某高速公路滑坡穩(wěn)定性分析及治理方案設(shè)計(jì)

■趙守良

（貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司， 貴陽(yáng) 550081）

由于山區(qū)地帶復(fù)雜的地形地質(zhì)條件，修筑高速公路的難度往往很大，且施工過程中難免對(duì)原始地質(zhì)環(huán)境造成破壞， 由此引發(fā)的滑坡案例不在少數(shù)。對(duì)滑坡的分析治理一直是工程界研究熱點(diǎn)之一，陳平燕[1]分析了福建某高速順層滑坡產(chǎn)生的原因，并提出了綜合治理方案；魏淑艷等[2]以某公路高邊坡為例， 采用有限元數(shù)值模擬方法分析了邊坡穩(wěn)定性，并提出治理方案；薛承鵬等[3]對(duì)公路滑坡治理原則進(jìn)行了總結(jié)，并介紹了典型成果案例。 本文在前人的研究基礎(chǔ)上，以某高速公路滑坡為例，分析滑坡變形破壞特征及穩(wěn)定性，并提出處治措施，對(duì)類似項(xiàng)目有一定參考意義。

1 工程概況

該段公路地處貴州高原東南斜坡之黔中山原及華南低山丘陵區(qū)，受溶蝕-剝蝕影響，屬中等切割的侵蝕～溶蝕中低山地貌。 場(chǎng)地位于山間溝谷，地面標(biāo)高介于940～1015 m，相對(duì)高差75 m。區(qū)內(nèi)地表森林植被發(fā)育，坡谷狹窄為少量耕地，基巖局部出露于溝谷地帶。K3+700～K3+840 段線路從山間溝谷側(cè)下部挖方通過，K3+700、K3+840 處為坡體谷部，兩坡谷向上漸漸收縮至山頂， 該坡體總體三角形狀；該段挖方邊坡，下部路基面至山頂（1014.4 m）高度為59 m。

場(chǎng)區(qū)覆蓋層為殘坡積層（Qel+dl）粉質(zhì)粘土。 下伏基巖為三疊系中統(tǒng)新苑組（T2x）薄層狀粉砂質(zhì)泥巖。地層單斜產(chǎn)出， 場(chǎng)區(qū)巖層產(chǎn)狀總體為80～90°∠55～70°。 巖 體 主 要 節(jié) 理 有27°∠83°、30°∠40°、296°∠79°、340°∠55°，間距在50～200 mm，節(jié)理發(fā)育至極發(fā)育，巖體極破碎至破碎。挖方段受區(qū)域構(gòu)造擠壓影響，K3+768～+810 段巖層局部扭曲呈反傾或直立狀。

該段邊坡原設(shè)計(jì)為4 級(jí)邊坡， 坡率均為1∶1，每級(jí)邊坡高10 m，平臺(tái)寬2 m，第一級(jí)和第四級(jí)為錨桿框架植草防護(hù)、錨桿長(zhǎng)9 m，第二級(jí)和第三級(jí)為錨索框架防護(hù)。 該邊坡第四級(jí)開挖后進(jìn)行了錨桿及注漿施工， 第二、 三級(jí)邊坡開挖后進(jìn)行了錨索及注漿施工， 在施工坡面錨索過程中，2019 年4 月22 日下午，已開挖的邊坡坡體出現(xiàn)變形、開裂，第四級(jí)坡局部位移達(dá)70 cm，坡口線以外發(fā)現(xiàn)3 道裂縫，裂縫最寬處約20 cm，最遠(yuǎn)一道裂縫距開口線約45 m，下部K3+820 右側(cè)第一級(jí)邊坡坡面出現(xiàn)剪出口，邊坡出現(xiàn)不同程度的開裂滑移現(xiàn)象。滑坡區(qū)全貌如圖1 所示。

圖1 滑坡全貌

2 滑坡應(yīng)急處理及監(jiān)測(cè)

