沈海復(fù)線福安至蕉城漳灣段高速滑塌邊坡病害分析與治理

■王偉偉

(福建省交通規(guī)劃設(shè)計院有限公司，福州 350004)

1 引言

福建省位于中國東南沿海地區(qū)，地形多以山嶺、丘陵、臺地和濱海平原為主，丘陵段落多為半山，夾雜著谷地，溝谷縱橫，地形起伏大，地下水發(fā)育豐富。受地形限制，在省內(nèi)山區(qū)公路建設(shè)過程中，沿谷地與山脊交錯修建的道路工程愈來愈多；因此，沿線公路不少路段出現(xiàn)單側(cè)多階路塹邊坡。近年來，隨著極端天氣的頻繁出現(xiàn)，路塹邊坡滑塌時有發(fā)生引起廣大學(xué)者和工程技術(shù)人員的重視，然而由于山嶺丘陵地區(qū)工程地質(zhì)條件的復(fù)雜多變性，受汛期持續(xù)降雨及瞬時暴雨影響，公路邊坡失穩(wěn)坍塌依舊頻繁。本文通過沈海復(fù)線福安至蕉城漳灣段高速(樁號K102+100～+364.372)左側(cè)邊坡滑塌治理的工程實例，對路塹邊坡病害成因進行分析，并提出修復(fù)方案，治理成效顯著，可供類似山區(qū)公路工程借鑒。

2 工程概況

2.1 地形地貌

工程位于福建省寧德地區(qū)福安市境內(nèi)，為沈海復(fù)線高速公路段，路寬24.5m。其中滑坡區(qū)K102+100～K102+364.372段位于山坡地段，總地勢為東部高，往西呈階梯狀降低，坡體地形上陡下緩，后緣山坡坡度約30°，多松樹林分布，前緣山坡坡度較緩，約10～15°，受村民改造影響，呈臺階狀分布，多種植茶樹，表層土體為坡積碎石土，結(jié)構(gòu)松散，多孤滾石分布，水位埋藏淺。

2.2 地層巖性

根據(jù)現(xiàn)場、鉆孔資料，滑坡區(qū)的地層主要為凝灰熔巖及風(fēng)化層。表層由坡積碎石土體組成，厚度約1.00～11.90m。坡體表層見大量孤滾石分布，塊徑以0.5～2.0m為主。各巖土體分述如下：

①坡積碎石土(Qdl)：灰黃色，松散～稍密狀，稍濕，灰黃色，成分以碎塊石為主，占50%～60%，粒徑4～18cm，塊石約20～40cm，含有40%～50%的粘性土，性質(zhì)變化較大，透水性強。

②殘積粘性土(Qel)：黃褐色，可塑，稍濕，以粘粉粒為主，粘性較好，浸水易軟化、崩解。該層為高液限土，液限ωL(100g錐)為 53.7%～67.5%。

③全風(fēng)化凝灰熔巖(J3n)：灰黃，原巖結(jié)構(gòu)較清晰，風(fēng)化強烈，主要礦物成份為長石、石英，長石大部分風(fēng)化為粘土，以粉粒為主，浸水易軟化、崩解。該層為高液限土，液限ωL(100g錐)為 63.7%。

④砂土狀強風(fēng)化凝灰熔巖(J3n)：巖體結(jié)構(gòu)面礦物粘土化嚴(yán)重，浸水易軟化、崩解。該層為高液限土，液限ωL(100g錐)為53.1%。根據(jù)野外地質(zhì)調(diào)查，該層見兩組平滑節(jié)理裂隙面：340°∠50°，見黑色礦物成分，略有擦痕；140°∠10°，裂隙面粘土化，見有擦痕，結(jié)構(gòu)面傾向與邊坡坡面傾向相近，不利于擬開挖邊坡的穩(wěn)定。

⑤碎塊狀強風(fēng)化凝灰熔巖(J3n)：灰褐色，原巖結(jié)構(gòu)清晰，風(fēng)化較強烈，主要礦物成份為長石、石英，巖芯破碎，呈碎塊狀，敲擊易碎。發(fā)育有一條節(jié)理密集帶(f01a)產(chǎn)狀：287°∠80°，寬 3～5m，根據(jù)鉆孔 K5、K8 鉆孔揭示，節(jié)理帶內(nèi)節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，裂隙面呈灰褐色，有鐵錳質(zhì)侵染，部分礦物風(fēng)化。

