陜南某公路邊坡穩(wěn)定性及治理措施分析

史 靜 張 浩 趙 昕 范紅英

（1.陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710018；2.陜西省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西西安 710065）

0 引言

2021 年8 月中旬，陜西各地遭遇持續(xù)降雨，并出現(xiàn)短時(shí)超強(qiáng)降雨天氣，致使部分地區(qū)發(fā)生嚴(yán)重內(nèi)澇、滑坡、泥石流等災(zāi)害。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021 年8 月23 日至9 月23日，僅僅一個(gè)月時(shí)間，陜西境內(nèi)6132 km 高等級(jí)公路累計(jì)發(fā)生水毀409處，中斷交通37處，累計(jì)中斷長度約20 km，直接經(jīng)濟(jì)損失5.9 億元。其中大部分水毀是由于強(qiáng)降雨導(dǎo)致邊坡土體飽和，隨即發(fā)生滑坡，致使交通中斷[1-2]。

由此可見，高速公路邊坡的穩(wěn)定性問題仍然尤為突出，尤其是在降雨豐富地區(qū)，影響邊坡穩(wěn)定性的因素較多[3-4]，邊坡的變形破壞有多方面原因，若僅對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單刷坡分級(jí)，或采用單一加固措施，很難同時(shí)保證邊坡的局部和整體穩(wěn)定[5-6]，易給公路施工和運(yùn)營留下很多安全隱患[7]。因此，邊坡的變形失穩(wěn)機(jī)制分析和治理設(shè)計(jì)仍是一項(xiàng)重要課題[8-12]，還需建立自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來持續(xù)監(jiān)測(cè)其穩(wěn)定狀況。

針對(duì)陜南地區(qū)典型不穩(wěn)定公路邊坡工程案例，分析其變形失穩(wěn)機(jī)制，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)制約因素并結(jié)合數(shù)值分析結(jié)果，給出合理可行的治理方案，并對(duì)邊坡進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，研究成果可為類似邊坡治理提供借鑒。

1 邊坡災(zāi)害概況

1.1 地形地貌及地質(zhì)條件

該公路邊坡位于山體前緣，山體為構(gòu)造侵蝕與流水切割低山地貌，自然山體上陡下緩，坡度范圍28°～55°，坡形呈直線-波狀起伏，山體植被茂盛。線路在右側(cè)為挖方，左側(cè)為填方，施工開挖右側(cè)形成臨空面，坡體上部為堆積的松散殘坡積層，路塹邊坡上覆第四系殘坡積層含碎石粉質(zhì)黏土及碎石土，整體為土質(zhì)邊坡，自穩(wěn)性差，容易坍塌且誘發(fā)山體滑坡。

1.2 原設(shè)計(jì)治理方案

該挖方邊坡長195 m，原設(shè)計(jì)采用3～4 級(jí)錨桿格構(gòu)護(hù)面墻進(jìn)行防護(hù)，每8 m 一級(jí)，坡率均為1∶0.75，每級(jí)坡頂設(shè)3 m 寬平臺(tái)，原設(shè)計(jì)防護(hù)斷面見圖1。

圖1 原設(shè)計(jì)防護(hù)斷面圖

1.3 變形失穩(wěn)情況

在邊坡開挖后立即進(jìn)行支護(hù)施工，當(dāng)?shù)?-4 級(jí)坡面防護(hù)工程完成時(shí)，恰逢秋季持續(xù)強(qiáng)降雨，在對(duì)第1 級(jí)邊坡進(jìn)行防護(hù)施工的過程中，右側(cè)挖方邊坡發(fā)生邊坡塌方。經(jīng)分析，雨水從上部山體裂縫流入邊坡內(nèi)部的土石交界面，導(dǎo)致土體飽和，最后產(chǎn)生垮塌。受持續(xù)降雨影響，邊坡隨后又發(fā)生了兩次塌方，該段邊坡坡頂線外公墓部分滑塌，滑體為軟塑-流塑狀態(tài)，隧道出口被垮塌后的土體掩埋（見圖2、圖3）。

