沈海復線福安至蕉城漳灣段高速滑塌邊坡病害分析與治理

■王偉偉

(福建省交通規劃設計院有限公司，福州 350004)

1 引言

福建省位于中國東南沿海地區，地形多以山嶺、丘陵、臺地和濱海平原為主，丘陵段落多為半山，夾雜著谷地，溝谷縱橫，地形起伏大，地下水發育豐富。受地形限制，在省內山區公路建設過程中，沿谷地與山脊交錯修建的道路工程愈來愈多；因此，沿線公路不少路段出現單側多階路塹邊坡。近年來，隨著極端天氣的頻繁出現，路塹邊坡滑塌時有發生引起廣大學者和工程技術人員的重視，然而由于山嶺丘陵地區工程地質條件的復雜多變性，受汛期持續降雨及瞬時暴雨影響，公路邊坡失穩坍塌依舊頻繁。本文通過沈海復線福安至蕉城漳灣段高速(樁號K102+100～+364.372)左側邊坡滑塌治理的工程實例，對路塹邊坡病害成因進行分析，并提出修復方案，治理成效顯著，可供類似山區公路工程借鑒。

2 工程概況

2.1 地形地貌

工程位于福建省寧德地區福安市境內，為沈海復線高速公路段，路寬24.5m。其中滑坡區K102+100～K102+364.372段位于山坡地段，總地勢為東部高，往西呈階梯狀降低，坡體地形上陡下緩，后緣山坡坡度約30°，多松樹林分布，前緣山坡坡度較緩，約10～15°，受村民改造影響，呈臺階狀分布，多種植茶樹，表層土體為坡積碎石土，結構松散，多孤滾石分布，水位埋藏淺。

2.2 地層巖性

根據現場、鉆孔資料，滑坡區的地層主要為凝灰熔巖及風化層。表層由坡積碎石土體組成，厚度約1.00～11.90m。坡體表層見大量孤滾石分布，塊徑以0.5～2.0m為主。各巖土體分述如下：

①坡積碎石土(Qdl)：灰黃色，松散～稍密狀，稍濕，灰黃色，成分以碎塊石為主，占50%～60%，粒徑4～18cm，塊石約20～40cm，含有40%～50%的粘性土，性質變化較大，透水性強。

②殘積粘性土(Qel)：黃褐色，可塑，稍濕，以粘粉粒為主，粘性較好，浸水易軟化、崩解。該層為高液限土，液限ωL(100g錐)為 53.7%～67.5%。

③全風化凝灰熔巖(J3n)：灰黃，原巖結構較清晰，風化強烈，主要礦物成份為長石、石英，長石大部分風化為粘土，以粉粒為主，浸水易軟化、崩解。該層為高液限土，液限ωL(100g錐)為 63.7%。

④砂土狀強風化凝灰熔巖(J3n)：巖體結構面礦物粘土化嚴重，浸水易軟化、崩解。該層為高液限土，液限ωL(100g錐)為53.1%。根據野外地質調查，該層見兩組平滑節理裂隙面：340°∠50°，見黑色礦物成分，略有擦痕；140°∠10°，裂隙面粘土化，見有擦痕，結構面傾向與邊坡坡面傾向相近，不利于擬開挖邊坡的穩定。

⑤碎塊狀強風化凝灰熔巖(J3n)：灰褐色，原巖結構清晰，風化較強烈，主要礦物成份為長石、石英，巖芯破碎，呈碎塊狀，敲擊易碎。發育有一條節理密集帶(f01a)產狀：287°∠80°，寬 3～5m，根據鉆孔 K5、K8 鉆孔揭示，節理帶內節理裂隙發育，巖體破碎，裂隙面呈灰褐色，有鐵錳質侵染，部分礦物風化。

⑥中風化凝灰熔巖(J3n)：青灰、灰褐色，晶屑凝灰熔巖結構，塊狀構造，主要礦物成份為長石、石英，節理裂隙發育，節理面呈灰褐色、見次生礦物，巖體較破碎-較完整。

2.3 水文地質條件

原山坡坡體未見地表水流，開挖的坡腳多處見泉眼水出露，該段坡體滲水總流量約10m3/d。該坡體所屬山脈近南北走向，植被發育，匯水面積較大，約84000m2。

滑坡區的地下水類型為殘積層、風化帶孔隙裂隙水，地下水賦存于殘積層、基巖風化帶的孔隙裂隙中，總體地下水水量較小，自東向西排泄。地下水的補給來源主要為大氣降水，調查期間見有地下水沿坡積層底界或風化層裂隙滲出，其軟弱夾層地下水運移較為活躍。地下水穩定水位埋深 4.5～9.4m(晴天)。

