山區(qū)高速公路路塹高邊坡設(shè)計(jì)

鄭亞萌

（中咨華科交通建設(shè)技術(shù)有限公司，北京 100195）

0 引言

我國(guó)山嶺眾多，隨著山區(qū)高速公路里程的快速增長(zhǎng)，出現(xiàn)了大量高邊坡，容易發(fā)生塌方、滑坡等自然災(zāi)害，甚至造成重大的生命財(cái)產(chǎn)損失。高速公路建設(shè)產(chǎn)生路塹高邊坡時(shí)，應(yīng)慎重對(duì)待，較好地處理高邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題。因此，應(yīng)深入研究影響高速公路路塹高邊坡穩(wěn)定性的各種因素，并采取合理、有效的防護(hù)措施，確保高速公路路塹高邊坡的長(zhǎng)期穩(wěn)定，從而保證高速公路交通運(yùn)行的安全及人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，具有重要的社會(huì)意義。

1 路塹高邊坡概述

1.1 路塹高邊坡含義

路塹高邊坡通常指高度20m 以上的土質(zhì)邊坡或30m 以上的巖質(zhì)邊坡。

1.2 高邊坡穩(wěn)定性分級(jí)

綜合考慮路塹高邊坡的水文地質(zhì)條件和邊坡變形情況，將路塹高邊坡的穩(wěn)定性劃分為以下四類，如表1 所示。

表1 路塹高邊坡穩(wěn)定性劃分

1.3 高邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法

通常用安全系數(shù)（Fs）表示高速公路路塹高邊坡的穩(wěn)定性，一般采用定性分析法、極限平衡分析法、數(shù)值分析法或工程地質(zhì)類比法進(jìn)行評(píng)價(jià)。安全系數(shù)（Fs）計(jì)算公式如下：

式（1）中：T＇為滑動(dòng)面上的抗滑力；T 為滑動(dòng)面上的下滑力。

1.3.1 定性分析法。該方法是通過(guò)研究高邊坡周圍的地形地貌、水文地質(zhì)、地質(zhì)形成史、形狀、周圍環(huán)境、變形破壞跡象等因素，判斷邊坡的演化階段和穩(wěn)定性情況的。

1.3.2 極限平衡分析法。該方法是將可能滑動(dòng)的巖體或土體想象成理想的剛性物體，通過(guò)分析其可能的滑面，將滑面上的應(yīng)力簡(jiǎn)化為均布荷載，構(gòu)造力學(xué)平衡方程，計(jì)算出高邊坡的安全系數(shù)的。

1.3.3 數(shù)值分析法。該方法以有限元分析方法為基礎(chǔ)，其核心是通過(guò)離散化，把有界區(qū)域內(nèi)無(wú)限個(gè)點(diǎn)的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為有限個(gè)節(jié)點(diǎn)的問(wèn)題，建立多個(gè)方程，進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析，其中強(qiáng)度折減法最為常用。

1.3.4 工程地質(zhì)類比法。該方法借鑒已經(jīng)研究過(guò)或已經(jīng)穩(wěn)定的邊坡的成功經(jīng)驗(yàn)，比較兩者工程地質(zhì)條件差異，評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性，并提出合理的邊坡高度和坡率。

2 路塹高邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 路塹高邊坡穩(wěn)定性分析方法

高速公路路塹高邊坡穩(wěn)定性的分析方法主要有以下三種方法。

2.1.1 工程地質(zhì)類比法。該方法是一種定性分析方法。優(yōu)點(diǎn)是綜合考慮了影響高邊坡穩(wěn)定性的各種因素，能夠快速估計(jì)和預(yù)測(cè)高邊坡的穩(wěn)定狀況及其發(fā)展趨勢(shì)。缺點(diǎn)是類比法具有經(jīng)驗(yàn)性和地區(qū)性的特點(diǎn)，要求設(shè)計(jì)人員具有豐富的地質(zhì)工作經(jīng)驗(yàn)。

