巖質公路邊坡防治設計及合理性評價

摘 要：為有效保障公路邊坡的安全運營，該文以某巖質公路邊坡為實例背景，先開展其防治措施設計，再通過層次分析法、專家法等構建邊坡防治的合理性評價模型，以分析防治措施準確性。分析結果表明，在邊坡基礎地質條件下，邊坡防治措施設計為坡面處理+格構錨桿，即先按照設計要求對邊坡進行開挖，并在完成坡面處理后，再進行格構錨桿施工，以實現坡面防治，并且采取防治措施進行計算和分析，驗證了各類措施是合理有效的；同時，通過邊坡防治措施的合理性評價，得到邊坡的合理性得分為85.62，對應等級為Ⅳ級，說明邊坡防治設計很好，能充分滿足防治要求，為類似工程施工積累了一定經驗。

關鍵詞：公路邊坡；防治設計；層次分析法；合理性評價

中圖分類號：U 213" " 文獻標志碼：A

在公路交通建設的快速發展過程中，受地形地貌條件限制，會形成較大規模的邊坡，且為保證其安全運營，開展其防治設計研究是十分必要的[1-2]。在以往研究過程中，鄭清松等[3]分析了復雜條件下的邊坡支護技術；彭韋等[4]研究了生態防護技術在公路邊坡中的應用效果；黃鋒等[5]評價了公路邊坡的支護穩定性。上述研究為公路邊坡防護提供了一定的指導思路，但均未系統性綜合開展公路邊坡防治設計及合理性評價，因此，仍可進一步擴展研究范圍。

綜合上述，該文以某巖質公路邊坡為實例背景，先開展其防治措施設計，再通過層次分析法、專家法等構建邊坡防治的合理性評價模型，以分析防治措施的準確性，旨在為類似項目積累經驗。

1 工程概況

1.1 基本信息

邊坡是由公路修建形成的，此公路為高速公路邊坡，隸屬廣西東部山嶺重丘區，設計速度為120km/h，停車視距為130m，曲線最小半徑為1000m，最大縱坡極限值為6%。

經公路修建，形成邊坡形態大致為“舌狀”（如圖1所示），縱向長度約80m，橫向寬度約200m，前、后緣高差近28m，屬人工高邊坡。

根據勘察成果，邊坡區具丘陵地貌，地形波動起伏較大，且區內地層相對較為單一，其中，地表主要是厚度為0.5m～1.0m的耕土層，巖性主要為粉質黏土，可塑～硬塑，局部含有角礫，含量一般少于10%，磨圓度相對較差，多為次棱角狀；下覆基巖主要為砂巖，強風化～中風化，淺部節理裂隙較發育，巖芯多為柱狀，局部為塊狀，完整性整體較好。

1.2 穩定性評價

結合前述邊坡穩定性定性評價及定量評價結果，得出邊坡整體均處于穩定狀態，但受風化暴露影響，地表巖體風化程度較高，如果不及時采取防治措施，就會存在局部失穩風險。因此，建議加快邊坡防治方案的落實，以確保安全。

1.3 邊坡變化趨勢及危害性預測

目前，受坡體巖性影響，如果不及時采取防治措施，在未來持續暴雨作用下，存在局部失穩可能，甚至巖體繼續風化后，可形成貫穿裂隙，造成大面積失穩。

如果該段邊坡失穩，主要威脅前側道路，威脅長度約200m，一旦發生失穩，易造成嚴重后果，因此，必須對該邊坡進行防治處理，以保障后續運營安全。

由于該邊坡的威脅對象是運營公路，危害性相對較大，因此采取防治治理措施是十分必要和較緊迫的。

2 邊坡防治設計

2.1 防治措施設計

在此邊坡基礎地質條件下，將邊坡防治措施設計為坡面處理+格構錨桿，即先按照設計要求對邊坡進行開挖，并在完成坡面處理后，再進行格構錨桿施工，以實現坡面防治，如圖2所示。

