路基邊坡滑坡風險評估及治理方案研究

于浩楠，周 維

（中國市政工程西南設(shè)計研究總院有限公司，四川 成都 610081）

0 引言

在連續(xù)極端天氣的影響下，山西某高速公路路基邊坡發(fā)生了失穩(wěn)，導(dǎo)致一側(cè)半幅路基垮塌，引起路面整體沉降，同時面層多處開裂，上行方向交通中斷。經(jīng)現(xiàn)場勘察檢測，認為該段公路路基將可能演變?yōu)榛聻?zāi)害，進而破壞公路上方景觀設(shè)施，造成更大的經(jīng)濟損失以及不良的社會影響，須立即采取相關(guān)措施進行治理。

關(guān)于路基邊坡滑坡風險評估方面已有諸多研究，馮忠居[1]等人分析了堆載對橋梁墩臺基礎(chǔ)的不利影響，評估了已有工程的受損狀態(tài)，并給出針對性的糾偏措施；部分科研工作者[2-4]則基于模糊綜合模型分析方案，從不同角度評估了路基邊坡滑坡風險狀況，并給出相應(yīng)的結(jié)論與建議；類似地，也有專家學者[5-6]通過層次分析法分析路基邊坡滑坡風險狀況，各自建立了有關(guān)評價體系。

綜上所述可知，在從定量角度的數(shù)值仿真分析角度進行的路基邊坡風險評估研究方面還存在一定空白。本文立足于風險評估理論模型，依托路基失穩(wěn)事件實例，結(jié)合現(xiàn)場勘察檢測數(shù)據(jù)和數(shù)學仿真計算，研究路基邊坡滑坡的發(fā)生率和安全系數(shù)，評估滑坡帶來的財產(chǎn)損失，綜合對比治理后滑坡發(fā)生率和經(jīng)濟效益等因素，優(yōu)選出最佳的坡面綜合治理方案。

1 道路線形對車輛行駛的影響

1.1 地質(zhì)分析

本文所述高速公路邊坡失穩(wěn)發(fā)生段落為南北走向，公路西臨溝谷，深度達25 m，所處范圍內(nèi)地勢西低東高，高程范圍為1269.5～1336.3 m，屬低山丘陵區(qū)地貌。公路所處范圍內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造，整體呈現(xiàn)為北向斷裂，屬小規(guī)模斷層結(jié)構(gòu)，斷距不超過90 m，平均以15～35 m 為主。公路路基邊坡南北側(cè)均可觀察到出漏基巖，產(chǎn)狀是265°∠19°其質(zhì)屬石灰系泥巖，且侵蝕風化程度較高，強度較低，穩(wěn)定性不足。

1.2 災(zāi)害分析

根據(jù)現(xiàn)場勘察檢測數(shù)據(jù)可知，路基邊坡從北向南長350 m，東西向側(cè)寬約250 m，邊坡滑體主要滑動方向為SW265°，均厚達11.0 m，下方巖體傾向與主滑方向整體同向。對災(zāi)害發(fā)生時的有關(guān)目擊人員進行調(diào)查訪問，表明邊坡失穩(wěn)發(fā)生過程始于邊坡上部土體開裂，后續(xù)出現(xiàn)整體滑坡災(zāi)害。

1.3 巖性分析

為判定邊坡滑體滑動面準確深度以及地質(zhì)分布狀況，研究人員采用鉆孔檢測方案，取ZK1～ZK6 共6處點位，如圖1 所示，其中鉆孔深度在11.8～28.3 m 范圍內(nèi)，總進尺達124.1 m。分析獲取的邊坡滑體巖體結(jié)構(gòu)分布情況見表1。

表1 試驗段地質(zhì)勘察情況

圖1 邊坡滑體鉆孔位置示意圖

2 風險評估分析

2.1 理論模型基礎(chǔ)

本文依托路基邊坡風險評估理論模型展開風險評估分析，分為風險分析階段、評估階段及管理階段，如圖2 所示。

圖2 路基邊坡風險評估理論模型

首先開展邊坡滑坡風險分析，內(nèi)容包括路基邊坡滑坡危險性分析和危害后果分析。之后評估階段主要是將分析階段得到的滑坡風險分析結(jié)果與風險容許標準相比對，進而進行風險評價和效益分析，得出風險等級是否處于接受或容忍范圍內(nèi)。最后的管理階段則須通過一定的方案進行風險調(diào)控規(guī)劃，治理路基邊坡災(zāi)害。

