1、边坡工程风险预警及其处理摘 要：随着工程实践的开展，在越来越多的边坡工程中发现，由于参数变异以及计算方法等的不同，对于边坡安全系数的取值存在不确定性及对边坡风险的机理认识不够深入，边坡风险预警及管理应用仍处于初步阶段。本文对边坡工程的稳定特性进行了分析，对边坡工程风险的预警机制确立及其演进关系进行了探讨，进而运用预应力锚索确立了边坡工程风险预警及处理策略。 关键词：边坡工程风险；预警判断；超前支护；预应力锚索 边坡工程风险预警及处理是在对边坡工程中存在的各种风险进行识别、估计和评价之后采取各种风险管理技术，权衡风险的大小，相应采取风险处理和决策机制，期望对边坡工程风险实施有效的检测、控制和科学
2、、及时处置，使损失最小化，并以最小的成本损耗获得最大的工程安全保障。 1 边坡风险处理的意义 边坡稳定问题是岩土工程经典问题之一，但由于岩土材料的非均匀性，边坡影响因素的复杂性，且由于，我国地质条件而言，我国现有高陡边坡存在抗震性能弱、耐久性差、风险度较高，边坡工程区域地质灾害的成因机理，形成条件，诱发因素等的复杂性，多样性以及其变化的随机性，非线性等特征。在边坡工程实践操作中，由于工程技术设计、施工人员未考虑到边坡特殊的工程地质构造和力学性质或对施工边坡的性质产生错误的判断与施工方式，甚至采取强加固措施造成浪费，如采用削坡卸荷、拦截排水、抗滑支挡及坡面防护等一系列措施。或者未意识到隐藏结构面
3、对边坡稳定性的影响而不采取任何措施，给工程留下安全隐患。可以说，边坡风险的预警及处理决策是一个复杂的系统工程，它涉及经济、技术、环境及专家和决策者的个人素质等综合性因素。边坡工程风险预警及处理是岩土工程的经典破题。 开展边坡稳定性预测预警研究是当今国际边坡稳定性研究和环境地质研究领域的前沿课题。由于边坡的稳定性失衡形成状态，是一个伴随一定的可预见性、可测试性的破坏而从量变到突变的渐进式发展过程。对边坡进行周密监测，适时了解坡体的稳定性失衡状态，基于监测数据的多源信息对边坡状态进行分析，并做出发展趋势预测和长期评价，已成为边坡稳定性研究的一个重要方法。因此，加强边坡稳定性的检测和监测，并基于以上
4、工作获取的应力、位移等多源信息为基础，进行预测预报，并依据滑动模式和变形破坏机理，判断边坡失衡的安全等级，进而构建边坡稳定状态的综合预测方法与安全预警体系。 在实际风险处理过程中，边坡风险预警及处理是一个系统工程与知识工程的耦合系统，其中涵盖大量工程风险相关的定性、定量因素及风险经验和专业性专门知识。边坡工程风险预警及处理对我国区域局部场地或区域进行边坡灾害进行有效的风险管理，减少边坡失事造成的生命及财产损失，都具有极为重要的现实意义。 2 边坡工程风险的预警 边坡工程风险的预警机制的建立主要依赖模糊综合评价，也就是对受多种因素影响的事物做出全面评价的一种十分有效的多因素决策方法。模糊综合评判
5、的基本思想是利用模糊线性变换原理和最大隶属度原则，考虑与被评价事物相关的各个因素，对其作出合理的综合评价。在总结影响边坡预警判据的 m 个因素的基础上，采用专家意见法给出每个影响因素的权重，同时给出每个因素对各个评价等级相应的隶属度，形成因子权重矩阵和模糊关系单因素评判矩阵；利用模糊线性变换原理综合考虑相关因素的祸合作用，求出模糊综合评价集；依据最大隶属度原则进行综合评判，模糊综合评判原理如下图 1：模糊综合评判原理简图所示。在对边坡风险识别、风险分析和评价后，当边坡的风险水平不可接受时，就必须根据边坡的风险程度进行处理，选择风险决策对边坡进行治理。 图 1 模糊综合评判原理图 模糊综合评判的
6、具体步骤如下： 2.1 建立因素集和评价集 在分析和提炼影响边坡预警判据修正程度因子的基础上，把影响边坡预警判据的 m 个因素作为因素集 U 中的因素，则可以表示为： U=（U1，U2，U3，UM） （J=1，2，3，m） 进而定义边坡预警判据修正级别集为 V，共分 n 个级别，则评价级 V可以表示为： V=（V1，V2，V3，VM） （I=1，2，3，n） 其中，V1，V2，V3，VM 为根据问题划分的多级指标。 2.2 建立单因素模糊评判矩阵 根据具体策略的值数选用适合的隶属函数，求出每个因素对各个评价等级相应的隶属度，对单个因子价 Uj（j=l，2， ， ， ，m）作模糊评判，得到反映
