■王偉偉
(福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司,福州 350004)
福建省位于中國(guó)東南沿海地區(qū),地形多以山嶺、丘陵、臺(tái)地和濱海平原為主,丘陵段落多為半山,夾雜著谷地,溝谷縱橫,地形起伏大,地下水發(fā)育豐富。受地形限制,在省內(nèi)山區(qū)公路建設(shè)過(guò)程中,沿谷地與山脊交錯(cuò)修建的道路工程愈來(lái)愈多;因此,沿線公路不少路段出現(xiàn)單側(cè)多階路塹邊坡。近年來(lái),隨著極端天氣的頻繁出現(xiàn),路塹邊坡滑塌時(shí)有發(fā)生引起廣大學(xué)者和工程技術(shù)人員的重視,然而由于山嶺丘陵地區(qū)工程地質(zhì)條件的復(fù)雜多變性,受汛期持續(xù)降雨及瞬時(shí)暴雨影響,公路邊坡失穩(wěn)坍塌依舊頻繁。本文通過(guò)沈海復(fù)線福安至蕉城漳灣段高速(樁號(hào)K102+100~+364.372)左側(cè)邊坡滑塌治理的工程實(shí)例,對(duì)路塹邊坡病害成因進(jìn)行分析,并提出修復(fù)方案,治理成效顯著,可供類似山區(qū)公路工程借鑒。
工程位于福建省寧德地區(qū)福安市境內(nèi),為沈海復(fù)線高速公路段,路寬24.5m。其中滑坡區(qū)K102+100~K102+364.372段位于山坡地段,總地勢(shì)為東部高,往西呈階梯狀降低,坡體地形上陡下緩,后緣山坡坡度約30°,多松樹(shù)林分布,前緣山坡坡度較緩,約10~15°,受村民改造影響,呈臺(tái)階狀分布,多種植茶樹(shù),表層土體為坡積碎石土,結(jié)構(gòu)松散,多孤滾石分布,水位埋藏淺。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)、鉆孔資料,滑坡區(qū)的地層主要為凝灰熔巖及風(fēng)化層。表層由坡積碎石土體組成,厚度約1.00~11.90m。坡體表層見(jiàn)大量孤滾石分布,塊徑以0.5~2.0m為主。各巖土體分述如下:
①坡積碎石土(Qdl):灰黃色,松散~稍密狀,稍濕,灰黃色,成分以碎塊石為主,占50%~60%,粒徑4~18cm,塊石約20~40cm,含有40%~50%的粘性土,性質(zhì)變化較大,透水性強(qiáng)。
②殘積粘性土(Qel):黃褐色,可塑,稍濕,以粘粉粒為主,粘性較好,浸水易軟化、崩解。該層為高液限土,液限ωL(100g錐)為 53.7%~67.5%。
③全風(fēng)化凝灰熔巖(J3n):灰黃,原巖結(jié)構(gòu)較清晰,風(fēng)化強(qiáng)烈,主要礦物成份為長(zhǎng)石、石英,長(zhǎng)石大部分風(fēng)化為粘土,以粉粒為主,浸水易軟化、崩解。該層為高液限土,液限ωL(100g錐)為 63.7%。
④砂土狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖(J3n):巖體結(jié)構(gòu)面礦物粘土化嚴(yán)重,浸水易軟化、崩解。該層為高液限土,液限ωL(100g錐)為53.1%。根據(jù)野外地質(zhì)調(diào)查,該層見(jiàn)兩組平滑節(jié)理裂隙面:340°∠50°,見(jiàn)黑色礦物成分,略有擦痕;140°∠10°,裂隙面粘土化,見(jiàn)有擦痕,結(jié)構(gòu)面傾向與邊坡坡面傾向相近,不利于擬開(kāi)挖邊坡的穩(wěn)定。
⑤碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖(J3n):灰褐色,原巖結(jié)構(gòu)清晰,風(fēng)化較強(qiáng)烈,主要礦物成份為長(zhǎng)石、石英,巖芯破碎,呈碎塊狀,敲擊易碎。發(fā)育有一條節(jié)理密集帶(f01a)產(chǎn)狀:287°∠80°,寬 3~5m,根據(jù)鉆孔 K5、K8 鉆孔揭示,節(jié)理帶內(nèi)節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體破碎,裂隙面呈灰褐色,有鐵錳質(zhì)侵染,部分礦物風(fēng)化。
