岩质高边坡运营安全风险评估指标体系研究*

吴忠广，申瑞君，万福茂，张 迪

(1.交通运输部科学研究院，北京 100029；2.交科院检测技术(北京)有限公司，北京 100013； 3.北京科技大学 土木与资源工程学院，北京 100083)

0 引言

山区高速公路运营期岩质高边坡存在着山体高陡、岩体破碎、不利结构面发育、岩石风化严重与坡体覆盖层稳定性较差等问题，受气候气象、地质水文条件及施工期遗留工程缺陷等因素的影响，经常发生掉块落石、崩塌坍塌、滑坡以及防护加固工程结构变形或破坏等现象，导致的事故较多。2015年11月13日，浙江省丽水市莲都区雅溪镇里东村发生山体滑坡，塌方量30余万立方米。历次事故情况表明，影响岩质高边坡运营安全的风险可分为主观风险与客观风险2类，其中，主观风险包括养护管理体制机制、管养人员队伍素质等，客观因素包括工程规模、支护结构、气候条件、地质情况等。如何科学的识别导致运营期岩质高边坡事故发生的风险致险因子，建立合理的评估指标体系，对准确估测边坡运营安全风险水平具有重要意义。

目前，针对运营期高边坡风险的研究侧重边坡病害分析[1-2]、稳定性评价[3-4]及治理方法应用[5]等。对高边坡风险辨识方法的研究总体上可分为定性分析与定量分析2种，前者主要包括事件树[6](ETA)、安全检查表[7](SCL)、风险传递路径[8]等方法，后者主要包括事故树[9](FTA)、作业条件风险分析方法[10](LEC)、贝叶斯网络[11-13](Bayesian Networks, BN)等。然而，对于岩质高边坡运营安全风险评估指标体系的确定尚缺乏系统有效的方法，常常出现评估指标选取依据不充分或过于主观、指标分级阈值划分不合理、指标值获取困难等问题。基于运营期岩质高边坡的特点，本文采用逐坡普查与重点调查相结合、工程地质类比与复核相结合、现场监测与数值计算相结合的方法，研究建立岩质高边坡运营安全风险评估指标体系，为后续风险评估模型的建立奠定基础，使评估结果更具有科学性和实用性。

1 评估指标辨识

1.1 逐坡普查与重点调查

边坡现场调查采用逐段逐点普查和重点边坡调查2种方式，确定运营期高边坡基本信息和动态信息。其中，基本信息情况调查[15]内容主要包括：

边坡编号、起

讫桩号、线路走向、边坡走向、边坡长度、边坡高度、边坡级数、边坡坡率，边坡地形地貌、地质构造特征、坡体结构类型、赋存水发育状态与分布规律等。同时，基本信息还应包括边坡的工程简介、工程图片、交通流量等信息。动态信息调查[15]内容主要包括：截排水工程调查、普通防护工程调查、支挡工程调查、锚固工程调查、边坡防护加固工程等结构缺损状态调查，以及坡面冲刷调查、风化剥落调查、掉块落石调查、坍塌崩塌调查、边坡滑坡调查、山体滑坡调查等边坡病害发育状态调查。

为便于现场调查信息获取，结合边坡调查基本信息与动态信息，提出运营期岩质高边坡安全检查表，该表克服了传统检查表[1,7]存在的检查项目不全、系统性不强等问题的局限，具体见表1。

表1 XX合同段运营期岩质高边坡安全检查

记录人： 日期：

1.2 工程地质类比与复核

在边坡基本信息调查的基础上，重点针对运营边坡裸露岩体或邻近相似山体揭露岩体状况进行地质调查[16]，包括岩体风化特征、坡体结构、结构面特征等，与具有类似工程地质与水文地质条件的既有边坡或其它稳定边坡进行合理性分析与比对，并与地质勘察报告进行复核确认。其中，结构面特征主要根据现场出露岩体实际，判定结构面类别、结构面间距、结构面结合程度及发育程度，对于因边坡护面覆盖而无法确定的情况，应如实记录并拍照留存。通过现场地质复核，综合判断边坡破坏模式，对于岩质边坡被喷射混凝土等护面所覆盖[15]，现场检查时及通过资料收集均难以确定破坏模式的情况列入边坡破坏模式分类中。

1.3 现场监测与数值计算

选取主要结构断面，基于现场动态信息调查，对于具备测桩条件的抗滑桩，用低应变仪对桩身完整性进行检测，结合现场调查的桩面情况(如是否有钢筋外露锈蚀、麻面、风化剥落等情况)以及桩间土状况(如变形失稳、越顶破坏、土拱失效等)，确定抗滑桩及桩板墙指标分级；对于锚杆/锚索框架，除调查框架基本信息外，还应重点调查锚墩是否布设及其完整性、锚索是否外露锈蚀、桩锚连接部位是否出现裂缝等，确定锚杆/锚索框架指标分级。依据竣工图等设计资料，结合现场调查结果，利用有限元软件进行数值模拟计算，复核原始设计工况条件下边坡稳定情况与支挡结构受力变化，对边坡设计方案合理性及适宜性进行综合分析判断，确定设计因素的影响。

