強降水下高路堤邊坡穩定性分析及加固設計

覃冬梅

摘要：為了研究強降水下高路堤邊坡穩定性并提出可借鑒的邊坡加固設計方案，文章以某山區改擴建高等級公路為依托，對K89+250～K89+303段高路堤邊坡進行模擬分析，研究不同降水條件、不同降水時間以及不同壓實度下坡體強度及安全性的變化規律。結果顯示：降水量增加可提高地下水位，而雨水的侵入會大幅削弱邊坡土體的抗剪強度，且壓實度越小，土體抗剪強度衰減越顯著;邊坡安全系數隨著降雨等級增強顯著減小，當降雨量>100 mm/d時安全系數將不滿足設計要求;邊坡安全性隨著降水強度增大衰減越明顯;采用錨桿加固設計，并輔以掛網噴射混凝土、坡腳設置擋土墻以及設置多重防排水措施，可有效保證邊坡的穩定性。

關鍵詞：邊坡;強降水;穩定性;加固;高路堤

0 引言

隨著我國公路建設的發展，山區公路建設里程逐漸增大，而山區公路建設的相關問題也逐漸凸顯。山區公路由于地形限制，需增設大量橋梁、隧道設計，同時也會存在大量高填方及大挖方。其中高填方相較大挖方由于邊坡為非自然態的人造邊坡，在雨水、地震等條件下極易發生失穩破壞。在部分降水量較大地區，高強度的瞬時降水量以及長時間持續的高密度降水將會進一步考驗邊坡穩定性，嚴重時會導致泥石流及滑坡落石，影響行車安全[1-3]。目前對于邊坡穩定性分析相關研究較多，為大部分公路邊坡防護加固設計提供了較好參考與借鑒。但大部分邊坡穩定性分析一般采用穩態滲流模型進行分析計算，使用有、無雨水滲入對比以及降水量均值作為滲流條件，以上研究未考慮非飽和區坡體在降水條件下的影響[4-8]。本文以某山區改擴建高等級公路為依托，對K89+250～K89+303段高路堤邊坡進行模擬分析，研究不同降水條件、降水時間、壓實度下坡體強度變化規律，進而對高路堤邊坡穩定性進行分析，并結合坡體現狀評估進行邊坡加固設計，以保證邊坡安全穩定。

1 依托工程概況

以某山區改擴建高等級公路為依托，道路路基原寬19.5 m，擬將其擴建至58.5 m。本次研究路堤邊坡位于K89+250～K89+303段，坡比為1 ∶ 1.4，為強風化巖質邊坡，巖體飽水抗壓強度<29.5 MPa。由于坡體強風化巖石存在較大風化差異，導致路堤填 料壓實均勻性差，壓實度難以保證。該段路堤路基表層最高處為12.0～16.0 m，由于距該路堤邊坡2 km處存在一貫穿湖泊，當降雨量過大時將導致部分路堤被淹沒，進而導致附近路堤地下水位升高。路堤采用如下填料及壓實度控制：0～85 cm換填性能較優的黏性土，壓實度控制≥96%;85～155 cm采用強風化巖石，壓實度控制≥94%;155 cm以下采用強風化巖石，壓實度控制≥91%。

2 強降水下高路堤滲流數值分析

為了分析強降水下高路堤邊坡穩定性，首先構建本構模型，該段路堤地下水水位相對較高，飽和及非飽和位置地下水交互作用。選取軸向路堤為模擬對象，對三個壓實度控制區進行差異化劃分，使用Geo-slope軟件SEEP/W進行滲流網格劃分（見圖1）。模型共設節點7 985個、網格單元7 824個。其中通過前期試驗，得到91區、94區以及96區飽和滲透性系數測試值分別為8.3×10-3 m/d、5.5×10-3 m/d以及1.3×10-3 m/d。假設kx/ky=4.0。

參考依托工程所在地氣象資料，設定日降雨量參數分別為100 mm/d、200 mm/d，連續降雨1 d。圖2為100 mm/d、200 mm/d降雨量下邊坡孔隙水壓力分布圖。根據等值線分析可知，降水量增加可提高地下水水位，并根據相關參數進行下述邊坡穩定性分析。