結合工程實際，此邊坡的坡面處理主要采用分級放坡處理。1）共計設計4級放坡，其中，一級邊坡位于最低端，坡率設計為1∶0.25，垂直高度10m；二級邊坡坡率設計為1∶1，垂直高度10m；三級邊坡坡率設計為1∶1，垂直高度10m；四級邊坡坡率設計為1∶1，垂直高度10m。2）格構錨桿。在坡面整理后，在整理完善的地表上做格構錨桿，其中，格構尺寸設計為2.5m×3.0m，其錨桿長度設計為13m，中部為1根直徑26mm的鋼筋，等級設計為HRB335級；格構梁設計為40cm×40cm，配置4根直徑22mm的鋼筋，其等級也為HRB335級，且其箍筋間距設計為30cm，所用鋼筋直徑為14mm。

在上述防治設計基礎上，再將必要防治建議介紹如下：由于剛進入雨季，降雨會進一步侵蝕坡體表面巖層，因此，開展該段邊坡防治處理的必要性顯著，且十分緊迫，建議盡快開展防治方案的制定及實施。根據現場調查可知，在邊坡各級馬道臨時設置的截排水溝中存在一定量的泥土淤積，一定程度上影響其排水，建議進行疏導，保證截排水順暢。由于坡體基巖的抗風化能力較差，遇水易軟化，建議采取必要措施，保證坡體基巖的完整性，避免形成貫穿裂隙。

2.2 防治措施計算分析

按照此邊坡防治思路，對坡面處理、格構錨桿的設計合理性進行計算分析。

2.2.1 坡面處理計算分析

當采取坡面處理后，再進一步利用圓弧法開展邊坡穩定性計算，坡面整理主要是為了保證邊坡穩定，其穩定系數Ks由邊坡所具的抵抗彎矩Mp與邊坡所具的下滑彎矩Ma的比值。

通過滑面搜索計算，最終得到邊坡最不利情況下的穩定系數Ks值為34.15，明顯大于規范規定的1.3，因此，判斷此邊坡在進行坡面處理后的穩定性是滿足規范要求的。

2.2.2 格構錨桿計算分析

根據格構設計尺寸，通過經典法算出單孔所需錨固力為711.62kN，因此，再對其設計進行合理性評價；一般來說，錨桿錨固力Pt如公式（1）所示。

Pt=F×（cos（α+β）+sin（α+β）tanφ）-1 （1）

式中：F為單孔所需錨固力的計算值；a為錨桿入射角度；β為錨固角；φ為錨固體與地層的摩擦角。

根據公式（1）計算，按照設計參數，計算得到單根錨桿的錨固力設計值為954.04kN，大于711.62kN，因此，滿足計算要求。

3 邊坡防治的合理性評價

3.1 合理性評價體系構建

結合工程實際，提出利用P×C法開展邊坡防治措施的合理性評價，其評價過程主要包括構建模型層次結構、評價指標的權值計算、評價指標的隸屬度計算及合理性等級劃分。

3.1.1 構建模型層次結構

結合文獻[6]研究成果，將邊坡防治的合理性評價模型劃分為3層，其一為目標層，主要為邊坡防治設計的合理性評價；其二為一級評價指標，即安全因素A1、工程進度因素A2及經濟因素A3；其三為二級評價指標，具體細分如下。1）安全因素A1。此一級指標再進一步劃分為3個二級指標，主要包括安全系數B1、位移因素B2及豎向應力B3。2）工程進度因素A2。此一級指標再進一步劃分為4個二級指標，主要包括棄土外運B4、機械準備B5、材料準備B6及施工速度B7。3）經濟因素A3。此一級指標再進一步劃分為2個二級指標，主要包括人工費用B8及機械費用B9。

綜上，邊坡防治設計的合理性評價模型如圖3所示。

3.1.2 評價指標的權值計算

根據以往研究[7]，提出利用1-9標度法計算各評價指標的權值。通過比較各評價指標的相對重要性來構建判斷矩陣，并進一步計算一致性指標CR，CR為判別指標CI與標度指標RI的比值。