⑥中風(fēng)化凝灰熔巖(J3n):青灰、灰褐色,晶屑凝灰熔巖結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,主要礦物成份為長(zhǎng)石、石英,節(jié)理裂隙發(fā)育,節(jié)理面呈灰褐色、見(jiàn)次生礦物,巖體較破碎-較完整。
原山坡坡體未見(jiàn)地表水流,開(kāi)挖的坡腳多處見(jiàn)泉眼水出露,該段坡體滲水總流量約10m3/d。該坡體所屬山脈近南北走向,植被發(fā)育,匯水面積較大,約84000m2。
滑坡區(qū)的地下水類型為殘積層、風(fēng)化帶孔隙裂隙水,地下水賦存于殘積層、基巖風(fēng)化帶的孔隙裂隙中,總體地下水水量較小,自東向西排泄。地下水的補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水,調(diào)查期間見(jiàn)有地下水沿坡積層底界或風(fēng)化層裂隙滲出,其軟弱夾層地下水運(yùn)移較為活躍。地下水穩(wěn)定水位埋深 4.5~9.4m(晴天)。
K102+100~+364.372左側(cè)原設(shè)計(jì)為2~3階挖方路塹邊坡,邊坡坡率為1∶1.25、采用拱形骨架植草防護(hù)。
病害原始地形較為平緩,坡體上陡下緩,坡度約為10~35°,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,邊坡開(kāi)挖至第一級(jí)平臺(tái)。受持續(xù)降雨,該段落出現(xiàn)2處不同程度的病害情況,K102+115~+165段坡頂截水溝位置形成長(zhǎng)約55m,20~40cm寬的裂縫,縫寬5~10cm;坡體可見(jiàn)有地下水出露,流量約0.04~0.05L/s,其中 K102+155~+165 段第二級(jí)坡面出現(xiàn)坍塌(圖 1)。
K102+250~+340段第二、三階坡形成長(zhǎng)約80m的滑塌(見(jiàn)圖 1),坡腳可見(jiàn)地下水出露,流量約 0.08~0.1L/s。 后緣拉張主裂縫位于坡頂截水溝位置,土體下錯(cuò)約1.2m,剪出口位于坡腳,前緣滑坡鼓丘,明顯鼓脹隆起,滑塌位置坡面有水滲出,水量較大?;矫嫔峡傮w呈不規(guī)則的圈椅形?;鬏S長(zhǎng)約30m,滑體厚度約為5m,體積約0.7×104m3。推測(cè)潛在滑動(dòng)區(qū)為沿下伏全風(fēng)化巖層頂面滑動(dòng),滑體厚度約13m。
圖1 K102+155~+165段第二級(jí)坡面坍塌
滑塌邊坡的形成和發(fā)展變化由多種因素控制和影響,包括地質(zhì)原因、氣象與水文因素、人類工程活動(dòng)等。
滑塌產(chǎn)生的地層主要為侏羅系南園組(J3n)凝灰熔巖及其風(fēng)化層,表層為坡積碎石土及殘積粘性土層。原地貌山坡上陡下緩,表層為坡積層,含孤滾石,邊坡開(kāi)挖后易滑塌。凝灰熔巖風(fēng)化層中礦物成分粘土化嚴(yán)重,細(xì)顆粒含量較高,約71%~89%,且均為高液限土,易飽水軟化,巖體飽水后極易產(chǎn)生軟弱帶,導(dǎo)致邊坡滑動(dòng)失穩(wěn)。
發(fā)育有與開(kāi)挖邊坡坡向順傾結(jié)構(gòu)面(見(jiàn)圖2),受持續(xù)降雨地表水下滲影響,雨水沿坡面、裂縫滲入坡體,逐漸將外傾裂隙面軟化、貫通,形成軟弱滑動(dòng)面。
圖2 順傾裂隙面
滑塌坡體水位埋藏淺,約4.5~9.4m,因此坡體表層殘積粘性土及全風(fēng)化土層長(zhǎng)期處于飽水狀態(tài),巖土結(jié)構(gòu)軟化嚴(yán)重,土體內(nèi)易形成軟弱帶。降雨是觸發(fā)和形成滑塌等病害的主要因素,由于坡體東西向的山體較高,匯水面積大,坡體附近地形較緩,坡面排水條件不良,暴雨和長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)降雨,一方向?qū)π逼聨r土體進(jìn)行沖刷和軟化,一方面補(bǔ)給地下水,使其水位迅速升高,動(dòng)水壓力和靜水壓力加大,循環(huán)交替作用加劇。由于降水的影響,造成巖土體處于飽和軟化狀態(tài),使其斜坡的巖土體重度增加,抗剪強(qiáng)度降低,最終導(dǎo)致滑動(dòng)面的形成和滑塌產(chǎn)生。
