山區(qū)高速公路差異風(fēng)化邊坡工程滑坡治理研究

曹正 CAO Zheng；雷天 LEI Tian；保石才 BAO Shi-cai；魏棟梁 WEI Dong-liang

（①云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，昆明 650031；②長安大學(xué)公路學(xué)院，西安 710061）

（①Broadvision Engineering Consultants，Kunming 650031，China；②Highway Institute of Chang'an University，Xi'an 710061，China）

0 引言

滑坡是指斜坡上的巖土沿坡內(nèi)一定的軟弱帶（面）作整體地向前向下移動(dòng)的現(xiàn)象[1]。自然坡體在開挖卸載后，坡體應(yīng)力得以釋放，坡體穩(wěn)定性下降，在不利情況如強(qiáng)降雨等因素誘發(fā)下，容易產(chǎn)生工程滑坡，山區(qū)高速公路建設(shè)中經(jīng)常遇到此類情況[2]。近年來，我國公路建設(shè)有了較快發(fā)展，尤其是隨著高速公路向山區(qū)的延伸，公路建設(shè)中遇到的高邊坡與滑坡、長大埋深隧道等復(fù)雜艱險(xiǎn)的工程地質(zhì)問題也越來越多[3]。并且山區(qū)特殊的地形和地質(zhì)環(huán)境，高邊坡開挖很容易引起邊坡變形導(dǎo)致滑坡等災(zāi)害的發(fā)生，既會(huì)增加工程投資延誤工期，還會(huì)給運(yùn)營安全留下隱患[4]。因此，山區(qū)高速高速公路建設(shè)中出現(xiàn)的高邊坡與工程滑坡等病害，也越來越受到交通主管部門及建設(shè)單位的重視。針對這種情況，如何根據(jù)實(shí)際的邊坡工程地質(zhì)情況，選用合理的方法靈活治理滑坡以保證邊坡穩(wěn)定，已成為山區(qū)高速公路建設(shè)中的重點(diǎn)工作。

以云南省保山至騰沖高速公路K8+920～K9+160段高邊坡工程滑坡治理為例，通過數(shù)理建模完成滑坡穩(wěn)定性分析，依據(jù)現(xiàn)場勘察和滑坡狀況，提出了針對該路段同種巖性、不同風(fēng)化程度和表征狀態(tài)的工程滑坡處理方案，并取得了理想的治理效果，為山區(qū)高速公路滑坡的類似治理工程提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和參考比較。

1 工程概況

云南省保山至騰沖高速公路（以下簡稱保騰高速公路）K8+920～K9+160段位于云南省保山市龍陵縣龍江鄉(xiāng)境內(nèi)，為深挖路塹地段，全長240米，中樁最大挖深34.56m，路線走向328°。該段處于深切割高中山陡坡地貌區(qū)，海拔1830～1860，自然邊坡陡峻，沖溝較發(fā)育，山脊平緩，地質(zhì)作用以構(gòu)造剝蝕作用為主。該深挖段因不良工程地質(zhì)情況及施工開挖擾動(dòng)坡體等原因，曾多次發(fā)生滑塌，且該段由于邊坡土質(zhì)風(fēng)化程度差異較大而發(fā)生了沿不規(guī)則風(fēng)化界面和層面下的錯(cuò)動(dòng)以及滑移，需要及時(shí)采取加固措施進(jìn)行治理。

1.1 滑動(dòng)歷史及發(fā)展過程

保騰高速公路K8+920～K9+160右側(cè)深挖路段原設(shè)計(jì)邊坡為自下而上第1、2級坡比1:0.5，第3級以上坡比1:0.75，分別采用錨桿（索）框格梁防護(hù)。施工后該邊坡K8+900～K9+012段曾發(fā)生小型淺層土質(zhì)滑坡，滑體由坡面?zhèn)认蜓厝珡?qiáng)風(fēng)化分界線滑動(dòng)，經(jīng)清方減載及剪出口反壓后基本穩(wěn)定。其后高邊坡路段上部邊坡前期施工完畢，2011年3月開始下部第1、2級邊坡開挖及防護(hù)工作，實(shí)施過程中第2級邊坡發(fā)生局部碎落坍塌，采用漿砌片石填補(bǔ)，2011年4月該段落2級邊坡K9+035～K9+123坡體發(fā)生局部滑移，第3級已施工框格梁下挫約5cm，并沿2級邊坡梁體下部形成深約2米寬窄不等裂縫，同時(shí)坡頂外側(cè)K9+040～K9+090段形成兩道裂縫，其中一條最大寬度10cm裂縫，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)問題后及時(shí)停工，對發(fā)現(xiàn)裂縫進(jìn)行灌漿封閉，外側(cè)設(shè)置臨時(shí)截水溝，下部開挖土體回填處理，并予以長期監(jiān)測。其后在進(jìn)行滑坡專項(xiàng)勘察及方案設(shè)計(jì)過程中，該地區(qū)連續(xù)降雨，第5、6級邊坡于6月再次發(fā)生坍塌，且邊坡土體散落，坡頂原裂縫外緣再次發(fā)現(xiàn)同向裂縫，同時(shí)第2級邊坡K8+980～K9+020段框格梁出現(xiàn)變形斷裂，部分錨固節(jié)點(diǎn)破壞，判斷該滑坡有進(jìn)一步發(fā)展跡象。因此需立即進(jìn)行坡體抗滑工程治理，減小發(fā)生次生滑坡災(zāi)害的可能，保證周邊坡體安全，減小工程損失。

