某高速公路滑坡治理與邊坡預(yù)加固工程實(shí)例分析

黃綱領(lǐng), 劉修平

(1.中國(guó)公路工程咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100097；2.天水師范學(xué)院，甘肅 天水 741000)

在西部山區(qū)建設(shè)高速公路不僅是國(guó)家西部大開發(fā)戰(zhàn)略，還是加速西部貧困山區(qū)和當(dāng)?shù)匕傩彰撠氈赂恢贰Ｒ蚴苈肪€指標(biāo)、地形條件、工程造價(jià)等諸多綜合因素制約，西部山區(qū)修筑公路在特殊路段不可避免地采用深挖路塹工程，這會(huì)打破原有坡體自穩(wěn)，誘發(fā)工程滑坡，已是山區(qū)公路施工建設(shè)的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一[1]。

目前，為了避免或有效減少深挖路塹引發(fā)工程滑坡問題，常在設(shè)計(jì)與施工2個(gè)階段給予高度重視[2-5]。在路線設(shè)計(jì)階段，一般通過合理調(diào)整路線平面位置、優(yōu)化路線指標(biāo)來減少深挖路塹，當(dāng)遇到不可避免的深挖路塹工程時(shí)，需進(jìn)行針對(duì)性的工點(diǎn)勘察與設(shè)計(jì)；在工程施工階段，可采用坡面開挖后及時(shí)進(jìn)行坡面防護(hù)、完善臨時(shí)排水、合理選擇施工季節(jié)、做好施工監(jiān)測(cè)等措施有效減少滑坡[6-8]。但對(duì)設(shè)計(jì)階段未進(jìn)行工點(diǎn)設(shè)計(jì)的二、三級(jí)邊坡、地勘中未揭露的富水邊坡、存在軟弱結(jié)構(gòu)面的邊坡是設(shè)計(jì)階段的薄弱環(huán)節(jié)，加之降雨影響、冷熱交替下的凍融循環(huán)，施工中未注意臨時(shí)排水，導(dǎo)致工程滑坡仍時(shí)有發(fā)生[9]。

本文以某高速K171+140～+361段滑坡治理與K171+361～+440段邊坡預(yù)加固工程為例，通過邊坡多次滑動(dòng)過程的描述，補(bǔ)充地質(zhì)調(diào)查與勘探結(jié)果分析，首先定性評(píng)價(jià)滑坡類型，總結(jié)滑坡發(fā)生原因與誘發(fā)機(jī)制，評(píng)估滑坡段邊坡與相鄰未發(fā)生滑坡段邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)；其次，通過對(duì)邊坡斷面穩(wěn)定性分析計(jì)算，得出需要預(yù)加固處理的段落，提出樁板墻、擋土墻、護(hù)面墻、截排水等多項(xiàng)工程措施相結(jié)合的滑坡綜合治理方案和相鄰未發(fā)生滑坡段的預(yù)加固方案，最后基于北斗在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集治理前、治理中、治理后的邊坡變形數(shù)據(jù)，用以評(píng)價(jià)所提方案的治理效果，從而為類似工程的治理提供了較好的借鑒實(shí)例。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

西部某高速是國(guó)家高速公路網(wǎng)重要組成部分，總體走向由東北向西南，采用雙向4車道，路幅寬度24.5 m，設(shè)計(jì)速度為80 km/h。

K171+140～+440段路基原設(shè)計(jì)為挖方路基，路線右側(cè)為二、三級(jí)挖方邊坡，其中K171+140～+290 右側(cè)為二級(jí)邊坡，K171+290～+440段右側(cè)為三級(jí)邊坡，2段邊坡開挖及支護(hù)參數(shù)如表1所示。

表1 K171+140～+440段右側(cè)路塹邊坡開挖及支護(hù)情況

1.2 地質(zhì)條件

勘測(cè)區(qū)屬于構(gòu)造剝蝕中低山斜坡地貌，山脊走向近南北向，地面標(biāo)高2 218 m～2 266 m，相對(duì)高差約48 m，山坡面東傾，自然邊坡坡度20°～25°，表層覆蓋殘坡積粉質(zhì)粘土，現(xiàn)為種植地，呈臺(tái)階狀。在勘探深度范圍內(nèi)，自上而下巖性可分為：第四系全新統(tǒng)殘坡積粉質(zhì)粘土；下伏古近系(E)含礫泥質(zhì)砂巖、泥巖、頁巖、粉細(xì)砂巖風(fēng)化層，巖層產(chǎn)狀155°∠6°。依據(jù)補(bǔ)充地質(zhì)勘察報(bào)告及室內(nèi)試驗(yàn)資料，護(hù)坡范圍內(nèi)巖土體物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 巖土體物理力學(xué)指標(biāo)

