邊坡工程風險預警及其處理

王媛媛 高華

摘 要：隨著工程實踐的開展，在越來越多的邊坡工程中發(fā)現(xiàn)，由于參數(shù)變異以及計算方法等的不同，對于邊坡安全系數(shù)的取值存在不確定性及對邊坡風險的機理認識不夠深入，邊坡風險預警及管理應用仍處于初步階段。本文對邊坡工程的穩(wěn)定特性進行了分析，對邊坡工程風險的預警機制確立及其演進關系進行了探討，進而運用預應力錨索確立了邊坡工程風險預警及處理策略。

關鍵詞：邊坡工程風險；預警判斷；超前支護；預應力錨索

邊坡工程風險預警及處理是在對邊坡工程中存在的各種風險進行識別、估計和評價之后采取各種風險管理技術，權衡風險的大小，相應采取風險處理和決策機制，期望對邊坡工程風險實施有效的檢測、控制和科學、及時處置，使損失最小化，并以最小的成本損耗獲得最大的工程安全保障。

1 邊坡風險處理的意義

邊坡穩(wěn)定問題是巖土工程經典問題之一，但由于巖土材料的非均勻性，邊坡影響因素的復雜性，且由于，我國地質條件而言，我國現(xiàn)有高陡邊坡存在抗震性能弱、耐久性差、風險度較高，邊坡工程區(qū)域地質災害的成因機理，形成條件，誘發(fā)因素等的復雜性，多樣性以及其變化的隨機性，非線性等特征。在邊坡工程實踐操作中，由于工程技術設計、施工人員未考慮到邊坡特殊的工程地質構造和力學性質或對施工邊坡的性質產生錯誤的判斷與施工方式，甚至采取強加固措施造成浪費，如采用削坡卸荷、攔截排水、抗滑支擋及坡面防護等一系列措施?；蛘呶匆庾R到隱藏結構面對邊坡穩(wěn)定性的影響而不采取任何措施，給工程留下安全隱患?？梢哉f，邊坡風險的預警及處理決策是一個復雜的系統(tǒng)工程，它涉及經濟、技術、環(huán)境及專家和決策者的個人素質等綜合性因素。邊坡工程風險預警及處理是巖土工程的經典破題。

開展邊坡穩(wěn)定性預測預警研究是當今國際邊坡穩(wěn)定性研究和環(huán)境地質研究領域的前沿課題。由于邊坡的穩(wěn)定性失衡形成狀態(tài)，是一個伴隨一定的可預見性、可測試性的破壞而從量變到突變的漸進式發(fā)展過程。對邊坡進行周密監(jiān)測，適時了解坡體的穩(wěn)定性失衡狀態(tài)，基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的多源信息對邊坡狀態(tài)進行分析，并做出發(fā)展趨勢預測和長期評價，已成為邊坡穩(wěn)定性研究的一個重要方法。因此，加強邊坡穩(wěn)定性的檢測和監(jiān)測，并基于以上工作獲取的應力、位移等多源信息為基礎，進行預測預報，并依據(jù)滑動模式和變形破壞機理，判斷邊坡失衡的安全等級，進而構建邊坡穩(wěn)定狀態(tài)的綜合預測方法與安全預警體系。

在實際風險處理過程中，邊坡風險預警及處理是一個系統(tǒng)工程與知識工程的耦合系統(tǒng)，其中涵蓋大量工程風險相關的定性、定量因素及風險經驗和專業(yè)性專門知識。邊坡工程風險預警及處理對我國區(qū)域局部場地或區(qū)域進行邊坡災害進行有效的風險管理，減少邊坡失事造成的生命及財產損失，都具有極為重要的現(xiàn)實意義。

2 邊坡工程風險的預警

邊坡工程風險的預警機制的建立主要依賴模糊綜合評價，也就是對受多種因素影響的事物做出全面評價的一種十分有效的多因素決策方法。模糊綜合評判的基本思想是利用模糊線性變換原理和最大隸屬度原則，考慮與被評價事物相關的各個因素，對其作出合理的綜合評價。在總結影響邊坡預警判據(jù)的m個因素的基礎上，采用專家意見法給出每個影響因素的權重，同時給出每個因素對各個評價等級相應的隸屬度，形成因子權重矩陣和模糊關系單因素評判矩陣；利用模糊線性變換原理綜合考慮相關因素的禍合作用，求出模糊綜合評價集；依據(jù)最大隸屬度原則進行綜合評判，模糊綜合評判原理如下圖1：模糊綜合評判原理簡圖所示。在對邊坡風險識別、風險分析和評價后，當邊坡的風險水平不可接受時，就必須根據(jù)邊坡的風險程度進行處理，選擇風險決策對邊坡進行治理。