圖2 邊坡垮塌后的現(xiàn)狀

圖3 邊坡垮塌掩埋隧道洞口現(xiàn)狀

隨著邊坡垮塌持續(xù)發(fā)生，邊坡坡頂出現(xiàn)多條地裂縫（見圖4），裂縫長度15 m，寬度5 cm，均為連貫折線型裂縫，表明邊坡已處于蠕動(dòng)變形階段，進(jìn)一步發(fā)展可能形成滑坡，根據(jù)裂縫的平面形態(tài)特征，圈定了邊坡土體變形的周界，呈“圈椅狀”貫通裂縫。

圖4 邊坡上部外緣的地裂縫

1.4 應(yīng)急處理措施

現(xiàn)場(chǎng)緊急對(duì)已經(jīng)發(fā)生垮塌的邊坡及時(shí)采用防水土工布進(jìn)行覆蓋，坡腳使用土石堆載反壓，對(duì)坡體及坡頂“圈椅狀”貫通裂縫采用水泥砂漿灌填封閉，坡體上設(shè)置多個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)（見圖5）。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)措施現(xiàn)狀

2 邊坡災(zāi)害補(bǔ)充勘查

2.1 地質(zhì)構(gòu)造

該邊坡涉及的斷層為F2-1和F2-2斷層，F(xiàn)2-1和F2-2斷層破碎帶寬度50～60 m，斷層帶內(nèi)碎裂巖發(fā)育，斷層嚴(yán)重影響帶寬度25 m，邊坡整體位于兩條斷層中間的破碎影響帶內(nèi)，受斷層擠壓影響，邊坡覆蓋層表層為坡積土，土體成分較雜，土石混合，其下為第四系松散的碎石和粉質(zhì)黏土，下伏泥盆系灰?guī)r。

2.2 地層結(jié)構(gòu)

根據(jù)邊坡形態(tài)特征，結(jié)合變形破壞跡象，沿主滑方向布置5 條勘探線，11 個(gè)勘探點(diǎn)，勘探鉆孔間距25 m、深度32 m，補(bǔ)充勘查的巖芯照片見圖6，典型地質(zhì)剖面見圖7。據(jù)補(bǔ)充勘探揭露，邊坡地層自上而下主要為：含碎石粉質(zhì)黏土（層厚10 m）、碎石土（層厚3 m）、全風(fēng)化灰?guī)r（層厚5 m）、強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r（7 m）。灰?guī)r巖體結(jié)構(gòu)、構(gòu)造已破壞，巖體破碎，巖芯多呈碎石狀，節(jié)理裂隙發(fā)育。

圖6 地勘芯樣

圖7 典型地質(zhì)剖面圖

2.3 地下水情況

補(bǔ)充勘查期間為豐水期，各勘探點(diǎn)均遇到地下水，地下水位埋深0.70～15.20 m，相應(yīng)標(biāo)高673.94～717.97 m，為賦存在覆蓋層中的孔隙潛水及全風(fēng)化灰?guī)r中的基巖裂隙水。

2.4 滑坡分布特征

根據(jù)補(bǔ)充勘查，結(jié)合坡體變形特征及垮塌周界，可確定滑坡范圍?；驴v向長度約120 m，寬度103～180 m，坡度35°，滑體平均厚度約15 m，主滑方向58°；滑坡潛在滑面位于沖洪積與殘坡積交界帶，屬于土石交界面（見圖8）。

3 邊坡失穩(wěn)機(jī)制分析

根據(jù)工程地質(zhì)測(cè)繪、鉆探及室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)綜合分析得出邊坡穩(wěn)定性主要影響因素與失穩(wěn)機(jī)制。

