田卿燕， 張青青*， 殷全春， 楊軍

(1.廣東華路交通科技有限公司， 廣東 廣州 510420； 2.廣州市市政工程試驗檢測有限公司， 廣東 廣州 510520)

近20年來中國山區(qū)公路里程迅速增加，隨著高速公路建設(shè)向丘陵、山區(qū)的延伸，形成大量的邊坡工程，同時受氣候環(huán)境多變及地質(zhì)條件復(fù)雜的影響，邊坡地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生較為頻繁，為保障高速公路通行安全，其養(yǎng)護及技術(shù)狀況評價正成為山區(qū)公路工程發(fā)展必須面臨的問題。公路邊坡病害類型與地形地貌、巖層特性、土壤種類、氣象水文、地震、人類活動等多個因素有關(guān)[1-4]，如何根據(jù)這些基礎(chǔ)資料，同時結(jié)合邊坡當前的狀態(tài)，對邊坡進行科學(xué)合理的分析評價，為邊坡養(yǎng)護加固提供科學(xué)的依據(jù)，保障高速公路的運營安全成為業(yè)界日益關(guān)注的課題[5]。

目前，中國對運營期邊坡的安全風(fēng)險評價尚無規(guī)范可依。而業(yè)界內(nèi)評價運營期邊坡安全風(fēng)險應(yīng)用最為廣泛的方法為經(jīng)驗方法和統(tǒng)計方法。經(jīng)驗方法為實際現(xiàn)場進行邊坡技術(shù)狀況評價最常采用的方法，以定性的評價內(nèi)容為主，通過對邊坡的定性描述，并給予評分，最后按照所有的定性描述得到總評分，再依照總評分的高低來定義邊坡病害等級，經(jīng)驗方法雖能較為迅速得到邊坡技術(shù)狀況評價，但較為粗略；統(tǒng)計方法主要采用數(shù)理統(tǒng)計方法對大量邊坡案例數(shù)據(jù)進行分析，統(tǒng)計結(jié)果一般隨區(qū)域特性的不同、選取因子的不同以及統(tǒng)計方法的不同，而得到不同的邊坡本體技術(shù)狀況評價結(jié)果，在使用上可能受限于部分因子無法取得或不同區(qū)域特性下缺少相對應(yīng)的因子分級，導(dǎo)致無法進行邊坡本體技術(shù)狀況評價[6-8]。由上可知，對于邊坡技術(shù)狀況評價仍然存在以下幾方面問題尚未完全解決：① 經(jīng)驗方法多為定性，難以量化，加上部分評價內(nèi)容不容易通過現(xiàn)場巡查取得，適用性不佳；② 統(tǒng)計方法無法具備全范圍的適用性，針對不同區(qū)域特性、環(huán)境變化以及其他因素的影響，無法有效給出完善的評價結(jié)果；③ 評價結(jié)果的分級缺乏數(shù)據(jù)支撐。

該文基于大量邊坡工程案例，在綜合經(jīng)驗方法和統(tǒng)計方法各自優(yōu)點的基礎(chǔ)上，提出可用于邊坡技術(shù)狀況評定的不安定指數(shù)模型及評定標準。采用該方法進行影響因素分析和理論模型構(gòu)建，以不安定指數(shù)值(Dt)描述路塹邊坡潛在破壞風(fēng)險大小，進行各評價指標的變異性分析，并依照計算的變異值判定影響因子權(quán)重，以實現(xiàn)邊坡風(fēng)險程度預(yù)測與評價。

1 邊坡風(fēng)險評價模型

1.1 邊坡分項技術(shù)狀況評價指標

影響公路邊坡整體技術(shù)狀況的因素可分為內(nèi)在因素和外在因素。內(nèi)在因素主要是指邊坡坡體自身的固有特性，例如邊坡結(jié)構(gòu)、巖土類型和物理力學(xué)性質(zhì)、水理性質(zhì)、密實程度、坡高、坡度等要素；外在因素主要有環(huán)境因素和人為因素，例如降雨、地震、人工削坡或堆載等。

