基于工程安全風險控制的高陡巖質邊坡治理設計應用探討

胡鼎培，王勇

（貴州省建筑設計研究院 有限責任公司，貴陽 550081）

1 概述

高陡巖質邊坡巖體的發育特征受地質構造運動的影響大，巖體的沉積相、節理裂隙等規律大多僅能從宏觀上進行反演分析或現象抽象總結。為了方便工程應用，傳統的巖石力學及土力學對巖體進行較多的計算假設，主要是將各向異性假定成各向同性。 在現有實踐中，關于邊坡土壓力計算多采用經典的庫倫土壓力理論。該理論能很好地控制治理對象的安全，同時，由于經典理論存在較多理想化假設，因而又導致許多項目失敗。

大多巖土工程師在進行巖土工程治理設計時，安全多停留在規范規定的安全系數上，僅以滿足規范要求作為“護身符”，而沒有系統的工程安全風險知識。這在一定程度上反而加大了高陡巖質邊坡治理的工程風險。基于工程安全風險控制的高陡巖質邊坡治理設計是將部分與巖體相關工程安全風險前置到設計階段，減少后期治理的工程安全風險，實現高陡巖質邊坡治理的永久安全及治理方案的完善。

2 高陡巖質邊坡治理設計中的難點與重點

高陡巖質邊坡穩定性分析常用方法有定性分析及定量分析，定性分析常用于宏觀控制或概念設計方面；定量分析是利用規范規定的計算理論系統計算并進行分析比較。在進行定量計算時，選取合理的計算模型及巖體力學參數是關鍵。根據相關工程經驗總結，各種計算模型均存在一定的局限性。Morgenstern 認為，經典土力學理論是壓剪土力學理論，適用于巖土體完全受到壓剪應力荷載；不適用于外部卸載造成土體拉張、孔隙率增大、土體強度減小的巖土破垮工況過程【1】。其指出建立在壓剪土力學理論基礎上的現代巖土工程安全設計方法存在安全缺陷，使達到巖土工程安全設計標準的斜坡等結構在營運過程中可能發生滑塌，產生災難性后果。

同時，一些控制邊坡穩定性的結構面存在較強的隱蔽性及復雜性。目前，勘察手段難以準確查明其空間狀態及物理力學指標，多以地表調查及規范經驗代替實際工作，導致設計過程中對邊坡缺乏完整的認知。在治理設計中完全依靠經驗進行計算模型的選取，增加了工程的安全風險。

通常，高陡巖質邊坡地形地貌復雜，邊坡破壞后果嚴重，控制邊坡安全因素較多。在進行邊坡治理設計時，宏觀上的準確判斷和微觀上的正確計算是保證邊坡安全的根本途徑，同時也是重點及難點。

在準確判斷及正確計算基礎上，選取合適的治理工程措施亦存在一定的難度。大多高陡巖質邊坡是永久性邊坡，支護結構與坡體巖體共同作用、支護結構體系間的共同作用、坡體應力改變的時空效應等尚無理論支持，支護結構的失能失效沒有嚴格的工程控制措施等情況都是治理設計中存在的難點或者盲點。

3 高陡巖質邊坡治理設計中的工程安全風險分析

工程安全風險通常具有不確定性、相對性、可變性3 個基本屬性。高陡巖質邊坡治理設計中重點及難點也是設計過程中安全風險控制核心。因此，在進行高陡巖質邊坡治理設計時，主要安全風險點與設計重點及難點具有高度契合性。設計過程中主要有以下5 個重大工程安全風險。

3.1 勘察成果不完整或失真的風險

在實際生產過程中，受限于勘察手段的單一及勘察技術的落后，一些延伸程度較大但隱蔽于深處的軟弱結構面查明難度大。例如，多數巖體結構面的原位測試局限于坡體表層巖體，通過查詢規范經驗值確定物理力學指標彈性較大。例如，GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術規范》中對硬性結構的抗剪強度指標標準值內摩擦角差值達9°，黏聚力差值達0.04MPa，等效內摩擦角達10°【2】。對于高陡巖質邊坡，這些差值足以導致最終計算結果的“天壤之別”。在進行邊坡勘察時，對于工程地質宏觀判別及控制不熟悉，致使巖性、巖體質量以及水文地質、工程地質的差異并未體現在勘察成果中。例如，碳酸鹽巖坡體可能存在以溶隙形式存在軟弱結構面，以巖溶管道存在遠程地下水影響等。沉積相的不同，巖體的巖性相近，但其強度可能存在較大差異等情況均是勘察成果中極易缺失的部分。