（1）地質(zhì)構(gòu)造

邊坡位于兩條斷層影響帶之間，影響帶寬度50～60 m，幾乎包含了整個(gè)邊坡，受斷層擠壓影響，坡體土石混雜，穩(wěn)定性較差（見圖9）。

（2）坡體結(jié)構(gòu)及物質(zhì)組成

根據(jù)勘查揭露，邊坡基覆界面上陡下緩，坡腳臨近古河道，階地縱向堆積物與山坡殘坡積橫向堆積物交疊出現(xiàn)。邊坡覆蓋層以粉質(zhì)黏土為主，沿坡體上薄下厚分布，平均層厚約15 m，坡腳覆蓋層下部分布有層厚約2 m 的碎石土。邊坡下伏基巖為全風(fēng)化-強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r，節(jié)理裂隙發(fā)育，完整性差。

（3）持續(xù)降雨

降雨使土體重度增大甚至飽和，其抗剪強(qiáng)度降低，導(dǎo)致坡體上覆的殘破積層沿土體內(nèi)部軟弱面和下伏全風(fēng)化灰?guī)r帶接觸帶發(fā)生滑動(dòng)，秋季持續(xù)強(qiáng)降雨為邊坡滑動(dòng)提供了充分的水環(huán)境條件。

（4）工程活動(dòng)

路塹邊坡開挖形成臨空面，為滑體剪出破壞提供空間。由于原設(shè)計(jì)邊坡支護(hù)深度不足，且支護(hù)結(jié)構(gòu)尚未完成，排水措施未能及時(shí)跟進(jìn)，導(dǎo)致邊坡出現(xiàn)失穩(wěn)。

4 邊坡穩(wěn)定性分析

4.1 強(qiáng)度折減法

強(qiáng)度折減法是指對(duì)土體黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ逐步折減直到邊坡達(dá)到破壞，此時(shí)的折減系數(shù)即為邊坡的安全系數(shù)Fs，折減系數(shù)即邊坡內(nèi)土體發(fā)揮的最大抗剪強(qiáng)度與外荷載在邊坡內(nèi)產(chǎn)生的實(shí)際剪應(yīng)力之比。抗剪強(qiáng)度折減法較傳統(tǒng)的方法具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）能夠?qū)?fù)雜地質(zhì)邊坡計(jì)算分析；

（2）考慮了巖土的本構(gòu)關(guān)系以及變形對(duì)應(yīng)力的影響；

（3）能夠模擬邊坡的滑移過程和滑面形狀，通常由剪應(yīng)變?cè)隽炕蛘呶灰圃隽看_定滑移面的形狀和位置；

（4）土體與支護(hù)結(jié)構(gòu)的共同作用下能夠較真實(shí)地模擬土體的應(yīng)變狀態(tài)；

（5）求解安全系數(shù)時(shí)，無需假定滑移面的形狀，也無需進(jìn)行條狀劃分。

4.2 工況分析

基于勘探成果和室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)反算法和工程經(jīng)驗(yàn)綜合確定滑坡穩(wěn)定性的計(jì)算參數(shù)（見表1、表2），其中表1 中的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)為暴雨工況下飽和狀態(tài)下巖土的黏聚力和內(nèi)摩擦角 。采用數(shù)值分析軟件對(duì)單錨點(diǎn)預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁（錨索錨固于樁頂）治理后的位移云圖進(jìn)行模擬?？够瑯督孛娉叽? m×3 m，間距6 m，錨索長度35 m。根據(jù)抗滑樁位置分為5 種工況：抗滑樁位于一級(jí)邊坡坡底、抗滑樁位于一級(jí)邊坡坡頂、抗滑樁位于二級(jí)邊坡坡頂、抗滑樁位于卸載后邊坡坡底、抗滑樁位于卸載后一級(jí)邊坡坡頂?；路€(wěn)定性采用暴雨工況進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)邊坡安全系數(shù)、潛在滑裂面位置以及抗滑穩(wěn)定性進(jìn)行分析。5 種工況對(duì)應(yīng)的位移等效云圖見圖10-圖14，結(jié)果表明，圖10-圖13 對(duì)應(yīng)工況下的位移云圖其滑裂面很明顯，位移較大，邊坡的抗滑穩(wěn)定性差，對(duì)應(yīng)的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)分別為0.92、1.05、0.95、1.14，均不滿足暴雨工況下邊坡安全系數(shù)小于1.15的要求。從圖14 可以看出，對(duì)應(yīng)工況下薄弱面變短，位移線上部的滑體體積明顯減小，剪切帶表現(xiàn)出明顯的回縮現(xiàn)象，邊坡破壞模式由深層滑動(dòng)變?yōu)闇\層表面滑動(dòng)；最大位移發(fā)生在抗滑樁的頂部位置，這充分說明預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁阻止了其上部土體向下滑動(dòng)的趨勢(shì)，增加了邊坡的整體穩(wěn)定性，該工況下邊坡安全系數(shù)為1.36，滿足規(guī)范要求。