1.2 滑坡工程地質(zhì)特征及形成機(jī)制 保騰高速公路路線K8+920～K9+160段為深挖明槽，右側(cè)最大邊坡高度近50m，右側(cè)最大邊坡高度20m，山體自然橫坡較陡，坡體巖性為全～中風(fēng)化花崗片麻巖為主，上覆3～8m不等厚粘土層；地下水類型主要為松散巖類孔隙水、基巖裂隙水。通過現(xiàn)場勘察及觀測，發(fā)現(xiàn)該路段整體富水，在K9+010位置附近開挖后長期有小股水流排出，連續(xù)晴天手觸其它開挖裸露巖面，亦為潮濕狀態(tài)，因巖體風(fēng)化程度差異較大，原工程地質(zhì)勘察資料未能完全揭示出風(fēng)化分界段落。邊坡內(nèi)部隨著雨水不斷滲入全風(fēng)化類土質(zhì)巖層會(huì)導(dǎo)致土體容重過大，多余水體不斷富集軟化片麻巖風(fēng)化界面引起其抗剪強(qiáng)度大大降低，因此施工期的連續(xù)降雨是滑坡范圍和規(guī)模不斷擴(kuò)大的誘因之一。

該深挖路段不良的地質(zhì)條件，以及施工過快開挖導(dǎo)致山體應(yīng)力集中釋放，也是滑坡規(guī)模不斷擴(kuò)大和加劇的主要原因。該段第四系覆蓋層較厚，自然狀態(tài)下坡體穩(wěn)定，但路線開挖后形成高邊坡，使坡腳地帶形成了高陡的臨空面，破壞了邊坡土體的原有平衡狀態(tài)，降低了坡體的抗滑能力[5～6]。同時(shí)，提供邊坡變形空間，在防護(hù)加固工程未來得及實(shí)施的情況下，由前部向后牽引形成滑動(dòng)，導(dǎo)致坡頂開裂、邊坡失穩(wěn)。另外，可塑～硬塑亞粘土具高孔隙比、遇水易軟化、崩解的特點(diǎn)，受暴雨沖刷下土體抗剪強(qiáng)度迅速降低，極易引起邊坡滑塌。同時(shí)，由于基巖風(fēng)化強(qiáng)烈，路線設(shè)計(jì)標(biāo)高以上為全～強(qiáng)風(fēng)化巖石，巖質(zhì)松軟，具遇水易軟化特點(diǎn)，對邊坡穩(wěn)定不利。強(qiáng)風(fēng)化片麻巖節(jié)理發(fā)育，巖石破碎，夾石英脈，局部相變?yōu)榛◢徠閹r。片麻巖屬軟質(zhì)巖類，開挖暴露后易軟化、風(fēng)化剝落，對邊坡穩(wěn)定不利。

此外，野外工程地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，巖石片理產(chǎn)狀255°∠35°，共發(fā)育三組節(jié)理，分別為①330°∠61°，節(jié)理面平直，無充填物，延伸大于2米；②23°∠74°，節(jié)理面略呈弧形，無充填物；③230°∠76°，密度大于20條/米，節(jié)理面平直。這三組節(jié)理將巖石切割成碎石狀，其中第③組為順坡向，密度大，對邊坡穩(wěn)定影響極大，也為滑坡形成提供了條件。

