摘 要：隨著工程實(shí)踐的開展，在越來越多的邊坡工程中發(fā)現(xiàn)，由于參數(shù)變異以及計(jì)算方法等的不同，對(duì)于邊坡安全系數(shù)的取值存在不確定性及對(duì)邊坡風(fēng)險(xiǎn)的機(jī)理認(rèn)識(shí)不夠深入，邊坡風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警及管理應(yīng)用仍處于初步階段。本文對(duì)邊坡工程的穩(wěn)定特性進(jìn)行了分析，對(duì)邊坡工程風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)警機(jī)制確立及其演進(jìn)關(guān)系進(jìn)行了探討，進(jìn)而運(yùn)用預(yù)應(yīng)力ê索確立了邊坡工程風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警及處理策略。
關(guān)鍵詞：邊坡工程風(fēng)險(xiǎn)；預(yù)警判斷；超前支護(hù)；預(yù)應(yīng)力ê索
邊坡工程風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警及處理是在對(duì)邊坡工程中存在的各種風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別、估計(jì)和評(píng)價(jià)之后采取各種風(fēng)險(xiǎn)管理技術(shù)，權(quán)衡風(fēng)險(xiǎn)的大小，相應(yīng)采取風(fēng)險(xiǎn)處理和決策機(jī)制，期望對(duì)邊坡工程風(fēng)險(xiǎn)實(shí)施有效的檢測(cè)、控制和科學(xué)、及時(shí)處置，使損失最小化，并以最小的成本損耗獲得最大的工程安全保障。
1 邊坡風(fēng)險(xiǎn)處理的意義
邊坡穩(wěn)定問題是巖土工程經(jīng)典問題之一，但由于巖土材料的非均勻性，邊坡影響因素的復(fù)雜性，且由于，我國(guó)地質(zhì)條件而言，我國(guó)現(xiàn)有高陡邊坡存在抗震性能弱、耐久性差、風(fēng)險(xiǎn)度較高，邊坡工程區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害的成因機(jī)理，形成條件，誘發(fā)因素等的復(fù)雜性，多樣性以及其變化的隨機(jī)性，非線性等特征。在邊坡工程實(shí)踐操作中，由于工程技術(shù)設(shè)計(jì)、施工人員δ考慮到邊坡特殊的工程地質(zhì)構(gòu)造和力學(xué)性質(zhì)或?qū)κ┕み吰碌男再|(zhì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的判斷與施工方式，甚至采取強(qiáng)加固措施造成浪費(fèi)，如采用削坡卸荷、攔截排水、抗滑支擋及坡面防護(hù)等一系列措施�；蛘�δ意識(shí)到隱藏結(jié)構(gòu)面對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響而不采取任何措施，給工程留下安全隱患�？梢哉f，邊坡風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)警及處理決策是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，它涉及經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、環(huán)境及專家和決策者的個(gè)人素質(zhì)等綜合性因素。邊坡工程風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警及處理是巖土工程的經(jīng)典破題。
開展邊坡穩(wěn)定性預(yù)測(cè)預(yù)警研究是當(dāng)今國(guó)際邊坡穩(wěn)定性研究和環(huán)境地質(zhì)研究領(lǐng)域的前沿課題。由于邊坡的穩(wěn)定性失衡形成狀態(tài)，是一個(gè)伴隨一定的可預(yù)見性、可測(cè)試性的破壞而從量變到突變的漸進(jìn)式發(fā)展過程。對(duì)邊坡進(jìn)行周密監(jiān)測(cè)，適時(shí)了解坡體的穩(wěn)定性失衡狀態(tài)，基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的多源信息對(duì)邊坡狀態(tài)進(jìn)行分析，并做出發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)和長(zhǎng)期評(píng)價(jià)，已成為邊坡穩(wěn)定性研究的一個(gè)重要方法。因此，加強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)，并基于以上工作獲取的應(yīng)力、λ移等多源信息為基礎(chǔ)，進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，并依據(jù)滑動(dòng)模式和變形破壞機(jī)理，判斷邊坡失衡的安全等級(jí)，進(jìn)而構(gòu)建邊坡穩(wěn)定狀態(tài)的綜合預(yù)測(cè)方法與安全預(yù)警體系。
