公路土質(zhì)邊坡失穩(wěn)機(jī)理分析及危險性評價
——以大目溪邊坡為例

姜風(fēng)倉

(中鐵十八局集團(tuán) 第二工程有限公司，河北 唐山 064000)

0 引 言

公路交通建設(shè)中可能出現(xiàn)各類工程問題，如邊坡失穩(wěn)等，造成經(jīng)濟(jì)損失，更延誤工期。因此，開展邊坡失穩(wěn)研究具有重要意義[1-3]。致災(zāi)機(jī)理分析是邊坡失穩(wěn)分析的基礎(chǔ)，已有不少學(xué)者開展了相應(yīng)研究。如雷航等[4]研究了紅層邊坡變形機(jī)理；易巍、馬平等[5-6]研究了順層邊坡失穩(wěn)機(jī)理；朱忠明等[7]分析了高填方邊坡失穩(wěn)機(jī)理。這些研究均取得了相應(yīng)成果，但邊坡所處區(qū)域性特征對邊坡失穩(wěn)成因具有較大影響，因此有必要結(jié)合邊坡所處實(shí)際條件開展針對性研究。同時，邊坡失穩(wěn)危險性評價也是安全施工的重要理論依據(jù)，相應(yīng)的研究具有重要實(shí)用價值。如劉洋等[8]利用優(yōu)化集對分析理論構(gòu)建了邊坡危險性評價模型；劉小玲[9]利用層次分析法構(gòu)建了運(yùn)營期公路邊坡的風(fēng)險評估模型。這些研究為邊坡危險性評價提供了分析思路，但均未與邊坡失穩(wěn)致災(zāi)機(jī)理相結(jié)合。因此，本文以大目溪邊坡為例，結(jié)合地質(zhì)條件開展失穩(wěn)致災(zāi)機(jī)理分析，并利用P×C分級法構(gòu)建邊坡危險性評價模型，并對該邊坡的危險性評價。

1 基本原理

研究分兩個階段：① 邊坡失穩(wěn)破壞機(jī)理分析；② 利用P×C分級法構(gòu)建邊坡危險性評價模型。

根據(jù)P×C分級法的基本原理，危險性評價模型的構(gòu)建過程可分為2個部分，即危險性評價指標(biāo)的權(quán)重求解和隸屬度求解[10-11]。利用層次分析法構(gòu)建危險性評價模型的層次結(jié)構(gòu)，求取各評價指標(biāo)的權(quán)重值，并利用專家法求解各評價指標(biāo)的隸屬度。

1.1 評價指標(biāo)權(quán)重求解

層次分析法具有操作簡單、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。先利用層次分析法構(gòu)建公路邊坡危險性評價體系的層次結(jié)構(gòu)，再利用1～9標(biāo)度法實(shí)現(xiàn)各評價指標(biāo)的權(quán)值求解。

(1) 判斷矩陣的構(gòu)建。以表1中影響因素的標(biāo)度評價標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，對各評價指標(biāo)的相對重要性進(jìn)行判別，構(gòu)建判斷矩陣A。

(1)

式中：aij>0，aij=1/aji，aii=1(1≤i≤n，1≤j≤n)，即判斷矩陣的各元素具獨(dú)立性，并屬于正互反矩陣。

表1 影響因素的標(biāo)度評價標(biāo)準(zhǔn)

上述標(biāo)準(zhǔn)不僅能實(shí)現(xiàn)評價指標(biāo)重要性的直接評價，還能實(shí)現(xiàn)折中評價，適用范圍較廣。

(2) 一致性檢驗(yàn)。判斷矩陣通過標(biāo)度評價標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建，其合理性需進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，即先求解判斷矩陣對應(yīng)的最大特征值λmax，再計算得到一致性指標(biāo)CI值：

(2)

式中：n為評價指標(biāo)數(shù)。

根據(jù)判斷矩陣的構(gòu)建原理，CI值越小越好，CI=0時說明判斷矩陣的構(gòu)建最為合理，但在實(shí)際過程中難以實(shí)現(xiàn)。因此，以CI值和誤差控制值RI為基礎(chǔ)，計算出一致性比率CR值：

(3)

