乌尉高速公路边坡稳定性综合评价

李元松，高 晖，陈 峰，王亚军，闫海涛，王章琼，肖尊群(.武汉工程大学资源与土木工程学院，湖北 武汉 430073；. 中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 43005)

随着“一带一路”国家发展战略的逐步实施与推进，西部高寒、高海拔、高地震烈度(俗称“三高”)地区高速公路建设快速发展，如何对高陡边坡稳定性进行快速有效评价，已成为公路建设中亟待解决的技术难题[1～2]。由于“三高”地区地形地质条件复杂，河谷发育，深切割剧烈，新构造运动活跃，沿线高陡边坡林立，加上初步勘察阶段工期紧迫，传统单一判据的方法已不适用于复杂地质环境下边坡稳定性评价[3～4]。因此，建立“三高”地区边坡岩体质量分级体系，寻找边坡稳定性简便、快速评价方法，具有广泛的应用前景。

本文拟以G0711乌尉(乌鲁木齐至尉犁)高速公路K53-K78段边坡稳定性评价为背景，探讨“三高”地区边坡岩体质量分级体系，尝试多判据综合评价法在边坡稳定性评价中的应用。

1 沿线工程地质概况

1.1 地形地貌

路线跨越天山山脉，呈中间高、南北低的态势。北端起点仓房沟一带海拔约1 100 m，向南沿 G216 渐次爬升至后峡(2 020 m)，再到路线最高点胜利达坂东侧(冰达坂4 238 m)，后顺沟下行至乌拉斯台(胜利桥约2 570 m)、巴伦台(约1 760 m)，在黄水沟(毛额特)一带(1 290 m)出山。主要为中山峡谷地貌，沟谷呈V型，谷坡山势陡峻，多悬崖；沟底沉积物少，易发洪水。

1.2 地层岩性

路线走廊带分布自元古界—古生界—中生界—新生界的地层以及花岗岩体，岩性复杂多样。研究段地层主要为石炭系奇尔古斯套群(C1qr)灰绿色、灰黑色凝灰岩、粉砂岩、泥岩夹砾岩、硬砂岩、长石砂岩、灰岩、火山角砾岩，泥盆系天格尔组(D3tc)葱绿色泥岩、凝灰质硅质岩、凝灰岩、凝灰砂岩及硅质岩、砾岩和(D3tb)凝灰粉砂岩、凝灰砂岩、硅质岩、泥质粉砂岩夹凝灰岩和灰岩透镜体。

1.3 构造与地震

路线区属天山构造带，经历多期褶皱、断裂、抬升等运动，形成如今的构造格局。总体上，路线走向与区域构造线多大角度相交，较为有利。根据 GB 18306—2015[5]，路线地震动反应谱特征周期为0.40～0.45 s，地震动峰值加速度为0.10g～0.20g。根据区域资料，新构造运动以山脉的隆起抬升及南北两侧的盆地下降为主要方式。

1.4 不良地质

(1)崩塌与岩堆，由于线路顺天山的峡谷布置，沟谷切割深，岸坡陡峭，基岩裸露，风化强烈，导致沿线崩塌作用发育；(2)泥石流，由于山势陡峻，风化严重，雨季降水与积雪融化导致泥石流；(3)积雪及冰川，公路翻越天山山脉，在高海拔地段可见有积雪和冰川；(4)涎流冰，路线大部分修筑在寒冷地区，往往会遇到涎流冰的危害，影响交通，威胁行车安全；(5)河岸冲刷，拟建公路大部分顺乌鲁木齐河谷布置，属典型的山区河流，水量随降雨暴涨快跌，山洪期间对河岸的冲刷明显。

