巖質路塹高邊坡穩定性分析及設計方法

夏炎早

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

0 前言

由于周邊用地和道路線形的限制，高等級公路的建設不可避免地需要穿越山區等地形復雜的地段，深路塹邊坡的穩定性問題日益突出。公路路基邊坡常處于或接近于極限穩定狀態，而施工過程中的爆破、開發等施工過程往往導致穩定狀態的改變，誘發邊坡的失穩。高邊坡地質條件的復雜性和多樣性，決定了高邊坡工程的復雜性。在目前的防護與加固技術方法研究中，水電、廠礦、鐵路等行業相對較多，而公路和城市道路行業則相對偏少，尤其是基于信息化施工技術的動態設計更少。

1 巖質路塹高邊坡分類及工程特點

正確認識道路巖質路塹高邊坡的工程特性，在進行地質條件調查、邊坡結構特征分析的基礎上，開展邊坡的穩定性的系統評價，提出邊坡的合理支護形式，是保證工程順利實施和長期安全運營的關鍵。

《公路路基設計規范》(JTG D30－2004)沒有對高邊坡的劃分給出明確的定義，但作了如下規定：“巖質挖方邊坡高度超過30 m 以及不良地質、特殊巖土地段的挖方邊坡，應進行個別勘察設計”?！督ㄖ吰鹿こ碳夹g規范》（GB50330-2013）中根據破壞后果將邊坡劃分為一級、二級和三級邊坡，同時規定一級邊坡工程應采用動態設計法，建議二級工程宜采用動態設計法。邊坡的高度與公路穿 越區的地質情況、公路的技術標準等密切相關，同時邊坡高度對工程規模也有著直接的影響，其加固和防護的方法對工程造價的影響也相當顯著。

巖質邊坡的穩定性在很大程度上是由巖體中的控制性結構面決定的。水利水電系統在執行國家“八五”攻關項目中提出將邊坡巖體結構分為層狀、塊狀、碎裂和散體四大類。針對邊坡的特點，對層狀巖體又可分為層狀同向、層狀反向和層狀斜向三個亞類。

2 巖質路塹邊坡的破壞形式

層狀結構巖體是巖質邊坡中比較多的一種結構形式，其所形成的邊坡比較復雜。其破壞形式一般有順層滑動、潰屈破壞合傾倒破壞。

塊狀結構巖質邊坡的失穩形式取決于結構面的產狀、組合及其與地形的關系，一般有三種破壞形式：平面破壞、楔體破壞和傾倒破壞。

碎裂散體狀巖體表現為結構松散破碎、完整性很差，故一般此類邊坡的穩定性較差。其破壞形式主要有追蹤破壞、局部滑移或掉塊。對此類邊坡尤其要注意其長期蠕變的特性。

3 巖質路塹高邊坡穩定性分析及設計方法

邊坡穩定性分析的重點在于綜合分析邊坡的內外部影響因素，對邊坡的總體穩定性進行初步判斷，結合邊坡的失穩模式選擇適當的方法進行邊坡穩定分析計算，制定邊坡加固和監測方案。一般分為如下步驟：地質勘察獲得地質基礎資料→邊坡總體穩定性進行定性分析→確定邊坡可能失穩模式→邊坡穩定計算→邊坡加固方案→邊坡監測。

采用赤平投影原理進行分析來確定邊坡失穩模式是一種快速、簡便的方式。目前國內已有采用赤平投影原理進行統計分析、優勢產狀確定以判斷失穩模式的專業計算機軟件。

邊坡穩定性定量分析的方法則有極限平衡法、有限元法、破壞概率分析等方法。其中極限平衡法是應用最為廣泛的方法，有限元分析法則隨著國內相關計算軟件的豐富在最近得到了廣泛的應用，破壞概率分析方法則是國際上應用比較廣泛的方法。

4 寧波大榭對外第二通道巖質路塹高邊坡穩定性分析及設計

寧波大榭對外第二通道工程是大榭島對外的重要交通通道，是為進一步優化大榭及北侖區域路網布局，完善寧波港集疏運網絡，加快大榭島開發建設，促進區域經濟和社會建設，提高應對島內突發事件和搶險能力而建設的重要交通工程項目。道路等級為一級公路，設計速度80 km/h，在穿越炮臺崗深路塹段為雙向6 車道規模，路基寬度30.5 m。根據道路線形要求，該段路塹最高邊坡為56 m 左右。

4.1 地質情況

炮臺崗深路塹段為通過地表山脊段，地形坡度0 °～20 °。表部草類植被茂盛，地貌最高處為92 m。

根據淺層物探成果及現場調繪，推測有三條f1、f2、f3 斷層通過。f1 斷層位于K5+175 附近，根據淺層物探，走向約 N E85 °～90 °，傾向北，傾角約 8 0 °～85 °。f2 斷裂：主要產狀 1 84 °∠74 °、188 °∠71 °、181 °∠72 °、80 °∠60 °、340 °∠79 °，基本呈閉合狀，面平直粗糙，延伸長，斷裂面局部有摩擦的痕跡。f3 斷裂：主要產狀為 3 9 °∠71 °、49 °∠71 °、75 °∠57 °、158 °∠89 °，斷裂帶寬5～8m，裂隙發育密集，以灰綠色凝灰巖碎石充填，主要產狀為261 °∠55 °、168 °∠86 °、41 °∠70 °、巖體的節理裂隙很發育。斷裂帶附近的巖體較破碎，呈塊（石）、碎（石）狀鑲嵌結構，且局部出現崩塌、掉塊。

