超高路堑边坡施工过程的定量风险评估

吴昊城，王 浩，黄晓毅，李先忠，罗金妹

(1. 福州大学 环境与资源学院，福建 福州 350116；2. 地质工程福建省高校工程研究中心，福建 福州 350116；3.中化地质矿山总局福建地质勘查院，福建 福州 350013)

0 引言

我国是世界上地质环境较为脆弱，地质灾害多发的国家之一。在过去的数十年，随着人口的增长和土地利用扩张，诱发的滑坡及其次生灾害已造成了大量的人口伤亡和经济损失[1]。近年来，山区高速公路建设涌现出不少超高路堑边坡，由于其具有体积规模巨大、地质条件复杂、环境状况恶劣、影响因素众多等特点而具有相当程度的复杂性，从而造成了公路建设及运营阶段的人员生命安全与经济财产损失[2-4]。

目前国际上将路堑边坡风险管理归入滑坡泥石流等广义的滑坡风险管理当中，至今已研究30余年。2005年温哥华滑坡风险管理国际会议提出的滑坡风险管理理论框架[5]，是目前国际上主流和应用最广泛的滑坡风险评估技术框架。2015年我国交通运输部出版了《高速公路路堑高边坡工程施工安全风险评估指南(试行)》[6]，初步提出了高速公路边坡施工安全风险评估的基本流程与方法。

施工阶段是超高路堑边坡安全控制的重要阶段，亦是边坡灾害多而严重的阶段，因此超高路堑边坡施工阶段风险评估在边坡动态设计及建造过程中占有重要地位。本研究以福建省最高的双永高速公路K227滑坡为例[7-8]，系统研究边坡施工过程定量风险评估的技术方案及关键计算参数的确定方法，实现边坡施工阶段潜在风险损失的定量估测，并据此确立合理的施工组织方案，以达到了施工安全风险防控的目标。

1 边坡工程概况

本研究依托项目工程为福建龙岩双永高速公路K227+635～+745段左侧超高路堑边坡(以下简称K227滑坡)。边坡开挖10级后产生整体变形破坏，经卸载反压及桩锚加固后，形成开挖18级、总高达到140 m的超高路堑边坡，为目前福建省高速公路系统最高的路堑边坡工点。

1.1 边坡工程地质条件

K227超高路堑边坡为反倾层状泥质粉砂岩坡体结构，该边坡地质构造极为发育，受边坡左侧F106E-A压扭性断层影响，节理裂隙发育、岩体破碎；场地母岩为粉砂岩，因局部花岗岩脉侵入并产生变质作用，形成了以粉砂岩为主、花岗岩脉与变质砂岩混杂的极为复杂的坡体地质结构。该地质条件对K227滑坡的演化发展产生极为不利的影响，对工程的治理及风险分析评估提出了严格的要求。

1.2 边坡周边环境条件

边坡场地年降雨在1 400～1 800 mm之间，水量丰富，动态变化大。坡体前缘紧邻双永高速公路荷花大桥段落，左右两侧邻近隧道口(详见图1)，造就了坡体周边复杂多样的建构筑物影响，对滑坡风险评估提出了较高难度与精度要求。

图1 K227滑坡周边环境Fig.1 Surrounding environment of K227 landslide

1.3 边坡滑坡灾害过程及特征

边坡前期开挖形成10级裸露坡面，卸荷松动效应明显，并经历持续半个月的连续降雨，雨水入渗坡体恶化了边坡的水文地质条件，同时缺少有效加固措施，最终导致边坡整体变形，形成体积约20万m3的中型路堑滑坡。由于边坡超高，且临近施工中的荷花大桥、荷花隧道及増瑞隧道等3座重要构筑物，滑坡治理方案的优选及施工过程的安全控制均具有相当的难度，迫切需要开展系统性的边坡施工过程风险评估及管理。

2 滑坡灾害过程的定量风险评估

2.1 边坡风险评估技术方案

路堑边坡定量风险评估属于广义的滑坡灾害风险评估范畴，但是又需要结合路堑边坡的特点确定具体的风险评估技术方案才能顺利实施。王浩[9]提出了基于霍尔三维结构的路堑边坡系统分析模型，将路堑边坡风险评估及管理分为风险分析、风险评估、风险管理3个工作阶段和逻辑层次，并提出了路堑边坡定量风险评估中确定边坡的破坏概率、承灾体的时空概率、滑坡到达承灾体的概率、承灾体易损性等具体参数取值的思路与方法，形成了路堑边坡全寿命周期风险评估及管理的一套技术方案[10-11]。具体见图2。

