黃土地區某運煤公路高邊坡加固設計

顏芳華

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

黃土是西北地區一種典型的第四紀松散沉積物，其獨特的物質組成結構及所處的地貌構造環境，形成了其獨特的物理力學性質，即具有干燥時強度高，失水后結構破壞，黏聚力迅速減少，且變化幅度較大等特點，這些特點使得黃土地區邊坡在雨水的作用下經常遭遇不同程度的崩塌、滑坡等失穩破壞現象[1]，本文以黃土地區某運煤公路高邊坡加固設計為例，對黃土高陡邊坡的加固處治作一探討。

1 工程概況

運煤公路位于呂梁中段西部，地貌單元屬黃土梁、峁、溝壑地帶，為典型的黃土丘陵地貌單元，無破壞性地震，屬于輕震區，抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度值為0.05g；凍土深度100～130 cm，多年平均降雨量為625 mm，降雨量分配不均勻，多集中于每年6月下旬至9月上旬，溝谷中水流為季節性流水，雨季降雨期間，地表水沿山坡及沖溝匯集、徑流，為瞬時-短時性水流；地下水埋深較深。

該公路建設單位為山西省呂梁市某煤礦，作為煤炭外運的主要通道，于2015年建成通車，全線均按二級公路技術標準建設，設計速度60 km/h，路基寬度10 m，瀝青混凝土路面。K4+321—K4+390段以路塹形式從黃土山丘鞍部通過，并沿山丘斜坡延伸，路塹邊坡開挖后形成一段長約70 m，邊坡高度約26 m的土質高邊坡，原設計為兩級邊坡，第一級邊坡高10 m，第二級邊坡高16 m，邊坡坡率約為1∶0.3～1∶0.5。

地質勘察結果顯示該段高邊坡地層巖性上部為粉土，粉土層厚度約12～30 m不等，黃褐色，稍濕，稍密-中密，土質較均勻，具大孔隙，無層理，垂直節理發育，容易形成黃土陡壁；下伏粉質黏土層，黃褐色-棕紅色，可塑，層理狀分布，含少量鐵錳質斑點，韌性中等，干硬度較強，粉土與粉質黏土層界面處含水率較高。

2 邊坡現狀調查及失穩成因機理分析

2.1 邊坡現狀調查

K4+321—K4+390段位于一黃土山丘的鞍部，山丘自然坡度較陡，路基開挖后在右側形成了一段長約70 m，高度約26 m的土質高邊坡，設計為兩級邊坡，第一級邊坡高度為10 m，設計采用預應力錨索擋土板支護（已施工完畢），二級邊坡高度約為16 m，邊坡坡率約為1∶0.3～1∶0.5，邊坡坡面及山體未設置任何防護加固措施與排水措施，坡面沖刷、剝落嚴重，部分路段由于沖刷、剝落而在坡面形成凹進的反坡地形。該段邊坡上部為粉土，下部為粉質黏土；目前一級邊坡處于穩定狀態，二級邊坡由于高度過高，坡率較陡，邊坡處于欠穩定狀態，邊坡土體在雨水的作用下已經出現了局部滑塌現象；但邊坡上方陡峭山體基本處于穩定狀態。

2.2 邊坡失穩成因機理分析

通過地質調繪及現場情況綜合分析，引起該段邊坡失穩的主要原因是設計、施工存在缺陷以及不利的巖土層結構組成，具體原因如下：

a）邊坡高度較高，原設計坡率較陡，邊坡穩定安全系數僅為0.97，邊坡處于欠穩定狀態，坡面土體沖刷、剝落破壞嚴重，部分路段已形成凹進的反坡地形，進一步降低了邊坡的穩定性，因此，設計存在缺陷，導致邊坡自身穩定性不足是造成邊坡滑塌的主要原因。

b）二級邊坡坡面及山體原設計未設置任何防排水措施，上游山體及坡面匯水無法及時引出，雨水沿山體及坡面進入土體，導致邊坡土體含水量增加甚至飽和軟化，一方面降低了邊坡土體的抗剪強度，另一方面雨水的進入使土體的自重增加，有效降低了邊坡的自身穩定性，從而造成邊坡失穩坍塌。

c）不利的巖土層結構。邊坡下部為粉質黏土，其性質遇水軟化，失水崩解，且粉質黏土層相對于上部粉土來說是較好的隔水層；雨水進入土體后積聚于粉土與粉質黏土層界面處，導致界面處抗剪強度降低，并形成較薄且力學性能較低的“易滑”層，為失去力學平衡的坡體提供了良好的滑動面[2]，如不及時進行加固，極有可能形成大型滑坡。