2.1.2 邊坡穩(wěn)定性圖解法。該方法是一種定性分析方法，通常用于規(guī)劃階段或邊坡穩(wěn)定性的初步分析。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、直觀、快速，但缺點(diǎn)是具有一定的經(jīng)驗(yàn)性和概念性。

2.1.3 塊體單元法。該方法介于剛體極限平衡法和有限元法之間，兼有兩者的優(yōu)點(diǎn)，而且工作量小，特別適用于分析軟弱結(jié)構(gòu)面巖體的穩(wěn)定性。

2.2 影響路塹高邊坡穩(wěn)定性因素

一般而言，影響高速公路路塹高邊坡穩(wěn)定性的因素包括以下幾個(gè)方面。

2.2.1 水文地質(zhì)。水文條件的變化會(huì)導(dǎo)致地下水富集程度的變化，路塹高邊坡的穩(wěn)定性也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化。例如，當(dāng)?shù)叵滤患潭仍龃髸r(shí)，會(huì)造成巖土體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性降低，邊坡易失穩(wěn)；反之，則穩(wěn)定性增強(qiáng)。邊坡巖土體的物質(zhì)組成和強(qiáng)度會(huì)直接影響邊坡的穩(wěn)定性，因此工程地質(zhì)條件是決定高邊坡是否穩(wěn)定的主要內(nèi)在因素。

2.2.2 氣候。氣候?qū)Ω哌吰路€(wěn)定狀況有較大的影響。例如，降雨后邊坡巖土體易軟化，強(qiáng)度降低，同時(shí)雨水使地下水位上升，邊坡穩(wěn)定性降低，易導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。此外，受氣候因素影響，邊坡巖體風(fēng)化后抗剪強(qiáng)度降低，隨著風(fēng)化程度的加劇，巖體將出現(xiàn)脫落、崩塌、滑移等現(xiàn)象。

2.2.3 設(shè)計(jì)及施工因素。設(shè)計(jì)方面，由于受到外部重視程度的干擾，采取的設(shè)計(jì)防護(hù)方案安全系數(shù)不足，或設(shè)計(jì)時(shí)考慮不足，造成邊坡的形狀、坡度和防護(hù)工程不足以確保高邊坡的穩(wěn)定。施工方面，采取的施工方法、工藝及施工順序不科學(xué)、不合理，過(guò)度開(kāi)挖，對(duì)坡高、坡率偏離設(shè)計(jì)要求，使山體遭受嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性降低，甚至失穩(wěn)。

2.2.4 不可抗力因素。不可抗力因素也是高邊坡穩(wěn)定性的重要影響因素之一，如地震等自然災(zāi)害，它們的發(fā)生會(huì)改變水文地質(zhì)、邊坡?tīng)顟B(tài)，進(jìn)而改變邊坡穩(wěn)定性，甚至導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。

2.3 路塹高邊坡破壞形式

高速公路路塹高邊坡變形類型及破壞形式通常按照以下四類進(jìn)行劃分，即變形性質(zhì)、變形深度、變形范圍和變形新老，具體如表2 所示。

表2 路塹高邊坡變形破壞劃分

3 路塹高邊坡設(shè)計(jì)

3.1 路塹高邊坡設(shè)計(jì)特點(diǎn)

路塹高邊坡的設(shè)計(jì)具有顯著特點(diǎn)，具體表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面。

3.1.1 高邊坡設(shè)計(jì)是預(yù)測(cè)性設(shè)計(jì)

高速公路一般工程規(guī)模大，而路塹高邊坡是由于山體開(kāi)挖所形成，在設(shè)計(jì)階段高邊坡尚未形成或未發(fā)生變形破壞，后續(xù)可能出現(xiàn)的變形程度及變形部位主要集中在山體開(kāi)挖后；同時(shí)，高邊坡設(shè)計(jì)要建立在獲取翔實(shí)的工程地質(zhì)資料基礎(chǔ)上，才能進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，因此高邊坡設(shè)計(jì)是一種典型的預(yù)測(cè)性設(shè)計(jì)。