图2 路堑边坡风险评估及管理框架Fig.2 Framework for risk assessment and management of cutting slope

采用图2提出的路堑边坡风险评估技术框架，对K227滑坡灾害发生过程中的人身伤害及财产损失进行定量评估，既是对滑坡灾害风险的反演分析，也是确定施工过程风险评估及管理的重要依据。

2.2 危险性分析

K227滑坡在按照最初设计的11级刷坡方案开挖10级，且未能及时施作有效的工程控制措施，产生变形破坏，且边坡稳定状态有不断恶化的趋势，可能造成严重的人员伤亡及财产损失。通过分析该边坡初勘、补勘、监测、施工等资料，查明边坡变形特征及滑体空间规模，建立边坡工程地质模型，进行滑坡灾害的危险性分析。由于单一的安全系数很难完全体现边坡岩土体参数变异性问题，故应用边坡可靠性指数和破坏概率的概念[12]，结合蒙特卡罗法[13]，计算获得边坡破坏概率PL。

K227滑坡岩土主要分层为坡积含角砾粉质黏土、砂土状强风化泥质粉砂岩、构造蚀变带、构造破碎带、碎块状强风化泥质粉砂岩、弱风化泥质粉砂岩。采用深部位移监测查明滑动带的空间特征及其依附地层主要有滑坡中部的构造蚀变带、构造破碎带及局部碎块状强风化泥质粉砂岩，根据土工试验统计分析体现的岩土力学参数离散程度，并结合龙岩地区公路领域的经验，确定滑动带依附地层的岩土力学参数特征值，见表1。

表1 滑动带依附地层岩土力学参数特征值Tab.1 Geotechnical characteristic parameters of sliding zone attaching stratum

假定滑动带岩土力学参数服从表1所列的标准正态分布，采用图3所示的K227边坡初始设计方案的开挖模型，在GeoStudio软件中进行5 000次蒙特卡罗模拟，求取边坡破坏概率的稳定值及其分布特征，获得图3所示开挖条件下的边坡稳定系数概率分布图。得到边坡稳定系数Fs主要分布范围在0.8～1.2之间，均值为0.963，可靠性指数为0.482 97，失效概率P=69.580%,即边坡稳定系数Fs的期望值为0.963。这表明K227滑坡在开挖且未加固的条件下，最可能出现的状态是边坡失稳，也远低于《公路路基设计规范》(JTGD30—2015)对边坡防治工程设计安全系数应满足Fs≥1.20的要求，与该边坡实际开挖施工的背景及边坡显现的稳定状态相吻合，符合边坡稳定系数概念的本质。

图3 反演分析安全系数概率分布图Fig.3 Probability distribution of back analysis safety factor

根据Priest等[14]对边坡稳定概率分析的研究，定义当破坏概率高于5%时为不可接受概率。从边坡失效概率的角度分析，K227滑坡在开挖且未加固的条件下，边坡破坏概率PL=0.696，远高于5%的不可接受概率的临界值，计算分析得到的边坡稳定状态与实际滑坡灾害结果相吻合。

2.3 承灾体识别及滑坡危害后果分析

滑坡危害后果分析主要是结合致灾体的影响情况识别承灾体，对其进行价值估算、易损性分析、灾害到达承灾体概率分析及承灾体时空概率分析。主要分为财产损失分析和人身伤害分析。

财产损失主要指受边坡变形破坏影响的坡体及周边建构筑物的经济损失[15]，主要用经济价值进行衡量。K227边坡初始开挖垂直高度为93 m，坡面长度约为141 m，滑坡角为α=38°(定义滑坡角α为滑坡后壁最高点到堆积体散落最远点的连线与水平面的夹角)。

根据香港滑坡边坡破坏滑移距离公式[16-17]：

lgS1=0.109+1.010lgH-0.506lg(tanα)，

(1)

S2=(L/4)/tanα，

(2)

S3=H/tanα，

(3)

式中，H为垂直高度；α为滑坡角；L为坡面长度；S1为滑移距离；S2为顶端影响距离；S3为两侧影响距离，计算得到S1=126 m，S2=45 m，S2=120 m。

K227边坡左侧110 m接荷花隧道洞口，右侧95 m 接增瑞隧道洞口，坡前46 m范围内为荷花大桥。根据经验公式估算绘制滑坡影响范围(图4)，估算得到滑坡影响面积约为61 369.7 m2，计算得到土地资源价值为1 212.1万元。

图4 K227滑坡影响范围(单位:m)Fig.4 K227 landslide impact range(unit:m)