3.2 計算模型選取錯誤的風險

實際生產過程中，行業間的相關技術標準要求存在差異。在進行計算模型選擇時，除理論模型本身的局限性外，尚存在計算模型選擇失誤的可能。例如，在采用折線法計算下滑力時，本身就存在顯式解和隱式解2 種情況；在進行錨桿（索）拉力計算時，其與滑移面平行的分力是降低“分母”還是增加“分子”；邊坡側壓力與滑坡推力的方向及大小判定等都是極易造成計算模型選取失誤的地方。

3.3 治理方案選擇失誤的風險

治理方案的合理性及經濟性是高陡巖質邊坡治理設計中的重中之重。在進行治理方案選擇時，需要考慮結構安全、工藝成熟且簡單、環境影響小等因素。但在進行高陡巖質邊坡治理時，一些工藝較為復雜且存在一定局限的工藝是必須手段。例如，預應力錨桿（索），其預應力損失無法定量評估【3】。

3.4 治理設計中忽略或弱化一些非常重要的輔助治理手段的風險

例如，監測大而化之，無具體的監測方案；截排水僅局限于坡頂及坡腳或坡面，無必要的水利分析計算；對于工程治理過程中可能出現的重大工程危險無分析評價，可能出現的危急情況無應急設計等。

3.5 設計人員經驗不足或犯經驗主義錯誤的風險

在高陡巖質邊坡治理設計中，受巖性、巖體、作用3 者之間的復雜性影響，每一個高陡巖質邊坡的工程特性具有相似性及惟一性。設計人員經驗不足是一種常態。同時，經驗的普適性亦會導致在進行治理設計時犯錯。

4 高陡巖質邊坡治理設計中的工程風險控制及應用

1）勘察成果是治理設計的依據，在充分尊重及利用勘察成果的同時，需對相關核心影響因子進行必要的復核及調整。有條件的情況下，設計人員需到現場進行實地查驗。針對一些巖性變化、風化差異較大及邊坡巖體質量為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級的高陡巖質邊坡，需特別注意結構面抗剪強度指標及結構面發育情況對坡體穩定的影響。在進行設計時，對勘察成果各數據間建立相關性分析評價，并根據工況及工程環境進行適當調整。

2）在進行計算模型選取時，應進行赤平投影分析、側壓力計算、下滑力計算、等效內摩擦角復核等多種模型綜合分析，選取最不利的結果作為支護結構計算的依據。同時，應根據支護結構的不同，有針對性地選取計算模型及一些輔助參數。同時，注意一些基礎的物理力學作用的分析，避免發生錯誤。

3）注意信息化設計施工的應用。由于巖體存在各向異性，信息化設計施工尤為重要。通常情況下，設計技術負責人必須對邊坡開挖后的情況進行現場了解及復核；對一些地質條件復雜的邊坡，需進行必要的施工勘察工作。及時發現一些隱藏的優勢結構面、坡面滲水點、工程環境變化等情況。

4）設計文件中須明確邊坡治理施工工藝的要求，比如，分級分段高度及長度、坡面驗收、重要隱蔽驗收等的要求。同時，設計文件中必須明確監測方案、截排水方案、重大危險應急方案等。針對一些重要且復雜的坡體，應進行必要的監測專項設計及應急工程設計，用于指導后期預報預警及應急搶險。

5）加強設計人員的管理。高陡巖質邊坡的治理一定要安排工程經驗豐富、膽大心細、責任心非常強的高職技術人員來擔任項目負責人，而不是僅僅滿足國家規定的注冊師。同時，設計方案應進行必要的頭腦風暴法，而不是簡單設計—審核模式。在進行治理方案設計時，盡量選取工藝簡單的方案。設計人員除了必要技術交底外，尚應全過程跟蹤治理過程。

5 結語

高陡巖質邊坡治理設計不僅是一個技術工作，更涉及管理、社會、環境等諸多方面的影響。設計的成敗直接關系到邊坡建造及運營過程中的工程安全風險。因此，將一些能夠預見的工程風險前置至設計階段進行控制，是一種最小成本、最低風險的風險控制手段。本文僅針對治理設計中的技術方面進行風險分析及控制建議，在實際生產過程中，尚存在許多其他方面的風險需要進一步研究。