公路边坡挡土墙安全风险评估方法研究

郑志山， 肖英姬， 解 钦， 孙 兵

(浙江数智交院科技股份有限公司, 浙江 杭州 310030)

0 引言

设置挡土墙是山区公路建设中为保证道路、山体和建筑物安全采用的一种工程措施，被广泛应用于路堤、路堑、隧道洞口以及桥梁两端的路基边坡等工程[1-2]。但是，随着道路运营时间增加，挡土墙在外力和内力作用下其安全状况可能发生较大变化，往往呈现出多种病害，如滑移倾斜、坍塌、墙体外鼓、墙身局部开裂、墙后填土沉陷、泄水孔堵塞、渗流涌水等。对挡土墙的安全风险进行评估能够提前发现挡土墙安全隐患，是保障公路交通安全运营的重要技术手段[3]。目前挡土墙安全风险评估的方法主要针对特定时期和地区的挡土墙,选取包含病变特征要素、检测要素和检算要素在内的挡土墙稳定性要素作为评分标准，对各个标准进行打分，最后根据分值评定等级，但是对挡土墙失稳破坏后导致滑坡灾害后果影响程度并未考虑[4-8]。鉴于此，本研究基于公路边坡挡土墙的自身结构与外界环境影响因素，提出以挡土墙稳定性和失稳后果2类共15个风险因子为评判指标的边坡挡土墙安全风险评估方法，以期为评估公路边坡挡土墙的安全性及评判安全等级提供参考依据，降低公路运营期间事故的发生概率及预防事故的发生。

1 公路边坡挡土墙安全风险评估指标选取与分析

1.1 稳定性评估指标

稳定性评估风险因子主要有10个。

1.1.1挡土墙高厚比(B)

挡土墙自身能力对其稳定性影响重大，如挡土墙墙身质量差，墙身抗滑、抗倾覆或抗剪强度不够，易导致挡土墙发生各种病害，影响挡土墙的运营安全。挡土墙本身的高度、厚度等几何特征(见图1)影响着其自身的抗倾覆、抗剪强度等能力。一般而言，挡土墙高厚比越小，其稳定性越高；挡土墙高厚比越大，其稳定性越低。因此，将挡土墙高厚比(B)作为评判挡土墙自身稳定性的重要指标之一，B=He/Bw，He=Hw(1+0.35 tanβ)+s/20，s为挡土墙墙顶超载等效均布荷载。

图1 挡土墙断面几何特征

1.1.2墙后材料(C)

挡土墙墙后填充材料的类型不同，挡土墙所受的土压力大小也不同。若墙后材料为坡积土、残积土、全风化或强风化岩石，挡土墙所受土压力相对较小；若墙后材料为填土等材料，挡土墙所受土压力相对较大。

1.1.3挡土墙破损状况(D)

投入使用多年的挡土墙，在外部作用和内部作用的共同影响下，将会出现不同程度的破损，包括墙体脱落、墙体移动、墙体裂缝、墙面外鼓等现象，这些现象均为挡土墙失稳破坏的前兆。

1.1.4墙顶区域渗水(E1)、表面排水(E2)、输水设施(E3)、渗流(E4)

该4项指标可归为水对挡土墙稳定性的影响因素，当挡土墙输水管漏水、泄水孔排水不畅时，将会浸湿软化墙背岩土，使墙背饱水、降低挡土墙土体的力学参数，削弱抗剪强度，且墙后受到的土压力随之增大，墙背产生动水和静水压力，将极大降低挡土墙的稳定性。

1.1.5挡土墙类型(F)

挡土墙的类型对其稳定性能有着至关重要作用，按照建筑材料类型可分为浆砌石挡土墙、片石混凝土挡土墙和混凝土挡土墙3类，其稳定性排序一般为：浆砌石挡土墙<片石混凝土挡土墙<混凝土挡土墙。

1.1.6历史失稳情况(G)