2.4 原設計簡介

K102+100～+364.372左側原設計為2～3階挖方路塹邊坡，邊坡坡率為1∶1.25、采用拱形骨架植草防護。

2.5 病害概況

病害原始地形較為平緩，坡體上陡下緩，坡度約為10～35°，根據現場調查，邊坡開挖至第一級平臺。受持續降雨，該段落出現2處不同程度的病害情況，K102+115～+165段坡頂截水溝位置形成長約55m，20～40cm寬的裂縫，縫寬5～10cm；坡體可見有地下水出露，流量約0.04～0.05L/s，其中 K102+155～+165 段第二級坡面出現坍塌(圖 1)。

K102+250～+340段第二、三階坡形成長約80m的滑塌(見圖 1)，坡腳可見地下水出露，流量約 0.08～0.1L/s。 后緣拉張主裂縫位于坡頂截水溝位置，土體下錯約1.2m，剪出口位于坡腳，前緣滑坡鼓丘，明顯鼓脹隆起，滑塌位置坡面有水滲出，水量較大。滑塌平面上總體呈不規則的圈椅形。滑塌主軸長約30m，滑體厚度約為5m，體積約0.7×104m3。推測潛在滑動區為沿下伏全風化巖層頂面滑動，滑體厚度約13m。

圖1 K102+155～+165段第二級坡面坍塌

3 滑塌邊坡病害成因

滑塌邊坡的形成和發展變化由多種因素控制和影響，包括地質原因、氣象與水文因素、人類工程活動等。

3.1 地質原因

滑塌產生的地層主要為侏羅系南園組(J3n)凝灰熔巖及其風化層，表層為坡積碎石土及殘積粘性土層。原地貌山坡上陡下緩，表層為坡積層，含孤滾石，邊坡開挖后易滑塌。凝灰熔巖風化層中礦物成分粘土化嚴重，細顆粒含量較高，約71%～89%，且均為高液限土，易飽水軟化，巖體飽水后極易產生軟弱帶，導致邊坡滑動失穩。

發育有與開挖邊坡坡向順傾結構面(見圖2)，受持續降雨地表水下滲影響，雨水沿坡面、裂縫滲入坡體，逐漸將外傾裂隙面軟化、貫通，形成軟弱滑動面。

圖2 順傾裂隙面

3.2 氣象與水文因素

滑塌坡體水位埋藏淺，約4.5～9.4m，因此坡體表層殘積粘性土及全風化土層長期處于飽水狀態，巖土結構軟化嚴重，土體內易形成軟弱帶。降雨是觸發和形成滑塌等病害的主要因素，由于坡體東西向的山體較高，匯水面積大，坡體附近地形較緩，坡面排水條件不良，暴雨和長時間的持續降雨，一方向對斜坡巖土體進行沖刷和軟化，一方面補給地下水，使其水位迅速升高，動水壓力和靜水壓力加大，循環交替作用加劇。由于降水的影響，造成巖土體處于飽和軟化狀態，使其斜坡的巖土體重度增加，抗剪強度降低，最終導致滑動面的形成和滑塌產生。

3.3 人類工程活動的影響

邊坡的開挖，邊坡外側土體卸載，破壞了邊坡巖土體的天然應力平衡狀態，坡頂線附近形成張力帶，產生拉張裂縫，而坡腳應力集中，產生擠壓破壞現象。在坡腳處形成了較陡的臨空面。對滑坡的整體穩定性有較大影響，目前邊坡只開挖兩級已出現滑塌病害，可想而知，若邊坡開挖至路基標高位置，將形成范圍更大的變形，更大規模的滑坡產生。

4 滑塌邊坡病害治理

4.1 穩定性分析

在對滑坡的病害成因進行初步判定后，采用邊坡穩定性計算軟件Geo-slope對K102+224和K102+284兩個主斷面進行計算分析。分為淺層滑面和推測潛在滑面進行計算，根據淺層滑面所處的狀態，反算滑坡坡體坡殘積粘性土強度指標。再根據反算指標及土工試驗的土體力學參數，計算滑坡推力，滑坡治理后需達到規范要求[1]的安全系數計算預應力錨索需提供的抗滑力。

根據地質勘察及巖土試驗資料，結合坡體地質結構和地下水的發育特征，采用Geo-slope軟件和Morgenstern-Price方法對滑面進行反算[2]。得出坡殘積粘性土C、Φ值見表1。根據試驗結果，坡殘積粘性土的天然重度為16.7kN/m3，飽和重度為 17.5kN/m3。

