某山區(qū)鐵路巖質高邊坡穩(wěn)定性分析和防護措施建議

劉柏林

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

0 引言

近年來，隨著我國交通建設的發(fā)展，山區(qū)鐵路尤其高速鐵路的建設規(guī)模越來越大。雖然鐵路選線需要盡可能繞避重大不良地質段，但由于山區(qū)地形條件復雜，地質構造發(fā)育，高陡地形范圍廣，部分線路仍不可避免一些高陡邊坡[1]，因此邊坡的穩(wěn)定性分析一直是巖土工程領域重要研究內容之一[2]。

巖質邊坡失穩(wěn)不僅受控于邊坡本身的內部結構、物理力學性質和坡體形態(tài)，還與外界因素密切相關[3]。由于邊坡內部結構的復雜性和組成邊坡巖體的物質成分不同，造成邊坡具有不同的破壞模式。對于不同的破壞模式應采用不同的方法評價其穩(wěn)定性。目前，邊坡穩(wěn)定性的評價方法主要可分為定性分析方法、定量分析方法以及非確定性方法，其中定性分析方法主要有自然(成因)歷史分析法、工程類比分析法和圖解法[5, 6],定量分析方法主要有極限平衡狀態(tài)法[7, 8]和數(shù)值分析法[9-11],非確定性方法主要為可靠性分析法[12, 13]和模糊綜合評價法[14, 15]。

本文通過對某山區(qū)鐵路橋梁工程巖質邊坡現(xiàn)場調查，分析了邊坡結構特征和破壞模式，采用赤平投影和數(shù)值計算評價了邊坡的穩(wěn)定性，為邊坡防護設計提供了依據(jù)。

1 工程概況

1.1 地形地貌

某山區(qū)鐵路D2K127+492～D2K127+502段橋梁工程74#～75#墩采用(56+88+56)連續(xù)梁跨越縣級保護文物窨子群，橋梁74#墩位于低中山區(qū)，75#墩附近為山間河谷，兩墩之間為河流岸坎，地形陡峻，地面高程為1432.6～1480.0 m，高差約47.4 m，74#墩地面高程約1475.87 m，75#墩地面高程約1433.4 m，斜坡坡腳受地表水侵蝕，近乎直立。窨子群分布岸坎中上部，高程約1443.0～1460.0 m，洞深3～6 m，始鑿于明代，窯口有半圓形、方形和長方形等，依山勢從西向東排列，參差不齊，口小室大，內有煙熏痕跡，墻體有多處小孔，大部分洞室順著巖層產(chǎn)狀開挖，個別洞口有坍塌跡象，受窨子群影響，該巖質邊坡局部出現(xiàn)塌滑和崩塌現(xiàn)象，邊坡存在一定的安全隱患，鐵路線路示意圖如圖1所示。

圖1 鐵路線路示意圖

1.2 地層巖性

根據(jù)地質調繪、工程地質鉆探資料和室內試驗成果，該邊坡第四系覆蓋層主要為全新統(tǒng)沖洪積層(Q4al+pl)細角礫土，下伏上第三系上新統(tǒng)(N2)砂巖和礫巖，如圖2所示。

圖2 邊坡工程地質剖面圖

1.2.1 第四系全新統(tǒng)沖洪積層(Q4al+pl)

②112細角礫土(Q4al+pl6)：雜色，稍濕，稍密。顆粒成分以砂巖為主，尖棱狀，粒徑組成：2～20 mm約占55%，20～60 mm約占10%，大于60 mm約占5%，余為砂粒和黏粒充填，層厚約7.6 m。

1.2.2 上第三系上新統(tǒng)(N2)

上第三系上新統(tǒng)地層為一套內陸湖相沉積的軟巖地層，為斜坡段主要分布地層，砂巖與礫巖呈交互出現(xiàn)，以砂巖為主，邊坡表層強風化。

⑧12砂巖(N2Ss)：紅棕色，強風化，礦物成分主要為石英和長石，局部含少量礫石，粉細粒結構，中厚層狀構造，泥質膠結，成巖作用差，巖質松軟；⑧42礫巖(N2Cg)礫巖：雜色，強風化，礫狀結構，中厚層狀構造，泥質膠結，礫石成分以石英為主的礫石、變質砂巖和千枚巖為主，磨圓度較差。

