摘 要：隨著工程實踐的開展，在越來越多的邊坡工程中發(fā)現(xiàn)，由于參數(shù)變異以及計算方法等的不同，對于邊坡安全系數(shù)的取值存在不確定性及對邊坡風險的機理認識不夠深入，邊坡風險預(yù)警及管理應(yīng)用仍處于初步階段。本文對邊坡工程的穩(wěn)定特性進行了分析，對邊坡工程風險的預(yù)警機制確立及其演進關(guān)系進行了探討，進而運用預(yù)應(yīng)力ê索確立了邊坡工程風險預(yù)警及處理策略。
關(guān)鍵詞：邊坡工程風險；預(yù)警判斷；超前支護；預(yù)應(yīng)力ê索
邊坡工程風險預(yù)警及處理是在對邊坡工程中存在的各種風險進行識別、估計和評價之后采取各種風險管理技術(shù)，權(quán)衡風險的大小，相應(yīng)采取風險處理和決策機制，期望對邊坡工程風險實施有效的檢測、控制和科學、及時處置，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 邊坡風險處理的意義
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，我國地質(zhì)條件而言，我國現(xiàn)有高陡邊坡存在抗震性能弱、耐久性差、風險度較高，邊坡工程區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害的成因機理，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性，非線性等特征。在邊坡工程實踐操作中，由于工程技術(shù)設(shè)計、施工人員δ考慮到邊坡特殊的工程地質(zhì)構(gòu)造和力學性質(zhì)或?qū)κ┕み吰碌男再|(zhì)產(chǎn)生錯誤的判斷與施工方式，甚至采取強加固措施造成浪費，如采用削坡卸荷、攔截排水、抗滑支擋及坡面防護等一系列措施�；蛘�δ意識到隱藏結(jié)構(gòu)面對邊坡穩(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，邊坡風險的預(yù)警及處理決策是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，它涉及經(jīng)濟、技術(shù)、環(huán)境及專家和決策者的個人素質(zhì)等綜合性因素。邊坡工程風險預(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)測預(yù)警研究是當今國際邊坡穩(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)，是一個伴隨一定的可預(yù)見性、可測試性的破壞而從量變到突變的漸進式發(fā)展過程。對邊坡進行周密監(jiān)測，適時了解坡體的穩(wěn)定性失衡狀態(tài)，基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的多源信息對邊坡狀態(tài)進行分析，并做出發(fā)展趨勢預(yù)測和長期評價，已成為邊坡穩(wěn)定性研究的一個重要方法。因此，加強邊坡穩(wěn)定性的檢測和監(jiān)測，并基于以上工作獲取的應(yīng)力、λ移等多源信息為基礎(chǔ)，進行預(yù)測預(yù)報，并依據(jù)滑動模式和變形破壞機理，判斷邊坡失衡的安全等級，進而構(gòu)建邊坡穩(wěn)定狀態(tài)的綜合預(yù)測方法與安全預(yù)警體系。
在實際風險處理過程中，邊坡風險預(yù)警及處理是一個系統(tǒng)工程與知識工程的耦合系統(tǒng)，其中涵蓋大量工程風險相關(guān)的定性、定量因素及風險經(jīng)驗和專業(yè)性專門知識。邊坡工程風險預(yù)警及處理對我國區(qū)域局部場地或區(qū)域進行邊坡災(zāi)害進行有效的風險管理，減少邊坡失事造成的生命及財產(chǎn)損失，都具有極為重要的現(xiàn)實意義。
2 邊坡工程風險的預(yù)警
邊坡工程風險的預(yù)警機制的建立主要依賴模糊綜合評價，也就是對受多種因素影響的事物做出全面評價的一種十分有效的多因素決策方法。模糊綜合評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，考慮與被評價事物相關(guān)的各個因素，對其作出合理的綜合評價。在總結(jié)影響邊坡預(yù)警判據(jù)的m個因素的基礎(chǔ)上，采用專家意見法給出ÿ個影響因素的權(quán)重，同時給出ÿ個因素對各個評價等級相應(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，求出模糊綜合評價集；依據(jù)最大隸屬度原則進行綜合評判，模糊綜合評判原理如下圖1：模糊綜合評判原理簡圖所示。在對邊坡風險識別、風險分析和評價后，當邊坡的風險水平不可接受時，就必須根據(jù)邊坡的風險程度進行處理，選擇風險決策對邊坡進行治理。