3.1.2 高邊坡設(shè)計(jì)是風(fēng)險(xiǎn)性設(shè)計(jì)

山區(qū)的地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，勘察工作的工作量、難度較大，通常很難掌握完整的地質(zhì)結(jié)構(gòu)資料，設(shè)計(jì)人員獲取的真實(shí)可靠的參考依據(jù)不全，開(kāi)展設(shè)計(jì)工作往往需要依據(jù)一定的經(jīng)驗(yàn)，存在一定的盲目性。而山體開(kāi)挖后會(huì)改變坡體的原有狀態(tài)和力學(xué)結(jié)構(gòu)條件，山體變形很難避免，而高邊坡的設(shè)計(jì)就是將其控制在合理的范圍內(nèi)。

3.1.3 高邊坡設(shè)計(jì)是動(dòng)態(tài)性設(shè)計(jì)

高速公路施工前，勘察單位要詳細(xì)勘察工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)情況，確保高邊坡設(shè)計(jì)符合實(shí)際需要。山體開(kāi)挖階段也應(yīng)深入現(xiàn)場(chǎng)，再次明確高邊坡設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，有必要對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整、優(yōu)化，因此高邊坡設(shè)計(jì)也是一種動(dòng)態(tài)調(diào)整設(shè)計(jì)。

3.2 路塹高邊坡設(shè)計(jì)原則

第一，秉承“最大的保護(hù)就是不破壞”的環(huán)保理念，樹(shù)立環(huán)保性原則。設(shè)計(jì)過(guò)程中采用合理放坡與適度加固相結(jié)合的方式，避免山體過(guò)度開(kāi)挖和植被大面積破壞，減少棄土和征地面積。第二，加強(qiáng)地質(zhì)勘查工作，深入分析地質(zhì)情況，增強(qiáng)研判準(zhǔn)確度，提高設(shè)計(jì)措施的針對(duì)性。第三，路塹高邊坡加固設(shè)計(jì)遵循“自穩(wěn)為主、加固為輔”的原則，消除隱患，確保高邊坡的安全可靠、長(zhǎng)期穩(wěn)定。第四，遵循固“腳”強(qiáng)“腰”原則，同時(shí)加強(qiáng)地表水、地下水的截排水設(shè)計(jì)，能夠有效提高高邊坡穩(wěn)定性。第五，遵循“有利于環(huán)境美化”原則，高邊坡加固要與美學(xué)、生態(tài)學(xué)相結(jié)合，力求與周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)，提高高速公路的社會(huì)效益。第六，高邊坡設(shè)計(jì)要吸取國(guó)內(nèi)外類似工程的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，確保加固方案的經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)性，同時(shí)盡量采用“四新”技術(shù)。第七，實(shí)事求是。設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮現(xiàn)場(chǎng)施工條件、施工工藝、技術(shù)水平、機(jī)械設(shè)備和材料供應(yīng)等情況。第八，遵循“動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)”的原則，在施工階段根據(jù)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)優(yōu)化調(diào)整高邊坡加固防護(hù)措施。

3.3 路塹高邊坡設(shè)計(jì)措施

路塹高邊坡的防護(hù)措施主要分為坡面防護(hù)、支擋加固兩大類，其中坡面防護(hù)通常設(shè)置在穩(wěn)定的斜坡上；支護(hù)加固通常是用于穩(wěn)定性不足的邊坡，而根據(jù)加固方式的不同，又可以劃分為不同種類的加固措施。

3.3.1 植物防護(hù)。植物防護(hù)包括植草灌、三維網(wǎng)植草灌、客土噴播植草灌等，是利用植被對(duì)邊坡進(jìn)行防護(hù)和侵蝕控制，以降低邊坡的不穩(wěn)定性。對(duì)于邊坡穩(wěn)定性較好且對(duì)坡面沖刷小的高邊坡，這種方法比較適用，不僅可以對(duì)邊坡起到加固作用，還可以起到水土保持的作用，具有良好的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。