2 邊坡結構特征和破壞模式

2.1 邊坡結構特征

通過野外調查和無人機航拍，如圖3所示，窨子群邊坡為河流凹岸斜坡，岸坡段地形陡峻，平均坡度約75°～85°，植被稀疏，坡腳受地表水侵蝕，近乎直立。受構造影響，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，特別是沿岸坎臨空面形成貫通的卸荷裂隙，裂隙延伸方向與岸坎臨空面走向近乎平行，裂隙寬度和深度不一，一般裂隙寬度約2～10 mm，局部裂隙寬度可達200 mm以上，形成危巖體。危巖體主要分布在線路右側20～30 m處，陡崖坡腳處分布巖堆，厚度約1.5～5.0 m，主要成分為岸坡上崩塌形成的砂巖及礫巖塊石，分布松散雜亂。

圖3 邊坡全貌圖(俯視)

2.2 邊坡破壞模式

通過現(xiàn)場調查，邊坡頂部表層為細角礫土，下覆基巖為上第三系砂巖夾礫巖，中部為人為坑洞，邊坡巖層傾向坡內，產(chǎn)狀較緩，在坡頂處發(fā)育一組平行臨空面的卸荷裂隙，基巖垂直節(jié)理發(fā)育。因此，該邊坡的可能破壞模式為整體近似圓弧型的滑移破壞和局部破碎巖體的崩塌。

(1)滑移破壞。根據(jù)現(xiàn)場調查，第四系坡頂已開裂，基巖垂直節(jié)理發(fā)育，邊坡的破壞為沿第四系坡頂開裂，通過基巖垂直裂縫穿過中部巖體，從人為坑洞位置剪出。

(2)局部破碎巖體崩塌。由于邊坡中部人為坑洞的存在和斜坡巖體在風化營力作用下風化程度不一，風化裂隙的發(fā)育程度和填充情況也不同，較為破碎的巖體先剝落，易在風化結構面處產(chǎn)生凹腔，使上部巖體失去支撐。隨著風化程度的加深，凹腔范圍越來越大，上部巖體在重力及卸荷裂隙的作用下易產(chǎn)生錯斷式破壞。此外，邊坡巖體由砂巖夾礫巖組成，巖質軟硬不一，由于風化作用和坡腳河流的掏蝕作用，上部較硬礫巖在斷面上常以懸臂梁形式突出來，在長期的重力作用下，局部易發(fā)生拉裂破壞。

3 邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 基于赤平投影的邊坡穩(wěn)定性分析

巖質邊坡的變形失穩(wěn)受諸多因素影響，其中結構面發(fā)育情況對邊坡的穩(wěn)定性具有重要影響。赤平投影法能清晰地反應各結構面之間的組合及交叉關系，可初步判別邊坡穩(wěn)定性[16]。通過分析結構面的組合關系，邊坡巖體共發(fā)育3組結構面，其中L1為巖層產(chǎn)狀，L2、L3為兩組節(jié)理，P為坡面，各結構面參數(shù)如表1所示。層理傾角20°，邊坡屬逆向坡，其中，結構面L2與邊坡順向相切坡向，結構面L3與層理面的交點和坡面投影弧在同一側，落于邊坡投影弧的外側，因此結構面組合交線的傾向與邊坡傾向相對一致，傾角小于天然邊坡的坡腳，結構面組合交線不會切穿邊坡巖體，邊坡處于較穩(wěn)定狀態(tài)，如圖4所示。

圖4 赤平投影圖

表1 結構面參數(shù)表

3.2 基于數(shù)值模擬的邊坡穩(wěn)定性分析

3.2.1 建立模型

結合邊坡實際情況，選擇最不利剖面，即通過75#墩垂直邊坡剖面作為計算剖面，建立二維模型進行計算，模型水平向長60.0 m，底部高程為1420.0 m，豎直向高56.7 m。地層簡化為細角礫土、砂巖和礫巖3種地層，中部為窨子群。模型采用MIDAS-GTS建模，共劃分25257個計算單元，7006個計算節(jié)點，如圖5。