式中：RI為誤差控制值。

當(dāng)CR<0.1時，判斷矩陣滿足一致性檢驗(yàn)；反之則不滿足一致性檢驗(yàn)，需調(diào)整判斷矩陣直至滿足要求。

(3) 權(quán)值計算。當(dāng)滿足前述一致性檢驗(yàn)后，求解λmax對應(yīng)特征向量的歸一化值，即為相應(yīng)評價指標(biāo)的權(quán)重值。

1.2 評價指標(biāo)隸屬度求解

限于各評價指標(biāo)間的復(fù)雜性，傳統(tǒng)模糊分析方法難以準(zhǔn)確刻畫各評價指標(biāo)的隸屬度，因此利用專家法求解各指標(biāo)的隸屬度值；但不同專家具有的工程經(jīng)驗(yàn)存在一定差異，其評價結(jié)果應(yīng)作區(qū)分。如某專家屬行業(yè)內(nèi)資深專家，其評價結(jié)果的可信度較高，可直接引用；而對于一般技術(shù)人員，因其工作經(jīng)驗(yàn)較少，需對其隸屬度評價結(jié)果作折減處理。不同級別專家的折減標(biāo)準(zhǔn)見表2。

1.3 危險性分級標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建

在評價指標(biāo)的權(quán)值和隸屬度求解基礎(chǔ)上，利用P×C分級法實(shí)現(xiàn)公路邊坡的危險性等級評價。結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定公路邊坡危險性分級的具體標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表2 專家法的隸屬度折減標(biāo)準(zhǔn)

表3 公路邊坡危險性分級標(biāo)準(zhǔn)

2 實(shí)例分析

2.1 工程概況

大目溪邊坡位于京臺高速福州段第五標(biāo)段大目溪互通處，所在區(qū)域地形起伏較大，高程介于300～800 m之間，邊坡開挖高程介于360～410 m間，高差50 m。邊坡剖面如圖1所示。

圖1 邊坡典型剖面Fig.1 Typical section of slope

鉆探結(jié)果顯示：區(qū)內(nèi)第四系地層主要以殘坡積黏土層為主，下伏基巖主要為侏羅系凝灰?guī)r。黏土層主要可分為2個亞層，多為褐紅色、褐黃色，呈可塑、濕至稍濕狀，黏粒含量較高；下伏基巖多呈灰色，塊狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育，強(qiáng)風(fēng)化層遇水易軟化，與上覆土層的分界不明顯[12]。由于區(qū)內(nèi)工程施工主要受殘坡積黏土層影響，因此對其相關(guān)物理指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計，相應(yīng)結(jié)果如表4所示。

工程區(qū)為海洋季風(fēng)氣候，雨量較充沛，年降雨量在1 249～1 562 mm間，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，得到區(qū)內(nèi)具體水文條件如下。

表4 土層物理特征參數(shù)統(tǒng)計

(1) 地表水。區(qū)內(nèi)未見大型地表水體，但在降雨時，坡面匯水可進(jìn)入沖溝而形成地表徑流，其流量受雨量影響較大。同時，區(qū)內(nèi)局部可見泉眼，為地下水的排泄方式之一。

(2) 地下水。區(qū)內(nèi)地下水根據(jù)賦存條件分為孔隙水和裂隙水兩類。前者主要賦存于殘坡積層孔隙中，埋深多位于1～15 m間，變幅較大，主要受降雨影響；后者主要賦存于下伏基巖裂隙中，水位埋深相對穩(wěn)定，對區(qū)內(nèi)工程施工影響有限。

2.2 邊坡失穩(wěn)機(jī)理分析

由于該邊坡較陡，后續(xù)施工進(jìn)行了分級放坡及治理。2015年8～9月，受臺風(fēng)影響，大目溪邊坡GK0+560～GK0+620段右側(cè)邊坡出現(xiàn)失穩(wěn)破壞，變形破壞特征為：邊坡上邊緣外側(cè)約10 m處出現(xiàn)一條長度約100 m的裂縫，寬度在8～10 cm間；在9月降雨作用下，裂縫進(jìn)一步下挫變形，下挫高度約50～80 cm，寬度可達(dá)30 cm；隨后降雨持續(xù)，裂縫繼續(xù)擴(kuò)展變形，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。

根據(jù)影響方式，將公路邊坡失穩(wěn)成因分為內(nèi)部因素和外部因素兩類。內(nèi)部因素包括地形地貌因素、地層巖性因素和坡體結(jié)構(gòu)因素；外部因素包括降雨因素和人類工程活動因素。