圖1 模糊綜合評判原理圖

模糊綜合評判的具體步驟如下：

2.1 建立因素集和評價集

在分析和提煉影響邊坡預警判據(jù)修正程度因子的基礎上，把影響邊坡預警判據(jù)的m個因素作為因素集U中的因素，則可以表示為：

U=（U1，U2，U3…，UM） （J=1，2，3，…，m）

進而定義邊坡預警判據(jù)修正級別集為V，共分n個級別，則評價級V可以表示為：

V=（V1，V2，V3…，VM） （I=1，2，3，…，n）

其中，V1，V2，V3…，VM為根據(jù)問題劃分的多級指標。

2.2 建立單因素模糊評判矩陣

根據(jù)具體策略的值數(shù)選用適合的隸屬函數(shù)，求出每個因素對各個評價等級相應的隸屬度，對單個因子價Uj（j=l，2，，，，m）作模糊評判，得到反映U和V的模糊關系單因素評判矩陣：

換言之，由模糊值映射F到處U到V的模糊關系，即Rf∈F（U×V），使R=Rf=（rij）m×nm稱R為綜合評判矩陣，R中第i列反映的是被評對象的第i個因素對于評價集中各等級的隸屬度；第j行反映的是被評對象各因素分別取評價集中第j個等級的程度。

2.3 確定因子集的權矩陣

在建立單因素模糊評判矩陣基礎上，建立各因素的權重，并構成一個模糊向量

Aj=（A1，A2，A3，…，AM） （J=1，2，3，…，m）

式中aj為第i個因素ui所對應的權，歸一化條件為：

2.4 模糊綜合評判

當因素重要程度模糊集A和綜合評判矩陣（模糊關系）R已知時，通過R做模糊線性變換，把A變?yōu)樵u語集上的模糊子集：

B=A*R=（B1，B2，B3，…，BM）

其中*，表示廣義模糊合成運算，即

bj=（a1∧※r1j）∨※（a2∧※r2j）∨※…∨※（am∧※rmj）（j=1，2，…，m）

這里“∧※”“表示廣義模糊“與”的運算，“∨※”表示廣義模糊“或”的運算。稱B為評語集V上的模糊綜合評價集，即bj（j=l，2，…，m）為等級（評語）vj對綜合評判所得模糊評價集B的隸屬程度。根據(jù)最大隸屬度原則，選擇模糊綜合評價集B=（b1， b2，b3，…，bn）中最大的bj所對應的等級（評語）vj作為綜合評判的結果。

用上述方法建立的模型，只有其計算值與實測值的擬合以及預報值在一定精度的條件下才能有效。衡量有效性和精度的主要指標有復相關系數(shù)和標準差。通過對以上模糊綜合評判分析表明，滑坡發(fā)生前的變形速率為1mm/d到1000mm/d不等，差別較大。堆積層滑坡的臨界變形速率差別較大，滑坡發(fā)生的臨界降雨量隨地區(qū)不同而不同，而且與滑坡體的規(guī)模有關。位移矢量角的突然增大或減小，蠕變曲線切線角大于70度等均可作為滑坡發(fā)生的判據(jù)。邊坡工程風險預報必須建立在深入研究其變形特點和形成機制的基礎上，利用定量判據(jù)指標，運用綜合信息預報方法對邊坡風險進行預測預報。

3 邊坡工程風險的處理及其策略

邊坡坡體介質與預應力錨固體間的耦合作用，對該類邊坡的預應力錨固行為具有重要作用。隨著我國建設的發(fā)展，預應力錨索框架在邊坡工程風險的處理中發(fā)揮越來越重要的作用并廣泛應用于邊坡的加固之中。

3.1 邊坡的允許風險標準

制定一個合適的允許風險，是運用預應力錨索進行風險管理的重要前提性因素。在作邊坡失穩(wěn)風險評價即滑坡災害風險評價時，需要有一套完整的標準幫助決策者對邊坡工程風險進行核心部位的判斷，即風險的可接受度和控制方式。允許風險通常以每年每一個人被摧毀的概率來計算，一般以人員傷亡、經濟損失以及社會環(huán)境價值損失來表征。邊坡允許風險水平應該因地、因時而異的設立適當?shù)娘L險標準同時也涉及社會、政治、經濟、工程技術、自然環(huán)境、文化背景等多種因素。對人員傷亡來說，目前主要采用 F（滑坡概率）—N（人員傷亡）準則法；對于經濟損失，一般采用損益比（Cost-benefit Ratio）、不同年概率條件下的經濟損失值等來表示。

我國可靠度設計規(guī)范對各種建筑物的允許可靠度指標作出了規(guī)定，如表2 ：可靠度指標和失效概率的關系所示。我國水利水電工程結構可靠度設計統(tǒng)一標準規(guī)定，持久狀態(tài)結構的允許按表3所示。其中第一類破壞指非突發(fā)性破壞，破壞前能見到明顯征兆，破壞過程緩慢；第二類破壞指突發(fā)性破壞，破壞前無明顯征兆，結構一旦失事難于彌補或修復。規(guī)范同時規(guī)定了建筑物的設計基準期，這樣允許可靠度指標也可以與以年計的允許風險建立關系。

