王浩，梁濤

(福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，福建福州350116)

沈海復(fù)線高速公路福鼎至柘榮段路塹高邊坡風(fēng)險分級研究

王浩，梁濤

(福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，福建福州350116)

基于邊坡工程地質(zhì)分析原理及該區(qū)域邊坡工程實踐經(jīng)驗，采用層次分析法構(gòu)筑一套邊坡風(fēng)險評估的指標體系及評分標準、風(fēng)險等級評定依據(jù)、風(fēng)險防控措施和串聯(lián)各步驟的計算方法;依托MATLAB語言環(huán)境開發(fā)出集成風(fēng)險指標體系構(gòu)建、權(quán)重向量計算、風(fēng)險分級計算統(tǒng)計與風(fēng)險分級結(jié)果查看等4個界面的邊坡風(fēng)險分級軟件RCSlope，并將其應(yīng)用到沈海復(fù)線高速公路福鼎至柘榮段41例路塹高邊坡風(fēng)險等級劃分及風(fēng)險防控預(yù)案的制定.實例分析驗證了該方法及程序的有效性.

路塹邊坡;穩(wěn)定性;風(fēng)險分級;軟件研發(fā);風(fēng)險防控

0 引言

上世紀90年代以來，滑坡或邊坡的風(fēng)險管理在國際上逐步引起重視，并取得階段性的研究進展.國際滑坡與工程邊坡聯(lián)合技術(shù)委員會(JTC1)［1］、澳大利亞地質(zhì)力學(xué)學(xué)會(AGS)［2］、香港特別行政區(qū)土力工程處(HKCEO)［3］等國際部分主流學(xué)術(shù)機構(gòu)及組織陸續(xù)總結(jié)提出一系列滑坡風(fēng)險管理計劃或指南，規(guī)范滑坡風(fēng)險管理的技術(shù)路線及流程;2005年溫哥華國際滑坡風(fēng)險管理會議提出的滑坡風(fēng)險管理技術(shù)框架［4］對滑坡風(fēng)險管理理論進行高度總結(jié)，并得到較為廣泛的應(yīng)用.基于上述研究背景，滑坡及邊坡的風(fēng)險評估及分級作為風(fēng)險管理的基礎(chǔ)性工作也取得相應(yīng)進展.美國學(xué)者針對公路系統(tǒng)提出崩塌落石風(fēng)險評估及分級系統(tǒng)(RHRS)，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)環(huán)境背景建立風(fēng)險因子完成對象路段邊坡風(fēng)險評價及分級工作［5－6］.國內(nèi)業(yè)界學(xué)者引入專家意見法(Delphi)、模糊層次法(Fuzzy AHP)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法(ANN)等理論對庫岸邊坡［7－8］及公路邊坡［9－11］建立風(fēng)險評定指標體系及模型，并應(yīng)用于實際邊坡工程案例，實現(xiàn)風(fēng)險評定及區(qū)劃，取得客觀合理的結(jié)果.但較傳統(tǒng)的滑坡災(zāi)害風(fēng)險管理而言，路塹高邊坡風(fēng)險評估領(lǐng)域研究仍存在明顯不足.

結(jié)合福建省山區(qū)公路高邊坡建設(shè)的經(jīng)驗與教訓(xùn)，繼承邊坡工程理論成果和規(guī)范要求，研究并構(gòu)建涵蓋福建山區(qū)公路邊坡風(fēng)險特征的層次分析法評估指標體系，科學(xué)制定風(fēng)險評定標準，形成一套完整的山區(qū)公路邊坡風(fēng)險分級方法，并依托MATLAB語言環(huán)境開發(fā)公路邊坡風(fēng)險分級軟件RCSlope，對沈海復(fù)線高速公路福鼎至柘榮段41例路塹高邊坡開展邊坡風(fēng)險評估及風(fēng)險等級劃分，遴選高風(fēng)險個體邊坡，并對結(jié)果進行分析討論，為公路邊坡風(fēng)險防控提供指導(dǎo).