為防止邊坡進(jìn)一步滑動(dòng)，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)整段挖方路段下部采取了回填反壓的應(yīng)急措施，并對(duì)該滑坡進(jìn)行了地表監(jiān)測(cè)工作，共布置16 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中1～5 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置于邊坡第一級(jí)平臺(tái)、6～9 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置于邊坡第二級(jí)平臺(tái)、10～12 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置于邊坡坡口線外7 m 左右、13～16 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置于滑坡后緣裂縫處，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置如圖1 所示。監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖2所示。

圖2 滑坡位移監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)工作共歷時(shí)17 d，結(jié)果表明該滑坡地表監(jiān)測(cè)位移隨著時(shí)間在緩慢增長(zhǎng)。 1～9 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于滑坡前緣，由于邊坡反壓阻滑作用，監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大累計(jì)位移為0.438 m；10～16 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于滑坡后緣，受滑坡下滑推力作用，位移量較大，最大累計(jì)位移達(dá)到了0.739 m。

3 滑坡變形特征分析

該滑坡范圍與該段地形形態(tài)基本一致，總體呈三角形狀；滑坡長(zhǎng)約100 m，滑坡頂部寬約45 m、中部寬約88 m、底部寬約78 m，高差約40 m；面積約5672 m2；滑動(dòng)面最大深度20 m，體積約6.3 萬m3。據(jù)JTG C20-2011《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》[4]滑坡分類標(biāo)準(zhǔn)，該滑坡屬中型滑坡。 據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及分析，該滑坡的主要組成成分為殘坡積粉質(zhì)黏土，厚約1～2 m，強(qiáng)～中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖，巖體極破碎～破碎，坡體局部發(fā)育褶皺構(gòu)造，層間結(jié)合度差。 從坡體結(jié)構(gòu)看，該滑坡為破碎巖質(zhì)滑坡。 滑坡主滑方向?yàn)樾毕颍ㄏ虼髽短?hào)方向，與總體巖層傾向相一致，與路級(jí)坡線方向夾角約30°，平面見“X1 斷面線”）；前緣K3+735～K3+746 第2 級(jí)坡面見層面剪出口、K3+770～K3+800 第2 級(jí)坡面巖層沿巖層面裂開5 mm（裂開長(zhǎng)5～10 m）、K3+820 左右第1 級(jí)坡面（路基設(shè)計(jì)高向上約3 m）見剪出口；后緣見拉張裂縫（已連通，呈圈椅狀，縫寬最大50 cm、上下錯(cuò)臺(tái)最高0.6 m）；坡面至后緣裂縫之間見裂縫發(fā)育，已開挖坡面局部已坍塌，且后緣裂縫有沿著山體不斷往后延伸的趨勢(shì)，屬于典型的牽引式滑坡，滑坡處于蠕滑狀態(tài)，勘察結(jié)果表明滑動(dòng)面位于強(qiáng)、中風(fēng)化巖體交界面處，近似圓弧滑動(dòng)破壞。結(jié)合監(jiān)測(cè)結(jié)果，綜合分析該滑坡為牽引式滑坡，破壞模式為類均質(zhì)體圓弧滑動(dòng)破壞。

4 滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

4.1 滑坡物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合地質(zhì)調(diào)繪、工程類比手段，參考JTG D30－2015《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，綜合確定巖土體物理力學(xué)指標(biāo)（表1）。

表1 巖土主要物理力學(xué)參數(shù)

4.2 滑坡穩(wěn)定性計(jì)算

4.2.1 計(jì)算方法

對(duì)于規(guī)模較大的碎裂結(jié)構(gòu)巖質(zhì)滑坡，穩(wěn)定系數(shù)采用JTG D30-2015《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]推薦的簡(jiǎn)化Bishop 法計(jì)算，計(jì)算式如下：

滑坡推力采用JTG/T 3334-2018《公路滑坡防治設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]推薦的傳遞系數(shù)法計(jì)算，計(jì)算式如下：