勘探期間實(shí)測(cè)穩(wěn)定地下水位5.2 m～19.5 m，項(xiàng)目區(qū)巖層裂隙發(fā)育，地下水沿孔隙向下滲，遇隔水巖組頁巖后沿頁巖層面向外排泄，在開挖面上形成滲水線。

2 滑坡過程及成因分析

2.1 滑坡過程

K171+140～+361段邊坡前后共出現(xiàn)3次滑動(dòng)。2017年8月17日，因連續(xù)降雨，K171+165～+212 段第二級(jí)邊坡出現(xiàn)坍塌，K171+212～+266段坡頂出現(xiàn)裂縫；2018年3月15日，經(jīng)春季凍融后，之前垮塌的段落向大里程方向發(fā)展，K171+140～+300 段邊坡發(fā)生滑動(dòng)；2018年7月10日，受連續(xù)暴雨天氣影響，滑坡再次向大里程方向發(fā)展，并在K171+300～+361段邊坡發(fā)生滑動(dòng)，此段滑坡縱向長(zhǎng)度約55 m，滑坡橫寬約125 m，滑體平均厚度約5 m。經(jīng)勘查判定，該段滑坡屬于淺層坍塌型錯(cuò)層滑坡，三級(jí)邊坡坡面已施工的拱形骨架、一級(jí)邊坡已施工的錨桿框架梁被損壞，如圖1所示。

圖1 滑坡總體情況現(xiàn)場(chǎng)照片

經(jīng)過上述3次滑動(dòng)，該滑坡最終形成K171+140～+361段縱向總長(zhǎng)度221 m、滑體平均厚度6.0 m、縱深最大處145 m的小型土質(zhì)工程滑坡。滑坡總體向路塹開挖臨空方向滑動(dòng)，主滑動(dòng)方向?yàn)?9°，滑坡后緣與剪出口垂直高度差22 m，路塹邊坡垮塌形成圈椅狀地貌，后緣陡坎高3 m～5 m，路塹邊坡自后緣截水溝至坡腳均發(fā)生損毀。

2.2 成因分析

為合理進(jìn)行滑坡治理工程設(shè)計(jì)，保障路線邊坡施工及后期公路運(yùn)營(yíng)安全，對(duì)K171+140～500段右側(cè)挖方邊坡的地質(zhì)情況進(jìn)行了地質(zhì)調(diào)查與勘探，并根據(jù)地質(zhì)調(diào)查和勘探結(jié)果對(duì)滑坡成因及滑動(dòng)機(jī)制、邊坡穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行定性分析[10-12]。

K171+140～K171+300路塹段地層巖性自上而下依次為坡殘積粉質(zhì)粘土，古近系(E)半成巖以含礫泥質(zhì)砂巖、泥巖、粉細(xì)砂巖為主，間夾薄層頁巖，巖層產(chǎn)狀155°∠6°。路塹邊坡開挖后形成高陡邊坡，形成外傾臨空面。上部坡殘積覆蓋層、砂巖和泥質(zhì)砂巖的強(qiáng)風(fēng)化層屬于強(qiáng)透水層，下部頁巖為相對(duì)隔水層，導(dǎo)致地下水下滲在頁巖頂面富集，受地下水浸泡的頁巖飽水軟化，甚至成泥狀，強(qiáng)度急劇降低，形成軟弱滑動(dòng)面，路塹邊坡上部巖土體沿遇水軟化的頁巖面滑動(dòng)，形成淺層牽引式類土質(zhì)滑坡，屬于半成巖地層順層平面型滑動(dòng)。

