邊坡綠化工程對高速公路邊坡穩定性影響研究

王劍琳，王 飛，卿翠貴，鄧檢良

(1.浙江寧波甬臺溫高速公路有限公司，浙江 寧波 315040；2.浙江省工程勘察院，浙江 寧波 315012；3.上海交通大學 土木工程系，上海 200240)

1 引言

高速公路邊坡綠化日漸引起公路部門的高度重視[1～3]。在我國已有高速公路邊坡中，有一大批以護面墻、噴漿、擋墻為代表的加固工程[4～7]，其造成的混凝土的硬質、灰色坡面與周圍的生態環境不協調，有悖于生態發展理念。因此，對這些坡面進行邊坡綠化可提高公路品質、促進公路的生態文明建設[7,8]。

在綠化工程實施之前，評估綠化工程引入的荷載對邊坡穩定性的影響，是一項必須進行的工作[9，10]。邊坡穩定性不能因為綠化工程而造成大幅降低，從而影響高速公路的正常運營。特別是針對既有邊坡加固工程的坡面綠化，尤其應注意綠化工程對邊坡穩定性的影響。然而，目前還沒有規范的評估方法。為此，本研究根據穩定性分析理論，并結合綠化工程實例，分析了綠化工程對高速公路邊坡穩定性的影響，包括對既有邊坡加固工程的邊坡穩定性影響。本研究的理論分析和工程實例，可為后續的高速公路的綠化工程提供借鑒參考。

2 穩定性分析方法

為討論典型的綠化工程對邊坡穩定性的影響，結合傳遞系數法的基本理論[11]，分析綠化工程引起的剩余下滑力變化。

如圖1所示，假定綠化工程僅僅引起i條塊上的恒定荷載Gi增加ΔGi和地震荷載Qi增加ΔQi，從而引起剩余下滑力增量ΔPi；假定剩余下滑力增量ΔPi的傳遞系數接近1，并最終由加固工程的抗滑樁、錨索等承擔；假定ΔPi引起的邊坡穩定性系數變化ΔFs接近于零,并在計算分析的最后階段校核這個假定。在綠化工程之前:

Pi=Pi-1φi-1+Ti-Ri/Fs

(1)

φi-1=cos(θi-1-θi)-sin(θi-1-θi)tanφi/Fs

(2)

Ti=(Gi+Gbi)sinθi+Qicosθi-R0icos(θ+αi)

(3)

Ri=ciLi+[(Gi+Gbi)cosθi-Qisinθi]tanφi+(R0isin(θ+αi)-Ui]tanφi

(4)

公式(1)～(4)中：Pi為與綠化工程相關的第i條塊與第i+1條塊單位寬度剩余下滑力；φi-1為第i-1條塊對第i條塊的傳遞系數；Ti為第i條塊單位寬度重力及其他外力引起的下滑力；Ri為第i條塊單位寬度重力及其他外力引起的抗滑力；R0i為第i條塊上部外力；ci，φi為第i條塊滑帶的粘聚力和內摩擦角；Li為第i條塊沿滑動面的長度；αi，θi-1，θi，定義見圖1。

圖1 計算模型示意

在綠化工程之后，由于假定ΔFs接近于零，從而根據公式(2)：Δφi-1=0。

根據式(1)：

ΔPi=ΔTi-ΔRi/Fs

(5)

根據式(3)：

ΔTi=ΔGisinθi+ΔQicosθi

(6)

根據式(4)：

ΔRi=(ΔGicosθi-ΔQisinθi)tanφi

(7)

采用如下計算條件和計算參數，根據公式(5)～(7)，得到單位寬度、單位坡面長度的綠化引起的剩余下滑力增量ΔPi(圖2)：Fs=1.2；綠化工程的土層密度1900 kg/m3、厚度0.1 m、與地面傾角γi=10°,30°,60°；綠化用灌木在豎直方向上的荷載150 N/m2(根據文獻[12])；土壤和灌木對應的總荷載為ΔGi，不計其他附屬材料引起的荷載；地震烈度為8度，對應的地震荷載ΔQi為0.2×ΔGi；φi=30°。

