紅層地區(qū)運營期公路邊坡長期穩(wěn)定性在線評價系統(tǒng)

鄔凱，楊雪蓮，劉天翔

(四川省公路規(guī)劃勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610041)

1 引言

隨著“一帶一路”和交通強國戰(zhàn)略的持續(xù)推進，中國中西部逐步形成規(guī)模宏大的山區(qū)高速公路網(wǎng)。受復雜脆弱的地質(zhì)環(huán)境條件和不利的氣候條件影響，公路邊坡地質(zhì)災害防災減災技術(shù)問題越來越突出。以四川典型山區(qū)公路運營期邊坡長期穩(wěn)定性調(diào)查分析為例，部分山區(qū)高速公路邊坡在建成通車10～15年后仍會變形失穩(wěn)，例如2000年建成通車的成雅高速公路K1 920左側(cè)邊坡于2011年出現(xiàn)變形失穩(wěn)，2000年建成通車的廣鄰高速公路K1 666左側(cè)邊坡于2015年出現(xiàn)變形。因此山區(qū)公路運營期邊坡受降雨風化、地震震裂及滑帶土軟化等作用影響，其長期穩(wěn)定性具有逐步劣化特征。

傳統(tǒng)公路邊坡分級評價方法是針對公路建設期邊坡，采用公路邊坡原始屬性特征對邊坡進行靜態(tài)評價，無法反映運營期公路邊坡穩(wěn)定性的動態(tài)劣化特征。近年來，逐步有專家學者開始對運營期公路邊坡風險評估提出了研究思路和框架方案，但尚未形成有針對性和操作性的動態(tài)評估系統(tǒng)。鑒于山區(qū)運營期高速公路邊坡數(shù)量多、長期穩(wěn)定性劣化的特點，需要建立公路邊坡長期穩(wěn)定性評價方法和系統(tǒng)，通過科學有效和信息化的手段對邊坡長期健康進行動態(tài)管理。

四川省目前已通車運營高速公路約52條，其中紅層地區(qū)運營高速公路約30條，占比約60%，因此以紅層地區(qū)運營期公路邊坡為例進行研究具有典型意義。紅層是一種外觀以紅色為主色調(diào)的層狀碎屑巖體，廣泛分布于中國四川盆地、滇中北地區(qū)等。四川盆地紅層多為侏系、白堊系砂泥巖互層，巖層傾角多小于20°，軟硬相間，巖體層面結(jié)合差，軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育，屬于易滑地層。

該文以四川紅層山區(qū)高速公路為例，深入分析紅層邊坡坡體結(jié)構(gòu)特征和失穩(wěn)破壞模式，對紅層區(qū)398個公路邊坡開展詳細地質(zhì)調(diào)查和評價，建立邊坡長期穩(wěn)定性動態(tài)評價體系。基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立公路邊坡健康信息數(shù)據(jù)庫和在線管理評價平臺，為公路運營期邊坡地質(zhì)災害防災減災提供平臺支持。

2 公路邊坡特征因素選取

公路邊坡地質(zhì)體具有復雜性、多變性和不均質(zhì)性的特點，在這樣一種條件下進行邊坡的穩(wěn)定性評價，既需顧及不同邊坡的個性，也要找出帶有規(guī)律性的共性。通過確定影響公路邊坡穩(wěn)定性的特征因素，為邊坡穩(wěn)定性評價提供支撐。傳統(tǒng)公路邊坡穩(wěn)定性評價影響因素主要包含3類：邊坡地形地貌、坡體結(jié)構(gòu)特征、邊坡環(huán)境條件。以上3類因素基本屬于靜態(tài)因素，一般不隨時間發(fā)生變化。由于公路邊坡長期穩(wěn)定性具有逐步劣化特征，對于現(xiàn)場調(diào)查和日常養(yǎng)護管理，最易于獲取的邊坡動態(tài)信息即為邊坡變形特征。因此可以將邊坡動態(tài)變形特征作為長期穩(wěn)定性評價的重要特征因素。