1 公路邊坡風(fēng)險分級理論

1.1 公路邊坡風(fēng)險分級方法概述

層次分析法(analytic hierarchy process，簡稱AHP)是將與決策有關(guān)的因素分解成目標、準則和方案等層次，并對各種因素之間的關(guān)系深入分析及優(yōu)劣次序排定，以進行定性和定量分析的決策方法.基于既有的層次分析法邊坡風(fēng)險管理研究成果，沿用作者總結(jié)提出的較為合理可行、過程銜接緊密的風(fēng)險分級實施步驟［12］，即:①遴選邊坡評估對象，并確定其工程特征;②識別評估對象的風(fēng)險影響因子，構(gòu)建風(fēng)險評估指標體系;③依次確定相應(yīng)評估指標的分值，并構(gòu)建反應(yīng)各指標重要程度的判斷矩陣;④引入一致性數(shù)學(xué)檢驗并優(yōu)化判斷矩陣，以求算權(quán)重向量;⑤逐一計算各評估對象的風(fēng)險評估總值，對照風(fēng)險評定標準，完成風(fēng)險等級劃分.

由于在權(quán)重向量計算及風(fēng)險分值評定過程中均涉及較為繁雜的矩陣運算，使得完成某個區(qū)段多個邊坡風(fēng)險分級工作的計算量大;基于所構(gòu)建的路塹高邊坡風(fēng)險分級系統(tǒng)原理及實施步驟，開發(fā)出供決策者在Windows界面完成所有分級步驟的軟件RCSlope.

1.2 公路邊坡風(fēng)險分級軟件RCSlope簡介

RCSlope軟件以MATLAB語言環(huán)境為開發(fā)平臺，契合路塹高邊坡風(fēng)險分級數(shù)據(jù)特點與計算要求，實現(xiàn)高效運算，并提供簡潔、開放的界面設(shè)計環(huán)境.RCSlope軟件主要由4個界面集成，各界面功能及執(zhí)行邏輯如圖1所示.

2 公路邊坡風(fēng)險分級系統(tǒng)

2.1 風(fēng)險分級指標體系

根據(jù)福建山區(qū)高速公路邊坡風(fēng)險評估方法研究成果，構(gòu)建一套適用于解決區(qū)域邊坡問題的邊坡風(fēng)險分級指標體系［12］.所構(gòu)建的公路邊坡風(fēng)險分級指標體系由地形條件、地質(zhì)條件、氣象水文、其他因素4類一級指標構(gòu)成，各類一級指標下屬4個二級指標，共16個二級指標，如圖2所示.所構(gòu)建的指標體系可描述公路邊坡所有風(fēng)險特征，且其內(nèi)含指標本身和構(gòu)建過程應(yīng)體現(xiàn)風(fēng)險定義易發(fā)性、危險性、易損性［1］;在體現(xiàn)邊坡地質(zhì)環(huán)境條件決定的的災(zāi)害發(fā)生概率的同時，考慮災(zāi)害特征、速率、范圍和承災(zāi)體包括工程結(jié)構(gòu)、鄰近構(gòu)筑物、人類活動對災(zāi)害的敏感性.

2.2 權(quán)重向量計算

根據(jù)各指標對風(fēng)險分級對象邊坡的影響程度相對大小判斷，結(jié)合層次分析法重要性標度對圖2中一級指標及各類二級指標構(gòu)建兩兩重要性判斷矩陣Mn×n(aij)，詳見文獻［12］.根據(jù)權(quán)重向量計算具體步驟如圖3所示，由構(gòu)建的判斷矩陣通過規(guī)范列平均法計算特征向量，并通過一致性檢驗獲取權(quán)重向量.通過公路邊坡風(fēng)險分級的專家調(diào)查、討論，并經(jīng)工程實踐驗證、調(diào)整和優(yōu)化，計算得一級指標權(quán)重向量W1= (w1，w2，w3，w4)及各類二級指標權(quán)重向量W2(i)= (wi1，wi2，wi3，wi4)，(i=1～4).將一級指標權(quán)重因子乘以對應(yīng)二級指標權(quán)重向量，得到的總體權(quán)重向量WT(1×16)=W1(i)·W2(i)，(i=1～4)，結(jié)果見表1.