模糊綜合評判的具體步驟如下：
2.1 建立因素集和評價集
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）
進而定義邊坡預(yù)警判據(jù)修正級別集為V，共分n個級別，則評價級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)問題劃分的多級指標。
2.2 建立單因素模糊評判矩陣
根據(jù)具體策略的值數(shù)選用適合的隸屬函數(shù)，求出ÿ個因素對各個評價等級相應(yīng)的隸屬度，對單個因子價Uj（j=l，2，，，，m）作模糊評判，得到反映U和V的模糊關(guān)系單因素評判矩陣：
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為綜合評判矩陣，R中第i列反映的是被評對象的第i個因素對于評價集中各等級的隸屬度；第j行反映的是被評對象各因素分別取評價集中第j個等級的程度。
2.3 確定因子集的權(quán)矩陣
在建立單因素模糊評判矩陣基礎(chǔ)上，建立各因素的權(quán)重，并構(gòu)成一個模糊向量
Aj=（A1，A2，A3，…，AM） （J=1，2，3，…，m）
式中aj為第i個因素ui所對應(yīng)的權(quán)，歸一化條件為：
2.4 模糊綜合評判
當因素重要程度模糊集A和綜合評判矩陣（模糊關(guān)系）R已知時，通過R做模糊線性變換，把A變?yōu)樵u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算，即
bj=（a1∧※r1j）∨※（a2∧※r2j）∨※…∨※（am∧※rmj）（j=1，2，…，m）
這里“∧※”“表示廣義模糊“與”的運算，“∨※”表示廣義模糊“或”的運算。稱B為評語集V上的模糊綜合評價集，即bj（j=l，2，…，m）為等級（評語）vj對綜合評判所得模糊評價集B的隸屬程度。根據(jù)最大隸屬度原則，選擇模糊綜合評價集B=（b1， b2，b3，…，bn）中最大的bj所對應(yīng)的等級（評語）vj作為綜合評判的結(jié)果。 用上述方法建立的模型，只有其計算值與實測值的擬合以及預(yù)報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有復(fù)相關(guān)系數(shù)和標準差。通過對以上模糊綜合評判分析表明，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)。邊坡工程風險預(yù)報必須建立在深入研究其變形特點和形成機制的基礎(chǔ)上，利用定量判據(jù)指標，運用綜合信息預(yù)報方法對邊坡風險進行預(yù)測預(yù)報。
3 邊坡工程風險的處理及其策略
邊坡坡體介質(zhì)與預(yù)應(yīng)力ê固體間的耦合作用，對該類邊坡的預(yù)應(yīng)力ê固行為具有重要作用。隨著我國建設(shè)的發(fā)展，預(yù)應(yīng)力ê索框架在邊坡工程風險的處理中發(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 邊坡的允許風險標準
制定一個合適的允許風險，是運用預(yù)應(yīng)力ê索進行風險管理的重要前提性因素。在作邊坡失穩(wěn)風險評價即滑坡災(zāi)害風險評價時，需要有一套完整的標準幫助決策者對邊坡工程風險進行核心部λ的判斷，即風險的可接受度和控制方式。允許風險通常以ÿ年ÿ一個人被摧毀的概率來計算，一般以人員傷亡、經(jīng)濟損失以及社會環(huán)境價值損失來表征。邊坡允許風險水平應(yīng)該因地、因時而異的設(shè)立適當?shù)娘L險標準同時也涉及社會、政治、經(jīng)濟、工程技術(shù)、自然環(huán)境、文化背景等多種因素。對人員傷亡來說，目前主要采用 F（滑坡概率）—N（人員傷亡）準則法；對于經(jīng)濟損失，一般采用損益比（Cost-benefit Ratio）、不同年概率條件下的經(jīng)濟損失值等來表示。
我國可靠度設(shè)計規(guī)范對各種建筑物的允許可靠度指標作出了規(guī)定，如表2 ：可靠度指標和失效概率的關(guān)系所示。我國水利水電工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準規(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)一旦失事難于彌補或修復(fù)。規(guī)范同時規(guī)定了建筑物的設(shè)計基準期，這樣允許可靠度指標也可以與以年計的允許風險建立關(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)計指標β
