工程高边坡开挖治理过程定量风险评估

吴昊城，王 浩，戴旭明，林治基，陈善棠，丘仁科

(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.中国能源建设集团广东省电力设计研究院， 广东 广州 510663；4.龙岩双永高速公路有限责任公司， 福建 龙岩 364000)

路堑边坡是道路修建过程中开挖岩土体产生一定侧向临空面的坡体，由于其开挖过程多变、地质条件复杂、应力卸荷松弛明显，故极易在开挖过程乃至施工结束后产生变形失稳，造成严重的经济财产损失[1]。近年我国大量修建公路铁路，因此产生许多超高路堑边坡，其过程中产生的边坡稳定性安全问题越来越受到广泛的关注与重视[2-3]。

国际上目前主要的路堑边坡风险评估管理方案将其归纳于滑坡、崩塌落石、泥石流等广义的风险管理当中，至今发展30余年。2005年在温哥华召开了“国际滑坡风险管理会议”，系统地总结了有关滑坡风险管理的理论、实践和发展趋势，提出了系统的滑坡风险管理体系，对后来的研究提供指导与借鉴[4]。我国交通运输部于2015年出版了《高速公路路堑高边坡工程施工安全风险评估指南(试行)》[5]，总结出了一套较为完整的路堑边坡风险评估管理方法。同期王浩等人提出了堑边坡全寿命周期风险评估与管理技术框架，初步规定了其工作流程和技术方案，在生产实践中得到发展与应用[6-7]。

目前国内外对路堑边坡风险评估主要研究集中在定性或半定量阶段，特别是灾害后果研究中承灾体的易损性、承灾体时空概率等很难做到完全定量风险评估。随着路堑边坡复杂程度的发展以及风险评估的普及，路堑边坡定量风险评估势必得到全面的发展于应用。

1 工程高边坡定量风险评估技术方案

1.1 工程高边坡定量风险评估技术方案

工程高边坡风险评估由风险分析、风险评价和风险管理三大环节构成，各环节均突出重点、明确目标，又相互紧密联系，协同构成完整的风险评估技术体系(见图1)[8]。在工程高边坡定量风险评估理论体系中，定义分析范围、危险性分析、危害后果分析三个步骤循序渐进地形成灾害风险分析流程[9]。同时通过对边坡的破坏概率、承灾体的时空概率、滑坡到达承灾体的概率、承灾体的易损性评价四个关键性指标的定量确定来制定整个定量风险评估技术框架。

1.2 边坡风险定量计算

工程高边坡风险定量计算结合路堑边坡风险评估技术框架中的风险分析和评价两大环节，参考AGS在详细风险分析定量指标基础上对路堑边坡财产损失和人身伤害损失进行定量风险计算[10]。具体见公式(1)、公式(2)。

PLOL=PL×PT∶L×PS∶T×VD∶T

(1)

Rprop=PL×PT∶L×PS∶T×Vprop×E

(2)

式中：PLOL表示边坡灾害造成的年人员伤亡概率；Rprop表示边坡灾害造成的年财产损失价值；PL表示边坡破坏的概率即危险性；PT∶L表示边坡灾害到达承灾体的概率；PS∶T表示承灾体的时空概率；VD∶T表人员的易损性；Vprop表示财产易损性；E表示承灾体的经济价值。

图1路堑边坡风险管理框架[6]

2 依托对象工程地质条件

基于路堑边坡风险定量评估技术框架，本文对福建省漳武高速公路龙岩市永定大道拓建段K1+160—K1+310段路堑高边坡开挖后和加固施工后进行定量风险评估。

2.1 边坡工程地质条件

漳武高速公路永定大道K1+160—K1+310段左侧高边坡位于龙岩市永定区西溪乡，道路沿线属剥蚀丘陵、冲洪积地貌，原始地形波状起伏，形态复杂，变化较大。沿线地层简单，主要为冲洪积层、坡残积层及风化岩层组成，场地抗震设防烈度为6度，设计地震动峰值加速度值为0.05g，设计地震分组为第二组。

K1+160—K1+310边坡典型断面图见图2。

2.2 周边地质环境

永定区属亚热带季风型气候，降雨流量受季节性影响较大，暴雨季节流量骤增。地下水主要为素填土中的上层滞水、冲洪积层松散岩类孔隙潜水、风化带网状孔隙裂隙水及基岩裂隙水。水位及水量随季节变化较大。坡脚50 m处存在大量民房，人类活动影响剧烈(见图3)。

