鄭志山， 肖英姬， 解 欽， 孫 兵

(浙江數智交院科技股份有限公司, 浙江 杭州 310030)

0 引言

設置擋土墻是山區(qū)公路建設中為保證道路、山體和建筑物安全采用的一種工程措施，被廣泛應用于路堤、路塹、隧道洞口以及橋梁兩端的路基邊坡等工程[1-2]。但是，隨著道路運營時間增加，擋土墻在外力和內力作用下其安全狀況可能發(fā)生較大變化，往往呈現出多種病害，如滑移傾斜、坍塌、墻體外鼓、墻身局部開裂、墻后填土沉陷、泄水孔堵塞、滲流涌水等。對擋土墻的安全風險進行評估能夠提前發(fā)現擋土墻安全隱患，是保障公路交通安全運營的重要技術手段[3]。目前擋土墻安全風險評估的方法主要針對特定時期和地區(qū)的擋土墻,選取包含病變特征要素、檢測要素和檢算要素在內的擋土墻穩(wěn)定性要素作為評分標準，對各個標準進行打分，最后根據分值評定等級，但是對擋土墻失穩(wěn)破壞后導致滑坡災害后果影響程度并未考慮[4-8]。鑒于此，本研究基于公路邊坡擋土墻的自身結構與外界環(huán)境影響因素，提出以擋土墻穩(wěn)定性和失穩(wěn)后果2類共15個風險因子為評判指標的邊坡擋土墻安全風險評估方法，以期為評估公路邊坡擋土墻的安全性及評判安全等級提供參考依據，降低公路運營期間事故的發(fā)生概率及預防事故的發(fā)生。

1 公路邊坡擋土墻安全風險評估指標選取與分析

1.1 穩(wěn)定性評估指標

穩(wěn)定性評估風險因子主要有10個。

1.1.1擋土墻高厚比(B)

擋土墻自身能力對其穩(wěn)定性影響重大，如擋土墻墻身質量差，墻身抗滑、抗傾覆或抗剪強度不夠，易導致擋土墻發(fā)生各種病害，影響擋土墻的運營安全。擋土墻本身的高度、厚度等幾何特征(見圖1)影響著其自身的抗傾覆、抗剪強度等能力。一般而言，擋土墻高厚比越小，其穩(wěn)定性越高；擋土墻高厚比越大，其穩(wěn)定性越低。因此，將擋土墻高厚比(B)作為評判擋土墻自身穩(wěn)定性的重要指標之一，B=He/Bw，He=Hw(1+0.35 tanβ)+s/20，s為擋土墻墻頂超載等效均布荷載。

圖1 擋土墻斷面幾何特征

1.1.2墻后材料(C)

擋土墻墻后填充材料的類型不同，擋土墻所受的土壓力大小也不同。若墻后材料為坡積土、殘積土、全風化或強風化巖石，擋土墻所受土壓力相對較?。蝗魤蟛牧蠟樘钔恋炔牧?，擋土墻所受土壓力相對較大。

1.1.3擋土墻破損狀況(D)

投入使用多年的擋土墻，在外部作用和內部作用的共同影響下，將會出現不同程度的破損，包括墻體脫落、墻體移動、墻體裂縫、墻面外鼓等現象，這些現象均為擋土墻失穩(wěn)破壞的前兆。

1.1.4墻頂區(qū)域滲水(E1)、表面排水(E2)、輸水設施(E3)、滲流(E4)

該4項指標可歸為水對擋土墻穩(wěn)定性的影響因素，當擋土墻輸水管漏水、泄水孔排水不暢時，將會浸濕軟化墻背巖土，使墻背飽水、降低擋土墻土體的力學參數，削弱抗剪強度，且墻后受到的土壓力隨之增大，墻背產生動水和靜水壓力，將極大降低擋土墻的穩(wěn)定性。

1.1.5擋土墻類型(F)

擋土墻的類型對其穩(wěn)定性能有著至關重要作用，按照建筑材料類型可分為漿砌石擋土墻、片石混凝土擋土墻和混凝土擋土墻3類，其穩(wěn)定性排序一般為：漿砌石擋土墻<片石混凝土擋土墻<混凝土擋土墻。

1.1.6歷史失穩(wěn)情況(G)

認識和掌握歷史失穩(wěn)破壞情況，有利于及時準確地把握和分析擋土墻病害，并對擋土墻病害的發(fā)展趨勢做出合理的判斷和預測。擋土墻失穩(wěn)按照規(guī)模可分為整體性失穩(wěn)、局部性失穩(wěn)和結構性失穩(wěn)，整體性失穩(wěn)是指失穩(wěn)波及整個墻體及墻后的土體，局部性失穩(wěn)是指失穩(wěn)波及部分墻體和土體，結構性失穩(wěn)指只是使擋土墻結構破壞而墻后土體無變形。