滑坡到达承灾体的概率为PT∶L，可根据承灾体与滑坡体的位置关系进行确定。当承灾体位于滑坡体上时，PT∶L=1；当承灾体位于滑坡体滑移路径范围内时，应根据承灾体距滑坡体的距离进行定量估计，PT∶L=0.50～1.0之间；当承灾体位于滑坡潜在危害范围边界时，PT∶L=0～0.50之间。

同时考虑承灾体均为固定型承灾体，各承灾体时空概率均为PS∶T=1。参考国际上通用的澳大利亚岩土工程协会(AGS)[18]及殷坤龙等根据建构筑物的结构、材料对承灾体易损性给出的建议值(表2)。K227滑坡承灾体的主要承灾体类型为土地及桥隧道路，具体易损性见表3。

表2 建筑结构易损性指标建议值Tab.2 Recommended values of vulnerability indicators of building structure

最后根据施工分部分项工程概算K227滑坡的主要承灾体详细经济价值，如表3所示。结合灾害到达承灾体概率、承灾体易损性及承灾体时空概率统计，获得承灾体直接综合经济损失:

A=PT∶L×PS∶T×Vprop×E，

(4)

式中,PT∶L为滑坡到达承灾体的概率；PS∶T为承灾体时空概率；Vprop为承灾体易损性；E为承灾体的经济价值。计算得到A=2 334.41万元。

表3 各个承灾体的PT∶L, PS∶T, Vprop取值Tab.3 PT∶L, PS∶T, Vprop values of each disaster-bearing body

同时考虑灾害发生的间接经济损失，国土资源部门[19]统计各地质灾害直接经济损失与间接经济损失的相关关系，采用比例系数法进行评估。对于边坡灾害比例系数取n=1.1，计算承载体总财产间接损失：

B=nA，

(5)

式中,B为间接经济损失；A为直接经济损失；n为间接经济损失比例系数； 计算得到B=1.1×2 334.41=2 567.851万元。

人身伤害分析中，以人员生命危险作为分析目标，故只考虑人员的死亡率。K227滑坡灾害发生阶段，作为承灾体的人员主要以通过临时便道车辆中的人员为主。在AGS的研究中，定义过往车辆出现在边坡灾害影响范围中的时空概率为[20]：

(6)

式中，PS∶T为承灾体时空概率；NV为日车流量；L为边坡长度；VV为平均车速。

K227滑坡线路边坡总长L=110 m，临时便道车辆平均车速约为VV=20 km/h，日通过车次约NV=360 veh/d。计算得到K227边坡在滑坡灾害发生过程的人身风险时空概率PS ∶T=0.082 5。同时因人员主要活动范围在坡前路面，故其灾害到达人员承灾体的概率PT ∶L=0.75。人员易损性的取值主要考虑人员年龄组成的影响[21]，参考表4数据，取40～50岁的人员易损性作为代表性计算得到人员的易损性VD∶T=0.66。

表4 人员生命易损性取值[21](节选)Tab.4 Vulnerability values of personnel life (excerpt)

2.4 风险定量估算

通过对滑坡灾害发生概率的分析及承灾体识别、危害后果分析，进行总体的风险定量估算，主要分为人身伤害风险定量估算和财产损失分析定量估算[22]。综合地区的可接受意愿，采用澳大利亚岩土力学协会(AGS)提出的定量分析公式。

其中人身伤害定量风险分析公式：

PLOL=PL×PT ∶L×PS ∶T×VD ∶T，

(7)

式中，PLOL为边坡灾害造成的年人员伤亡概率；PL为边坡破坏的概率即危险性；PT∶L为边坡灾害到达承灾体的概率；PS∶T为承灾体的时空概率；VD∶T为人员的易损性。

估算K227滑坡灾害的人身伤害风险：

PLOL= 0.696×0.75×0.082 5×0.66=2.842×10-2。

财产损失定量风险估算公式：

Rprop=PL×PT∶L×PS∶T×Vprop×E，

(8)

式中，Rprop为边坡灾害造成的年财产损失价值；Vprop为财产易损性；E为承灾体的经济价值。

估算K227滑坡灾害的财产损失估算：

Rprop=PL(A+B)= 3 411.97万元。

3 滑坡灾害治理的施工过程风险评估

根据前文所述，K227滑坡灾害潜在的人身伤害及财产损失均不容忽视。而众所周知，滑坡灾害治理过程更具有较高的风险。本节沿用上述边坡风险评估的技术框架，对经优化设计确定的分“上、中、下”3个阶段分步实施的K227滑坡灾害治理过程进行定量风险评估及对比分析。

