某高速公路滑坡治理與邊坡預加固工程實例分析

黃綱領, 劉修平

(1.中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100097；2.天水師范學院，甘肅 天水 741000)

在西部山區(qū)建設高速公路不僅是國家西部大開發(fā)戰(zhàn)略，還是加速西部貧困山區(qū)和當?shù)匕傩彰撠氈赂恢贰Ｒ蚴苈肪€指標、地形條件、工程造價等諸多綜合因素制約，西部山區(qū)修筑公路在特殊路段不可避免地采用深挖路塹工程，這會打破原有坡體自穩(wěn)，誘發(fā)工程滑坡，已是山區(qū)公路施工建設的重點和難點之一[1]。

目前，為了避免或有效減少深挖路塹引發(fā)工程滑坡問題，常在設計與施工2個階段給予高度重視[2-5]。在路線設計階段，一般通過合理調整路線平面位置、優(yōu)化路線指標來減少深挖路塹，當遇到不可避免的深挖路塹工程時，需進行針對性的工點勘察與設計；在工程施工階段，可采用坡面開挖后及時進行坡面防護、完善臨時排水、合理選擇施工季節(jié)、做好施工監(jiān)測等措施有效減少滑坡[6-8]。但對設計階段未進行工點設計的二、三級邊坡、地勘中未揭露的富水邊坡、存在軟弱結構面的邊坡是設計階段的薄弱環(huán)節(jié)，加之降雨影響、冷熱交替下的凍融循環(huán)，施工中未注意臨時排水，導致工程滑坡仍時有發(fā)生[9]。

本文以某高速K171+140～+361段滑坡治理與K171+361～+440段邊坡預加固工程為例，通過邊坡多次滑動過程的描述，補充地質調查與勘探結果分析，首先定性評價滑坡類型，總結滑坡發(fā)生原因與誘發(fā)機制，評估滑坡段邊坡與相鄰未發(fā)生滑坡段邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)；其次，通過對邊坡斷面穩(wěn)定性分析計算，得出需要預加固處理的段落，提出樁板墻、擋土墻、護面墻、截排水等多項工程措施相結合的滑坡綜合治理方案和相鄰未發(fā)生滑坡段的預加固方案，最后基于北斗在線實時監(jiān)測系統(tǒng)采集治理前、治理中、治理后的邊坡變形數(shù)據(jù)，用以評價所提方案的治理效果，從而為類似工程的治理提供了較好的借鑒實例。

1 工程概況

1.1 工程簡介

西部某高速是國家高速公路網(wǎng)重要組成部分，總體走向由東北向西南，采用雙向4車道，路幅寬度24.5 m，設計速度為80 km/h。

K171+140～+440段路基原設計為挖方路基，路線右側為二、三級挖方邊坡，其中K171+140～+290 右側為二級邊坡，K171+290～+440段右側為三級邊坡，2段邊坡開挖及支護參數(shù)如表1所示。

表1 K171+140～+440段右側路塹邊坡開挖及支護情況

1.2 地質條件

勘測區(qū)屬于構造剝蝕中低山斜坡地貌，山脊走向近南北向，地面標高2 218 m～2 266 m，相對高差約48 m，山坡面東傾，自然邊坡坡度20°～25°，表層覆蓋殘坡積粉質粘土，現(xiàn)為種植地，呈臺階狀。在勘探深度范圍內，自上而下巖性可分為：第四系全新統(tǒng)殘坡積粉質粘土；下伏古近系(E)含礫泥質砂巖、泥巖、頁巖、粉細砂巖風化層，巖層產(chǎn)狀155°∠6°。依據(jù)補充地質勘察報告及室內試驗資料，護坡范圍內巖土體物理力學參數(shù)如表2所示。

表2 巖土體物理力學指標

勘探期間實測穩(wěn)定地下水位5.2 m～19.5 m，項目區(qū)巖層裂隙發(fā)育，地下水沿孔隙向下滲，遇隔水巖組頁巖后沿頁巖層面向外排泄，在開挖面上形成滲水線。