表1 土層主要物理力學指標表

根據《公路路基設計規范》，高速公路滑坡設計安全系數正常狀態下取K=1.20～1.30，本次設計在正常狀態下取K=1.25;在非正常工況Ⅰ取K=1.10～1.20，本次設計在非正常工況Ⅰ取K=1.15。采用傳遞系數法計算滑坡推力，計算結果見表2。

表2 坡面穩定性計算結果表

根據計算結果由表2可知，該邊坡K102+284斷面在兩種工況下均不穩定，在暴雨狀態下穩定性最差。通過上述計算，所得結果與實際狀況相符，在天然工況或暴雨工況下均為失穩狀態；K102+224斷面在天然工況下為基本穩定狀態，在暴雨工況下為欠穩定狀態。

4.2 方案計算

計算過程中，路塹擋墻抗滑力取值為150kN/m，錨索根據不同斷面的錨固力取值分別為137.5kN/m和100kN/m。采用 Geo-Slope軟件 Morgenstern-Price方法，對K102+224和K102+284進行驗算，加固后的安全系數均可滿足規范要求(見圖3、圖4)，說明該方案是可行的。

4.3 工程治理

根據滑坡規模、地形地貌、地形地質條件、主要作用和誘發因素、破壞機制和模式、目前的穩定狀態及其發展趨勢，采取截排水、卸載、反壓和支擋、錨固等措施進行綜合治理。具體工程治理措施如下：

圖3 K102+224加固后安全系數

圖4 K102+284加固后安全系數

4.3.1 坡體加固

根據該段落的病害特征和穩定性現狀。考慮該邊坡K102+244～+364段地面線較平緩，同時坡面加固需清除已滑塌虛方，故對該段落邊坡進行刷坡卸載，并采用預應力錨索框架結合坡面支擋進行防護。K102+100～+244段坡腳進行支擋，第二級坡面設置支撐滲溝，滲溝間坡面采用小導管注漿+30cm厚漿砌片石封閉。具體措施如下(見圖 5、6)：

(1)K102+120～+170 段第二級采用 1∶1.5 坡率刷坡，設置12m寬平臺；

(2)K102+254～+350段第二、三級采用1∶1.25坡率刷坡，第二級設置16m寬平臺，第三級設置4m寬平臺，兩側與現有坡面順接；

(3)第二級K102+100～+229段采用支撐滲溝防護，滲溝間坡面采用小導管注漿+30cm厚漿砌片石封閉；

(4)第二級K102+231～+361段設置預應力錨索框架加固，其中K102+270～+310段設置小導管注漿臨時支護坡面；第三級K102+271～+335段設置預應力錨索框架加固；

(5)K102+100～+230 段、K102+270～+364 段設置 8m 高擋墻；

圖5 滑塌邊坡處置平面

圖6 預應力錨索滑坡治理典型斷面

(6)K102+230～+270段第一級增設A型半擋墻；

(7)K102+100～+270段第一級擋墻墻面增設錨索地梁，間距4m。

4.3.2 排水設計

水是誘發邊坡體失穩的主要因素之一，排水工程對邊坡體穩定性起到十分重要的作用。①在滑坡后緣及分級平臺位置設置截排水設施，防止地表水滲入地下影響滑坡體的穩定性。②坡體設置排水平孔對于有泉眼出露的地層，酌情加密設置排水平孔。③K102+190～+235段為山凹部位，匯水量大，在第一級平臺位置設置集水井，通過排水孔排出。

為保證施工安全及邊坡穩定，施工及運營期間布置有地表位移監測、深孔位移監測、地下水位監測及錨索預應力監測，以檢驗工程效果。目前該工程已竣工一年，經歷水位升降循環及極端暴雨工況，路塹邊坡未發現滑移跡象，達到預期的治理效果。

5 結論與建議

(1)對于覆蓋土層較厚，錨固地層較深的多階邊坡，從適用性考慮，采用預應力錨索框架治理滑塌邊坡有獨到的優勢。

(2)使用預應力錨索框架加固防治邊坡，宜遵循自上而下開挖一級加固一級的施工順序，待上一級錨索張拉后再開挖和加固下一級邊坡，也可根據工程的實際狀況，對每一級邊坡進行分層、分段施工，既減小了邊坡施工對邊坡的擾動，又可避免因施工不當引起邊坡病害。

(3)由于福建多為山嶺丘陵地貌，公路多在山區穿行，工程設計時很難把每個邊坡的地質條件完全勘探清楚，這就需要對邊坡進行動態設計。可通過增減錨索的根數和錨固深度調整錨固力的大小來適應現場防護邊坡的需求，輔以反壓、支擋等加固措施。