3 強降水下高路堤邊坡穩定性分析

降水作用下，采用數值模擬分析可知，當降雨強度和降雨時長增大引起累計滲透雨量提高時，路堤土體含水率將增大，導致水壓力升高而基質吸力減小。本研究將采用極限平衡法，通過滲流數值模擬分析降水條件下邊坡穩態平衡狀態，進而對邊坡穩定性進行分析。

3.1 強降水下填土抗剪參數分析

公路強降水下，特別是邊坡噴漿施工前，排水不及時極易導致雨水漫流滲透，進而引起邊坡坡體內填料被雨水侵蝕，使得土體強度參數減小，進而使得土體抗剪強度衰減。為分析強降水對土體抗剪強度的影響程度，采用模擬路堤加載的土體濕化試驗，對不同壓實度（91%、94%、95%）土體進行試驗。根據土體濕化試驗分析，土體由自然態向濕態轉變的中間過程——濕化狀態大致為軸向應變為2.0%左右，據此計算出不同干濕狀態、不同壓實度下土體抗剪強度參數如表1所示：

由表1可知：

（1）同一壓實度下，隨著土體向濕態轉變，粘聚力及內摩擦角均出現衰減，其中粘聚力減小幅度明顯，91%、94%、96%三種壓實度下粘聚力分別降低54%、55%、45%。表明雨水的侵入將會大幅削弱邊坡土體的抗剪強度，進而造成邊坡穩定性不足。

（2）隨著壓實度降低，低壓實度下干、濕態土體抗剪強度相較96%壓實度土體抗剪強度參數衰減如表2所示。衰減規律顯示，不論濕態還是干態，隨著壓實度降低，粘聚力與內摩擦角均顯著減小。表明在土體性質一定的條件下，應盡可能提高邊坡土體即路基填筑壓實度，進而保證邊坡穩定性。

3.2 不同降水強度邊坡穩定性分析

依據依托工程當地降雨特征，選取降雨一天情況下100 mm/d、200 mm/d、300 mm/d及不降水4種降水等級對邊坡穩定性進行模擬分析及計算，邊坡安全系數計算結果如圖3所示。隨著降雨等級提高，邊坡安全系數顯著降低，當降雨量達到200 mm/d時安全系數已降低至1.24，已不滿足《公路路基設計規范》對黏土質邊坡≥1.36的要求。而當無雨時邊坡安全系數達到1.87，具有較高安全保證系數，表明應對邊坡進行坡面防護以減少雨水浸入對邊坡的影響。

3.3 不同降水時間邊坡穩定性分析

分別選取降水強度為100 mm/d、200 mm/d、300 mm/d，持續降水1～4 d，針對上述工況進行邊坡穩定性分析，計算結果如圖4所示?？傮w而言，邊坡安全系數隨著降雨等級增強顯著減小，隨著降雨時長增大安全系數也存在一定程度衰減，且降水強度越大邊坡安全系數衰減越明顯。這主要是由于降雨強度越大、降雨時間越長，坡體所在路堤地下水位上升越大，減小了土體基質吸力，進而引起路堤邊坡穩定性減小。

4 邊坡加固設計

4.1 設計原則

本研究K89+250～K89+303段巖質邊坡整體相對高程在12.0～16.0 m，考慮現階段公路主體路基施工已經完成，基于公路工程邊坡加固設計技術安全性及經濟性原則，邊坡加固設計應在穩定性分析計算基礎之上，充分對邊坡現有工況進行分析與研判。本設計采用在清除邊坡表層浮石后使用錨桿加固處理方式，并輔以噴射混凝土以及擋土墻等多重加固方式對邊坡進行穩定。針對K89+250～K89+303段邊坡實際工況，建議首先進行錨桿加固施工，然后進行混凝土噴射施工，噴射施工可有效提高強風化軟巖邊坡坡體與噴射混凝土之間的嵌擠作用，增強二者之間的粘結強度。上述工序施工完成后進行擋土墻墻體施工，為減少大體積混凝土收縮裂縫產生，一般采用跳槽間隔施工進行。