沿线主要工程地质概况及地质灾害分布见图1。

图1 乌鲁木齐至尉犁段高速公路地质灾害分布图Fig.1 Geological disaster distribution in Wu—Yu highway

2 边坡变形破坏模式

边坡变形破坏模式与岩体的结构特征密切相关。岩体结构分为层状结构、块状结构、碎裂结构和散体结构。其中，层状结构岩体可根据层面与坡面的空间关系进一步划分为：顺向岩质边坡、反向岩质边坡、切向岩质边坡三种类型[3](表1)。

调查路段30个岩质边坡中，层状岩质边坡问题比较突出。

表1 顺向、反向岩质边坡划分标准Table 1 Classification standard of forward and reverse rock slope

2.1 中-缓外倾岩质边坡拉裂-滑移破坏

边坡岩层倾向与边坡倾向相同，层面对边坡破坏面起控制作用。研究区顺层边坡多发育两组以上构造节理，层间软弱面分布较多，岩块强度对边坡稳定性有影响但不起控制作用，软弱面一般为滑移面，当上覆岩体的下滑力大于滑面上的抗滑力时，边坡岩体沿下伏软弱面向坡前临空方向滑移，并使滑移体拉裂解体。当坡体下部滑移受阻时，发生弯曲变形直至贯通破坏。

2.2 中-陡(内)外倾岩质边坡倾倒破坏

当岩层面倾角大于坡面倾角时，软弱结构面在倾向方向无自由临空面，岩层面一般不会导致边坡发生滑移破坏，而易发生倾倒破坏。岩体在自重作用下，于前缘开始向临空方向作悬臂梁弯曲，并逐渐向坡内发展，导致坡体后缘开裂，形成平行于走向的反坡台阶和槽沟，根部折断，当坡体内折断带的剪应力超过其抗剪强度时，坡体逐渐错动下滑形成倾倒塌滑体。

2.3 中-缓内倾反向岩质边坡

这类边坡属于比较稳定的结构类型，不具备产生变形破坏的基本地质条件，调查路段没有这种结构类型的边坡。

2.4 近直立状岩质边坡-崩塌(碎落)破坏

该类边坡岩体存在近直立状结构面，结构面对边坡稳定起控制作用。坡上岩体在重力作用下，发生突然急剧的倾落运动。崩塌体与坡体的分离界面往往是倾角很大的不连续面，如节理、片理、劈理、层面、破碎带等，崩塌体的运动方式为倾倒、崩落与碎落。

3 边坡稳定性评价方法

G0711K53-K78段地处“三高”地区，地质条件复杂，且时间紧，任务重，初测阶段资料匮乏，可利用数据极少，全面系统地评价每一边坡的稳定性非常困难。因此针对该工程特点采用必要的简化处理，其技术思路如图2所示。

3.1 修正的边坡岩体质量分级方法——THRSMR法

岩质边坡稳定性主要受岩体结构控制，岩体质量分级能充分反映岩体结构特征。张元才[6]针对天山地区高寒高海拔、冻融作用强烈的特点，对坡高修正系数ξ及结构面条件系数λ进行系统调整，并引入冻融系数δ，建立了适用于天山公路的边坡岩体质量评价体系TSMR，其综合评分值由式(1)确定：

TSMR=δξRMR-λ(F1F2F3)+F4

(1)

式中：F1——不连续面倾向与边坡倾向关系调整值；

F2——不连续面倾角大小调整值；

F3——不连续面与坡面倾角关系调整值；

F4——边坡开挖方法调整参数。

TSMR体系综合考虑了岩石强度、岩体完整性、结构面与坡面产状关系、坡高、冻融循环等因素，但未考虑地震因素的影响。本文根据拟静力法，将地震力等效为作用于边坡块体的水平力，针对TSMR的评级结果，利用GEO-SLOPE软件进行大量计算与统计分析，结合类似工程的实践经验，提出适用于“三高”地区的岩体质量分级体系THRSMR(three high region slope mass rating)，计算公式如下：

THRSMR=β[δξRMR-λ(F1F2F3)]+F4

(2)