邊坡地形地貌特征主要包括邊坡高度、邊坡角度(坡比)、坡面形態(tài)等因素。邊坡坡體結(jié)構(gòu)特征可按巖土二元結(jié)構(gòu)邊坡(土質(zhì)邊坡)、巖質(zhì)邊坡兩大類進行分類表示。邊坡環(huán)境條件主要包括人類工程活動影響、降雨量及地下水特征、地震烈度等。以上均屬于邊坡基本信息，也是公路邊坡穩(wěn)定性動態(tài)評價的基礎健康信息，在首次收集資料和現(xiàn)場調(diào)查后即可相對固定。邊坡動態(tài)變形特征主要是指當前階段現(xiàn)場調(diào)查得到的邊坡變形情況，可根據(jù)定期的邊坡健康調(diào)查和養(yǎng)護巡查來更新。在現(xiàn)場獲取公路邊坡特征因素后，就可以建立邊坡工程基礎信息數(shù)據(jù)庫，為邊坡長期穩(wěn)定性量化評價提供數(shù)據(jù)統(tǒng)計基礎。

3 紅層邊坡坡體結(jié)構(gòu)特征及變形失穩(wěn)模式

3.1 紅層邊坡坡體結(jié)構(gòu)特征

紅層地區(qū)公路邊坡坡體結(jié)構(gòu)可分為巖土二元結(jié)構(gòu)邊坡(土質(zhì)邊坡)、巖質(zhì)邊坡兩大類。巖土二元結(jié)構(gòu)邊坡坡體結(jié)構(gòu)特征主要包括土體地質(zhì)成因、土體厚度、巖土界面傾角。土體地質(zhì)成因主要分為人工堆積、崩坡積、坡殘積、沖積，其中人工堆積土體穩(wěn)定性最差。土體越厚、巖土界面傾角越大，邊坡越容易失穩(wěn)。

巖質(zhì)邊坡主要考慮3個要素，即巖性組合、結(jié)構(gòu)面和臨空面。巖性組合主要是不同堅硬程度和風化程度巖石組合情況，可劃分為單一巖性和組合巖性。紅層地區(qū)巖性的組合包括泥巖為主、砂巖為主、泥巖夾砂巖、砂巖夾泥巖，其中砂巖夾泥巖的巖性組合最為不利。結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度以及結(jié)構(gòu)面與臨空面關(guān)系也是影響巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的重要因素。結(jié)構(gòu)面與臨空面的組合關(guān)系主要包括緩傾順層或小角度順層斜交、近水平(略傾坡外)、近水平(略傾坡內(nèi))、反傾或大角度相交。

3.2 紅層邊坡失穩(wěn)破壞模式

巖土二元結(jié)構(gòu)邊坡一般為上覆土層、下為巖石的二元結(jié)構(gòu)。這種邊坡，巖土分界面常傾向高速公路，即潛在滑移方向與坡向一致，由于高速公路的修建，將上覆土層與下部基巖的巖土分界面切穿，造成了邊坡前緣剪出口臨空，破壞了以前堆積體的整體完整性和平衡狀態(tài)，在連續(xù)強降雨等因素的影響下，土體重度增加，巖土分界面的黏土層或土體中的軟弱層飽水軟化，潛在滑帶土抗剪強度降低，最終可能形成覆蓋土層滑坡，又常表現(xiàn)為土質(zhì)牽引式滑坡。土體厚度較大時也可能產(chǎn)生沿土體內(nèi)部的圓弧式滑動。廣鄰高速公路K1 666邊坡變形即為該模式。

巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)破壞模式與不同力學性質(zhì)的巖層組合密切相關(guān)，從邊坡工程角度分析，紅層地區(qū)巖質(zhì)邊坡主要失穩(wěn)破壞模式見表1。

3.2.1 泥巖為主的層狀結(jié)構(gòu)

巖質(zhì)邊坡巖體以泥質(zhì)巖為主，如泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖等。巖性較為單一的軟巖坡體邊坡病害一般表現(xiàn)為以碎落為主，部分高陡邊坡有發(fā)生“軟弱基座式壓致拉裂型”滑移變形破壞的可能。

3.2.2 砂泥巖互層結(jié)構(gòu)

砂泥巖互層結(jié)構(gòu)又分為厚層砂巖在上厚層泥巖在下的結(jié)構(gòu)、厚層泥巖在上厚層硬巖在下的結(jié)構(gòu)、中～薄層狀砂泥巖互層的結(jié)構(gòu)。

(1) 厚層砂巖在上厚層泥巖在下的結(jié)構(gòu)