图2 工程地质剖面图

图3边坡周边环境图

2.3 边坡工程设计方案及稳定性要求

依据《公路路基设计规范》[11](JTG D30—2015)，要求边坡治理加固后安全系数应为1.20≤Fs≤1.30，同时参考《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330—2013)，得出该工点的边坡治理工程等级为Ⅰ级，规范评定要求边坡的安全系数Fs≥1.25。该边坡临近建构筑物，基于安全稳定性要求，依据规范总体综合考虑安全系数Fs≥1.25。

K1+160—K1+310边坡设计开挖6级，坡高52.9 m，土层至上而下以此为坡积粉质黏土、全风化花岗岩、碎块状强风化花岗岩，为超高路堑边坡。具体施工方案见表1，具体设计断面图见图4。

表1 施工设计方案

3 边坡开挖施工的定量风险评估

3.1 危险性分析

危险性分析是工程高边坡定量风险评估的关键环节，通常运用极限平衡法或有限元数值模拟法对开挖边坡进行建模计算求得其安全系数，进而判定边坡的危险性[13]。但在实际工程中，由于坡体岩土体存在一定的变异性，导致安全系数无法完全反映边坡的稳定性，具有高安全系数的边坡也存在失稳破坏的可能。故将概率分析方法引入到边坡危险性分析中，计算边坡破坏概率。

图4施工设计断面图

K1+160—K1+310路堑边坡开挖形成6级高52.9 m超高边坡，坡体开挖量大。本文运用GeoStudio软件中的蒙特卡洛模拟法结合极限平衡分析对其进行破坏概率计算，由于当蒙特卡洛计算次数超过2000次时边坡破坏概率趋于稳定达到精度要求，故取模拟次数2000次进行分析计算[14]。由于该边坡属于二元结构边坡，定义底部碎块状强风化花岗岩为基岩模块，具体岩土体参数见表2。

表2 岩土参数值

通过计算得到在边坡开挖后，其安全系数为Fs=1.052<1.25，破坏概率PL1为25.02%，可靠性指数为0.663(见图5)，不满足规范要求，故边坡需进行整体加固处理。

图5边坡开挖概率分析图

3.2 危害后果分析

工程高边坡危害后果分析是通过对边坡影响范围内的承灾体进行识别，分析承灾体价值、灾害到达承灾体概率、承灾体时空概率、承灾体易损性，进而估算人身伤害损失和财产损失[15]。

(1) 承灾体识别。该边坡地处高速公路路口交汇带，主要承灾体有受路堑边坡影响土地资源、坡脚道路工程、过往车辆行人。

(2) 承灾体价值分析。该边坡开挖高度52.9 m，坡面长度约81 m，滑坡角α=38°(定义滑坡角α为边坡开挖顶端到坡脚点的连线与水平面的夹角)。运用香港边坡破坏滑移距离公式[16-17]：

logS1=0.109+1.010logH-0.506log(tanα)

S2=(L/4)/tanα

S3=H/tanα

(3)

式中：H为垂直高度；L为坡面长度；α为滑坡角；S1为滑移距离；S2为端影响距离；S3为两侧影响距离。

计算得到S1=71 m；S2=26 m，S3=68 m。边坡段落为K1+160—K1+310，其走向长度为150 m，综合计算的到该边坡滑动影响土地面积为37 234 m2，合计3.73 hm2，当地每亩征地费用为13.175万元，计算得到土地资源价值为737.8万元。

坡脚道路工程受边坡影响长度为边坡的走向长度150 m，道路工程包括路基和路面，参照福建高速公路的造价，路基工程每延米造价2.2万元，路面工程每延米造价0.9万元，故公路工程直接损失为465万元。

应同时考虑发生滑坡灾害时的间接经济损失，国土资源部[18]统计得出的滑坡灾害间接经济损失为直接经济损失的1.1倍。由此可以确定滑坡灾害损失值为直接经济损失与间接经济损失总和。

(3) 灾害到达承灾体概率及承灾体时空概率分析。灾害到达承灾体的概率PT∶L根据两者之间的距离来确定，当承灾体处于坡体上时，PT∶L=1；当承灾体处于边坡滑移路径范围内时，按两者之间的距离进行定量估计，PT∶L=0.5～1.0之间；当承灾体处于边坡潜在危害范围边界时，PT∶L=0.0～0.5之间[19]。因此，K1+160—K1+310边坡到达承灾体的概率见汇总表3。

表3 边坡风险评估参数汇总表

注：A=PT∶L×PS∶T×Vprop×E；B=1.1×A。

承灾体的时空概率PS∶T主要由承灾体本身的性质决定，土地资源及道路工程均为固定型承灾体，其时空概率PS∶T=1；人员时空概率主要计算在坡脚道路过往车辆中的人员，AGS给出了过往车辆在坡脚道路中行驶的时空概率计算公式：

(4)