1.1.7坡底角度(J)

一般而言，坡腳以下地形越陡，擋土墻的穩(wěn)定性越低，發(fā)生失穩(wěn)破壞后的致災性也越強；坡腳以下地形越緩，擋土墻的穩(wěn)定性越高，發(fā)生失穩(wěn)破壞后的致災性也越低。

1.2 失穩(wěn)后果評估指標

失穩(wěn)后果評估風險因子主要有5個。

1.2.1失穩(wěn)對墻頂設施影響因子(K)

該指標主要評估擋土墻失穩(wěn)導致邊坡滑坡對墻頂設施影響程度，需根據擋土墻高度和墻頂以上設施距墻頂的距離確定。

1.2.2墻頂及墻腳地形特征影響因子(M)

擋土墻失穩(wěn)導致邊坡滑坡的后果影響程度與坡頂以上及坡腳以下地形特征緊密相關。一般而言，坡頂以上及坡腳以下地形越陡，發(fā)生的滑坡災害破壞性越大；坡頂以上及坡腳以下地形越緩，發(fā)生的滑坡災害破壞性越低。

1.2.3失穩(wěn)對墻腳設施影響因子(L)

該指標主要評估擋土墻失穩(wěn)導致邊坡滑坡對墻腳設施影響程度，需根據邊坡整體高度和擋土墻墻腳以外設施距墻腳的距離確定。

1.2.4失穩(wěn)后果系數(N)

擋土墻失穩(wěn)導致邊坡滑坡，可能會造成道路堵塞，車輛掩埋等事故，嚴重危害交通安全，其災害的影響程度與滑坡災害的威脅對象有關，需根據滑塌災害發(fā)生位置對滑坡后果進行評判。

1.2.5擋土墻高度修正系數(V)

擋土墻失穩(wěn)可能導致邊坡發(fā)生整體失穩(wěn)、局部失穩(wěn)或微小失穩(wěn)，擋土墻自身失穩(wěn)高度制約著滑坡規(guī)模，造成的滑坡后果也不同。因此，有必要根據邊坡失穩(wěn)規(guī)模修正擋土墻高度，作為評估擋土墻失穩(wěn)破壞導致邊坡滑坡后果指標之一。

2 公路邊坡擋土墻安全風險評估方法、流程及評估各項取分標準

2.1 評估方法

本研究中公路邊坡擋土墻安全風險評估包括穩(wěn)定性因素評估、失穩(wěn)后果影響因素評估兩部分，采用安全風險分數RS(Risk Score)來表示公路邊坡擋土墻安全風險程度，并根據RS將安全風險分為4個類別。

2.1.1安全風險分數RS

RS=NF×IS×CS/100

(1)

式中：NF為歸一化因子，取值0.1；IS(Instability Score)為穩(wěn)定性分數，根據影響邊坡擋土墻穩(wěn)定性的因素進行量化評估計算可得，IS=(B×C)+D+E1+E2+E3+E4+F+G+J；CS(Consequence Score)為滑坡后果分數，根據邊坡擋土墻失穩(wěn)發(fā)生滑坡的后果嚴重程度進行量化評估計算可得，CS=2×(K+L)×N×V。

2.1.2邊坡安全風險分類

本研究根據安全風險分數RS將公路邊坡擋土墻邊坡安全風險等級劃分為4類，分別為：I，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ。具體分類情況如表1所示。

表1 公路邊坡擋土墻安全風險分類標準安全風險等級安全風險分數擋土墻技術狀況I(0,45]穩(wěn)定:擋土墻整體穩(wěn)定,不需進行工程處理Ⅱ(45,55]欠穩(wěn)定:擋土墻處于欠穩(wěn)定狀態(tài),病害有發(fā)展,對行車安全尚未產生影響Ⅲ(55,60)不穩(wěn)定:擋土墻病害發(fā)展較快,存在危及行車安全的可能,需要分期和逐步對擋土墻進行整治Ⅳ(60,+∞)危險:擋土墻整體穩(wěn)定性嚴重不足,需及時整治