根據(jù)專業(yè)人員現(xiàn)場多次勘察，確定該路段不良地質(zhì)為復(fù)合型花崗巖坡體巖土滑坡，按風(fēng)化程度共分為三種不同巖性：位于邊坡兩側(cè)低矮邊坡為全風(fēng)化花崗巖段，與覆蓋層粘土混合，呈灰白及褐紅色土質(zhì)顆粒狀，該段落滑動(dòng)面主要產(chǎn)生于富水的風(fēng)化層分界面上，易形成小型滑坡，在其帶動(dòng)牽引下對坡面整體穩(wěn)定會(huì)產(chǎn)生一定影響；深挖邊坡中部為中風(fēng)化花崗巖地段，節(jié)理裂隙發(fā)育，且部分段落原狀節(jié)理層面外傾，不利于邊坡穩(wěn)定。目前該段二級邊坡施工后錨固已起到一定作用，但受上部荷載、巖性層狀、巖體裂隙水、開挖臨空面等綜合不利條件影響，二級邊坡框格梁底部塊狀巖體被擠出，局部下挫，內(nèi)部形成擠壓裂縫，坡頂產(chǎn)生張拉裂縫，設(shè)計(jì)前期又再次發(fā)生垮塌，因此該段需加強(qiáng)錨固，支擋措施方能保證穩(wěn)定；上述兩層中間為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖巖性段落，分界不甚明顯，但巖質(zhì)較為均勻，目前施工中一級邊坡僅該類型巖層段落已予以錨固鎖定且未發(fā)生破壞，但不排除因兩側(cè)滑坡引起牽引滑動(dòng)的可能，已適當(dāng)延伸處治范圍，力求防護(hù)處治一步到位，盡量消除不安全隱患，節(jié)約工程造價(jià)。

圖2 強(qiáng)～中風(fēng)化片麻巖高邊坡垮塌段

圖3 全風(fēng)化片麻巖矮坡反壓段

1.3 滑坡穩(wěn)定性分析 該滑坡段由于巖土風(fēng)化程度的不同主要分為兩段，K8+921.74～K8+984.09段為全風(fēng)化花崗巖土質(zhì)邊坡滑坡，長85m，寬96m，上覆3～12米不等厚粘土層；K8+984.09～K9+160段為中風(fēng)化花崗巖類土質(zhì)邊坡，長110m，寬60m，上覆3～8m不等厚粘土層。為確定合適的滑坡治理方案，采用有限元軟件Midas/GTS對該邊坡在自身荷載作用下位移及應(yīng)變情況進(jìn)行了模擬，對原坡體在天然狀態(tài)下的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，以確定在目前已有的防治措施基礎(chǔ)上還需增加的加固措施。Midas/GTS是針對巖土工程而開發(fā)的有限元軟件，該軟件具有簡潔的界面、前后處理功能強(qiáng)大的巖土材料模型庫，能滿足大部分巖土體的破壞模式，因此用此軟件對邊坡工程的建立三維數(shù)值模型，比較接近真實(shí)情況，且計(jì)算結(jié)果相對安全[7～8]。

1.3.1 參數(shù)選擇 本次模型計(jì)算主要采用的物理力學(xué)參數(shù)為巖土體的容重（γ）、彈性模量（E）、泊松比（μ）、粘聚力（C）和內(nèi)摩擦角（φ）。經(jīng)過現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查和測繪、鉆探、原位測試以及室內(nèi)試驗(yàn)，結(jié)合場地邊坡工程地質(zhì)條件及地方經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮選取了巖土體的物理力學(xué)參數(shù)如表1。

1.3.2 模型建立及結(jié)果分析 邊坡巖土體的本構(gòu)模型采用修正莫爾-庫侖模型，是在莫爾-庫侖模型基礎(chǔ)上改善的，用于邊坡的材料本構(gòu)模型。模型采用實(shí)體單元中的高階單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，在上部加密網(wǎng)格尺寸，有利于提高有限元計(jì)算結(jié)果的精確度。模型的力學(xué)邊界條件采用前后（y方向）、左右（x方向）、底面（x、y、z方向）約束。

表1 計(jì)算采用的物理力學(xué)參數(shù)

該邊坡模型的穩(wěn)定性計(jì)算僅考慮在不采取任何防治措施的天然條件下的滑動(dòng)趨勢。模型計(jì)算結(jié)果由水平方向位移云圖、總位移云圖以及最大剪應(yīng)變云圖表示。但由于該邊坡巖層沿走向方向相對均勻，變化規(guī)律基本一致，為更清楚地顯示邊坡的位移變形規(guī)律，采用X-Z剖斷面相關(guān)云圖來進(jìn)行分析邊坡穩(wěn)定性。