式中：β——考虑地震力的修正系数，取值见表2。

其余参数与TSMR体系相同。

表2 地震作用系数βTable 2 Coefficient of seismic action β

THRSMR体系仍沿用TSMR体系的分级标准，即最大值为100，最小值为0，以20分划分等级，共分为5级[7～8]。THRSMR的合理性验证，作者将另文详细介绍。

3.2 基于Monte Carlo的可靠度评价

关于Monte Carlo法计算原理有诸多报道[9～10]，本文仅对其实施步骤作简要归纳：

(1)确定边坡分析剖面，选择适合工程地质力学模型的破坏模式；

(2)确定影响边坡稳定性各个变量的概率分布和分布参数，包括强度参数(c、φ)、容重等参数；

(3)根据已判定的破坏模式，确定最危险的潜在滑移面；

(4)根据随机变量{x1，x2，…，xn}的分布函数和参数，随机地抽取同分布的一组随机数x1，x2，…，xn；

(5)由所建的状态方程式计算一个函数值，取得安全系数的一个样本；

图2 研究技术路线图Fig.2 Technical flow chart of the research work

(6)重复(4)、(5)直至达到预期的精度要求的试验次数N；

(7)由N个安全系数拟合其概率分布F(k)，估计均值μk、标准差σk，统计安全系数小于等于1的次数M；

上述(4)到(7)计算工作量大，Geo-Studio软件中的Slope模块可以方便实现上述功能。其输出结果见图3～4。

图3 概率密度Fig.3 Probability density function

图4 概率分布Fig.4 Probability distribution function

通过计算边坡的可靠度指标和破坏概率，充分反映各种不确定性因素对边坡的影响，能更全面地体现边坡的稳定状况，避免了安全系数使用过程中的绝对化。

3.3 基于多判据的模糊综合评价法

相对于G0711乌尉段，位于高寒、高海拔和高地震烈度地区，这类规模大、地质条件复杂、各种影响因素交织且勘察资料严重不足的高陡边坡稳定性评价而言，前述各种计算方法所得结论也只是单一理论模型的计算结果。尽管建模过程以及各种参数的确定过程中，也考虑了专家的经验，但这种结论仍然是基于半经验半理论的分析结果，暂称之为稳定性基础评价。由于地质体的复杂性，边坡工程问题是信息不全、信息模糊问题，因此必须引入更为综合性的评估方法，才能得出相对客观的评估结论，而模糊综合评价理论正适用于解决此类问题。本次研究在前述单一方法所得评价结论的基础上，尝试利用模糊综合评价模型对G0711高速公路乌尉段典型边坡的稳定性进行进一步的综合评定。

3.3.1评判指标

(1)定性评价M1

对于岩质边坡选择THRSMR评价法的结论，作为稳定性进一步评价的基础指标。按百分制打法，分为五级：[80,100]，Ⅰ(稳定)；[60,80)，Ⅱ(基本稳定)；[40,60)，Ⅲ(潜在不稳定)；[20,40)，Ⅳ(欠稳定)；[0,20)，Ⅴ(不稳定)。

对于土质或岩土混合边坡，传统定性方法中尚无与岩质边坡稳定性分级相对应的评价方法，因此，本次研究将初级模糊评价结论作为进一步评价的基础指标。评价结果是Ⅰ(稳定)，Ⅱ(基本稳定)，Ⅲ(潜在不稳定)，Ⅳ(欠稳定)和Ⅴ(不稳定)五级，属离散型指标。

(2)极限平衡法M2

极限平衡法的计算结果为总体安全系数，为连续性指标。安全系数F>1.2为稳定，Ⅰ级；1.1～1.2为基本稳定，Ⅱ级；1.05～1.1为潜在不稳定，Ⅲ级；1.00～1.05为欠稳定，Ⅳ级；<1.0为不稳定，Ⅴ级。

(3)数值计算法M3

本次研究应用的数值计算方法主要以有限单元法为主(代表性计算软件MIDAS-GTS、ABQUES、GEO-slope/SIGMA)、有限差分法(FLAC3D)和离散单元法为辅(UDEC5.0)，采用强度折减法。

