某巖質高邊坡穩定性分析及防護設計

李鵬飛

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

隨著國家基礎設施建設的投入逐步深入，山區高速公路的建設已成為當前時期高速公路建設的主要戰場。橋隧比高是山區高速公路造價高的主要影響因素，為了合理降低橋隧比，減少高速公路投資，山區高速公路建設往往會出現大范圍的高填路堤和深挖路塹邊坡。這些高邊坡的穩定與否對高速公路施工運營的安全性具有重要意義。巖層傾向與邊坡傾向基本一致的邊坡為順向坡，從以往的工程經驗中可以發現，順向坡失穩破壞主要與地層巖性、地質構造、水文地質資料、地形地貌以及邊坡開挖等有關。

1 工程概況

某在建高速公路是廣東省高速公路網規劃“九縱五橫兩環”之“第二橫”的重要組成部分，是珠三角通往粵西地區、西南地區以及大陸連通海南島的干線通道。采用四車道高速公路標準建設，設計汽車荷載等級為公路-I級，設計速度100 km/h，路基寬度26 m。項目走廊帶地貌形態主要以低山丘陵和河谷平原侵蝕堆積地貌為主，其中低山丘陵區約為28 km，分布有51段路塹高邊坡，最高深挖路塹高度61.25 m。

K18+645—K18+860段左側深路塹高邊坡，線位中心最大挖深為28.47 m，左側最大邊坡高度61.25 m。線路從山體中部通過，左側邊坡對山體切削范圍大（參見圖1）。

圖1 邊坡平面總體布置圖

2 工程地質條件

2.1 地形地貌

本路段地處構造侵蝕低山丘陵區，地形起伏較大，坡體地面標高約為95～140 m，自然坡角最大約為30°。山體植被茂密，生長松樹、竹子及各種灌木、蕨類植物。

2.2 地層巖性

根據野外地質調繪及鉆探資料成果，邊坡主要由坡積粉質黏土和泥盆系老虎坳組全風化-中風化泥質砂巖組成。各巖土層分述如下（參見圖2）。

a）種植土 色雜，稍濕，稍密，含植物根系及礫石。

b）碎石土 褐黃色，稍濕，稍密，碎石為強風化粉砂巖，約占50%，含植物根系。γ=19.0 kN/m3，c=0.0 kPa，ψ=35.0°～38.0°。

c）全風化泥質砂巖 黃褐色，全風化，巖芯呈土狀，含泥較多。γ=19.5 kN/m3，c=18.0～26.0 kPa，ψ=22.0°～24.0°。

d）強風化泥質砂巖 黃褐色—紅褐色，強風化，泥質膠結，層狀構造，節理裂隙發育，巖芯呈碎塊狀，夾大量土狀物。γ=20.0 kN/m3，c=20.0～28.0 kPa，ψ=24.0°～26.0°。

e）強風化泥質砂巖 黃褐色—紅褐色，強風化，泥質膠結，層狀構造，節理裂隙發育，巖芯呈塊狀，局部 夾 短 柱 狀 。 γ=21.0 kN/m3，c=24.0 ～30.0 kPa，ψ=25.0°～28.0°。

f）中風化泥質砂巖 黃褐色—紅褐色，中風化，泥質膠結，層狀構造，節理裂隙發育，巖芯呈短柱狀，局部破碎。

圖2 邊坡工程地質剖面圖

2.3 地質構造、地震

項目區位于華南加里東褶皺系粵西隆起帶內，大地構造位置上處于四會-吳川斷褶帶中西段。在漫長的地質時期經歷了多次和多種性質的地殼運動，區內地質構造多呈北東或近北東走向。根據邊坡專項地質調繪成果，邊坡范圍內未發現有影響場地穩定的不良地質。

根據《中國地震動峰值加速度區劃圖》（GB18306—2008），及《廣東省云浮至湛江高速公路工程場地地震安全性評價報告》，勘察區地震動峰值加速度值為0.05g，地震動反應譜特征周期為0.35 s，抗震設防烈度為Ⅵ度。根據《公路工程抗震規范》中表8.2.1中所規定的路基抗震穩定性驗算的范圍，不驗算該段路塹邊坡的地震穩定性[1]。

2.4 水文地質條件

2.4.1 地表水

該路段場區地勢較高且起伏較大，不利于地表水的賦存和集聚，僅在雨季伴隨雨水有短暫地表水流。

2.4.2 地下水

地下水主要類型為孔隙水及基巖裂隙水，大氣降水為其主要補給來源。前者主要賦存于第四系松散層中，孔隙含水量隨季節變化；后者賦存于巖石裂隙中，其透水性及富水性不均勻。地下水以側向滲流的形式向溝谷排泄或蒸發。

勘探期間鉆孔揭露地下水埋深較深，位于邊坡開挖面中部。

3 邊坡穩定性分析

線路從山體中部通過，左側邊坡切方大，山體巖層產狀 320∠45°，坡面為 302∠45°，視傾角為44.0°，順傾。根據邊坡地質調繪和勘察結果，擬建邊坡上部巖層為粉質黏土、碎石土，受雨水浸泡后易軟化，易沿強風化巖節理裂隙面產生小型滑塌。巖層層面和邊坡坡面走向相近，坡面傾向相近，是順層邊坡。根據工程經驗及該路段地質鉆孔資料，邊坡按10 m分級，第一、第二級1∶0.75，第二、第三、第四、第五級1∶1，最上一級1∶1.25。李安洪等[2]針對順層巖質路塹邊坡破壞模式及設計對策進行了研究，當邊坡傾角大于巖層傾角時，邊坡所發生的失穩破壞模式為順層滑移破壞和順層滑移拉裂破壞。這類邊坡在開挖后，坡體巖層有沿下伏軟弱層面向臨空面方向滑移的趨勢，當軟弱層上覆巖體的下滑力超過軟弱層面可提供的抗剪阻力時，上覆巖體即向下滑移，一旦滑移體后緣出現拉裂面，將加速滑落，需采取必要的措施對邊坡體進行加固。