表1 二級指標總體權(quán)重向量Tab.1Weights of indexes

2.3 風(fēng)險分值評定標準

為提高風(fēng)險分值評定效率，弱化分級決策者評分的主觀隨意性，基于邊坡工程地質(zhì)分析原理，綜合已有的技術(shù)資料、擬定方案及專家經(jīng)驗，以易取性、繼承性為原則，對不同狀態(tài)相對于邊坡穩(wěn)定性的優(yōu)劣性以百分制的方式界定風(fēng)險分值.風(fēng)險分值評定標準的建立需要對工程地質(zhì)分析原理和區(qū)域邊坡工程經(jīng)驗具有相當(dāng)?shù)陌盐?，各指標狀態(tài)分類依據(jù)既要符合相關(guān)規(guī)范，其個數(shù)又應(yīng)恰當(dāng)描述，符合工程實際的風(fēng)險狀態(tài)，以實現(xiàn)最終公路邊坡風(fēng)險區(qū)劃為目標，具體風(fēng)險分值評定標準參見表2.

表2 公路邊坡風(fēng)險分級指標評分標準Tab.2Index risk evaluation standard of high slope

2.4 風(fēng)險分級與防控對策

通過查閱勘察資料、區(qū)域地質(zhì)報告及現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查等技術(shù)手段獲取指標現(xiàn)有狀態(tài)特征，參考評分標準，對16個風(fēng)險分級二級指標進行分值評定，評定結(jié)果分值向量為Rs(1×16)，將總體權(quán)重向量乘以該分值向量即得邊坡總風(fēng)險值Ts，Ts=WT·Rs.根據(jù)區(qū)段內(nèi)所有邊坡總風(fēng)險值分布，參考預(yù)期風(fēng)險管理要求及對風(fēng)險的接受程度，結(jié)合分級決策人員的理論及經(jīng)驗積累，對風(fēng)險等級進行劃分并提出對應(yīng)防控措施.針對沈海復(fù)線高速公路福鼎段邊坡實際條件，制定風(fēng)險等級劃分及風(fēng)險防控措施如表3所示.

表3 風(fēng)險分級及風(fēng)險防控對策Tab.3Risk classification and prevention－control countermeasures

3 實例應(yīng)用

3.1 工程概況

沈海復(fù)線高速公路福鼎至拓榮段位于閩東丘陵地區(qū)，巖體風(fēng)化劇烈，節(jié)理裂隙發(fā)育.區(qū)域未見構(gòu)造發(fā)育及明顯不良地質(zhì)作用，但線路地形復(fù)雜，近表開挖大多高陡，且寬度較大，線路切坡多形成節(jié)理巖石或二元結(jié)構(gòu)邊坡.場區(qū)屬濕熱多雨氣候，地下水主要為賦存于中風(fēng)化凝灰熔巖中的基巖裂隙水，地表徑流條件一般.部分工點邊坡低矮但地質(zhì)條件較差，開挖植被破壞嚴重，部分開挖工點鄰近橋梁、隧道等構(gòu)筑物，開挖采用持續(xù)工程爆破，場地地震基本烈度為6度.線路部分穿越村落及城鎮(zhèn)，對應(yīng)工點毗鄰重要構(gòu)筑物或周邊人類活動頻繁.因此，該線路建造設(shè)計階段極易造成重點災(zāi)害邊坡的遴選疏漏，為規(guī)避該隱患，對其進行風(fēng)險評定及風(fēng)險等級區(qū)劃顯得尤為重要，故遴選該路段沿線41例路塹高邊坡，例證本文提出的邊坡風(fēng)險分級方法及RCSlope程序的可行性與有效性，并指導(dǎo)邊坡工程建設(shè)過程，實現(xiàn)對邊坡風(fēng)險的有效防控.