2 滑坡過程及成因分析

2.1 滑坡過程

K171+140～+361段邊坡前后共出現(xiàn)3次滑動。2017年8月17日，因連續(xù)降雨，K171+165～+212 段第二級邊坡出現(xiàn)坍塌，K171+212～+266段坡頂出現(xiàn)裂縫；2018年3月15日，經(jīng)春季凍融后，之前垮塌的段落向大里程方向發(fā)展，K171+140～+300 段邊坡發(fā)生滑動；2018年7月10日，受連續(xù)暴雨天氣影響，滑坡再次向大里程方向發(fā)展，并在K171+300～+361段邊坡發(fā)生滑動，此段滑坡縱向長度約55 m，滑坡橫寬約125 m，滑體平均厚度約5 m。經(jīng)勘查判定，該段滑坡屬于淺層坍塌型錯層滑坡，三級邊坡坡面已施工的拱形骨架、一級邊坡已施工的錨桿框架梁被損壞，如圖1所示。

圖1 滑坡總體情況現(xiàn)場照片

經(jīng)過上述3次滑動，該滑坡最終形成K171+140～+361段縱向總長度221 m、滑體平均厚度6.0 m、縱深最大處145 m的小型土質工程滑坡?；驴傮w向路塹開挖臨空方向滑動，主滑動方向為89°，滑坡后緣與剪出口垂直高度差22 m，路塹邊坡垮塌形成圈椅狀地貌，后緣陡坎高3 m～5 m，路塹邊坡自后緣截水溝至坡腳均發(fā)生損毀。

2.2 成因分析

為合理進行滑坡治理工程設計，保障路線邊坡施工及后期公路運營安全，對K171+140～500段右側挖方邊坡的地質情況進行了地質調查與勘探，并根據(jù)地質調查和勘探結果對滑坡成因及滑動機制、邊坡穩(wěn)定狀態(tài)進行定性分析[10-12]。

K171+140～K171+300路塹段地層巖性自上而下依次為坡殘積粉質粘土，古近系(E)半成巖以含礫泥質砂巖、泥巖、粉細砂巖為主，間夾薄層頁巖，巖層產(chǎn)狀155°∠6°。路塹邊坡開挖后形成高陡邊坡，形成外傾臨空面。上部坡殘積覆蓋層、砂巖和泥質砂巖的強風化層屬于強透水層，下部頁巖為相對隔水層，導致地下水下滲在頁巖頂面富集，受地下水浸泡的頁巖飽水軟化，甚至成泥狀，強度急劇降低，形成軟弱滑動面，路塹邊坡上部巖土體沿遇水軟化的頁巖面滑動，形成淺層牽引式類土質滑坡，屬于半成巖地層順層平面型滑動。

K171+300～K171+361段邊坡一級邊坡出露地層以砂質泥巖為主、間夾薄層頁巖，二級邊坡出露地層以含礫砂巖、泥巖、泥質砂巖為主，三級邊坡為薄層覆蓋層、全風化泥質砂巖。連續(xù)強降雨坡面匯水下滲導致邊坡巖土體飽和，強度顯著降低，一級邊坡巖體地下水滲出現(xiàn)象明顯，邊坡坡腳存在積水。在上覆巖土體自重作用下坡腳飽和砂質泥巖剪切破壞，導致路塹邊坡發(fā)生淺表層坍塌，坡面已施工拱形骨架、框架梁被損壞，如圖1所示。

綜上分析，K171+140～K171+361段地層巖性以砂、泥巖為主，上覆有全風化泥質砂巖，在連續(xù)強降雨、凍融循環(huán)及坡面長時間臨空為外界環(huán)境條件下，雨水下滲并在薄弱面富集浸泡為誘因，多重因素綜合影響最終導致滑坡形成，滑坡平面分布如圖2所示。

圖2 滑坡平面分布示意

3 邊坡穩(wěn)定性分析及治理加固方案

3.1 邊坡穩(wěn)定情況數(shù)值計算

根據(jù)設計參數(shù)推薦值及潛在邊坡的破壞邊界條件和可能失穩(wěn)方式，邊坡沿最危險滑動面滑動，按此破壞模式，根據(jù)JTG D30—2015《公路路基設計規(guī)范》中不平衡推力傳遞系數(shù)法進行計算，其計算原理如圖3所示。

圖3 剩余下滑力計算圖示

剩余下滑力計算公式如下：

Ti=FsWisinαi+ψiTi-1-Wicosαitanφi-ciLi(當Ti<0時，應取Ti=0)

ψi=cos(αi-1-αi)-sin(αi-1-αi)tanφi

式中：Ti、Ti-1分別為第i和i-1滑塊剩余下滑力，kN/m；Fs為穩(wěn)定系數(shù)；Wi為第i滑塊的自重力，kN/m；αi、αi-1分別為第i和i-1滑塊對應滑面傾角，(°)；φi為第i滑塊滑面內摩擦角，(°)；ci為第i滑塊滑面巖土粘聚力，kN/m；Li為第i滑塊滑面長度，m；ψi為傳遞系數(shù)。

