沈海復線高速公路福鼎至柘榮段路塹高邊坡風險分級研究

王浩，梁濤

(福州大學環境與資源學院，福建福州350116)

沈海復線高速公路福鼎至柘榮段路塹高邊坡風險分級研究

王浩，梁濤

(福州大學環境與資源學院，福建福州350116)

基于邊坡工程地質分析原理及該區域邊坡工程實踐經驗，采用層次分析法構筑一套邊坡風險評估的指標體系及評分標準、風險等級評定依據、風險防控措施和串聯各步驟的計算方法;依托MATLAB語言環境開發出集成風險指標體系構建、權重向量計算、風險分級計算統計與風險分級結果查看等4個界面的邊坡風險分級軟件RCSlope，并將其應用到沈海復線高速公路福鼎至柘榮段41例路塹高邊坡風險等級劃分及風險防控預案的制定.實例分析驗證了該方法及程序的有效性.

路塹邊坡;穩定性;風險分級;軟件研發;風險防控

0 引言

上世紀90年代以來，滑坡或邊坡的風險管理在國際上逐步引起重視，并取得階段性的研究進展.國際滑坡與工程邊坡聯合技術委員會(JTC1)［1］、澳大利亞地質力學學會(AGS)［2］、香港特別行政區土力工程處(HKCEO)［3］等國際部分主流學術機構及組織陸續總結提出一系列滑坡風險管理計劃或指南，規范滑坡風險管理的技術路線及流程;2005年溫哥華國際滑坡風險管理會議提出的滑坡風險管理技術框架［4］對滑坡風險管理理論進行高度總結，并得到較為廣泛的應用.基于上述研究背景，滑坡及邊坡的風險評估及分級作為風險管理的基礎性工作也取得相應進展.美國學者針對公路系統提出崩塌落石風險評估及分級系統(RHRS)，結合區域地質環境背景建立風險因子完成對象路段邊坡風險評價及分級工作［5－6］.國內業界學者引入專家意見法(Delphi)、模糊層次法(Fuzzy AHP)、神經網絡法(ANN)等理論對庫岸邊坡［7－8］及公路邊坡［9－11］建立風險評定指標體系及模型，并應用于實際邊坡工程案例，實現風險評定及區劃，取得客觀合理的結果.但較傳統的滑坡災害風險管理而言，路塹高邊坡風險評估領域研究仍存在明顯不足.

結合福建省山區公路高邊坡建設的經驗與教訓，繼承邊坡工程理論成果和規范要求，研究并構建涵蓋福建山區公路邊坡風險特征的層次分析法評估指標體系，科學制定風險評定標準，形成一套完整的山區公路邊坡風險分級方法，并依托MATLAB語言環境開發公路邊坡風險分級軟件RCSlope，對沈海復線高速公路福鼎至柘榮段41例路塹高邊坡開展邊坡風險評估及風險等級劃分，遴選高風險個體邊坡，并對結果進行分析討論，為公路邊坡風險防控提供指導.

1 公路邊坡風險分級理論

1.1 公路邊坡風險分級方法概述

層次分析法(analytic hierarchy process，簡稱AHP)是將與決策有關的因素分解成目標、準則和方案等層次，并對各種因素之間的關系深入分析及優劣次序排定，以進行定性和定量分析的決策方法.基于既有的層次分析法邊坡風險管理研究成果，沿用作者總結提出的較為合理可行、過程銜接緊密的風險分級實施步驟［12］，即:①遴選邊坡評估對象，并確定其工程特征;②識別評估對象的風險影響因子，構建風險評估指標體系;③依次確定相應評估指標的分值，并構建反應各指標重要程度的判斷矩陣;④引入一致性數學檢驗并優化判斷矩陣，以求算權重向量;⑤逐一計算各評估對象的風險評估總值，對照風險評定標準，完成風險等級劃分.

由于在權重向量計算及風險分值評定過程中均涉及較為繁雜的矩陣運算，使得完成某個區段多個邊坡風險分級工作的計算量大;基于所構建的路塹高邊坡風險分級系統原理及實施步驟，開發出供決策者在Windows界面完成所有分級步驟的軟件RCSlope.

1.2 公路邊坡風險分級軟件RCSlope簡介

RCSlope軟件以MATLAB語言環境為開發平臺，契合路塹高邊坡風險分級數據特點與計算要求，實現高效運算，并提供簡潔、開放的界面設計環境.RCSlope軟件主要由4個界面集成，各界面功能及執行邏輯如圖1所示.

2 公路邊坡風險分級系統

2.1 風險分級指標體系

根據福建山區高速公路邊坡風險評估方法研究成果，構建一套適用于解決區域邊坡問題的邊坡風險分級指標體系［12］.所構建的公路邊坡風險分級指標體系由地形條件、地質條件、氣象水文、其他因素4類一級指標構成，各類一級指標下屬4個二級指標，共16個二級指標，如圖2所示.所構建的指標體系可描述公路邊坡所有風險特征，且其內含指標本身和構建過程應體現風險定義易發性、危險性、易損性［1］;在體現邊坡地質環境條件決定的的災害發生概率的同時，考慮災害特征、速率、范圍和承災體包括工程結構、鄰近構筑物、人類活動對災害的敏感性.

