安全风险评估在煤系易滑地层边坡综合整治后的应用

郑 康

(广东省南粤交通投资建设有限公司，广州 510623)

0 引言

在山区高速公路的建设过程中，受环境地质条件的影响和制约，沿线开挖原自然斜坡形成多处高陡边坡，部分高陡边坡和边坡病害体采用了刷方减载、挡墙、斜向钢锚管、竖向钢花管、锚杆、锚索或抗滑桩等措施[1-2]进行了综合整治。由于地质条件的不断恶化，一些不良地质体逐步发展到危险状态，对高速公路的运营管理造成了较大的安全隐患。

煤系地层[3-4]大多夹软弱夹层(如炭质页岩、泥岩或煤层)，其岩性软硬不均，空间上分布不均，层间胶结性较差，结构松散，遇水易软化崩解，在地下水和外营力作用下易形成软弱带，具有隔水、含水和强度软弱的特点，自然斜坡开挖后导致坡脚临空、坡体松弛和应力集中，煤系软弱带易形成边坡变形破坏的滑动面，故煤系地层属易滑地层。

本文结合国内类似边坡安全风险评估[5-6]经验，综合地质调绘、边坡病害调查和监测成果，对综合整治后的煤系易滑地层边坡，以清云高速公路地豆服务区AK0+353～AK0+513右侧路堑边坡为例，进行安全风险评估(包括适宜性评价、稳定性评价和安全风险评价)，划分安全风险等级并提出适宜的应对措施，为高速公路的安全运营管理提供基础依据。

1 边坡工程概况

1.1 地形地貌

该路堑边坡位于江谷镇，交通极为不便，施工时需修筑简易便道。堑顶为缓坡地形，坡度3°～8°，距刷方顶线平距约120m为110kV高压电塔。线路走向180°，坡向90°，施工图设计文件未见钻孔资料。

1.2 原设计措施

该路堑原设计为五级坡，最大坡高45.2m，分级坡高10m，第一～五级坡坡率1:1.0，分级平台宽2m。第一、三级坡均采用4排φ32锚杆框架加固，第二级坡采用3排4φ15.2预应力锚索框架加固，第四级坡采用人字形骨架植草防护，第五级坡采用植草防护，原设计断面如图1所示。

图1 原设计典型断面

1.3 补充勘查成果

2017年5月23日～6月3日期间，该路堑边坡进行了补充钻探(图2～图4)，共布设3个勘探断面、7个钻孔，总孔深266m。钻孔揭露地层如下：

(1)强风化岩：

①强风化炭质页岩(砂土状)：灰黑色，岩质极软，遇水易风化崩解。

②强风化变质砂岩(砂土状)：褐黄色，薄层状构造，岩质极软，遇水易风化崩解。

③强风化炭质页岩：灰褐、灰黑色，岩体破碎，岩芯呈碎块、角砾状，岩质较软，遇水易风化崩解。

④强风化变质砂岩：褐黄色，薄层状构造，节理裂隙极发育，岩芯呈碎块状、角砾状，岩质软。

(2)强风化夹中风化炭质页岩：灰褐、灰黑色，局部为褐黄色变质砂岩，岩质较硬，节理裂隙发育，岩芯呈碎块状、少量短柱状。

(3)中风化炭质页岩：灰褐、灰黑色，岩质较硬，节理裂隙较发育，岩芯呈短柱状、少量碎块状。

图2 砂土状炭质页岩

图3 碎块状炭质页岩

图4 AK0+435地质横断面

1.4 边坡病害调查

2017年6月5日调查时，该路堑边坡(图5)已开挖至三级坡上部，坡面暂未见明显变形。

图5 AK0+353～AK0+513右侧路堑(2017.06.05)

边坡中下部揭露强风化炭质页岩(煤系地层)(图6)，小里程段出露位置较高。坡面岩体破碎，结构面发育，局部地段层面顺倾(图7)，层面倾向170°～185°，倾角28°～43°。砂岩透水，炭质页岩隔水，钻孔揭露坡脚地下水位埋深13～26m。

图6 坡脚揭露煤系地层

图7 局部地段层面顺倾

雨季期间因基底全、强风化炭质页岩(煤系地层)长期泡水，承载力不足，潜在沿变质砂岩和炭质页岩交界面或饱水浸润带附近发生大型深层滑动。

原设计断面稳定性验算结果见表1，3个横断面的稳定系数K1均小于1.0，表明当该边坡开挖到路槽时边坡整体处于极不稳定的状态，因此需尽快进行处理，防止边坡在施工期间出现大型深层滑坡。

表1 原设计稳定性验算结果(加固前)

2 综合整治措施

2.1 刷方减载

综合考虑该煤系地层边坡顶部为缓坡地形，山体后方110kV高压电塔距刷方顶线平距超过120m，具有放缓坡率加宽平台的条件。具体方案：

(1)分级坡高调整为8m，第一、二、七级平台宽8m，其余分级平台宽2m。

(2)第一级坡坡率1:1.5，第二、三级坡坡率1:1.75，第四～八级坡坡率1:2.0。尽量刷除潜在的深层滑动体。

2.2 加固防护措施

考虑坡脚仍存在全～强风化炭质页岩(煤系地层)，岩质极软泡水易风化崩解，潜在发生局部浅层滑塌的风险，影响边坡的整体稳定，具体措施如下：

(1)第一级坡采用4排φ50×4.5斜向钢锚管框架加固，设计长度8～14m，水平间距3.0m，通过注浆锚固提高坡脚承载力固脚。

(2)第二～八级坡采用客土喷播植草绿化。

2.3 地表截排水措施

平台设平台水沟，边坡侧面设截水天沟。

2.4 地下深层排水措施

第一级坡坡脚设1排仰斜排水孔，仰角5°～8°。

变更后该边坡为八级，总坡高58m，设计采用了刷方减载、坡脚注浆固脚、地表截排水和地下深层排水相结合的综合整治措施(图8)。

图8 AK0+435变更设计断面

3 边坡病害调查分析

3.1 地质调绘

通过地质调绘结合区域地质资料，场区附近无活动性断裂通过，坡脚见炭质页岩，岩质较软(属煤系易滑地层)。局部地段层面顺倾，层面倾向170°～185°，倾角28°～43°，对边坡的局部稳定有一定的影响。

