王浩，梁涛

(福州大学环境与资源学院，福建福州350116)

沈海复线高速公路福鼎至柘荣段路堑高边坡风险分级研究

王浩，梁涛

(福州大学环境与资源学院，福建福州350116)

基于边坡工程地质分析原理及该区域边坡工程实践经验，采用层次分析法构筑一套边坡风险评估的指标体系及评分标准、风险等级评定依据、风险防控措施和串联各步骤的计算方法;依托MATLAB语言环境开发出集成风险指标体系构建、权重向量计算、风险分级计算统计与风险分级结果查看等4个界面的边坡风险分级软件RCSlope，并将其应用到沈海复线高速公路福鼎至柘荣段41例路堑高边坡风险等级划分及风险防控预案的制定.实例分析验证了该方法及程序的有效性.

路堑边坡;稳定性;风险分级;软件研发;风险防控

0 引言

上世纪90年代以来，滑坡或边坡的风险管理在国际上逐步引起重视，并取得阶段性的研究进展.国际滑坡与工程边坡联合技术委员会(JTC1)［1］、澳大利亚地质力学学会(AGS)［2］、香港特别行政区土力工程处(HKCEO)［3］等国际部分主流学术机构及组织陆续总结提出一系列滑坡风险管理计划或指南，规范滑坡风险管理的技术路线及流程;2005年温哥华国际滑坡风险管理会议提出的滑坡风险管理技术框架［4］对滑坡风险管理理论进行高度总结，并得到较为广泛的应用.基于上述研究背景，滑坡及边坡的风险评估及分级作为风险管理的基础性工作也取得相应进展.美国学者针对公路系统提出崩塌落石风险评估及分级系统(RHRS)，结合区域地质环境背景建立风险因子完成对象路段边坡风险评价及分级工作［5－6］.国内业界学者引入专家意见法(Delphi)、模糊层次法(Fuzzy AHP)、神经网络法(ANN)等理论对库岸边坡［7－8］及公路边坡［9－11］建立风险评定指标体系及模型，并应用于实际边坡工程案例，实现风险评定及区划，取得客观合理的结果.但较传统的滑坡灾害风险管理而言，路堑高边坡风险评估领域研究仍存在明显不足.

结合福建省山区公路高边坡建设的经验与教训，继承边坡工程理论成果和规范要求，研究并构建涵盖福建山区公路边坡风险特征的层次分析法评估指标体系，科学制定风险评定标准，形成一套完整的山区公路边坡风险分级方法，并依托MATLAB语言环境开发公路边坡风险分级软件RCSlope，对沈海复线高速公路福鼎至柘荣段41例路堑高边坡开展边坡风险评估及风险等级划分，遴选高风险个体边坡，并对结果进行分析讨论，为公路边坡风险防控提供指导.

1 公路边坡风险分级理论

1.1 公路边坡风险分级方法概述

层次分析法(analytic hierarchy process，简称AHP)是将与决策有关的因素分解成目标、准则和方案等层次，并对各种因素之间的关系深入分析及优劣次序排定，以进行定性和定量分析的决策方法.基于既有的层次分析法边坡风险管理研究成果，沿用作者总结提出的较为合理可行、过程衔接紧密的风险分级实施步骤［12］，即:①遴选边坡评估对象，并确定其工程特征;②识别评估对象的风险影响因子，构建风险评估指标体系;③依次确定相应评估指标的分值，并构建反应各指标重要程度的判断矩阵;④引入一致性数学检验并优化判断矩阵，以求算权重向量;⑤逐一计算各评估对象的风险评估总值，对照风险评定标准，完成风险等级划分.

由于在权重向量计算及风险分值评定过程中均涉及较为繁杂的矩阵运算，使得完成某个区段多个边坡风险分级工作的计算量大;基于所构建的路堑高边坡风险分级系统原理及实施步骤，开发出供决策者在Windows界面完成所有分级步骤的软件RCSlope.

1.2 公路边坡风险分级软件RCSlope简介

RCSlope软件以MATLAB语言环境为开发平台，契合路堑高边坡风险分级数据特点与计算要求，实现高效运算，并提供简洁、开放的界面设计环境.RCSlope软件主要由4个界面集成，各界面功能及执行逻辑如图1所示.

2 公路边坡风险分级系统

2.1 风险分级指标体系

根据福建山区高速公路边坡风险评估方法研究成果，构建一套适用于解决区域边坡问题的边坡风险分级指标体系［12］.所构建的公路边坡风险分级指标体系由地形条件、地质条件、气象水文、其他因素4类一级指标构成，各类一级指标下属4个二级指标，共16个二级指标，如图2所示.所构建的指标体系可描述公路边坡所有风险特征，且其内含指标本身和构建过程应体现风险定义易发性、危险性、易损性［1］;在体现边坡地质环境条件决定的的灾害发生概率的同时，考虑灾害特征、速率、范围和承灾体包括工程结构、邻近构筑物、人类活动对灾害的敏感性.

