山區(qū)公路超高填方邊坡工程防護設(shè)計研究與探索

張繼明，衛(wèi) 超，高 雷，方如軍

（1.溫州市交通規(guī)劃設(shè)計研究院，浙江 溫州 325000；2.武漢市政工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430015）

0 引 言

國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示，截止2017年，我國已竣工驗收或交付使用公路里程達477.35萬km，并且自2010年以來，以平均每年10.93萬km的速度增長。其中山區(qū)公路建設(shè)占據(jù)重要地位，工程規(guī)模和難度也不斷突破新高度，超長隧道、超高邊坡和特大橋梁等在公路工程建設(shè)中不斷涌現(xiàn)，這些在國外都鮮有案例可循。山區(qū)隧道洞口附近填土路基作為解決隧道棄渣與筑路材料短缺等問題的有效手段，不僅節(jié)省工程造價、縮短工期，還可減少或避免筑路石料的額外開采，保護當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境。但山區(qū)填土路基一般高差大，在降雨和流水影響下，易發(fā)生水土流失，甚至引起滑坡、泥石流等災(zāi)害。因此，做好山區(qū)公路超高填方邊坡工程防護的研究和設(shè)計具有很高的經(jīng)濟價值和環(huán)保價值。

國內(nèi)外學(xué)者對高填邊坡防治開展了大量的研究和實踐工作，取得了豐碩的成果[1-10]，但邊坡高度多集中于30 m以內(nèi)。一般來講，對于土質(zhì)邊坡高度大于20 m、小于100 m或巖質(zhì)邊坡高度大于30 m、小于100 m的邊坡稱為高邊坡，而邊坡高度超過100 m的屬于超高邊坡。近年來，隨著山區(qū)公路的發(fā)展，超高填方邊坡不斷涌現(xiàn)。由于缺乏對山區(qū)超高填方邊坡治理的系統(tǒng)思路和經(jīng)驗，加之對水土保持防護設(shè)計不夠重視，發(fā)生過公路超高填方邊坡在強降雨后失穩(wěn)破壞的案例[11-13]，損失嚴重，影響惡劣。本文將對山區(qū)公路超高填方邊坡工程防護設(shè)計的系統(tǒng)思路進行探索。

1 山區(qū)公路超高填方邊坡工程防護設(shè)計措施分析

邊坡防護和水土保持是一個有機的整體，部分防護措施同時起到水土保持作用，且水土保持防護設(shè)計對邊坡長期穩(wěn)定性起到重要作用，所以在山區(qū)超高填方邊坡防治防護設(shè)計中，兩者均應(yīng)充分重視[14]。

1.1 山區(qū)公路超高填方邊坡防護措施分析

山區(qū)超高填方邊坡防護措施的類型主要分為兩種：一種是通過設(shè)置外部支擋結(jié)構(gòu)提供反力，阻擋坡體下滑趨勢；另一種是通過改善土體自身性質(zhì)，以提高坡體自穩(wěn)能力[7]。由于山區(qū)超高填方邊坡的特殊性，單一類型的防護措施往往難以達到理想的防治效果，通常需要將兩種類型的防護措施搭配使用，才能取得良好效果。下面對兩種類型常用的主要防護措施的優(yōu)缺點、適用范圍等進行歸納總結(jié)，詳見表1。

1.2 山區(qū)公路超高填方邊坡水土保持措施分析

水土保持有三大主要防治措施：工程措施、植物措施和農(nóng)業(yè)措施。在超高填方邊坡水土保持中，以前兩種措施為主。植物措施是防治水土流失常用的措施，也是水土保持中最有效和最根本的方法。通過構(gòu)建覆蓋坡面的植被，能夠改善表土的土壤結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)和水文性質(zhì)，減小水土流失[16]。上節(jié)所述支擋結(jié)構(gòu)也屬于水土保持工程措施，除此之外，漿砌護坡、截排水溝等也常見于斜坡水土保持治理工程。下面對常用水土保持措施的優(yōu)缺點、適用范圍等進行歸納總結(jié)，詳見表2，由于部分措施兼具防護和水土保持作用，且發(fā)揮作用原理相近，前文已進行比較的措施不再贅述。