K171+300～K171+361段邊坡一級(jí)邊坡出露地層以砂質(zhì)泥巖為主、間夾薄層頁巖，二級(jí)邊坡出露地層以含礫砂巖、泥巖、泥質(zhì)砂巖為主，三級(jí)邊坡為薄層覆蓋層、全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。連續(xù)強(qiáng)降雨坡面匯水下滲導(dǎo)致邊坡巖土體飽和，強(qiáng)度顯著降低，一級(jí)邊坡巖體地下水滲出現(xiàn)象明顯，邊坡坡腳存在積水。在上覆巖土體自重作用下坡腳飽和砂質(zhì)泥巖剪切破壞，導(dǎo)致路塹邊坡發(fā)生淺表層坍塌，坡面已施工拱形骨架、框架梁被損壞，如圖1所示。

綜上分析，K171+140～K171+361段地層巖性以砂、泥巖為主，上覆有全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，在連續(xù)強(qiáng)降雨、凍融循環(huán)及坡面長(zhǎng)時(shí)間臨空為外界環(huán)境條件下，雨水下滲并在薄弱面富集浸泡為誘因，多重因素綜合影響最終導(dǎo)致滑坡形成，滑坡平面分布如圖2所示。

圖2 滑坡平面分布示意

3 邊坡穩(wěn)定性分析及治理加固方案

3.1 邊坡穩(wěn)定情況數(shù)值計(jì)算

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)推薦值及潛在邊坡的破壞邊界條件和可能失穩(wěn)方式，邊坡沿最危險(xiǎn)滑動(dòng)面滑動(dòng)，按此破壞模式，根據(jù)JTG D30—2015《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》中不平衡推力傳遞系數(shù)法進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算原理如圖3所示。

圖3 剩余下滑力計(jì)算圖示

剩余下滑力計(jì)算公式如下：

Ti=FsWisinαi+ψiTi-1-Wicosαitanφi-ciLi(當(dāng)Ti<0時(shí)，應(yīng)取Ti=0)

ψi=cos(αi-1-αi)-sin(αi-1-αi)tanφi

式中：Ti、Ti-1分別為第i和i-1滑塊剩余下滑力，kN/m；Fs為穩(wěn)定系數(shù)；Wi為第i滑塊的自重力，kN/m；αi、αi-1分別為第i和i-1滑塊對(duì)應(yīng)滑面傾角，(°)；φi為第i滑塊滑面內(nèi)摩擦角，(°)；ci為第i滑塊滑面巖土粘聚力，kN/m；Li為第i滑塊滑面長(zhǎng)度，m；ψi為傳遞系數(shù)。

以K171+255斷面為例，計(jì)算模型如圖4所示，各斷面計(jì)算結(jié)果如表3所示。

注：1.①～⑥巖性見表2；2.單位：cm。

由表3計(jì)算結(jié)果可知，邊坡正常工況下穩(wěn)定性系數(shù)為0.86～1.28，非正常工況(選取暴雨或連續(xù)降雨工況與地震工況中的最小值)下穩(wěn)定性系數(shù)為0.78～1.11，均小于JTG D30—2015《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》高速公路正常工況穩(wěn)定安全系數(shù)1.20～1.30、非正常工況1.10～1.20要求。路塹邊坡K171+370、K171+410、K171+440段正常工況下穩(wěn)定性系數(shù)為1.17～1.27，非正常工況下穩(wěn)定性系數(shù)為0.85～1.04，分別小于正常工況1.20～1.30、非正常工況1.10～1.20規(guī)范要求。因此，在連續(xù)降雨、地震作用以及邊坡開挖等因素?cái)_動(dòng)下將進(jìn)一步下滑，擴(kuò)大邊坡垮塌范圍，K171+440路段以后的邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

表3 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

3.2 滑坡治理及預(yù)加固方案

3.2.1 一級(jí)邊坡防護(hù)及排水方案

對(duì)K171+140～K171+356段一級(jí)挖方邊坡防護(hù)形式進(jìn)行調(diào)整，因K171+140～K171+240段滑動(dòng)面位于一級(jí)邊坡坡頂以上，K171+140～K171+240段一級(jí)邊坡刷坡至設(shè)計(jì)位置后，坡面采用孔窗式護(hù)面墻防護(hù)，以便于墻后邊坡滲水可及時(shí)排出，邊坡高度8.0 m，護(hù)面墻邊坡防護(hù)高度6 m，上部2.0 m順坡至一級(jí)平臺(tái)抗滑樁外露段底部，坡面采用50 cm厚石灰土封水層封閉。