3.1 滑坡治理方案

为保证边坡稳定，进行全方位治理，变更设计边坡整体开挖18级，高度140 m，以双排锚索抗滑桩结合预应力锚索框架为主要支护措施；边坡施工分为上、中、下3个阶段[7-9](图5)。

图5 K227滑坡支护设计图分部施工示意图Fig.5 Schematic diagram of staged construction of support design of K227 landslide

3.2 危险性分析

结合边坡分段施工过程进行边坡安全系数、可靠性指数和失效概率的计算。岩土体参数变异性见表1。

在第1阶段上部施工，进行8级平台以上的开挖及支护工作，挖方土沿坡面下滑堆载至第7级坡脚切坡处起到堆载反压作用，并迅速实施锚索抗滑桩与框架锚索的施工。计算获得上部施工阶段总体安全系数FS1=1.155，可靠性指数为2.215 6，失效概率P1=1.0%。该阶段破坏概率PL1=0.01。

在第2阶段中部施工，进行8级平台以下的堆载土体开挖及支护工作，挖方延续至第3级坡顶部，在上部锚索框架支护完成的基础下进行锚索抗滑桩的挖设，完成边坡中部的整体加固布设。由于坡脚堆载土体未开挖，反压效果较好，计算获得中部施工阶段总体安全系数FS2=1.257 2，可靠性指数为3.196 5，失效概率P2=0.16%。该阶段破坏概率PL2=0.001 6。

在第3阶段下部施工，进行第3级以下与坡脚土体的开挖，同时布设第1、第2级的预应力锚索框架，完成边坡整体的施工建造过程，并完成坡面绿化和系统排水设施。获得边坡下部施工的基本安全系数FS3=1.249，可靠性指数为3.087 3，失效概率P3=0.2%。安全系数大于1.2满足设计规范要求，可靠性指数大于2且破坏概率远低于5%，均满足国际研究认可标准，并且加固后的可靠性指数相对于灾害发生的可靠性指数大幅提高。该阶段破坏概率PL3=0.002。

各施工阶段安全系数概率分布如图6所示。

图6 三阶段施工安全系数概率分布图Fig.6 Probability distribution of safety facto of construction in 3 stages

3.3 危害后果分析

K227滑坡施工阶段固定型承灾体主要考虑坡脚前方的荷花大桥，以及左侧连接的荷花隧道洞口和右侧连接的增瑞隧道洞口，同时应考虑滑坡影响范围内的土地使用价值。根据表3，统计对应各个承灾体中滑坡到达承灾体的概率PT ∶L、承灾体时空概率PS ∶T、承灾体的易损性Vprop、承灾体的经济价值E。获得施工阶段固定型承灾体的直接经济损失A=2 334.41万元，间接经济损失B=2 567.851万元，总经济损失为(A+B)=4 902.261万元。

K227滑坡施工阶段临时型承灾体主要考虑施工人员、施工器械及施工过程中的临时搭设建筑。人身风险性评价主要由滑坡的发生概率、灾害到达施工人员的概率、人员的时空概率、人员的易损性综合决定。施工人员的时空概率确定较为复杂，本研究主要考虑施工期间人员工在岗工作的概率。阶段施工中人员承灾体时空概率PS ∶T为：

(9)

式中，t为日工作时间；d为周工作天数；w为施工周数。

根据K227滑坡分级施工设计，施工期间施工人员t=8 h，d=5 d。

第1级施工总工期w1=30周，故第1阶段施工PS∶T1=0.137。

第2级施工总工期w2=47周，故第2阶段施工PS∶T2=0.215。

第3级施工总工期w3=13周，故第3阶段施工PS∶T3=0.059。

施工人员施工地点均在边坡坡面，故灾害到达承灾体的概率PT∶L=1。根据表4确定施工人员易损性为0.66，由于施工单位有定期对施工人员进行安全教育培训，人员易损性数值应乘以修正系数n(n取值0.5)。故施工建造阶段施工人员易损性VD∶T=0.5×0.66=0.33。