在實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)處理過程中，邊坡風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警及處理是一個(gè)系統(tǒng)工程與知識(shí)工程的耦合系統(tǒng)，其中涵蓋大量工程風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)的定性、定量因素及風(fēng)險(xiǎn)經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)性專門知識(shí)。邊坡工程風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警及處理對(duì)我國(guó)區(qū)域局部場(chǎng)地或區(qū)域進(jìn)行邊坡災(zāi)害進(jìn)行有效的風(fēng)險(xiǎn)管理，減少邊坡失事造成的生命及財(cái)產(chǎn)損失，都具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。
2 邊坡工程風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)警
邊坡工程風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)警機(jī)制的建立主要依賴模糊綜合評(píng)價(jià)，也就是對(duì)受多種因素影響的事物做出全面評(píng)價(jià)的一種十分有效的多因素決策方法。模糊綜合評(píng)判的基本思想是利用模糊線性變換原理和最大隸屬度原則，考慮與被評(píng)價(jià)事物相關(guān)的各個(gè)因素，對(duì)其作出合理的綜合評(píng)價(jià)。在總結(jié)影響邊坡預(yù)警判據(jù)的m個(gè)因素的基礎(chǔ)上，采用專家意見法給出ÿ個(gè)影響因素的權(quán)重，同時(shí)給出ÿ個(gè)因素對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)相應(yīng)的隸屬度，形成因子權(quán)重矩陣和模糊關(guān)系單因素評(píng)判矩陣；利用模糊線性變換原理綜合考慮相關(guān)因素的禍合作用，求出模糊綜合評(píng)價(jià)集；依據(jù)最大隸屬度原則進(jìn)行綜合評(píng)判，模糊綜合評(píng)判原理如下圖1：模糊綜合評(píng)判原理簡(jiǎn)圖所示。在對(duì)邊坡風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)分析和評(píng)價(jià)后，當(dāng)邊坡的風(fēng)險(xiǎn)水平不可接受時(shí)，就必須根據(jù)邊坡的風(fēng)險(xiǎn)程度進(jìn)行處理，選擇風(fēng)險(xiǎn)決策對(duì)邊坡進(jìn)行治理。
模糊綜合評(píng)判的具體步驟如下：
2.1 建立因素集和評(píng)價(jià)集
在分析和提煉影響邊坡預(yù)警判據(jù)修正程度因子的基礎(chǔ)上，把影響邊坡預(yù)警判據(jù)的m個(gè)因素作為因素集U中的因素，則可以表示為：
U=（U1，U2，U3…，UM） （J=1，2，3，…，m）
進(jìn)而定義邊坡預(yù)警判據(jù)修正級(jí)別集為V，共分n個(gè)級(jí)別，則評(píng)價(jià)級(jí)V可以表示為：
V=（V1，V2，V3…，VM） （I=1，2，3，…，n）
其中，V1，V2，V3…，VM為根據(jù)問題劃分的多級(jí)指標(biāo)。
2.2 建立單因素模糊評(píng)判矩陣
根據(jù)具體策略的值數(shù)選用適合的隸屬函數(shù)，求出ÿ個(gè)因素對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)相應(yīng)的隸屬度，對(duì)單個(gè)因子價(jià)Uj（j=l，2，，，，m）作模糊評(píng)判，得到反映U和V的模糊關(guān)系單因素評(píng)判矩陣：
換言之，由模糊值映射F到處U到V的模糊關(guān)系，即Rf∈F（U×V），使R=Rf=（rij）m×nm稱R為綜合評(píng)判矩陣，R中第i列反映的是被評(píng)對(duì)象的第i個(gè)因素對(duì)于評(píng)價(jià)集中各等級(jí)的隸屬度；第j行反映的是被評(píng)對(duì)象各因素分別取評(píng)價(jià)集中第j個(gè)等級(jí)的程度。
2.3 確定因子集的權(quán)矩陣
在建立單因素模糊評(píng)判矩陣基礎(chǔ)上，建立各因素的權(quán)重，并構(gòu)成一個(gè)模糊向量
Aj=（A1，A2，A3，…，AM） （J=1，2，3，…，m）
式中aj為第i個(gè)因素ui所對(duì)應(yīng)的權(quán)，歸一化條件為：
2.4 模糊綜合評(píng)判
當(dāng)因素重要程度模糊集A和綜合評(píng)判矩陣（模糊關(guān)系）R已知時(shí)，通過R做模糊線性變換，把A變?yōu)樵u(píng)語集上的模糊子集：
B=A*R=（B1，B2，B3，…，BM）
其中*，表示廣義模糊合成運(yùn)算，即
bj=（a1∧※r1j）∨※（a2∧※r2j）∨※…∨※（am∧※rmj）（j=1，2，…，m）