2.2 权重向量计算

根据各指标对风险分级对象边坡的影响程度相对大小判断，结合层次分析法重要性标度对图2中一级指标及各类二级指标构建两两重要性判断矩阵Mn×n(aij)，详见文献［12］.根据权重向量计算具体步骤如图3所示，由构建的判断矩阵通过规范列平均法计算特征向量，并通过一致性检验获取权重向量.通过公路边坡风险分级的专家调查、讨论，并经工程实践验证、调整和优化，计算得一级指标权重向量W1= (w1，w2，w3，w4)及各类二级指标权重向量W2(i)= (wi1，wi2，wi3，wi4)，(i=1～4).将一级指标权重因子乘以对应二级指标权重向量，得到的总体权重向量WT(1×16)=W1(i)·W2(i)，(i=1～4)，结果见表1.

表1 二级指标总体权重向量Tab.1Weights of indexes

2.3 风险分值评定标准

为提高风险分值评定效率，弱化分级决策者评分的主观随意性，基于边坡工程地质分析原理，综合已有的技术资料、拟定方案及专家经验，以易取性、继承性为原则，对不同状态相对于边坡稳定性的优劣性以百分制的方式界定风险分值.风险分值评定标准的建立需要对工程地质分析原理和区域边坡工程经验具有相当的把握，各指标状态分类依据既要符合相关规范，其个数又应恰当描述，符合工程实际的风险状态，以实现最终公路边坡风险区划为目标，具体风险分值评定标准参见表2.

表2 公路边坡风险分级指标评分标准Tab.2Index risk evaluation standard of high slope

2.4 风险分级与防控对策

通过查阅勘察资料、区域地质报告及现场地质调查等技术手段获取指标现有状态特征，参考评分标准，对16个风险分级二级指标进行分值评定，评定结果分值向量为Rs(1×16)，将总体权重向量乘以该分值向量即得边坡总风险值Ts，Ts=WT·Rs.根据区段内所有边坡总风险值分布，参考预期风险管理要求及对风险的接受程度，结合分级决策人员的理论及经验积累，对风险等级进行划分并提出对应防控措施.针对沈海复线高速公路福鼎段边坡实际条件，制定风险等级划分及风险防控措施如表3所示.

表3 风险分级及风险防控对策Tab.3Risk classification and prevention－control countermeasures

3 实例应用

3.1 工程概况

沈海复线高速公路福鼎至拓荣段位于闽东丘陵地区，岩体风化剧烈，节理裂隙发育.区域未见构造发育及明显不良地质作用，但线路地形复杂，近表开挖大多高陡，且宽度较大，线路切坡多形成节理岩石或二元结构边坡.场区属湿热多雨气候，地下水主要为赋存于中风化凝灰熔岩中的基岩裂隙水，地表径流条件一般.部分工点边坡低矮但地质条件较差，开挖植被破坏严重，部分开挖工点邻近桥梁、隧道等构筑物，开挖采用持续工程爆破，场地地震基本烈度为6度.线路部分穿越村落及城镇，对应工点毗邻重要构筑物或周边人类活动频繁.因此，该线路建造设计阶段极易造成重点灾害边坡的遴选疏漏，为规避该隐患，对其进行风险评定及风险等级区划显得尤为重要，故遴选该路段沿线41例路堑高边坡，例证本文提出的边坡风险分级方法及RCSlope程序的可行性与有效性，并指导边坡工程建设过程，实现对边坡风险的有效防控.

3.2 风险分级软件计算与统计

采用所构建的公路边坡风险分级系统对沿线41个公路路堑边坡进行指标状态提取，运用RCSlope软件完成指标录入、权重录入、分值评定录入及计算统计.软件分值评定操作界面示意见图4所示.对提取的风险分级各指标状态进行检查、核实，结合表3评价标准调整、确认评分，最终得沈海复线高速公路福鼎至柘荣段对应41例路堑边坡风险分级计算结果，详见图5所示.

风险分级结果显示，41例路堑高边坡中，风险分级为1～4级的边坡数量分别为2例(4.9%)、23例(56%)、14例(34%)、2例(4.9%)，详见表4所示.可见该段公路边坡多数属于风险二级、三级边坡，大多应参考表3在设计方案中适当采取边坡普通防护与支挡加固相结合的风险防控措施.

3.3 分级结果分析与讨论

选取表4所示的24号边坡(最高断面桩号K19+434，风险值=70.69)及12号边坡(最高断面桩号K11+450，风险值=47.46)，即评定为四级和一级风险等级的两个典型边坡，进行分级过程及结果分析，以说明风险分级系统的可行性与合理性，结合评分结果(表5)对两个边坡风险进行评定.

表4 边坡总风险值分布Fig.4Total risk score distribution of 41 slopes

表5 边坡指标风险评分Fig.5Index risk score of typical slopes

1)24号边坡:①该边坡开挖高度(A1)、开挖宽度(A2)、开挖坡脚(A3)分别为51 m、255 m、44°，评分取100分、100分、60分;②如图6所示，坡顶地形(A4)较陡，地下水位高度(C4)hw/h值高于1/2，风险值分别取90分、100分;③区段地质条件(B)较好，开挖后属节理岩石边坡，边坡岩土结构(B4)取低分为40;④如图7所示，工点前接桥梁，线路下方分布民房群、池塘、公路等，较为重要，故取邻近构筑物条件(D3)指标分值为70，附近开挖、爆破扰动不明显，D4评分取60.由表1权重结果可知，上述分析指标权值较大，为该边坡风险评定主控因素，即在上述主控因素的整体作用下，导致24号边坡风险值较高，属风险四级.