3.2 边坡病害调查

截止2019年9月21日，监测单位对该路堑边坡(图9)进行了多次定期检查，除局部平台排水不畅外，坡面暂未见冲刷或溜坍等病害。

图9 AK0+353～AK0+513右侧路堑(2019.09.20)

3.3 监测成果分析

截止2019年9月21日，地表和深孔位移监测曲线如图10～图11所示，监测成果分析边坡处于稳定状态。

图10 地表水平位移/时间曲线

图11 CX1-2、CX1-4深层水平位移曲线

综合地质调绘、边坡病害调查和监测成果分析，该边坡整体处于稳定状态，除局部平台排水不畅外，坡面暂未见冲刷或溜坍等病害。

4 安全风险评估

4.1 适宜性

设计变更结合坡顶为缓坡地形、临近区域无重要构建筑物、坡体揭露煤系易滑地层等环境地质特点，对该边坡采取了刷方减载、坡脚注浆固脚、地表截排水和地下深层排水相结合的综合整治措施。

4.2 稳定性

对边坡加固后进行稳定性计算，计算方法采用不平衡推力法，计算结果见表2。

表2 变更设计稳定性验算结果(加固后)

根据表2计算结果，3个断面的稳定系数K2均大于1.2，表明边坡在综合整治后整体处于稳定状态。

4.3 安全风险

对潜在发生安全隐患的边坡，采取多种分析手段，结合地质调绘、边坡调查、监测成果数据，进行边坡稳定性分析评价，给出安全性评价结论。

边坡灾害风险评价即分析不同强度的滑坡发生的概率及其可能造成的边坡灾害损失，边坡灾害风险评价系统包括三方面的内容：

(1)边坡灾害危险性分析。在边坡灾害系统观点的框架下，从风险诱发因素出发，研究不利事件发生的可能性，即发生概率。

(2)边坡灾害易损性分析。研究区域承灾体易于受到致灾滑坡破坏、伤害或损伤的特征，即损失大小。

(3)边坡灾害风险评估。在危险性分析和易损性分析的基础上,对边坡灾害的风险进行分级评估并提出控制对策。

4.4 风险等级标准

为对滑坡风险事故有一个大体的、定性的把握，以便指导风险决策的开展，需对不同的风险事故进行风险等级划分。一般来说，风险可表征为风险事故发生的概率和事故损失的乘积，结合本工程的实际情况，本文给出滑坡风险概率(失稳概率)和损失的等级评定标准，以及风险事故的等级划分标准，见表3～表6。

表3 风险发生概率等级标准

表4 风险事故损失等级标准

表5 风险评估矩阵

表6 风险指标分级评价标准

4.5 风险计算

(1)边坡灾害危险性(失稳概率)分析。随机变量均值(c10,φ10)、(c20,φ20)分别为(0，35)、(15.0，14.5)，根据风险计算，得Pf=2.3%，发生概率属“二级(B)很少发生”。

(2)风险事故损失(损失大小)分析。根据专家评定，滑坡一旦发生，可能掩埋坡脚部分停车区或高速公路设备，危害极大，因此其风险事故损失等级定为“四级(4)非常严重的”。

(3)滑坡风险等级及控制对策。根据上述计算，结合表3～表6评定标准，该边坡风险等级为“三级”，接受准则为“可接受的”，控制对策为“引起重视，需防范、制定监控措施”。

5 结语

(1)综合地质调绘、边坡病害调查和监测成果分析，该边坡整体处于稳定状态，除局部平台排水不畅外，坡面暂未见冲刷或溜坍等病害。

(2)设计变更结合坡顶为缓坡地形、临近区域无重要构建筑物、坡体揭露煤系易滑地层等环境地质特点，对该边坡采用了刷方减载、坡脚注浆固脚、地表截排水和地下深层排水相结合的综合整治措施，采用该综合措施适宜。

(3)稳定性验算结果表明，边坡在加固后整体处于稳定状态，充分验证了综合整治措施对该煤系地层边坡的适宜性和可靠性。

(4)因边坡下部为停车区，边坡滑动后危害极大，依据安全风险计算和评价标准，该边坡风险等级为“三级”，接受准则为“可接受的”，控制对策为“引起重视，需防范、制定监控措施”。建议在运营期间进行定期检查和监测，完善坡面地表截排水措施。

(5)随着地质条件的不断恶化，锚固或支挡工程的加固效果逐渐减弱。在暴雨期间潜在发生局部或整体滑动的风险，可能会破坏既有的锚固、支挡工程或设备，掩埋高速公路过往车辆或乘客，造成人员伤亡和财产损失，故开展安全风险评估是必要的。

(6)建议运营期间对施工期间发生过滑坡、加固的高陡边坡、监测未完全稳定的边坡进行安全风险评估，甄别其安全风险等级并提出适宜的应对措施，为高速公路的安全运营管理提供基础依据。