路堑高边坡设计安全风险评估研究

刘 政 杨 宏 刘明俊 张位华 周 娟

(1.贵州省公路工程集团有限公司 贵阳 550001；2.贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳 550081)

引言

路堑高边坡失稳风险长期存在于公路建设和运营中,使用科学合理的方法进行安全风险评估并给出控制措施，提高边坡的安全性，具有重要意义。近年来，国内边坡风险管控逐步得到重视，研究者提出了一系列风险评估体系或风险评价指标来指导边坡风险管控[1-5]。然而，现阶段研究成果大多集中在区域地质灾害危险性区划、施工阶段边坡风险评估、运营阶段边坡养护管理方面，对设计阶段边坡安全风险评估的研究较少[6-9]。在全过程安全管理思想的指导下，迫切需要从设计阶段就开展边坡风险评估。

本文以贵州省黔西南州兴义环城高速公路ZK47+728.5～ZK48+820路堑高边坡为依托，建立适用于依托工程的风险评价指标体系，并开展设计阶段边坡安全风险评估，为边坡风险管控提供参考。

1 风险评估框架体系

在欧美发达国家，路堑边坡风险评估普遍采用定量方法，而我国大多采用定性或半定量方法。定性估算方法较为粗略，但可实现公路沿线边坡风险的估测及排序，并对危重工点的遴选及区分设计工作的深度十分有用；定量估算方法更科学合理，但工作量大，操作难度高[10]。在充分分析边坡风险管控适用性、操作性的基础上，采用指标体系法定量评估依托工程路堑高边坡设计风险概率，结合风险后果等级，采用风险定性评价矩阵确定边坡风险等级。

1.1 风险评估指标体系

建立一套易于实施的评价指标体系如图1所示，目标层为边坡风险发生概率等级，第二层和第三层为评价指标。自然地质环境、勘察技术、设计技术三类风险源共包含10个评价指标，各指标赋值范围均为0～100，越危险赋值越高。

图1 风险发生概率分级指标体系

1.2 风险概率等级

指标体系法主要是采用“按评估指标重要性排序确定权重取值”的方法确定权重。风险指数P根据各评价指标分值和对应的权重系数按式(1)确定，对照表1的分级标准确定风险发生的概率等级。

表1 风险发生概率等级判断标准

P=λ∑γijXij

(1)

式中：P—边坡风险指数；Xij—各评价指标分值，i=1，2，……，n；j=1，2，……，m；n为典型风险源分类项次，m为对应第i类评估指标包括重要指标的数量；γij—各评价指标对应的权重。

边坡评价指标权重γij应按式(2)确定。

(2)

式中：y—指标重要性序号，y≤n。

1.3 后果评估

边坡失效后果具有时空差异性，依赖于边坡失稳时间、附近建构(筑)物分布及人口密集程度等。设计阶段后果分析是基于现状调查以及建设过程和建成后边坡影响区的虚拟分析，及来源于潜在危害区内现有和施工过程中投入的人、设备和设施的估计和运营过程中构筑物分布、交通量及其相关环境影响的预测，准确量化边坡失稳后果比较困难。设计阶段承灾体以现有或拟建基础设施、建筑物和工程结构及相应的工作或居住人员等固定型承灾体为主，风险后果从轻到重分为1～5级，当多种后果同时产生时，采用“就高”原则确定。风险后果采用专家调查法估测。

1.4 风险分级及防控对策

根据风险发生概率等级和后果严重程度等级，按表2确定边坡工程设计安全风险等级，相应的风险等级、风险接受程度以及应对措施为：①Ⅰ级(低风险)可忽略，不必采取额外预防措施，严格日常生产管理；②Ⅱ级(中风险)可容许，需采取一定的风险防控措施，加强施工组织设计和动态设计；③Ⅲ级(高风险)基本不可接受，应实施削减风险的应对措施，加强勘察设计、咨询及重点监测；④Ⅳ级(极高风险)不可接受，应组织专家进行论证，采取有效应对措施将风险等级降到Ⅲ级以下水平，加强勘察设计及重点监测，必要时调整线路位置。

