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1.邊坡工程地質概況
陽南溝隧道為一座高速公路分離式長隧道,出口位于十堰市張灣區黃龍鎮泰山溝村東側,軸線方向約290b,呈南東-北西向展布。隧道出口洞門左幅為臺階式,右幅為端墻式。隧道出口斜坡較陡,溝隧道出口以上為較緩邊坡,邊坡坡度約為23b,隧道出口以下自然坡角約30b~40b,植被較發育。坡腳處分布有零星居民點和鄉村公路。隧址出口邊坡位于秦嶺褶皺系之東段,屬于南秦嶺印支冒地槽褶皺帶(南秦嶺構造帶)二級構造單元之武當山復背斜范圍內,可見明顯的揉皺現象。邊坡區主要出露地層為中元古界武當山群(Pt2wd)片巖,片理產狀20bN47b,節理裂隙較發育。
2.邊坡可能破壞模式分析
通過勘察,陽南溝隧道出口邊坡地質結構依次為:表層殘坡積層,其下為強風化-微風化片巖;隧道出口以下邊坡為較陡邊坡,邊坡坡度約為34b,邊坡地質結構為弱風化-微風化片巖,為向內傾的斜交坡。從邊坡的平面特征來看,隧道出口左線以上邊坡殘坡積層中后部地形平緩,前部地形坡度相比中后部較陡;隧道右線地形坡度總體較緩。根據鄰近地區邊坡失穩模式調查結果,該區邊坡失穩大多是沿殘坡積物與基巖分界面發生滑移,其滑面受風化界面控制呈折線狀,微顯弧形結構。根據陽南溝隧道出口邊坡地質特征(見圖1),采用宏觀地質判斷方法,確定陽南溝隧道出口邊坡左幅剖面破壞模式為左線前部殘坡積層沿風化界面近似弧形滑移(見圖2),右幅剖面破壞模式為殘坡積層沿風化界面發生折線滑移(見圖1(b))。
陽南溝隧道出口邊坡危險性預測
1.邊坡失穩概率預測
根據邊坡可能破壞模式分析,陽南溝隧道出口邊坡分別采用不同的計算方法進行穩定性分析,并運用蒙特卡羅(Monte2Carlo)模擬方法進行邊坡失穩概率計算[628]。根據滑動面的形態和計算方法的適宜性,左幅剖面擬采用Bishop法和Janbu法;右幅剖面擬采用傳遞系數法和Morgenstern2Price法。運用Geoslope軟件及其自帶的概率計算程序對邊坡左幅剖面和右幅剖面進行計算,而傳遞系數法則是通過自編的計算程序對右幅剖面進行計算,得到了正常工況和非正常工況條件下邊坡的穩定性系數和破壞概率,結果見表1。其中非正常工況條件下,巖土體飽和,浸潤線位于強風化層與弱風化層分界面。由邊坡穩定性計算結果可以看出,陽南溝隧道出口邊坡在正常工況條件下左幅剖面的穩定性系數為1.467,右幅剖面的穩定性系數為1.750,大于表2所規定的穩定性系數,邊坡處于穩定狀態,有一定的安全儲備;在非正常工況條件下邊坡左幅剖面穩定性系數為1.145,處于基本穩定狀態,右幅剖面的穩定性系數為1.370,處于穩定狀態。從計算結果來看,右幅剖面的穩定性比左幅剖面的穩定性要好,主要原因是左幅剖面的中前部地形坡度和殘坡積層分界線相比右幅來說都要陡一些,從邊坡失穩模式來看右幅剖面計算結果代表了斜坡的整體穩定性,左幅剖面計算結果代表了斜坡的局部穩定性。斜坡穩定性分級見表3。陽南溝隧道出口邊坡左幅剖面在正常工況條件下破壞概率為1.9%,處于安全;在非正常工況條件下破壞概率為21.9%,處于低危險性。陽南溝隧道出口邊坡右幅剖面在正常工況條件下破壞概率為0.6%,處于安全;在非正常工況條件下破壞概率為13.5%,處于低危險性。
