某高速公路順層鈣質頁巖邊坡穩定性與滑塌防治分析

基金項目：廣西重點研發計劃項目“高陡邊坡生態防護升級及穩定性監控技術研究（自籌）”（編號：桂科AB21220069）；廣西重點研發計劃項目“道路路基服役安全診斷及快速處治技術應用研究”（編號：桂科AB22080012）

作者簡介：盧超波（1982—），高級工程師，主要從事巖土與隧道工程方面地質災害防治、安全預警與結構安全評估技術研究工作。

摘要：文章通過對某高速公路鈣質頁巖順層邊坡在四級坡開挖后出現局部滑塌的原因進行分析，對不同風化深度以及開挖支護變形進行數值試驗研究，分析邊坡穩定性以及變形情況，并提出合理防治措施，為類似工程邊坡設計以及施工提供參考。

關鍵詞：順層邊坡；穩定性；滑塌防治；風化深度

中圖分類號：U416.1+4A040123

0 引言

高速公路建設中，對高邊坡施工要求按照“逐級開挖、逐級防護”原則進行。對順層巖體邊坡，眾多學者研究成果為實際工程提供了指導^［1-9］，但對巖性風化性順層邊坡，其邊坡穩定性不僅與地層巖性與巖體結構密切相關，還可能隨著開挖暴露時間發生弱化失穩。邵俊江等^［10］結合杭千高速公路典型順層鈣質泥巖邊坡滑移破壞資料分析，對引起鈣質泥巖邊坡順層滑塌的內外因進行了系統探討。朱分清等^［11］通過數值計算分析深厚層強風化頁巖路塹高邊坡在天然狀態和暴雨狀態下的變形規律及穩定安全系數。楊宗才等^［12］對紅層泥巖邊坡快速風化進行原位試驗，對降雨等因素使紅層泥巖表層快速風化剝落進行了研究。楊維東^［13］對南方某頁巖路塹邊坡在施工過程中因連續降雨發生滑塌進行綜合分析，認為臨時排水措施不完善、坡腳積水致頁巖軟化、邊坡支擋防護不及時是滑坡形成主因。王博斐^［14］分析了某重載鐵路局部頁巖風化層深路塹邊坡坍滑病害發育特點及形成原因，提出病害整治方案。劉天笑^［15］以張桑高速公路某段風化頁巖高邊坡工程為背景，對4個開挖修整階段邊坡整體的變形和穩定性進行數值分析，確定風化頁巖高邊坡的合理支護形式。張小勇等^［16］對承張高速公路某順層頁巖邊坡通過赤平投影法進行邊坡穩定性分析，確定邊坡的穩定性和滑移類型。代云山^［17］對合福鐵路某區段鈣質頁巖順層滑坡，從地貌構造、巖性、風化、水文特征及施工影響等方面對滑坡原因進行了綜合分析。

某高速公路順層邊坡最大坡高為36.2 m，地表覆蓋厚約0.5 m的粉質黏土，下伏強至中風化鈣質頁巖，節理裂隙發育。在邊坡開挖四級坡的過程中，遭遇暴雨天氣導致局部淺層滑塌。本文為進一步分析該邊坡穩定性，通過進行邊坡不同風化深度的數值試驗，以分析邊坡的穩定性和變形情況，并提出合理的防治措施，以供類似工程邊坡設計和施工參考。