圖2 計算結果

由圖2可知，綠化土層與地面傾角γi對ΔPi的影響很小，γi=10°,30°,60°對應的曲線幾乎重合。其中，θi較大(>30°)時，較小的γi對應較大的ΔPi，其原因是豎直方向上的荷載一定的情況下，較小的γi對應的ΔGi、ΔQi較大。滑動面與水平方向的夾角θi對ΔPi的影響大，當θi較小(<10°)時，ΔPi甚至是負值，即綠化工程可以增加邊坡穩定性。ΔPi的最大值也不超過2 kN，在通常情況下，這一量級的剩余下滑力增量遠小于抗滑措施能提供的抗滑力，亦即ΔPi引起的邊坡穩定性系數變化ΔFs接近于零，式(5)～(7)的計算方法有效；但是對與淺表層滑坡的抗滑措施來說，2 kN也是一個相當大的下滑力，ΔFs接近于零的假設不再成立，建議根據式(1)～(4)做進一步的穩定性分析；此外，如果坡陡(例如60°)，而且坡面長度大(例如10 m)，下滑力將比較大(例如20 kN)，建議進一步考慮其對抗滑措施的影響。

3 工程案例

該工程為甬臺溫高速公路邊坡為向陽邊坡，里程樁號為K1565+635～ K1566+045 坡高最高處約58 m(圖2)。邊坡K1565+635～K1565+950段采用護面墻護坡；其中K1565+910～K1565+950段于2011年9月采用錨索格構梁+后緣硅封閉治理。K1565+950～K1565+990段(滑坡段)在公路施工期間(2000年)曾發生滑坡并于坡腳修建重力式擋土墻進行支擋。2012 年8月受“海葵”臺風影響K1565+950～K1565+990段邊坡存在再次發生滑動隱患。為此對該段滑坡采用“部分割坡+局部錨桿掛網坡硅+抗滑樁+排水設施”進行第二次加固。治理之后效果良好，未產生新滑移。然而治理工程形成的混凝土硬質、灰色坡面，與周圍生態環境格格不入。在恢復邊坡植被并重建邊坡生態系統的工作中，選取該邊坡的掛網噴砼面(1區；面積720 m2)、自然裸露坡面(2區；100 m2)、漿砌石護面墻面(3區；350 m2)及錨索格構護坡坡面(4區；60 m2)進行綠化(圖3)。

邊坡工程地質結構層如下：

①坡積(el-dlQ)含粘性土碎石(含碎石粉質粘土)：灰黃、黃褐色，厚層狀,結構松散～稍密，陡坡處較易塌落。碎石分選性極差，次棱角～次圓狀為主，直徑一般3～20 cm不等成分主要為流紋斑巖，碎石以全風化狀為主，手掰易碎，含量一般50%～70%，粘性土含量15%～30%，余為砂礫。該層主要分布在滑坡后緣，厚度0.5～2.5 m。

②殘積(elQ)碎(塊)石：灰黃、灰褐色，表部稍密，中下部密實，呈棱角、次棱角狀，強～全風化。該層厚0.5～10.9 m，主要為沿滑動面滑動的全風化基巖，滑坡區皆見有分布。