3 邊坡加固設計

3.1 設計原則

a）堅持自然恢復與生態防護并重、生物防護與剛性防護并重、柔性防護與自然生態恢復并重的設計原則。

b）采用綜合處治的方法進行動態化設計，有效治理邊坡滑塌，確保邊坡安全穩定。

c）盡量減少對山體的擾動，避免對原有生態環境造成破壞。

d）邊坡加固時盡量減少對下部邊坡荷載的增加，避免對邊坡下部預應力錨索擋土板產生不良影響。

e）坡面不應長時間裸露于大氣環境中。

f）加強邊坡及山體的截排水設計，確保邊坡穩定安全。

3.2 方案比選論證

預應力錨索框架梁作為一種主動加固防護形式，通過將錨索體錨入（錨固段）邊坡一定深度并施加一定的張拉力，錨索體通過鋼筋混凝土框格梁主動、適時地對邊坡體施加預應力，有效克服或扼制邊坡穩定性不利因素的累積和發展，主要適用于大、中型楔體破壞和潛在裂面滑動破壞的坡體，其與放坡對山體進行大開挖來滿足邊坡的穩定性相比具有以下幾方面優勢：

a）預應力錨索噴射混凝土框架梁屬于主動加固防護形式，通過對邊坡巖土施加預應力，克服或扼制邊坡穩定性不利因素的累積和發展，且對下部預應力錨索擋土板荷載增加很小，不會對擋土板產生影響。

b）避免對山體進行大開挖，大大減少了對原穩定山體的擾動。

c）原山體自然坡面陡峭，如采用放坡開挖方案，放坡后其邊坡高度將超過40 m，并將產生廢棄土方約7萬余方，一方面廢棄土方需另擇地方妥善處治，另一方面對原山體良好的植被造成嚴重影響，與綠色環保的理念沖突。

d）采用預應力錨索噴射混凝土框架梁加固，工期短，施工方便快捷，對運煤公路的安全運營影響小，能有效減少施工作業對山體穩定性的影響。

e）采用噴射混凝土預應力錨索框架梁結構，由于噴射混凝土施工時沖力大，使得混凝土有較好的密實性，且混凝土與原邊坡土質有較好的結合性。

f）預應力錨索框架梁格內采用客土種植綠化，既可防止框架梁格內水土流失，又能增加框格梁的穩定性。

3.3 邊坡加固設計方案

圖1 邊坡加固工程剖面圖

根據邊坡的水文地質、工程地質以及環境條件，結合附近高速公路黃土高邊坡的設計經驗，并考慮到下部已施工的預應力錨索擋土板，因地制宜，在合理選擇各土層力學參數的基礎上經穩定性驗算后，擬采用預應力錨索噴射混凝土框架梁對邊坡進行加固，具體方案如圖1。

3.3.1 清除開挖滑塌土方

清除開挖二級邊坡已滑塌的松散土方并平整坡面，邊坡坡率采用1∶0.75，并在原預應力錨索擋土板頂部形成3.0 m寬平臺（一級平臺），邊坡以上的山體維持原樣，盡量不對其進行擾動。

3.3.2 邊坡加固

平整坡面后采用預應力錨索噴射混凝土框格梁對二級邊坡進行加固，預應力錨索長度為25 m，錨固長度為15 m，單孔設計拉力200 kN，錨孔直徑150 mm，傾角15°，錨索體一束由3根φ15.24高強度、低松弛普通鋼絞線組成，鋼絞線強度為1 860 MPa；框架梁截面尺寸為30 cm×40 cm，框架豎肋和橫梁全部嵌入坡面，單片框格為3 m×5 m，每個梁節點植入3束錨索，框格梁采用鋼筋混凝土澆筑，混凝土為C20噴射混凝土。錨索張拉鎖定后暫不剪斷錨索及封錨，待邊坡完全穩定后再采用C20混凝土進行封錨，若邊坡穩定期間由于土體壓縮變形導致錨索出現應力松弛現象時應進行二次或多次張拉，同時在后期維護過程中應定期檢查錨索并及時調整預應力。

3.3.3 排水工程

本次邊坡加固注重排水系統的完善，一級平臺均設置平臺排水溝，邊坡坡頂設置截水溝，截排上游匯水，同時在邊坡兩側設置急流槽，將截水溝及平臺排水溝內雨水引至下方排水系統，平臺排水溝采用C20混凝土預制塊結構。急流槽則采用鋼筋混凝土結構，混凝土為C20噴射混凝土，并在槽底設置長2 m的錨桿，增加急流槽在高陡邊坡上的穩定性。

4 施工注意事項

預應力錨索噴射混凝土框架梁施工前應通過試驗段進行錨索試驗，錨索試驗數量不少于3根，最大試驗荷載不超過錨索體承載力標準值的0.9倍；施工前應編制安全施工專項方案，并設置必要的圍擋設施，防止施工期間對運煤公路的運營安全造成隱患。施工時應分段分片施工，分段長度不宜大于20 m，預應力錨索框架梁布置時應因勢利導采用分片式施工，并根據地形地勢條件靈活調整框架梁的尺寸和網格密度，但應以單片梁作為一個整體進行調整。邊坡穩定期間若土體壓縮變形導致錨索出現應力松弛現象時應進行二次或多次張拉，同時在后期維護過程中應定期檢查錨索并及時調整預應力。雨季施工時應做好施工組織安排，確保設置的臨時截排水設施排水通暢。平臺排水溝和急流槽施工時基底必須夯實。

5 結語

高邊坡的失穩破壞影響因素眾多，因此在進行邊坡加固設計時，首先要結合工程所處的地質環境，正確分析邊坡的失穩機理，合理分析高邊坡可能出現的破壞情況，并結合工程特點，綜合考慮施工方法和經濟條件，經穩定性驗算后提出相應的加固方案。目前該段高邊坡加固處治已剛剛施工完畢，從施工完成后近一個月的變形觀測數據來看，該段邊坡已基本處于穩定狀態。