硬質巖高陡邊坡的穩定坡高、坡率及平臺寬度計算探討

王洪法

(中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200070)

按照現行《鐵路路基設計規范》(TB10001—2005)，路塹邊坡不宜超過30 m，規范中對路塹邊坡高度小于20 m地段的邊坡坡率進行了相應的規定。但當線路以車站、停車場、車輛段等形式經過時，往往路塹邊坡高度遠大于規范中規定的數值。高陡邊坡一旦失穩，會對鐵路運營安全造成嚴重威脅，也會對人民生命財產造成巨大損失。以某停車場北側高陡邊坡為研究對象，通過工程地質比擬法、規范及經驗參數法、力學計算法三種不同的方法綜合確定硬質巖高陡邊坡的穩定坡高、坡率及邊坡平臺寬度，從而確定安全合理的設計方案。

1 工程概況

停車場區域地貌為剝蝕低丘陵區，北側為采石形成的高陡邊坡，坡面主要為巖質邊坡，邊坡高度約為80～100 m，坡率1∶0.2～0.5。根據現場地質調查，由于開采爆破使坡面局部閉合裂隙張開，形成卸荷裂隙，與邊坡面呈不利組合，造成邊坡現狀穩定性較差，成為安全隱患。巖土力學參數見表1。

表1 巖體物理力學參數

2 工點邊坡劃分

根據工程地質縱斷面將場地北側山體坡面劃分為兩類。

(1)巖質邊坡:根據工程地質鉆孔分層顯示，高程約80 m 以下為〈8H〉、〈9H〉混合花崗巖(T3ηγ)，強風化～弱風化，巖石抗壓強度高，極限單軸抗壓強度為25.36～66.75 MPa，屬于硬質巖～極硬巖，不易風化，是典型的以強度為主控制塹坡的穩定。

(2)土質及類土質邊坡:其余地段為全風化混合花崗巖〈7H〉和〈5H-2〉坡殘積土層(Q3dl+el)，巖石較為破碎，巖石的抗壓強度低，主要以土體內部的黏聚力為主控制塹坡的穩定。

根據巖坡的劃分分析，坡高陡峭的巖質邊坡區域的加固和防護是設計的重點，土質及類土質邊坡區域較小，多位于山體頂部，采取刷方減重原則，降低邊坡高度，避免土質及類土質邊坡因外力的作用發生滑塌。巖坡劃分區域如圖1所示。

3 工點病害分析

根據工程地質勘察報告可將山體病害劃分為以下三種。

(1)土體滑塌:根據現場調查發現，停車場起點處有崩塌現象，為土質崩塌，其成因為由于切割坡率較陡，受多次強降雨影響，土體沿土石分界處出現滑塌現象，多為坡體頂部土體的滑塌。

(2)坡面病害:由于開采時坡面留下不規則的節理裂隙，受雨水、溫差等營力作用，坡面出現破壞現象，局部出現明顯的崩塌現象，根據工程經驗，坡面病害影響深度約2 m左右，一般4～6 m，很少有超過8 m。

圖1 巖坡劃分區域示意

(3)邊坡病害:邊坡病害一般受當地地質環境及營力作用較長周期(一般20～30年)，影響范圍較深(一般10～20 m)，主要特點是坡體以這一深度為界，內外巖土的風化程度有顯著的區別，一般邊坡病害也同時伴有坡面病害，由于采石高邊坡裸露將近20年，根據經驗推測，邊坡一定深度范圍可能存在邊坡病害。

4 穩定坡高、坡率及邊坡平臺寬度的確定

自然斜坡由于組成的巖性、結構構造、水文地質的條件以及氣候的不同，可以有各種不同的極限坡率，但在同一條件下的巖土層中，都具有因坡高增大而坡率變緩的規律［1］。

4.1 工程地質比擬法

(1)土質及花崗巖全風化殘積層(5H-2及7H):場地西側及東側為自然山坡，坡角約30°，坡高約15～20 m，土質邊坡，狀態基本穩定，反算穩定坡率約1∶1.73。

(2)巖層(8H及9H):場地北側大部分基巖出露，背側自然山坡角50°～55°，坡高約50～110 m邊坡狀態基本穩定，反算穩定坡率約1∶0.7～0.83。

(3)開采面(9H):場地北側開采面平均邊坡角73.3°，局部80°～85°，反算穩定坡率 1∶0.2 ～0.3，巖坡局部可見巖石順坡節理坍塌，坡面病害明顯。

綜上所述，對于土質及花崗巖全風化殘積層(5H-2及7H)，穩定坡率采用不陡于1∶1.75，巖層(8H及9H)穩定坡率采用不陡于1∶0.75，完整基巖(9H)穩定坡率采用不陡于1∶0.5。

