超高路塹邊坡施工過程的定量風險評估

吳昊城，王 浩，黃曉毅，李先忠，羅金妹

(1. 福州大學 環境與資源學院，福建 福州 350116；2. 地質工程福建省高校工程研究中心，福建 福州 350116；3.中化地質礦山總局福建地質勘查院，福建 福州 350013)

0 引言

我國是世界上地質環境較為脆弱，地質災害多發的國家之一。在過去的數十年，隨著人口的增長和土地利用擴張，誘發的滑坡及其次生災害已造成了大量的人口傷亡和經濟損失[1]。近年來，山區高速公路建設涌現出不少超高路塹邊坡，由于其具有體積規模巨大、地質條件復雜、環境狀況惡劣、影響因素眾多等特點而具有相當程度的復雜性，從而造成了公路建設及運營階段的人員生命安全與經濟財產損失[2-4]。

目前國際上將路塹邊坡風險管理歸入滑坡泥石流等廣義的滑坡風險管理當中，至今已研究30余年。2005年溫哥華滑坡風險管理國際會議提出的滑坡風險管理理論框架[5]，是目前國際上主流和應用最廣泛的滑坡風險評估技術框架。2015年我國交通運輸部出版了《高速公路路塹高邊坡工程施工安全風險評估指南(試行)》[6]，初步提出了高速公路邊坡施工安全風險評估的基本流程與方法。

施工階段是超高路塹邊坡安全控制的重要階段，亦是邊坡災害多而嚴重的階段，因此超高路塹邊坡施工階段風險評估在邊坡動態設計及建造過程中占有重要地位。本研究以福建省最高的雙永高速公路K227滑坡為例[7-8]，系統研究邊坡施工過程定量風險評估的技術方案及關鍵計算參數的確定方法，實現邊坡施工階段潛在風險損失的定量估測，并據此確立合理的施工組織方案，以達到了施工安全風險防控的目標。

1 邊坡工程概況

本研究依托項目工程為福建龍巖雙永高速公路K227+635～+745段左側超高路塹邊坡(以下簡稱K227滑坡)。邊坡開挖10級后產生整體變形破壞，經卸載反壓及樁錨加固后，形成開挖18級、總高達到140 m的超高路塹邊坡，為目前福建省高速公路系統最高的路塹邊坡工點。

1.1 邊坡工程地質條件

K227超高路塹邊坡為反傾層狀泥質粉砂巖坡體結構，該邊坡地質構造極為發育，受邊坡左側F106E-A壓扭性斷層影響，節理裂隙發育、巖體破碎；場地母巖為粉砂巖，因局部花崗巖脈侵入并產生變質作用，形成了以粉砂巖為主、花崗巖脈與變質砂巖混雜的極為復雜的坡體地質結構。該地質條件對K227滑坡的演化發展產生極為不利的影響，對工程的治理及風險分析評估提出了嚴格的要求。

1.2 邊坡周邊環境條件

邊坡場地年降雨在1 400～1 800 mm之間，水量豐富，動態變化大。坡體前緣緊鄰雙永高速公路荷花大橋段落，左右兩側鄰近隧道口(詳見圖1)，造就了坡體周邊復雜多樣的建構筑物影響，對滑坡風險評估提出了較高難度與精度要求。

圖1 K227滑坡周邊環境Fig.1 Surrounding environment of K227 landslide

1.3 邊坡滑坡災害過程及特征

邊坡前期開挖形成10級裸露坡面，卸荷松動效應明顯，并經歷持續半個月的連續降雨，雨水入滲坡體惡化了邊坡的水文地質條件，同時缺少有效加固措施，最終導致邊坡整體變形，形成體積約20萬m3的中型路塹滑坡。由于邊坡超高，且臨近施工中的荷花大橋、荷花隧道及増瑞隧道等3座重要構筑物，滑坡治理方案的優選及施工過程的安全控制均具有相當的難度，迫切需要開展系統性的邊坡施工過程風險評估及管理。

2 滑坡災害過程的定量風險評估

2.1 邊坡風險評估技術方案

路塹邊坡定量風險評估屬于廣義的滑坡災害風險評估范疇，但是又需要結合路塹邊坡的特點確定具體的風險評估技術方案才能順利實施。王浩[9]提出了基于霍爾三維結構的路塹邊坡系統分析模型，將路塹邊坡風險評估及管理分為風險分析、風險評估、風險管理3個工作階段和邏輯層次，并提出了路塹邊坡定量風險評估中確定邊坡的破壞概率、承災體的時空概率、滑坡到達承災體的概率、承災體易損性等具體參數取值的思路與方法，形成了路塹邊坡全壽命周期風險評估及管理的一套技術方案[10-11]。具體見圖2。

