公路邊坡自然災害整治加固工程動態(tài)施工及穩(wěn)定性分析

■吳志煒

（南平市松溪縣交通事業(yè)發(fā)展中心， 南平 353500）

近年來，福建省公路事業(yè)飛速發(fā)展已經(jīng)進入了后公路時代，公路養(yǎng)護成為一個重要的課題，公路養(yǎng)護中邊坡自然災害問題（特別是邊坡水毀）日益凸顯，對公路的使用壽命和及安全通行產(chǎn)生了極大影響，阻礙了公路事業(yè)的進一步發(fā)展。 因此，公路邊坡自然災害整治研究對推動公路的發(fā)展建設(shè)有著重要意義[1-5]。 本研究基于南平市某山區(qū)公路邊坡水毀的工程實例，通過有限元法和極限平衡法計算加固前后邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)， 并與現(xiàn)場實際結(jié)合，提出相應整治加固措施。

1 工程概況

白馬嶺公路隸屬于國道某線，是南平市松溪縣境內(nèi)的山區(qū)二級公路。 該公路BK0+060.000～K9+940.000 段右側(cè)邊坡最高約32.0 m， 段落總長約210 m，該邊坡為土質(zhì)邊坡，坡體上覆坡積含碎石粉質(zhì)粘土、全風化凝灰質(zhì)砂礫巖、砂土狀強風化凝灰質(zhì)砂礫巖，下伏碎塊狀強風化凝灰質(zhì)砂礫巖，土體破碎。 當?shù)氐靥師釒Ъ撅L氣候，雨水較多，受雨水沖刷，邊坡發(fā)生水毀現(xiàn)象。 邊坡破壞情況如圖1 所示，坡面產(chǎn)生溜塌，坡面有不利結(jié)構(gòu)面，但未形成滑動面，后緣無下錯裂縫。 為保證邊坡穩(wěn)定及公路行車安全，需要進行動態(tài)加固施工。

2 邊坡水毀成因分析

2.1 地形地貌因素

本處水毀位置位于山坳下部， 修建該公路時，對此山坳進行大開挖，破壞了既有排水體系，且山坳處匯水面積較大，水量較大，對原邊坡安全產(chǎn)生較大的影響。

2.2 地質(zhì)因素

該處邊坡地層層數(shù)較多，土層發(fā)育與坡面方向一致，且上覆土層大部分透水性較好。 邊坡加固后，地表水下滲不僅容易在土巖交界處形成富水軟弱層，而且還會引起坡體整體地下水位升高，坡體自重增大，進而增大下滑力，同時地下水的存在會使得土體的力學指標下降。 長年累月之后，特別是受到大雨沖刷，邊坡容易在各土層交接處沿邊坡方向發(fā)生滑移，引發(fā)邊坡失穩(wěn)的水毀事故。

2.3 氣候因素

水毀事故的發(fā)生歸根結(jié)底是“水”的因素。 現(xiàn)場拱形骨架坡面未及時施工， 坡面未完成綠化措施，導致坡面遭受沖刷。 同時，邊坡主要以富水土質(zhì)地層為主，設(shè)計未充分考慮坡體排水問題。

3 加固方案設(shè)計

3.1 防護加固工程設(shè)計方法

根據(jù)JTG D30-2015 《公路路基設(shè)計規(guī)范》，二級公路路塹邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)應滿足表1 相應的規(guī)范要求。

表1 路塹邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)

動態(tài)設(shè)計原則：針對穩(wěn)定的邊坡，在以上3 種工況下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)均能滿足相應規(guī)范要求，則可不增設(shè)支擋加固工程維持邊坡總體穩(wěn)定，但必要時可調(diào)整邊坡坡率或增設(shè)防護工程措施來達到邊坡加固的效果。

3.2 坡率設(shè)置及加固措施

邊坡最高4 級，各級邊坡坡率及防護加固工程措施為：第一級坡率設(shè)置為1∶0.75，拆除原已開裂防護墻，采用C20 片砼防護面墻；第二級坡率設(shè)置為1∶1.0，采用預應力錨索框架（框架內(nèi)植草灌防護）；第三級同第二級；第四級坡率設(shè)置為1∶1.25，采用預應力錨索框架（框架內(nèi)植草灌防護）。 邊坡加固措施如圖2 所示。

圖2 防護加固立面圖

3.3 坡面防護

坡面可根據(jù)邊坡坡率及具體地質(zhì)條件采用拱形骨架噴草（植灌）或液壓客土噴草（植灌）來進行坡面防護。

3.4 排水措施

邊坡第一級至第四級均設(shè)置排水平孔，孔深為15 m，上仰角設(shè)置在8°～15°之間，其中第一級設(shè)置間距為5 m，第二至第四級設(shè)置間距為10 m。

4 邊坡穩(wěn)定性分析

4.1 邊坡穩(wěn)定性動態(tài)分析

在邊坡動態(tài)設(shè)計施工中，必須進行力學計算分析，有限元法和極限平衡法是力學計算分析可以采用的2 種重要方式。 有限元法和極限平衡法各有優(yōu)勢，同時采用2 種分析方法進行力學計算可以相互補充，互為驗證，更能確保邊坡的穩(wěn)定性。 本文以BK0+180 代表性斷面為例（圖3），分別采用有限元分析軟件和GeoStudio 中的slope 模塊進行分析，土層采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型， 用強度折減法計算白馬嶺公路邊坡的設(shè)計安全系數(shù)。