廣東省山區(qū)高速公路邊坡整體穩(wěn)定性主要受地層結(jié)構(gòu)和巖性、降雨與地下水滲流條件、邊坡防護措施有效性等多種因素的影響。結(jié)合廣東省公路邊坡實際病害類型和分布特點，并參考國內(nèi)外相關(guān)邊坡技術(shù)狀況評價內(nèi)容，考慮到現(xiàn)場巡查人員可直接取得相關(guān)信息，使其能夠依照現(xiàn)場巡查信息立即進行標準化評分，將運營公路邊坡技術(shù)狀況評價指標劃分為邊坡本體技術(shù)狀況評價指標、邊坡支護結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況評價指標以及邊坡排水設(shè)施技術(shù)評價指標3個方面。

邊坡本體技術(shù)狀況評價分為坡面地形地貌特征、邊坡巖土體性狀特征、地下水分布特征、坡面防護體特征以及降雨特征5個項目進行評價，如表1所示，按照對特征因子病害的影響程度進行4個(0，1，2，3)或3個(0，1，2)分級。以坡面地形地貌特征評價指標為例，詳細指標分級與標準化評分如表2所示。

表1 邊坡本體技術(shù)狀況評價特征因子指標

表2 坡面地形地貌特征評價特征因子指標

邊坡支護結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況評價指標依據(jù)實際采用的支護類型(預(yù)應(yīng)力錨固結(jié)構(gòu)、擋土墻、抗滑樁)和不同支護結(jié)構(gòu)的病害特征，將影響程度定為4個級別(0，1，2，3)，以預(yù)應(yīng)力錨固結(jié)構(gòu)評價指標為例，詳細指標分級與標準化評分如表3所示。

表3 預(yù)應(yīng)力錨固結(jié)構(gòu)評價特征因子指標

將邊坡排水設(shè)施技術(shù)狀況評價分為病害歷史與養(yǎng)護管理狀況、堵塞情況、損壞程度以及整體功能分別進行4個級別(0，1，2，3)分級，現(xiàn)場巡查人員通過這些指標能對現(xiàn)場排水設(shè)施的運行狀況進行評價(表4)。

表4 邊坡排水設(shè)施技術(shù)評價特征因子指標

1.2 邊坡風(fēng)險評價模型建立

運營公路邊坡工程破壞潛勢風(fēng)險評價模型的建立，主要包括以下幾個步驟：

(1) 選取影響邊坡整體穩(wěn)定性的評定因子(邊坡破壞潛勢風(fēng)險評價指標)。

(2) 區(qū)域性邊坡工程病害案例資料的調(diào)研與整理(搜集邊坡病害樣本)。

(3) 計算各因子的權(quán)重和重要程度分級(計算各因子不穩(wěn)定率、變異系數(shù)和因子權(quán)重值)。

(4) 推導(dǎo)邊坡破壞潛勢風(fēng)險評定多元非線性數(shù)學(xué)表達式，計算各邊坡破壞案例樣本的不安定指數(shù)值(建立邊坡破壞潛勢風(fēng)險評定理論模型)。

(5) 統(tǒng)計誤判率，驗證模型可靠性，通過重復(fù)步驟(1)～(4)進一步提高模型分析精度，降低誤判概率。

(6) 將上述建立的邊坡破壞潛勢風(fēng)險評定理論模型運用于分析實際邊坡工程。

圖1為邊坡破壞潛勢風(fēng)險評定不安定指數(shù)法的主要分析流程。

圖1 邊坡破壞風(fēng)險評定理論計算模型構(gòu)建與應(yīng)用流程圖

該方法的主要分析步驟[2]如下：

(1) 采用式(1)對反映邊坡病害特征的各特征因子影響程度分級結(jié)果進行無量綱化(歸一化)處理，消除分級大小和分級數(shù)目差異化的影響，確定各特征因子的標準化評分值di(即1，4，7，10或1，5.5，10)。各因子的評分值di越接近10，表示邊坡病害致災(zāi)的潛在概率越高；反之則致災(zāi)潛在概率越低。

(1)