2.邊坡失穩范圍預測
進行邊坡災害風險預測的前提條件是要確定出災害的影響范圍。可從兩個方面考慮:一是邊坡在孕育、變形過程中所涉及的范圍,可以結合邊坡區內裂縫發育規律、地層產狀以及建筑物變形情況圈定;二是邊坡破壞后的運動距離大小[9210]。根據有關公式[11]對陽南溝隧道出口邊坡滑移距離進行了估算,估算結果見表4。公式1至4是目前常用的邊坡失穩滑動距離大小估算模型,其中公式1反映了邊坡體滑動距離與滑動面動摩擦系數f、邊坡高度H有關;公式2反映了邊坡的滑移距離L與滑體的滑移高差H存在一定的關系,通過歷史邊坡的調查統計可以分析L與H的關系;公式3反映了邊坡滑動距離與前緣坡腳有關;而公式4反映了邊坡滑動距離與邊坡體體積有關。但是邊坡體滑動的距離與與滑動面動摩擦系數、滑動體高差、坡度及水平距離、邊坡體剪出初始速度等因素息息相關,這些公式不能全部反映出影響滑移距離的各個因素,存在一定的局限性且有一定適用條件,因此計算結果之間存在一定差異。采用上述估算公式可以大致了解邊坡滑移距離,計算出來的滑動距離只能作為參考值,在進行風險評估時還應結合邊坡失穩的運動方向、邊坡周界和實際地形特征綜合確定。通過對陽南溝隧道出口邊坡周邊工程地質特征調查,確定邊坡后緣和側緣的影響范圍見圖3。
邊坡影響范圍內承災體易損性預測
1.承災體調查和分類
要確定承災體,需確定邊坡影響范圍及此范圍內可能遭受損害的人和物。根據承災體分類原則,將承災體分為:人員、房屋建筑、公路橋墩、鄉村公路、建設機械、農田、林地等。對本工程邊坡影響范圍內不同類別的承災體分別進行調查,統計其特征及數量,統計結果見表5和表6。
2.承災體易損性預測
在單體滑坡災害風險評價中,影響承災體易損性的因素較為復雜,從承災體的種類、數量、不同承災體的承災能力和可能損失程度等幾個因素來看,同等災害規模條件下,承災體的數量越多,承災體對災害的抗御能力和可恢復性越差,災害造成的破壞損失越嚴重。本文根據承災體類型,主要分析人口易損性和經濟易損性[12]。
1）人口易損性評價
人口易損性是指在邊坡災害中最大可能的死傷人數占災前人口總數的比例或百分比。對邊坡進行人口易損性分析,主要是將該區域影響范圍內的人口作為承災體,研究人口的風險觀念和減災防災意識,包括人口年齡結構、居民對邊坡災害的防范意識、政府對邊坡災害的重視程度等。除此之外,邊坡性質也是重要的影響因素,包括邊坡滑動速度、邊坡體積等。根據文獻[6]對人口易損性評價的方法,采用以下公式進行計算:（略）式中:Vpi為邊坡影響范圍內的易損性指數,Vpi=0~1,0表示無人口易損性,1表示100%的人口易損性;W1為邊坡速度對易損性影響的權重;W2為邊坡體積對易損性影響的權重;W3為人口年齡結構評價因素的權重;W4為受教育程度評價因素的權重;W5為政府重視程度評價因素的權重;C1為滑動速度評價系數;C2為邊坡體積評價系數;C3為人口年齡結構系數;C4為教育程度系數;C5為政府重視程度系數。相對于其他因素,C3、C4是內因。不難看出,邊坡體滑動的速度和體積對易損性影響也較為明顯。陽南溝隧道邊坡影響范圍內人口類型分為邊坡分布區人口和邊坡影響區人口,根據政府部門的統計數據,采用工程類比法將這兩部分區域的影響因素定量化,并確定相應的系數。參考已有數據,綜合確定人口易損性指數為:邊坡區內易損性為0.498,邊坡影響區內易損性為0.376。#p#分頁標題#e#