式中：Fs為穩(wěn)定系數(shù)；Ks為安全系數(shù)；Ti、Ti-1為第i 和第i-1 滑塊剩余下滑力（kN/m）；Ψi為傳遞系數(shù);ci為第i 計(jì)算條塊滑面粘聚力（kPa）；φi為第i 計(jì)算條塊內(nèi)摩擦角（°）；li為第i 計(jì)算條塊滑面長(zhǎng)度（m）；θi為第i 計(jì)算條塊滑面傾角（°）；Wi為第i 計(jì)算條塊單位寬度自重（kN/m）。

4.2.2 計(jì)算結(jié)果

基于以上計(jì)算方法，本文利用GEO5 專業(yè)巖土軟件分別計(jì)算滑坡在正常工況、暴雨工況下的穩(wěn)定系數(shù)及剩余下滑力。 計(jì)算剩余下滑力所選取的安全系數(shù)按JTG /T 3334-2018 《公路滑坡防治設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]的規(guī)定取值，結(jié)合滑坡對(duì)象重要性、滑坡的危害程度及地質(zhì)條件復(fù)雜程度對(duì)于正常工況Ⅰ取1.25、非正常工況Ⅰ（暴雨）取1.15，選取K3+760、K3+780、K3+800、X1（主滑面）共4 個(gè)剖面（圖3），計(jì)算結(jié)果如下（表2）：

圖3 滑坡穩(wěn)定性計(jì)算剖面

表2 滑坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表2 的計(jì)算結(jié)果可知：（1）四個(gè)典型斷面在正常工況Ⅰ（自重條件）、非正常工況Ⅰ（自重+暴雨條件）下穩(wěn)定系數(shù)均不滿足要求，滑坡處于不穩(wěn)定～基本穩(wěn)定狀態(tài)。 （2）正常工況Ⅰ條件下穩(wěn)定系數(shù)Fsmin=0.99，F(xiàn)smax=1.13，F(xiàn)s平均=1.03，表明滑坡正處于蠕滑狀態(tài)，與現(xiàn)場(chǎng)滑坡實(shí)際變形特征相符。 非正常工況Ⅰ下穩(wěn)定系數(shù)Fsmin=0.85，F(xiàn)smax=0.98，F(xiàn)s平均=0.89，F(xiàn)s＜1（極限平衡狀態(tài)），表明滑坡在暴雨工況下已失穩(wěn)。 （3）在不同剖面、不同工況條件下，滑坡剩余下滑力Tmin=958.23 kN/m，Tmax=2230.55 kN/m， 滑坡推力較大，需進(jìn)行工程處治。

5 滑坡處治對(duì)策分析

5.1 治理方案設(shè)計(jì)

由大量滑坡治理經(jīng)驗(yàn)可知，其主要治理措施分為以下幾種：削方減載、坡腳反壓、抗滑支擋并理順排水。 根據(jù)薛承鵬等[3]分析的以上各措施的適用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)，并結(jié)合所示案例的工程特點(diǎn)，本文提出2 種設(shè)計(jì)思路：一是以清方減載為主，配合坡腳擋墻治理，全部清除滑體；二是以抗滑支擋為主，坡面施加框架錨索并適當(dāng)清方，強(qiáng)支擋保證滑坡穩(wěn)定性。 由于該高速公路臨近通車，要求施工工期短且方案具有足夠的安全性、經(jīng)濟(jì)性，最終采用清方減載方案，設(shè)計(jì)方案如下：邊坡第一級(jí)采用4 m 上擋墻支擋；第二級(jí)維持原設(shè)計(jì)坡率1∶1，高6 m，平臺(tái)寬8 m，坡面采用拱形骨架防護(hù)；第三級(jí)坡率1∶2，本級(jí)高度10 m，平臺(tái)寬8 m，坡面采用拱形骨架防護(hù)；第四級(jí)坡率1∶2，本級(jí)高度10 m，平臺(tái)寬5 m，坡面采用拱形骨架防護(hù)；第五級(jí)坡率1∶2，本級(jí)高度10 m，平臺(tái)寬5 m，坡面采用噴植草灌（不掛網(wǎng)）防護(hù)；第六級(jí)坡率1∶2，坡面采用噴植草灌（不掛網(wǎng)）防護(hù)。