① 滑移破壞：厚層砂泥巖互層的結(jié)構(gòu)在地質(zhì)構(gòu)造過程中容易產(chǎn)生層間錯動，形成軟弱夾層，厚層砂泥巖互層坡體中的砂巖張開構(gòu)造節(jié)理發(fā)育(特別是兩組陡傾裂隙)，常成為地表水和地下水滲透的通道，地表水下滲至下伏泥巖等軟巖，而泥巖為相對不透水層，且泥巖具有浸水軟化的特征，地下水長期浸泡后形成軟弱面，上覆砂巖在裂隙水壓力的作用下，沿下伏軟弱面常形成滑坡。

② 崩塌、楔形塊體滑移變形破壞：砂泥巖互層的結(jié)構(gòu)常因砂泥巖間的差異性風化，在下伏泥巖中形成深大凹腔，上覆砂巖受構(gòu)造作用及邊坡開挖卸荷、爆破等因素的影響，巖體節(jié)理裂隙較為發(fā)育(特別是陡傾裂隙發(fā)育)，受外傾層面和兩組陡傾裂隙的控制，形成不利結(jié)構(gòu)面組合，并因下部泥巖內(nèi)形成了凹腔，上覆砂巖失去支撐常發(fā)生崩塌掉塊或楔形塊體滑移變形破壞。

(2) 厚層泥巖在上厚層砂巖在下的結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)由于上部泥巖為相對不透水層，地表水和地下水不易往下滲透，下部砂巖的構(gòu)造節(jié)理中不易充水，不會形成過大的裂隙水壓力，故這種結(jié)構(gòu)相對較為穩(wěn)定，邊坡病害以上部軟巖風化碎落、下部硬巖表層小規(guī)模崩塌掉塊為主。

(3) 中～薄層狀砂泥巖互層的結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)的邊坡病害主要以小規(guī)模崩塌、楔形體塊體滑移破壞為主。

3.2.3 巨厚層砂巖為主的層狀結(jié)構(gòu)

邊坡巖體以巨厚層砂巖為主，偶爾夾有薄層泥巖，但薄層泥巖的分布位置和力學性質(zhì)對坡體失穩(wěn)模式有重要的影響。砂巖體主要受構(gòu)造作用及邊坡開挖卸荷的影響，巖體節(jié)理裂隙較為發(fā)育，在不利的結(jié)構(gòu)面組合下形成危巖體，且這種結(jié)構(gòu)整體為相對透水層，在強降雨等條件下，在砂巖體內(nèi)易形成較高水頭的裂隙水壓力，最終可能產(chǎn)生較大規(guī)模的崩塌災害。

表1 巖質(zhì)邊坡巖體結(jié)構(gòu)類型與變形破壞模式特征

根據(jù)紅層邊坡失穩(wěn)破壞特征，對邊坡穩(wěn)定性最為不利和公路運營安全危害最大的是順層滑坡、平推式滑坡和“軟弱基座式壓致拉裂型”滑移變形破壞，其次是楔形體滑動和崩塌災害，小規(guī)模掉塊及風化碎裂不影響公路邊坡整體穩(wěn)定且危害最小。因此，緩傾順層或小角度順層斜交與厚層砂巖夾泥巖的組合為最為不利的坡體結(jié)構(gòu)特征，反傾或大角度相交(正交)與厚層泥巖夾砂巖的組合為最為有利的坡體結(jié)構(gòu)特征。

4 紅層邊坡穩(wěn)定性量化動態(tài)評價方法

4.1 邊坡穩(wěn)定性評價指標

在野外調(diào)查的基礎上，針對巖土二元結(jié)構(gòu)邊坡，采用邊坡坡高、坡比、坡面形態(tài)、變形特征、土體地質(zhì)成因、土體厚度、巖土分界面傾角、人類工程活動、地下水特征、降雨量、地震烈度等特征因素作為量化評價基礎指標，對邊坡穩(wěn)定狀況進行量化評價。巖質(zhì)邊坡量化評價基礎指標包括坡高、坡比、變形特征、巖性組合關(guān)系、巖層產(chǎn)狀與路線關(guān)系、巖石風化程度、節(jié)理發(fā)育程度、地下水特征、降雨量、地震烈度等因素。對每個基礎指標分4個量級進行劃分和打分，指標權(quán)重系數(shù)及分值根據(jù)紅層邊坡變形失穩(wěn)調(diào)查結(jié)果和專家經(jīng)驗取得。巖土二元結(jié)構(gòu)邊坡穩(wěn)定狀況量化評價體系見表2，巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定狀況量化評價體系見表3。

