高邊坡失穩動態設計分析及治理

黃春圓

(漳州通平漳武高速公路有限公司，漳州 363600)

1 引言

由于高邊坡地質條件的隱蔽性、 復雜性以及勘探條件的局限性，導致無法進行地質詳勘，無法獲得詳盡的高邊坡地質資料[1-3]，加上施工過程中多種不確定因素的影響，有可能導致邊坡開挖后發生失穩。本文以沈海復線高速公路漳州段A9 標K65+130～K65+310 右側路塹失穩高邊坡為工程實例， 對高速公路失穩高邊坡動態設計及治理過程進行了探討；再根據施工實施進程，結合施工現場揭露坡體地層實際情況及其它相關環境背景條件變化，以及各階段坡體變形情況和發展趨勢等信息， 對高邊坡設計進行必要的動態調整、 補充和完善， 以實現經濟合理、安全可靠的目標，保障了高速公路施工工期與高邊坡的安全穩定性。

2 工程概況

本文以沈海復線高速公路漳州段A9 標K65+130～K65+310 右側路塹失穩高邊坡為工程實例， 該處原設計為三級路塹邊坡，設計最大坡高約25m。根據邊坡土石方開挖發現邊坡工程地質及水文地質條件較差， 主要表現為覆蓋層坡積粘土及殘坡積粘土層較厚，土質含水較大，強度較低，局部坡面滲水嚴重。對邊坡坡頂四周巡查時發現坡體已形成兩條的貫通性較大裂縫，長度分別約170m和130m。

勘察期間，受臺風暴雨的影響，加劇了坡體和裂縫的變形程度。 根據現場鉆探揭示的覆蓋層土質情況及地勘報告推測的滑動面，結合現場測量裂縫平面分布的情況，本工點滑體縱長(滑動軸向)約100m，橫寬(范圍)約165m，滑動面平均厚度約14m，總體積約23 萬m3。 滑坡主滑方向約109°，與線路走向呈60°～70°相交。

圖1 防護施作過程塌方

鑒于施工期正處持續雨季， 采用緊急措施對邊坡進行臨時處理，以減少邊坡出現更大危害。由于缺乏現場深孔位移監測數據， 對滑坡的發展過程只能從現有的地面裂縫發展過程進行跟蹤分析， 此種情況對滑坡治理工作和掌握其發展態勢非常不利。為保證工程如期完工，保障治理工程施工安全， 對本段邊坡采用動態設計方法進行治理。

3 高邊坡動態設計方法

失穩高邊坡動態設計方法包含四個階段： 動態分析失穩高邊坡，根據分析評判結果提出治理方案，治理方案可靠性分析及實施，動態循環完成優化設計。動態設計的流程框圖如圖2 所示。

圖2 動態設計的流程框圖

3.1 動態分析失穩高邊坡

根據沈海復線高速公路漳州段A9 標K65+130～K65+310 右側路塹失穩高邊坡現場調查、地質勘察、地表變形監測等技術手段聯合分析該邊坡病害性質， 力求準確把握該邊坡工程地質條件、 發展的影響因素以及發展趨勢。

(1)該邊坡體主要為坡積含碎石粉質粘土坡及殘破積粘土， 厚度大， 部分夾有大量的碎石， 局部粒徑達到150cm，其上部結構較為松散，粘聚力較差。 此外，該土體顆粒大小混雜， 透水性較好； 邊坡中上部主要分布殘積層、 全風化凝灰質砂巖， 坡體中上部的整體結構較為松散，抗剪強度低。

(2)組成斜坡的地形較陡，同時滑坡區后緣坡體延伸長，匯水面積較大，暴雨時期，易匯集大量的地表水滲入該邊坡體， 對邊坡的整體性和抗剪強度造成了較大的影響。

(3)路塹邊坡的開挖，使坡腳地帶形成了高、陡的臨空面，破壞坡腳力學支撐，嚴重擾動了坡體應力平衡條件，破壞了邊坡土體的原有平衡狀態， 降低了坡體的抗滑能力，為邊坡變形提供了足夠的空間；同時未及時采取相應的防護措施，從而由前部向后牽引形成滑動，導致坡頂開裂、邊坡失穩。

根據該邊坡滑坡的變形破壞現狀， 結合邊坡滑坡的發育特點與規律， 分析認為該邊坡滑坡主體處于發展變形階段，鑒于正處于臺風多發季節，受臺風多伴有的強降雨的不利影響，地表水下滲將引起坡體巖土體軟化、強度降低，可能誘發坡體病害加劇，甚至引起更大范圍和更深層次的整體式滑動破壞。