4.2 錨桿加固設計方案

根據工程實際現狀特征及上述模擬分析，邊坡巖體粘聚力為60.5 kN，設計錨桿直徑取23.5 mm螺紋鋼筋（PSB），錨桿加固處位于模擬邊坡滑動面下2.5 m位置，采用如下式（1）進行錨桿錨固力計算：

通過計算，單根錨桿提供錨固力值計算為ρ=56.1 kN。由坡體總錨固力與上述錨桿單根錨固力計算可知，所需錨桿總量為：n=74（根）。根據邊坡坡面尺寸以及借鑒以往工程經驗，錨桿設計水平與豎向間距分別為3.9 m、4.9 m，錨桿打設水平傾角為14.5°。具體設計參數見表3。

4.3 防護設計方案

為進一步保證邊坡坡體穩定性，設計在邊坡坡腳設置漿砌擋土墻，擋土墻設計參數為：墻頂寬0.60 m、墻高3.3 m、墻底寬0.8 m。另外為加強邊坡穩定性儲備，采取在擋土墻上端裸露坡體進行掛網及噴射混凝土施工處理。其中掛網直徑為5.6 mm，噴射混凝土采用M30水泥砂漿，噴漿壓力為2.0 MPa。

由于工程所處地區降雨時間長、降雨量較大，為充分保證雨水等及時排出，設計采用如下組合方式保證邊坡盡量減少雨水侵蝕：（1）邊坡坡面設置泄水孔及匯流通道保證內部水及時排出;（2）坡頂設置截水溝，盡量減少上端雨水漫流至邊坡;（3）增大路基邊部邊溝尺寸，提高水流排散速率。

5 結語

本文以某山區改擴建高等級公路為依托，對K89+250～K89+303段高路堤邊坡進行模擬分析，研究不同降水條件、降水時間、壓實度下坡體強度變化規律，進而對高路堤邊坡穩定性進行分析，并結合坡體現狀評估進行邊坡加固設計，得出如下結論：

（1）降水量增加可提高地下水位，而雨水的入浸會大幅削弱邊坡土體的抗剪強度，進而造成邊坡穩定性不足。隨著壓實度降低，低壓實度下干、濕態土體抗剪強度大幅衰減，應盡可能提高邊坡土體即路基填筑壓實度，進而保證邊坡穩定性。

（2）當降雨量>100 mm/d時安全系數將不滿足《公路路基設計規范》對黏土質邊坡≥1.36的要求，應對邊坡進行坡面防護，減少雨水浸入對邊坡的影響。

（3）邊坡安全系數隨著降雨等級增強顯著減小，降雨時長和降水強度越大，安全系數衰減越明顯。

（4）采用錨桿加固設計，并輔以掛網噴射混凝土、坡腳設置擋土墻以及設置多重防排水措施，可有效保證邊坡的穩定性。

參考文獻：

[1]楊 猛，牟鳳云，林孝松，等.多情景降雨-徑流的巫山縣公路洪災預警研究[J].浙江大學學報（理學版），2019，46（6）：755-761.

[2]賀曉寧，邢 軍，董小波.工程地質調繪在山區公路建設選線中的重要作用[J].災害學，2019，34（S1）：189-192.

[3]鈕志林，王學峰.山區低等級公路提級改造設計思考[J].公路，2019，64（10）：59-62.

[4]舒 翔，杜 娟，曹映泓，等.生態工程在高速公路巖石邊坡防護工程中的應用[J].公路，2001（7）：86-89.

[5]榮 冠，王思敬，王恩志，等.強降雨下元磨公路典型工程邊坡穩定性研究[J].巖石力學與工程學報，2008（4）：704-711.

[6]何 浪，任其亮.某高速公路黃土邊坡穩定性研究[J].公路工程，2019，44（6）：123-129.

[7]馮忠居，王溪清，蘆 佳，等.山區加寬路基擋土墻現場試驗及數值模擬分析[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2019，38（11）：69-75.

[8]趙衛冬，張興波，史 艷.庫區公路高邊坡滑坡治理技術[J].公路，2020（3）：64-67.

收稿日期：2020-06-05