2.2 權重向量計算

根據各指標對風險分級對象邊坡的影響程度相對大小判斷，結合層次分析法重要性標度對圖2中一級指標及各類二級指標構建兩兩重要性判斷矩陣Mn×n(aij)，詳見文獻［12］.根據權重向量計算具體步驟如圖3所示，由構建的判斷矩陣通過規范列平均法計算特征向量，并通過一致性檢驗獲取權重向量.通過公路邊坡風險分級的專家調查、討論，并經工程實踐驗證、調整和優化，計算得一級指標權重向量W1= (w1，w2，w3，w4)及各類二級指標權重向量W2(i)= (wi1，wi2，wi3，wi4)，(i=1～4).將一級指標權重因子乘以對應二級指標權重向量，得到的總體權重向量WT(1×16)=W1(i)·W2(i)，(i=1～4)，結果見表1.

表1 二級指標總體權重向量Tab.1Weights of indexes

2.3 風險分值評定標準

為提高風險分值評定效率，弱化分級決策者評分的主觀隨意性，基于邊坡工程地質分析原理，綜合已有的技術資料、擬定方案及專家經驗，以易取性、繼承性為原則，對不同狀態相對于邊坡穩定性的優劣性以百分制的方式界定風險分值.風險分值評定標準的建立需要對工程地質分析原理和區域邊坡工程經驗具有相當的把握，各指標狀態分類依據既要符合相關規范，其個數又應恰當描述，符合工程實際的風險狀態，以實現最終公路邊坡風險區劃為目標，具體風險分值評定標準參見表2.

表2 公路邊坡風險分級指標評分標準Tab.2Index risk evaluation standard of high slope

2.4 風險分級與防控對策

通過查閱勘察資料、區域地質報告及現場地質調查等技術手段獲取指標現有狀態特征，參考評分標準，對16個風險分級二級指標進行分值評定，評定結果分值向量為Rs(1×16)，將總體權重向量乘以該分值向量即得邊坡總風險值Ts，Ts=WT·Rs.根據區段內所有邊坡總風險值分布，參考預期風險管理要求及對風險的接受程度，結合分級決策人員的理論及經驗積累，對風險等級進行劃分并提出對應防控措施.針對沈海復線高速公路福鼎段邊坡實際條件，制定風險等級劃分及風險防控措施如表3所示.

表3 風險分級及風險防控對策Tab.3Risk classification and prevention－control countermeasures

3 實例應用

3.1 工程概況

沈海復線高速公路福鼎至拓榮段位于閩東丘陵地區，巖體風化劇烈，節理裂隙發育.區域未見構造發育及明顯不良地質作用，但線路地形復雜，近表開挖大多高陡，且寬度較大，線路切坡多形成節理巖石或二元結構邊坡.場區屬濕熱多雨氣候，地下水主要為賦存于中風化凝灰熔巖中的基巖裂隙水，地表徑流條件一般.部分工點邊坡低矮但地質條件較差，開挖植被破壞嚴重，部分開挖工點鄰近橋梁、隧道等構筑物，開挖采用持續工程爆破，場地地震基本烈度為6度.線路部分穿越村落及城鎮，對應工點毗鄰重要構筑物或周邊人類活動頻繁.因此，該線路建造設計階段極易造成重點災害邊坡的遴選疏漏，為規避該隱患，對其進行風險評定及風險等級區劃顯得尤為重要，故遴選該路段沿線41例路塹高邊坡，例證本文提出的邊坡風險分級方法及RCSlope程序的可行性與有效性，并指導邊坡工程建設過程，實現對邊坡風險的有效防控.

3.2 風險分級軟件計算與統計

采用所構建的公路邊坡風險分級系統對沿線41個公路路塹邊坡進行指標狀態提取，運用RCSlope軟件完成指標錄入、權重錄入、分值評定錄入及計算統計.軟件分值評定操作界面示意見圖4所示.對提取的風險分級各指標狀態進行檢查、核實，結合表3評價標準調整、確認評分，最終得沈海復線高速公路福鼎至柘榮段對應41例路塹邊坡風險分級計算結果，詳見圖5所示.

風險分級結果顯示，41例路塹高邊坡中，風險分級為1～4級的邊坡數量分別為2例(4.9%)、23例(56%)、14例(34%)、2例(4.9%)，詳見表4所示.可見該段公路邊坡多數屬于風險二級、三級邊坡，大多應參考表3在設計方案中適當采取邊坡普通防護與支擋加固相結合的風險防控措施.

3.3 分級結果分析與討論

選取表4所示的24號邊坡(最高斷面樁號K19+434，風險值=70.69)及12號邊坡(最高斷面樁號K11+450，風險值=47.46)，即評定為四級和一級風險等級的兩個典型邊坡，進行分級過程及結果分析，以說明風險分級系統的可行性與合理性，結合評分結果(表5)對兩個邊坡風險進行評定.