认识和掌握历史失稳破坏情况，有利于及时准确地把握和分析挡土墙病害，并对挡土墙病害的发展趋势做出合理的判断和预测。挡土墙失稳按照规模可分为整体性失稳、局部性失稳和结构性失稳，整体性失稳是指失稳波及整个墙体及墙后的土体，局部性失稳是指失稳波及部分墙体和土体，结构性失稳指只是使挡土墙结构破坏而墙后土体无变形。

1.1.7坡底角度(J)

一般而言，坡脚以下地形越陡，挡土墙的稳定性越低，发生失稳破坏后的致灾性也越强；坡脚以下地形越缓，挡土墙的稳定性越高，发生失稳破坏后的致灾性也越低。

1.2 失稳后果评估指标

失稳后果评估风险因子主要有5个。

1.2.1失稳对墙顶设施影响因子(K)

该指标主要评估挡土墙失稳导致边坡滑坡对墙顶设施影响程度，需根据挡土墙高度和墙顶以上设施距墙顶的距离确定。

1.2.2墙顶及墙脚地形特征影响因子(M)

挡土墙失稳导致边坡滑坡的后果影响程度与坡顶以上及坡脚以下地形特征紧密相关。一般而言，坡顶以上及坡脚以下地形越陡，发生的滑坡灾害破坏性越大；坡顶以上及坡脚以下地形越缓，发生的滑坡灾害破坏性越低。

1.2.3失稳对墙脚设施影响因子(L)

该指标主要评估挡土墙失稳导致边坡滑坡对墙脚设施影响程度，需根据边坡整体高度和挡土墙墙脚以外设施距墙脚的距离确定。

1.2.4失稳后果系数(N)

挡土墙失稳导致边坡滑坡，可能会造成道路堵塞，车辆掩埋等事故，严重危害交通安全，其灾害的影响程度与滑坡灾害的威胁对象有关，需根据滑塌灾害发生位置对滑坡后果进行评判。

1.2.5挡土墙高度修正系数(V)

挡土墙失稳可能导致边坡发生整体失稳、局部失稳或微小失稳，挡土墙自身失稳高度制约着滑坡规模，造成的滑坡后果也不同。因此，有必要根据边坡失稳规模修正挡土墙高度，作为评估挡土墙失稳破坏导致边坡滑坡后果指标之一。

2 公路边坡挡土墙安全风险评估方法、流程及评估各项取分标准

2.1 评估方法

本研究中公路边坡挡土墙安全风险评估包括稳定性因素评估、失稳后果影响因素评估两部分，采用安全风险分数RS(Risk Score)来表示公路边坡挡土墙安全风险程度，并根据RS将安全风险分为4个类别。

2.1.1安全风险分数RS

RS=NF×IS×CS/100

(1)

式中：NF为归一化因子，取值0.1；IS(Instability Score)为稳定性分数，根据影响边坡挡土墙稳定性的因素进行量化评估计算可得，IS=(B×C)+D+E1+E2+E3+E4+F+G+J；CS(Consequence Score)为滑坡后果分数，根据边坡挡土墙失稳发生滑坡的后果严重程度进行量化评估计算可得，CS=2×(K+L)×N×V。

2.1.2边坡安全风险分类

本研究根据安全风险分数RS将公路边坡挡土墙边坡安全风险等级划分为4类，分别为：I，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ。具体分类情况如表1所示。

表1 公路边坡挡土墙安全风险分类标准安全风险等级安全风险分数挡土墙技术状况I(0,45]稳定:挡土墙整体稳定,不需进行工程处理Ⅱ(45,55]欠稳定:挡土墙处于欠稳定状态,病害有发展,对行车安全尚未产生影响Ⅲ(55,60)不稳定:挡土墙病害发展较快,存在危及行车安全的可能,需要分期和逐步对挡土墙进行整治Ⅳ(60,+∞)危险:挡土墙整体稳定性严重不足,需及时整治

2.2 评估流程

进行公路边坡挡土墙安全风险评估时，首先需要明确安全风险评估需要的挡土墙信息，通过现场调查给所需检查的项目现场打分赋值；再通过室内整理资料，计算出稳定性分数和滑坡后果分数，得出安全风险分数,从而判断挡土墙安全风险类别。边坡检查评估项目可以分为挡土墙基础信息和现场调查信息两部分，如表2所示，具体评估流程如图2所示。