3.2 風(fēng)險分級軟件計算與統(tǒng)計

采用所構(gòu)建的公路邊坡風(fēng)險分級系統(tǒng)對沿線41個公路路塹邊坡進行指標狀態(tài)提取，運用RCSlope軟件完成指標錄入、權(quán)重錄入、分值評定錄入及計算統(tǒng)計.軟件分值評定操作界面示意見圖4所示.對提取的風(fēng)險分級各指標狀態(tài)進行檢查、核實，結(jié)合表3評價標準調(diào)整、確認評分，最終得沈海復(fù)線高速公路福鼎至柘榮段對應(yīng)41例路塹邊坡風(fēng)險分級計算結(jié)果，詳見圖5所示.

風(fēng)險分級結(jié)果顯示，41例路塹高邊坡中，風(fēng)險分級為1～4級的邊坡數(shù)量分別為2例(4.9%)、23例(56%)、14例(34%)、2例(4.9%)，詳見表4所示.可見該段公路邊坡多數(shù)屬于風(fēng)險二級、三級邊坡，大多應(yīng)參考表3在設(shè)計方案中適當(dāng)采取邊坡普通防護與支擋加固相結(jié)合的風(fēng)險防控措施.

3.3 分級結(jié)果分析與討論

選取表4所示的24號邊坡(最高斷面樁號K19+434，風(fēng)險值=70.69)及12號邊坡(最高斷面樁號K11+450，風(fēng)險值=47.46)，即評定為四級和一級風(fēng)險等級的兩個典型邊坡，進行分級過程及結(jié)果分析，以說明風(fēng)險分級系統(tǒng)的可行性與合理性，結(jié)合評分結(jié)果(表5)對兩個邊坡風(fēng)險進行評定.

表4 邊坡總風(fēng)險值分布Fig.4Total risk score distribution of 41 slopes

表5 邊坡指標風(fēng)險評分Fig.5Index risk score of typical slopes

1)24號邊坡:①該邊坡開挖高度(A1)、開挖寬度(A2)、開挖坡腳(A3)分別為51 m、255 m、44°，評分取100分、100分、60分;②如圖6所示，坡頂?shù)匦?A4)較陡，地下水位高度(C4)hw/h值高于1/2，風(fēng)險值分別取90分、100分;③區(qū)段地質(zhì)條件(B)較好，開挖后屬節(jié)理巖石邊坡，邊坡巖土結(jié)構(gòu)(B4)取低分為40;④如圖7所示，工點前接橋梁，線路下方分布民房群、池塘、公路等，較為重要，故取鄰近構(gòu)筑物條件(D3)指標分值為70，附近開挖、爆破擾動不明顯，D4評分取60.由表1權(quán)重結(jié)果可知，上述分析指標權(quán)值較大，為該邊坡風(fēng)險評定主控因素，即在上述主控因素的整體作用下，導(dǎo)致24號邊坡風(fēng)險值較高，屬風(fēng)險四級.

2)12號邊坡:該邊坡風(fēng)險主控因素均有利于邊坡穩(wěn)定，風(fēng)險分級各指標狀態(tài)及評分具體為:①邊坡開挖形成四級節(jié)理巖石邊坡，如圖8所示，高度(A1)為33 m，開挖寬度(A2)較小，為59 m，開挖坡角(A3)為42°，坡頂?shù)匦?A4)為反坡，對應(yīng)指標風(fēng)險值應(yīng)相對取小，分別為60分、30分、60分、25分;②坡體為中風(fēng)化凝灰熔巖，巖性堅硬密實，地質(zhì)條件(B)各指標評分均取低值;③坡表植被發(fā)育，無匯水平臺、徑流條件較好，植被覆蓋與地表徑流條件(C2)指標評分取50分.④如圖9所示，12號邊坡遠離鄉(xiāng)鎮(zhèn)，鄰近無重要構(gòu)筑物及人類活動，其鄰近構(gòu)筑物條件及人類活動頻繁程度(D3、D4)取低分，分別為40分、30分.雖然邊坡開挖遇雨期，地下水位較高(C4＞1/2)，相應(yīng)指標分值較高，但在上述4類風(fēng)險主控因素共同作用下，該邊坡仍屬于風(fēng)險一級邊坡，其穩(wěn)定性狀態(tài)較好.