式中：Si為各特征因子影響程度的分級數(shù)值；Smax與Smin分別為同一特征因子影響程度分級的最大值和最小值。

(2) 根據(jù)調(diào)查樣本總數(shù)和已知病害數(shù)目計算各特征因子在不同分級下的病害發(fā)生百分比X，并采用式(2)計算各特征因子的變異系數(shù)V。其變異系數(shù)值越大，代表該特征因子影響路塹邊坡出現(xiàn)破壞的概率越高。

(2)

變異系數(shù)反映各特征因子影響路塹邊坡出現(xiàn)破壞潛勢概率的敏銳度。變異系數(shù)越小，顯示同一個因子的各個分級影響路塹邊坡出現(xiàn)破壞的發(fā)生概率相近，因子的分級無法影響路塹邊坡出現(xiàn)破壞發(fā)生概率的高低，可以判定其為非重要的影響因子；反之，則將其列為重要的影響因子。

(3) 完成變異系數(shù)計算后，依其數(shù)值大小計算其影響權(quán)重比例，將各因子的變異系數(shù)除以全部因子的變異系數(shù)總和，即為該因子對于路塹邊坡出現(xiàn)破壞潛勢概率的權(quán)重值，如式(3)所示：

(3)

式中：Wi為各特征因子的權(quán)重值；Vi為各特征因子的變異值。

權(quán)重值為指數(shù)形式，其值介于0～1之間，所有評價指標的權(quán)重值之和為1。權(quán)重值越大者，表示該評價指標的影響性越大。同時，也可依照各特征因子的病害百分率計算其評分值di，如式(4)所示：

(4)

該式計算結(jié)果也可作為評價各特征因子重要程度的一個量化指標。

(4) 將權(quán)重值Wi與評分值di代入多變量不安定指數(shù)值計算公式，如式(5)所示：

(5)

推導(dǎo)得到可適性高的多元非線性數(shù)學(xué)模式，計算出各邊坡破壞案例樣本下的不安定指數(shù)值Dt。Dt介于1～10之間，越接近10則表示路塹邊坡出現(xiàn)整體破壞的概率越高。

建立的邊坡工程破壞潛勢風(fēng)險評價方法可采用95%信賴區(qū)間作為統(tǒng)計檢定分析依據(jù)，決定評價方法Dt值的上下限區(qū)間[7]，如式(6)所示：

(6)

2 邊坡風(fēng)險評定模型應(yīng)用分析

以粵北山區(qū)某高速公路沿線邊坡作為研究對象，應(yīng)用該文模型進行工程案例分析。

2.1 公路沿線邊坡工程概況

該高速公路沿線邊坡位于廣東省北部山區(qū)，屬亞熱帶氣候，跨越南嶺山，地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，自然環(huán)境惡劣，地形、地質(zhì)情況復(fù)雜，全線有不良地質(zhì)現(xiàn)象，如滑坡、溶洞、斷層破碎帶、錯落體、塌方、軟弱夾層、煤系地層、高液限土等分布廣泛，高邊坡工程規(guī)模普遍較大，選定63處典型路塹邊坡進行風(fēng)險潛勢評價研究。

2.2 邊坡典型病害

沿線邊坡病害類型具體如下：

(1) 北部紅砂巖地區(qū)

該區(qū)位于K0+000～K16+800段，長約16 km，主要病害類型以坡面病害(風(fēng)化剝落、溜坍)為主，少見滑坡、崩塌等病害。據(jù)監(jiān)測資料初步統(tǒng)計，該區(qū)發(fā)育的坡面病害6處，崩塌2處。

(2) 中部灰?guī)r地區(qū)

位于K8+600～K64+000段，長約56 km，該區(qū)地下水發(fā)育，沿線多處邊坡有地下水出露，局部地段見溶洞。主要病害類型以坡面病害、崩塌落石為主，發(fā)育滑坡、坍塌等病害。據(jù)初步統(tǒng)計，該區(qū)發(fā)育的滑坡6處(2處不穩(wěn)定、2處欠穩(wěn)定、2處基本穩(wěn)定)，崩塌7處，坍塌1處，坡面病害26處。