7、U 和 V 的模糊关系单因素评判矩阵： 换言之，由模糊值映射 F 到处 U 到 V 的模糊关系，即 RfF（UV） ，使 R=Rf=（rij）mnm 称 R 为综合评判矩阵，R 中第 i 列反映的是被评对象的第 i 个因素对于评价集中各等级的隶属度；第 j 行反映的是被评对象各因素分别取评价集中第 j 个等级的程度。 2.3 确定因子集的权矩阵 在建立单因素模糊评判矩阵基础上，建立各因素的权重，并构成一个模糊向量 Aj=（A1，A2，A3，AM） （J=1，2，3，m） 式中 aj 为第 i 个因素 ui 所对应的权，归一化条件为： 2.4 模糊综合评判 当因素重要程度模糊集 A 和综合评判矩
8、阵（模糊关系）R 已知时，通过 R 做模糊线性变换，把 A 变为评语集上的模糊子集： B=A*R=（B1，B2，B3，BM） 其中*，表示广义模糊合成运算，即 bj=（a1r1j）（a2r2j）（amrmj）（j=1，2，m） 这里“” “表示广义模糊“与”的运算， “”表示广义模糊“或”的运算。称 B 为评语集 V 上的模糊综合评价集，即bj（j=l，2，m）为等级（评语）vj 对综合评判所得模糊评价集 B 的隶属程度。根据最大隶属度原则，选择模糊综合评价集 B=（b1， b2，b3，bn）中最大的 bj 所对应的等级（评语）vj 作为综合评判的结果。 用上述方法建立的模型，只有其计算值与实
9、测值的拟合以及预报值在一定精度的条件下才能有效。衡量有效性和精度的主要指标有复相关系数和标准差。通过对以上模糊综合评判分析表明，滑坡发生前的变形速率为 1mm/d 到 1000mm/d 不等，差别较大。堆积层滑坡的临界变形速率差别较大，滑坡发生的临界降雨量随地区不同而不同，而且与滑坡体的规模有关。位移矢量角的突然增大或减小，蠕变曲线切线角大于 70 度等均可作为滑坡发生的判据。边坡工程风险预报必须建立在深入研究其变形特点和形成机制的基础上，利用定量判据指标，运用综合信息预报方法对边坡风险进行预测预报。 3 边坡工程风险的处理及其策略 边坡坡体介质与预应力锚固体间的耦合作用，对该类边坡的预应力锚
10、固行为具有重要作用。随着我国建设的发展，预应力锚索框架在边坡工程风险的处理中发挥越来越重要的作用并广泛应用于边坡的加固之中。3.1 边坡的允许风险标准 制定一个合适的允许风险，是运用预应力锚索进行风险管理的重要前提性因素。在作边坡失稳风险评价即滑坡灾害风险评价时，需要有一套完整的标准帮助决策者对边坡工程风险进行核心部位的判断，即风险的可接受度和控制方式。允许风险通常以每年每一个人被摧毁的概率来计算，一般以人员伤亡、经济损失以及社会环境价值损失来表征。边坡允许风险水平应该因地、因时而异的设立适当的风险标准同时也涉及社会、政治、经济、工程技术、自然环境、文化背景等多种因素。对人员伤亡来说，目前主要
11、采用 F（滑坡概率）N（人员伤亡）准则法；对于经济损失，一般采用损益比（Cost-benefit Ratio） 、不同年概率条件下的经济损失值等来表示。 我国可靠度设计规范对各种建筑物的允许可靠度指标作出了规定，如表 2 ：可靠度指标和失效概率的关系所示。我国水利水电工程结构可靠度设计统一标准规定，持久状态结构的允许按表 3 所示。其中第一类破坏指非突发性破坏，破坏前能见到明显征兆，破坏过程缓慢；第二类破坏指突发性破坏，破坏前无明显征兆，结构一旦失事难于弥补或修复。规范同时规定了建筑物的设计基准期，这样允许可靠度指标也可以与以年计的允许风险建立关系。 表 2 可靠度指标和失效概率的关系 失效概