表2 风险等级表

2 工程实例

兴义环城高速公路项目位于贵州省西南部高原山区，属中低山溶蚀地貌类型。沿线地质结构相对单一，不良地质主要是局部发育的崩塌堆积体、危岩体以及岩溶。地形条件差，路基高边坡较多，顺层高边坡问题突出。以ZK47+728.5～ZK48+820段顺层边坡为例，进一步对风险概率评估指标及风险分级等进行说明。该顺层边坡横断面如图2所示。

图2 边坡典型横断面图

2.1 风险概率等级判定

通过对收集的资料及获取的信息进行分析，对照表1确定各项指标取值。

(1)地层岩性：坡体基岩为三叠系中统杨柳井组白云岩，层间夹泥化夹层泥膜，为易滑岩组。

(2)坡体结构：基岩为25MPa较软岩。主要结构面为层面及两组节理，节理间距200～400mm，基岩为薄层至中厚层状。结构面张开度1～3mm，结合差。边坡开挖坡向80°，岩层倾向68°倾角40°，为顺向坡。

(3)气象与水文地质条件：场区多年平均降水量1342mm，日最大降雨量186.11mm。开挖坡顶以上为反坡，无汇水。地下水类型主要为第四系松散类孔隙水、碳酸盐岩类岩溶水，场区地下水补给面积小、径流途径短、排泄速度快，埋藏较深，坡面未见地下水渗出痕迹。

(4)区域地质条件：场区无断层通过，地震动峰值加速度0.05g。

(5)自然环境条件：路堑所在斜坡植被茂盛，以灌木林为主，场区无不良地质。

(6)勘察外业：勘察范围、勘察方法合理，满足规范要求，勘察外业资料完备。由于场地条件的原因，未进行钻探施工，共1条勘探断面、1个挖探点，高密度电法1条。

(7)勘察内业：岩土参数取值全面、合理。采用赤平投影进行定性分析，结合平面滑动面解析法进行定量计算，边坡评价、计算方法选择正确，边坡稳定性评价结论合理。

(8)边坡规模：最大坡高66m，路堑边坡超过所在自然斜坡比拟坡度约11°。

(9)结构方案：处治方案见表3。锚索为拉力型，属中等规格，抗滑桩为悬臂式，属常规支护结构(下限规格)。锚索长16.5m，抗滑桩长19m，分别属于常规尺寸(下限规格)及常规尺寸(中等规格)，按“就高”原则考虑。

表3 边坡处治设计方案

(10)设计文件：图件完整，有破裂面位置，有计算参数，有滑坡推力大小，有工程措施的抗滑力计算，提出了施工安全事项。

根据该边坡的实际情况，通过专家咨询及小组讨论得出指标重要性的排序，根据公式(2)计算权重系数，各项指标的重要性排序及评分值如表4所示。边坡风险指数P=64.8根据表1，边坡风险概率发生等级为5级。

表4 依托工程评估指标重要性排序及分值

2.2 风险等级及管控措施建议

拟建高速公路下方有一运营中的省道，设计阶段边坡风险后果主要是对该省道造成的破坏。该高边坡坍塌范围按L=2.5H估算，省道距离边坡坡脚约130m，位于边坡破坏范围内，边坡坍塌可能破坏省道路基。结合现场调研及专家咨询情况，边坡失稳后果严重程度等级为3级。

根据表4，依托工程边坡设计风险等级为IV级(极高风险)，应组织专家论证，采取有效应对措施将风险等级降到Ⅲ级以下水平，加强勘察设计及重点监测。由于该工点设计阶段未能进行钻探，建议在施工阶段、边坡开挖之前进行补充勘察，或者严格执行动态施工；并执行动态设计，加强施工监测。

3 结语

(1)通过对贵州省某路堑高边坡工程实际进行分析，提出风险评估方法及框架体系，建立了路堑高边坡设计风险评估指标体系。

(2)将风险评估体系应用于工程实例，进行边坡风险评估。提出的风险评价指标体系及方法,可操作性较强，评价结果可信度较高，可为下一阶段风险评估及管理提供依据。

(3)区域边坡风险管控还需基于大量实际工程开展更深入的研究，进一步对评估指标及其重要性排序进行检验、修正和完善，并加强风险后果定量评估研究，为区域边坡风险管控做好服务。