3.4 施工阶段风险定量估算

按照式(7)～(8)计算各阶段的人身伤害风险和财产损失风险， 见表5。

表5 施工阶段风险估算Tab.5 Estimation of risk in construction stage

对比滑坡灾害发生时的滑坡财产损失估算值3 411.97 万元，3阶段施工过程财产损失风险估算值均大幅度降低，达到可以忽略的水平，故该边坡治理取得显著成果。

4 分析与讨论

4.1 工程效果对比分析

通过进行滑坡发生前及施工各阶段边坡安全性分析及风险定量分析，运用边坡稳定性分析方法以及定量风险评估计算，获得的分析结果见表6。

表6 K227滑坡灾害风险评估对照Tab.6 Comparison of K227 landslide disaster risk assessment

根据表6可知，在滑坡发生前的安全系数和破坏概率均在不可接受范围内，边坡表现出高度危险性。通过边坡治理措施，边坡的安全系数降到规范的要求范围内，破坏概率也远远低于人工边坡的设计要求。前后两部分的定量风险评估结果恰与安全系数和破坏概率体现出的结果相吻合，充分反映了边坡的真实风险水平。

4.2 技术经济对比分析

通过定量风险分析，计算得出在滑坡发生前的财产损失估算为Rprop=3 411.97万元。根据边坡设计方案及实际施工费用统计，得出K227边坡总体治理费用为2 671.6万元，治理后的财产损失估算为Rprop3=9.806万元，相比治理前的财产损失估算已大幅度降低至可忽略水平。

由此可获得工程治理前和治理后的风险评价成果：b前=3 411.97万元；b后=9.806万元；治理总成本为C=2 671.6万元。故K227滑坡治理工程价值为：

(10)

式中，VS为工程价值；b前为工程治理前风险值；b后为工程治理后风险值；C为治理总成本。

根据表5施工3阶段风险评估与灾害发生过程的风险评估对比可知，风险评估方案具有较高的效益性和价值性，印证了K227滑坡动态施工治理取得的显著收益。

4.3 讨论

本研究以超高路堑边坡K227为具体案例，基于路堑边坡风险评估及管理的技术框架，通过定量风险评估方法分析了滑坡灾害发生前的风险值及施工过程各阶段的风险值，较好地评价和指导了K227滑坡病害治理的风险防控工作，但仍存在一些不足。

在承灾体的易损性分析上仍存在一定的模糊性，很难做到精确考虑每个承灾体的具体情况；在单个承灾体的易损性分析上，虽然考虑应用了当前国内外的定量分析方法，但是对于不同类型的边坡、不同类型的承灾体不一定存在完全的适用性，在充分考虑各种不同条件类型的承灾体定量分析上仍需进一步研究，有待于完善归纳较为全面的承灾体易损性定量分析指标，进而适用于不同类型的边坡。

在人身伤害风险的评价上，国内外不同研究领域仍存在一定的差异性，可接受范围的确定对于不同的具体边坡环境具有一定的波动性。由于当前国内外没有单独对应施工阶段的人身伤害风险评价指标，故本研究运用当前国际通用的建筑边坡人身伤害分析评价指标。但由于施工阶段的边坡人员流动性大，人口数量多而密集，同时施工人员基本处于边坡潜在滑体中，遭遇风险的可能性大幅度提高，故有待提出更为贴切具体的施工阶段人身伤害风险评价指标。

5 结论

路堑边坡开挖具有明显的开挖卸荷松动效应，并可能受强降雨等外界环境影响产生变形破坏，需要加强施工过程风险评估及控制。本研究以双永高速K227滑坡为例，在风险分析、风险评估及风险管理的过程中贯彻定量风险评估的思路和方法，开展滑坡灾害过程和滑坡治理过程的风险评估及管理，得到以下结论。

(1)通过对定量风险分析流程及关键计算参数的研究分析，开展了K227滑坡的失效概率分析及灾害后果分析，估算了K227滑坡灾害的人身伤害及财产损失值，验证了该滑坡灾害具有较高的失效概率，需要开展系统的风险控制以规避损失。

(2)沿用滑坡定量风险评估技术方案，对K227滑坡上、中、下3段治理过程进行风险估算及对比分析。发现通过治理措施，可将滑坡施工过程中的人身伤害及财产损失控制到可接受范围之内，并取得良好的经济效益。

(3)对比滑坡灾害发生和治理两阶段的定量风险评估结果，发现实施严格规范的施工过程风险控制，不仅可显著提高边坡安全系数，而且可降低边坡破坏概率、潜在的财产损失值和人身伤害概率，治理成效显著。

(4)虽然在施工过程定量风险评估的多方案优选过程中，相关概率和易损性指标的具体取值对评估与决策结果影响不大，但是各评估指标参数的确定仍值得深入研究，如何更合理地确定指标值在国内外仍存在一定的困难，但相信通过更多工程的验证可以不断获取经验，并充分体现该方法的科学性及其在工程减灾中的应用价值。