某巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性分析及防護(hù)設(shè)計(jì)

李鵬飛

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

隨著國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入逐步深入，山區(qū)高速公路的建設(shè)已成為當(dāng)前時(shí)期高速公路建設(shè)的主要戰(zhàn)場(chǎng)。橋隧比高是山區(qū)高速公路造價(jià)高的主要影響因素，為了合理降低橋隧比，減少高速公路投資，山區(qū)高速公路建設(shè)往往會(huì)出現(xiàn)大范圍的高填路堤和深挖路塹邊坡。這些高邊坡的穩(wěn)定與否對(duì)高速公路施工運(yùn)營(yíng)的安全性具有重要意義。巖層傾向與邊坡傾向基本一致的邊坡為順向坡，從以往的工程經(jīng)驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn)，順向坡失穩(wěn)破壞主要與地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)資料、地形地貌以及邊坡開(kāi)挖等有關(guān)。

1 工程概況

某在建高速公路是廣東省高速公路網(wǎng)規(guī)劃“九縱五橫兩環(huán)”之“第二橫”的重要組成部分，是珠三角通往粵西地區(qū)、西南地區(qū)以及大陸連通海南島的干線通道。采用四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)汽車荷載等級(jí)為公路-I級(jí)，設(shè)計(jì)速度100 km/h，路基寬度26 m。項(xiàng)目走廊帶地貌形態(tài)主要以低山丘陵和河谷平原侵蝕堆積地貌為主，其中低山丘陵區(qū)約為28 km，分布有51段路塹高邊坡，最高深挖路塹高度61.25 m。

K18+645—K18+860段左側(cè)深路塹高邊坡，線位中心最大挖深為28.47 m，左側(cè)最大邊坡高度61.25 m。線路從山體中部通過(guò)，左側(cè)邊坡對(duì)山體切削范圍大（參見(jiàn)圖1）。

圖1 邊坡平面總體布置圖

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

本路段地處構(gòu)造侵蝕低山丘陵區(qū)，地形起伏較大，坡體地面標(biāo)高約為95～140 m，自然坡角最大約為30°。山體植被茂密，生長(zhǎng)松樹(shù)、竹子及各種灌木、蕨類植物。

2.2 地層巖性

根據(jù)野外地質(zhì)調(diào)繪及鉆探資料成果，邊坡主要由坡積粉質(zhì)黏土和泥盆系老虎坳組全風(fēng)化-中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖組成。各巖土層分述如下（參見(jiàn)圖2）。

a）種植土 色雜，稍濕，稍密，含植物根系及礫石。

b）碎石土 褐黃色，稍濕，稍密，碎石為強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖，約占50%，含植物根系。γ=19.0 kN/m3，c=0.0 kPa，ψ=35.0°～38.0°。

c）全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖 黃褐色，全風(fēng)化，巖芯呈土狀，含泥較多。γ=19.5 kN/m3，c=18.0～26.0 kPa，ψ=22.0°～24.0°。

d）強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖 黃褐色—紅褐色，強(qiáng)風(fēng)化，泥質(zhì)膠結(jié)，層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯呈碎塊狀，夾大量土狀物。γ=20.0 kN/m3，c=20.0～28.0 kPa，ψ=24.0°～26.0°。

e）強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖 黃褐色—紅褐色，強(qiáng)風(fēng)化，泥質(zhì)膠結(jié)，層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯呈塊狀，局部 夾 短 柱 狀 。 γ=21.0 kN/m3，c=24.0 ～30.0 kPa，ψ=25.0°～28.0°。

f）中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖 黃褐色—紅褐色，中風(fēng)化，泥質(zhì)膠結(jié)，層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯呈短柱狀，局部破碎。

圖2 邊坡工程地質(zhì)剖面圖

2.3 地質(zhì)構(gòu)造、地震

項(xiàng)目區(qū)位于華南加里東褶皺系粵西隆起帶內(nèi)，大地構(gòu)造位置上處于四會(huì)-吳川斷褶帶中西段。在漫長(zhǎng)的地質(zhì)時(shí)期經(jīng)歷了多次和多種性質(zhì)的地殼運(yùn)動(dòng)，區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造多呈北東或近北東走向。根據(jù)邊坡專項(xiàng)地質(zhì)調(diào)繪成果，邊坡范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)有影響場(chǎng)地穩(wěn)定的不良地質(zhì)。

根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)峰值加速度區(qū)劃圖》（GB18306—2008），及《廣東省云浮至湛江高速公路工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告》，勘察區(qū)地震動(dòng)峰值加速度值為0.05g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35 s，抗震設(shè)防烈度為Ⅵ度。根據(jù)《公路工程抗震規(guī)范》中表8.2.1中所規(guī)定的路基抗震穩(wěn)定性驗(yàn)算的范圍，不驗(yàn)算該段路塹邊坡的地震穩(wěn)定性[1]。