這里“∧※”“表示廣義模糊“與”的運(yùn)算，“∨※”表示廣義模糊“或”的運(yùn)算。稱B為評(píng)語集V上的模糊綜合評(píng)價(jià)集，即bj（j=l，2，…，m）為等級(jí)（評(píng)語）vj對(duì)綜合評(píng)判所得模糊評(píng)價(jià)集B的隸屬程度。根據(jù)最大隸屬度原則，選擇模糊綜合評(píng)價(jià)集B=（b1， b2，b3，…，bn）中最大的bj所對(duì)應(yīng)的等級(jí)（評(píng)語）vj作為綜合評(píng)判的結(jié)果。 用上述方法建立的模型，只有其計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的擬合以及預(yù)報(bào)值在一定精度的條件下才能有效。衡量有效性和精度的主要指標(biāo)有復(fù)相關(guān)系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差。通過對(duì)以上模糊綜合評(píng)判分析表明，滑坡發(fā)生前的變形速率為1mm/d到1000mm/d不等，差別較大。堆積層滑坡的臨界變形速率差別較大，滑坡發(fā)生的臨界降雨量隨地區(qū)不同而不同，而且與滑坡體的規(guī)模有關(guān)。λ移矢量角的突然增大或減小，蠕變曲線切線角大于70度等均可作為滑坡發(fā)生的判據(jù)。邊坡工程風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)必須建立在深入研究其變形特點(diǎn)和形成機(jī)制的基礎(chǔ)上，利用定量判據(jù)指標(biāo)，運(yùn)用綜合信息預(yù)報(bào)方法對(duì)邊坡風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。
3 邊坡工程風(fēng)險(xiǎn)的處理及其策略
邊坡坡體介質(zhì)與預(yù)應(yīng)力ê固體間的耦合作用，對(duì)該類邊坡的預(yù)應(yīng)力ê固行為具有重要作用。隨著我國(guó)建設(shè)的發(fā)展，預(yù)應(yīng)力ê索框架在邊坡工程風(fēng)險(xiǎn)的處理中發(fā)揮越來越重要的作用并廣泛應(yīng)用于邊坡的加固之中。
3.1 邊坡的允許風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)
制定一個(gè)合適的允許風(fēng)險(xiǎn)，是運(yùn)用預(yù)應(yīng)力ê索進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)管理的重要前提性因素。在作邊坡失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)即滑坡災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)時(shí)，需要有一套完整的標(biāo)準(zhǔn)幫助決策者對(duì)邊坡工程風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行核心部λ的判斷，即風(fēng)險(xiǎn)的可接受度和控制方式。允許風(fēng)險(xiǎn)通常以ÿ年ÿ一個(gè)人被摧毀的概率來計(jì)算，一般以人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失以及社會(huì)環(huán)境價(jià)值損失來表征。邊坡允許風(fēng)險(xiǎn)水平應(yīng)該因地、因時(shí)而異的設(shè)立適當(dāng)?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)也涉及社會(huì)、政治、經(jīng)濟(jì)、工程技術(shù)、自然環(huán)境、文化背景等多種因素。對(duì)人員傷亡來說，目前主要采用 F（滑坡概率）—N（人員傷亡）準(zhǔn)則法；對(duì)于經(jīng)濟(jì)損失，一般采用損益比（Cost-benefit Ratio）、不同年概率條件下的經(jīng)濟(jì)損失值等來表示。
我國(guó)可靠度設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)各種建筑物的允許可靠度指標(biāo)作出了規(guī)定，如表2 ：可靠度指標(biāo)和失效概率的關(guān)系所示。我國(guó)水利水電工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，持久狀態(tài)結(jié)構(gòu)的允許按表3所示。其中第一類破壞指非突發(fā)性破壞，破壞前能見到明顯征兆，破壞過程緩慢；第二類破壞指突發(fā)性破壞，破壞前無明顯征兆，結(jié)構(gòu)一旦失事難于彌補(bǔ)或修復(fù)。規(guī)范同時(shí)規(guī)定了建筑物的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期，這樣允許可靠度指標(biāo)也可以與以年計(jì)的允許風(fēng)險(xiǎn)建立關(guān)系。
失效概率P f 0.5 0.25 0.1 0.05 0.01 0.001 0.0001 0.00001
可靠度指標(biāo)β 0 0.47 1.28 1.65 2.33 3.1 3.72 4.25
表3 規(guī)范規(guī)定的持久結(jié)構(gòu)承載力允許可靠度設(shè)計(jì)指標(biāo)β
結(jié)構(gòu)安全級(jí)別 Ⅰ級(jí) Ⅱ級(jí) Ⅲ級(jí)
一類破壞 3.7 3.2 2.7
二類破壞 4.2 3.7 3.2
