山區高速公路高邊坡穩定性分析及動態設計

桑偉寧，吳紅波

（1.安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.安徽省交通控股集團有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引言

高速公路的建設，從前期設計、到施工、至竣工驗收完畢，有著漫長的周期。作為公路工程的技術核心，設計是在前期收集資料以及現場勘探的基礎上進行的，后期在施工過程中，現場情況與設計時會有所差別，或隨著時間推移，有些現場數據發生變化，又或是在施工中因施工不當或山區暴雨等自然因素造成邊坡失穩等超出原設計的情況發生。動態設計本質是尊重施工實際，體現的是設計與施工的協調統一，作為理念與實際的結合貫穿于工程施工的全過程，根據施工現場的實時反饋，不斷完善優化設計方案，通過動態設計讓設計方案更符合施工實際狀況，方便施工，保證工程順利完成。

山區高速公路建設中線路經過會對山體削切產生高邊坡，由于山體本質是地殼運動的結果，山區地形地貌差異較大，地質構造復雜，公路路線沿線山體巖石種類、節理、風化程度裂隙狀況和順逆層邊坡，有無斷層或不良地質都對高邊坡路段的穩定性有較大影響，同時山區氣候條件多變降雨量大、水文和水文地質條件以及施工不當都會對山體開挖后的高邊坡穩定性產生影響。因此公路路基設計規范規定，高邊坡挖方段應按獨立工點進行勘察設計分析，邊坡支護按專項進行設計確保邊坡穩定。

邊坡穩定性分析應遵循“以定性分析為基礎、定量計算為手段”的原則。進行邊坡穩定性計算時，應根據邊坡工程地質條件或已經出現的變形破壞跡象，定性判斷邊坡可能的破壞形式和邊坡穩定性狀態。目前，邊坡穩定性分析方法主要有以剛體極限平衡理論為基礎的極限平衡法和以有限元（FEM）、有限差分（FDM）為基礎的數值分析法。極限平衡法是建立在剛體極限狀態時的靜力基礎上，分析邊坡各種破壞模式下的受力狀態來評價其穩定性。由于該方法可以給出物理意義明確的邊坡穩定安全系數以及可能的破壞面，力學模型簡單而得到了廣泛應用。

本文針對皖南山區某高速公路施工中因地質條件變化、施工不當及連續暴雨原因導致失穩的高邊坡路段，采用較為成熟的不平衡推力法計算、GEO5軟件建立模型模擬采用折線滑動面分析與計算，進行暴雨不利條件三種工況下邊坡開挖和錨索（桿）加固變形的穩定性分析，動態設計調整高邊坡支護方案，指導實際工程的施工，確保了該高邊坡的實際情況與動態設計調整后的邊坡防護方案相符合，施工完成后該高邊坡工程穩定，達到了設計與施工的協調統一，研究成果可為類似的山區高速公路高邊坡工程提供相應參考。

1 工程實例

1.1 工程介紹

本項目高速公路工程位于皖南山區，線路中間經過的縣城至今未通高速，經濟發展滯后，常年屬于國家級貧困縣，本項目是安徽省“縣縣通”高速公路重點工程，對推動沿線區域經濟發展將發揮重要作用。公路沿線區域地勢總體特征為南高、北地，地形起伏較大，項目區屬皖南中低山區，微地貌類型主要有河漫灘及一級階地、山地斜地、低丘、高丘、低山和中山，地形條件復雜，高速公路修筑過程中不可避免將會遇到數量眾多的路塹邊坡，在重力、風化作用、地表水下滲作用和地下水侵蝕作用等不利條件下，邊坡存在整體或局部坡面坍塌的可能性。本次設計高邊坡支護工程樁號K57+037.3～K57+163.1右側，開挖山體長度125.8m，邊坡高度38.75m，邊坡類型為巖質路塹邊坡。

1.2 地質概況

該高邊坡段場地地層主要由志留系下統霞鄉組（Sx）粉砂巖組成。場地地層具體工程地質特性分述如下：

①碎石土：雜色，稍密～密實，成分主要為粉砂巖，棱角狀，厚度0.20～1.00m，屬于Ⅲ級硬土。

②全風化粉砂巖：灰色、灰黃色，巖石組織結構已完全破壞，巖石風化呈砂土狀，局部夾強風化碎石。層厚2.40～5.40m，屬于Ⅲ級硬土。

③強風化粉砂巖，灰色、灰褐色，砂質結構，層狀構造，巖石組織結構部分已破壞，巖性軟，節理裂隙極發育，巖體極破碎，多呈碎塊狀和塊狀，層厚5.10～12.10m，屬于Ⅳ級軟石。

