包括三方面的內(nèi)容：

(1)邊坡災(zāi)害危險性分析。在邊坡災(zāi)害系統(tǒng)觀點的框架下，從風(fēng)險誘發(fā)因素出發(fā)，研究不利事件發(fā)生的可能性，即發(fā)生概率。

(2)邊坡災(zāi)害易損性分析。研究區(qū)域承災(zāi)體易于受到致災(zāi)滑坡破壞、傷害或損傷的特征，即損失大小。

(3)邊坡災(zāi)害風(fēng)險評估。在危險性分析和易損性分析的基礎(chǔ)上,對邊坡災(zāi)害的風(fēng)險進(jìn)行分級評估并提出控制對策。

4.4 風(fēng)險等級標(biāo)準(zhǔn)

為對滑坡風(fēng)險事故有一個大體的、定性的把握，以便指導(dǎo)風(fēng)險決策的開展，需對不同的風(fēng)險事故進(jìn)行風(fēng)險等級劃分。一般來說，風(fēng)險可表征為風(fēng)險事故發(fā)生的概率和事故損失的乘積，結(jié)合本工程的實際情況，本文給出滑坡風(fēng)險概率(失穩(wěn)概率)和損失的等級評定標(biāo)準(zhǔn)，以及風(fēng)險事故的等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，見表3～表6。

表3 風(fēng)險發(fā)生概率等級標(biāo)準(zhǔn)

表4 風(fēng)險事故損失等級標(biāo)準(zhǔn)

表5 風(fēng)險評估矩陣

表6 風(fēng)險指標(biāo)分級評價標(biāo)準(zhǔn)

4.5 風(fēng)險計算

(1)邊坡災(zāi)害危險性(失穩(wěn)概率)分析。隨機(jī)變量均值(c10,φ10)、(c20,φ20)分別為(0，35)、(15.0，14.5)，根據(jù)風(fēng)險計算，得Pf=2.3%，發(fā)生概率屬“二級(B)很少發(fā)生”。

(2)風(fēng)險事故損失(損失大小)分析。根據(jù)專家評定，滑坡一旦發(fā)生，可能掩埋坡腳部分停車區(qū)或高速公路設(shè)備，危害極大，因此其風(fēng)險事故損失等級定為“四級(4)非常嚴(yán)重的”。

(3)滑坡風(fēng)險等級及控制對策。根據(jù)上述計算，結(jié)合表3～表6評定標(biāo)準(zhǔn)，該邊坡風(fēng)險等級為“三級”，接受準(zhǔn)則為“可接受的”，控制對策為“引起重視，需防范、制定監(jiān)控措施”。

5 結(jié)語

(1)綜合地質(zhì)調(diào)繪、邊坡病害調(diào)查和監(jiān)測成果分析，該邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，除局部平臺排水不暢外，坡面暫未見沖刷或溜坍等病害。

(2)設(shè)計變更結(jié)合坡頂為緩坡地形、臨近區(qū)域無重要構(gòu)建筑物、坡體揭露煤系易滑地層等環(huán)境地質(zhì)特點，對該邊坡采用了刷方減載、坡腳注漿固腳、地表截排水和地下深層排水相結(jié)合的綜合整治措施，采用該綜合措施適宜。

(3)穩(wěn)定性驗算結(jié)果表明，邊坡在加固后整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，充分驗證了綜合整治措施對該煤系地層邊坡的適宜性和可靠性。

(4)因邊坡下部為停車區(qū)，邊坡滑動后危害極大，依據(jù)安全風(fēng)險計算和評價標(biāo)準(zhǔn)，該邊坡風(fēng)險等級為“三級”，接受準(zhǔn)則為“可接受的”，控制對策為“引起重視，需防范、制定監(jiān)控措施”。建議在運(yùn)營期間進(jìn)行定期檢查和監(jiān)測，完善坡面地表截排水措施。

(5)隨著地質(zhì)條件的不斷惡化，錨固或支擋工程的加固效果逐漸減弱。在暴雨期間潛在發(fā)生局部或整體滑動的風(fēng)險，可能會破壞既有的錨固、支擋工程或設(shè)備，掩埋高速公路過往車輛或乘客，造成人員傷亡和財產(chǎn)損失，故開展安全風(fēng)險評估是必要的。

(6)建議運(yùn)營期間對施工期間發(fā)生過滑坡、加固的高陡邊坡、監(jiān)測未完全穩(wěn)定的邊坡進(jìn)行安全風(fēng)險評估，甄別其安全風(fēng)險等級并提出適宜的應(yīng)對措施，為高速公路的安全運(yùn)營管理提供基礎(chǔ)依據(jù)。