1 工程背景

某高速公路的順層邊坡設計為四級坡，最大開挖坡高為36.2 m。坡址區覆蓋層為厚約0.5 m的粉質黏土，下伏4.5 m強風化鈣質頁巖，5 m以下為中風化鈣質頁巖，巖層厚度為0.4～0.7 m，巖層產狀為130°∠38°。設計坡面為順層切坡，坡率按照1∶1.28放坡，分級坡高為10 m，各級平臺寬2 m，具體見圖1。邊坡開挖采用“松動爆破+機械修面”工藝。邊坡坡面采用錨桿框架梁防護，錨桿間排距為2 m，一至四級坡的錨桿為全長粘結錨桿，桿體采用直徑25 mm的HRB400鋼筋制作，長度分別為6 m、9 m、6 m、4.5 m，錨桿粘結為鉆70 mm孔灌注強度等級M30的水泥砂漿，框架斷面尺寸為0.3 m×0.3 m。邊坡在開挖四級坡后因連續降雨未能進行及時防護，局部發生小規模滑塌，滑塌體長約18 m，高約5 m，可測最大深度約0.6 m。通過取樣試驗，中風化鈣質頁巖的抗壓強度為12～15 MPa，內摩擦角為18°～22°，粘結強度為32～53 kPa；強風化鈣質頁巖的抗壓強度為0.5～1.3 MPa，內摩擦角為8°～12°，粘結強度為13～18 kPa；中風化鈣質頁巖層間節理面飽水試件的內摩擦角為3°～8°，粘結強度為0～5 kPa。該邊坡僅開挖完成四級坡，三級坡僅開挖原土體的外側部分，滑塌位置處于坡體端部，邊坡放坡坡率與原地表外側自然坡率基本一致。此外，邊坡后緣未發現明顯的地表開裂、錯臺等異常現象，前期邊坡已施作的混凝土截水溝未發現開裂。據此推斷，坡體局部滑塌為淺層滑塌，主要滑塌因素是邊坡端部開挖后坡面未能及時進行表層封水，大氣降雨通過節理裂隙下滲，導致坡體巖體以及下伏節理面軟化，內摩擦角以及粘結強度降低，引起坡體表層抗滑力下降，繼而出現淺層滑塌。

某高速公路順層鈣質頁巖邊坡穩定性與滑塌防治分析/盧超波，姜洪亮，黃業才，張 偉

2 數值試驗

對于均質土坡，邊坡穩定性分析方法包括極限平衡法、極限分析法和滑移線場法等，且需要先確定滑動面的位置和形狀。而對于巖體邊坡，傳統方法難以準確確定危險滑動面和穩定安全系數，此外巖層以及節理裂隙使得坡體結構存在復雜性，要建立完全反映巖體結構特征的邊坡模型存在極大難度，需要把握主要因素進行適當簡化^［18］。為了進一步分析圍巖不同風化深度對邊坡穩定性的影響，基于該地層鈣質頁巖原始風化深度為5 m，如圖2所示對成型邊坡在不考慮支護情況下采用強度折減法^［19-21］將順層巖體以及節理面模型參數的粘聚力、內摩擦角進行折減，對坡體坡面風化1～5 m深度的容重、模量、節理剛度參數根據不同風化深度進行模型材料屬性參數設置修改，繼而進行穩定性安全系數計算。對模型的建立，考慮該邊坡錨桿間排距為2 m，根據邊坡典型支護斷面圖，取坡高最大斷面簡化構建圖3所示的數值試驗模型。該模型Y軸走向為坡體走向，數值試驗模型為幾何階梯模型，模型長、寬、高（Y、X、Z軸方向）分別為2 m、110 m、61 m，模型網格數量為518 723。數值試驗模型的物理力學參數根據室內試驗結果，并結合現場圍巖破碎程度取值。模型計算本構模型采用M-C本構模型，不考慮覆蓋層影響，巖體與節理參數詳見表1、表2。