根據現場調查的滑坡空間分布特征， 施工單位提供的滑坡裂縫測繪成果， 滑坡補充勘察揭示的坡體結構和風化分帶，綜合分析認為：該滑坡最早形成的第一條滑動面首先是從滑坡頂部排水溝處貫通至殘積粘性土與全風化凝灰質砂巖土巖界面處，并在坡面上形成剪出口，后受該滑坡下滑逐漸解體， 導致上部坡積粘土及殘破積粘土失去支撐， 在連續強降雨作用下誘發上部山體沿土巖分界層軟弱部位產生變形， 隨著變形加大， 滑動面逐漸貫通，出現了第二圈裂縫；根據上述坡體分析最終確定該滑坡體滑帶分布的空間位置，并依據現狀滑坡地形、巖土條件、當前穩定狀態和補充勘察提供的滑動面范圍，采用巖土理正邊坡計算軟件進行滑坡穩定性分析和參數反演計算[4-5]，反算共選擇了K65+250 及K65+170 附近斷面兩個斷面進行，計算分析結果如圖3 所示。

圖3 滑坡穩定性分析及參數反演計算圖

經滑坡穩定性計算分析，當前滑坡體K65+250 附近斷面B-B 剖面主滑動面穩定系數Fs=0.991，現場目前錯臺最大高度達到0.5m；K65+190 附近斷面A-A 剖面主滑動面穩定系數Fs=0.990， 目前錯臺最大高度達到1m；滑坡當前處于緩慢下滑變形狀態， 計算反演的有關巖土體物理力學參數如表1 所示。

表1 巖土體物理力學參數

3.2 根據分析評判結果提出治理方案

鑒于當前滑坡范圍較大，滑坡后山體斜坡延伸較遠，鉆探顯示風化層厚度較厚，地下水滲流較為嚴重，且目前坡體中依然沿著形成的滑裂面每天有大量地下水流出，致使局部坡面出現溜塌， 為避免山后滑坡產生更大的牽引下滑， 結合該滑坡當前坡體刷方地形及既有工程實施條件，綜合邊坡特性，有針對性地采取了以下工程治理方案及措施。

(1)刷方減載

根據現有的開挖坡面已經形成滑塌， 單級坡面自穩性較差，對坡面放緩邊坡坡率，同時加大平臺設計寬度。變更后第一邊坡坡率采用1∶1.25，平臺寬度為3m；第二級邊坡坡率采用1∶1.5，平臺寬度為5 m；第三級邊坡坡率采用1∶1.5，平臺寬度為4 m；第四級邊坡坡率采用1∶1.5，平臺寬度為4 m；第五級邊坡坡率采用1∶1.5，平臺寬度為6 m；第六級邊坡坡率為1∶1.5。

(2)預應力錨索抗滑樁加固

根據坡體及邊坡高度采用預應力錨索抗滑樁，在K65+160～K65+281 段落第二級邊坡平臺處布設1#～23#預應力錨索抗滑樁，共23 根，樁截面2m×2.5m，樁長為28m，入土深度26m，樁頂設置2 孔拉壓復合型預應力錨索，單根設計拉力為1000kN，鎖定荷載50%，鉆孔直徑為165mm， 向下傾向為水平交角分別為26°， 外插角為1°22′，采用8 束鋼絞線制作安裝。 同時距樁頭1.75m 處預埋一孔以備作為后期的補強張拉之用。

(3)預應力錨索框架+坡腳設置半擋墻加固

邊坡第3 級根據坡面開挖土至條件， 在里程方向布設3 片預應力錨索框架，框架單片寬8m，設4 孔錨索分2 排布置，錨索長36m，錨固段均長8m，每孔錨索設計拉力500kN。 邊坡第4 級布設預應力錨索框架，框架單片寬8m，設6 孔錨索分3 排布置，錨索上排長40m，中排40m，下排40m，錨固段長暫以14m 計算工程量，因錨固地層較差，具體錨固長度通過基礎試驗成果分析確定，每孔錨索設計拉力500kN。 邊坡第5 級布設預應力錨索框架，框架單片寬8m，設6 孔錨索分3 排布置，錨索上排長42m，中排42m，下排42m，錨固段長暫以14m 計算工程量，因錨固地層較差，具體錨固長度通過基礎試驗成果分析確定，每孔錨索設計拉力500kN。 第4 級及第5 級錨索錨固地層較差，設計采用高壓注漿工藝對錨固段進行加固，即劈裂注漿工藝。

邊坡第1 級坡腳設置抗滑半擋墻， 墻頂寬度為2m，高度為4m，基礎深度1.5m，擋墻后部設置無砂大孔砼反濾層，同時墻身設置泄水孔，孔徑為7.5cm；第一級邊坡上部部分采用窗口式骨架護面形式護面， 窗內采用液壓客土噴播植草。