2.4 水文地質(zhì)條件

2.4.1 地表水

該路段場(chǎng)區(qū)地勢(shì)較高且起伏較大，不利于地表水的賦存和集聚，僅在雨季伴隨雨水有短暫地表水流。

2.4.2 地下水

地下水主要類型為孔隙水及基巖裂隙水，大氣降水為其主要補(bǔ)給來(lái)源。前者主要賦存于第四系松散層中，孔隙含水量隨季節(jié)變化；后者賦存于巖石裂隙中，其透水性及富水性不均勻。地下水以側(cè)向滲流的形式向溝谷排泄或蒸發(fā)。

勘探期間鉆孔揭露地下水埋深較深，位于邊坡開(kāi)挖面中部。

3 邊坡穩(wěn)定性分析

線路從山體中部通過(guò)，左側(cè)邊坡切方大，山體巖層產(chǎn)狀 320∠45°，坡面為 302∠45°，視傾角為44.0°，順傾。根據(jù)邊坡地質(zhì)調(diào)繪和勘察結(jié)果，擬建邊坡上部巖層為粉質(zhì)黏土、碎石土，受雨水浸泡后易軟化，易沿強(qiáng)風(fēng)化巖節(jié)理裂隙面產(chǎn)生小型滑塌。巖層層面和邊坡坡面走向相近，坡面傾向相近，是順層邊坡。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)及該路段地質(zhì)鉆孔資料，邊坡按10 m分級(jí)，第一、第二級(jí)1∶0.75，第二、第三、第四、第五級(jí)1∶1，最上一級(jí)1∶1.25。李安洪等[2]針對(duì)順層巖質(zhì)路塹邊坡破壞模式及設(shè)計(jì)對(duì)策進(jìn)行了研究，當(dāng)邊坡傾角大于巖層傾角時(shí)，邊坡所發(fā)生的失穩(wěn)破壞模式為順層滑移破壞和順層滑移拉裂破壞。這類邊坡在開(kāi)挖后，坡體巖層有沿下伏軟弱層面向臨空面方向滑移的趨勢(shì)，當(dāng)軟弱層上覆巖體的下滑力超過(guò)軟弱層面可提供的抗剪阻力時(shí)，上覆巖體即向下滑移，一旦滑移體后緣出現(xiàn)拉裂面，將加速滑落，需采取必要的措施對(duì)邊坡體進(jìn)行加固。

利用EMU軟件對(duì)該邊坡開(kāi)挖后的穩(wěn)定性進(jìn)行分析驗(yàn)算（計(jì)算結(jié)果如圖3所示），正常工況（邊坡處于天然狀態(tài)下的工況）下安全系數(shù)K=1.25＜1.3，不滿足規(guī)范要求[3]，非正常工況（邊坡處于暴雨或連續(xù)降雨?duì)顟B(tài)下的工況）下安全系數(shù)K=1.14＜1.3，不滿足規(guī)范要求[3]。

圖3 邊坡開(kāi)挖穩(wěn)定性分析

邊坡選取K18+787斷面為控制性斷面進(jìn)行檢算，力學(xué)參數(shù)取值參考地勘報(bào)告試驗(yàn)值，并結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)確定，表1為設(shè)計(jì)指標(biāo)采用值。

表1 巖土層的設(shè)計(jì)力學(xué)參數(shù)建議值表

4 邊坡防護(hù)加固設(shè)計(jì)方案

路塹高邊坡是否穩(wěn)定與坡形坡率和加固防護(hù)方案的選擇密不可分，對(duì)于巖質(zhì)順傾邊坡，應(yīng)充分考慮邊坡巖體結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合地形地貌、地勘報(bào)告及水文資料合理選用坡形坡率和加固防護(hù)方案。為加固本處路塹高邊坡，宜采用邊開(kāi)挖邊利用錨桿格子梁、預(yù)應(yīng)力錨索格子梁配合客土噴播植草防護(hù)的方法。為了減小水對(duì)邊坡穩(wěn)定性的破壞，在邊坡坡腳處設(shè)置邊溝、路塹頂5 m外設(shè)截水溝、各級(jí)平臺(tái)處設(shè)置平臺(tái)排水溝等對(duì)地表水進(jìn)行引排處理；通過(guò)設(shè)置仰斜式排水管對(duì)地下水進(jìn)行引流處理。施工時(shí)須遵循從上至下的開(kāi)挖施工順序逐級(jí)開(kāi)挖、逐級(jí)防護(hù)，直至全部防護(hù)工程結(jié)束，確保坡體穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)安全。

