地質調查在公路邊坡病害處治中的應用

武永明

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

近年來，隨著山西省公路建設事業蓬勃發展，高速公路通車里程已突破5 000 km，為促進全省經濟發展做出了巨大貢獻。在運營過程中隨著公路服務年限的增長，出現各種不同程度的病害，如路面早期病害、水毀、邊坡病害，前兩項受材料使用壽命的影響，屬歷年正常養護處治范圍，對公路運營安全影響相對較小。但邊坡病害不同于前兩者，表現為滑塌、崩塌、掉塊落石等，對公路運營安全隱患極大，發生的原因有較多主觀、客觀因素，涉及前期勘察、設計、施工以及后期養護等各環節。在某高速公路邊坡病害處治設計過程中，涉及到多種地層結構的邊坡病害，處治后效果良好，以下就地質調查在邊坡病害處治設計方案中的重要性及實用性進行探討。

1 概述

某高速公路于2011年12月通車運營，是山西省的一條東西向運輸通道，向西連接著陜西的神府煤田，向東與山西省的河東煤田連接，路面車流量大，且多為重型運煤車輛。2019年5月，其K191+145—K191+175段路基上邊坡，受強降雨影響，邊坡出現滑塌，堵塞交通。

圖1 邊坡地質斷面圖

邊坡屬巖質邊坡，地層巖性為厚層砂巖與薄層泥巖，二者呈互層狀結構。邊坡病害現狀為原邊坡上半部分滑塌，邊坡防護損毀，殘余坡體前緣產生臨空面，有繼續下滑的風險（見圖1邊坡地質斷面）。

2 邊坡病害原因分析

根據現場踏勘調查，結合地形、巖土體力學特性、工程類型等方面綜合分析病害產生的具體原因及機理。

2.1 地形地貌

該段邊坡位于黃土覆蓋基巖山區，微地貌為黃土峁、緩坡、沖溝，邊坡頂部地形為緩坡狀，植被茂密，公路切坡后，改變了原有的地形條件，順傾巖層產生臨空面，匯水以垂直下滲為主，邊坡屬光照較弱的陰坡面，水份蒸發速度緩慢，長期在邊坡巖土體中賦存。

2.2 地層巖性

邊坡地層主要為二疊系中統上石盒子組（P2s）厚層砂巖夾薄層泥巖，巖層傾角較大，產狀330°∠34°。巖層傾向與公路走向交角約70°，呈不利組合，且受公路切坡影響，坡體前緣形成臨空面。

砂巖、泥巖兩種巖性差異風化明顯，砂巖為硬質巖，中風化，節理裂隙發育，滑體后緣處節理平均6條/m2，巖體較破碎。泥巖為軟質巖，泥質結構，抗風化能力弱，強-中風化。

由于坡頂截水溝損壞嚴重，漿砌片石間砂漿脫落，在強降雨及持續性降雨情況下，雨水從片石間裂隙及邊坡卸荷裂隙下滲并沿砂巖節理裂隙通道向深部運移，而砂質泥巖為隔水層，遇水易泥化變軟，形成軟弱結構面，內摩擦角φ、黏聚力c值降低，工程力學條件變差，最終邊坡在巖體重力及自身傾角作用下產生滑動。

2.3 邊坡原防護形式

邊坡原防護形式為噴錨防護，受其使用壽命的影響，噴錨防護層有開裂現象，降雨情況下，坡面匯水沿噴錨層裂縫下滲。噴錨防護屬全封閉防護類型，邊坡巖土體中水分難以蒸發、消減，使巖體中泥巖長期處于濕軟狀態。

3 邊坡處治設計方案

根據邊坡地形、地層巖性、病害原因分析，結合近年來類似工程的防護處治經驗，本著“安全第一、技術可靠、一次根治、不留后患”的原則，處治方案如下（見圖2邊坡處治設計斷面）。