(4)坡體排水及坡面排水相結合

為加強滑坡體地下水引排， 在邊坡第1、2、3、4 級距坡腳1m 處各布設一排仰斜排水孔，排水孔長20m、22m、25m、25m，仰角8°。其中第2、3 級仰斜排水孔進入抗滑樁樁后土部分，以疏排樁前地下水，主要布設在兩樁之間；邊坡第1 級布設的仰斜排水孔設計間距為5m；第4 級布設的仰斜排水孔設計間距為8m。

(5)施工監測措施

在邊坡K65+170、K65+220、K65+260 各斷面附近布設深部位移監測斷面3 條，累計布設監測孔15 個，監測深度預估為480m。 監測孔須及時施作，以開展深部位移動態監測，通過監測數據指導現場施工，開展動態設計；監測周期為治理期1 年，工后2 年。深部位移監測過程中要求對地下水位同時進行檢測， 以進一步了解地下水位變化，及時了解滑坡動態。由于施工過程中監測孔經常被破壞，施工過程中必須采取措施保護監測孔。深部位移監測常用活動式鉆孔測斜儀。 測斜儀鉆孔應穿越邊坡已有或潛在的危險滑動面， 測斜管的基準點設在孔底的不動點上， 測斜管的一對導向槽方向應與預計的最大位移方向一致。 監測頻率在邊坡各級按設計錨索總孔數的10%隨機抽樣，累計布設錨索測力計16 個，進行錨下預應力長期監測工作，監測周期為工后2 年。

(6)依據地勘報告中顯示場地為高、陡邊坡，穩定性差， 根據福建省地方標準 《巖土工程勘察規范》(DBJ13-84-2006)，場地為抗震危險地段，設計中按照7 級抗震進行安全穩定分析，整體系數滿足規范要求。

3.3 治理方案可靠性分析

為校核本工程治理方案的可靠性， 對邊坡刷方卸載和防護加固實施后滑坡穩定性進行分析論證如下： 滑坡完成抗滑樁+全部錨固+抗滑半擋墻支擋等加固治理措施后，分別對滑坡體主滑動面K65+170 斷面和K65+260 斷面在設計正常施工完成后進行穩定性驗算， 滑坡體主滑動面正常工況條件下整體穩定系數分別為Fs=1.309、Fs=1.297，如圖4 和圖5 所示，驗算結果反映出滑坡體治理方案可行。

圖4 K65+170 斷面滑坡正常工況檢算分析圖

圖5 K65+260 斷面滑坡正常工況檢算分析圖

3.4 實施治理方案判斷動態設計的合理性和可行性

在邊坡工程的設計-開挖-施工的動態循環過程中，不斷補充最新動態信息是動態設計施工中的重要環節，尤其是現場監測信息更是不可缺少。 前面的設計為后續的施工做準備，而在施工的同時又會發現新的信息，及時傳給設計，不斷修改、完善設計計算模型，為下一級的設計打下基礎，如此往復螺旋式循環，直至最終失穩高邊坡防護工程完成。

在施工過程中，進行了邊坡深度位移監測，圖6 給出了位于3 級邊坡頂部平臺的測斜孔不同日期的深部位移曲線，5 月7 日和5 月21 日監測孔深度位移曲線有很明顯改善，預應力錨索施工完畢后，邊坡深度位移監測資料說明預應力錨索對加固失穩邊坡起到了明顯的效果。 通過監測結果可以看出邊坡滑動面處于16m 左右的位置處，其預應力錨索長度明顯滿足邊坡治理需求。

施工結束后，所建立的監測網繼續工作，利用監測信息監控加固邊坡的穩定狀態，判斷設計的合理性。 如圖7所示，邊坡治理工程施工結束后經過6 個多月的監測，結果顯示5 月、6 月施工階段邊坡位移較大，7 月份和8 月份受降雨影響邊坡處于自重沉降趨于穩定，8 月份之后邊坡基本無變化處于穩定狀態， 監測結果表明邊坡運行情況良好。

圖6 孔深度位移曲線圖

圖7 邊坡位移曲線圖

4 結束語

高邊坡的動態工程實質上是一個采用工程措施保持或恢復高邊坡自身平衡穩定的過程。 將動態設計作為理念與實踐的結合點，應貫穿于高邊坡施工中，彌補勘察設計缺陷，避免工程質量、安全、環保等隱患，在施工完成后，對勘察、設計、施工及監測獲得的經驗數據進行總結歸納，則可為相似工程提供可借鑒的經驗，提高施工前的認識水平。 參建各方在施工中應經常溝通協調， 整合智慧，追求最佳設計效果。 該邊坡經過動態治理后，經過幾年的運營觀察，滑坡體始終處于穩定狀態，未出現變形跡象，說明治理方案合理有效。