表2山區(qū)公路超高填方邊坡水土保持措施分析

2 山區(qū)公路超高填方邊坡工程防護設(shè)計系統(tǒng)思路

2.1 山區(qū)公路超高填方邊坡特點

與一般填土路堤邊坡相比，山區(qū)超高填方邊坡在地理位置、地形條件、工程規(guī)模、破壞形式、施工難度、變形控制等方面差別明顯。

2.2 山區(qū)公路超高填方邊坡工程防護設(shè)計系統(tǒng)思路

為保證山區(qū)公路超高填方邊坡在施工及運營過程中的安全，結(jié)合多年山區(qū)公路邊坡治理經(jīng)驗，特別是山區(qū)公路超高填方邊坡防治與水土保持防護設(shè)計的成功案例，對其防護設(shè)計系統(tǒng)思路總結(jié)如下：

（1）將邊坡填筑納入邊坡綜合治理方案，填治結(jié)合。在滿足棄方規(guī)模的基礎(chǔ)上，充分論證邊坡填筑形式以及相應(yīng)防治方案的可行性與安全性，確保填筑方案合理，規(guī)避因填筑帶來的防治工程防護設(shè)計風(fēng)險以及施工困難。

（2）詳細勘測現(xiàn)場的地形地質(zhì)情況，全面收集地區(qū)氣象水文資料，并對填方材料性質(zhì)進行充分的試驗分析，獲得全面準確的試驗數(shù)據(jù)。

（3）充分借鑒地區(qū)邊坡的防治經(jīng)驗，做好工程類比分析。工程類比法是邊坡防治工程中最直觀有效地的分析手段之一，能夠提高防護設(shè)計效率和防護設(shè)計方案的合理性。

（4）分析工程防護設(shè)計重難點，嚴格遵守相關(guān)法律法規(guī)以及規(guī)范要求，有針對性地開展防護設(shè)計工作，并進行充分的方案論證和比選，避免因論證不充分而造成的安全風(fēng)險和投資失控。合理選用數(shù)值模擬手段，在充分準確的數(shù)據(jù)支撐下，對不同方案下坡體及防護工程的變形、應(yīng)力應(yīng)變以及穩(wěn)定性進行分析，對防護設(shè)計方案進行優(yōu)化，并綜合方案安全性、可行性與造價等因素開展方案比選，確定最優(yōu)方案。

山區(qū)公路超高填方邊坡工程防護設(shè)計存在諸多難點，應(yīng)當(dāng)充分重視，靈活應(yīng)對。山區(qū)公路超高填方邊坡規(guī)模和高差巨大，填土材料不均，破壞形式復(fù)雜，應(yīng)充分發(fā)揮填治綜合防護設(shè)計思想的優(yōu)越性。合理規(guī)劃填筑范圍和厚度，并在填筑過程中在恰當(dāng)部位預(yù)先或同步施工爛渣墻或抗滑樁等，對邊坡進行有效分隔和防護，保障施工安全，同時化整為零，也可避免此類需貫穿坡體的大型結(jié)構(gòu)物在邊坡填筑完成后難以實施的問題，再結(jié)合擋土墻、錨索框格等措施對邊坡進行綜合防治，達到邊坡穩(wěn)定的目的。山區(qū)超高填方邊坡水土流失問題突出，邊坡一般位于山間沖溝，山區(qū)降雨豐富，地形陡峭，受雨水沖刷嚴重，造成水土流失，應(yīng)做好防排水防護設(shè)計。根據(jù)氣象和地形等資料計算最大徑流量，選擇相應(yīng)的截排水?dāng)嗝婕俺叽?，并合理布設(shè)，結(jié)合坡面防排水措施進行水土保持綜合防護設(shè)計，達到水土保持的目的。

（5）對施工過程進行動態(tài)跟蹤，落實施工期間與工后監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)工程實施中的困難，提出解決方案。由于山區(qū)超高填方邊坡的復(fù)雜性和緊迫性，時間緊，任務(wù)難度大，防護設(shè)計方案很難做到完美無瑕。施工期間的方案調(diào)整也是不斷探索、優(yōu)化完善的過程，但只要做好前期的調(diào)查和論證工作，不會出現(xiàn)重大防護設(shè)計變更的情形。