利用EMU軟件對該邊坡開挖后的穩定性進行分析驗算（計算結果如圖3所示），正常工況（邊坡處于天然狀態下的工況）下安全系數K=1.25＜1.3，不滿足規范要求[3]，非正常工況（邊坡處于暴雨或連續降雨狀態下的工況）下安全系數K=1.14＜1.3，不滿足規范要求[3]。

圖3 邊坡開挖穩定性分析

邊坡選取K18+787斷面為控制性斷面進行檢算，力學參數取值參考地勘報告試驗值，并結合相關工程經驗確定，表1為設計指標采用值。

表1 巖土層的設計力學參數建議值表

4 邊坡防護加固設計方案

路塹高邊坡是否穩定與坡形坡率和加固防護方案的選擇密不可分，對于巖質順傾邊坡，應充分考慮邊坡巖體結構特征，結合地形地貌、地勘報告及水文資料合理選用坡形坡率和加固防護方案。為加固本處路塹高邊坡，宜采用邊開挖邊利用錨桿格子梁、預應力錨索格子梁配合客土噴播植草防護的方法。為了減小水對邊坡穩定性的破壞，在邊坡坡腳處設置邊溝、路塹頂5 m外設截水溝、各級平臺處設置平臺排水溝等對地表水進行引排處理；通過設置仰斜式排水管對地下水進行引流處理。施工時須遵循從上至下的開挖施工順序逐級開挖、逐級防護，直至全部防護工程結束，確保坡體穩定和結構安全。

4.1 邊坡分級與坡率選擇

路塹邊坡采用臺階式邊坡，上緩下陡，每10 m分一級，第一、第二級1∶0.75，第二、第三、第四、第五級1∶1，最上一級1∶1.25。第三級平臺寬12 m，其余各級邊坡平臺寬2 m。

4.2 邊坡防護加固

a）一級 采用錨桿格子梁植草防護，錨桿格子梁未覆蓋處均采用客土噴播植草防護。

b）二級 采用預應力錨索格子梁植草防護，錨索格子梁未覆蓋處均采用客土噴播植草防護，單孔錨索采用4束，單孔設計錨固噸位500 kN，設計鎖定錨固噸位580 kN；錨索長度L=28 m（其中錨固段10 m，自由段18 m），下傾角20°。

c）三級 采用客土噴播植草防護。

d）四級 采用預應力錨索格子梁植草防護，錨索格子梁未覆蓋處均采用客土噴播植草防護，單孔錨索采用4束，單孔設計錨固噸位500 kN，設計鎖定錨固噸位580 kN；錨索長度L=34 m（其中錨固段10 m，自由段24 m），下傾角20°。

e）五級 采用客土噴播植草防護。f）六級 采用人字型骨架植草防護。

4.3 排水設計

邊坡坡腳設置邊溝。左側路塹頂5 m外設M7.5漿砌片石截水溝，邊坡平臺處設置平臺排水溝，平臺排水溝采用C20預制塊，直角梯形斷面，底寬40 cm，深30 cm，平臺排水溝通過引流槽或急流槽將坡面水引至截水溝或邊溝。

在第一級及第三級邊坡高于碎落臺及第三級平臺30 cm上設置仰斜式排水管，水平間距10 m，排水孔徑130 mm，孔內填充φ110硬塑透水管，里端采用兩層無紡布包封。

采用以上方案對該路塹高邊坡加固防護后，利用EMU軟件對該邊坡進行穩定性分析驗算（計算結果如圖4所示），正常工況下安全系數K=1.56＞1.3，滿足規范要求[3]，非正常工況下安全系數K=1.52＞1.3，滿足規范要求[3]。

圖4 邊坡加固穩定性分析

5 結語

在施工期和運營期應對路塹高邊坡進行監測。采用測斜管、錨桿錨索應力計及位移樁等對邊坡的不穩定范圍，移動方向和速度以及地下水、爆破震動等進行監測，分析、驗證邊坡加固系統是否達到預期效果，并指導施工。

隨著高速公路建設逐漸走向山區，每個項目都有著不同形式的高邊坡需要進行加固處理。順層巖質高邊坡是最常見的一種易失穩高邊坡，本文通過對某高速公路一處6級高邊坡進行穩定性分析，結合地質勘探成果、水文地質資料、地形地貌情況等，采用預應力錨索配合植草防護加固技術對該高邊坡進行加固防護設計。預應力錨索加固邊坡施工方便、快捷，是改善巖質邊坡穩定性的重要方法，可以大幅減少普通圬工邊坡防護的巨大工程量。采用EMU軟件進行檢算后可以看出，采用預應力錨索加固后，安全系數大幅提高，可有效保證邊坡的穩定性。在施工過程中應堅持動態化設計，信息化施工，通過科學合理的設計與施工，力求高邊坡的安全穩定，保證高速公路的建設與運營安全。