2.1 數值試驗模型

2.2 數值分析結果

經數值計算分析顯示，不同風化深度邊坡穩定性系數變化情況如下頁圖4所示。由圖4可知，隨著風化層增加，邊坡穩定性系數逐漸降低。當原中風化鈣質頁巖經過大氣降雨風化形成的強風化鈣質頁巖厚度分別為1 m、2 m、3 m、4 m、5 m時，邊坡穩定性安全系數分別為2.85、2.8、2.39、2.07、1.76。與中風化邊坡穩定性安全系數2.9相比，降幅分別為1.7%、3.4%、17.6%、28.6%、39.3%。即使坡體全風化為強風化鈣質頁巖，邊坡穩定性安全系數仍可達到1.33，坡體仍處于總體穩定狀態。大氣降雨對鈣質頁巖下伏順層節理裂隙存在顯著的軟化影響，但是該邊坡開挖為順層面刷坡，邊坡按照設計開挖后整體穩定性仍然安全，即使風化深度達到5 m，其邊坡穩定性系數仍達到1.76。因此，設計支護參數對該鈣質頁巖順層邊坡防護設計處于偏保守狀態。

但是錨桿框格梁施工周期較長，邊坡坡體巖層可能存在局部較破碎情況，且存在因暴露后風化而弱化力學強度參數的情況，錨桿框格梁施工往往在施工中逐級開挖施作，對于分段20 m單級坡面，其工序較常用錨桿掛網噴射混凝土繁瑣，需經歷“開挖-坡面整平-錨桿鉆孔-錨桿灌漿安設-固化-綁扎框格鋼筋-安設模板-澆筑框格梁-拆模-植草”等工序，其形成坡面防護界面封閉的施工周期在10 d左右。坡體在1 m和2 m風化深度條件下變形情況分別見圖5和圖6。由圖5～6可知，坡體風化后表層存在較大位移，特別是在1級和2級坡面表層位移在1 m風化深度時達到3.48 cm，2 m風化深度時達到3.67 cm，因此邊坡開挖安全風險主要為局部破碎巖層開挖失穩、開挖風化后淺層滑塌、下級坡體滑塌造成上級坡體脫空以及可能存在進一步的結構性拉裂。

3 防治措施與效果

為防止后期施工中的出現安全風險，采取措施主要是防止坡面防護完成前大氣降雨下滲軟化節理裂隙和巖體，造成坡面淺層滑塌，并導致上部結構脫空發生結構拉裂，具體措施如下：

（1）在原設計逐級開挖、逐級防護基礎上，在開挖過程中縱向分級分段進行坡面開挖和防護。

（2）坡面刷坡過程中，對因巖層產狀變化發生切層或者坡體巖層破碎的部位采用3 m錨桿掛網噴混凝土，防止大氣水分或降雨快速下滲。

（3）對于張開性節理裂隙，張開度3～5 mm的裂縫采用水泥漿嵌縫封閉2 m高度，5 mm以上采用水泥砂漿嵌縫封閉，嵌縫后根據裂縫寬度采用水灰比1∶0.3～1∶0.5水泥漿從坡面進行重力灌注，堵塞裂隙通道。

（4）分段刷坡成型后，對未能及時施作坡面防護部位在降雨前整體采用臨時彩條布進行坡面覆蓋。

（5）加強施工過程中臨時排水，避免發生坡面沖刷與臨時基底積水。

采取這些防治措施后，邊坡在2個多月的施工過程中多次遭遇中、大降雨，均未再次發生滑塌事件，表明采取的防治措施經濟便利，效果良好。

4 結語

通過分析某高速公路鈣質頁巖高邊坡出現滑塌的原因，并進行不同風化深度邊坡穩定性和邊坡開挖變形的數值試驗，得出以下結論：

（1）鈣質頁巖順層邊坡在整體穩定情況下，未進行坡面防護前，開挖裸露的坡體易風化、遇水易軟化，仍存在淺層滑塌的風險。邊坡開挖防護應該在逐級開挖、逐級防護的基礎上進行分級分段的坡面開挖和防護。

（2）鈣質頁巖節理面的粘結強度和內摩擦角風化后強度力學參數降雨入滲對其抗滑不利，邊坡開挖后應及時采取便利快速的防治措施。

（3）隨著風化層厚度的增加，鈣質頁巖順層邊坡穩定性系數會下降，施工過程中應注意氣象變化，提前采取防治風化的措施。

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