4.2 規范及經驗參數

鐵路規范要求路塹邊坡高度不宜超過30 m，否則要進行隧路比較。相關工程經驗要求一般軟巖坡高控制在20～30 m，硬巖30～50 m，以下是收集國內外對巖石高邊坡的坡高及坡率的經驗參數，作為設計的參考依據［1］。

日本地質學家渡邊貫教授曾提出，在無構造控制下有以下關系(表2)。可供高塹坡設計參考，并能作出分析穩定山坡的總平均坡率數值。

表2 堅硬巖石在不同高度與風化、破碎條件下的切坡數值

根據巖石堅硬程度類似地質條件的經驗統計數值可參考表3。

根據鐵路勘察設計得出在塊狀結構巖石中的統計數據如表 4［3］所示。

綜合國內外工程經驗，結合場區工程性質及高邊坡的巖石特性，確定巖質(9H)坡面的穩定坡率采用1∶0.3～0.5，每級坡高宜控制在40 m以內。

表3 完整巖石按堅硬程度確定邊坡的參考數值

4.3 力學計算法

由于天然斜坡的復雜性，至今很少在巖質邊坡中進行力學計算，根據現場勘查，坡面巖質較完整(非構造、非破碎、非風化控制)，是典型的以巖石強度控制塹坡的坡高及坡率，設計計算采用齊姆巴列維奇空間要素法(齊氏法)［1］，公式為

表4 不同巖體結構的路塹邊坡坡度與高度的參考數值

式中 c——巖層平均最大黏聚力(抗剪斷力)，kN/m。一般采用巖石的單位黏聚力c0的1/7～1/15(1/7～1/15是巖石內的不均勻系數)，一般是150～1 200 kN/m2;

γ——巖層單位容重，kN/m3;

h——切割塹坡的垂直高，m;

α——切割的坡腳角度，(°);

m——設計所采用的安全系數，一般是1.5～3。

(1)穩定坡率計算

9H 層中，當 c=1 000 kN/m2，r=265 kN/m3，m=3時，已知切坡高度時穩定坡率計算結果如表5所示。

綜上所述:坡高40 m以下采用1∶0.3～0.5為穩定坡率，坡高40 m以上采用1∶0.5～0.75為穩定坡率。

圖2 橫斷面設計示意(單位:m)

表5 穩定坡率計算結果

(2)穩定坡高反算

9H 層中，當 c=1 000 kN/m2，r=26.5 kN/m3，m=3時，已知邊坡角時穩定坡高計算結果如表6所示。

表6 穩定坡高計算結果

綜上所述:9H層中，每級邊坡高度宜控制在50 m以內，維持目前的原始坡率，邊坡高度宜控制在70 m以內。

(3)平臺確定

9H層中，邊坡70 m以下穩定坡率取1∶0.4～0.5時:

土石分界70 m處，平臺寬度為S=［0.4(或0.5)-0.3］×70=7～14 m;

邊坡中部40 m處，平臺寬度為S=［0.4(或0.5)-0.3］×40=4～8 m。

根據工程地質比擬法、規范及經驗參考值、力學計算三種方法，遵循“刷方減重、強腰固腳、強主弱支”的設計原則最終擬定設計方案，如圖2所示。

該方案于坡腳設置高10 m、頂寬1.5 m的護面墻，邊坡中部40 m處設4～8 m大平臺，墻頂及邊坡中部平臺設置被動防護網，40 m以下維持原坡面1∶0.3的坡率，其上按1∶0.75～1.75放坡開挖，全坡面采用框架(錨索)錨桿+掛網噴植被混凝土防護。

5 結語

巖質邊坡力學分析難度較大，目前在硬質巖邊坡中很少采用力學計算，加之地質條件本身的隱蔽性、多變性及復雜性，勘探測試的局限性，設計需要對工點周邊進行詳細準確的輪廓勘察和調查測繪，找出極限狀態、已失穩和穩定狀態，準確劃分邊坡病害，選擇合理的計算方法，才能滿足判斷高陡邊坡穩定性的需要，確定安全合理的設計方案。

［1］ 徐邦棟.高塹坡設計及病害分析與防治［M］.北京:中國鐵道出版社，2011.

［2］ GB50330—2002 建筑邊坡工程技術規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2002.

［3］ TB10001—2005 鐵路路基設計規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2011.