④中風化粉砂巖，灰色，砂質結構，層狀構造，巖性軟硬不一，節理裂隙發育，巖芯呈柱狀為主及少量塊狀，層厚12.30～22.90m（未揭穿），屬于Ⅴ級次堅石。

場地粉砂巖夾頁巖，巖層受構造影響，場地內基巖節理裂隙發育，主要節理裂隙有3組，詳細見表1。

產狀一覽表 表1

1.3 水文地質

邊坡位于山體斜坡處，當大氣降水時，向山凹及低洼處匯集排泄，并沿地表以較快的速度流入河網。

地下水類型主要為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水，主要受大氣降雨控制。地下水的影響主要體現在增加坡體自重、產生靜水壓力、降低軟弱結構面強度等方面。

2 高邊坡支護方案動態設計

2.1 原設計方案

原邊坡的坡形坡率設計主要依據自然地形條件及地質條件，采用與自然環境相協調的生態防護方案。邊坡原加固方案見表2。

高邊坡防護原設計方案一覽表 表2

現場施工中依次完成了五、四、三、二級邊坡的防護施工，未見異常。

根據現場施工開挖情況，三、四級邊坡的錨索入巖深度8～10m，錨索張拉預應力為400kN，邊坡存在孤石現象，圍巖較破碎，完整性較差。二級坡孤石較多，邊坡中部有6m長孤石，K57+057～K57+070段（二級坡邊部），錨桿入巖深度5～6m；K57+070～K57+145段（二級坡中部），錨桿入巖深度8～9m；K57+120～K57+145段（二級坡邊部），錨桿入巖深度4～5m。二級邊坡邊部整體較中部風化更嚴重，且邊坡邊部的地質情況相似，錨桿入巖深度均在5m左右。

在完成該高邊坡上面四級邊坡防護后八月初進行一級邊坡開挖施作路塹墻施工，在大樁號側邊坡沿縱向開挖長度約25m完成后，發現二級邊坡頂出現縱向裂縫，裂縫寬度約3cm，裂縫長度約35m，二、三、四、五級邊坡在大樁號側均出現2～3cm寬不同程度的橫向裂縫。現場立即停止施工，立刻組織一級邊坡回填反壓處理，裂縫采取防水處理。

經業主、設計、監理及各方專家對失穩邊坡進行多次現場考察會議討論，確定邊坡失穩原因為該高邊坡二級坡圍巖較破碎，完整性較差，一級邊坡路塹墻施工時需大面積開挖邊坡坡腳，開挖形成了較大的臨空面，外加皖南山區六七月份雨季，降雨量較大，雨水沿著邊坡表面向內滲入至坡體的內部，巖土體受到孔隙水影響，降低了巖土體的強度參數，增大了邊坡的下滑力，同時也破碎的圍巖發生軟化，綜上原因導致邊坡局部失穩下滑開裂。根據現場施工實際情況，原設計方案無法滿足施工安全及邊坡穩定性要求，需要對原設計方案進行動態設計調整。

圖1 高邊坡原設計防護方案

2.2 邊坡穩定性分析

對該高邊坡采用國內外較有代表性的不平衡推力計算法，運用較為成熟可靠的GEO5邊坡計算軟件建立模型模擬采用折線滑動面分析與計算，進行暴雨不利條件三種不同工況下邊坡開挖和錨索（桿）加固變形的穩定性分析，動態設計調整高邊坡支護方案，指導實際工程的施工，各狀態安全系數見表3。

