巖質高邊坡運營安全風險評估指標體系研究*

吳忠廣，申瑞君，萬福茂，張 迪

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

0 引言

山區高速公路運營期巖質高邊坡存在著山體高陡、巖體破碎、不利結構面發育、巖石風化嚴重與坡體覆蓋層穩定性較差等問題，受氣候氣象、地質水文條件及施工期遺留工程缺陷等因素的影響，經常發生掉塊落石、崩塌坍塌、滑坡以及防護加固工程結構變形或破壞等現象，導致的事故較多。2015年11月13日，浙江省麗水市蓮都區雅溪鎮里東村發生山體滑坡，塌方量30余萬立方米。歷次事故情況表明，影響巖質高邊坡運營安全的風險可分為主觀風險與客觀風險2類，其中，主觀風險包括養護管理體制機制、管養人員隊伍素質等，客觀因素包括工程規模、支護結構、氣候條件、地質情況等。如何科學的識別導致運營期巖質高邊坡事故發生的風險致險因子，建立合理的評估指標體系，對準確估測邊坡運營安全風險水平具有重要意義。

目前，針對運營期高邊坡風險的研究側重邊坡病害分析[1-2]、穩定性評價[3-4]及治理方法應用[5]等。對高邊坡風險辨識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[6](ETA)、安全檢查表[7](SCL)、風險傳遞路徑[8]等方法，后者主要包括事故樹[9](FTA)、作業條件風險分析方法[10](LEC)、貝葉斯網絡[11-13](Bayesian Networks, BN)等。然而，對于巖質高邊坡運營安全風險評估指標體系的確定尚缺乏系統有效的方法，常常出現評估指標選取依據不充分或過于主觀、指標分級閾值劃分不合理、指標值獲取困難等問題。基于運營期巖質高邊坡的特點，本文采用逐坡普查與重點調查相結合、工程地質類比與復核相結合、現場監測與數值計算相結合的方法，研究建立巖質高邊坡運營安全風險評估指標體系，為后續風險評估模型的建立奠定基礎，使評估結果更具有科學性和實用性。

1 評估指標辨識

1.1 逐坡普查與重點調查

邊坡現場調查采用逐段逐點普查和重點邊坡調查2種方式，確定運營期高邊坡基本信息和動態信息。其中，基本信息情況調查[15]內容主要包括：

邊坡編號、起

訖樁號、線路走向、邊坡走向、邊坡長度、邊坡高度、邊坡級數、邊坡坡率，邊坡地形地貌、地質構造特征、坡體結構類型、賦存水發育狀態與分布規律等。同時，基本信息還應包括邊坡的工程簡介、工程圖片、交通流量等信息。動態信息調查[15]內容主要包括：截排水工程調查、普通防護工程調查、支擋工程調查、錨固工程調查、邊坡防護加固工程等結構缺損狀態調查，以及坡面沖刷調查、風化剝落調查、掉塊落石調查、坍塌崩塌調查、邊坡滑坡調查、山體滑坡調查等邊坡病害發育狀態調查。

為便于現場調查信息獲取，結合邊坡調查基本信息與動態信息，提出運營期巖質高邊坡安全檢查表，該表克服了傳統檢查表[1,7]存在的檢查項目不全、系統性不強等問題的局限，具體見表1。

表1 XX合同段運營期巖質高邊坡安全檢查

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1.2 工程地質類比與復核

在邊坡基本信息調查的基礎上，重點針對運營邊坡裸露巖體或鄰近相似山體揭露巖體狀況進行地質調查[16]，包括巖體風化特征、坡體結構、結構面特征等，與具有類似工程地質與水文地質條件的既有邊坡或其它穩定邊坡進行合理性分析與比對，并與地質勘察報告進行復核確認。其中，結構面特征主要根據現場出露巖體實際，判定結構面類別、結構面間距、結構面結合程度及發育程度，對于因邊坡護面覆蓋而無法確定的情況，應如實記錄并拍照留存。通過現場地質復核，綜合判斷邊坡破壞模式，對于巖質邊坡被噴射混凝土等護面所覆蓋[15]，現場檢查時及通過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中。

1.3 現場監測與數值計算

選取主要結構斷面，基于現場動態信息調查，對于具備測樁條件的抗滑樁，用低應變儀對樁身完整性進行檢測，結合現場調查的樁面情況(如是否有鋼筋外露銹蝕、麻面、風化剝落等情況)以及樁間土狀況(如變形失穩、越頂破壞、土拱失效等)，確定抗滑樁及樁板墻指標分級；對于錨桿/錨索框架，除調查框架基本信息外，還應重點調查錨墩是否布設及其完整性、錨索是否外露銹蝕、樁錨連接部位是否出現裂縫等，確定錨桿/錨索框架指標分級。依據竣工圖等設計資料，結合現場調查結果，利用有限元軟件進行數值模擬計算，復核原始設計工況條件下邊坡穩定情況與支擋結構受力變化，對邊坡設計方案合理性及適宜性進行綜合分析判斷，確定設計因素的影響。

1.4 指標的確定

對運營期巖質高邊坡指標的辨識采用現場調查、地質復核與監測計算相結合的方法，具體如圖1所示。其中，由現場調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個一級指標；通過地質復核對基本信息中坡體結構及地質特征進行確定，得到邊坡巖體結構B及邊坡破壞模式E2個一級指標；通過對抗滑樁及樁板墻與錨桿/錨索框架梁等支擋結構進行現場監測與模擬計算，判斷設計合理性，進而確定支擋加固結構設施D一級指標。