表1 邊坡土體物理力學(xué)參數(shù)

表2 抗滑樁計(jì)算參數(shù)取值表

圖10 一級(jí)邊坡坡底抗滑樁等效位移云圖

圖11 一級(jí)平臺(tái)抗滑樁等效位移云圖

圖12 二級(jí)平臺(tái)抗滑樁等效位移云圖

圖13 卸載后一級(jí)邊坡坡底抗滑樁等效位移云圖

圖14 卸載后一級(jí)平臺(tái)抗滑樁等效位移云圖

4.3 治理方案選擇

考慮到滑體厚度大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、后部裂縫分布多、土體結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞，應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)卸載。如果采用全挖方案，不僅工程量和費(fèi)用巨大，而且開挖后形成的高陡邊坡會(huì)產(chǎn)生新的穩(wěn)定性問題。如果直接采用錨索或抗滑樁治理，由于滑體厚度大，錨索或抗滑樁的長度、尺寸均過大，施工難度大，成本高。根據(jù)前述數(shù)值模擬分析結(jié)果，經(jīng)綜合考慮，采用對(duì)滑坡體進(jìn)行適量減載，同時(shí)在滑坡剪出口附近實(shí)施支護(hù)加固，從根源上解決邊坡的不穩(wěn)定，降低施工的難度。通過上述綜合分析，采取以滑體減載為主、單錨點(diǎn)預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁加固支護(hù)、坡體表面和內(nèi)部截排水、局部護(hù)坡加固的綜合治理方案。

5 邊坡治理方案

（1）由于邊坡下滑段位于隧道右側(cè)，為了防止山體下滑力影響隧道左洞安全，對(duì)山體進(jìn)行局部卸載，向右卸載后距離隧道外輪廓線6 m 處設(shè)置6 根抗滑樁，抗滑樁采用2 m×3 m 矩形截面，樁長24 m，樁間距6 m。

（2）在路線左側(cè)外輪廓線5 m 處設(shè)置10 根抗滑樁，其中，前段6 根抗滑樁采用2 m×3 m 矩形截面，樁長為26 m，后段4 根抗滑樁采用1.8 m×2.4 m 矩形截面，樁長30 m，樁間距6 m。

（3）對(duì)于隧道出口右側(cè)邊坡產(chǎn)生滑塌的路段，首先對(duì)第1 級(jí)邊坡以上的滑塌體進(jìn)行修整，并在原第1 級(jí)挖方平臺(tái)處設(shè)置抗滑樁，共15根，設(shè)置2 m×3 m矩形截面錨索抗滑樁，樁長為27 m，樁間距為6 m，樁頂設(shè)置1 根錨索，軸向拉力設(shè)計(jì)值600 kN。

（4）對(duì)第1、2 級(jí)坡面采用錨墩進(jìn)行加固，錨墩為1.5 m×1.5 m，厚度0.5 m，鑲嵌在錨桿框架梁中間，每個(gè)錨墩設(shè)置一根錨索，錨索施加500 kN 的預(yù)應(yīng)力。根據(jù)地質(zhì)斷面，錨索長30～40 m，可錨入中等風(fēng)化基巖。