(3) 南部砂巖、頁巖、泥巖互層地區(qū)

該區(qū)位于K64+000～K109+292段，長約45 km，邊坡巖土體風(fēng)化層厚，穩(wěn)定性差，部分為煤系地層，多處發(fā)現(xiàn)高液限土。該區(qū)所在的路塹高邊坡地下水(基巖裂隙水)較為發(fā)育，多出露于砂巖與煤系地層(頁巖、泥巖、煤層)交界處。主要病害類型以坡面病害為主，發(fā)育滑坡(順層滑坡)、坍塌等病害。據(jù)初步統(tǒng)計，該區(qū)發(fā)育的滑坡5處(2處欠穩(wěn)定、2處基本穩(wěn)定、1處不穩(wěn)定)，崩塌2處，坍塌2處，坡面病害25處。

具體的病害分布規(guī)律見表5。

表5 京珠北高速公路主要病害情況

2.3 邊坡破壞潛勢風(fēng)險評定分析

依照所建立的理論基礎(chǔ)以及邊坡工程破壞潛勢風(fēng)險評定方法的各項評價指標，通過歷史資料、現(xiàn)場調(diào)查以及無人機航拍技術(shù)，將既有63處邊坡病害及技術(shù)狀況評定進行相關(guān)特征因子評分(表6)，若評價指標與該邊坡無相對應(yīng)的內(nèi)容，則以評分1計算。評分完成后，可將63處邊坡工程資料進行統(tǒng)計分析，取得相關(guān)特征因子的變異值及權(quán)重值。

表6 邊坡變異系數(shù)及權(quán)重值計算(以坡面地形地貌特征為例)

依照63處邊坡病害調(diào)查結(jié)果的評分，初步對相關(guān)特征因子進行變異值及權(quán)重值計算，并對特征因子影響邊坡破壞的概率排序，如表7所示。

表7 邊坡變異系數(shù)及權(quán)重值

續(xù)表7

在求得各評價指標的評分和權(quán)重值后，可由式(5)建立該公路邊坡破壞潛勢風(fēng)險評定數(shù)學(xué)模式，即：

Dt=iRA0.043×tTE0.029×sTE0.024×fTE0.027×wGR0.049×gBS0.049×lBS0.049×dBT0.043×nSP0.029×lSP0.049×mSP0.037×vSP0.031×pSP0.031×nAN0.033×cAN0.025×rAN0.024×fAN0.034×hRW0.029×aRW0.029×cRW0.029×dRW0.029×hAS0.031×aAS0.037×cAS0.049×hDS0.049×bDS0.029×fDS0.032×oDS0.049

(7)

采用式(7)對63處邊坡工程案例逐一進行不安定指數(shù)(Dt)的計算。63處邊坡不安定指數(shù)(Dt)計算值如圖2所示。

圖2 邊坡工程風(fēng)險評定計算值分布(95%置信區(qū)間)

由圖2可知：Dt值為1.67～2.75，平均值為1.98。若采用95%置信區(qū)間作為統(tǒng)計檢定分析依據(jù)，可確定評價方法Dt值的上限和下限分別為2.03和1.94?，F(xiàn)場調(diào)查評定為破壞的邊坡，在不安定指數(shù)值(Dt)的計算結(jié)果中，部分評定為未破壞；現(xiàn)場調(diào)查評定為未破壞的邊坡，計算結(jié)果卻評定為破壞。因此，可針對上述建立的邊坡評定模式進行誤判率分析。以下分別以Dt值的上下限區(qū)間和平均值進行誤差矩陣計算，得到根據(jù)不同界限值計算的誤判率，結(jié)果如表8所示。

表8 邊坡工程風(fēng)險評定模式誤差矩陣

由表8可知：當Dt值為上限時，誤判率為38.48%；Dt值為平均值時，誤判率為40.67%；Dt值為下限時，誤判率為35.92%，以下限值的誤判結(jié)果為最小。因此，該文以Dt≥1.94作為初步判定邊坡具有較高破壞風(fēng)險的判定依據(jù)。