表2 巖土二元結(jié)構(gòu)邊坡穩(wěn)定狀況量化評價體系

表3 巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定狀況量化評價體系

4.2 邊坡穩(wěn)定性量化評價及對策

在通過現(xiàn)場調(diào)查獲取邊坡特征信息后，即可根據(jù)表2、3對邊坡穩(wěn)定性進行量化評價，每項分類指標得分合計為該邊坡的量化評價總分。量化評價總分等級標準：100～80為不穩(wěn)定，79～60為欠穩(wěn)定，59～40為基本穩(wěn)定，39～11為穩(wěn)定。如表4所示，針對邊坡穩(wěn)定性不同的量化評價等級，管理部門可采用相應措施進行分級管理。

5 工程實例

5.1 工程概況

四川紅層地區(qū)某典型山區(qū)高速公路，路線全長約214 km，主要穿越川中丘陵區(qū)。沿線出露的地層主要有中侏系上沙溪廟組、中統(tǒng)遂寧組、蓬萊鎮(zhèn)組、遂寧組等紅層地層以及第四系冰水堆積層、全新統(tǒng)河流堆積層、崩坡積層、殘積層、滑坡堆積層等。地層巖性以砂泥巖為主，沿線邊坡結(jié)構(gòu)類型主要為巖土二元結(jié)構(gòu)及巖質(zhì)邊坡結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)場調(diào)查包含了全線10 m高度以上的所有邊坡，累計398個邊坡，對各邊坡的起止里程樁號、邊坡長度、邊坡最大高度、邊坡坡向、巖層與坡向的關(guān)系、地層、巖性、層面產(chǎn)狀、主要節(jié)理裂隙產(chǎn)狀、主要地質(zhì)特征和變形情況等邊坡特征要素進行了詳細的調(diào)查。將邊坡特征要素和照片等作為邊坡基礎信息錄入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，采用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，基于三層B/S結(jié)構(gòu)開發(fā)了邊坡信息管理與決策支持系統(tǒng)可以對邊坡基礎信息進行查詢、編輯管理，包括公路邊坡基礎特征信息及照片等。公路管理部門通過登錄互聯(lián)網(wǎng)即可在線查詢、管理邊坡工程信息。

表4 邊坡穩(wěn)定性分級及管理對策

5.2 分類統(tǒng)計結(jié)果

對全線邊坡按照：邊坡最大高度≤20、20～30、30～40、40～50、>50 m 5種類型進行統(tǒng)計，其中最大高度位于30～40 m間的邊坡為110處，占比最大，全線邊坡按照巖質(zhì)邊坡和巖土二元結(jié)構(gòu)邊坡分為兩大類，全線邊坡以巖質(zhì)邊坡為主，約為390處少量為巖土二元結(jié)構(gòu)邊坡。

根據(jù)巖層傾角將巖質(zhì)邊坡分為近水平地層邊坡(傾角<8°)和傾斜地層(一般傾角8～15°，極個別30～45°)邊坡兩類分別進行統(tǒng)計，其中近水平地層邊坡374處，僅少量為傾斜地層邊坡。近水平地層邊坡根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)進一步細分為以下3類進行統(tǒng)計：近水平厚層砂巖為主的層狀結(jié)構(gòu)邊坡、近水平砂泥巖互層的層狀結(jié)構(gòu)邊坡、近水平厚層泥巖為主的層狀結(jié)構(gòu)邊坡。傾斜地層邊坡也根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)進一步細分為以下3類進行統(tǒng)計：傾斜地層厚層砂巖為主的層狀結(jié)構(gòu)、傾斜地層砂泥巖互層的層狀結(jié)構(gòu)、傾斜地層厚層泥巖為主的層狀結(jié)構(gòu)3類。其中以近水平地層邊坡以泥巖(45%)和近水平砂泥巖互層邊坡(45%)為主，傾斜巖層邊坡以傾斜砂泥巖互層邊坡為主(占87%)。

全線邊坡按照邊坡的潛在破壞模式，分別按潛在土質(zhì)滑塌(坡)、潛在巖質(zhì)滑坡(塌)、碎落、崩塌4種災害類型進行統(tǒng)計，其中潛在破壞模式以碎落(195個)和崩塌(155個)為主，少量邊坡存在滑坡和滑塌風險。