2.2.1 內(nèi)部因素

(1) 地形地貌。邊坡坡頂首先出現(xiàn)不良外觀的變形裂隙，隨后坡腳出現(xiàn)破壞帶，降低了邊坡穩(wěn)定性，且通常邊坡地形起伏越大，越易發(fā)生失穩(wěn)。大目溪邊坡開挖高程位于360～410 m間，高差50 m，且斜坡較陡，符合地形地貌的失穩(wěn)成因。

(2) 地層巖性。黏土或泥質(zhì)地層易發(fā)生邊坡失穩(wěn)，而堅硬基巖邊坡具有較強(qiáng)穩(wěn)定性；地層巖性決定了邊坡的力學(xué)屬性，對邊坡內(nèi)部的應(yīng)力環(huán)境具有直接影響。泥巖類邊坡的致災(zāi)概率較大。大目溪邊坡屬土質(zhì)邊坡，地層結(jié)構(gòu)松散，地表覆蓋層較厚，以黏性土為主，夾雜大粒徑凝灰?guī)r孤石，最大粒徑可達(dá)7 m以上。黏性土遇水易軟化，為邊坡失穩(wěn)提供了良好的啟動條件。此外，大孤石難以單獨(dú)自穩(wěn)，是邊坡失穩(wěn)的動力儲備。

(3) 坡體結(jié)構(gòu)。順向坡易形成滑動面，引發(fā)失穩(wěn)破壞的可能性相對較大；反向坡的自穩(wěn)能力則相對較強(qiáng)。大目溪邊坡坡向?yàn)?8°，下覆基巖產(chǎn)狀為50°∠35°，為順向坡，存在失穩(wěn)的可能。

2.2.2 外部因素

(1) 降雨。大目溪邊坡所處區(qū)域的雨季較長，受臺風(fēng)惡劣天氣影響，降雨量較大，年均降雨量達(dá)900～2 100 mm。降雨入滲會降低坡體地層的抗剪參數(shù)、減弱邊坡穩(wěn)定性，且使地下水位升高、增加邊坡下滑力。

(2) 人類工程活動。人類活動改變了邊坡坡體原始地形地貌，將原有穩(wěn)定巖土體暴露于地表。同時，人類工程活動會在一定程度上影響地表植被覆蓋率；一般情況下，植被覆蓋率越高，邊坡地表土體的穩(wěn)固性相對越好。大目溪邊坡削坡不僅降低了坡面的植被覆蓋率，也增加了邊坡坡度，對邊坡穩(wěn)定性具有直接影響。

大目溪邊坡具備失穩(wěn)發(fā)生的各類因素，其中，內(nèi)部因素是致災(zāi)的固有屬性，而外部因素是災(zāi)害的誘發(fā)因素，兩者相互聯(lián)系、影響，綜合作用導(dǎo)致了邊坡失穩(wěn)。

2.3 危險性評價

利用層次分析法構(gòu)建大目溪邊坡的危險性評價模型。模型的目標(biāo)層為大目溪邊坡的危險性評價，準(zhǔn)則層含有4大因素，而方案層含有11個小因素，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.3.1 評價指標(biāo)的權(quán)重求解

在前述評價模型基礎(chǔ)上，利用1～9標(biāo)度法求解各評價指標(biāo)的權(quán)重值。以地形因素的二級指標(biāo)B1～B3為例，具體權(quán)重求解過程如下。

(1) 構(gòu)建判斷矩陣。結(jié)合大目溪邊坡的實(shí)際情況，通過對比B1～B3因素的相對重要性，得到其判斷矩陣如下。

(2) 一致性檢驗(yàn)。通過對判斷矩陣的計算，λmax=3.004，對應(yīng)特征向量b=[0.463，0.871，0.164]，計算得CI=(3.004-3)/(3-1)=0.002，進(jìn)而計算得到CR=CI/RI=0.002/0.58=0.034<0.1，滿足一致性檢驗(yàn)。

圖2 大目溪邊坡危險性評價層次結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Hierarchical structure model of Damuxi slope risk assessment

(3) 權(quán)值計算。對特征向量b進(jìn)行歸一化處理，得到B1～B3因素的權(quán)重值分別為0.309，0.581，0.109。類似地，對其余影響因素進(jìn)行權(quán)值求解，所得結(jié)果如表5所示。