表4 邊坡總風險值分布Fig.4Total risk score distribution of 41 slopes

表5 邊坡指標風險評分Fig.5Index risk score of typical slopes

1)24號邊坡:①該邊坡開挖高度(A1)、開挖寬度(A2)、開挖坡腳(A3)分別為51 m、255 m、44°，評分取100分、100分、60分;②如圖6所示，坡頂地形(A4)較陡，地下水位高度(C4)hw/h值高于1/2，風險值分別取90分、100分;③區段地質條件(B)較好，開挖后屬節理巖石邊坡，邊坡巖土結構(B4)取低分為40;④如圖7所示，工點前接橋梁，線路下方分布民房群、池塘、公路等，較為重要，故取鄰近構筑物條件(D3)指標分值為70，附近開挖、爆破擾動不明顯，D4評分取60.由表1權重結果可知，上述分析指標權值較大，為該邊坡風險評定主控因素，即在上述主控因素的整體作用下，導致24號邊坡風險值較高，屬風險四級.

2)12號邊坡:該邊坡風險主控因素均有利于邊坡穩定，風險分級各指標狀態及評分具體為:①邊坡開挖形成四級節理巖石邊坡，如圖8所示，高度(A1)為33 m，開挖寬度(A2)較小，為59 m，開挖坡角(A3)為42°，坡頂地形(A4)為反坡，對應指標風險值應相對取小，分別為60分、30分、60分、25分;②坡體為中風化凝灰熔巖，巖性堅硬密實，地質條件(B)各指標評分均取低值;③坡表植被發育，無匯水平臺、徑流條件較好，植被覆蓋與地表徑流條件(C2)指標評分取50分.④如圖9所示，12號邊坡遠離鄉鎮，鄰近無重要構筑物及人類活動，其鄰近構筑物條件及人類活動頻繁程度(D3、D4)取低分，分別為40分、30分.雖然邊坡開挖遇雨期，地下水位較高(C4＞1/2)，相應指標分值較高，但在上述4類風險主控因素共同作用下，該邊坡仍屬于風險一級邊坡，其穩定性狀態較好.

通過上述兩個典型公路邊坡的風險分級過程分析可知，邊坡穩定性受多因素影響，如何構建風險評價指標系統，并對風險等級進行合理量化評定、區劃并提出有效地風險防控措施，需要建立科學的風險評估方法來實現.由于對41例邊坡根據其風險等級均采取適當的風險防控措施，對后期邊坡風險管理提供有效指導，印證所提出的公路邊坡風險分級系統具有一定科學性及實用性.

4 結語

1)基于邊坡工程地質分析原理及區域邊坡工程實踐經驗，采用層次分析法構筑一套邊坡風險評估的指標體系及評分標準、風險等級評定依據、風險防控措施和串聯各步驟的計算算法，并依托MATLAB語言環境開發出集成風險指標體系構建、權重向量計算、風險分級計算統計與風險分級結果查看等4個界面的邊坡風險分級軟件RCSlope.

2)采用該邊坡風險分級方法及軟件，考慮地形困難、地質復雜、降雨充沛及環境敏感等影響邊坡穩定性多種因素的綜合作用效應，采用層次分析法將該路段邊坡劃分為四個風險等級，指出邊坡多數處于二級或三級風險狀態，并遴選出兩例評定為四級風險狀態的疑難高邊坡工點，為高邊坡的勘察設計、施工建造和運營養護等階段的風險監測及防控提供依據.

3)山區公路邊坡風險分級系統主要包括風險分級指標體系、風險分值評定標準、風險等級劃分與防控措施以及穿插各步驟的AHP算法，方法核心在于前三者，其合理性及可行性通過本工程實例應用得到有效例證，在類似區域的山區建設高速公路，經適當調整，該系統均能指導公路邊坡風險區劃，并提供風險防控決策依據.

4)公路邊坡風險分級軟件有效且系統地串聯了整個公路邊坡風險分級工作，規避繁雜的人工計算，提高風險分級的計算效率及準確性，具有一定的工程應用價值.

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(責任編輯:蔣培玉)

Research on risk classification for cutting slopes of Shenhai highway from Fuding to Zherong

WANG Hao，LIANG Tao
(College of Environment and Resources，Fuzhou University，Fuzhou，Fujian 350116，China)

A method system which consists of risk assessment indexes and risk scoring criterion，classification of risk and preventive measures，connecting algorithm was established based on the principles of engineering geological analysis and practice experiences on slope engineering.The highway slope risk classification software(RCSlope)which is composed of main interface，weights assign interface，risk scoring interface，results display interface was developed.Finally，the method system and RCSlope were applied to complete all the procedures of risk assessment and classification of the 41 highway cutting slopes along Shenhai highway from Fuding to Zherong.Consequently the successful application proved the effectiveness of the method system and software.

cutting slope;stability;risk classification;software development;risk prevention control

TU42

A

10.7631/issn.1000－2243.2016.06.0849

1000－2243(2016)06－0849－07

2015－09－21

王浩(1978－)，博士，副教授，從事工程地質與巖土工程方面的研究，h_wang@126.com

福建省自然科學基金資助項目(2013J01159);交通運輸部建設科技項目(201331849A130);福建省交通運輸科技發展項目(201242)