李元松，高 暉，陳 峰，王亞軍，閆海濤，王章瓊，肖尊群(.武漢工程大學資源與土木工程學院，湖北 武漢 430073；. 中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 43005)

隨著“一帶一路”國家發(fā)展戰(zhàn)略的逐步實施與推進，西部高寒、高海拔、高地震烈度(俗稱“三高”)地區(qū)高速公路建設快速發(fā)展，如何對高陡邊坡穩(wěn)定性進行快速有效評價，已成為公路建設中亟待解決的技術難題[1～2]。由于“三高”地區(qū)地形地質條件復雜，河谷發(fā)育，深切割劇烈，新構造運動活躍，沿線高陡邊坡林立，加上初步勘察階段工期緊迫，傳統(tǒng)單一判據(jù)的方法已不適用于復雜地質環(huán)境下邊坡穩(wěn)定性評價[3～4]。因此，建立“三高”地區(qū)邊坡巖體質量分級體系，尋找邊坡穩(wěn)定性簡便、快速評價方法，具有廣泛的應用前景。

本文擬以G0711烏尉(烏魯木齊至尉犁)高速公路K53-K78段邊坡穩(wěn)定性評價為背景，探討“三高”地區(qū)邊坡巖體質量分級體系，嘗試多判據(jù)綜合評價法在邊坡穩(wěn)定性評價中的應用。

1 沿線工程地質概況

1.1 地形地貌

路線跨越天山山脈，呈中間高、南北低的態(tài)勢。北端起點倉房溝一帶海拔約1 100 m，向南沿 G216 漸次爬升至后峽(2 020 m)，再到路線最高點勝利達坂東側(冰達坂4 238 m)，后順溝下行至烏拉斯臺(勝利橋約2 570 m)、巴倫臺(約1 760 m)，在黃水溝(毛額特)一帶(1 290 m)出山。主要為中山峽谷地貌，溝谷呈V型，谷坡山勢陡峻，多懸崖；溝底沉積物少，易發(fā)洪水。

1.2 地層巖性

路線走廊帶分布自元古界—古生界—中生界—新生界的地層以及花崗巖體，巖性復雜多樣。研究段地層主要為石炭系奇爾古斯套群(C1qr)灰綠色、灰黑色凝灰?guī)r、粉砂巖、泥巖夾礫巖、硬砂巖、長石砂巖、灰?guī)r、火山角礫巖，泥盆系天格爾組(D3tc)蔥綠色泥巖、凝灰質硅質巖、凝灰?guī)r、凝灰砂巖及硅質巖、礫巖和(D3tb)凝灰粉砂巖、凝灰砂巖、硅質巖、泥質粉砂巖夾凝灰?guī)r和灰?guī)r透鏡體。

1.3 構造與地震

路線區(qū)屬天山構造帶，經(jīng)歷多期褶皺、斷裂、抬升等運動，形成如今的構造格局?？傮w上，路線走向與區(qū)域構造線多大角度相交，較為有利。根據(jù) GB 18306—2015[5]，路線地震動反應譜特征周期為0.40～0.45 s，地震動峰值加速度為0.10g～0.20g。根據(jù)區(qū)域資料，新構造運動以山脈的隆起抬升及南北兩側的盆地下降為主要方式。

1.4 不良地質

(1)崩塌與巖堆，由于線路順天山的峽谷布置，溝谷切割深，岸坡陡峭，基巖裸露，風化強烈，導致沿線崩塌作用發(fā)育；(2)泥石流，由于山勢陡峻，風化嚴重，雨季降水與積雪融化導致泥石流；(3)積雪及冰川，公路翻越天山山脈，在高海拔地段可見有積雪和冰川；(4)涎流冰，路線大部分修筑在寒冷地區(qū)，往往會遇到涎流冰的危害，影響交通，威脅行車安全；(5)河岸沖刷，擬建公路大部分順烏魯木齊河谷布置，屬典型的山區(qū)河流，水量隨降雨暴漲快跌，山洪期間對河岸的沖刷明顯。

沿線主要工程地質概況及地質災害分布見圖1。

圖1 烏魯木齊至尉犁段高速公路地質災害分布圖Fig.1 Geological disaster distribution in Wu—Yu highway

2 邊坡變形破壞模式

邊坡變形破壞模式與巖體的結構特征密切相關。巖體結構分為層狀結構、塊狀結構、碎裂結構和散體結構。其中，層狀結構巖體可根據(jù)層面與坡面的空間關系進一步劃分為：順向巖質邊坡、反向巖質邊坡、切向巖質邊坡三種類型[3](表1)。