2.2 評估流程

進行公路邊坡擋土墻安全風險評估時，首先需要明確安全風險評估需要的擋土墻信息，通過現場調查給所需檢查的項目現場打分賦值；再通過室內整理資料，計算出穩(wěn)定性分數和滑坡后果分數，得出安全風險分數,從而判斷擋土墻安全風險類別。邊坡檢查評估項目可以分為擋土墻基礎信息和現場調查信息兩部分，如表2所示，具體評估流程如圖2所示。

表2 邊坡檢查評估項目評估項目評估內容對應風險因子擋土墻斷面幾何特征B擋土墻墻后材料C擋土墻基礎信息擋土墻類型F歷史失穩(wěn)情況G邊坡地形地貌條件J、M評估內容不局限于以上所述內容擋土墻破損狀況D擋土墻現場調查信息墻頂區(qū)域滲水、表面排水、輸水設施、滲流E1、E2、E3、E4坡頂、坡腳地形特征J坡頂或坡腳的建筑物/構筑物及距離K、L

圖2 公路邊坡擋土墻安全風險具體評估流程

2.3 風險因子評分標準

2.3.1擋土墻穩(wěn)定性風險因子評分標準

1)擋土墻高厚比(B)：主要依據擋土墻高度、厚度幾何參數作評分，可將其評分分為5個等級，如表3所示。對應擋土墻高厚比B的分值，如果B>5，對任意類型的擋土墻[(Bw×C)+D]皆取200。

2)墻后材料(C)：按照“坡積土、殘積土、全風化或強風化巖石”和“填土或未知”兩類評分，具體評分標準如表4所示。

3)擋土墻破損狀況(D)：根據擋土墻的墻體變形、位移、裂縫等破損情況評估，具體評分如表5所示。

表3 擋土墻高厚比(B)評分標準評定方法及依據得分4.2

表4 墻后材料(C)評分標準評定方法及依據得分填土或未知1坡積土、殘積土、全風化或強風化巖石0.7

4) 墻頂區(qū)域滲水(E1)、表面排水(E2)、輸水設施(E3)、滲流(E4)：其4項具體評分如表6所示。

5) 擋土墻類型(F)：主要根據漿砌石擋土墻、片石混凝土擋土墻以及混凝土擋土墻3類進行評分，具體評分如表7所示。

表5 擋土墻破損狀況(D)評分標準評定方法及依據得分備注極嚴重的變形或破損:大部分墻體脫落、墻體位移超過從墻腳處引出的垂直線或位移量>75 mm、墻頂水平向連續(xù)裂縫寬度或墻體豎向裂縫寬度>0.6%h100嚴重的變形或破損:部分墻體出現脫落、墻體位移小于從墻腳處引出的垂直線或位移量≤75 mm、墻頂水平向連續(xù)裂縫寬度或墻體豎向裂縫寬度在0.2%h～0.6%h范圍內70h是某處裂縫寬度測量點到墻腳(地面線)的高度。中等的變形或破損:小部分砂漿脫離、肉眼可觀察到墻體輕微位移、墻頂水平向連續(xù)裂縫寬度或墻體豎向裂縫寬度在0.1%h～0.2%h范圍內30中等的變形或破損:小部分砂漿脫離、肉眼可觀察到墻體輕微位移、墻頂水平向連續(xù)裂縫寬度或墻體豎向裂縫寬度在0.1%h～0.2%h范圍內0

表6 墻頂區(qū)域滲水(E1)、表面排水(E2)、輸水設施(E3)、滲流(E4)評分標準名稱評定方法及依據得分備注墻頂區(qū)域滲水(E1)表面排水(E2)輸水設施(E3)滲流(E4)不足25%的墻頂區(qū)域有護面15有25%至75%的墻頂區(qū)域有護面1075%以上的墻頂區(qū)域有護面0墻頂上無排水設施,且墻頂以上區(qū)域有地表水匯聚15墻頂上無排水設施10墻頂上有排水設施但規(guī)模和數量不足5墻頂上有完善的排水設施,排水充分0有可能產生漏水的輸水設施且發(fā)現有漏水跡象10有可能產生漏水的輸水設施但尚無發(fā)現有漏水跡象5無可能產生漏水的輸水設施0在半墻高或以上部位有滲流,流量≥1 m3/d15在半墻高或以上部位有滲流,流量<1 m3/d;或半墻高以下部位有滲流,流量≥1 m3/d10在半墻高以下部位有滲流,流量<1 m3/d,或墻面發(fā)現滲流痕跡5無滲流痕跡0① 墻頂區(qū)域是指墻頂以外Hw/2水平距離內的區(qū)域;② 如果墻頂區(qū)域內存在積水洼地,則本級評分提高一級取值,但最高不大于15應考慮墻頂外一倍墻高范圍內所有可能在滲漏時對擋墻產生不良影響的輸水設施,具體評估時應根據實際情況確定連續(xù)晴天時檢查注意結合現場滲流痕跡、歷史資料等信息