表2 边坡检查评估项目评估项目评估内容对应风险因子挡土墙断面几何特征B挡土墙墙后材料C挡土墙基础信息挡土墙类型F历史失稳情况G边坡地形地貌条件J、M评估内容不局限于以上所述内容挡土墙破损状况D挡土墙现场调查信息墙顶区域渗水、表面排水、输水设施、渗流E1、E2、E3、E4坡顶、坡脚地形特征J坡顶或坡脚的建筑物/构筑物及距离K、L

图2 公路边坡挡土墙安全风险具体评估流程

2.3 风险因子评分标准

2.3.1挡土墙稳定性风险因子评分标准

1)挡土墙高厚比(B)：主要依据挡土墙高度、厚度几何参数作评分，可将其评分分为5个等级，如表3所示。对应挡土墙高厚比B的分值，如果B>5，对任意类型的挡土墙[(Bw×C)+D]皆取200。

2)墙后材料(C)：按照“坡积土、残积土、全风化或强风化岩石”和“填土或未知”两类评分，具体评分标准如表4所示。

3)挡土墙破损状况(D)：根据挡土墙的墙体变形、位移、裂缝等破损情况评估，具体评分如表5所示。

表3 挡土墙高厚比(B)评分标准评定方法及依据得分4.2

表4 墙后材料(C)评分标准评定方法及依据得分填土或未知1坡积土、残积土、全风化或强风化岩石0.7

4) 墙顶区域渗水(E1)、表面排水(E2)、输水设施(E3)、渗流(E4)：其4项具体评分如表6所示。

5) 挡土墙类型(F)：主要根据浆砌石挡土墙、片石混凝土挡土墙以及混凝土挡土墙3类进行评分，具体评分如表7所示。

表5 挡土墙破损状况(D)评分标准评定方法及依据得分备注极严重的变形或破损:大部分墙体脱落、墙体位移超过从墙脚处引出的垂直线或位移量>75 mm、墙顶水平向连续裂缝宽度或墙体竖向裂缝宽度>0.6%h100严重的变形或破损:部分墙体出现脱落、墙体位移小于从墙脚处引出的垂直线或位移量≤75 mm、墙顶水平向连续裂缝宽度或墙体竖向裂缝宽度在0.2%h～0.6%h范围内70h是某处裂缝宽度测量点到墙脚(地面线)的高度。中等的变形或破损:小部分砂浆脱离、肉眼可观察到墙体轻微位移、墙顶水平向连续裂缝宽度或墙体竖向裂缝宽度在0.1%h～0.2%h范围内30中等的变形或破损:小部分砂浆脱离、肉眼可观察到墙体轻微位移、墙顶水平向连续裂缝宽度或墙体竖向裂缝宽度在0.1%h～0.2%h范围内0

表6 墙顶区域渗水(E1)、表面排水(E2)、输水设施(E3)、渗流(E4)评分标准名称评定方法及依据得分备注墙顶区域渗水(E1)表面排水(E2)输水设施(E3)渗流(E4)不足25%的墙顶区域有护面15有25%至75%的墙顶区域有护面1075%以上的墙顶区域有护面0墙顶上无排水设施,且墙顶以上区域有地表水汇聚15墙顶上无排水设施10墙顶上有排水设施但规模和数量不足5墙顶上有完善的排水设施,排水充分0有可能产生漏水的输水设施且发现有漏水迹象10有可能产生漏水的输水设施但尚无发现有漏水迹象5无可能产生漏水的输水设施0在半墙高或以上部位有渗流,流量≥1 m3/d15在半墙高或以上部位有渗流,流量<1 m3/d;或半墙高以下部位有渗流,流量≥1 m3/d10在半墙高以下部位有渗流,流量<1 m3/d,或墙面发现渗流痕迹5无渗流痕迹0① 墙顶区域是指墙顶以外Hw/2水平距离内的区域;② 如果墙顶区域内存在积水洼地,则本级评分提高一级取值,但最高不大于15应考虑墙顶外一倍墙高范围内所有可能在渗漏时对挡墙产生不良影响的输水设施,具体评估时应根据实际情况确定连续晴天时检查注意结合现场渗流痕迹、历史资料等信息