表3 山區(qū)公路超高填方邊坡特點

3 工程案例

3.1 工程概況

（1）地質(zhì)概況

該邊坡地處溫州某縣山區(qū)，原地面為低山丘陵、山澗溝谷地貌，坡度30°～35°。邊坡臨近重要構(gòu)筑物，坡頂為路基，下部建有小型水電站，如圖1所示。原邊坡地表分布崩坡積含黏性土碎石塊，松散-稍密，厚1～3 m。下伏強-中風(fēng)化凝灰質(zhì)砂巖、粉砂巖（Klc），強風(fēng)化巖破碎，完整性差，巖質(zhì)軟，層厚3～5 m；中風(fēng)化巖較堅硬，中厚層狀結(jié)構(gòu)，層理產(chǎn)狀平緩，節(jié)理裂隙發(fā)育，以陡傾角為主。某縣大地構(gòu)造屬華南褶皺系浙東南褶皺帶，位于溫州—臨海拗陷，泰順—溫州斷拗之內(nèi)，斷裂構(gòu)造發(fā)育。該地區(qū)屬亞熱帶海洋季風(fēng)氣候區(qū)，氣候常年溫暖濕潤，雨量充沛。年降雨量1884.7 mm，最大雨量23.3 mm。

圖1邊坡及周邊構(gòu)筑物

（2）邊坡概況

邊坡填方規(guī)模約20萬m3，結(jié)合現(xiàn)場地形條件，邊坡填筑寬度為60～110 m，上寬下窄，填方高差約160 m，厚度為10～20 m，坡頂公路線路中心填高約28 m。填方外側(cè)邊坡坡率控制在1∶2～1∶1.5，與原山體坡率接近。為保證施工安全，達到預(yù)期的填筑形態(tài)，填筑在過程中，在距離坡頂約120 m處的山溝收口處設(shè)置一道高3 m、長30 m的重力式樁基攔渣擋墻，攔渣擋墻頂寬1.2 m、下底寬2.35 m、長度為30.84 m，下設(shè)厚1.5 m、寬4 m的承臺，承臺兩側(cè)各嵌入山溝收口處山體基巖深度約1 m，承臺下設(shè)置11根間距為2.5 m、直徑1.5 m的挖孔樁基基礎(chǔ)。攔渣墻將邊坡劃分為上下兩段。攔渣墻以下為坡率約1∶1.5、高約40 m的邊坡，坡腳設(shè)置高2～5 m、頂寬1m仰斜式固腳墻，墻身內(nèi)、外側(cè)坡率分別為1∶0.5、1∶0.25。該邊坡地質(zhì)概況如圖2所示。

圖2邊坡地質(zhì)概況

3.2 方案論證

治理方案在滿足相關(guān)標(biāo)準規(guī)范[16，18-20]要求的基礎(chǔ)上，堅持填治結(jié)合、分段治理、邊坡工程防護設(shè)計并重的原則。

3.2.1 方案提出

在重力式樁基攔渣擋墻對邊坡有效分隔的基礎(chǔ)上，對邊坡進行防治工程分段防護設(shè)計。下段邊坡高差約為40 m，填筑厚度小，坡率相對較緩，采用錨索框格結(jié)合坡腳擋墻的方式進行防護。坡腳擋墻為仰斜式擋墻，頂寬2.0 m、平均總高10.0 m，內(nèi)外坡率分別為1∶0.25和1∶0.5。下面重點對上部邊坡防護方案和整體水土保持方案進行比選論證。

上部邊坡特別是坡頂路基范圍是重點防護對象。采用不平衡推力法，取安全系數(shù)1.25計算，得到剩余下滑力為2577 kN。

根據(jù)溫州地區(qū)高填邊坡防治經(jīng)驗，抗滑樁、錨索框格為常見防護形式，且治理效果良好。針對上部邊坡提出下列兩種防治方案進行比選：

（1）方案一：錨索框格方案

如圖3（a）所示，坡面采用錨索框格梁防護，錨索打設(shè)角度為水平向下15～20°。預(yù)應(yīng)力錨索鋼絞線采用直徑15.24 mm、抗拉強度1860 MPa高強度低松弛無粘結(jié)鋼絞線錨索長度30～45 m，錨固段長度不少于8m。邊坡豎向錨索間距3m，錨索縱向間距3 m。

圖3 簡化Bishop法邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果

（2）方案二：錨拉排樁方案

如圖3（b）所示，方案為錨拉排樁錨索防護，在距離坡頂40 m和80 m的位置分別設(shè)置一道錨索排樁，樁間以地梁聯(lián)結(jié)?？够瑯堕g距3 m，樁身1.75 m×1.25 m，按截面配筋率0.4%計算。