表7 擋土墻類型(F)評分標準評定方法及依據得分漿砌石擋墻30片石混凝土擋墻15混凝土擋墻0

6)歷史失穩(wěn)情況(G)：根據歷史失穩(wěn)規(guī)模評分，具體評分如表8所示。

7)坡底角度(J)：根據擋土墻下方坡底角度評分，具體評分如表9所示。

2.3.2失穩(wěn)后果評估風險因子評分標準

1)失穩(wěn)對墻頂設施影響(K)、失穩(wěn)對墻腳設施影響(L)：主要根據擋土墻高度和墻頂以上設施距墻頂的距離，邊坡整體高度和擋土墻墻腳以外設施距墻腳的距離，計算得到評分，具體評分如表10所示。

表8 歷史失穩(wěn)情況(G)評分標準評定方法及依據得分備注整體性失穩(wěn)10整體性失穩(wěn)是指失穩(wěn)波及整個墻體及墻后的土體;局部性失穩(wěn)是指失穩(wěn)波及部分墻體和土體;結構性失穩(wěn)指只是使擋土墻結構破壞而墻后土體無變形多次局部失穩(wěn)或結構性失穩(wěn)5局部失穩(wěn)或僅有結構性失穩(wěn)2無失穩(wěn)或對以往發(fā)生的失穩(wěn)采取了有效的補強加固措施0

表9 坡底角度(J)評分標準評定方法及依據得分α>35°6025°<α≤35°3015°<α≤25°15α≤15°或墻腳下無自然山坡0

2) 墻頂及墻腳地形特征(M)：根據擋土墻上部坡頂角度或下部坡底角度評分，具體評分如表11所示。

3) 失穩(wěn)后果系數(N)：主要根據擋土墻失穩(wěn)導致的滑塌災害影響程度與威脅對象評分，具體評分如表12所示。

表10 失穩(wěn)對墻頂設施影響(K)評分標準名稱評定方法及依據得分備注失穩(wěn)對墻頂設施影響(K)當K>0時計算得出K=4[(1.2Hw-P)/(1.2Hw)],式中: Hw為擋土墻高度,P為墻頂以上設施距墻頂的距離,m當K<0時0失穩(wěn)對墻腳設施影響(L)當L>0時計算得出L=8[(2+M)H-Q]/[(2+M)H],式中:H為邊坡高度,Q為墻頂以上設施距墻頂的距離,m當L<0時0

表11 墻頂及墻腳地形特征(M)評分標準 名稱評定方法及依據得分坡頂角度β<35°且坡底角度α<15°0坡頂角度β≥35°0.315°≤坡底角度α<30°0.6墻頂及墻腳地形特征(M)坡底角度α≥30°0.9坡頂角度β≥35°且15°≤坡底角度α<30°1.2坡頂角度β≥35°且坡底角度α≥30°1.5

表12 失穩(wěn)后果系數(N)評分標準名稱評定方法及依據得分失穩(wěn)后果系數(N)隧道口邊坡1.4可能造成較大及以上安全事故,或可能會造成嚴重交通擁堵或大面積滑坡(>500 m3)1.25其它不屬于上述的邊坡1

4) 擋土墻高度修正系數(V)：根據擋土墻失穩(wěn)程度評分，具體評分如表13所示。

表13 擋土墻高度修正系數(V)評分標準名稱評定方法及依據得分整體失穩(wěn)擋土墻高度修正系數(V)局部失穩(wěn)V=n×Hw,若Hw>20 m,則Hw取20 m;n對應滑坡穩(wěn)定因子,整體失穩(wěn)、局部失穩(wěn)、微小失穩(wěn)分別取值1.0、0.7、0.4微小失穩(wěn)

3 實例分析

3.1 項目基本信息

以某省道沿線兩側的7處挖方高度超過20 m的巖質邊坡擋土墻為例，進行公路邊坡擋土墻安全風險評估方法應用。該段道路沿線兩側的7處邊坡以錨索錨固的格柵生態(tài)擋土墻為下部基礎，上部施以錨桿+主動網+爬藤綠化防護形式進行治理，圖3為邊坡的治理工程格柵生態(tài)擋土墻示意圖，圖4為格柵生態(tài)擋土墻現場拍攝圖。