該區巖體節理裂隙總體以走向166 °～185 °，傾向 8 4 °，傾角 4 2 °～58 °和走向 7 7 °～92 °左右，傾向174 °左右，傾角大于73 °兩組最為發育。該區節理裂隙發育～很發育，間距一般5～60 cm 為主，節理面鐵錳質渲染強烈，局部裂隙充填有方解石，巖體較破碎。該區以含晶屑玻屑凝灰巖為主。

4.2 邊坡穩定分析

采用赤平投影原理進行定性分析后發現，該工程右側邊坡比左側邊坡穩定性好。右側邊坡采用1∶0.75 的坡率在各不利裂隙組合條件下均能保持穩定。而左側邊坡在L6-L8(L6 傾向44 °傾角70 °，L8 傾向 3 40 °傾角 4 8 °)、L3-L8(L3 傾向 2 55 °傾角73 °，L8 傾向 3 40 °傾角 4 8 °)、L3-L6(L3 傾向 2 55 °傾角 7 3 °，L6 傾向 4 4 °傾角 7 0 °)。L5-L6(L5 傾向 2 62 °傾角50 °，L6 傾向44 °傾角70 °)等不利裂隙組合下均會產生不穩定滑動面。

通過有限元法進一步分析后發現，右側邊坡在各不利裂隙組合條件下均能夠保持穩定，而左側邊坡而左側邊坡在L6-L8(L6 傾向44 °傾角70 °，L8 傾向 3 40 °傾角 4 8 °)、L3-L8(L3 傾向 2 55 °傾角 7 3 °，L8 傾向 3 40 °傾角 4 8 °)、L3-L6(L3 傾向255 °傾角 7 3 °，L6 傾向 4 4 °傾角 7 0 °)、L5-L6(L5 傾向 2 62 °傾角 5 0 °，L6 傾向 4 4 °傾角 7 0 °)等不利裂隙組合下穩定安全系數不能滿足要求，需要采取工程措施。

4.3 邊坡坡率設計

鑒于右側邊坡在各種不利裂隙組合下采用1∶0.75 均能保持邊坡穩定。邊坡巖質為微風化凝灰巖時，采用1∶0.5；邊坡巖質為中風化凝灰巖時，采用1∶0.5～1∶0.75；邊坡巖質為強風化凝灰巖時，采用1∶0.75～1∶1；邊坡為全風化凝灰巖和粉質粘土、含粘土礫砂時，邊坡坡率為1∶1～1∶1.25。

左側邊坡巖質為微風化凝灰巖時，采用1∶0.5～1∶0.75；邊坡巖質為中風化凝灰巖時，采用1∶1；邊坡巖質為強風化凝灰巖時，采用1∶1～1∶1.25；邊坡為全風化凝灰巖和粉質粘土、含粘土礫砂時，邊坡坡率為1∶1.25。

兩側最下面一級邊坡高6.0 m，其余邊坡坡高10 m，各級邊坡之間設置2.5 m 的平臺。

4.4 邊坡防護設計

對于右側邊坡和坡率較緩的邊坡，邊坡自身處于穩定狀態，但是坡面在外界因素的作用下，如剝落、風化、雨水沖刷等會產生坡面變形，其破壞深度一般為坡體表面1～2 m，同時，由于節理裂隙較為發育，開挖后還會產生卸荷裂隙，受雨水沖刷易軟化，易發生崩塌、掉塊等情況，故仍需要做淺層護坡。對于右側坡率較陡的邊坡（坡率1∶0.5～1∶0.75）采用普通長短錨桿格構加掛網噴播植草護坡，對于坡率較緩的邊坡（坡率1∶1～1∶1.25）采用掛網噴播植草護面。

對于左側的欠穩定邊坡（坡率為1∶0.5～1∶0.75），由于邊坡自身穩定性較差，考慮到路塹開挖的影響，開挖松弛、地下水向下滲透等，巖體中的滑動面有向深處發展的可能，考慮采用預應力錨錨索格構加掛網噴播植草支護，預應力錨索自由段長度為5.0 m，錨固段長度為8 m。

在后續施工過程中，由于施工工期限制及邊坡景觀的考慮，對最下面一級邊坡采用護面墻防護。

圖1為通車后的實景。

圖1 通車后實景

5 結語

目前該工程已竣工通車一年半左右，監測結果顯示邊坡穩定性良好，景觀效果也很好，達到了預期的效果。

[1] 陳祖煜，等.巖質邊坡穩定分析[M].北京：中國水利水電出版社.

[2] 上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司.寧波大榭地二大橋施工圖設計文件[Z].