K171+240～K171+344段滑坡剪出口位于一級(jí)坡面高度范圍內(nèi)，坡面采用C25片石混凝土抗滑擋土墻防護(hù)，墻高7.5 m。

K171+344～K171+362段采用樁板墻防護(hù)，抗滑樁布置在碎落臺(tái)中心偏路線方向60 cm位置，樁長(zhǎng)16 m，外露6.0 m，樁徑2.0 m，樁身及樁后擋土板混凝土強(qiáng)度C30，樁間距6.0 m。

3.2.2 二級(jí)邊坡防護(hù)及排水方案

在K171+172～K171+346段一級(jí)挖方邊坡坡頂平臺(tái)上設(shè)置30根抗滑樁，樁長(zhǎng)根據(jù)滑動(dòng)面標(biāo)高位置調(diào)整，樁后掛設(shè)擋土板，抗滑樁外側(cè)邊緣與二級(jí)平臺(tái)外緣平齊[13]。其中K171+172～K171+232段樁長(zhǎng)16 m，外露6 m，樁徑2 m，樁間距6 m；K171+232～K171+262段樁長(zhǎng)24 m，外露6 m，樁徑2.2 m，樁間距6 m；K171+262～K171+346段樁長(zhǎng)26 m，外露8 m，樁徑2.2 m，樁間距6 m。

為方便施工，避免在滑坡體上人工挖孔的成樁風(fēng)險(xiǎn)，抗滑樁采用圓形截面樁，在一級(jí)邊坡平臺(tái)上清理出樁機(jī)作業(yè)面，下部樁體采用泥漿護(hù)壁機(jī)械成孔，灌注混凝土的工藝施工，外露樁體采用支模澆筑混凝土的工藝施工。

3.2.3 三級(jí)邊坡防護(hù)及排水方案

K171+140～K171+346段二級(jí)樁板墻墻頂以上邊坡相對(duì)較高，但考慮抗滑樁施工及掛板時(shí)需要開挖工作面，工作面回填后，擋土墻與截水溝距離較遠(yuǎn)，設(shè)計(jì)對(duì)坡面進(jìn)行刷坡修整，放緩坡率，對(duì)坡面進(jìn)行修整綠化，三級(jí)坡頂修筑截水溝，滑坡段防護(hù)典型斷面如圖5所示。

單位：cm

3.2.4 未滑坡段預(yù)加固方案

K171+361～K171+440段現(xiàn)狀邊坡坡面在正常工況下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，在非正常工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。考慮計(jì)算邊坡穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)未考慮防護(hù)為坡面穩(wěn)定的正面效應(yīng)，邊坡在非正常工況下處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。為提高邊坡穩(wěn)定性的安全儲(chǔ)備，對(duì)K171+361～K171+440段邊坡采取以下加固措施。

設(shè)計(jì)采用在一級(jí)邊坡坡腳碎落臺(tái)中線偏路線方向60 cm位置增設(shè)一排樁板墻，墻后回填夯實(shí)，對(duì)坡腳進(jìn)行加固反壓處理。抗滑樁采用圓形截面樁，樁徑2.0 m，樁間距6.0 m，樁長(zhǎng)16 m，嵌固深度10 m，外露6.0 m。抗滑樁布置結(jié)束位置K171+440處樁后側(cè)與現(xiàn)狀坡面間采用C30混凝土澆筑封堵墻，墻厚40 cm，樁板墻后填土夯填密實(shí)，預(yù)加固段防護(hù)斷面如圖6所示。

單位：cm

4 監(jiān)測(cè)及治理效果評(píng)價(jià)

滑坡治理過程中及治理完成后，邊坡采用北斗在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，治理工程自2019年4月開始施工，2019年7月中旬完成，本工程設(shè)計(jì)共布設(shè)3條監(jiān)測(cè)斷面，7個(gè)GNSS監(jiān)測(cè)點(diǎn)，1個(gè)雨量監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在開闊穩(wěn)固地段布設(shè)1個(gè)北斗監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖7所示。