圖2 路塹邊坡風險評估及管理框架Fig.2 Framework for risk assessment and management of cutting slope

采用圖2提出的路塹邊坡風險評估技術框架，對K227滑坡災害發生過程中的人身傷害及財產損失進行定量評估，既是對滑坡災害風險的反演分析，也是確定施工過程風險評估及管理的重要依據。

2.2 危險性分析

K227滑坡在按照最初設計的11級刷坡方案開挖10級，且未能及時施作有效的工程控制措施，產生變形破壞，且邊坡穩定狀態有不斷惡化的趨勢，可能造成嚴重的人員傷亡及財產損失。通過分析該邊坡初勘、補勘、監測、施工等資料，查明邊坡變形特征及滑體空間規模，建立邊坡工程地質模型，進行滑坡災害的危險性分析。由于單一的安全系數很難完全體現邊坡巖土體參數變異性問題，故應用邊坡可靠性指數和破壞概率的概念[12]，結合蒙特卡羅法[13]，計算獲得邊坡破壞概率PL。

K227滑坡巖土主要分層為坡積含角礫粉質黏土、砂土狀強風化泥質粉砂巖、構造蝕變帶、構造破碎帶、碎塊狀強風化泥質粉砂巖、弱風化泥質粉砂巖。采用深部位移監測查明滑動帶的空間特征及其依附地層主要有滑坡中部的構造蝕變帶、構造破碎帶及局部碎塊狀強風化泥質粉砂巖，根據土工試驗統計分析體現的巖土力學參數離散程度，并結合龍巖地區公路領域的經驗，確定滑動帶依附地層的巖土力學參數特征值，見表1。

表1 滑動帶依附地層巖土力學參數特征值Tab.1 Geotechnical characteristic parameters of sliding zone attaching stratum

假定滑動帶巖土力學參數服從表1所列的標準正態分布，采用圖3所示的K227邊坡初始設計方案的開挖模型，在GeoStudio軟件中進行5 000次蒙特卡羅模擬，求取邊坡破壞概率的穩定值及其分布特征，獲得圖3所示開挖條件下的邊坡穩定系數概率分布圖。得到邊坡穩定系數Fs主要分布范圍在0.8～1.2之間，均值為0.963，可靠性指數為0.482 97，失效概率P=69.580%,即邊坡穩定系數Fs的期望值為0.963。這表明K227滑坡在開挖且未加固的條件下，最可能出現的狀態是邊坡失穩，也遠低于《公路路基設計規范》(JTGD30—2015)對邊坡防治工程設計安全系數應滿足Fs≥1.20的要求，與該邊坡實際開挖施工的背景及邊坡顯現的穩定狀態相吻合，符合邊坡穩定系數概念的本質。

圖3 反演分析安全系數概率分布圖Fig.3 Probability distribution of back analysis safety factor

根據Priest等[14]對邊坡穩定概率分析的研究，定義當破壞概率高于5%時為不可接受概率。從邊坡失效概率的角度分析，K227滑坡在開挖且未加固的條件下，邊坡破壞概率PL=0.696，遠高于5%的不可接受概率的臨界值，計算分析得到的邊坡穩定狀態與實際滑坡災害結果相吻合。

2.3 承災體識別及滑坡危害后果分析

滑坡危害后果分析主要是結合致災體的影響情況識別承災體，對其進行價值估算、易損性分析、災害到達承災體概率分析及承災體時空概率分析。主要分為財產損失分析和人身傷害分析。

財產損失主要指受邊坡變形破壞影響的坡體及周邊建構筑物的經濟損失[15]，主要用經濟價值進行衡量。K227邊坡初始開挖垂直高度為93 m，坡面長度約為141 m，滑坡角為α=38°(定義滑坡角α為滑坡后壁最高點到堆積體散落最遠點的連線與水平面的夾角)。

根據香港滑坡邊坡破壞滑移距離公式[16-17]：

lgS1=0.109+1.010lgH-0.506lg(tanα)，

(1)

S2=(L/4)/tanα，

(2)

S3=H/tanα，

(3)

式中，H為垂直高度；α為滑坡角；L為坡面長度；S1為滑移距離；S2為頂端影響距離；S3為兩側影響距離，計算得到S1=126 m，S2=45 m，S2=120 m。

K227邊坡左側110 m接荷花隧道洞口，右側95 m 接增瑞隧道洞口，坡前46 m范圍內為荷花大橋。根據經驗公式估算繪制滑坡影響范圍(圖4)，估算得到滑坡影響面積約為61 369.7 m2，計算得到土地資源價值為1 212.1萬元。