以K171+255斷面為例，計算模型如圖4所示，各斷面計算結果如表3所示。

注：1.①～⑥巖性見表2；2.單位：cm。

由表3計算結果可知，邊坡正常工況下穩(wěn)定性系數(shù)為0.86～1.28，非正常工況(選取暴雨或連續(xù)降雨工況與地震工況中的最小值)下穩(wěn)定性系數(shù)為0.78～1.11，均小于JTG D30—2015《公路路基設計規(guī)范》高速公路正常工況穩(wěn)定安全系數(shù)1.20～1.30、非正常工況1.10～1.20要求。路塹邊坡K171+370、K171+410、K171+440段正常工況下穩(wěn)定性系數(shù)為1.17～1.27，非正常工況下穩(wěn)定性系數(shù)為0.85～1.04，分別小于正常工況1.20～1.30、非正常工況1.10～1.20規(guī)范要求。因此，在連續(xù)降雨、地震作用以及邊坡開挖等因素擾動下將進一步下滑，擴大邊坡垮塌范圍，K171+440路段以后的邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

表3 邊坡穩(wěn)定性計算結果

3.2 滑坡治理及預加固方案

3.2.1 一級邊坡防護及排水方案

對K171+140～K171+356段一級挖方邊坡防護形式進行調整，因K171+140～K171+240段滑動面位于一級邊坡坡頂以上，K171+140～K171+240段一級邊坡刷坡至設計位置后，坡面采用孔窗式護面墻防護，以便于墻后邊坡滲水可及時排出，邊坡高度8.0 m，護面墻邊坡防護高度6 m，上部2.0 m順坡至一級平臺抗滑樁外露段底部，坡面采用50 cm厚石灰土封水層封閉。

K171+240～K171+344段滑坡剪出口位于一級坡面高度范圍內，坡面采用C25片石混凝土抗滑擋土墻防護，墻高7.5 m。

K171+344～K171+362段采用樁板墻防護，抗滑樁布置在碎落臺中心偏路線方向60 cm位置，樁長16 m，外露6.0 m，樁徑2.0 m，樁身及樁后擋土板混凝土強度C30，樁間距6.0 m。

3.2.2 二級邊坡防護及排水方案

在K171+172～K171+346段一級挖方邊坡坡頂平臺上設置30根抗滑樁，樁長根據(jù)滑動面標高位置調整，樁后掛設擋土板，抗滑樁外側邊緣與二級平臺外緣平齊[13]。其中K171+172～K171+232段樁長16 m，外露6 m，樁徑2 m，樁間距6 m；K171+232～K171+262段樁長24 m，外露6 m，樁徑2.2 m，樁間距6 m；K171+262～K171+346段樁長26 m，外露8 m，樁徑2.2 m，樁間距6 m。

為方便施工，避免在滑坡體上人工挖孔的成樁風險，抗滑樁采用圓形截面樁，在一級邊坡平臺上清理出樁機作業(yè)面，下部樁體采用泥漿護壁機械成孔，灌注混凝土的工藝施工，外露樁體采用支模澆筑混凝土的工藝施工。

3.2.3 三級邊坡防護及排水方案

K171+140～K171+346段二級樁板墻墻頂以上邊坡相對較高，但考慮抗滑樁施工及掛板時需要開挖工作面，工作面回填后，擋土墻與截水溝距離較遠，設計對坡面進行刷坡修整，放緩坡率，對坡面進行修整綠化，三級坡頂修筑截水溝，滑坡段防護典型斷面如圖5所示。

單位：cm

3.2.4 未滑坡段預加固方案

K171+361～K171+440段現(xiàn)狀邊坡坡面在正常工況下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，在非正常工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)?？紤]計算邊坡穩(wěn)定狀態(tài)時未考慮防護為坡面穩(wěn)定的正面效應，邊坡在非正常工況下處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。為提高邊坡穩(wěn)定性的安全儲備，對K171+361～K171+440段邊坡采取以下加固措施。