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

K1+160—K1+310边坡总长150 m，由于是开挖阶段故以施工便道通行的工程车辆为主，平均车速约为Vv=20 km/h，日通过车次约Nv=360辆/日。计算得到人员时空概率PS∶T=0.1125。

(4) 承灾体易损性分析。承灾体易损性分析是路堑边坡风险评估中的难点，对于固定型承灾体本文参考殷坤龙通过大量数据统计提出承灾体易损性建议值(见表4)；人员易损性由人员年龄组成来确定(见表5)[20]。该边坡各承灾体易损性见汇总表3。

表4 建构筑结构类型易损性指标建议取值

表5 人员易损性取值

3.3 边坡开挖风险定量估算

在危险性分析和灾害后果分析的基础上，确定了灾害到达承灾体概率、承灾体时空概率、承灾体易损性，对边坡开挖后财产损失和人身伤害进行风险定量估算[21]。具体应用AGS提出的路堑边坡风险定量估算公式(见公式(1)、公式(2))。K1+160—K1+310边坡定量风险分析：

财产损失定量风险计算：

Rprop1=PL1×PT∶L×PS∶T×Vprop×E=

PL×(A+B)=552.6万元

人身伤害定量风险估算：

PLOL1=PL1×PT∶L×PS∶T×VD∶T

=0.2502×0.75×0.1125×0.66

=1.39×10-2

4 边坡加固治理的定量风险评估

4.1 治理加固工程经济估算

K1+160—K1+310高边坡开挖后形成6级边坡，计算得其安全系数、破坏概率、风险计算结果均超过规范要求，故需对该边坡进行治理，运用坡脚挡墙结合预应力锚索施工措施。详细加固措施见表1，施工断面图见图4。治理加固总费用为229.8721万元，具体见表6。

表6 治理加固工程成本估算表

4.2 危险性分析

通过计算得到在边坡加固后，安全系数为Fs=1.290>1.25，破坏概率PL2为0.2%，可靠性指数为2.881(见图6)均达到规范要求。

图6边坡加固概率分析图

4.3 危害后果分析

边坡开挖后进行加固处理，整体安全系数及可靠性指数得到较大的提升，破坏概率也相应降低到可接受水平。加固后的主要承灾体与边坡开挖后基本相同，为受路堑边坡影响土地资源、坡脚道路工程、过往车辆行人。

由于主要承灾体未产生变化，边坡加固后定量风险评估计算参量灾害到达承灾体概率PT∶L、承灾体时空概率PS∶T、承灾体易损性VD∶T、Vprop参照上文计算获得的数据(见表3)。

4.4 边坡加固风险定量估算

K1+160—K1+310高边坡开挖加固后，沿用上文风险定量计算方法，对其进行定量风险分析：

财产损失定量风险计算：

Rprop2=PL2×PT∶L×PS∶T×Vprop×E=

PL×(A+B)=4.42万元

人身伤害定量风险估算：

PLOL2=PL2×PT∶L×PS∶T×VD∶T=1.114×10-4

5 对比与分析

5.1 工程效果对比分析

对比分析边坡施工开挖与治理加固两阶段边坡安全性分析及定量风险评估结果(见表7)，可得出对边坡进行治理加固后，其安全系数与可靠性指数显著提高至可接受水平，破坏概率、财产损失风险值与人身伤害风险值均大幅度降低，定量风险评估结果与边坡稳定计算结果想吻合，体现了工程高边坡定量风险评估技术方案的适用性。

表7 边坡灾害风险评估对照表

5.2 技术经济对比分析

通过对K1+160—K1+310边坡加固治理前后两阶段定量风险评估结果分析，边坡开挖阶段财产损失风险值Rprop1=552.6万元，加固治理后财产损失风险值Rprop2=4.42万元，边坡治理工程总费用C=229.8721万元。边坡加固治理后的财产损失大幅度降低至可忽略水平。可计算该边坡的工程治理价值为：

该边坡加固治理后的工程价值大于1充分体现了该边坡治理工程取得了显著的经济效益，同时表明本文提出的定量分析评估技术方案具有较高的科学性与工程价值。

6 结 论

本文基于路堑边坡定量风险评估框架，对工程高边坡开挖及加固阶段进行定量风险评估，并对比边坡加固前后定量风险评估结果，得到如下结论：

(1) 本文研究讨论了工程高边坡定量风险评估技术流程及详细计算参数，对漳武高速K1+160—K1+310段边坡开挖后进行定量风险分析，估算了该段边坡的财产损失及人身伤害风险值，验证了该边坡开挖后将面临较高的失稳破坏风险，需进行加固治理。

(2) 沿用工程高边坡定量风险评估技术方案，对该段边坡加固施工后进行定量风险评估，对比前后两阶段评估结果，该边坡风险值明显得到改善，验证了该边坡加固措施的工程经济价值。