阳南沟隧道出口边坡工程地质环境
1.边坡工程地质概况
阳南沟隧道为一座高速公路分离式长隧道,出口位于十堰市张湾区黄龙镇泰山沟村东侧,轴线方向约290b,呈南东-北西向展布。隧道出口洞门左幅为台阶式,右幅为端墙式。隧道出口斜坡较陡,沟隧道出口以上为较缓边坡,边坡坡度约为23b,隧道出口以下自然坡角约30b~40b,植被较发育。坡脚处分布有零星居民点和乡村公路。隧址出口边坡位于秦岭褶皱系之东段,属于南秦岭印支冒地槽褶皱带(南秦岭构造带)二级构造单元之武当山复背斜范围内,可见明显的揉皱现象。边坡区主要出露地层为中元古界武当山群(Pt2wd)片岩,片理产状20bN47b,节理裂隙较发育。
2.边坡可能破坏模式分析
通过勘察,阳南沟隧道出口边坡地质结构依次为:表层残坡积层,其下为强风化-微风化片岩;隧道出口以下边坡为较陡边坡,边坡坡度约为34b,边坡地质结构为弱风化-微风化片岩,为向内倾的斜交坡。从边坡的平面特征来看,隧道出口左线以上边坡残坡积层中后部地形平缓,前部地形坡度相比中后部较陡;隧道右线地形坡度总体较缓。根据邻近地区边坡失稳模式调查结果,该区边坡失稳大多是沿残坡积物与基岩分界面发生滑移,其滑面受风化界面控制呈折线状,微显弧形结构。根据阳南沟隧道出口边坡地质特征(见图1),采用宏观地质判断方法,确定阳南沟隧道出口边坡左幅剖面破坏模式为左线前部残坡积层沿风化界面近似弧形滑移(见图2),右幅剖面破坏模式为残坡积层沿风化界面发生折线滑移(见图1(b))。
阳南沟隧道出口边坡危险性预测
1.边坡失稳概率预测
根据边坡可能破坏模式分析,阳南沟隧道出口边坡分别采用不同的计算方法进行稳定性分析,并运用蒙特卡罗(Monte2Carlo)模拟方法进行边坡失稳概率计算[628]。根据滑动面的形态和计算方法的适宜性,左幅剖面拟采用Bishop法和Janbu法;右幅剖面拟采用传递系数法和Morgenstern2Price法。运用Geoslope软件及其自带的概率计算程序对边坡左幅剖面和右幅剖面进行计算,而传递系数法则是通过自编的计算程序对右幅剖面进行计算,得到了正常工况和非正常工况条件下边坡的稳定性系数和破坏概率,结果见表1。其中非正常工况条件下,岩土体饱和,浸润线位于强风化层与弱风化层分界面。由边坡稳定性计算结果可以看出,阳南沟隧道出口边坡在正常工况条件下左幅剖面的稳定性系数为1.467,右幅剖面的稳定性系数为1.750,大于表2所规定的稳定性系数,边坡处于稳定状态,有一定的安全储备;在非正常工况条件下边坡左幅剖面稳定性系数为1.145,处于基本稳定状态,右幅剖面的稳定性系数为1.370,处于稳定状态。从计算结果来看,右幅剖面的稳定性比左幅剖面的稳定性要好,主要原因是左幅剖面的中前部地形坡度和残坡积层分界线相比右幅来说都要陡一些,从边坡失稳模式来看右幅剖面计算结果代表了斜坡的整体稳定性,左幅剖面计算结果代表了斜坡的局部稳定性。斜坡稳定性分级见表3。阳南沟隧道出口边坡左幅剖面在正常工况条件下破坏概率为1.9%,处于安全;在非正常工况条件下破坏概率为21.9%,处于低危险性。阳南沟隧道出口边坡右幅剖面在正常工况条件下破坏概率为0.6%,处于安全;在非正常工况条件下破坏概率为13.5%,处于低危险性。
2.边坡失稳范围预测
进行边坡灾害风险预测的前提条件是要确定出灾害的影响范围。可从两个方面考虑:一是边坡在孕育、变形过程中所涉及的范围,可以结合边坡区内裂缝发育规律、地层产状以及建筑物变形情况圈定;二是边坡破坏后的运动距离大小[9210]。根据有关公式[11]对阳南沟隧道出口边坡滑移距离进行了估算,估算结果见表4。公式1至4是目前常用的边坡失稳滑动距离大小估算模型,其中公式1反映了边坡体滑动距离与滑动面动摩擦系数f、边坡高度H有关;公式2反映了边坡的滑移距离L与滑体的滑移高差H存在一定的关系,通过历史边坡的调查统计可以分析L与H的关系;公式3反映了边坡滑动距离与前缘坡脚有关;而公式4反映了边坡滑动距离与边坡体体积有关。但是边坡体滑动的距离与与滑动面动摩擦系数、滑动体高差、坡度及水平距离、边坡体剪出初始速度等因素息息相关,这些公式不能全部反映出影响滑移距离的各个因素,存在一定的局限性且有一定适用条件,因此计算结果之间存在一定差异。采用上述估算公式可以大致了解边坡滑移距离,计算出来的滑动距离只能作为参考值,在进行风险评估时还应结合边坡失稳的运动方向、边坡周界和实际地形特征综合确定。通过对阳南沟隧道出口边坡周边工程地质特征调查,确定边坡后缘和侧缘的影响范围见图3。
边坡影响范围内承灾体易损性预测
1.承灾体调查和分类
要确定承灾体,需确定边坡影响范围及此范围内可能遭受损害的人和物。根据承灾体分类原则,将承灾体分为:人员、房屋建筑、公路桥墩、乡村公路、建设机械、农田、林地等。对本工程边坡影响范围内不同类别的承灾体分别进行调查,统计其特征及数量,统计结果见表5和表6。