（5）在坡頂距離坡口線5 m 處增設(shè)坡頂截水溝，緩坡設(shè)置拱形骨架護(hù)坡進(jìn)行防護(hù)，出口邊坡內(nèi)部設(shè)置支撐滲溝，并在抗滑樁之間設(shè)置仰斜式排水管，每兩根樁之間縱向設(shè)置一排，上下間距2 m，豎向可設(shè)置3根，每根仰斜式排水管長度15～20 m。邊坡內(nèi)部支撐滲溝設(shè)置和細(xì)部斷面見圖15 和圖16。

圖15 支護(hù)和排水細(xì)部斷面圖（單位：cm）

圖16 邊坡內(nèi)部支撐滲溝設(shè)置圖（單位：cm）

6 邊坡監(jiān)測(cè)及運(yùn)行狀況

引起邊坡土體抗剪強(qiáng)度降低的原因很多，如土層較厚、土質(zhì)疏松、降雨量豐富、地下水位高等。綜合本項(xiàng)目特點(diǎn)及影響因素，確定邊坡監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容點(diǎn)如表3 所示。

該高速公路12 月份通車后，自1 月開始對(duì)邊坡進(jìn)行運(yùn)營監(jiān)測(cè)，邊坡地下水位隨降雨量變化曲線見圖17，邊坡位移隨降雨量變化曲線見圖18。由圖17和圖18 可以看出，該地區(qū)1-3 月雨量較少，從4 月份開始降雨量迅速增大，地下水位僅在5-8 月變化較明顯，其他月份變化不大。邊坡表面位移和深層位移從3 月末開始變形增大，隨著雨季的到來，6-8 月表面監(jiān)測(cè)點(diǎn)BJ04 的累計(jì)位移值達(dá)到98.2 mm，已達(dá)到監(jiān)測(cè)預(yù)警值。經(jīng)綜合分析，該監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移值過大是表面土層局部松動(dòng)導(dǎo)致的。根據(jù)后期監(jiān)測(cè)曲線顯示，位移曲線9 月份以后已趨于平緩，公路經(jīng)過一整年運(yùn)營后，在第二個(gè)雨季的累計(jì)位移基本保持不變，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖17 地下水位隨降雨量變化曲線

圖18 位移隨降雨量變化曲線

深層監(jiān)測(cè)點(diǎn)SJ03 的累計(jì)位移值為19.7 mm，其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變化趨勢(shì)基本一致，其中1-3 月可認(rèn)為緩慢蠕滑階段，4-8 月為等速變形階段，9-10月為蠕變階段，11-12 月基本趨于穩(wěn)定。通車后第一年監(jiān)測(cè)的變形數(shù)據(jù)表明，該邊坡變形基本受降水量影響控制。單錨點(diǎn)預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁抗滑效果良好，邊坡整體穩(wěn)定。

7 結(jié)論

（1）通過補(bǔ)充勘查，地質(zhì)測(cè)繪和綜合分析，該邊坡失穩(wěn)是由地質(zhì)構(gòu)造、坡體結(jié)構(gòu)、持續(xù)降雨和工程開挖諸因素綜合作用而導(dǎo)致的。地質(zhì)構(gòu)造和坡體結(jié)構(gòu)是內(nèi)因，持續(xù)降雨和工程開挖是外因。

（2）5 種治理工況的數(shù)值分析表明，對(duì)第2、3 級(jí)邊坡卸載，并在第1 級(jí)平臺(tái)使用單錨點(diǎn)預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁支護(hù)的治理效果最好。據(jù)此，采用分級(jí)刷坡卸載+單錨點(diǎn)預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁+綜合排水系統(tǒng)+綠化措施的治理方案。

（3）邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及工后運(yùn)行狀況表明，邊坡變形已趨于穩(wěn)定，治理方案可行。