調(diào)查路段30個巖質邊坡中，層狀巖質邊坡問題比較突出。

表1 順向、反向巖質邊坡劃分標準Table 1 Classification standard of forward and reverse rock slope

2.1 中-緩外傾巖質邊坡拉裂-滑移破壞

邊坡巖層傾向與邊坡傾向相同，層面對邊坡破壞面起控制作用。研究區(qū)順層邊坡多發(fā)育兩組以上構造節(jié)理，層間軟弱面分布較多，巖塊強度對邊坡穩(wěn)定性有影響但不起控制作用，軟弱面一般為滑移面，當上覆巖體的下滑力大于滑面上的抗滑力時，邊坡巖體沿下伏軟弱面向坡前臨空方向滑移，并使滑移體拉裂解體。當坡體下部滑移受阻時，發(fā)生彎曲變形直至貫通破壞。

2.2 中-陡(內(nèi))外傾巖質邊坡傾倒破壞

當巖層面傾角大于坡面傾角時，軟弱結構面在傾向方向無自由臨空面，巖層面一般不會導致邊坡發(fā)生滑移破壞，而易發(fā)生傾倒破壞。巖體在自重作用下，于前緣開始向臨空方向作懸臂梁彎曲，并逐漸向坡內(nèi)發(fā)展，導致坡體后緣開裂，形成平行于走向的反坡臺階和槽溝，根部折斷，當坡體內(nèi)折斷帶的剪應力超過其抗剪強度時，坡體逐漸錯動下滑形成傾倒塌滑體。

2.3 中-緩內(nèi)傾反向巖質邊坡

這類邊坡屬于比較穩(wěn)定的結構類型，不具備產(chǎn)生變形破壞的基本地質條件，調(diào)查路段沒有這種結構類型的邊坡。

2.4 近直立狀巖質邊坡-崩塌(碎落)破壞

該類邊坡巖體存在近直立狀結構面，結構面對邊坡穩(wěn)定起控制作用。坡上巖體在重力作用下，發(fā)生突然急劇的傾落運動。崩塌體與坡體的分離界面往往是傾角很大的不連續(xù)面，如節(jié)理、片理、劈理、層面、破碎帶等，崩塌體的運動方式為傾倒、崩落與碎落。

3 邊坡穩(wěn)定性評價方法

G0711K53-K78段地處“三高”地區(qū)，地質條件復雜，且時間緊，任務重，初測階段資料匱乏，可利用數(shù)據(jù)極少，全面系統(tǒng)地評價每一邊坡的穩(wěn)定性非常困難。因此針對該工程特點采用必要的簡化處理，其技術思路如圖2所示。

3.1 修正的邊坡巖體質量分級方法——THRSMR法

巖質邊坡穩(wěn)定性主要受巖體結構控制，巖體質量分級能充分反映巖體結構特征。張元才[6]針對天山地區(qū)高寒高海拔、凍融作用強烈的特點，對坡高修正系數(shù)ξ及結構面條件系數(shù)λ進行系統(tǒng)調(diào)整，并引入凍融系數(shù)δ，建立了適用于天山公路的邊坡巖體質量評價體系TSMR，其綜合評分值由式(1)確定：

TSMR=δξRMR-λ(F1F2F3)+F4

(1)

式中：F1——不連續(xù)面傾向與邊坡傾向關系調(diào)整值；

F2——不連續(xù)面傾角大小調(diào)整值；

F3——不連續(xù)面與坡面傾角關系調(diào)整值；

F4——邊坡開挖方法調(diào)整參數(shù)。

TSMR體系綜合考慮了巖石強度、巖體完整性、結構面與坡面產(chǎn)狀關系、坡高、凍融循環(huán)等因素，但未考慮地震因素的影響。本文根據(jù)擬靜力法，將地震力等效為作用于邊坡塊體的水平力，針對TSMR的評級結果，利用GEO-SLOPE軟件進行大量計算與統(tǒng)計分析，結合類似工程的實踐經(jīng)驗，提出適用于“三高”地區(qū)的巖體質量分級體系THRSMR(three high region slope mass rating)，計算公式如下：

THRSMR=β[δξRMR-λ(F1F2F3)]+F4

(2)

式中：β——考慮地震力的修正系數(shù)，取值見表2。

其余參數(shù)與TSMR體系相同。

表2 地震作用系數(shù)βTable 2 Coefficient of seismic action β

THRSMR體系仍沿用TSMR體系的分級標準，即最大值為100，最小值為0，以20分劃分等級，共分為5級[7～8]。THRSMR的合理性驗證，作者將另文詳細介紹。