對(duì)于會(huì)造成較大人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失的天然斜坡及人工邊坡，當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)體為被動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)承受者時(shí)，我國(guó)邊坡以年計(jì)允許風(fēng)險(xiǎn)值應(yīng)在 10-5～10-6之間。如果風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)選用偏低，則邊坡工程的安全可靠度不足，存在安全隱患，且具有較高的風(fēng)險(xiǎn)度；而同時(shí)，如果標(biāo)準(zhǔn)選得太高，又難以實(shí)現(xiàn)應(yīng)有的合理經(jīng)濟(jì)收益預(yù)期，造成資源的浪費(fèi)。實(shí)質(zhì)上，邊坡工程風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)的取值，是在政治影響、經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境評(píng)價(jià)、個(gè)體價(jià)值與邊坡安全之間的反復(fù)權(quán)衡的結(jié)果。
3.2 預(yù)應(yīng)力ê索
預(yù)應(yīng)力ê索框架梁加固滑坡體，作為一種主動(dòng)加固方法，能調(diào)動(dòng)坡體自穩(wěn)能力，改變坡體的應(yīng)力狀況，且安全穩(wěn)定、美觀輕巧，綜合造價(jià)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益明顯，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)，在邊坡治理中有廣泛的應(yīng)用前途。ê索的ê固力直接改變了滑面上的應(yīng)力狀態(tài)和滑動(dòng)穩(wěn)定條件。如圖2ê索受力情況圖。
由預(yù)應(yīng)力ê索的ê固力所增加的抗滑阻力增量 為：
式中：Pt——ê索設(shè)計(jì)拉力值；
Ptn、Ptv—分別為Pt垂直于滑面方向的分力和沿滑面的分力；
α——滑動(dòng)面傾角；
β——ê索與水平方向的夾角；
φ——滑動(dòng)面的內(nèi)摩擦角。
由上式可知，預(yù)應(yīng)力ê索一方面可直接在滑面上產(chǎn)生抗滑阻力Ptv，另一方面可通過增大滑動(dòng)面上的正應(yīng)力來增大抗滑摩擦阻力�？傊�，預(yù)應(yīng)力ê索通過提高邊坡巖體的整體性和增加滑面上抗滑阻力來加固巖體，促使其穩(wěn)定。因此，應(yīng)針對(duì)滑坡的特點(diǎn)選取符合實(shí)際的滑帶處理方法，這對(duì)保證計(jì)算精度是十分必要的。目前，滑帶的有 3 種處理方式：
�。�1）滑動(dòng)帶厚度較大時(shí)，在有限元計(jì)算中將滑動(dòng)帶作為軟弱夾層來模擬滑坡的應(yīng)力狀態(tài)。
�。�2）滑動(dòng)帶厚度較小時(shí)，在有限元計(jì)算中將滑動(dòng)帶作為節(jié)理單元或接觸單元來模擬滑坡的應(yīng)力狀態(tài)。
（3）滑動(dòng)帶厚度非常小，在有限元計(jì)算中將滑動(dòng)帶作為單元界線來模擬滑坡的應(yīng)力狀態(tài)。
在實(shí)施高風(fēng)險(xiǎn)邊坡超前支護(hù)過程中，無支護(hù)邊坡穩(wěn)定性的超前判識(shí)，給定安全系數(shù)條件下高切坡所需要施加抗力荷載以及地震荷載下加固高切坡的動(dòng)力響應(yīng)問題是關(guān)系高切坡整治工程成敗關(guān)鍵。對(duì)于高切坡來說，預(yù)應(yīng)力ê索是整治Σ險(xiǎn)性巖質(zhì)高切坡最為有效的超前支護(hù)結(jié)構(gòu)。具體步驟：（1）給定切坡方式下無支護(hù)巖質(zhì)高切坡的穩(wěn)定性進(jìn)行超前診斷，如果通過判斷發(fā)現(xiàn)為Σ險(xiǎn)性邊坡，則在高切坡開挖前預(yù)先設(shè)置預(yù)應(yīng)力ê索；（2）在預(yù)應(yīng)力ê索施工達(dá)到并完成設(shè)計(jì)規(guī)定強(qiáng)度后再開挖邊坡，從而保證巖質(zhì)高切坡的整體穩(wěn)定性。顯然，高切坡穩(wěn)定性的超前判識(shí)，預(yù)應(yīng)力ê索與高切坡的共同作用分析，地震荷載下預(yù)應(yīng)力ê索加固高切坡的動(dòng)力響應(yīng)等關(guān)鍵科學(xué)問題的解決是關(guān)系預(yù)應(yīng)力ê索加固高切坡整治工程成敗的關(guān)鍵。
總之，邊坡工程風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警及風(fēng)險(xiǎn)處理分析相關(guān)概念在邊坡工程中的引入，為邊坡穩(wěn)定性分析提供了一條相對(duì)可靠的思·。風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警方法分析方法能夠克服安全系數(shù)法的不足之處，充分考慮到邊坡工程中的隨機(jī)性和不確定性，并以承認(rèn)存在結(jié)構(gòu)失衡的可能性為前提。
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