某黃土路塹高邊坡變形分析及應急工程設計

張 軍

（山西省公路局 臨汾分局，山西 臨汾 041000）

0 引言

公路高邊坡具有數量多、地質條件復雜及施工速度快、施工期和運營期變形破壞事例頻發等特點[1]。而在我國的北方地區，越來越多的工程項目存在高邊坡開挖，遇到的一個重要問題就是黃土邊坡的穩定問題。這一問題不僅嚴重影響公路建設的施工進度甚至施工安全，而且在公路竣工后還可能對公路的安全運營產生嚴重的危害[2]。

何紅前[3]通過分析黃土高邊坡研究中存在的不足之處以及諸多問題以后，從邊坡穩定性及其防護方案兩方面入手展開研究。研究表明黃土中的古土壤和鈣質結核由于內聚力較大，對邊坡的穩定性有積極意義。劉海松[4]將公路黃土高邊坡劃分為八大類，總結了各地質結構模型的分布規律和特征，并對不同坡型黃土高邊坡穩定性進行了分析評價，同時結合邊坡地質結構模型，提出了公路黃土高邊坡的合理坡型設計方案，這對公路黃土高邊坡穩定性分析以及防護工程設計（包括植物防護設計）都具有非常重要的實際意義。

為了進一步研究黃土地區路塹高邊坡的變形機理和防治設計，很有必要進行黃土路塹高邊坡的勘察設計施工的研究和總結，以進一步完善相關設計和施工技術的應用，為以后避免類似問題、節約工程造價以及應急設計提供高價值的技術支持。

1 工程概況

某高邊坡公路里程為K630+478—+545，最高開挖達75 m，于2005年完成施工。在2007年雨季曾在三、四級邊坡平臺上產生變形，三級邊坡出現沿路線長度約11 m寬的滑塌，三級邊坡坡面下陷，滑塌土體堆積于二級邊坡平臺上，并在滑塌后緣的三級邊坡平臺上，已形成包含滑塌體的弧形裂縫，裂縫寬約5～15 cm，長度約36 m，裂縫兩側形成了最大約20 cm的錯臺，裂縫延伸穿過三級邊坡坡面至二級邊坡平臺上，坡面鼓裂，其影響范圍為K630+503—K630+544。

2011年10月，一二級邊坡又一次發生坍塌，現場調查發現，除三、四級邊坡平臺原有變形裂縫有較大發展外，三級邊坡出現坡面坍塌，在六級邊坡上出現圈椅狀拉裂縫，縫寬約5～10 cm，裂縫內側下陷約15～20 cm；五級邊坡平臺北部出現多條沉陷裂縫，縫寬約20 cm，下陷約20～60 cm，上述新的裂縫在向一級邊坡延伸并與邊溝拐角處2007年出現的裂縫相接。

該段高邊坡的變形破壞嚴重，已危及該段公路的安全運營，急需進行應急治理工程設計。

2 高邊坡的工程地質特征

2.1 地形地貌

該高邊坡地貌總體特征為中黃土梁峁地貌，受沖蝕作用，邊坡南北兩側，各發育一條沖溝，地形高差較大，最大高差達75 m左右。現場調查未發現由6級邊坡延伸的裂縫構成的變形體在其他分級邊坡上有剪出的跡象，由此分析該變形體屬較深層的變形，其滑面已產生并基本貫通，已形成滑坡，目前處于擠壓變形階段。由變形裂縫構成的滑體范圍，后緣至六級邊坡中上部，前緣至一級邊坡坡腳，平面上縱向長度約75 m，前后高差約 56 m，滑體寬40～60 m，平均厚度 22 m，體積約 8×105m3。