邊坡的開(kāi)挖,邊坡外側(cè)土體卸載,破壞了邊坡巖土體的天然應(yīng)力平衡狀態(tài),坡頂線附近形成張力帶,產(chǎn)生拉張裂縫,而坡腳應(yīng)力集中,產(chǎn)生擠壓破壞現(xiàn)象。在坡腳處形成了較陡的臨空面。對(duì)滑坡的整體穩(wěn)定性有較大影響,目前邊坡只開(kāi)挖兩級(jí)已出現(xiàn)滑塌病害,可想而知,若邊坡開(kāi)挖至路基標(biāo)高位置,將形成范圍更大的變形,更大規(guī)模的滑坡產(chǎn)生。
在對(duì)滑坡的病害成因進(jìn)行初步判定后,采用邊坡穩(wěn)定性計(jì)算軟件Geo-slope對(duì)K102+224和K102+284兩個(gè)主斷面進(jìn)行計(jì)算分析。分為淺層滑面和推測(cè)潛在滑面進(jìn)行計(jì)算,根據(jù)淺層滑面所處的狀態(tài),反算滑坡坡體坡殘積粘性土強(qiáng)度指標(biāo)。再根據(jù)反算指標(biāo)及土工試驗(yàn)的土體力學(xué)參數(shù),計(jì)算滑坡推力,滑坡治理后需達(dá)到規(guī)范要求[1]的安全系數(shù)計(jì)算預(yù)應(yīng)力錨索需提供的抗滑力。
根據(jù)地質(zhì)勘察及巖土試驗(yàn)資料,結(jié)合坡體地質(zhì)結(jié)構(gòu)和地下水的發(fā)育特征,采用Geo-slope軟件和Morgenstern-Price方法對(duì)滑面進(jìn)行反算[2]。得出坡殘積粘性土C、Φ值見(jiàn)表1。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,坡殘積粘性土的天然重度為16.7kN/m3,飽和重度為 17.5kN/m3。
表1 土層主要物理力學(xué)指標(biāo)表
根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》,高速公路滑坡設(shè)計(jì)安全系數(shù)正常狀態(tài)下取K=1.20~1.30,本次設(shè)計(jì)在正常狀態(tài)下取K=1.25;在非正常工況Ⅰ取K=1.10~1.20,本次設(shè)計(jì)在非正常工況Ⅰ取K=1.15。采用傳遞系數(shù)法計(jì)算滑坡推力,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。
表2 坡面穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表
根據(jù)計(jì)算結(jié)果由表2可知,該邊坡K102+284斷面在兩種工況下均不穩(wěn)定,在暴雨?duì)顟B(tài)下穩(wěn)定性最差。通過(guò)上述計(jì)算,所得結(jié)果與實(shí)際狀況相符,在天然工況或暴雨工況下均為失穩(wěn)狀態(tài);K102+224斷面在天然工況下為基本穩(wěn)定狀態(tài),在暴雨工況下為欠穩(wěn)定狀態(tài)。
計(jì)算過(guò)程中,路塹擋墻抗滑力取值為150kN/m,錨索根據(jù)不同斷面的錨固力取值分別為137.5kN/m和100kN/m。采用 Geo-Slope軟件 Morgenstern-Price方法,對(duì)K102+224和K102+284進(jìn)行驗(yàn)算,加固后的安全系數(shù)均可滿足規(guī)范要求(見(jiàn)圖3、圖4),說(shuō)明該方案是可行的。
根據(jù)滑坡規(guī)模、地形地貌、地形地質(zhì)條件、主要作用和誘發(fā)因素、破壞機(jī)制和模式、目前的穩(wěn)定狀態(tài)及其發(fā)展趨勢(shì),采取截排水、卸載、反壓和支擋、錨固等措施進(jìn)行綜合治理。具體工程治理措施如下:
圖3 K102+224加固后安全系數(shù)
圖4 K102+284加固后安全系數(shù)
4.3.1 坡體加固