圖4 K227滑坡影響范圍(單位:m)Fig.4 K227 landslide impact range(unit:m)

滑坡到達承災體的概率為PT∶L，可根據承災體與滑坡體的位置關系進行確定。當承災體位于滑坡體上時，PT∶L=1；當承災體位于滑坡體滑移路徑范圍內時，應根據承災體距滑坡體的距離進行定量估計，PT∶L=0.50～1.0之間；當承災體位于滑坡潛在危害范圍邊界時，PT∶L=0～0.50之間。

同時考慮承災體均為固定型承災體，各承災體時空概率均為PS∶T=1。參考國際上通用的澳大利亞巖土工程協會(AGS)[18]及殷坤龍等根據建構筑物的結構、材料對承災體易損性給出的建議值(表2)。K227滑坡承災體的主要承災體類型為土地及橋隧道路，具體易損性見表3。

表2 建筑結構易損性指標建議值Tab.2 Recommended values of vulnerability indicators of building structure

最后根據施工分部分項工程概算K227滑坡的主要承災體詳細經濟價值，如表3所示。結合災害到達承災體概率、承災體易損性及承災體時空概率統計，獲得承災體直接綜合經濟損失:

A=PT∶L×PS∶T×Vprop×E，

(4)

式中,PT∶L為滑坡到達承災體的概率；PS∶T為承災體時空概率；Vprop為承災體易損性；E為承災體的經濟價值。計算得到A=2 334.41萬元。

表3 各個承災體的PT∶L, PS∶T, Vprop取值Tab.3 PT∶L, PS∶T, Vprop values of each disaster-bearing body

同時考慮災害發生的間接經濟損失，國土資源部門[19]統計各地質災害直接經濟損失與間接經濟損失的相關關系，采用比例系數法進行評估。對于邊坡災害比例系數取n=1.1，計算承載體總財產間接損失：

B=nA，

(5)

式中,B為間接經濟損失；A為直接經濟損失；n為間接經濟損失比例系數； 計算得到B=1.1×2 334.41=2 567.851萬元。

人身傷害分析中，以人員生命危險作為分析目標，故只考慮人員的死亡率。K227滑坡災害發生階段，作為承災體的人員主要以通過臨時便道車輛中的人員為主。在AGS的研究中，定義過往車輛出現在邊坡災害影響范圍中的時空概率為[20]：

(6)

式中，PS∶T為承災體時空概率；NV為日車流量；L為邊坡長度；VV為平均車速。

K227滑坡線路邊坡總長L=110 m，臨時便道車輛平均車速約為VV=20 km/h，日通過車次約NV=360 veh/d。計算得到K227邊坡在滑坡災害發生過程的人身風險時空概率PS ∶T=0.082 5。同時因人員主要活動范圍在坡前路面，故其災害到達人員承災體的概率PT ∶L=0.75。人員易損性的取值主要考慮人員年齡組成的影響[21]，參考表4數據，取40～50歲的人員易損性作為代表性計算得到人員的易損性VD∶T=0.66。

表4 人員生命易損性取值[21](節選)Tab.4 Vulnerability values of personnel life (excerpt)

2.4 風險定量估算

通過對滑坡災害發生概率的分析及承災體識別、危害后果分析，進行總體的風險定量估算，主要分為人身傷害風險定量估算和財產損失分析定量估算[22]。綜合地區的可接受意愿，采用澳大利亞巖土力學協會(AGS)提出的定量分析公式。

其中人身傷害定量風險分析公式：

PLOL=PL×PT ∶L×PS ∶T×VD ∶T，

(7)

式中，PLOL為邊坡災害造成的年人員傷亡概率；PL為邊坡破壞的概率即危險性；PT∶L為邊坡災害到達承災體的概率；PS∶T為承災體的時空概率；VD∶T為人員的易損性。

估算K227滑坡災害的人身傷害風險：

PLOL= 0.696×0.75×0.082 5×0.66=2.842×10-2。

財產損失定量風險估算公式：

Rprop=PL×PT∶L×PS∶T×Vprop×E，

(8)

式中，Rprop為邊坡災害造成的年財產損失價值；Vprop為財產易損性；E為承災體的經濟價值。

估算K227滑坡災害的財產損失估算：

Rprop=PL(A+B)= 3 411.97萬元。

3 滑坡災害治理的施工過程風險評估

根據前文所述，K227滑坡災害潛在的人身傷害及財產損失均不容忽視。而眾所周知，滑坡災害治理過程更具有較高的風險。本節沿用上述邊坡風險評估的技術框架，對經優化設計確定的分“上、中、下”3個階段分步實施的K227滑坡災害治理過程進行定量風險評估及對比分析。