强度折减法的结果也为总体安全系数，为连续性指标。安全系数F>1.2为稳定，Ⅰ级；1.1～1.2为基本稳定，Ⅱ级；1.05～1.1为潜在不稳定，Ⅲ级；1.0～1.05为欠稳定，Ⅳ级；<1.0为不稳定，Ⅴ级。

(4)可靠性评价法M4

可靠性评价结果统一以失效概率输出，属连续变量。失效概率Pf<0.05，为稳定，Ⅰ级；0.05≤Pf<0.075，为基本稳定，Ⅱ级；0.075

3.3.2权重确定

根据前节选定指标，采用AHP与专家评分等综合方法[11～13]，计算各评价方法的权重如表3所示。

表3 乌尉高速边坡稳定性评价指标Table 3 Evaluation criteria for stability for slope along the Wu—Yu highway

3.3.3隶属度计算

对于离散型指标，先按一定准则作量化处理，即将因素分成5个等级：Ⅰ(0.9)，Ⅱ(0.7)，Ⅲ(0.5)，Ⅳ(0.3)和Ⅴ(0.1)。然后取梯形函数作为隶属度函数，对于连续性指标，取岭型分布函数为隶属度函数[14～16]。

3.3.4计算模型

依据模糊综合评判理论，结合专家经验，评价步骤如下：

(1)评语集={稳定Ⅰ，基本稳定Ⅱ，潜在不稳定Ⅲ，欠稳定Ⅳ，不稳定Ⅴ}；

(2)因子集= {定性分析,极限平衡分析，数值分析，可靠度分析}；

(3)因子权重采用AHP方法，A=[0.3462，0.2692，0.1923，0.1923]T。

(4)根据各因素隶属度函数，确定模糊隶属度，从而建立各研究边坡的单因素评判矩阵Ri。

(5)按下式进行模糊综合运算

(3)

(6)根据最大隶属度准则对边坡稳定性进行模糊综合评判。

4 评价结果

利用上述方法，将研究区边坡典型观测点的稳定性进行模糊综合评判，其结果见表4。可以看出，研究区段36个边坡中，自然状态下围岩稳定性等级为Ⅰ级的11个，Ⅱ级17个，Ⅲ级8个；地震工况下围岩稳定性等级为Ⅱ级的1个，Ⅲ级24个，Ⅳ级4个，Ⅴ级7个，可见地震作用是该区段边坡稳定的重要影响因素。

另一方面，从表4还可以看出，极限平衡法的计算结果与定性分析结果基本一致，而数值分析法所得安全系数值略偏大，可靠度评价法的结果决定于强度参数的离散性特征。这也是从另一侧面说明综合评判模型中所选权重的合理性。

5 结论

(1)研究区段36个边坡中，自然状态下围岩稳定性等级为Ⅰ级的11个，Ⅱ级17个，Ⅲ级8个；地震工况下围岩稳定性等级为Ⅱ级的1个，Ⅲ级24个，Ⅳ级4个，Ⅴ级7个，可见地震作用是该区段边坡稳定的重要因素。

(2)极限平衡法与定性分析结果基本一致，而数值分析法所得安全系数值略偏大，可靠度评价法的结果决定于强度参数的离散性特征。

(3)本文引入地震作用系数β，对TSMR体系进行的修正；基于多判据的评价方法能综合考虑专家经验，集多种方法的结论于一体，有效克服传统单一判据所得结论可信度偏低的缺陷，符合岩土工程学科特点，适用于“三高”地区公路边坡稳定性快速评价。

表4 G0711乌尉高速WYSJ-1合同段K53-K78岸坡稳定性综合评价Table 4 Comprehensive evaluation of slope stability at K53-K78 section in G0711 of the Wu—Yu highway

*注：表中边坡稳定性最终等级的划分标准与极限平衡法相同。