3.2 基于Monte Carlo的可靠度評價

關于Monte Carlo法計算原理有諸多報道[9～10]，本文僅對其實施步驟作簡要歸納：

(1)確定邊坡分析剖面，選擇適合工程地質力學模型的破壞模式；

(2)確定影響邊坡穩(wěn)定性各個變量的概率分布和分布參數(shù)，包括強度參數(shù)(c、φ)、容重等參數(shù)；

(3)根據(jù)已判定的破壞模式，確定最危險的潛在滑移面；

(4)根據(jù)隨機變量{x1，x2，…，xn}的分布函數(shù)和參數(shù)，隨機地抽取同分布的一組隨機數(shù)x1，x2，…，xn；

(5)由所建的狀態(tài)方程式計算一個函數(shù)值，取得安全系數(shù)的一個樣本；

圖2 研究技術路線圖Fig.2 Technical flow chart of the research work

(6)重復(4)、(5)直至達到預期的精度要求的試驗次數(shù)N；

(7)由N個安全系數(shù)擬合其概率分布F(k)，估計均值μk、標準差σk，統(tǒng)計安全系數(shù)小于等于1的次數(shù)M；

上述(4)到(7)計算工作量大，Geo-Studio軟件中的Slope模塊可以方便實現(xiàn)上述功能。其輸出結果見圖3～4。

圖3 概率密度Fig.3 Probability density function

圖4 概率分布Fig.4 Probability distribution function

通過計算邊坡的可靠度指標和破壞概率，充分反映各種不確定性因素對邊坡的影響，能更全面地體現(xiàn)邊坡的穩(wěn)定狀況，避免了安全系數(shù)使用過程中的絕對化。

3.3 基于多判據(jù)的模糊綜合評價法

相對于G0711烏尉段，位于高寒、高海拔和高地震烈度地區(qū)，這類規(guī)模大、地質條件復雜、各種影響因素交織且勘察資料嚴重不足的高陡邊坡穩(wěn)定性評價而言，前述各種計算方法所得結論也只是單一理論模型的計算結果。盡管建模過程以及各種參數(shù)的確定過程中，也考慮了專家的經(jīng)驗，但這種結論仍然是基于半經(jīng)驗半理論的分析結果，暫稱之為穩(wěn)定性基礎評價。由于地質體的復雜性，邊坡工程問題是信息不全、信息模糊問題，因此必須引入更為綜合性的評估方法，才能得出相對客觀的評估結論，而模糊綜合評價理論正適用于解決此類問題。本次研究在前述單一方法所得評價結論的基礎上，嘗試利用模糊綜合評價模型對G0711高速公路烏尉段典型邊坡的穩(wěn)定性進行進一步的綜合評定。

3.3.1評判指標

(1)定性評價M1

對于巖質邊坡選擇THRSMR評價法的結論，作為穩(wěn)定性進一步評價的基礎指標。按百分制打法，分為五級：[80,100]，Ⅰ(穩(wěn)定)；[60,80)，Ⅱ(基本穩(wěn)定)；[40,60)，Ⅲ(潛在不穩(wěn)定)；[20,40)，Ⅳ(欠穩(wěn)定)；[0,20)，Ⅴ(不穩(wěn)定)。

對于土質或巖土混合邊坡，傳統(tǒng)定性方法中尚無與巖質邊坡穩(wěn)定性分級相對應的評價方法，因此，本次研究將初級模糊評價結論作為進一步評價的基礎指標。評價結果是Ⅰ(穩(wěn)定)，Ⅱ(基本穩(wěn)定)，Ⅲ(潛在不穩(wěn)定)，Ⅳ(欠穩(wěn)定)和Ⅴ(不穩(wěn)定)五級，屬離散型指標。

(2)極限平衡法M2

極限平衡法的計算結果為總體安全系數(shù)，為連續(xù)性指標。安全系數(shù)F>1.2為穩(wěn)定，Ⅰ級；1.1～1.2為基本穩(wěn)定，Ⅱ級；1.05～1.1為潛在不穩(wěn)定，Ⅲ級；1.00～1.05為欠穩(wěn)定，Ⅳ級；<1.0為不穩(wěn)定，Ⅴ級。

(3)數(shù)值計算法M3

本次研究應用的數(shù)值計算方法主要以有限單元法為主(代表性計算軟件MIDAS-GTS、ABQUES、GEO-slope/SIGMA)、有限差分法(FLAC3D)和離散單元法為輔(UDEC5.0)，采用強度折減法。