表7 挡土墙类型(F)评分标准评定方法及依据得分浆砌石挡墙30片石混凝土挡墙15混凝土挡墙0

6)历史失稳情况(G)：根据历史失稳规模评分，具体评分如表8所示。

7)坡底角度(J)：根据挡土墙下方坡底角度评分，具体评分如表9所示。

2.3.2失稳后果评估风险因子评分标准

1)失稳对墙顶设施影响(K)、失稳对墙脚设施影响(L)：主要根据挡土墙高度和墙顶以上设施距墙顶的距离，边坡整体高度和挡土墙墙脚以外设施距墙脚的距离，计算得到评分，具体评分如表10所示。

表8 历史失稳情况(G)评分标准评定方法及依据得分备注整体性失稳10整体性失稳是指失稳波及整个墙体及墙后的土体;局部性失稳是指失稳波及部分墙体和土体;结构性失稳指只是使挡土墙结构破坏而墙后土体无变形多次局部失稳或结构性失稳5局部失稳或仅有结构性失稳2无失稳或对以往发生的失稳采取了有效的补强加固措施0

表9 坡底角度(J)评分标准评定方法及依据得分α>35°6025°<α≤35°3015°<α≤25°15α≤15°或墙脚下无自然山坡0

2) 墙顶及墙脚地形特征(M)：根据挡土墙上部坡顶角度或下部坡底角度评分，具体评分如表11所示。

3) 失稳后果系数(N)：主要根据挡土墙失稳导致的滑塌灾害影响程度与威胁对象评分，具体评分如表12所示。

表10 失稳对墙顶设施影响(K)评分标准名称评定方法及依据得分备注失稳对墙顶设施影响(K)当K>0时计算得出K=4[(1.2Hw-P)/(1.2Hw)],式中: Hw为挡土墙高度,P为墙顶以上设施距墙顶的距离,m当K<0时0失稳对墙脚设施影响(L)当L>0时计算得出L=8[(2+M)H-Q]/[(2+M)H],式中:H为边坡高度,Q为墙顶以上设施距墙顶的距离,m当L<0时0

表11 墙顶及墙脚地形特征(M)评分标准 名称评定方法及依据得分坡顶角度β<35°且坡底角度α<15°0坡顶角度β≥35°0.315°≤坡底角度α<30°0.6墙顶及墙脚地形特征(M)坡底角度α≥30°0.9坡顶角度β≥35°且15°≤坡底角度α<30°1.2坡顶角度β≥35°且坡底角度α≥30°1.5

表12 失稳后果系数(N)评分标准名称评定方法及依据得分失稳后果系数(N)隧道口边坡1.4可能造成较大及以上安全事故,或可能会造成严重交通拥堵或大面积滑坡(>500 m3)1.25其它不属于上述的边坡1

4) 挡土墙高度修正系数(V)：根据挡土墙失稳程度评分，具体评分如表13所示。

表13 挡土墙高度修正系数(V)评分标准名称评定方法及依据得分整体失稳挡土墙高度修正系数(V)局部失稳V=n×Hw,若Hw>20 m,则Hw取20 m;n对应滑坡稳定因子,整体失稳、局部失稳、微小失稳分别取值1.0、0.7、0.4微小失稳

3 实例分析

3.1 项目基本信息

以某省道沿线两侧的7处挖方高度超过20 m的岩质边坡挡土墙为例，进行公路边坡挡土墙安全风险评估方法应用。该段道路沿线两侧的7处边坡以锚索锚固的格栅生态挡土墙为下部基础，上部施以锚杆+主动网+爬藤绿化防护形式进行治理，图3为边坡的治理工程格栅生态挡土墙示意图，图4为格栅生态挡土墙现场拍摄图。

