巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析及生態(tài)防護(hù)設(shè)計(jì)

賀明明

中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710075

隨著我國(guó)交通網(wǎng)絡(luò)的不斷完善，公路工程建設(shè)規(guī)模日益擴(kuò)大。邊坡穩(wěn)定性是影響公路工程安全建設(shè)的關(guān)鍵因素，如果邊坡穩(wěn)定性分析不當(dāng)或防護(hù)措施設(shè)計(jì)不合理，將有可能引起嚴(yán)重的崩塌事故。尤其是路塹巖質(zhì)邊坡受力變形機(jī)制復(fù)雜，工作人員需要對(duì)其穩(wěn)定性及防護(hù)措施格外重視。同時(shí)，公路工程建設(shè)過程中來自節(jié)能、環(huán)保方面的壓力也越來越大。故選擇經(jīng)濟(jì)、合理、與自然景觀協(xié)調(diào)的邊坡生態(tài)防護(hù)技術(shù)也成為工程人員急需解決的重要問題[1-2]。

1 巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響因素

1.1 內(nèi)在影響因素

（1）地層特性。地層特性是引起巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)的重要因素之一，相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，60%以上巖質(zhì)邊坡塌方事故均與地層巖性密切相關(guān)。一般情況下，相比新地層，老地層發(fā)生邊坡塌方的可能性更大；相比硬質(zhì)巖層，軟質(zhì)巖層發(fā)生高邊坡塌方的可能性更大。（2）地質(zhì)構(gòu)造。路塹巖質(zhì)邊坡容易沿著軟弱結(jié)構(gòu)面（節(jié)理、裂隙、斷層等）崩塌破壞。地質(zhì)構(gòu)造的存在使地層中的完整巖體變得破碎，不僅在一定程度上降低了巖體自身的強(qiáng)度特性，還給邊坡的崩塌提供了崩塌界面。（3）巖石成分及風(fēng)化程度。巖石成分會(huì)直接決定巖石的基本力學(xué)特性。如黏土遇水膨脹，易崩解；云母是片狀結(jié)構(gòu)，易順層劈裂。同時(shí)，巖石風(fēng)化會(huì)破壞其完整性，產(chǎn)生一定數(shù)量的裂隙，使巖體呈碎塊狀或松散狀，其中微風(fēng)化和弱風(fēng)化巖石的邊坡穩(wěn)定性較好，全風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化巖質(zhì)路塹邊坡更容易發(fā)生崩塌、失穩(wěn)。

1.2 外在影響因素

（1）降雨。強(qiáng)降雨往往是導(dǎo)致巖質(zhì)邊坡崩塌的“導(dǎo)火線”。在降雨期間，雨水可能順節(jié)理、裂隙滲入邊坡內(nèi)部，一方面，使邊坡巖體的容重增加，增加了作用在潛在滑動(dòng)面上的豎向荷載；另一方面，在雨水作用下，邊坡巖體的抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度降低，容易沿著軟弱結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)而導(dǎo)致邊坡塌方。（2）邊坡開挖。如果巖質(zhì)邊坡在開挖期間未能及時(shí)封閉坡面，在凍融循環(huán)、干濕循環(huán)、強(qiáng)降雨等因素的影響下，將加劇邊坡巖土體的風(fēng)化程度，形成新風(fēng)化面，從而導(dǎo)致邊坡巖土體抗剪強(qiáng)度降低直至坍塌。

2 巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析的方法

針對(duì)巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算，《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30—2015）中主要介紹了兩種方法：第一，普通的碎裂結(jié)構(gòu)巖體邊坡宜采用簡(jiǎn)化畢肖普法；第二，規(guī)模較大或破壞機(jī)制復(fù)雜的邊坡宜采用簡(jiǎn)化畢肖普和數(shù)值計(jì)算法綜合評(píng)估邊坡的穩(wěn)定性[3]。