圖1 風險評估指標辨識技術路線Fig.1 Technology roadmap of risk assessment for the indicator identification

2 評估指標體系

2.1 體系構建思路

根據以上指標的辨識與分析，確定了5個一級指標。在參考相關文獻[1,3,7,10,15-16]、現場調研與專家咨詢的基礎上，確定二級指標及具體分類。指標權重分值的確定是體系構建的難點，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險評估指南(試行)》[15]的設定原則，采用百分制，并根據各指標影響因素的不同進行折算；其次，對定性指標結合現場調查病害具體情形進行區分，對于定量指標，以現場監測、統計分析、試驗驗證等界定分級閾值；同時，結合以往文獻[1,7,15]和工程案例進行試算，確定指標合理性與適宜性。為確保指標取值的準確性，體系表中明確了各指標現場定性判斷或定量監測的取值方法。

2.2 指標體系的建立

基于以上指標體系建立的思路，巖質高邊坡運營安全風險評估指標體系見表2。

3 工程實例

3.1 工程背景

重慶某高速公路全長59 km，全線地形主要為構造溶蝕、剝蝕中低山灰巖及粉砂巖深切谷地斜坡地貌，地質條件復雜，線路出露主要為三疊系中統巴東組第一段(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，運營過程中多處邊坡出現病害，尤其以A05，A09，A16，A12等4個合同段19處高邊坡病害情況較為突出，

以A09標

續表2

段ZK1302+480～ZK1302+800上邊坡(以下簡稱“0902上邊坡”)為例對建立的指標體系各指標進行賦值。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構，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巖，傾向坡內，傾角約25°。該邊坡先后經過3次設計變更，具體見圖2。

圖2 上邊坡Fig.2 0902 slope

3.2 指標賦值

3.2.1 現場調查

經現場調查，確定邊坡斷面幾何特征與水的影響各指標取值，其中，水的影響現場照片見圖3。

圖3 擋板滲水痕跡Fig.3 Baffle seepage traces

3.2.2 地質類比與復核

經地質復核，該斜坡地層產狀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，淺部巖石節理裂隙較發育，巖體多切割成塊狀，主要發育節理有3組，均呈閉合狀，其主要特征如下：L1：產狀185°∠77°，水平延伸1.60～2.30 m；L2： 產狀355°∠63°，水平延伸0.90～2.10 m；L3：產狀 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。

3.2.3 監測計算

結合現場調查，樁身外觀以表面出現風化麻面、開裂、樁間土流失等不同程度進行分級賦值，現場照片見圖4。經對該邊坡3排37根具備檢測條件的抗滑樁進行RSM低應變儀隨機抽檢，結果顯示有6根抗滑樁不同程度的存在離析現象，離析長度占樁長的比例分布見圖5。

圖4 樁間土流失Fig.4 Soil loss between piles

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

選取ZK1302+670剖面進行計算復核，對原始設計的自重與自重+暴雨2種工況分別計算，參數選取設計文件中提供的參數，復核內容分為局部復核與整體復核，結果見表3。根據實際的邊坡形態及支護方式建立模型進行數值計算，結果見圖6-9。

圖6 邊坡計算模型及網格劃分Fig.6 Slope model and meshing

圖7 邊坡位移Fig.7 Slope displacement contour

圖8 邊坡應變Fig.8 Slope strain contour

圖9 邊坡結構內力Fig.9 Internal force diagram of slope structure

剖面名稱工況條件穩定系數穩定性評價ZK1302+670自重1.35穩定自重+暴雨1.33穩定

由數值模擬結果可知，邊坡位移主要集中在二級平臺抗滑樁后土體，但由于上部防護方式為樁板墻，防護結構整體性較好，剛度大，坡體實際無變形破壞跡象；邊坡應變在二級平臺抗滑樁后土體內較大，但由于抗滑樁的加固作用，樁前應變明顯減小；結構內力圖顯示，滑坡推力主要由二級平臺抗滑樁承擔，二級平臺抗滑樁承受了較大的彎矩，邊坡處于整體穩定狀態，綜合分析后認為該邊坡支擋加固方案較適宜。

3.2.4 計算結果

通過以上分析，按照表2中各指標取值確定方法，得到結果見表4，分別給出了15個二級指標分值與取值說明，其中，水的影響、支擋加固設施與邊坡破壞模式對邊坡整體穩定性影響較大。評估指標體系的確定不但便于指標賦值，也為后續評估模型的建立與風險分析奠定了基礎。

表4 各指標取值

續表4

4 結論

1)建立了巖質高邊坡安全檢查表，給出了風險評估指標辨識技術路線圖，提出了基于邊坡現場調查、地質類比復核及現場監測與數值模擬相結合的巖質高邊坡運營安全風險評估指標識別方法。

2)構建了巖質高邊坡運營安全風險評估指標體系，確定了5個一級指標與15個二級指標，劃分了74個指標分級，給出了各指標取值方法，并通過重慶某高速公路實例證明了該方法的適用性。

3)對運營期巖質高邊坡開展系統的風險辨識，建立運營安全風險評估指標體系，有利于查找事故隱患，為后期準確評估邊坡風險、形成綜合的風險評估方法奠定了基礎。

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