2.2 滑坡發(fā)生率分析

科研人員判斷認為現(xiàn)場路基邊坡處于臨界狀態(tài)，短期內(nèi)可保持穩(wěn)定，但在外在環(huán)境影響下仍有進一步滑坡的發(fā)生率。選取GeoStudio- 2021 數(shù)學仿真計算軟件作為研究工具，選擇其中的Monte Carlo 試驗?zāi)＝M進行仿真分析，可通過調(diào)整邊坡土體抗剪強度、折減重度等參數(shù)來實現(xiàn)風化和降雨狀態(tài)模擬。以高斯分布密度函數(shù)劃分邊坡土體的重度、內(nèi)摩擦角以及黏聚力指標。為滿足將各指標置于不同置信區(qū)間的穩(wěn)定性，本文確定了3000 次計算步，同時結(jié)合勘測數(shù)據(jù)，得到滑體土體參數(shù)（見表2）。

表2 滑體土體參數(shù)表

將各參數(shù)輸入數(shù)學仿真計算軟件可得到仿真結(jié)果，如圖3 所示，路基邊坡平均安全系數(shù)為1.04＜1.05，表明路基邊坡滑體處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。P（失效）計算結(jié)果為21%，表明路基邊坡土體滑坡的發(fā)生率為21%。考慮到該段公路車流量大且為主干道，確定可接受路基邊坡滑坡發(fā)生率應(yīng)不超過5%。

圖3 仿真模擬結(jié)果

3 治理方案分析

3.1 治理方案措施

在上文風險評估的基礎(chǔ)上，分別從滑體的上、中、下部三個角度，初步提出對應(yīng)的三類路基邊坡滑坡治理方案，分別如圖4 至圖6 所示。

圖4 治理方案措施1

圖5 治理方案措施2

圖6 治理方案措施3

3.2 治理效果分析

本文通過反算參數(shù)的方法，獲得內(nèi)摩擦角以及黏聚力c 參數(shù)：φ=30°內(nèi)摩擦角，黏聚力c=20.3 kPa。各治理方案仿真計算得出的路基邊坡平均安全系數(shù)和P（失效）結(jié)果見表3。其中方案3 的平均安全系數(shù)為1.19，低于規(guī)范要求的1.25，土體滑坡發(fā)生率為6.33%，超過可接受5%閾值。

表3 各治理方案計算結(jié)果表

3.3 經(jīng)濟效益對比分析

將治理方案1 和治理方案2 的工程量、單價和總體費用進行計算，結(jié)果見表4、表5。

表4 治理方案1 費用明細表

表5 治理方案2 費用明細表

方案1 總體費用成本2484 萬元，方案2 總體費用成本6101 萬元。從效果上來看，方案2 滑坡發(fā)生率低于方案1，平均安全系數(shù)略高于方案1，治理效果更佳，但成本投入也同樣遠高于治理方案1。此外，方案2 中涉及到大量圬工，在臨界穩(wěn)定狀態(tài)邊坡土體上施工具有較大風險和難度；而方案1 施工難度較低、工期較短、引起擾動小且成本費用更低，是更為合理的選擇。

3.4 治理效果評價

在采用坡面錨索框架梁支護結(jié)合預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁支擋的方案對路基邊坡進行綜合治理后，跟蹤監(jiān)測抗滑樁頂水平位移數(shù)值情況，監(jiān)測時長為3 個月，其中監(jiān)測點的布置情況如圖7 所示。可以發(fā)現(xiàn)，30 d 之后的樁頂水平位移已趨于穩(wěn)定，路基邊坡滑坡治理效果良好，如圖8 所示。

圖7 抗滑樁位移監(jiān)測布點示意圖

圖8 樁頂水平位移變化情況

4 結(jié)語

本文結(jié)合現(xiàn)場勘察檢測數(shù)據(jù)和數(shù)學仿真計算，研究路基邊坡滑坡的發(fā)生率和安全系數(shù)，評估滑坡帶來的財產(chǎn)損失，從滑體的上、中、下部三個角度提出對應(yīng)三類路基邊坡滑坡治理方案，綜合對比治理后滑坡發(fā)生率和經(jīng)濟效益等因素，優(yōu)選出最佳的坡面綜合治理方案，并對治理后的路基邊坡效果進行評價，得出以下主要結(jié)論：

（1）失穩(wěn)后路基邊坡平均安全系數(shù)為1.04，滑體處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，P（失效）計算結(jié)果為21%，路基邊坡土體滑坡的發(fā)生率為21%；

（2）經(jīng)過比對，優(yōu)選出坡面錨索框架梁支護結(jié)合預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁支擋的綜合治理方案；

（3）該治理方案施工難度合理、治理效果良好、成本投入可控，30 d 后樁頂水平位移趨于穩(wěn)定。