圖3 BK0+180 工程斷面示意圖

4.2 邊坡動態(tài)施工分析

邊坡發(fā)生水毀后，首先在只考慮邊坡自重作用力情況下， 對邊坡的力學行為和穩(wěn)定性進行分析，其次在逐步進行加固防護后，再進一步分析邊坡的力學行為和穩(wěn)定性；以此來確保邊坡動態(tài)設(shè)計的合理性。 計算模型選用的巖體力學參數(shù)如表2 所示，計算模型如圖4、5 所示。

表2 計算模型選用的巖土力學參數(shù)

圖5 極限平衡法整體計算模型

4.3 有限元法動態(tài)分析

有限元法動態(tài)分析過程具體如下： 從上到下，分別計算從第四級邊坡到第一級邊坡分級施工后的安全系數(shù)，判斷不同加固階段邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)是否滿足規(guī)范[6]要求，以此來動態(tài)分析其加固過程中的安全系數(shù)變化，從而判斷邊坡是否穩(wěn)定，是否需要進一步加固。

結(jié)果顯示：從邊坡防護加固后總體位移變化圖（圖6）可以看出邊坡最大位移出現(xiàn)在第三級邊坡上，也就是最有可能在這個地方出現(xiàn)溜塌，這也與現(xiàn)場溜塌的位置是基本一致的。 從表3 可以看出：不同工況不采取任何防護加固措施的情況下，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.08/0.96，不滿足相應規(guī)范要求，需進行邊坡加固；第四級邊坡加固后，不同工況整體安全系數(shù)為1.18/1.02，依舊不滿足規(guī)范要求，仍需要進行下一臺階加固。 按照上述方法，第一級臺階加固后，其安全系數(shù)為1.32/1.22，滿足規(guī)范要求。 因此，防護加固后邊坡BK0+180 代表性斷面最終的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.32/1.22，滿足相應規(guī)范要求。

圖6 邊坡防護加固后總體位移圖

表3 動態(tài)分析各階段安全系數(shù)

4.4 極限平衡法動態(tài)分析過程

采用極限平衡法對邊坡動態(tài)施工過程再次進行分析計算，與有限元法進行對比分析。 邊坡加固前后的安全系數(shù)如圖7～9 所示。

圖7 加固前的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)

圖8 第一至四級正常工況加固后邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)

圖9 第一至四級非正常工況加固后邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)

將表4 穩(wěn)定系數(shù)同表2 穩(wěn)定系數(shù)進行對比分析， 可以發(fā)現(xiàn)2 種分析方法的計算結(jié)果基本一致，故可判斷本次水毀的治理設(shè)計方案基本合理，能起到較好的加固效果。

表4 動態(tài)分析各階段安全系數(shù)

5 后期邊坡穩(wěn)定監(jiān)測

后期邊坡監(jiān)測是檢驗邊坡整治設(shè)計和施工效果的重要手段。 白馬嶺公路邊坡水毀整治工程在施工過程及結(jié)束后，為確保邊坡運營安全，對該邊坡進行監(jiān)測。 圖10、圖11 分別是坡頂D04～D09 監(jiān)測點的水平、豎向2 個方向的累計位移-時間曲線圖。

圖10 水平累計位移-時間曲線圖

圖11 豎向累計位移-時間曲線圖

從以上曲線圖可以看出：邊坡坡頂2 個方向的累計位移均隨著時間的推進， 其變化值慢慢變小，趨于穩(wěn)定，說明本次整治施工效果總體良好。

6 結(jié)論

本文通過對邊坡水毀原因進行系統(tǒng)性分析，根據(jù)現(xiàn)場實際，因地制宜，采取綜合性整治措施，結(jié)合有限元建模動態(tài)分析其邊坡加固的穩(wěn)定性安全系數(shù)，確定最終的整治方案。 經(jīng)過一段時間的運營監(jiān)測表明坡體已趨于穩(wěn)定，防護加固措施取得預期的效果。

類似邊坡設(shè)計或邊坡病害整治過程中，應充分考慮“水”的因素，因地制宜，以防為主，綜合采取加固措施，保證邊坡安全穩(wěn)定，重點做到：（1）邊坡防護施工應及時，合理安排施工計劃，避免邊坡開挖后長期暴露在極端天氣下，嚴格執(zhí)行邊開挖邊支護的原則。 （2）設(shè)計應充分考慮排水問題，應結(jié)合地形地貌，考慮地質(zhì)條件變化，水文地質(zhì)條件等進行預防性排水設(shè)計或加固設(shè)計。 （3）監(jiān)測工作作為指導施工及動態(tài)設(shè)計過程的重要手段，應在重要控制性工程建設(shè)過程中提前布控， 并制定合理監(jiān)測方案，及時預警，在病害前期（最佳時機）以較小的代價實現(xiàn)較好治理效果。