一是簡(jiǎn)化畢肖普法。簡(jiǎn)化畢肖普法模型簡(jiǎn)單、計(jì)算精度高，屬于剛體極限平衡法的范疇。該方法是將滑坡體劃分成n個(gè)寬度相同的垂直條塊，假設(shè)各條塊間只存在水平條間力和豎向條間力，均等于零，并以滑動(dòng)圓弧的圓心為力矩中心點(diǎn)，計(jì)算得到抗滑力矩與下滑力矩的比值（邊坡安全系數(shù)），計(jì)算公式如下：

式中：Wi為第i條條塊的重力，kPa；bi為第i條條塊的寬度，m；ci為滑面黏聚力，kPa；φi為滑面內(nèi)摩擦角，°；αi為圓弧底面傾角，°；ui為孔隙水壓力，kPa；mαi為作用面積，m2。

二是數(shù)值計(jì)算法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)值計(jì)算法在巖土計(jì)算領(lǐng)域的應(yīng)用日益普遍，一般包括有限元法、有限差分法、邊界元法、塊體理論、DDA法、離散元法等，其中有限元法的應(yīng)用最為廣泛。有限元法用于分析邊坡穩(wěn)定性時(shí)，能將其安全系數(shù)與滑動(dòng)面位移、應(yīng)力、塑性區(qū)等聯(lián)系起來，從而更好地分析路基巖質(zhì)邊坡的失穩(wěn)變形機(jī)制。

3 邊坡生態(tài)防護(hù)形式及機(jī)理

3.1 植物護(hù)坡

（1）鋪草皮護(hù)坡的施工時(shí)間短、施工技術(shù)簡(jiǎn)單、能夠適應(yīng)惡劣的外界環(huán)境，是一種應(yīng)用廣泛的公路路基邊坡防護(hù)技術(shù)。該方法是通過相關(guān)設(shè)備將草坪鏟起運(yùn)輸?shù)骄G化場(chǎng)地，再根據(jù)設(shè)計(jì)要求鋪植。需注意的是，在鋪草皮時(shí)，草種不能過于單一，否則可能引起蟲害。（2）植生袋護(hù)坡技術(shù)是將草種、肥料、保水劑等按照設(shè)計(jì)比例加固而成，具有良好地保水能力，可以大幅度提升草種出苗率，減緩邊坡風(fēng)化速度，降低雨水侵蝕程度，適用于各種環(huán)境。（3）三維植被網(wǎng)的基礎(chǔ)層是熱塑性樹脂經(jīng)雙向拉伸后形成的方形網(wǎng)格，可以將土壤和草種固定在坡面?！熬W(wǎng)包”的存在可以減小雨水滲入的速度（使雨水在坡面繞流），降低雨水對(duì)坡面土體的侵蝕量。同時(shí)，三維植被網(wǎng)相互交錯(cuò)，對(duì)坡面土壤起到一定的加筋作用，可以進(jìn)一步提高邊坡抗沖刷能力。

3.2 土工合成材料植草護(hù)坡

土工合成材料具有結(jié)構(gòu)性能好、不易降解、質(zhì)量較輕等優(yōu)勢(shì)。將土工合成材料與植物草種混合用于公路路基邊坡防護(hù)，在質(zhì)量和造價(jià)方面都具有一定的優(yōu)勢(shì)。土工合成材料主要具有以下功能。（1）排水作用。土工合成材料可以將邊坡縫隙內(nèi)的水排出，降低邊坡土體的孔隙水壓力。（2）提高土體強(qiáng)度。土工織物會(huì)與邊坡表面土壤形成復(fù)合體，增加土體的黏聚力、內(nèi)摩擦角、壓縮模量等指標(biāo)，提高坡面的整體穩(wěn)定性。（3）隔離作用。土工合成材料能夠?qū)⒘讲町愝^大的土體隔離（如路基和軟基隔離、路基和碎石基層隔離等），以減少土顆粒流失。

常用的土工織物生態(tài)防護(hù)形式包括草籽無紡布、土工格室、土工布等。土工織物植草應(yīng)用于路基邊坡防護(hù)時(shí)，應(yīng)綜合考慮邊坡巖體性質(zhì)、邊坡幾何參數(shù)等因素，一般適用于坡度緩于1∶1的殘積土或軟巖路塹邊坡及硬質(zhì)巖填筑的路堤邊坡。在施工前，應(yīng)將路基邊坡表面雜物清理干凈，確保坡面的平整。同時(shí)，可以根據(jù)坡面實(shí)際情況在周圍開挖水平種植溝，種植溝間距約為20cm，以減少水土流失，為草種提供了良好的生長(zhǎng)環(huán)境。