結(jié)構(gòu)安全級別 Ⅰ級 Ⅱ級 Ⅲ級
一類破壞 3.7 3.2 2.7
二類破壞 4.2 3.7 3.2
對于會造成較大人員傷亡及財產(chǎn)損失的天然斜坡及人工邊坡，當風險體為被動風險承受者時，我國邊坡以年計允許風險值應(yīng)在 10-5～10-6之間。如果風險標準選用偏低，則邊坡工程的安全可靠度不足，存在安全隱患，且具有較高的風險度；而同時，如果標準選得太高，又難以實現(xiàn)應(yīng)有的合理經(jīng)濟收益預(yù)期，造成資源的浪費。實質(zhì)上，邊坡工程風險標準的取值，是在政治影響、經(jīng)濟效益、環(huán)境評價、個體價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，作為一種主動加固方法，能調(diào)動坡體自穩(wěn)能力，改變坡體的應(yīng)力狀況，且安全穩(wěn)定、美觀輕巧，綜合造價及社會經(jīng)濟效益明顯，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的支護結(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——滑動面傾角；
β——ê索與水平方向的夾角；
φ——滑動面的內(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面上的正應(yīng)力來增大抗滑摩擦阻力。總之，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)針對滑坡的特點選取符合實際的滑帶處理方法，這對保證計算精度是十分必要的。目前，滑帶的有 3 種處理方式：
�。�1）滑動帶厚度較大時，在有限元計算中將滑動帶作為軟弱夾層來模擬滑坡的應(yīng)力狀態(tài)。
�。�2）滑動帶厚度較小時，在有限元計算中將滑動帶作為節(jié)理單元或接觸單元來模擬滑坡的應(yīng)力狀態(tài)。
�。�3）滑動帶厚度非常小，在有限元計算中將滑動帶作為單元界線來模擬滑坡的應(yīng)力狀態(tài)。
在實施高風險邊坡超前支護過程中，無支護邊坡穩(wěn)定性的超前判識，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力響應(yīng)問題是關(guān)系高切坡整治工程成敗關(guān)鍵。對于高切坡來說，預(yù)應(yīng)力ê索是整治Σ險性巖質(zhì)高切坡最為有效的超前支護結(jié)構(gòu)。具體步驟：（1）給定切坡方式下無支護巖質(zhì)高切坡的穩(wěn)定性進行超前診斷，如果通過判斷發(fā)現(xiàn)為Σ險性邊坡，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索施工達到并完成設(shè)計規(guī)定強度后再開挖邊坡，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，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索加固高切坡的動力響應(yīng)等關(guān)鍵科學問題的解決是關(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，邊坡工程風險預(yù)警及風險處理分析相關(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可靠的思·。風險預(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性和不確定性，并以承認存在結(jié)構(gòu)失衡的可能性為前提。
參考文獻
[1] 唐亮.類土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析與工程應(yīng)用[D].華南理工大學，2010.
[2] 孫廣忠，姚寶魁.中國滑坡地質(zhì)災(zāi)害及其研究[J].中國巖石力學與工程學會地面巖石工程專業(yè)委員會，中國地質(zhì)學會工程地質(zhì)專業(yè)委員會編.中國典型滑坡[M].北京：科學出版社，1988.
[3] 李聰.邊坡變形與穩(wěn)定性演化預(yù)測預(yù)警方法研究[D].武漢大學， 2011.
[4] 徐俊齡.高速遠程滑坡研究現(xiàn)狀綜述[A].滑坡文集編委會.滑坡文集（第12集）[C].北京：中國鐵道出版社，1997.
[5] 張曉曦.邊坡工程穩(wěn)定性極限分析[D].西南交通大學，2011.
[6] 黃高峰，李宗利，牟聲遠.Hoek-Brown準則參數(shù)在邊坡工程中的敏感性分析[J].巖土力學，2009（7）.