圖4 天然狀態(tài)下X-Z剖斷面總位移云圖（變形前）

圖5 天然狀態(tài)下X-Z剖斷面總位移云圖（變形后）

計(jì)算得到該邊坡在天然狀態(tài)下的安全系數(shù)為0.1625，即該處挖方邊坡由于坡度過陡及在自身重量作用下穩(wěn)定性很差，處于隨時(shí)可能滑動(dòng)的狀態(tài)。且分析該滑坡段的位移變形圖，也可以看出其在邊坡下部位移較大，因此在目前已有的處治措施基礎(chǔ)上，應(yīng)該加強(qiáng)對邊坡底部的防護(hù)加固，采取必要的抗滑支擋工程。

2 滑坡治理

針對該段邊坡由于風(fēng)化程度差異較大而產(chǎn)生的沿不規(guī)則風(fēng)化界面及層面下的錯(cuò)動(dòng)滑移，本工程采用了兩種現(xiàn)場處置措施相結(jié)合的方法，即在巖質(zhì)滑動(dòng)及開裂路段設(shè)置樁間錨桿擋墻，而對全風(fēng)化類土質(zhì)邊坡采用樁間擋土板進(jìn)行加固處理，另外為了減弱邊坡受雨水及巖隙水的影響，采取相應(yīng)的內(nèi)外部排水措施，以期取得所需的治理效果。

2.1 主要工程措施

2.1.1 抗滑樁+擋土板 抗滑樁一般應(yīng)設(shè)在滑坡前緣抗滑段滑體較薄處，以便充分利用抗滑段的抗滑力，減小作用在樁上的滑坡推力，減小樁的截面和埋深，降低工程造價(jià)，并應(yīng)垂直于滑坡的主滑方向成排布置?；轮卫砉こ讨校L(fēng)化花崗巖及已進(jìn)行清坍的矮邊坡段，由于前期削方減載和前端反壓措施效果良好，經(jīng)觀測和計(jì)算已基本處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，采取適當(dāng)清除松散滑坡土體，并以小樁徑1.5×2.0抗滑樁，樁間設(shè)高度1米的預(yù)制鋼筋砼擋土板進(jìn)行支擋方式處理。

圖6 K8+940處滑坡綜合治理圖（抗滑樁+抗滑擋土板）

2.1.2 抗滑樁+樁間抗滑擋墻 抗滑擋土墻一般為重力式擋土墻，以其重量與地基的摩擦阻力抵抗滑坡推力。其布設(shè)位置一般是放在滑坡前緣出口處，充分利用滑坡抗滑段的抗滑力以減少擋墻的截面尺寸[9]?；轮卫碇嗅槍?qiáng)～中風(fēng)化花崗巖段采用抗滑樁與樁間抗滑擋墻相結(jié)合的治理方法，對該段用樁徑2×2.5的抗滑樁處理，又由于該滑坡滑面較淺，大部分剪出口在原公路路面以上，且基巖或碎石土層埋深均較淺，在保證工程安全的前提下，決定在抗滑樁間設(shè)抗滑擋土，即樁間采用仰斜式C20現(xiàn)澆片石砼抗滑擋墻進(jìn)行支擋，以防止滑坡進(jìn)一步發(fā)展及樁間體積較大的風(fēng)化石塊開裂擠出。

圖7 K9+020處滑坡綜合治理圖（抗滑樁+抗滑擋墻）

2.1.3 排水措施 為有效排除地表水對滑坡穩(wěn)定性的影響，設(shè)計(jì)中在邊坡平臺裸露部分用混凝土封面并采用向外側(cè)的排水橫坡，在滑坡后壁設(shè)置了塹頂截水溝，通過急流槽將水導(dǎo)入邊溝中，再經(jīng)邊溝入涵洞排出滑坡體外。坡體內(nèi)部采用外壁打孔土工布反包的PVC管式疏干孔排引坡體水，實(shí)際施工根據(jù)現(xiàn)有出水點(diǎn)及風(fēng)化界面進(jìn)行布設(shè)，并通過平臺排水溝及樁外邊溝引水至滑坡體外部。

2.2 具體處治措施及工序 根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際及會(huì)議紀(jì)要意見，經(jīng)過設(shè)計(jì)人員會(huì)同業(yè)主、施工方及監(jiān)理方現(xiàn)場查勘后確定具體處治措施及工序如下：

①上部第5、6級邊坡清方減載，平臺寬度6m，坡比1：1.5，全坡面外側(cè)設(shè)置梯形塹頂截水溝。第2級邊坡框格內(nèi)部打入長度8m仰斜式疏干孔，水平間距10.2m，垂直間距2.5m，品字形布置，第1級邊坡K9+010附近布置5根并做好排水通道與護(hù)面墻內(nèi)部排出。K8+940～K8+980矮坡段坡體沿風(fēng)化界面打入長度8m的疏干孔排引坡體水，并設(shè)置排水溝引水至坡體外側(cè)。