12、率 P f 0.5 0.25 0.1 0.05 0.01 0.001 0.0001 0.00001 可靠度指标 0 0.47 1.28 1.65 2.33 3.1 3.72 4.25 表 3 规范规定的持久结构承载力允许可靠度设计指标 结构安全级别 级 级 级 一类破坏 3.7 3.2 2.7 二类破坏 4.2 3.7 3.2 对于会造成较大人员伤亡及财产损失的天然斜坡及人工边坡，当风险体为被动风险承受者时，我国边坡以年计允许风险值应在 10-510-6之间。如果风险标准选用偏低，则边坡工程的安全可靠度不足，存在安全隐患，且具有较高的风险度；而同时，如果标准选得太高，又难以实现应有的合理经济收
13、益预期，造成资源的浪费。实质上，边坡工程风险标准的取值，是在政治影响、经济效益、环境评价、个体价值与边坡安全之间的反复权衡的结果。 3.2 预应力锚索 预应力锚索框架梁加固滑坡体，作为一种主动加固方法，能调动坡体自稳能力，改变坡体的应力状况，且安全稳定、美观轻巧，综合造价及社会经济效益明显，明显优于传统的支护结构，在边坡治理中有广泛的应用前途。锚索的锚固力直接改变了滑面上的应力状态和滑动稳定条件。如图 2 锚索受力情况图。 由预应力锚索的锚固力所增加的抗滑阻力增量 为： 式中：Pt锚索设计拉力值； Ptn、Ptv分别为 Pt 垂直于滑面方向的分力和沿滑面的分力； 滑动面倾角； 锚索与水平方向的
14、夹角； 滑动面的内摩擦角。 图 2 锚索受力图示 由上式可知，预应力锚索一方面可直接在滑面上产生抗滑阻力 Ptv，另一方面可通过增大滑动面上的正应力来增大抗滑摩擦阻力。总之，预应力锚索通过提高边坡岩体的整体性和增加滑面上抗滑阻力来加固岩体，促使其稳定。因此，应针对滑坡的特点选取符合实际的滑带处理方法，这对保证计算精度是十分必要的。目前，滑带的有 3 种处理方式： （1）滑动带厚度较大时，在有限元计算中将滑动带作为软弱夹层来模拟滑坡的应力状态。 （2）滑动带厚度较小时，在有限元计算中将滑动带作为节理单元或接触单元来模拟滑坡的应力状态。 （3）滑动带厚度非常小，在有限元计算中将滑动带作为单元界线来
15、模拟滑坡的应力状态。 在实施高风险边坡超前支护过程中，无支护边坡稳定性的超前判识，给定安全系数条件下高切坡所需要施加抗力荷载以及地震荷载下加固高切坡的动力响应问题是关系高切坡整治工程成败关键。对于高切坡来说，预应力锚索是整治危险性岩质高切坡最为有效的超前支护结构。具体步骤：（1）给定切坡方式下无支护岩质高切坡的稳定性进行超前诊断，如果通过判断发现为危险性边坡，则在高切坡开挖前预先设置预应力锚索；（2）在预应力锚索施工达到并完成设计规定强度后再开挖边坡，从而保证岩质高切坡的整体稳定性。显然，高切坡稳定性的超前判识，预应力锚索与高切坡的共同作用分析，地震荷载下预应力锚索加固高切坡的动力响应等关键科
16、学问题的解决是关系预应力锚索加固高切坡整治工程成败的关键。 总之，边坡工程风险预警及风险处理分析相关概念在边坡工程中的引入，为边坡稳定性分析提供了一条相对可靠的思路。风险预警方法分析方法能够克服安全系数法的不足之处，充分考虑到边坡工程中的随机性和不确定性，并以承认存在结构失衡的可能性为前提。 参考文献 1 唐亮.类土质边坡稳定性分析与工程应用D.华南理工大学，2010. 2 孙广忠，姚宝魁.中国滑坡地质灾害及其研究J.中国岩石力学与工程学会地面岩石工程专业委员会，中国地质学会工程地质专业委员会编.中国典型滑坡M.北京：科学出版社，1988. 3 李聪.边坡变形与稳定性演化预测预警方法研究D.武汉大学， 2011. 4 徐俊龄.高速远程滑坡研究现状综述A.滑坡文集编委会.滑坡文集（第 12 集）C.北京：中国铁道出版社，1997. 5 张晓曦.边坡工程稳定性极限分析D.西南交通大学，2011. 6 黄高峰，李宗利，牟声远.Hoek-Brown 准则参数在边坡工程中的敏感性分析J.岩土力学，2009（7）. 作者简介：王媛媛（1983- ） ，女，满族，辽宁本溪人，本科，工程师，研究方向：岩土工程；高华（1983- ） ，男，辽宁抚顺人，本科，工程师，研究方向：岩土工程。