各狀態安全系數 表3

計算參數根據勘察報告、路基規范及地區經驗確定，本次計算巖土體參數選取見表4。

巖土體參數 表4

取邊坡的現場典型的破壞斷面（K57+137）及最高斷面（K57+098），對暴雨條件下的這兩處斷面分別分以下三種工況進行分析。

工況1：此工況為現狀邊坡在現有防護情況下的邊坡穩定性分析（一級坡未開挖）。

工況2：此工況為現狀邊坡在現有防護情況下對一級邊坡進行開挖后的邊坡穩定性分析。

工況3：此工況為采取此次調整后的加固措施后的邊坡穩定性分析。

2.2.1 破壞斷面（K57+137）穩定性分析

圖2 工況1穩定性分析（破壞斷面K57+137）

圖3 工況2穩定性分析（破壞斷面K57+137）

圖4 工況3穩定性分析（破壞斷面K57+137）

2.2.2 最高斷面（K57+098）穩定性分析

圖5 工況1穩定性分析（最高斷面K57+098）

圖6 工況2穩定性分析（最高斷面K57+098）

2.2.3 穩定性評價

破壞斷面（K57+137）及最高斷面（K57+098）的穩定性計算結果見表5。

邊坡穩定性計算結果 表5

圖7 工況3穩定性分析（最高斷面K57+098）

工況1：此工況為現狀邊坡在現有防護情況下的邊坡穩定性分析（一級坡未開挖）。

工況2：此工況為現狀邊坡在現有防護情況下對一級邊坡進行開挖后的邊坡穩定性分析。

工況3：此工況為采取此次調整后的加固措施后的邊坡穩定性分析。

通過定量計算，本段高邊坡在現有防護情況下且未開挖一級坡時基本處于穩定狀態，在現有防護情況下對一級邊坡進行開挖，形成臨空面，邊坡處于欠穩定狀態，采取調整后的加固措施后的邊坡穩定性得到提升，處于較穩定狀態。

2.3 動態設計后優化方案

結合邊坡現狀調查及穩定性計算結果，可以判明該邊坡在一級邊坡未開挖的條件下基本處于穩定狀態，但二級邊坡的邊部較中部風化更嚴重，邊部錨桿入巖深度較短，不能有效發揮錨桿框架的作用，且一級邊坡大面積開挖形成臨空面將導致邊坡處于欠穩定狀態。針對該段邊坡的實際情況，設計采用錨索框架及十字形錨墩進行加固高邊坡防護。

2.3.1 設計方案

①根據現場情況，增強大樁號側邊坡防護強度，在二、三、四級邊坡大樁號側各增加一片高錨索框架，延伸防護范圍。

②為保護小樁號側橋梁墩臺安全，向小樁號方向延伸防護范圍，具體設計為：在三級邊坡小樁號側增加三片錨索框架、四級邊坡小樁號側增加兩片錨索框架，在二級邊坡小樁號側增加五片錨索框架。

③二級坡錨桿入巖深度較短，且邊坡的邊部較中部風化嚴重，未有效發揮錨桿框架的作用，在錨桿框架的框格中間增設十字形錨墩，錨墩縱向間距3m。K57+057.6～K57+069.6 段 、K57+129.6～K57+141.6段，框格間均設置兩排十字形錨墩；K57+072.6～K57+126.6段，框格間設置一排十字形錨墩，按梅花形布置。

④為控制一級坡施工期間的開挖，保證施工安全及邊坡穩定性，一級坡原設計路塹墻調整為錨索框架設計。錨索框架高6m，調整后坡率1:0.4。

⑤邊坡兩側及坡頂采用掛網客土噴播，錨索框架間采用植生袋碼砌進行綠化并做好坡面外圍截水溝，防止雨水沖刷滲入坡面。具體方案詳見如下圖8邊坡立面設計圖。

圖8 立面設計圖

2.3.2 十字形錨墩設計

十字形錨墩節點處設計一根錨索，采用6束Φj15鋼絞線，錨索長度為20m。豎肋、橫梁長度均為1.5m，截面尺寸為0.5×0.6m，采用C25混凝土澆筑，混凝土應夯搗密實，錨頭待錨索張拉鎖定后用C20混凝土封填。施工時先施工錨索再施工錨墩，待錨固體及框架混凝土強度達到其設計強度的80%后，方可進行錨索張拉、鎖定。單孔錨索拉力設計值為400kN。

2.3.3 錨索框架設計

①二、三、四級坡的錨索框架與原設計保持一致，錨索框架均高8m，采用6束Φj15鋼絞線。二、三級坡坡率1:0.75，錨索長度為20m；四級坡坡率1:1，錨索長度為25m。每框架由三根肋柱和三根橫梁組為一片，對順層邊坡，錨索安裝傾角為25°，以利于錨索穿過更多的層面。框架梁、豎肋截面尺寸為0.5×0.6m，豎肋橫向間距3m，每片框架橫向寬度9m。