圖2 邊坡處治設計斷面圖

a）將現殘留滑坡體進行卸載。為保證施工安全，卸載時應自上而下，卸載土體隨卸隨運，嚴禁隨處堆載。

b）現路基邊坡地層巖性為砂巖、泥巖，兩者差異風化現象明顯，為避免此種現象繼續發展惡化直至產生碎落、掉塊等危害公路運營安全的隱患，將卸載后坡面進行護坡鋪砌防護。

c）現邊坡坡腳處為巖體臨空面，雖高度較低，但由于巖體結構為砂巖、泥巖互層狀結構，砂巖節理裂隙發育，坡面匯水沿此裂隙下滲，泥巖為隔水層，遇水后易泥化變軟，受震動、降水工況下坡體仍有下滑的風險，故將現坡腳基巖臨空面采用耐久性、抗剪強度更高的鋼筋混凝土擋墻（圖3、圖4）進行支擋防護。

圖3 鋼筋混凝土擋墻設計圖

圖4 邊坡鋼筋混凝土擋墻防護

本邊坡形態較為簡單，邊坡的穩定性評價分析根據邊（滑）坡性質、規模、邊（滑）坡變形情況等，采用極限平衡法進行定量分析，滑坡穩定系數Fs計算公式（公式引自《建筑邊坡工程技術規范》[1）]：

式中：T′為抗滑力；T為下滑力；W為滑體重量；α為滑面傾角；c為黏聚力；φ為內摩擦角；L為滑面長度。

本邊坡滑面結構面類型為軟-硬性結構面，結合程度為結合差，內摩擦角φ取值27°～18°，黏聚力c取值為0.09～0.05 MPa，根據以往同類型工程經驗，巖石抗剪強度指標內摩擦角φ取24°，黏聚力c取0.06 MPa，滑坡穩定系數Fs計算結果為0.95，屬不穩定狀態。

4 邊坡、支擋穩定性驗算

根據邊坡目前的穩定狀態，需對現邊坡的擋土墻穩定性進行驗算，其內容包括抗傾覆穩定性和抗滑移穩定性，計算采用理正巖土分析軟件進行，計算參數根據相同類型工程經驗選擇，計算結果如下：

a）滑動穩定性驗算。

基底摩擦系數=0.500；滑移力=12.810 kN；抗滑力=45.219 kN；滑移驗算滿足Kc=3.530＞1.300。

b）傾覆穩定性驗算。

相對于墻趾點，墻身重力的力臂Zw=1.527 m；相對于墻趾點，Ey的力臂 Zx=1.750 m；相對于墻趾點，Ex的力臂 Zy=1.500 m。

驗算擋土墻繞墻趾的傾覆穩定性：

傾覆力矩=19.215 kN·m；抗傾覆力矩=138.239 kN·m；傾覆驗算滿足K0=7.194 ＞1.500。

經計算，擋土墻抗傾覆穩定性和抗滑移穩定性滿足要求，并考慮其耐久性及施工便利性，設計為加筋混凝土擋土墻。

5 結語

山西省地貌單元多為基巖中低山區、黃土覆蓋基巖中低山區，隨著公路設計、施工技術的不斷發展，山區公路建設成為常態，橋梁、隧道、高邊坡比例越來越高。公路前期地質勘察受諸多因素制約，地質資料不盡完善，導致在公路通車運營后出現各種病害，邊坡病害處治設計成為養護設計的重點、難點。

通過地質調查，可查明邊坡路段的地貌類型、巖土組成、地層結構、地下水分布、覆蓋層與基巖面的接觸形態、巖石節理裂隙發育程度、軟弱夾層分布情況、巖層產狀等[2]，使邊坡病害養護處治設計做到有的放矢，最終可能是一處邊坡一種處治設計方案，保證能因地制宜地選擇實用、合理、經濟的處治方案，確保公路運營行車安全，同時達到與周邊環境協調、美化公路的效果。