根據(jù)該段落的病害特征和穩(wěn)定性現(xiàn)狀??紤]該邊坡K102+244~+364段地面線較平緩,同時(shí)坡面加固需清除已滑塌虛方,故對(duì)該段落邊坡進(jìn)行刷坡卸載,并采用預(yù)應(yīng)力錨索框架結(jié)合坡面支擋進(jìn)行防護(hù)。K102+100~+244段坡腳進(jìn)行支擋,第二級(jí)坡面設(shè)置支撐滲溝,滲溝間坡面采用小導(dǎo)管注漿+30cm厚漿砌片石封閉。具體措施如下(見(jiàn)圖 5、6):
(1)K102+120~+170 段第二級(jí)采用 1∶1.5 坡率刷坡,設(shè)置12m寬平臺(tái);
(2)K102+254~+350段第二、三級(jí)采用1∶1.25坡率刷坡,第二級(jí)設(shè)置16m寬平臺(tái),第三級(jí)設(shè)置4m寬平臺(tái),兩側(cè)與現(xiàn)有坡面順接;
(3)第二級(jí)K102+100~+229段采用支撐滲溝防護(hù),滲溝間坡面采用小導(dǎo)管注漿+30cm厚漿砌片石封閉;
(4)第二級(jí)K102+231~+361段設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索框架加固,其中K102+270~+310段設(shè)置小導(dǎo)管注漿臨時(shí)支護(hù)坡面;第三級(jí)K102+271~+335段設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索框架加固;
(5)K102+100~+230 段、K102+270~+364 段設(shè)置 8m 高擋墻;
圖5 滑塌邊坡處置平面
圖6 預(yù)應(yīng)力錨索滑坡治理典型斷面
(6)K102+230~+270段第一級(jí)增設(shè)A型半擋墻;
(7)K102+100~+270段第一級(jí)擋墻墻面增設(shè)錨索地梁,間距4m。
4.3.2 排水設(shè)計(jì)
水是誘發(fā)邊坡體失穩(wěn)的主要因素之一,排水工程對(duì)邊坡體穩(wěn)定性起到十分重要的作用。①在滑坡后緣及分級(jí)平臺(tái)位置設(shè)置截排水設(shè)施,防止地表水滲入地下影響滑坡體的穩(wěn)定性。②坡體設(shè)置排水平孔對(duì)于有泉眼出露的地層,酌情加密設(shè)置排水平孔。③K102+190~+235段為山凹部位,匯水量大,在第一級(jí)平臺(tái)位置設(shè)置集水井,通過(guò)排水孔排出。
為保證施工安全及邊坡穩(wěn)定,施工及運(yùn)營(yíng)期間布置有地表位移監(jiān)測(cè)、深孔位移監(jiān)測(cè)、地下水位監(jiān)測(cè)及錨索預(yù)應(yīng)力監(jiān)測(cè),以檢驗(yàn)工程效果。目前該工程已竣工一年,經(jīng)歷水位升降循環(huán)及極端暴雨工況,路塹邊坡未發(fā)現(xiàn)滑移跡象,達(dá)到預(yù)期的治理效果。
(1)對(duì)于覆蓋土層較厚,錨固地層較深的多階邊坡,從適用性考慮,采用預(yù)應(yīng)力錨索框架治理滑塌邊坡有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。
(2)使用預(yù)應(yīng)力錨索框架加固防治邊坡,宜遵循自上而下開(kāi)挖一級(jí)加固一級(jí)的施工順序,待上一級(jí)錨索張拉后再開(kāi)挖和加固下一級(jí)邊坡,也可根據(jù)工程的實(shí)際狀況,對(duì)每一級(jí)邊坡進(jìn)行分層、分段施工,既減小了邊坡施工對(duì)邊坡的擾動(dòng),又可避免因施工不當(dāng)引起邊坡病害。
(3)由于福建多為山嶺丘陵地貌,公路多在山區(qū)穿行,工程設(shè)計(jì)時(shí)很難把每個(gè)邊坡的地質(zhì)條件完全勘探清楚,這就需要對(duì)邊坡進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)??赏ㄟ^(guò)增減錨索的根數(shù)和錨固深度調(diào)整錨固力的大小來(lái)適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)防護(hù)邊坡的需求,輔以反壓、支擋等加固措施。