通過上述兩個典型公路邊坡的風(fēng)險分級過程分析可知，邊坡穩(wěn)定性受多因素影響，如何構(gòu)建風(fēng)險評價指標系統(tǒng)，并對風(fēng)險等級進行合理量化評定、區(qū)劃并提出有效地風(fēng)險防控措施，需要建立科學(xué)的風(fēng)險評估方法來實現(xiàn).由于對41例邊坡根據(jù)其風(fēng)險等級均采取適當(dāng)?shù)娘L(fēng)險防控措施，對后期邊坡風(fēng)險管理提供有效指導(dǎo)，印證所提出的公路邊坡風(fēng)險分級系統(tǒng)具有一定科學(xué)性及實用性.

4 結(jié)語

1)基于邊坡工程地質(zhì)分析原理及區(qū)域邊坡工程實踐經(jīng)驗，采用層次分析法構(gòu)筑一套邊坡風(fēng)險評估的指標體系及評分標準、風(fēng)險等級評定依據(jù)、風(fēng)險防控措施和串聯(lián)各步驟的計算算法，并依托MATLAB語言環(huán)境開發(fā)出集成風(fēng)險指標體系構(gòu)建、權(quán)重向量計算、風(fēng)險分級計算統(tǒng)計與風(fēng)險分級結(jié)果查看等4個界面的邊坡風(fēng)險分級軟件RCSlope.

2)采用該邊坡風(fēng)險分級方法及軟件，考慮地形困難、地質(zhì)復(fù)雜、降雨充沛及環(huán)境敏感等影響邊坡穩(wěn)定性多種因素的綜合作用效應(yīng)，采用層次分析法將該路段邊坡劃分為四個風(fēng)險等級，指出邊坡多數(shù)處于二級或三級風(fēng)險狀態(tài)，并遴選出兩例評定為四級風(fēng)險狀態(tài)的疑難高邊坡工點，為高邊坡的勘察設(shè)計、施工建造和運營養(yǎng)護等階段的風(fēng)險監(jiān)測及防控提供依據(jù).

3)山區(qū)公路邊坡風(fēng)險分級系統(tǒng)主要包括風(fēng)險分級指標體系、風(fēng)險分值評定標準、風(fēng)險等級劃分與防控措施以及穿插各步驟的AHP算法，方法核心在于前三者，其合理性及可行性通過本工程實例應(yīng)用得到有效例證，在類似區(qū)域的山區(qū)建設(shè)高速公路，經(jīng)適當(dāng)調(diào)整，該系統(tǒng)均能指導(dǎo)公路邊坡風(fēng)險區(qū)劃，并提供風(fēng)險防控決策依據(jù).

4)公路邊坡風(fēng)險分級軟件有效且系統(tǒng)地串聯(lián)了整個公路邊坡風(fēng)險分級工作，規(guī)避繁雜的人工計算，提高風(fēng)險分級的計算效率及準確性，具有一定的工程應(yīng)用價值.

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(責(zé)任編輯:蔣培玉)

Research on risk classification for cutting slopes of Shenhai highway from Fuding to Zherong

WANG Hao，LIANG Tao
(College of Environment and Resources，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)ujian 350116，China)

A method system which consists of risk assessment indexes and risk scoring criterion，classification of risk and preventive measures，connecting algorithm was established based on the principles of engineering geological analysis and practice experiences on slope engineering.The highway slope risk classification software(RCSlope)which is composed of main interface，weights assign interface，risk scoring interface，results display interface was developed.Finally，the method system and RCSlope were applied to complete all the procedures of risk assessment and classification of the 41 highway cutting slopes along Shenhai highway from Fuding to Zherong.Consequently the successful application proved the effectiveness of the method system and software.

cutting slope;stability;risk classification;software development;risk prevention control

TU42

A

10.7631/issn.1000－2243.2016.06.0849

1000－2243(2016)06－0849－07

2015－09－21

王浩(1978－)，博士，副教授，從事工程地質(zhì)與巖土工程方面的研究，h_wang@126.com

福建省自然科學(xué)基金資助項目(2013J01159);交通運輸部建設(shè)科技項目(201331849A130);福建省交通運輸科技發(fā)展項目(201242)