3.3 植生混凝土護(hù)坡

植生混凝土防護(hù)路基邊坡是一種新型的多功能綠色環(huán)保防護(hù)技術(shù)。根據(jù)功能不同，植生混凝土可分為植物型多孔纖維混凝土、可凈化水質(zhì)的植生混凝土、抗沖刷型植生混凝土。不同植生混凝土特點(diǎn)如表1所示。

表1 不同類型植生混凝土特點(diǎn)

植生混凝土結(jié)構(gòu)組成要素包括多孔混凝土、保水材料、肥料等。其中，多孔混凝土具有良好的透氣性，屬于植生混凝土的基本骨架結(jié)構(gòu)；保水材料是由有機(jī)質(zhì)保水劑和無機(jī)保水劑混合所得，主要作用是為草種生長(zhǎng)提供水分。

4 生態(tài)防護(hù)措施對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

4.1 工程概況

文章以某公路路塹邊坡（K5+680斷面）為研究對(duì)象，分析生態(tài)防護(hù)措施對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響規(guī)律。該公路沿線地質(zhì)條件較復(fù)雜，地下水位低，沿線出現(xiàn)了大量巖質(zhì)路塹邊坡，同時(shí)地形起伏較大，坡體地面標(biāo)高為203.6～263.8m，自然坡角最大為25°～30°。坡體組成物質(zhì)如下：表層為粉質(zhì)黏土，厚度為4.20～7.10m；其下為砂質(zhì)黏性土，厚度為4.40～22.50m；再下基巖為全風(fēng)化混合巖，厚度為9.40～22.50m；再下為強(qiáng)風(fēng)化混合巖，厚度為9.90m；再下為中風(fēng)化混合巖，未揭露。擬采用理正巖土軟件分析不同生態(tài)防護(hù)類型下邊坡安全系數(shù)變化規(guī)律，降雨強(qiáng)度擬采用20mm/h，降雨歷時(shí)設(shè)為60min。

4.2 防護(hù)效果分析

在降雨條件下，隨著降雨時(shí)間的增加，邊坡安全系數(shù)不斷降低，其原因是雨水滲入造成邊坡土體飽和區(qū)域不斷擴(kuò)大，使得土體容重增加，抗剪強(qiáng)度參數(shù)降低，最終導(dǎo)致邊坡整體穩(wěn)定性降低。同時(shí)，相對(duì)于裸坡而言，不同防護(hù)形式下邊坡的安全系數(shù)均有一定的提高，其中采用植生混凝土防護(hù)的邊坡安全系數(shù)最大，達(dá)到1.3，提高了18.2%；采用普通植草防護(hù)的邊坡安全系數(shù)增加不多，僅提高了4.5%。

5 結(jié)論

文章在探討邊坡穩(wěn)定性影響因素的基礎(chǔ)上，分析了巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法及生態(tài)防護(hù)措施，得出如下結(jié)論：（1）巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)原因主要有地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、巖石成分及風(fēng)化程度、邊坡幾何參數(shù)、降雨等因素；（2）普通碎裂巖體邊坡安全系數(shù)計(jì)算宜采用簡(jiǎn)化畢肖普法，破壞機(jī)制復(fù)雜的邊坡宜結(jié)合有限元分析法；（3）邊坡生態(tài)防護(hù)措施有植物防護(hù)、土工材料防護(hù)、植生混凝土防護(hù)等，在容易發(fā)生強(qiáng)降雨的地區(qū)建設(shè)公路路基邊坡時(shí)，建議采用植生混凝土來增強(qiáng)坡面穩(wěn)定性，原因?yàn)樵诓煌鷳B(tài)防護(hù)措施下，采用植生混凝土防護(hù)的邊坡安全系數(shù)最大。