1.4 指标的确定

对运营期岩质高边坡指标的辨识采用现场调查、地质复核与监测计算相结合的方法，具体如图1所示。其中，由现场调查确定边坡基本信息，筛选出边坡断面几何特征A与水的影响C2个一级指标；通过地质复核对基本信息中坡体结构及地质特征进行确定，得到边坡岩体结构B及边坡破坏模式E2个一级指标；通过对抗滑桩及桩板墙与锚杆/锚索框架梁等支挡结构进行现场监测与模拟计算，判断设计合理性，进而确定支挡加固结构设施D一级指标。

图1 风险评估指标辨识技术路线Fig.1 Technology roadmap of risk assessment for the indicator identification

2 评估指标体系

2.1 体系构建思路

根据以上指标的辨识与分析，确定了5个一级指标。在参考相关文献[1,3,7,10,15-16]、现场调研与专家咨询的基础上，确定二级指标及具体分类。指标权重分值的确定是体系构建的难点，首先，分值选取原则参照《高速公路路堑高边坡工程施工安全风险评估指南(试行)》[15]的设定原则，采用百分制，并根据各指标影响因素的不同进行折算；其次，对定性指标结合现场调查病害具体情形进行区分，对于定量指标，以现场监测、统计分析、试验验证等界定分级阈值；同时，结合以往文献[1,7,15]和工程案例进行试算，确定指标合理性与适宜性。为确保指标取值的准确性，体系表中明确了各指标现场定性判断或定量监测的取值方法。

2.2 指标体系的建立

基于以上指标体系建立的思路，岩质高边坡运营安全风险评估指标体系见表2。

3 工程实例

3.1 工程背景

重庆某高速公路全长59 km，全线地形主要为构造溶蚀、剥蚀中低山灰岩及粉砂岩深切谷地斜坡地貌，地质条件复杂，线路出露主要为三叠系中统巴东组第一段(T2b1)、第二段(T2b2)、第三段(T2b3)、第四段(T2b4)及第四系残坡积(Qel+dl)地层，坡率1∶0.5和1∶0.75的边坡较多。该高速公路于2010年建成通车，运营过程中多处边坡出现病害，尤其以A05，A09，A16，A12等4个合同段19处高边坡病害情况较为突出，

以A09标

续表2

段ZK1302+480～ZK1302+800上边坡(以下简称“0902上边坡”)为例对建立的指标体系各指标进行赋值。0902上边坡位于山体中部，坡高约23 m，自然坡度30～45°，出露地层具有二元结构，上部地表残坡积物厚度变化较大，在+580剖面厚度约9～14 m，+670剖面厚度约12～19 m，+730剖面厚度约6～8 m；下部基岩为三叠系巴东组泥灰岩，倾向坡内，倾角约25°。该边坡先后经过3次设计变更，具体见图2。

图2 上边坡Fig.2 0902 slope

3.2 指标赋值

3.2.1 现场调查

经现场调查，确定边坡断面几何特征与水的影响各指标取值，其中，水的影响现场照片见图3。

图3 挡板渗水痕迹Fig.3 Baffle seepage traces

3.2.2 地质类比与复核

经地质复核，该斜坡地层产状157°∠28°，为单斜地层，与山坡成逆向坡，路线走向与地层走向近于平行，浅部岩石节理裂隙较发育，岩体多切割成块状，主要发育节理有3组，均呈闭合状，其主要特征如下：L1：产状185°∠77°，水平延伸1.60～2.30 m；L2： 产状355°∠63°，水平延伸0.90～2.10 m；L3：产状 277°∠60°，水平延伸2.50～4.20 m。本边坡上部覆盖层较厚，破坏模式为沿覆盖层与岩体交界面滑动。

3.2.3 监测计算

结合现场调查，桩身外观以表面出现风化麻面、开裂、桩间土流失等不同程度进行分级赋值，现场照片见图4。经对该边坡3排37根具备检测条件的抗滑桩进行RSM低应变仪随机抽检，结果显示有6根抗滑桩不同程度的存在离析现象，离析长度占桩长的比例分布见图5。

图4 桩间土流失Fig.4 Soil loss between piles

图5 抗滑桩离析长度比例分布Fig.5 Proportion distribution of segregation length of anti-slide pile

选取ZK1302+670剖面进行计算复核，对原始设计的自重与自重+暴雨2种工况分别计算，参数选取设计文件中提供的参数，复核内容分为局部复核与整体复核，结果见表3。根据实际的边坡形态及支护方式建立模型进行数值计算，结果见图6-9。

图6 边坡计算模型及网格划分Fig.6 Slope model and meshing

图7 边坡位移Fig.7 Slope displacement contour

图8 边坡应变Fig.8 Slope strain contour

图9 边坡结构内力Fig.9 Internal force diagram of slope structure

剖面名称工况条件稳定系数稳定性评价ZK1302+670自重1.35稳定自重+暴雨1.33稳定

由数值模拟结果可知，边坡位移主要集中在二级平台抗滑桩后土体，但由于上部防护方式为桩板墙，防护结构整体性较好，刚度大，坡体实际无变形破坏迹象；边坡应变在二级平台抗滑桩后土体内较大，但由于抗滑桩的加固作用，桩前应变明显减小；结构内力图显示，滑坡推力主要由二级平台抗滑桩承担，二级平台抗滑桩承受了较大的弯矩，边坡处于整体稳定状态，综合分析后认为该边坡支挡加固方案较适宜。