③上侏羅統西山頭組(J3x)流紋斑巖，厚度0.5～7.2 m。

根據以上邊坡工程地質結構層和滑動面情況，設定；根據加固工程情況，設定；其它計算條件和參數均與上節中設定的計算條件和參數相同。

圖3 試驗區全貌

圖4 試驗1區和2區典型截面

對于1區，根據圖4，滑動面坡度27°，對應的(圖2)為480 N；綠化長度為20 m,相應的總下滑力增量為9.6 kN。

類似地，對于2區，ΔP(圖2)為480 N；綠化長度為8 m,相應的總下滑力增量為3.84 kN。

由1區和2區的綠化在單位寬度上產生的下滑力總計13.4 kN。考慮到抗滑樁的截面尺寸為2 m×2 m，水平間距4.5 m，滑坡體厚度8.74 m，因此由下滑力產生的平均土壓力增量僅僅0.7 kPa。而且綠化工程中用到的一部分錨桿穿過滑動面，進一步降低了平均土壓力增量，并且在綠化工程實施期間沒有發生地震，因此最終能監測到的平均土壓力增量將小于0.7 kPa。實際上，安裝在抗滑樁上的土壓力傳感器的土應力值在第二次加固工程完成后一直保持在1000 kPa左右，在本研究的綠化施工期間觀測不到土應力值的升高。

圖5 試驗3區典型截面

對于3區，根據截面圖(圖5)并比照1區和2區的情況，判斷其所在的最危險潛在滑動面坡度應遠小于27°，所以ΔP(圖2)遠小于480 N；綠化長度為16.3 m,相應的總下滑力增量遠小于7.8 kN。根據工程經驗判斷，單位寬度上產生的下滑力遠小于7.8 kN，其對穩定性系數的影響很小。

圖6 試驗4區典型截面

對于4區，根據截面圖(圖6)判斷其所在的最危險潛在滑動面坡度不大于60°，對應的ΔP(圖2)為1570 N；綠化長度為6.4 m,相應的總下滑力增量不大于10 kN。考慮到加固工程中的錨索的抗滑能力，由綠化工程引起的下滑力增量對穩定性系數的影響很小。

在施工期間和綠化養護期間，對試驗區域周邊的邊坡進行了變形監測，沒有監測到明顯變形。監測結果符合以上的穩定性分析結果。另外，在綠化工程實施過程中，沒有使用大型工程機械，施工過程對邊坡穩定性的擾動小；綠化工程的土層厚度僅為10 cm，即使考慮了8級設防烈度，其對應的單位寬度、單位長度上的下滑力增量也不超過2 kN，對邊坡穩定性的影響小；綠化工程對原有的加固措施的擾動小，沒有降低原有加固工程的效果，甚至還新增一定的加固效果(1區的情況)。這三點是控制綠化工程對高速公路邊坡穩定性影響的關鍵。

綠化工程對穩定性的長期影響，還需要進一步研究。目前為止的觀測表明，降雨不會為邊坡和綠化工程造成破壞。在生態修復纖維噴播實施后的3個月內，經歷了三場臺風暴雨(臺風“安比”、“摩羯”和“溫比亞”)的考驗，未觀測到明顯的侵蝕現象，坡面植物長勢良好，邊坡無變形(圖7)。然而，對于綠化土層對噴漿護面層的不良影響，則需要更長期的觀測和更多的實驗研究。

圖7 三場臺風過后的邊坡坡面

4 結語

(1)為分析邊坡綠化工程對高速公路邊坡穩定性影響，結合傳遞系數法的基本理論，對穩定性計算提出了計算模型。計算結果表明，綠化工程引起的單位長度、單位寬度的下滑力增量可以控制在2kN以內。對于滑動面坡度達到70°的情況，計算所得的綠化土層和植物單位長度、單位寬度引起的下滑力增量僅1.8 kN。

(2)針對掛網噴砼面、自然裸露坡面、漿砌石護面墻面及錨索格構護坡坡面，分析了綠化工程對高速公路邊坡穩定性的影響，尤其是對既有加固邊坡的穩定性影響。工程實例表明，在滿足一定條件的情況下，綠化工程對高速公路邊坡穩定性影響小，包括綠化在內的邊坡工程能承受臺風暴雨的考驗。在工程案例中，4個綠化區域引起的下滑力增量小，從而對穩定性系數的影響小、引起的變形小；綠化工程的土層厚度僅為10 cm、綠化工程對原有的加固措施的擾動小、施工過程對邊坡穩定性擾動小，是降低綠化工程對高速公路邊坡穩定性影響的有利因素。