②一級坡的錨索框架高6m，坡率1:0.4。每片框架由三根肋柱和兩根橫梁組為一片，每片框架設置6根錨索及3根錨桿（上兩層節點處設置錨索，每根豎肋底部以上1m位置設置錨桿）。錨索長度為18m，采用6束Φj15鋼絞線。錨桿長度為12m，由1根Φ28鋼筋制成，單孔錨桿拉力設計值為110kN。錨索及錨桿的安裝傾角均為25°。框架梁、豎肋截面尺寸為0.5×0.6m，豎肋橫向間距3m，每片框架橫向寬度9m。

2.3.4 高邊坡穩定檢測方案設計

邊坡開挖后應進行變形監測，施工過程中加強施工安全監測，治理施工完成后一年內進行治理效果檢查監測，治理施工完成后較長時間內的雨季或暴雨季節，還應加強巡視和檢查工作。檢驗高邊坡治理效果，同時為今后滑坡的監測預警提供依據。

本高邊坡工程治理施工完成后監測項目應包括坡頂水平位移和垂直位移、地表裂縫、降雨洪水與時間關系、錨桿拉力、支護結構變形、地下水滲水及降雨關系，支護結構變形可作為選測項目。監測頻率見表6，邊坡監測應符合下列規定：

監測頻率表 表6

①坡頂位移觀測，應在每一典型邊坡段的支護結構頂部設置少于3個觀測點的觀測網，觀測位移量、移動速度和方向，并不少于3個觀測斷面。

②錨索拉力損失監測，應選擇有代表性的錨索，測定錨索應力和預應力損失。

③非預應力錨桿的應力監測根數不宜少于錨桿總數的5%。

④監測方案可根據設計要求、邊坡穩定性、周邊環境和施工進程等因素確定。當出現險情時應加強監測。

2.4 高邊坡支護動態設計方案實施效果

本項目高邊坡支護工程于2020年9月實施，2020年底基本按方案施工完成。施工前在各級坡頂相應的監測點設置位移監測點，施工期間按監測頻率表加強邊坡的變形監測，各項數值均在設計范圍內，確保了施工的安全進行。施工結束后繼續進行邊坡的變形監測，通過對邊坡變形-地表位移、深層水平位移及錨索（桿）應力監測，均在設計范圍以內。通過半年以來的監測數據發現，支護結構累計最大水平位移11.5mm（＜20mm），累計最大豎向位移10mm，各項監測指標數值已趨于穩定，位移值變化速率趨于平緩，近三個月來未見位移值較大偏差，高邊坡未發現失穩跡象，各項數據表明本次高邊坡支護工程動態設計調整方案安全有效可靠。

3 結語

本文結合具體工程實例，針對山區高速公路巖質路塹高邊坡支護工程在施工過程中遇到的邊坡失穩情況進行動態設計調整高邊坡支護方案，采用不平衡推力計算法，運用較為成熟可靠的GEO5邊坡計算軟件建立模型模擬采用折線滑動面分析與計算，進行暴雨條件下三種不同工況選取破壞斷面（K57+137）和最高斷面（K57+098）邊坡開挖和錨索（桿）加固下變形的穩定性分析，調整高邊坡支護方案，指導現場施工。得到相關結論如下：

①動態設計已廣泛應用于公路建設中，并越來越凸顯其必要性和重要性。設計單位技術人員組成的設計代表長期堅守在建設工地，為動態設計創造了有利條件。高速公路建設中，結合現場實際情況對項目因地制宜進行動態設計，將原設計進行優化、調整和完善，保證了設計方案的合理可行，指導了施工，確保了工程的安全可行及質量。

②針對山區高速公路高邊坡失穩原因，利用軟件模擬分析，在不利的暴雨工況下，對破壞斷面及最高斷面安全系數分別為1.32及1.30，均能夠達到邊坡設計的規范要求，設計十字形錨墩、錨索框架梁加固失穩邊坡，一級邊坡支護調整路塹墻為錨索框架減少開挖，確保施工安全及邊坡穩定性，同時做好邊坡外圍及坡面的防排水工作。

③高邊坡支護設計具有復雜性，應根據高邊坡山體開挖后的實際地質情況判別破壞形式，同時考慮山區雨水較多及施工過程的影響，以定性分析為基礎定量計算為手段，采用多種形式組合支護，施工過程中及完成后變形監測數據良好，高邊坡未出現失穩跡象，說明動態設計調整后的支護方案是合理的，為山區高速公路高邊坡治理工程中的應用提供了實踐經驗及參考依據。