3.2.4 计算结果

通过以上分析，按照表2中各指标取值确定方法，得到结果见表4，分别给出了15个二级指标分值与取值说明，其中，水的影响、支挡加固设施与边坡破坏模式对边坡整体稳定性影响较大。评估指标体系的确定不但便于指标赋值，也为后续评估模型的建立与风险分析奠定了基础。

表4 各指标取值

续表4

4 结论

1)建立了岩质高边坡安全检查表，给出了风险评估指标辨识技术路线图，提出了基于边坡现场调查、地质类比复核及现场监测与数值模拟相结合的岩质高边坡运营安全风险评估指标识别方法。

2)构建了岩质高边坡运营安全风险评估指标体系，确定了5个一级指标与15个二级指标，划分了74个指标分级，给出了各指标取值方法，并通过重庆某高速公路实例证明了该方法的适用性。

3)对运营期岩质高边坡开展系统的风险辨识，建立运营安全风险评估指标体系，有利于查找事故隐患，为后期准确评估边坡风险、形成综合的风险评估方法奠定了基础。

[1] 张从明，李国锋,等.公路边坡治理措施及安全评价方法[M]．北京: 人民交通出版社，2009:83-92.

[2] 付贤炜.某运营高速公路边坡病害评价分析及治理[J].土工基础, 2015,29(2):21-24.

FU Xianwei. Hazard evaluation of live trafficked highway slopes-case history study of a highway K36+220 to K36+485 [J].Soil Eng. and Foundation, 2015,29(2):21-24.

[3] 张建伟，廖小平，魏土荣.高速公路运营期高边坡安全风险评估体系研究[J].路基工程, 2015(6):197-203.

ZHANG Jianwei, LIAO Xiaoping, WEI Turong. Study on safety risk assessment system for high slope of highway in operation[J]. Subgrade Engineering, 2015(6):197-203.

[4] 王晓雪.高等级公路运营期边坡风险因素评估及对策研究[D]. 上海：同济大学,2008.

[5] 马惠民，王恭先，周德培.山区高速公路高边坡病害防治实例[M]．北京: 人民交通出版社，2006:82-111

[6] 李志宏.基于全寿命期风险分析的路堑与隧道方案决策研究[D]. 上海：同济大学,2010

[7] 浙江省交通投资集团有限公司.高速公路高边坡检查评价标准[R]．浙江：浙江省交通投资集团有限公司,2011.

Zhejiang Communication Investment Group Co., Ltd., Inspection and evaluation standard for Expressway high slope[R]. Zhejiang: Zhejiang Communication Investment Group Co., Ltd., 2011.

[8] 吴忠广,王海燕,陶连金,等.高速公路高边坡施工安全总体风险评估方法[J].中国安全科学学报,2014,24(12): 124-129.

WU Zhongguang, WANG Haiyan, TAO Lianjin, et al. Method for general risk assessment of highway high slope in construction safety[J]. China Safety Science Journal, 2014, 24(12): 124-129.

[9] 何俊材，朱恒忠.基于事故树理论的露天矿山边坡失稳分析[J].现代矿业,2014,1(1): 85-88.

HE Juncai, ZHU Hengzhong. Instability analysis of open pit mine slope based on fault tree theory[J].Modern Mining, 2014,1(1): 85-88.

[10] 交通运输部安全与质量监督管理司.高速公路路堑高边坡工程施工安全风险评估指南[M]．北京: 人民交通出版社，2015：101-103．

[11] Rita L.Sousa, Herbert H. Einstein. Risk analysis during tunnel construction using Bayesian Networks: Porto Metro case study[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2012,27:86-100.

[12] Limao Zhang, Xianguo Wu, Miroslaw J. Skibniewski, etc. Bayesian-network-based safety risk analysis in construction projects[J]. Reliability Engineering and System Safety, 2014,131:29-39.

[13] Limao Zhang, Xianguo Wu, Lieyun Ding, et al. Decision support analysis for safety control in complex project environments based on Bayesian Networks[J]. Expert Systems with Applications.2013,40:4273-4282.

[14] 吴树仁，石菊松，王涛,等.滑坡风险评估理论与技术[M]．北京:科学出版社，2012:31-32.

[15] 浙江省交通投资集团有限公司.高速公路高边坡安全风险检查评估指引(试行)[R]．浙江：浙江省交通投资集团有限公司，2012.

Zhejiang Communication Investment Group Co., Ltd., Guidelines for slope ranking system(trial edition) [R]. Zhejiang: Zhejiang Communication Investment Group Co., Ltd., 2012.

[16] 孙家齐，陈新民.工程地质(第4版)[M]．武汉:武汉理工大学出版社，2011:31-42.