5.3 動態(tài)評價結(jié)果及對策

根據(jù)邊坡量化評價體系，建立了邊坡量化在線動態(tài)評價系統(tǒng)。如圖1、2所示，在系統(tǒng)中輸入邊坡量化信息后可自動對邊坡穩(wěn)定性進行評價。在定期現(xiàn)場核查后，可對量化信息進行修正，以形成邊坡穩(wěn)定健康動態(tài)評價。根據(jù)目前現(xiàn)場調(diào)查的邊坡特征信息，如圖3所示，全線共9處巖土二元結(jié)構(gòu)邊坡，其中不穩(wěn)定邊坡為4處。如圖4所示，全線巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定狀況以基本穩(wěn)定和穩(wěn)定為主，其中不穩(wěn)定邊坡11處。

圖1 巖土二元結(jié)構(gòu)邊坡穩(wěn)定性在線量化評價

圖2 巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性在線量化評價

圖3 巖土二元結(jié)構(gòu)邊坡穩(wěn)定性量化評價結(jié)果

圖4 巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性量化評價結(jié)果

根據(jù)邊坡穩(wěn)定性動態(tài)評價結(jié)果，有針對性地對邊坡開展了日常巡查、常規(guī)監(jiān)測和處治加固。以兩處典型邊坡處治實例進行說明。

(1) K1 845+275～K1 845+450左側(cè)邊坡為近水平巖層結(jié)構(gòu)邊坡，邊坡地層巖性以泥巖為主，邊坡高44 m，5級邊坡。原邊坡采用掛網(wǎng)植草綠化防護，受長年降雨、風化等外部營力因素的影響，坡腳處強風化的泥巖層軟化，抗剪強度急劇降低，再加上邊坡高陡，巖層易發(fā)生“軟弱基座式壓致拉裂型”滑移變形破壞，邊坡坡腳處的邊溝側(cè)壁有往公路方向位移現(xiàn)象，經(jīng)量化分級評價為不穩(wěn)定邊坡。根據(jù)持續(xù)觀測結(jié)果，邊溝蓋板隨后繼續(xù)出現(xiàn)了反翹、拱起跡象，最大拱起高度為3～5 cm。上部第4級平臺也出現(xiàn)寬5～20 cm的裂縫。種種跡象表明邊坡有發(fā)生整體滑動的可能，因此對該邊坡采取了應急加固處治。

(2) K1 941+480～K1 942+000右側(cè)邊坡為巖土二元結(jié)構(gòu)邊坡，高41 m，土層厚度10～15 m。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，受降雨等因素的影響，邊坡上的2級邊坡有淺層滑動變形特征，量化評價為不穩(wěn)定邊坡。后經(jīng)持續(xù)觀測，2級邊坡上后緣持續(xù)下錯0.5～1.0 m，后緣裂縫寬10～40 cm，受前緣變形牽引，3級邊坡后緣也下錯1.0～1.8 m，后緣裂縫寬10～50 cm，且邊坡變形已推擠至2級邊坡平臺上的邊溝，并致使邊溝開裂、變形，有形成整體滑坡的可能。因此也對該邊坡采取了應急支擋加固措施。

6 結(jié)論

(1) 針對公路運營期邊坡長期穩(wěn)定性動態(tài)劣化的特征，在深入分析紅層地區(qū)邊坡坡體結(jié)構(gòu)和失穩(wěn)破壞模式的基礎上，建立了基于時效變形特征的公路邊坡長期穩(wěn)定性量化評價體系。

(2) 針對公路邊坡點狀分布、數(shù)量較多的特點，基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立了公路邊坡基礎信息數(shù)據(jù)庫，開發(fā)了邊坡穩(wěn)定性在線量化評價系統(tǒng)，實現(xiàn)了公路邊坡長期健康動態(tài)管理。

(3) 以某典型紅層山區(qū)高速公路為例，詳細調(diào)查了398處邊坡特征信息，利用在線評估系統(tǒng)對邊坡特征進行了分類統(tǒng)計和動態(tài)評價，根據(jù)動態(tài)評價結(jié)果，對邊坡進行了及時處治和分類管理，提升了公路邊坡防災減災信息化管理水平。