其中，格栅挡土墙由立柱与搁板构成，搁板倾斜放置于立柱之间，倾斜角度45°，搁板上方可装耕植填土绿化；立柱埋深0.4 m，露出地表4 m，两根立柱间距4.8 m，由锚索锚固于边坡前方；格栅挡土墙立柱及搁板均采用预制形式，立柱放置于C20砼浇筑的基础上。

图3 某省道沿线7处边坡治理工程格栅生态挡土墙示意图(单位： cm)

图4 格栅生态挡土墙现场拍摄图

目前，该段道路沿线两侧的7处边坡格栅生态挡土墙整体处于稳定状态，未见明显的病害，但局部存在墙后填土受雨水冲刷、墙面轻微裂缝等问题。7处边坡格栅生态挡土墙主要信息如表14所示。

3.2 安全风险评估结果

根据评估方法、评估流程及评分标准，实际应用中基于Excel软件编辑了安全风险分数计算表

表14 某省道沿线7处边坡挡土墙主要信息列表挡土墙编号边坡高度/m坡顶角度/(°)坡底角度/(°)坡顶设施距坡顶的距离/m坡脚公路距坡脚的距离/m挡土墙高度/m挡土墙厚度/m历史失稳情况主要病害1335545〛墙后填土受雨水冲刷较严重、填土沉陷2386075墙面存在裂缝3348375较好4227260004.401.00无较好5266575墙面存在裂缝,墙后填土受雨水冲刷较严重、填土沉陷6287080墙面存在裂缝7578075墙后填土受雨水冲刷较严重、填土沉陷

格。基于某省道沿线两侧的7处岩质边坡挡土墙信息(边坡高度、倾角、挡土墙高度、厚度、历史失稳情况等)，并通过现场调查安全风险评估所需检查的项目(挡土墙破损情况、排水渗水情况、坡顶坡脚设施等)，计算出该7处边坡挡土墙的稳定性分数IS、失稳后果分数CS以及安全风险分数RS，实现了对这7处边坡挡土墙安全风险评估。评估结果显示该沿线7处边坡挡土墙风险类别均为Ⅰ类，如表15所示。

从评估结果可以得出，该沿线7处边坡挡土墙整体稳定性较好，可根据安全风险类别确定养护对策，不需进行工程处理，以日常养护为主。

表15 某省道沿线7处边坡挡土墙安全风险评估结果汇总挡土墙编号稳定性分数IS滑坡后果分数CS风险分数RS风险类别1250.00132.0033.00Ⅰ2200.0092.4018.48Ⅰ3165.0092.4015.25Ⅰ4180.00132.0023.76Ⅰ5240.00132.0031.36Ⅰ6200.00132.0026.40Ⅰ7210.0092.4019.40Ⅰ

4 结论

本研究基于公路边坡挡土墙的自身结构因素(挡土墙高厚比、类型、破损状况、历史失稳情况、墙顶及墙脚地形特征等)与外界环境影响因素(挡土墙墙后材料、墙顶区域渗水、表面排水、输水设施、渗流、坡底角度等)，并考虑失稳后果影响，构建了稳定性评估和失稳后果评估2类共15个风险因子的安全风险评估方法。将该方法应用于某省道沿线两侧的7处边坡挡土墙进行安全风险评估，取得合理的评估结果。本文的研究工作总结如下：

1) 分析了影响挡土墙安全的自身结构因素(内部因素)、外界环境因素(外部因素)，选取10个稳定性评估指标[(挡土墙高厚比(B)、墙后材料(C)、挡土墙破损状况(D)、墙顶区域渗水(E1)、表面排水(E2)、输水设施(E3)、渗流(E4)、挡土墙类型(F)、历史失稳情况(G)与坡底角度(J)]和5个失稳后果评估指标作为边坡挡土墙安全风险评估指标。

2) 提出的公路边坡挡土墙安全风险评估方法是基于边坡、挡土墙的基本信息，并通过现场调查给安全风险评估所需检查的影响因素打分赋值，计算出挡土墙的稳定性分数IS、失稳后果分数CS和安全风险分数RS。实际应用中利用Excel编辑了边坡挡土墙安全风险分数计算表格，可快速、经济地判断挡土墙的安全状况。