3.3.2 骨架植物防護(hù)。骨架植物防護(hù)指在邊坡上用混凝土或漿砌片石形成拱形、人字形等框架式圬工骨架，骨架中間進(jìn)行植草灌防護(hù)，防止邊坡變形失穩(wěn)的一種防護(hù)方法。其中某項(xiàng)目即采用了漿砌片石方格網(wǎng)植草做法，如圖1 所示。對(duì)于土質(zhì)或風(fēng)化巖石邊坡，這種方法比較適用，且具有較好的防護(hù)綠化美化效果、適用范圍廣及施工方便等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 漿砌片石方格網(wǎng)植草（單位：cm）

3.3.3 護(hù)面墻防護(hù)。護(hù)面墻防護(hù)指覆蓋在各種軟質(zhì)巖石和較破碎巖石的開(kāi)挖邊坡上，保護(hù)其不受大氣因素影響而構(gòu)筑的墻體。護(hù)面墻一般適用于嚴(yán)重風(fēng)化或易風(fēng)化的軟巖，較破碎、易侵蝕或有小塌方的土質(zhì)邊坡，且一般邊坡坡度不大于1∶0.5。

3.3.4 噴射混凝土防護(hù)。噴射混凝土防護(hù)是在坡面上噴射混凝土，從而達(dá)到護(hù)坡的目的，有干噴、濕噴兩種方法，但常與鋼筋網(wǎng)和錨桿結(jié)合起來(lái)使用，具體如圖2（a）、（b）所示。

圖2 掛網(wǎng)錨噴護(hù)坡

3.3.5 擋土墻防護(hù)。擋土墻是用來(lái)抵抗邊坡土體的側(cè)壓力，防止墻后土體變形和失穩(wěn)的構(gòu)筑物。按其工作機(jī)理和受力特點(diǎn)，可分為重力式擋土墻、衡重式擋土墻、錨桿擋土墻等。其中，重力式擋土墻應(yīng)用最為廣泛，具體如圖3（a）、（b）所示。這種防護(hù)方法通常與排水、刷土減重等措施共同使用，可大量減少挖方數(shù)量，減少對(duì)原始邊坡的破壞。

圖3 重力式擋土墻（單位：mm）

3.3.6 預(yù)應(yīng)力錨索防護(hù)。預(yù)應(yīng)力錨索防護(hù)是將邊坡的下滑力傳遞給錨固端穩(wěn)定的巖體，從而起到穩(wěn)定邊坡的作用。通常與擋土墻、樁板墻聯(lián)合使用，對(duì)坡體松散破碎地段或局部承載能力較低的路塹邊坡比較適用，該方法對(duì)施工工藝要求較高，但具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

3.3.7 抗滑樁防護(hù)?？够瑯哆m用于淺層和中厚層滑坡的加固治理。該方法具有抗滑能力強(qiáng)、樁位布置靈活、開(kāi)挖量和圬工量小、設(shè)備簡(jiǎn)單、施工方便等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于滑坡推力大、滑動(dòng)帶深的滑坡，可將抗滑樁與預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)合使用，加固治理效果顯著。目前，它雖然在滑坡治理中得到了廣泛的運(yùn)用，但造價(jià)相對(duì)較高。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)山區(qū)面積廣大，山區(qū)高速公路建設(shè)形成的路塹高邊坡的數(shù)量眾多，邊坡設(shè)計(jì)措施對(duì)其穩(wěn)定性關(guān)系重大，設(shè)計(jì)上的疏漏極易導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)，引發(fā)安全事故，甚至對(duì)社會(huì)造成嚴(yán)重后果。因此，在路塹高邊坡設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮地形地貌、水文地質(zhì)條件、氣候等影響因素，制定科學(xué)合理的高邊坡設(shè)計(jì)方案，并遵從動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的原則，動(dòng)態(tài)優(yōu)化、調(diào)整設(shè)計(jì)方案。