3.2.2 方案比選

采用簡化Bishop法對兩種方案邊坡穩(wěn)定性進行分析，同時借助有限元強度折減法校核，并分析邊坡的應(yīng)力分布和變形情況。

簡化Bishop法穩(wěn)定性分析結(jié)果：簡化Bishop法借助slide軟件實現(xiàn)，兩種方案下，整體滑動面均位于強風(fēng)化層，部分位置滑動面位于中風(fēng)化層頂面。錨索框格方案的整體穩(wěn)定系數(shù)為1.403，如圖3（a）所示，考慮地震作用時，邊坡最危險滑動面的安全系數(shù)仍達到1.368，排樁錨索方案的整體穩(wěn)定系數(shù)為1.273，如圖3（b）所示，但排樁錨索方案中，兩排樁之間坡體的穩(wěn)定系數(shù)僅為1.048。

采用ANSYS軟件有限元強度折減法對錨索框格方案進行分析，對模型進行了簡化，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)約為1.26，坡面整體仍可能發(fā)生5 cm的位移，如圖4（a）所示，這一位移變化主要由于上部土體的進一步壓縮造成。將以上的總位移分別進行豎向和水平向的分解：邊坡整體水平向位移主要集中于邊坡中部區(qū)域，而豎向變形最大的范圍主要是邊坡頂部的持續(xù)性沉降壓縮。水平向最大位移約4.5 cm，豎向4 cm。從土體相對剪切應(yīng)力圖4（b）來看，上部錨索的設(shè)置較大程度抑制了邊坡土體的剪切變形進一步分析設(shè)置防護后的應(yīng)變增量，發(fā)現(xiàn)路基底部土體發(fā)約0.2%的松脹，最下部錨索位置發(fā)生0.6%的體積變形擠壓。

圖4 錨索框格方案有限元分析結(jié)果

采用有限元強度折減法對錨拉排樁方案進行分析，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.1，坡頂總變形量達到0.9 m，設(shè)抗滑樁后位移0.46 m，上下部排樁樁頂位移分別達到 0.58 m和 0.19 m，如圖 5（a）所示，土體在樁前發(fā)生一定擠壓，平均剪應(yīng)變，可見整個邊坡填筑后，如圖5（b）所示，均發(fā)生較為明顯的剪切變形，其中樁基后面部分土體剪切應(yīng)變較小。

圖5 錨拉排樁方案有限元分析結(jié)果

根據(jù)上述分析，錨索框格方案在穩(wěn)定性、變形和坡體應(yīng)力分布等方面均優(yōu)于錨拉排樁方案，特別是對超高邊坡填筑時難以壓實的坡體與山體形成穩(wěn)固整體、坡體表面穩(wěn)定及水土流失防治效果更加明顯，且節(jié)省單項工程投資約35萬元、占比達10%，還可避免坡體開挖樁孔帶來的施工難度和斷樁、滑坡風(fēng)險。綜上所述，推薦錨索框格方案。

3.2.3 方案優(yōu)化與水土保持防護設(shè)計

（1）方案優(yōu)化

根據(jù)推薦方案模擬結(jié)果中，錨索框格方案安全儲備高，存在優(yōu)化空間，路基底部土體出現(xiàn)松脹，最下部錨索位置出現(xiàn)擠壓變形現(xiàn)象，需對錨索排數(shù)及分布進行了調(diào)整。錨索采用豎向6排間距16 m均勻分布，從而改善坡體應(yīng)力分布，同時加強對邊坡頂部路基的保護。優(yōu)化后的方案如下：

框格梁采用20 m×20 m框格，橫梁和豎肋寬為50 cm，厚60 cm，框架要求嵌入坡面25 cm，露出坡面35 cm。框格橫梁上每隔2 m打設(shè)錨索，錨索根據(jù)坡體厚度及地質(zhì)情況，長度取25～45 m，其中錨固段長度均取6 m，并要求錨固段全部進入中風(fēng)化巖以上，承載體由聚酯纖維復(fù)合材料制成?？蚋窳好扛?0 m設(shè)置一道伸縮縫，縫寬2 cm，用瀝青麻絮填塞。為增加大框格內(nèi)坡面穩(wěn)定，大框格內(nèi)設(shè)置2 m×2 m小框格加固大框格內(nèi)坡面。