②清方荷載反壓至現(xiàn)狀路槽，高度約5m；清除K9+044.5～K9+085.5段新增滑坡土體至原狀土層。

③現(xiàn)場發(fā)生張裂及破壞坡段框格內(nèi)部增設(shè)點(diǎn)錨加強(qiáng)錨固，并適當(dāng)布設(shè)疏干孔排除邊坡內(nèi)部水體。

④路線右側(cè)第一臺邊坡平臺外緣設(shè)置樁板墻，強(qiáng)～中風(fēng)化花崗巖段為樁徑2×2.5抗滑樁處理，樁中心間距5.5m，樁間采用仰斜式C20現(xiàn)澆片石砼抗滑擋墻支擋；全風(fēng)化花崗巖及已進(jìn)行清坍的矮邊坡段為樁徑1.5×2.0抗滑樁處理，樁中心間距5.5m，樁間設(shè)高度1m的預(yù)制鋼筋砼擋土板支擋?？够瑯犊傞L16m，其中外露高度5m。

⑤跳槽清理K9+060～K9+120段碎裂巖體，完成樁間抗滑擋墻及擋板施工，并按順序及時(shí)采用漿砌片石充填空洞部分。

⑥理順排水系統(tǒng)，邊坡平臺裸露部分采用5cm厚C15砼封面并設(shè)置向外側(cè)3%的排水橫坡。

圖8 邊坡處治完工后全景圖

3 結(jié)語

保騰高速公路K8+920～K9+160段滑坡工程地質(zhì)條件差，第四系覆蓋層較厚，土體松散，力學(xué)強(qiáng)度低，軟化系數(shù)小，遇水易軟化失穩(wěn)[10]。同時(shí)，不同風(fēng)化程度的花崗巖導(dǎo)致坡體沿不規(guī)則風(fēng)化界面下及層面的錯(cuò)動(dòng)滑移使得滑坡情況更為復(fù)雜。路線開挖后高邊坡坡腳地帶形成了高陡的臨空面，在較長降雨期內(nèi)，使得該段滑坡多次發(fā)生滑動(dòng)且規(guī)模一再擴(kuò)大。

特殊的地質(zhì)條件決定該段邊坡無論高差大小，在各不利因素的共同作用下，只要形成了臨空面和滑動(dòng)帶，就必然會(huì)向工程邊坡坍塌和滑坡不斷發(fā)展的活動(dòng)特征。根據(jù)其形成機(jī)理，通過對工程開挖后形成的滑坡體工程地質(zhì)、風(fēng)化程度和現(xiàn)場狀況的綜合分析評價(jià)，本路段分別采用抗滑樁+擋土板和抗滑樁+抗滑擋墻的工程措施，輔以錨固、綜合排水等措施而擬定的工程滑坡治理方案，經(jīng)工程實(shí)踐檢驗(yàn)取得了良好的效果，為類似工程的前期地質(zhì)病害預(yù)判和各階段方案研究及設(shè)計(jì)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

[1]孫英勛.云南山區(qū)高速公路滑坡治理研究[J].公路交通科技，2005，22（4）：49-52.

[2]王忠華，李相依.泉三高速公路LK10滑坡治理技術(shù)方案研究[J].公路，2010(4)：48-54.

[3]章勇武，馬慧民.山區(qū)高速公路滑坡與高邊坡病害防治技術(shù)實(shí)踐[M].人民交通出版社，2007.

[4]鄭穎人，陳祖煜.邊坡與滑坡工程治理[M].人民交通出版社，2010.

[5]李慧青.金斗山滑坡治理施工方案[J].路線/路基，2009(12)：20-23.

[6]王明學(xué)，李胡杰.四川九寨環(huán)線銅匠溝滑坡智力設(shè)計(jì)與施工[J].中國地質(zhì)再喊與防治學(xué)報(bào)，2004(15)：74-76.

[7]帥紅巖，韓文喜，趙晉乾.Midas/GTS軟件在邊坡三維穩(wěn)定分析中的應(yīng)用[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，2009，20（3）：104-107.

[8]鐘志輝，劉祚秋，楊光華，張玉成.基于Midas/GTS的FLAC3D邊坡建模技術(shù)及工程應(yīng)用[J].西北地震學(xué)報(bào)，2011，33：261-265.

[9]祁寧.云南省 S224 線 K14+460～+600 段滑坡治理[J].公路交通科技，2006(3)：74-75.

[10]朱平生.云南大保高速公路K399滑坡活動(dòng)特征及治理設(shè)計(jì)[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，2012，13（4）：28-32.