設計采用在一級邊坡坡腳碎落臺中線偏路線方向60 cm位置增設一排樁板墻，墻后回填夯實，對坡腳進行加固反壓處理。抗滑樁采用圓形截面樁，樁徑2.0 m，樁間距6.0 m，樁長16 m，嵌固深度10 m，外露6.0 m?？够瑯恫贾媒Y束位置K171+440處樁后側與現(xiàn)狀坡面間采用C30混凝土澆筑封堵墻，墻厚40 cm，樁板墻后填土夯填密實，預加固段防護斷面如圖6所示。

單位：cm

4 監(jiān)測及治理效果評價

滑坡治理過程中及治理完成后，邊坡采用北斗在線實時監(jiān)測系統(tǒng)進行變形監(jiān)測，治理工程自2019年4月開始施工，2019年7月中旬完成，本工程設計共布設3條監(jiān)測斷面，7個GNSS監(jiān)測點，1個雨量監(jiān)測點，在開闊穩(wěn)固地段布設1個北斗監(jiān)測基準點，監(jiān)測點布設如圖7所示。

圖7 北斗在線監(jiān)測點布設

監(jiān)測點①～④及降雨量監(jiān)測點自滑坡治理施工開始監(jiān)測，監(jiān)測點⑤～⑦自滑坡治理完畢后開始監(jiān)測，監(jiān)測點⑥～⑦布置在抗滑樁樁頂。其中Δx(E)為監(jiān)測點東西向位移，Δy(N)為監(jiān)測點南北向位移，Δz(U)為監(jiān)測點豎向位移，選取代表性監(jiān)測點結果進行分析，監(jiān)測點③、監(jiān)測點⑥的實測結果如圖8所示。

由圖8(a)可知，監(jiān)測點③實時數(shù)據(jù)變化較大點發(fā)生在滑坡工程治理實施過程中(2019年5月—7月)，主變形方向與滑坡滑動方向一致，但位移量總體較小，這主要是滑坡治理施工擾動邊坡土體所致，滑坡治理完成后，邊坡重新趨于穩(wěn)定，后續(xù)基本無變形。由圖8(b)可知，監(jiān)測點⑥實測數(shù)據(jù)表明抗滑樁施工完成后，抗滑樁變形非常小，支護結構穩(wěn)定，滑坡治理效果良好。從圖8實時動態(tài)曲線可見，監(jiān)測結果局部時段波動較大，這是因GPRS數(shù)據(jù)傳輸通道擁堵所致，使得系統(tǒng)解析精度下降，但短時間的波動不影響各監(jiān)測點總體變形變化趨勢[14-15]。

(a)監(jiān)測點③位移-時間監(jiān)測曲線

滑坡治理完成后現(xiàn)場照片如圖9所示。圖9顯示，防護結構整體平順協(xié)調，裸露坡面采用當?shù)貥洳莘N綠化恢復，與周邊環(huán)境高度融合，路容路貌得到較好提升。目前公路已運營通車，后續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)表明邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，地質生態(tài)環(huán)境得到較好恢復和改善。

圖9 治理后邊坡情況

5 結論

1)此滑坡發(fā)生在一般挖方路塹段，主滑段邊坡垂直總高度不足20 m，設計坡面防護形式也較強，但仍發(fā)展成較大的工程滑坡，主要誘因之一是地下水與地表水下滲。據(jù)此，在路塹邊坡勘察設計時，應重點關注地下水影響范圍，著重揭露富水邊坡及存在軟弱結構面的邊坡段落，以便提前進行針對性的工點設計，預防邊坡滑動形成滑坡風險。

2)該滑坡前后共發(fā)生3次滑動，滑坡范圍不斷擴大，除地下水、雨雪、凍融循環(huán)等自然因素外，土方開挖與邊坡防護工序不連貫，邊坡支護結構施作不及時，臨空面長期暴露也是本次滑坡發(fā)生并不斷擴大的主要誘因之一。據(jù)此，在邊坡施工中應做好開挖與防護工序銜接，坡面應及時防護封閉，同時做好截排水措施。

3)在制定本滑坡治理方案時，對采用圓形抗滑樁與方形抗滑樁進行了對比論證，選擇了施工速度快、機械化程度高的圓形抗滑樁，能充分契合該滑坡下滑推力較小、坡面需要及時防護的主要特點，同時結合樁后擋土板、擋土墻、護面墻、截排水等多重措施有效抑制滑坡變形，起到了良好的治理效果。

4)在邊坡施工及治理過程中，北斗在線實時監(jiān)測系統(tǒng)能準確有效地反饋施工邊坡穩(wěn)定狀態(tài)，有助于監(jiān)控施工安全風險和對滑坡治理效果的評估。