2)經濟易損性評價
除了人的生命健康、風險觀念外,其他承災體都可以用貨幣形式反映其價值。承災體價值損失的程度可以用承災體價值損失率來表示,即承災體遭受災害破壞損失的價值與受災前承災體價值的比率。承災體損毀程度和價值損失率除了與承災體抗破壞能力有關外,主要還受到地質災害危害程度的控制,危害程度越高,則損毀越嚴重,其損失率也越高。因此,根據歷史災害資料,將不同承災體價值損失率與地質災害損壞程度進行了統計分析,結合邊坡特點,同時參考其它自然災害的研究成果[13214],可初步建立滑坡災害受災體損毀程度與受災體價值損失率的對應關系(見表7)。這些數據可作為災害評估的參考值,具體應用時可根據實際情況在區間內取值,或者作必要的修正。在難以獲取實際資料情況下,可采用平均值。
陽南溝隧道出口邊坡安全風險評價
陽南溝隧道出口邊坡安全風險分析是建立在破壞概率、易損性評價、承災體價值分析的基礎上進行的。根據風險計算方法得出各工況下人口傷亡風險和各工況下經濟損失風險,如表8和圖4所示。計算結果表明:當邊坡處于低危險性狀態時,傷亡預測人數均占總人數的14.6%以上,經濟損失在275萬元以上。將所得數據與不同工況的破壞概率相比較,可以看出破壞概率越高,承災體損失越嚴重。根據交通部5公路橋梁與隧道工程安全風險評估指南6中風險等級標準評定方法[15],陽南溝隧道出口邊坡在正常工況條件下的風險等級為級、低度,在非正常工況條件下的風險等級為ò級、中度。根據風險接受準則[15216],陽南溝隧道出口邊坡在正常工況條件下風險較小,在接受范圍之內,但需要予以監測;在非正常工況條件下風險較大,必須采取措施降低風險并加強監測,特別在隧道出口段施工過程和不利自然條件下應該對邊坡變形情況加強監測,一旦發生異常情況,需要通知建設和設計單位,立即采取加固處理措施,確保隧道出口邊坡穩定。
結語
(1)陽南溝隧道出口邊坡穩定性和破壞概率分析結果表明:邊坡在正常工況和非正常工況條件下處于穩定狀態;依據邊坡穩定程度分類標準,邊坡在正常工況條件下處于安全程度,在非正常工況條件下處于低危險性。(2)陽南溝隧道出口邊坡風險分析結果表明:邊坡在正常工況條件下的風險等級為級,在非正常工況條件下的風險等級為ò級。根據風險接受準則,陽南溝隧道出口邊坡在正常工況條件下風險較小,在接受范圍之內;在非正常工況條件下風險次之,但需要予以監測,尤其在施工過程和不利自然條件下對邊坡變形情況加強監測。通過對邊坡進行安全風險分析,可以大致確定陽南溝隧道出口邊坡風險及風險的大小,為邊坡工程技術人員分析和處理各種不確定因素提供可行的技術手段,指導設計人員選擇合適的邊坡工程技術措施。但是,本文沒有考慮邊坡失穩發生的時間問題,如果發生在夜間,其風險顯然會高于邊坡失穩發生在白天的值。所以,對于公路邊坡安全風險預測問題還應與時間預測研究結合,對于這一點,將在后續階段進行研究。（本文圖、表略）
本文作者：劉松 羅紅明 徐曉波 翟全禮 胡五洲 陳維偉 單位：湖北省十白高速公路建設指揮部 中國科學院 武漢巖土力學研究所, 巖土力學與工程國家重點實驗室