圖5 數(shù)值計算模型

3.2.2 計算工況和參數(shù)

按照自然邊坡可能所遇不利狀態(tài)，分別模擬以下3種工況：天然工況(重力)、降雨工況(重力+降雨)和地震工況(重力+地震)。計算所用參數(shù)見表2。

表2 巖土體參數(shù)表

3.2.3 計算結果

采用塑性區(qū)貫通判據(jù)進行不同工況下巖質邊坡穩(wěn)定性評判。圖6～圖11分別為邊坡在3種不同工況下的位移和塑性區(qū)分布情況。從圖中可以看出，天然工況下邊坡的變形主要集中于后緣細角礫土土層內，最大位移13.7 mm，邊坡穩(wěn)定性的安全系數(shù)為1.63，大于1.15，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；降雨工況下邊坡變形仍然集中于后緣細角礫土土層內，最大位移可達280 mm，較天然工況明顯增加，邊坡穩(wěn)定性的安全系數(shù)為1.20，較天然工況下有所降低，但內部未形成貫通的塑性區(qū)，邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；地震工況下邊坡變形主要分布在后緣細角礫土土層，最大位移可達660 mm，較天然工況明顯增加，邊坡穩(wěn)定性的安全系數(shù)為1.08，較天然工況下明顯降低，后緣細角礫土土層已形成貫通塑性區(qū)，其穩(wěn)定性安全系數(shù)小于1.10，邊坡在強震工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。表明邊坡上部巖土體發(fā)生滑塌的概率較大，邊坡失穩(wěn)破壞主要為沿土石界面滑移破壞。

圖6 天然工況下邊坡位移分布圖

圖7 天然工況下邊坡塑性區(qū)分布圖

圖8 暴雨工況下邊坡位移分布圖

圖9 暴雨工況下邊坡塑性區(qū)分布圖

圖10 地震工況下邊坡位移分布圖

圖11 地震工況下邊坡塑性區(qū)分布圖

4 工程施工建議

經(jīng)對邊坡地層巖性、巖層產(chǎn)狀、地質構造、邊坡現(xiàn)狀調查，結合有限元計算分析，判定邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，邊坡的破壞主要為沿土石界面的滑移破壞和局部巖體的崩塌，考慮到鐵路工程的安全性，建議采取以下防護措施：

(1)做好坡頂?shù)乇矸琅潘到y(tǒng)，卸荷裂隙及節(jié)理裂隙應采用封閉處理，做好受影響范圍內的地表排水系統(tǒng)，避免地表水入滲至坡體內。

(2)邊坡分布多處與岸坎平行的裂縫，進一步發(fā)展后形成危巖體，應對危巖體采取防護措施。

(3)由于斜坡表層為細角礫土、強砂巖和礫巖，風化嚴重，容易剝落。在地震工況下容易失穩(wěn)，建議邊坡頂部清方減載，最大限度地減小邊坡高度。

(4)考慮邊坡局部崩塌對橋墩的威脅，建議坡腳設置防落石重力式擋土墻。

5 結語

本文通過對某山區(qū)鐵路巖質高邊坡的穩(wěn)定性分析和治理方案研究，得出以下結論：

(1)通過現(xiàn)場調查分析，該巖質高邊坡的可能破壞模式為整體近似圓弧型的滑移破壞和局部破碎巖體呈錯斷式和拉裂式的崩塌破壞。

(2)通過分析結構面的組合關系，采用赤平投影法計算得到結構面組合交線不會切穿邊坡巖體，邊坡處于較穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)通過有限元計算得到天然工況下邊坡穩(wěn)定性的安全系數(shù)為1.63，處于穩(wěn)定狀態(tài)，暴雨工況下邊坡穩(wěn)定性的安全系數(shù)為1.20，邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，地震工況下邊坡穩(wěn)定性的安全系數(shù)為1.08，邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，邊坡變形主要集中于坡體后緣的細角礫土層中，邊坡的失穩(wěn)破壞主要為沿土石界面的滑移破壞。