4.1 邊坡分級(jí)與坡率選擇

路塹邊坡采用臺(tái)階式邊坡，上緩下陡，每10 m分一級(jí)，第一、第二級(jí)1∶0.75，第二、第三、第四、第五級(jí)1∶1，最上一級(jí)1∶1.25。第三級(jí)平臺(tái)寬12 m，其余各級(jí)邊坡平臺(tái)寬2 m。

4.2 邊坡防護(hù)加固

a）一級(jí) 采用錨桿格子梁植草防護(hù)，錨桿格子梁未覆蓋處均采用客土噴播植草防護(hù)。

b）二級(jí) 采用預(yù)應(yīng)力錨索格子梁植草防護(hù)，錨索格子梁未覆蓋處均采用客土噴播植草防護(hù)，單孔錨索采用4束，單孔設(shè)計(jì)錨固噸位500 kN，設(shè)計(jì)鎖定錨固噸位580 kN；錨索長(zhǎng)度L=28 m（其中錨固段10 m，自由段18 m），下傾角20°。

c）三級(jí) 采用客土噴播植草防護(hù)。

d）四級(jí) 采用預(yù)應(yīng)力錨索格子梁植草防護(hù)，錨索格子梁未覆蓋處均采用客土噴播植草防護(hù)，單孔錨索采用4束，單孔設(shè)計(jì)錨固噸位500 kN，設(shè)計(jì)鎖定錨固噸位580 kN；錨索長(zhǎng)度L=34 m（其中錨固段10 m，自由段24 m），下傾角20°。

e）五級(jí) 采用客土噴播植草防護(hù)。f）六級(jí) 采用人字型骨架植草防護(hù)。

4.3 排水設(shè)計(jì)

邊坡坡腳設(shè)置邊溝。左側(cè)路塹頂5 m外設(shè)M7.5漿砌片石截水溝，邊坡平臺(tái)處設(shè)置平臺(tái)排水溝，平臺(tái)排水溝采用C20預(yù)制塊，直角梯形斷面，底寬40 cm，深30 cm，平臺(tái)排水溝通過(guò)引流槽或急流槽將坡面水引至截水溝或邊溝。

在第一級(jí)及第三級(jí)邊坡高于碎落臺(tái)及第三級(jí)平臺(tái)30 cm上設(shè)置仰斜式排水管，水平間距10 m，排水孔徑130 mm，孔內(nèi)填充φ110硬塑透水管，里端采用兩層無(wú)紡布包封。

采用以上方案對(duì)該路塹高邊坡加固防護(hù)后，利用EMU軟件對(duì)該邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析驗(yàn)算（計(jì)算結(jié)果如圖4所示），正常工況下安全系數(shù)K=1.56＞1.3，滿足規(guī)范要求[3]，非正常工況下安全系數(shù)K=1.52＞1.3，滿足規(guī)范要求[3]。

圖4 邊坡加固穩(wěn)定性分析

5 結(jié)語(yǔ)

在施工期和運(yùn)營(yíng)期應(yīng)對(duì)路塹高邊坡進(jìn)行監(jiān)測(cè)。采用測(cè)斜管、錨桿錨索應(yīng)力計(jì)及位移樁等對(duì)邊坡的不穩(wěn)定范圍，移動(dòng)方向和速度以及地下水、爆破震動(dòng)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析、驗(yàn)證邊坡加固系統(tǒng)是否達(dá)到預(yù)期效果，并指導(dǎo)施工。

隨著高速公路建設(shè)逐漸走向山區(qū)，每個(gè)項(xiàng)目都有著不同形式的高邊坡需要進(jìn)行加固處理。順層巖質(zhì)高邊坡是最常見(jiàn)的一種易失穩(wěn)高邊坡，本文通過(guò)對(duì)某高速公路一處6級(jí)高邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，結(jié)合地質(zhì)勘探成果、水文地質(zhì)資料、地形地貌情況等，采用預(yù)應(yīng)力錨索配合植草防護(hù)加固技術(shù)對(duì)該高邊坡進(jìn)行加固防護(hù)設(shè)計(jì)。預(yù)應(yīng)力錨索加固邊坡施工方便、快捷，是改善巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的重要方法，可以大幅減少普通圬工邊坡防護(hù)的巨大工程量。采用EMU軟件進(jìn)行檢算后可以看出，采用預(yù)應(yīng)力錨索加固后，安全系數(shù)大幅提高，可有效保證邊坡的穩(wěn)定性。在施工過(guò)程中應(yīng)堅(jiān)持動(dòng)態(tài)化設(shè)計(jì)，信息化施工，通過(guò)科學(xué)合理的設(shè)計(jì)與施工，力求高邊坡的安全穩(wěn)定，保證高速公路的建設(shè)與運(yùn)營(yíng)安全。