當CR值小于0.1時，說明判斷矩陣滿足要求，反之進行調整；在判斷矩陣滿足要求前提下，判斷矩陣對應最大特征向量的歸一化值即為相應的權值。

3.1.3 評價指標的隸屬度計算

由于專家長期接觸工程實際，因此通過專家法計算各評價指標的隸屬度，此處要求專家是邊坡設計、施工行業的老專家，并具有高級職稱；當統計得到若干專家的隸屬度結果，將其均值作為最終的評價指標隸屬度。

3.1.4 合理性等級劃分

結合工程試驗，邊坡防治設計的合理性等級劃分為4級，各級標準如下。1）Ⅰ級。評分范圍為0～60分，相應合理性得分為55分，此時說明邊坡防治設計極不合理，不能滿足防治要求。2）Ⅱ級。評分范圍為60～70分，相應合理性得分為70分，此時說明邊坡防治設計一般，勉強能滿足防治要求。3）Ⅲ級。評分范圍為70～85分，相應合理性得分為85分，此時說明邊坡防治設計較好，基本能滿足防治要求。4）Ⅳ級。評分范圍為85～100分，相應合理性得分為95分，此時說明邊坡防治設計很好，能充分滿足防治要求。

3.2 合理性評價結果分析

首先，以B1～B3指標進行權值示例性分析，且通過分析，得到B1～B3指標的判斷矩陣，如公式（2）所示。

（2）

通過計算，得到此矩陣的CR值為0.036，滿足小于0.1的要求，通過了一致性檢驗，再計算得到B1～B3指標的權值依次為0.512、0.342及0.146。

首先，類比上述過程，對其他評價指標進行權值求解，結果見表1。

其次，收集24個專家的隸屬度評價結果，并對其進行均值計算，結果見表2。各評價指標在一級等級的隸屬度范圍為0.104～0.185，平均值為0.130；在二級等級的隸屬度范圍為0.139～0.284，平均值為0.216；在三級等級的隸屬度范圍為0.195～0.302，平均值為0.271；在四級等級的隸屬度范圍為0.333～0.454，平均值為0.383。

最后，基于表1和表2中的計算結果，開展各類評價指標的合理性得分。

3.2.1 二級指標的合理性得分

通過計算，得到9個二級評價指標的合理性得分結果見表3。二級指標的合理性得分為68.19～90.21，且按照合理性等級劃分標準，合理性等級為Ⅳ級的二級指標有3個，所占比例為33.33%；合理性等級為Ⅲ級的二級指標有5個，所占比例為55.56%；合理性等級為Ⅱ級的二級指標有1個，所占比例為11.11%。

3.2.2 一級指標的合理性得分

計算A1指標的合理性得分為86.23，合理性等級為Ⅳ級；A2指標的合理性得分為87.49，合理性等級為Ⅳ級；A3指標的合理性得分為81.05，合理性等級為Ⅲ級。

3.2.3 邊坡總體合理性得分

通過9個二級指標的權值及隸屬度計算得到3個一級指標的隸屬度，如公式（3）所示。

（3）

據表1可知，3個一級指標的權值向量如公式（4）所示。

K1=[0.396 0.403 0.228] （4）

通過一級指標的隸屬度向量和權值向量可計算得到其得分矩陣，如公式（5）所示。

U1=K1R1=[0.109 0.120 0.202 0.569] （5）

再進一步結合得分矩陣E=[55708595]T，進一步計算得到此邊坡防治設計的合理性得分F=U1E=85.62。

據3.1節標準，判斷此邊坡的合理性等級為Ⅳ級，說明邊坡防治設計很好，能充分滿足防治要求，充分驗證了第2節邊坡防治措施的合理性。

4 結語

通過巖質公路邊坡防治設計及合理性評價，結論主要如下。1）在邊坡基礎地質條件下，邊坡防治措施設計為坡面處理+格構錨桿，即先按照設計要求對邊坡進行開挖，并在完成坡面處理后，再進行格構錨桿施工，以實現坡面防治。同時，通過防治措施計算分析，驗證了各類措施是合理有效的。2）通過邊坡防治措施的合理性評價，得到邊坡的合理性等級為Ⅳ級，說明邊坡防治設計很好，能充分滿足防治要求。

參考文獻

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