3.1 滑坡治理方案

為保證邊坡穩定，進行全方位治理，變更設計邊坡整體開挖18級，高度140 m，以雙排錨索抗滑樁結合預應力錨索框架為主要支護措施；邊坡施工分為上、中、下3個階段[7-9](圖5)。

圖5 K227滑坡支護設計圖分部施工示意圖Fig.5 Schematic diagram of staged construction of support design of K227 landslide

3.2 危險性分析

結合邊坡分段施工過程進行邊坡安全系數、可靠性指數和失效概率的計算。巖土體參數變異性見表1。

在第1階段上部施工，進行8級平臺以上的開挖及支護工作，挖方土沿坡面下滑堆載至第7級坡腳切坡處起到堆載反壓作用，并迅速實施錨索抗滑樁與框架錨索的施工。計算獲得上部施工階段總體安全系數FS1=1.155，可靠性指數為2.215 6，失效概率P1=1.0%。該階段破壞概率PL1=0.01。

在第2階段中部施工，進行8級平臺以下的堆載土體開挖及支護工作，挖方延續至第3級坡頂部，在上部錨索框架支護完成的基礎下進行錨索抗滑樁的挖設，完成邊坡中部的整體加固布設。由于坡腳堆載土體未開挖，反壓效果較好，計算獲得中部施工階段總體安全系數FS2=1.257 2，可靠性指數為3.196 5，失效概率P2=0.16%。該階段破壞概率PL2=0.001 6。

在第3階段下部施工，進行第3級以下與坡腳土體的開挖，同時布設第1、第2級的預應力錨索框架，完成邊坡整體的施工建造過程，并完成坡面綠化和系統排水設施。獲得邊坡下部施工的基本安全系數FS3=1.249，可靠性指數為3.087 3，失效概率P3=0.2%。安全系數大于1.2滿足設計規范要求，可靠性指數大于2且破壞概率遠低于5%，均滿足國際研究認可標準，并且加固后的可靠性指數相對于災害發生的可靠性指數大幅提高。該階段破壞概率PL3=0.002。

各施工階段安全系數概率分布如圖6所示。

圖6 三階段施工安全系數概率分布圖Fig.6 Probability distribution of safety facto of construction in 3 stages

3.3 危害后果分析

K227滑坡施工階段固定型承災體主要考慮坡腳前方的荷花大橋，以及左側連接的荷花隧道洞口和右側連接的增瑞隧道洞口，同時應考慮滑坡影響范圍內的土地使用價值。根據表3，統計對應各個承災體中滑坡到達承災體的概率PT ∶L、承災體時空概率PS ∶T、承災體的易損性Vprop、承災體的經濟價值E。獲得施工階段固定型承災體的直接經濟損失A=2 334.41萬元，間接經濟損失B=2 567.851萬元，總經濟損失為(A+B)=4 902.261萬元。

K227滑坡施工階段臨時型承災體主要考慮施工人員、施工器械及施工過程中的臨時搭設建筑。人身風險性評價主要由滑坡的發生概率、災害到達施工人員的概率、人員的時空概率、人員的易損性綜合決定。施工人員的時空概率確定較為復雜，本研究主要考慮施工期間人員工在崗工作的概率。階段施工中人員承災體時空概率PS ∶T為：

(9)

式中，t為日工作時間；d為周工作天數；w為施工周數。

根據K227滑坡分級施工設計，施工期間施工人員t=8 h，d=5 d。

第1級施工總工期w1=30周，故第1階段施工PS∶T1=0.137。

第2級施工總工期w2=47周，故第2階段施工PS∶T2=0.215。

第3級施工總工期w3=13周，故第3階段施工PS∶T3=0.059。

施工人員施工地點均在邊坡坡面，故災害到達承災體的概率PT∶L=1。根據表4確定施工人員易損性為0.66，由于施工單位有定期對施工人員進行安全教育培訓，人員易損性數值應乘以修正系數n(n取值0.5)。故施工建造階段施工人員易損性VD∶T=0.5×0.66=0.33。