表2 可靠度指標和失效概率的關系

失效概率P f 0.5 0.25 0.1 0.05 0.01 0.001 0.0001 0.00001

可靠度指標β 0 0.47 1.28 1.65 2.33 3.1 3.72 4.25

表3 規(guī)范規(guī)定的持久結構承載力允許可靠度設計指標β

結構安全級別 Ⅰ級 Ⅱ級 Ⅲ級

一類破壞 3.7 3.2 2.7

二類破壞 4.2 3.7 3.2

對于會造成較大人員傷亡及財產損失的天然斜坡及人工邊坡，當風險體為被動風險承受者時，我國邊坡以年計允許風險值應在 10-5～10-6之間。如果風險標準選用偏低，則邊坡工程的安全可靠度不足，存在安全隱患，且具有較高的風險度；而同時，如果標準選得太高，又難以實現(xiàn)應有的合理經濟收益預期，造成資源的浪費。實質上，邊坡工程風險標準的取值，是在政治影響、經濟效益、環(huán)境評價、個體價值與邊坡安全之間的反復權衡的結果。

3.2 預應力錨索

預應力錨索框架梁加固滑坡體，作為一種主動加固方法，能調動坡體自穩(wěn)能力，改變坡體的應力狀況，且安全穩(wěn)定、美觀輕巧，綜合造價及社會經濟效益明顯，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的支護結構，在邊坡治理中有廣泛的應用前途。錨索的錨固力直接改變了滑面上的應力狀態(tài)和滑動穩(wěn)定條件。如圖2錨索受力情況圖。

由預應力錨索的錨固力所增加的抗滑阻力增量 為：

式中：Pt——錨索設計拉力值；

Ptn、Ptv—分別為Pt垂直于滑面方向的分力和沿滑面的分力；

α——滑動面傾角；

β——錨索與水平方向的夾角；

φ——滑動面的內摩擦角。

圖2 錨索受力圖示

由上式可知，預應力錨索一方面可直接在滑面上產生抗滑阻力Ptv，另一方面可通過增大滑動面上的正應力來增大抗滑摩擦阻力。總之，預應力錨索通過提高邊坡巖體的整體性和增加滑面上抗滑阻力來加固巖體，促使其穩(wěn)定。因此，應針對滑坡的特點選取符合實際的滑帶處理方法，這對保證計算精度是十分必要的。目前，滑帶的有 3 種處理方式：

（1）滑動帶厚度較大時，在有限元計算中將滑動帶作為軟弱夾層來模擬滑坡的應力狀態(tài)。

（2）滑動帶厚度較小時，在有限元計算中將滑動帶作為節(jié)理單元或接觸單元來模擬滑坡的應力狀態(tài)。

（3）滑動帶厚度非常小，在有限元計算中將滑動帶作為單元界線來模擬滑坡的應力狀態(tài)。

在實施高風險邊坡超前支護過程中，無支護邊坡穩(wěn)定性的超前判識，給定安全系數(shù)條件下高切坡所需要施加抗力荷載以及地震荷載下加固高切坡的動力響應問題是關系高切坡整治工程成敗關鍵。對于高切坡來說，預應力錨索是整治危險性巖質高切坡最為有效的超前支護結構。具體步驟：（1）給定切坡方式下無支護巖質高切坡的穩(wěn)定性進行超前診斷，如果通過判斷發(fā)現(xiàn)為危險性邊坡，則在高切坡開挖前預先設置預應力錨索；（2）在預應力錨索施工達到并完成設計規(guī)定強度后再開挖邊坡，從而保證巖質高切坡的整體穩(wěn)定性。顯然，高切坡穩(wěn)定性的超前判識，預應力錨索與高切坡的共同作用分析，地震荷載下預應力錨索加固高切坡的動力響應等關鍵科學問題的解決是關系預應力錨索加固高切坡整治工程成敗的關鍵。

總之，邊坡工程風險預警及風險處理分析相關概念在邊坡工程中的引入，為邊坡穩(wěn)定性分析提供了一條相對可靠的思路。風險預警方法分析方法能夠克服安全系數(shù)法的不足之處，充分考慮到邊坡工程中的隨機性和不確定性，并以承認存在結構失衡的可能性為前提。

參考文獻

[1] 唐亮.類土質邊坡穩(wěn)定性分析與工程應用[D].華南理工大學，2010.

[2] 孫廣忠，姚寶魁.中國滑坡地質災害及其研究[J].中國巖石力學與工程學會地面巖石工程專業(yè)委員會，中國地質學會工程地質專業(yè)委員會編.中國典型滑坡[M].北京：科學出版社，1988.

[3] 李聰.邊坡變形與穩(wěn)定性演化預測預警方法研究[D].武漢大學， 2011.

[4] 徐俊齡.高速遠程滑坡研究現(xiàn)狀綜述[A].滑坡文集編委會.滑坡文集（第12集）[C].北京：中國鐵道出版社，1997.

[5] 張曉曦.邊坡工程穩(wěn)定性極限分析[D].西南交通大學，2011.

[6] 黃高峰，李宗利，牟聲遠.Hoek-Brown準則參數(shù)在邊坡工程中的敏感性分析[J].巖土力學，2009（7）.

作者簡介：王媛媛（1983- ），女，滿族，遼寧本溪人，本科，工程師，研究方向：巖土工程；高華（1983- ），男，遼寧撫順人，本科，工程師，研究方向：巖土工程。