其中，格柵擋土墻由立柱與擱板構成，擱板傾斜放置于立柱之間，傾斜角度45°，擱板上方可裝耕植填土綠化；立柱埋深0.4 m，露出地表4 m，兩根立柱間距4.8 m，由錨索錨固于邊坡前方；格柵擋土墻立柱及擱板均采用預制形式，立柱放置于C20砼澆筑的基礎上。

圖3 某省道沿線7處邊坡治理工程格柵生態(tài)擋土墻示意圖(單位： cm)

圖4 格柵生態(tài)擋土墻現場拍攝圖

目前，該段道路沿線兩側的7處邊坡格柵生態(tài)擋土墻整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，未見明顯的病害，但局部存在墻后填土受雨水沖刷、墻面輕微裂縫等問題。7處邊坡格柵生態(tài)擋土墻主要信息如表14所示。

3.2 安全風險評估結果

根據評估方法、評估流程及評分標準，實際應用中基于Excel軟件編輯了安全風險分數計算表

表14 某省道沿線7處邊坡擋土墻主要信息列表擋土墻編號邊坡高度/m坡頂角度/(°)坡底角度/(°)坡頂設施距坡頂的距離/m坡腳公路距坡腳的距離/m擋土墻高度/m擋土墻厚度/m歷史失穩(wěn)情況主要病害1335545?墻后填土受雨水沖刷較嚴重、填土沉陷2386075墻面存在裂縫3348375較好4227260004.401.00無較好5266575墻面存在裂縫,墻后填土受雨水沖刷較嚴重、填土沉陷6287080墻面存在裂縫7578075墻后填土受雨水沖刷較嚴重、填土沉陷

格?；谀呈〉姥鼐€兩側的7處巖質邊坡擋土墻信息(邊坡高度、傾角、擋土墻高度、厚度、歷史失穩(wěn)情況等)，并通過現場調查安全風險評估所需檢查的項目(擋土墻破損情況、排水滲水情況、坡頂坡腳設施等)，計算出該7處邊坡擋土墻的穩(wěn)定性分數IS、失穩(wěn)后果分數CS以及安全風險分數RS，實現了對這7處邊坡擋土墻安全風險評估。評估結果顯示該沿線7處邊坡擋土墻風險類別均為Ⅰ類，如表15所示。

從評估結果可以得出，該沿線7處邊坡擋土墻整體穩(wěn)定性較好，可根據安全風險類別確定養(yǎng)護對策，不需進行工程處理，以日常養(yǎng)護為主。

表15 某省道沿線7處邊坡擋土墻安全風險評估結果匯總擋土墻編號穩(wěn)定性分數IS滑坡后果分數CS風險分數RS風險類別1250.00132.0033.00Ⅰ2200.0092.4018.48Ⅰ3165.0092.4015.25Ⅰ4180.00132.0023.76Ⅰ5240.00132.0031.36Ⅰ6200.00132.0026.40Ⅰ7210.0092.4019.40Ⅰ

4 結論

本研究基于公路邊坡擋土墻的自身結構因素(擋土墻高厚比、類型、破損狀況、歷史失穩(wěn)情況、墻頂及墻腳地形特征等)與外界環(huán)境影響因素(擋土墻墻后材料、墻頂區(qū)域滲水、表面排水、輸水設施、滲流、坡底角度等)，并考慮失穩(wěn)后果影響，構建了穩(wěn)定性評估和失穩(wěn)后果評估2類共15個風險因子的安全風險評估方法。將該方法應用于某省道沿線兩側的7處邊坡擋土墻進行安全風險評估，取得合理的評估結果。本文的研究工作總結如下：

1) 分析了影響擋土墻安全的自身結構因素(內部因素)、外界環(huán)境因素(外部因素)，選取10個穩(wěn)定性評估指標[(擋土墻高厚比(B)、墻后材料(C)、擋土墻破損狀況(D)、墻頂區(qū)域滲水(E1)、表面排水(E2)、輸水設施(E3)、滲流(E4)、擋土墻類型(F)、歷史失穩(wěn)情況(G)與坡底角度(J)]和5個失穩(wěn)后果評估指標作為邊坡擋土墻安全風險評估指標。

2) 提出的公路邊坡擋土墻安全風險評估方法是基于邊坡、擋土墻的基本信息，并通過現場調查給安全風險評估所需檢查的影響因素打分賦值，計算出擋土墻的穩(wěn)定性分數IS、失穩(wěn)后果分數CS和安全風險分數RS。實際應用中利用Excel編輯了邊坡擋土墻安全風險分數計算表格，可快速、經濟地判斷擋土墻的安全狀況。