3.4 施工階段風險定量估算

按照式(7)～(8)計算各階段的人身傷害風險和財產損失風險， 見表5。

表5 施工階段風險估算Tab.5 Estimation of risk in construction stage

對比滑坡災害發生時的滑坡財產損失估算值3 411.97 萬元，3階段施工過程財產損失風險估算值均大幅度降低，達到可以忽略的水平，故該邊坡治理取得顯著成果。

4 分析與討論

4.1 工程效果對比分析

通過進行滑坡發生前及施工各階段邊坡安全性分析及風險定量分析，運用邊坡穩定性分析方法以及定量風險評估計算，獲得的分析結果見表6。

表6 K227滑坡災害風險評估對照Tab.6 Comparison of K227 landslide disaster risk assessment

根據表6可知，在滑坡發生前的安全系數和破壞概率均在不可接受范圍內，邊坡表現出高度危險性。通過邊坡治理措施，邊坡的安全系數降到規范的要求范圍內，破壞概率也遠遠低于人工邊坡的設計要求。前后兩部分的定量風險評估結果恰與安全系數和破壞概率體現出的結果相吻合，充分反映了邊坡的真實風險水平。

4.2 技術經濟對比分析

通過定量風險分析，計算得出在滑坡發生前的財產損失估算為Rprop=3 411.97萬元。根據邊坡設計方案及實際施工費用統計，得出K227邊坡總體治理費用為2 671.6萬元，治理后的財產損失估算為Rprop3=9.806萬元，相比治理前的財產損失估算已大幅度降低至可忽略水平。

由此可獲得工程治理前和治理后的風險評價成果：b前=3 411.97萬元；b后=9.806萬元；治理總成本為C=2 671.6萬元。故K227滑坡治理工程價值為：

(10)

式中，VS為工程價值；b前為工程治理前風險值；b后為工程治理后風險值；C為治理總成本。

根據表5施工3階段風險評估與災害發生過程的風險評估對比可知，風險評估方案具有較高的效益性和價值性，印證了K227滑坡動態施工治理取得的顯著收益。

4.3 討論

本研究以超高路塹邊坡K227為具體案例，基于路塹邊坡風險評估及管理的技術框架，通過定量風險評估方法分析了滑坡災害發生前的風險值及施工過程各階段的風險值，較好地評價和指導了K227滑坡病害治理的風險防控工作，但仍存在一些不足。

在承災體的易損性分析上仍存在一定的模糊性，很難做到精確考慮每個承災體的具體情況；在單個承災體的易損性分析上，雖然考慮應用了當前國內外的定量分析方法，但是對于不同類型的邊坡、不同類型的承災體不一定存在完全的適用性，在充分考慮各種不同條件類型的承災體定量分析上仍需進一步研究，有待于完善歸納較為全面的承災體易損性定量分析指標，進而適用于不同類型的邊坡。

在人身傷害風險的評價上，國內外不同研究領域仍存在一定的差異性，可接受范圍的確定對于不同的具體邊坡環境具有一定的波動性。由于當前國內外沒有單獨對應施工階段的人身傷害風險評價指標，故本研究運用當前國際通用的建筑邊坡人身傷害分析評價指標。但由于施工階段的邊坡人員流動性大，人口數量多而密集，同時施工人員基本處于邊坡潛在滑體中，遭遇風險的可能性大幅度提高，故有待提出更為貼切具體的施工階段人身傷害風險評價指標。

5 結論

路塹邊坡開挖具有明顯的開挖卸荷松動效應，并可能受強降雨等外界環境影響產生變形破壞，需要加強施工過程風險評估及控制。本研究以雙永高速K227滑坡為例，在風險分析、風險評估及風險管理的過程中貫徹定量風險評估的思路和方法，開展滑坡災害過程和滑坡治理過程的風險評估及管理，得到以下結論。

(1)通過對定量風險分析流程及關鍵計算參數的研究分析，開展了K227滑坡的失效概率分析及災害后果分析，估算了K227滑坡災害的人身傷害及財產損失值，驗證了該滑坡災害具有較高的失效概率，需要開展系統的風險控制以規避損失。

(2)沿用滑坡定量風險評估技術方案，對K227滑坡上、中、下3段治理過程進行風險估算及對比分析。發現通過治理措施，可將滑坡施工過程中的人身傷害及財產損失控制到可接受范圍之內，并取得良好的經濟效益。

(3)對比滑坡災害發生和治理兩階段的定量風險評估結果，發現實施嚴格規范的施工過程風險控制，不僅可顯著提高邊坡安全系數，而且可降低邊坡破壞概率、潛在的財產損失值和人身傷害概率，治理成效顯著。

(4)雖然在施工過程定量風險評估的多方案優選過程中，相關概率和易損性指標的具體取值對評估與決策結果影響不大，但是各評估指標參數的確定仍值得深入研究，如何更合理地確定指標值在國內外仍存在一定的困難，但相信通過更多工程的驗證可以不斷獲取經驗，并充分體現該方法的科學性及其在工程減災中的應用價值。