圖7 北斗在線監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

監(jiān)測(cè)點(diǎn)①～④及降雨量監(jiān)測(cè)點(diǎn)自滑坡治理施工開始監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)⑤～⑦自滑坡治理完畢后開始監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)⑥～⑦布置在抗滑樁樁頂。其中Δx(E)為監(jiān)測(cè)點(diǎn)東西向位移，Δy(N)為監(jiān)測(cè)點(diǎn)南北向位移，Δz(U)為監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移，選取代表性監(jiān)測(cè)點(diǎn)結(jié)果進(jìn)行分析，監(jiān)測(cè)點(diǎn)③、監(jiān)測(cè)點(diǎn)⑥的實(shí)測(cè)結(jié)果如圖8所示。

由圖8(a)可知，監(jiān)測(cè)點(diǎn)③實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)變化較大點(diǎn)發(fā)生在滑坡工程治理實(shí)施過程中(2019年5月—7月)，主變形方向與滑坡滑動(dòng)方向一致，但位移量總體較小，這主要是滑坡治理施工擾動(dòng)邊坡土體所致，滑坡治理完成后，邊坡重新趨于穩(wěn)定，后續(xù)基本無變形。由圖8(b)可知，監(jiān)測(cè)點(diǎn)⑥實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明抗滑樁施工完成后，抗滑樁變形非常小，支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，滑坡治理效果良好。從圖8實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)曲線可見，監(jiān)測(cè)結(jié)果局部時(shí)段波動(dòng)較大，這是因GPRS數(shù)據(jù)傳輸通道擁堵所致，使得系統(tǒng)解析精度下降，但短時(shí)間的波動(dòng)不影響各監(jiān)測(cè)點(diǎn)總體變形變化趨勢(shì)[14-15]。

(a)監(jiān)測(cè)點(diǎn)③位移-時(shí)間監(jiān)測(cè)曲線

滑坡治理完成后現(xiàn)場(chǎng)照片如圖9所示。圖9顯示，防護(hù)結(jié)構(gòu)整體平順協(xié)調(diào)，裸露坡面采用當(dāng)?shù)貥洳莘N綠化恢復(fù)，與周邊環(huán)境高度融合，路容路貌得到較好提升。目前公路已運(yùn)營(yíng)通車，后續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，地質(zhì)生態(tài)環(huán)境得到較好恢復(fù)和改善。

圖9 治理后邊坡情況

5 結(jié)論

1)此滑坡發(fā)生在一般挖方路塹段，主滑段邊坡垂直總高度不足20 m，設(shè)計(jì)坡面防護(hù)形式也較強(qiáng)，但仍發(fā)展成較大的工程滑坡，主要誘因之一是地下水與地表水下滲。據(jù)此，在路塹邊坡勘察設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注地下水影響范圍，著重揭露富水邊坡及存在軟弱結(jié)構(gòu)面的邊坡段落，以便提前進(jìn)行針對(duì)性的工點(diǎn)設(shè)計(jì)，預(yù)防邊坡滑動(dòng)形成滑坡風(fēng)險(xiǎn)。

2)該滑坡前后共發(fā)生3次滑動(dòng)，滑坡范圍不斷擴(kuò)大，除地下水、雨雪、凍融循環(huán)等自然因素外，土方開挖與邊坡防護(hù)工序不連貫，邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)施作不及時(shí)，臨空面長(zhǎng)期暴露也是本次滑坡發(fā)生并不斷擴(kuò)大的主要誘因之一。據(jù)此，在邊坡施工中應(yīng)做好開挖與防護(hù)工序銜接，坡面應(yīng)及時(shí)防護(hù)封閉，同時(shí)做好截排水措施。

3)在制定本滑坡治理方案時(shí)，對(duì)采用圓形抗滑樁與方形抗滑樁進(jìn)行了對(duì)比論證，選擇了施工速度快、機(jī)械化程度高的圓形抗滑樁，能充分契合該滑坡下滑推力較小、坡面需要及時(shí)防護(hù)的主要特點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合樁后擋土板、擋土墻、護(hù)面墻、截排水等多重措施有效抑制滑坡變形，起到了良好的治理效果。

4)在邊坡施工及治理過程中，北斗在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能準(zhǔn)確有效地反饋施工邊坡穩(wěn)定狀態(tài)，有助于監(jiān)控施工安全風(fēng)險(xiǎn)和對(duì)滑坡治理效果的評(píng)估。