2)12号边坡:该边坡风险主控因素均有利于边坡稳定，风险分级各指标状态及评分具体为:①边坡开挖形成四级节理岩石边坡，如图8所示，高度(A1)为33 m，开挖宽度(A2)较小，为59 m，开挖坡角(A3)为42°，坡顶地形(A4)为反坡，对应指标风险值应相对取小，分别为60分、30分、60分、25分;②坡体为中风化凝灰熔岩，岩性坚硬密实，地质条件(B)各指标评分均取低值;③坡表植被发育，无汇水平台、径流条件较好，植被覆盖与地表径流条件(C2)指标评分取50分.④如图9所示，12号边坡远离乡镇，邻近无重要构筑物及人类活动，其邻近构筑物条件及人类活动频繁程度(D3、D4)取低分，分别为40分、30分.虽然边坡开挖遇雨期，地下水位较高(C4＞1/2)，相应指标分值较高，但在上述4类风险主控因素共同作用下，该边坡仍属于风险一级边坡，其稳定性状态较好.

通过上述两个典型公路边坡的风险分级过程分析可知，边坡稳定性受多因素影响，如何构建风险评价指标系统，并对风险等级进行合理量化评定、区划并提出有效地风险防控措施，需要建立科学的风险评估方法来实现.由于对41例边坡根据其风险等级均采取适当的风险防控措施，对后期边坡风险管理提供有效指导，印证所提出的公路边坡风险分级系统具有一定科学性及实用性.

4 结语

1)基于边坡工程地质分析原理及区域边坡工程实践经验，采用层次分析法构筑一套边坡风险评估的指标体系及评分标准、风险等级评定依据、风险防控措施和串联各步骤的计算算法，并依托MATLAB语言环境开发出集成风险指标体系构建、权重向量计算、风险分级计算统计与风险分级结果查看等4个界面的边坡风险分级软件RCSlope.

2)采用该边坡风险分级方法及软件，考虑地形困难、地质复杂、降雨充沛及环境敏感等影响边坡稳定性多种因素的综合作用效应，采用层次分析法将该路段边坡划分为四个风险等级，指出边坡多数处于二级或三级风险状态，并遴选出两例评定为四级风险状态的疑难高边坡工点，为高边坡的勘察设计、施工建造和运营养护等阶段的风险监测及防控提供依据.

3)山区公路边坡风险分级系统主要包括风险分级指标体系、风险分值评定标准、风险等级划分与防控措施以及穿插各步骤的AHP算法，方法核心在于前三者，其合理性及可行性通过本工程实例应用得到有效例证，在类似区域的山区建设高速公路，经适当调整，该系统均能指导公路边坡风险区划，并提供风险防控决策依据.

4)公路边坡风险分级软件有效且系统地串联了整个公路边坡风险分级工作，规避繁杂的人工计算，提高风险分级的计算效率及准确性，具有一定的工程应用价值.

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［7］温世亿，李建林，杨学堂，等.卸荷高边坡稳定性分析的多级模糊综合评判［J］.岩土力学，2006，27(11):2 041－2 044.

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［11］曾胜，胡甜，赵健，等.基于Fuzzy－AHP的堆积体边坡稳定性评价研究［J］.工程地质学报，2012，20(6):926－933.

［12］王浩，林一夫，梁涛，等.福建山区高速公路路堑高边坡风险分级方法研究［J］.工程地质学报，2016，24(4): 492－500.

(责任编辑:蒋培玉)

Research on risk classification for cutting slopes of Shenhai highway from Fuding to Zherong

WANG Hao，LIANG Tao
(College of Environment and Resources，Fuzhou University，Fuzhou，Fujian 350116，China)

A method system which consists of risk assessment indexes and risk scoring criterion，classification of risk and preventive measures，connecting algorithm was established based on the principles of engineering geological analysis and practice experiences on slope engineering.The highway slope risk classification software(RCSlope)which is composed of main interface，weights assign interface，risk scoring interface，results display interface was developed.Finally，the method system and RCSlope were applied to complete all the procedures of risk assessment and classification of the 41 highway cutting slopes along Shenhai highway from Fuding to Zherong.Consequently the successful application proved the effectiveness of the method system and software.

cutting slope;stability;risk classification;software development;risk prevention control

TU42

A

10.7631/issn.1000－2243.2016.06.0849

1000－2243(2016)06－0849－07

2015－09－21

王浩(1978－)，博士，副教授，从事工程地质与岩土工程方面的研究，h_wang@126.com

福建省自然科学基金资助项目(2013J01159);交通运输部建设科技项目(201331849A130);福建省交通运输科技发展项目(201242)