5.2 治理后滑坡穩(wěn)定性分析

按設(shè)計(jì)坡比放坡后， 選取最不利斷面K3+760分別采用極限平衡法（簡(jiǎn)化Bishop 法）和有限元強(qiáng)度折減法對(duì)滑坡進(jìn)行正常工況及暴雨工況條件下穩(wěn)定性驗(yàn)算， 其中有限元模型網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)4899 個(gè)，共劃分單元格2858 個(gè)，計(jì)算結(jié)果采用表征塑性應(yīng)變累積值的量-等效塑性應(yīng)變表示。 等效塑性應(yīng)變大的地方土體往往產(chǎn)生了較大塑性變形， 以此可分析邊坡滑移面位置， 再者通過在云圖上疊加位移矢量，可清晰地分辨滑面位置。 驗(yàn)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 滑坡治理后不同分析方法下的驗(yàn)算結(jié)果對(duì)比

從圖4 分析可知：（1）2 種不同工況下， 有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算結(jié)果表明邊坡塑性變形破壞區(qū)域均為圓弧狀，位置及范圍與極限平衡法計(jì)算結(jié)果基本相同。（2）正常工況下，簡(jiǎn)化Bishop 法自動(dòng)搜索最危險(xiǎn)滑移面，穩(wěn)定系數(shù)Fs=1.33；有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算結(jié)果表明邊坡最大等效塑性應(yīng)變?yōu)?.90%，穩(wěn)定系數(shù)Fs=1.25，兩者平均值Fs平均=1.29，滿足JTG/T 3334-2018《公路滑坡防治設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]1.20～1.30 的規(guī)定。（3）暴雨工況下，簡(jiǎn)化Bishop 法自動(dòng)搜索最危險(xiǎn)滑移面，穩(wěn)定系數(shù)Fs=1.18；有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算結(jié)果表明邊坡最大等效塑性應(yīng)變?yōu)?.96%，穩(wěn)定系數(shù)Fs=1.11， 兩者平均值Fs平均=1.15， 滿足規(guī)范1.10～1.20 的規(guī)定。

6 結(jié)論

結(jié)果顯示：（1）通過地質(zhì)調(diào)查、鉆探等方法，結(jié)合地形地貌、巖土體結(jié)構(gòu)類型及滑坡體位移監(jiān)測(cè)結(jié)果，得出該滑坡體為牽引式滑坡，滑動(dòng)破壞模式為類均質(zhì)體圓弧滑動(dòng)，滑動(dòng)帶沿巖體強(qiáng)、中風(fēng)化分界線分布。 （2）采用簡(jiǎn)化Bishop 法和傳遞系數(shù)法對(duì)滑坡體4 個(gè)典型橫斷面進(jìn)行穩(wěn)定性分析計(jì)算，結(jié)果表明正常工況Ⅰ和非正常工況Ⅰ（暴雨）條件下，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)均不滿足要求， 滑坡處于不穩(wěn)定～基本穩(wěn)定狀態(tài)， 滑坡剩余下滑力958.23～2230.55 kN/m，需進(jìn)行處治。 （3）根據(jù)以上分析計(jì)算結(jié)果，提出滑坡治理對(duì)策：清方+擋土墻+骨架植草防護(hù)。 采用極限平衡法和有限元強(qiáng)度折減法對(duì)治理后滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析， 結(jié)果表明2 種方法分析結(jié)果基本一致，邊坡安全系數(shù)滿足要求。 目前，該高速公路已通車，此段滑坡治理后處于穩(wěn)定狀態(tài)，效果良好。