2.2 地層結構

據勘探揭示，滑體土主要由上部黃土（Q3馬蘭黃土、Q2離石黃土）、弱膨脹土及坡腳附近卵石組成，除前部坡口處因坍塌松散外，土體整體結構基本保留。詳述如下：

第四系上更新統風積馬蘭黃土（Q3eol）為灰黃色，垂直節理發育、具大孔隙，具中強濕陷性，在邊坡上形成三處落水洞。第四系中更新統風積離石黃土（Q2eol）與馬蘭黃土以紅褐色古土壤層分界，具有大孔隙，土質較硬，發育多層紅褐色古土壤層，受剝蝕作用影響，古土壤層多以密集鈣質結核層形式存在。第四系中更新統沖洪積膨脹土（Q2al+pl）以紅褐色為主，巖性主要為亞黏土，土質較均勻、致密，裂隙較發育，裂隙面光滑，其上可見擦痕，擦痕指向不規則，具弱膨脹性。可見鈣質結核和鐵錳質結核，局部密集成層，但具有明顯的再次搬運特征，為非原生。第四系中更新統沖洪積卵石層（Q2al+pl）在小樁號側坍塌段的一級邊坡坍塌面中部見到，夾于弱膨脹土層中，呈透鏡體狀，與紅褐色膨脹土呈相變關系。卵石成分以灰巖、變質巖為主，亞圓形，最大粒徑約20 cm，最小粒徑約4 cm，一般粒徑8～15 cm，含漂石，充填砂礫約25%，密實。

滑帶位于上述土層中，滑帶厚度5～10 cm，含水量高，土質疏松，黏性土滑帶呈軟塑狀態，鉆孔揭示有滲水現象。

3 滑坡的成因和穩定性評價

3.1 滑坡的成因分析

滑體所在地段邊坡高度大，臨空面高，坡體應力調整出現裂縫，在降雨作用下，坡面、平臺排水不暢，雨水沿孔隙及裂縫滲入，在滑帶附近聚集，局部達到飽和狀態，形成軟弱帶，使土體抗剪強度降低，產生坡體變形；在2011年較長時間的持續降雨作用下，大量雨水滲入坡體，引起軟弱帶擴展、抗剪強度進一步降低、坡體重量增加，導致坡體發生滑動變形，并牽引后部坡體出現多條拉張裂縫。但由于一級邊坡高度范圍內局部存在卵石層，起到一定的抗滑作用，故未能導致坡體產生較大滑動。

3.2 滑坡的穩定性分析與評價

按照《公路工程地質勘察規范》（JTG C20－2011）定性評價，該高邊坡已產生了明顯的變形，其滑面已產生并基本貫通，已形成滑坡。從裂縫后緣帶變形較大，前緣變形相對較小的特點分析，變形方式表現為以推移為主的擠壓滑動,目前處于擠壓變形階段。

根據勘察成果，并結合類似滑坡治理工程經驗及滑坡反算成果，選取如下參數對該滑體主滑斷面的穩定性進行了計算：土的重度取γ=20 kN/m3、γ飽和=21 kN/m3，按綜合分析所推測的滑面，取穩定系數K=0.99，滑面內黏聚力c=25 kPa（反算時，卵石層的指標取c=0 kPa、φ=35°），反算結果滑面摩擦角φ=15.2°。主體斷面上該滑體的穩定性計算結果見表1。

采用不平衡推力法進行計算，滑坡計算條分圖見圖1，滑坡穩定性計算結果見表1。

表1 滑坡穩定性計算一覽表

圖1 滑坡主斷面條分圖

經綜合分析，判定該段高邊坡在天然狀態下、暴雨或持續降雨狀態下以及地震狀態均處于不穩定狀態。

4 滑坡的治理設計

4.1 滑坡治理工程設計

該段高邊坡的變形已嚴重影響到該段公路的安全運營，為了保證該段坡體的穩定，對其主要采用減載+擋土墻+滲溝+截排水等工程措施進行綜合治理，在弱膨脹土滲水層設置支撐滲溝進行地下水的排導，并對整個坡面的截排水系統進行完善，保證地表匯水的順利排出。斷面工程布置圖見圖2。