強度折減法的結果也為總體安全系數(shù)，為連續(xù)性指標。安全系數(shù)F>1.2為穩(wěn)定，Ⅰ級；1.1～1.2為基本穩(wěn)定，Ⅱ級；1.05～1.1為潛在不穩(wěn)定，Ⅲ級；1.0～1.05為欠穩(wěn)定，Ⅳ級；<1.0為不穩(wěn)定，Ⅴ級。

(4)可靠性評價法M4

可靠性評價結果統(tǒng)一以失效概率輸出，屬連續(xù)變量。失效概率Pf<0.05，為穩(wěn)定，Ⅰ級；0.05≤Pf<0.075，為基本穩(wěn)定，Ⅱ級；0.075

3.3.2權重確定

根據(jù)前節(jié)選定指標，采用AHP與專家評分等綜合方法[11～13]，計算各評價方法的權重如表3所示。

表3 烏尉高速邊坡穩(wěn)定性評價指標Table 3 Evaluation criteria for stability for slope along the Wu—Yu highway

3.3.3隸屬度計算

對于離散型指標，先按一定準則作量化處理，即將因素分成5個等級：Ⅰ(0.9)，Ⅱ(0.7)，Ⅲ(0.5)，Ⅳ(0.3)和Ⅴ(0.1)。然后取梯形函數(shù)作為隸屬度函數(shù)，對于連續(xù)性指標，取嶺型分布函數(shù)為隸屬度函數(shù)[14～16]。

3.3.4計算模型

依據(jù)模糊綜合評判理論，結合專家經(jīng)驗，評價步驟如下：

(1)評語集={穩(wěn)定Ⅰ，基本穩(wěn)定Ⅱ，潛在不穩(wěn)定Ⅲ，欠穩(wěn)定Ⅳ，不穩(wěn)定Ⅴ}；

(2)因子集= {定性分析,極限平衡分析，數(shù)值分析，可靠度分析}；

(3)因子權重采用AHP方法，A=[0.3462，0.2692，0.1923，0.1923]T。

(4)根據(jù)各因素隸屬度函數(shù)，確定模糊隸屬度，從而建立各研究邊坡的單因素評判矩陣Ri。

(5)按下式進行模糊綜合運算

(3)

(6)根據(jù)最大隸屬度準則對邊坡穩(wěn)定性進行模糊綜合評判。

4 評價結果

利用上述方法，將研究區(qū)邊坡典型觀測點的穩(wěn)定性進行模糊綜合評判，其結果見表4?？梢钥闯觯芯繀^(qū)段36個邊坡中，自然狀態(tài)下圍巖穩(wěn)定性等級為Ⅰ級的11個，Ⅱ級17個，Ⅲ級8個；地震工況下圍巖穩(wěn)定性等級為Ⅱ級的1個，Ⅲ級24個，Ⅳ級4個，Ⅴ級7個，可見地震作用是該區(qū)段邊坡穩(wěn)定的重要影響因素。

另一方面，從表4還可以看出，極限平衡法的計算結果與定性分析結果基本一致，而數(shù)值分析法所得安全系數(shù)值略偏大，可靠度評價法的結果決定于強度參數(shù)的離散性特征。這也是從另一側面說明綜合評判模型中所選權重的合理性。

5 結論

(1)研究區(qū)段36個邊坡中，自然狀態(tài)下圍巖穩(wěn)定性等級為Ⅰ級的11個，Ⅱ級17個，Ⅲ級8個；地震工況下圍巖穩(wěn)定性等級為Ⅱ級的1個，Ⅲ級24個，Ⅳ級4個，Ⅴ級7個，可見地震作用是該區(qū)段邊坡穩(wěn)定的重要因素。

(2)極限平衡法與定性分析結果基本一致，而數(shù)值分析法所得安全系數(shù)值略偏大，可靠度評價法的結果決定于強度參數(shù)的離散性特征。

(3)本文引入地震作用系數(shù)β，對TSMR體系進行的修正；基于多判據(jù)的評價方法能綜合考慮專家經(jīng)驗，集多種方法的結論于一體，有效克服傳統(tǒng)單一判據(jù)所得結論可信度偏低的缺陷，符合巖土工程學科特點，適用于“三高”地區(qū)公路邊坡穩(wěn)定性快速評價。

表4 G0711烏尉高速WYSJ-1合同段K53-K78岸坡穩(wěn)定性綜合評價Table 4 Comprehensive evaluation of slope stability at K53-K78 section in G0711 of the Wu—Yu highway

*注：表中邊坡穩(wěn)定性最終等級的劃分標準與極限平衡法相同。