3 邊坡工程破壞潛勢風(fēng)險程度分級

根據(jù)該公路沿線63處邊坡樣本數(shù)據(jù)計算的評定模式可知，采用數(shù)學(xué)統(tǒng)計方法進行邊坡破壞潛勢風(fēng)險的評定分級具有一定的合理性。根據(jù)文獻[9]的建議，邊坡破壞潛勢風(fēng)險分級可采用平均值進行劃分，其優(yōu)點為后續(xù)進行準確率提升時，可即時計算邊坡破壞潛勢風(fēng)險的分級。

依照平均值的劃分將邊坡破壞潛勢風(fēng)險分級劃分為高度風(fēng)險(High Hazard，HH)、中度風(fēng)險(Medium Hazard，MH)和低度風(fēng)險(Low Hazard，LH)。依據(jù)63處邊坡的不安定指數(shù)值(Dt)計算結(jié)果可知，Dt值介于1.67～2.75之間，平均值為1.98，分別將最大值和最小值與平均值求平均，如式(8)、(9)所示：

(8)

(9)

由式(8)、(9)分別計算得到的界限值為2.37和1.83。因此，可初步將高度風(fēng)險區(qū)域定義為Dt值為2.75～2.37；中度風(fēng)險區(qū)域定義為Dt值為2.37～1.83；低度風(fēng)險區(qū)域定義為Dt值為1.83～1.67，具體參見圖3。

圖3 邊坡破壞潛勢風(fēng)險區(qū)域分界

建立的邊坡破壞潛勢風(fēng)險區(qū)域可進一步計算高度風(fēng)險區(qū)域和低度風(fēng)險區(qū)域的誤判率(表9)。

表9 邊坡破壞潛勢風(fēng)險區(qū)域的誤判率

由表9可知：對于高度風(fēng)險區(qū)域，3處邊坡破壞點位皆分布于該區(qū)域，誤判率為0%；對于低度風(fēng)險區(qū)域，15處邊坡點位有2處邊坡破壞點位分布于該區(qū)域，誤判率為13%。

可以看出：即便按上述方式對63處邊坡工程的風(fēng)險等級進行劃分，評定結(jié)果與實際情況仍存在一定偏差，一些已判定為破壞的邊坡樣本仍處于中度風(fēng)險區(qū)域。出現(xiàn)這一結(jié)果的原因，一方面可能與評定模型采用的邊坡破壞與非破壞這一邊界劃分方式相對較粗有關(guān)，另一方面也可能與評定模型未有效體現(xiàn)邊坡滑坡后果對公路運營安全的影響有關(guān)。但是，該方法基本上從理論方面能夠揭示影響公路邊坡技術(shù)狀況的主要因素，較客觀地評定各因素的影響程度，為邊坡技術(shù)狀況評定實用方法的建立提供了重要的理論基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

提出可用于公路邊坡破壞潛勢風(fēng)險評估的理論計算模型及評定標準，揭示了影響公路邊坡技術(shù)狀況的各主要因素及影響程度，并以實際工程為例進行邊坡風(fēng)險程度預(yù)測分析。得到以下主要結(jié)論：

(1) 基于不安定指數(shù)分析理論，建立適用于分析公路邊坡破壞潛勢風(fēng)險等級的計算方法，并通過實際工程驗證了該方法的可行性。

(2) 影響因素分析結(jié)果表明：公路邊坡破壞的關(guān)鍵因素主要是邊坡本體技術(shù)狀況，邊坡防護結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況和坡面地形地貌所占權(quán)重相對不高。

(3) 采用數(shù)學(xué)統(tǒng)計方法進行邊坡破壞潛勢風(fēng)險的評定分級具有一定合理性，建立的邊坡破壞潛勢風(fēng)險區(qū)域計算誤判率能夠有效降低。

該文評定模型采用的邊坡破壞與非破壞這一劃分方式相對較粗，對風(fēng)險評定結(jié)果有一定影響，與實際邊坡檢測與養(yǎng)護需求還存在差距，今后應(yīng)對該文方法做進一步優(yōu)化，以滿足實際應(yīng)用需要。