圖2 工程布置斷面圖（單位：m）

4.1.1 臨時安全工程

為防止施工開挖時土石塊滾落路面，對行車安全造成損害，必須進行臨時安全工程設計。在K630+478—+545區間，設置長 70 m、高 1.0 m、厚0.6 m的混凝土路面防擋墻，攔截坡面滾落的土石塊。防擋墻采用1.80 m×1.0 m×0.6 m的C25混凝土預制件組裝，預制塊采用構造配筋，其頂設置吊環，以便吊運。

開挖邊坡時，在下級邊坡平臺上設置護攔板對坡口處土石塊進行攔擋。護攔板制作如下：采用架管搭設三角形骨架，寬、高分別為2 m，縱向間距2 m，彩鋼板固定于三角形骨架立面。單道攔擋板總長度160 m，重復使用。

4.1.2 削方減載工程

由于該段邊坡后部為反向坡，有較好的削坡減載條件，故由一級邊坡平臺向后分級減載，加寬一級邊坡平臺至8 m，二級邊坡坡率為1∶0.75，坡高10 m、平臺寬度14 m；三級邊坡坡高10 m、坡率1∶1.5，三級平臺寬8 m；四級邊坡高度10 m、坡率1∶1.25、平臺寬度8 m；五級邊坡坡高9 m、坡率1∶1.25與高程為871 m的寬減載平臺相接。

4.1.3 支擋防護工程

根據一、二級坡面變形破壞情況，對邊坡坡腳進行加固，將一級護面墻調整為C20片石混凝土路塹墻，頂寬 1.5 m，面坡 1∶0.25。

根據弱膨脹土層滲水分布特點，在第二級平臺內側設護腳墻，頂寬2.0 m，面坡1∶0.35，總高4 m，埋深1.5 m，并在其后設水平寬度為6 m的支撐滲溝，每道寬2 m，橫向間距8 m，共設9道，以排除地下滲水，增加坡體的穩定性，以保證邊坡整體的安全。

4.1.4 坡面防護工程

對各級坡面采用拱形骨架+植草進行坡面綜合防護。并完善原有邊坡截排水系統，對各級平臺采用30 cm厚C20鋼筋混凝土進行防護。

4.2 設工程后滑坡穩定性計算

根據《公路路基設計規范》（JTG D30—2004）正常工況下滑坡的設計安全系數Fs取為1.3，非正常工況Ⅰ和Ⅲ下Fs均取1.20。經計算，應急減載后計算斷面的滑坡穩定性結果如表2。

表2 設工程后滑坡穩定性計算結果一覽表

綜上所述，減載后高邊坡滿足規范設防安全要求。

4.3 滑坡應急工程設計的施工順序及注意事項

由于該滑坡地質較為復雜，變形較快，為了保證施工安全及過往車輛的行車安全，必須嚴格按照一定的施工順序進行施工。施工順序總體如下：臨時安全措施—削方減載—截排水—路塹墻—支撐滲溝—拱形骨架—植草綠化。

該高邊坡治理工程為一應急搶險工程，不具備公路斷通的條件，必須在公路運營期間完成施工，具有一定的特殊性，主體工程施工必須在安全工程完成后才可實施。

由于需要半幅施工，應按相關安全規范設置安全標志、警示標志和限速標志等，并由專人值守、負責提示路面行駛車輛注意。

對于高邊坡中的滲水點應根據開挖后具體位置對支撐滲溝進行調整，以保證其發揮最大的作用。

該高邊坡工程已于2011年12月順利完工。根據竣工后的定期監測資料，坡體已經穩定，治理工程取得了圓滿成功。

5 結語

本文在分析某黃土路塹高邊坡變形機理的基礎上，闡述了安全工程、削方減載、支撐滲溝和截排水等治理工程措施，并總結了應急工程中的施工順序和重點注意事項，可為公路路塹高邊坡應急搶險的勘察、設計和施工技術的完善提供翔實的實踐資料和重要的技術支持。