根據(jù)分析結(jié)果，優(yōu)化方案整體穩(wěn)定性系數(shù)為1.178，如圖6（a）所示，頂部路基以下20 m部分穩(wěn)定性系數(shù)為1.927，如圖6（b）所示。在保證邊坡整體安全穩(wěn)定，滿足規(guī)范要求的前提下，大幅提高了上部路基的安全儲備，而且相比方案比選階段，節(jié)約工程造價約260萬元。

圖6 優(yōu)化方案邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果

（2）水土保持綜合防護設(shè)計

水土保持防護設(shè)計貫穿始終，填筑過程中設(shè)置的重力式樁基攔渣墻、坡腳擋墻以及錨桿框格也屬于水土保持防護設(shè)計的工程措施，下面主要對坡面水土保持以及截排水工程防護設(shè)計進行分析。

如圖7所示，針對山區(qū)環(huán)境保護的需求，坡面框格內(nèi)采用植草防護，可以起到吸收調(diào)節(jié)地表徑流，提高坡面抗侵蝕和抗沖刷能力的作用[15]。

圖7 工程平面布置圖

截排水工程主要包括邊坡頂部部路基上側(cè)設(shè)置的截水溝、沿邊坡兩側(cè)設(shè)置的排水急流槽以及沿坡面格構(gòu)大框格橫梁設(shè)置的排水溝。其中上側(cè)截水溝通過下穿路基的涵洞及其與之相連的排水溝將上部山體匯集的雨水排至坡外。排水急流槽的截面凈尺寸為60 cm×60 cm，坡面排水溝的截面凈尺寸為40 cm×40 cm，經(jīng)過驗算，滿足《公路排水防護設(shè)計規(guī)范》（JTG/T D33—2012）的相關(guān)要求。

目前該邊坡及上部公路已建成通車并已安全運營近3a，防護設(shè)計的科學(xué)性和合理性得到檢驗，并且防護工程與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)，達到了水土保持和環(huán)境保護的效果。

4 結(jié) 論

本文探討了山區(qū)公路超高填方邊坡工程防護設(shè)計的綜合防護設(shè)計，提出了一套系統(tǒng)的防護設(shè)計思路，并在溫州市某公路超高填方邊坡的防治中進行了實踐，取得了良好的治理效果。

（1）對山區(qū)公路超高填方邊坡工程防護設(shè)計相關(guān)措施進行了總結(jié)，并分析了不同措施的優(yōu)缺點和適用范圍。邊坡工程防護設(shè)計措施不能簡單劃分開來，兩者聯(lián)系密切，許多措施同時起到邊坡防護和水土保持的雙重作用，二者共同保證邊坡的長期穩(wěn)定。

（2）總結(jié)了山區(qū)超高填方邊坡的特點及相應(yīng)的防護設(shè)計重難點，提出了一套山區(qū)公路超高填方邊坡工程防護設(shè)計的系統(tǒng)思路。填治結(jié)合、工程類比、分段治理是解決山區(qū)公路超高填方邊坡防治難題的重要手段。

（3）介紹了溫州市某公路超高填方邊坡工程防護設(shè)計的成功案例。該邊坡防護設(shè)計時堅持了山區(qū)公路超高填方邊坡工程防護設(shè)計的系統(tǒng)思路，并且在簡化Bishop法分析邊坡穩(wěn)定性地基礎(chǔ)上，使用有限元強度折減法進行了校核，還分析了邊坡的變形和應(yīng)力分布情況，并根據(jù)分析結(jié)果對方案進行了優(yōu)化。水土保持防護設(shè)計與防護工程緊密結(jié)合，防排水工程結(jié)構(gòu)和布設(shè)合理，坡面植草方案起到防沖刷和植被恢復(fù)的作用，達到了邊坡穩(wěn)定和水土保持的目的。

（4）本文提出的山區(qū)公路超高填方邊坡工程防護設(shè)計系統(tǒng)思路是結(jié)合自身實踐對前人寶貴經(jīng)驗的總結(jié)，并在實際工程中進行了應(yīng)用，效果良好，是對不斷涌現(xiàn)的的山區(qū)公路超高填方邊坡治理難題的有益探索。