2.承灾体易损性预测
在单体滑坡灾害风险评价中,影响承灾体易损性的因素较为复杂,从承灾体的种类、数量、不同承灾体的承灾能力和可能损失程度等几个因素来看,同等灾害规模条件下,承灾体的数量越多,承灾体对灾害的抗御能力和可恢复性越差,灾害造成的破坏损失越严重。本文根据承灾体类型,主要分析人口易损性和经济易损性[12]。
1）人口易损性评价
人口易损性是指在边坡灾害中最大可能的死伤人数占灾前人口总数的比例或百分比。对边坡进行人口易损性分析,主要是将该区域影响范围内的人口作为承灾体,研究人口的风险观念和减灾防灾意识,包括人口年龄结构、居民对边坡灾害的防范意识、政府对边坡灾害的重视程度等。除此之外,边坡性质也是重要的影响因素,包括边坡滑动速度、边坡体积等。根据文献[6]对人口易损性评价的方法,采用以下公式进行计算:（略）式中:Vpi为边坡影响范围内的易损性指数,Vpi=0~1,0表示无人口易损性,1表示100%的人口易损性;W1为边坡速度对易损性影响的权重;W2为边坡体积对易损性影响的权重;W3为人口年龄结构评价因素的权重;W4为受教育程度评价因素的权重;W5为政府重视程度评价因素的权重;C1为滑动速度评价系数;C2为边坡体积评价系数;C3为人口年龄结构系数;C4为教育程度系数;C5为政府重视程度系数。相对于其他因素,C3、C4是内因。不难看出,边坡体滑动的速度和体积对易损性影响也较为明显。阳南沟隧道边坡影响范围内人口类型分为边坡分布区人口和边坡影响区人口,根据政府部门的统计数据,采用工程类比法将这两部分区域的影响因素定量化,并确定相应的系数。参考已有数据,综合确定人口易损性指数为:边坡区内易损性为0.498,边坡影响区内易损性为0.376。#p#分页标题#e#
2)经济易损性评价
除了人的生命健康、风险观念外,其他承灾体都可以用货币形式反映其价值。承灾体价值损失的程度可以用承灾体价值损失率来表示,即承灾体遭受灾害破坏损失的价值与受灾前承灾体价值的比率。承灾体损毁程度和价值损失率除了与承灾体抗破坏能力有关外,主要还受到地质灾害危害程度的控制,危害程度越高,则损毁越严重,其损失率也越高。因此,根据历史灾害资料,将不同承灾体价值损失率与地质灾害损坏程度进行了统计分析,结合边坡特点,同时参考其它自然灾害的研究成果[13214],可初步建立滑坡灾害受灾体损毁程度与受灾体价值损失率的对应关系(见表7)。这些数据可作为灾害评估的参考值,具体应用时可根据实际情况在区间内取值,或者作必要的修正。在难以获取实际资料情况下,可采用平均值。
阳南沟隧道出口边坡安全风险评价
阳南沟隧道出口边坡安全风险分析是建立在破坏概率、易损性评价、承灾体价值分析的基础上进行的。根据风险计算方法得出各工况下人口伤亡风险和各工况下经济损失风险,如表8和图4所示。计算结果表明:当边坡处于低危险性状态时,伤亡预测人数均占总人数的14.6%以上,经济损失在275万元以上。将所得数据与不同工况的破坏概率相比较,可以看出破坏概率越高,承灾体损失越严重。根据交通部5公路桥梁与隧道工程安全风险评估指南6中风险等级标准评定方法[15],阳南沟隧道出口边坡在正常工况条件下的风险等级为级、低度,在非正常工况条件下的风险等级为ò级、中度。根据风险接受准则[15216],阳南沟隧道出口边坡在正常工况条件下风险较小,在接受范围之内,但需要予以监测;在非正常工况条件下风险较大,必须采取措施降低风险并加强监测,特别在隧道出口段施工过程和不利自然条件下应该对边坡变形情况加强监测,一旦发生异常情况,需要通知建设和设计单位,立即采取加固处理措施,确保隧道出口边坡稳定。
结语
(1)阳南沟隧道出口边坡稳定性和破坏概率分析结果表明:边坡在正常工况和非正常工况条件下处于稳定状态;依据边坡稳定程度分类标准,边坡在正常工况条件下处于安全程度,在非正常工况条件下处于低危险性。(2)阳南沟隧道出口边坡风险分析结果表明:边坡在正常工况条件下的风险等级为级,在非正常工况条件下的风险等级为ò级。根据风险接受准则,阳南沟隧道出口边坡在正常工况条件下风险较小,在接受范围之内;在非正常工况条件下风险次之,但需要予以监测,尤其在施工过程和不利自然条件下对边坡变形情况加强监测。通过对边坡进行安全风险分析,可以大致确定阳南沟隧道出口边坡风险及风险的大小,为边坡工程技术人员分析和处理各种不确定因素提供可行的技术手段,指导设计人员选择合适的边坡工程技术措施。但是,本文没有考虑边坡失稳发生的时间问题,如果发生在夜间,其风险显然会高于边坡失稳发生在白天的值。所以,对于公路边坡安全风险预测问题还应与时间预测研究结合,对于这一点,将在后续阶段进行研究。（本文图、表略）
本文作者：刘松 罗红明 徐晓波 翟全礼 胡五洲 陈维伟 单位：湖北省十白高速公路建设指挥部 中国科学院 武汉岩土力学研究所, 岩土力学与工程国家重点实验室