表5 各危險性評價因素的權(quán)重值

2.3.2 評價指標(biāo)的隸屬度求解

利用專家法進(jìn)行大目溪邊坡各危險性影響因素的隸屬度求解。在隸屬度求解過程中，共統(tǒng)計了24名業(yè)內(nèi)專家的評價，并按照表2中的隸屬度折減標(biāo)準(zhǔn)，綜合得到各危險性因素的隸屬度結(jié)果如表6所示。

表6 各危險性因素的隸屬度結(jié)果

2.3.3 邊坡危險性分級評價

根據(jù)求解出的大目溪邊坡危險性影響因素權(quán)值和隸屬度，利用P×C分級法對其進(jìn)行危險性分級評價。為充分分析不同影響因素的危險性現(xiàn)狀，從方案層到目標(biāo)層均進(jìn)行相應(yīng)的危險性分級，具體如下。

2.3.3.1 方案層影響因素風(fēng)險分級

根據(jù)表3中的風(fēng)險得分和表6中的隸屬度，計算得到方案層各影響因素的風(fēng)險得分及風(fēng)險等級如表7所示。由表7可知，方案層各影響因素的風(fēng)險等級存在明顯差異，其中，風(fēng)險得分70分以上的因素有4個，以巖土類型因素的風(fēng)險得分相對最高，其次為降雨量、人類工程活動和邊坡高度因素，說明這四者是大目溪邊坡失穩(wěn)的重要致災(zāi)因素；而風(fēng)險得分低于50分的因素僅兩個，即結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度和地下水埋深因素；其余因素得分在50～70之間，對邊坡失穩(wěn)影響不大。

表7 方案層影響因素風(fēng)險分級結(jié)果

為進(jìn)一步評價方案層影響因素的風(fēng)險等級分布特征，對其風(fēng)險等級分布比例進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果如表8所示。由表8可知，風(fēng)險等級為三級的風(fēng)險因素相對最多，所占比例達(dá)54.55%，其次是二級風(fēng)險和一級風(fēng)險，說明在方案層影響因素中，以三級風(fēng)險為主。

表8 方案層影響因素風(fēng)險等級分布比例統(tǒng)計

2.3.3.2 準(zhǔn)則層影響因素風(fēng)險分級

通過計算，得到準(zhǔn)則層影響因素的風(fēng)險分級結(jié)果如表9所示。由表9可知，準(zhǔn)則層4個影響因素的風(fēng)險得分相當(dāng)，以地形因素的風(fēng)險得分相對最高，其次是其他因素、地質(zhì)因素和水文因素，風(fēng)險等級均屬三級。

表9 準(zhǔn)則層影響因素風(fēng)險分級結(jié)果

2.3.3.3 目標(biāo)層總體風(fēng)險分級

與前述方法類似，對大目溪邊坡總體風(fēng)險等級進(jìn)行評分分級，求得其風(fēng)險得分F為

=66.91

大目溪邊坡風(fēng)險評價的總體風(fēng)險得分為66.91，風(fēng)險等級屬三級，應(yīng)采取相應(yīng)規(guī)避風(fēng)險的措施后，再進(jìn)行后續(xù)工程施工。

3 結(jié) 論

通過對大目溪邊坡的失穩(wěn)機(jī)理分析及危險性評價，主要得出以下結(jié)論。

(1) 大目溪邊坡失穩(wěn)因素相對較多。根據(jù)其影響方式，可分為內(nèi)部因素和外部因素兩類，其中，內(nèi)部因素包括地形地貌因素、地層巖性因素和坡體結(jié)構(gòu)因素，外部因素包括降雨因素和人類工程活動因素。

(2) 層次分析法可準(zhǔn)確構(gòu)建邊坡危險性評價模型結(jié)構(gòu)。分析得到大目溪邊坡危險性評價體系的準(zhǔn)則層含有4大因素，而方案層含有11個小因素；不同因素的風(fēng)險等級存在一定差異，多以三級風(fēng)險為主。

(3) 該研究在邊坡失穩(wěn)機(jī)理分析基礎(chǔ)上，構(gòu)建了邊坡危險性評價模型，為邊坡安全施工提供了理論基礎(chǔ)，但該方法僅對土質(zhì)邊坡進(jìn)行了分析，其在巖質(zhì)邊坡中的適用性尚待研究。建議后續(xù)在條件允許的前提下，將該模型應(yīng)用于巖質(zhì)邊坡，以探討其效果。