⑥中風(fēng)化凝灰熔巖(J3n)：青灰、灰褐色，晶屑凝灰熔巖結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，主要礦物成份為長石、石英，節(jié)理裂隙發(fā)育，節(jié)理面呈灰褐色、見次生礦物，巖體較破碎-較完整。

2.3 水文地質(zhì)條件

原山坡坡體未見地表水流，開挖的坡腳多處見泉眼水出露，該段坡體滲水總流量約10m3/d。該坡體所屬山脈近南北走向，植被發(fā)育，匯水面積較大，約84000m2。

滑坡區(qū)的地下水類型為殘積層、風(fēng)化帶孔隙裂隙水，地下水賦存于殘積層、基巖風(fēng)化帶的孔隙裂隙中，總體地下水水量較小，自東向西排泄。地下水的補給來源主要為大氣降水，調(diào)查期間見有地下水沿坡積層底界或風(fēng)化層裂隙滲出，其軟弱夾層地下水運移較為活躍。地下水穩(wěn)定水位埋深 4.5～9.4m(晴天)。

2.4 原設(shè)計簡介

K102+100～+364.372左側(cè)原設(shè)計為2～3階挖方路塹邊坡，邊坡坡率為1∶1.25、采用拱形骨架植草防護。

2.5 病害概況

病害原始地形較為平緩，坡體上陡下緩，坡度約為10～35°，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，邊坡開挖至第一級平臺。受持續(xù)降雨，該段落出現(xiàn)2處不同程度的病害情況，K102+115～+165段坡頂截水溝位置形成長約55m，20～40cm寬的裂縫，縫寬5～10cm；坡體可見有地下水出露，流量約0.04～0.05L/s，其中 K102+155～+165 段第二級坡面出現(xiàn)坍塌(圖 1)。

K102+250～+340段第二、三階坡形成長約80m的滑塌(見圖 1)，坡腳可見地下水出露，流量約 0.08～0.1L/s。 后緣拉張主裂縫位于坡頂截水溝位置，土體下錯約1.2m，剪出口位于坡腳，前緣滑坡鼓丘，明顯鼓脹隆起，滑塌位置坡面有水滲出，水量較大。滑塌平面上總體呈不規(guī)則的圈椅形。滑塌主軸長約30m，滑體厚度約為5m，體積約0.7×104m3。推測潛在滑動區(qū)為沿下伏全風(fēng)化巖層頂面滑動，滑體厚度約13m。

圖1 K102+155～+165段第二級坡面坍塌

3 滑塌邊坡病害成因

滑塌邊坡的形成和發(fā)展變化由多種因素控制和影響，包括地質(zhì)原因、氣象與水文因素、人類工程活動等。

3.1 地質(zhì)原因

滑塌產(chǎn)生的地層主要為侏羅系南園組(J3n)凝灰熔巖及其風(fēng)化層，表層為坡積碎石土及殘積粘性土層。原地貌山坡上陡下緩，表層為坡積層，含孤滾石，邊坡開挖后易滑塌。凝灰熔巖風(fēng)化層中礦物成分粘土化嚴(yán)重，細(xì)顆粒含量較高，約71%～89%，且均為高液限土，易飽水軟化，巖體飽水后極易產(chǎn)生軟弱帶，導(dǎo)致邊坡滑動失穩(wěn)。

發(fā)育有與開挖邊坡坡向順傾結(jié)構(gòu)面(見圖2)，受持續(xù)降雨地表水下滲影響，雨水沿坡面、裂縫滲入坡體，逐漸將外傾裂隙面軟化、貫通，形成軟弱滑動面。

圖2 順傾裂隙面

3.2 氣象與水文因素

滑塌坡體水位埋藏淺，約4.5～9.4m，因此坡體表層殘積粘性土及全風(fēng)化土層長期處于飽水狀態(tài)，巖土結(jié)構(gòu)軟化嚴(yán)重，土體內(nèi)易形成軟弱帶。降雨是觸發(fā)和形成滑塌等病害的主要因素，由于坡體東西向的山體較高，匯水面積大，坡體附近地形較緩，坡面排水條件不良，暴雨和長時間的持續(xù)降雨，一方向?qū)π逼聨r土體進行沖刷和軟化，一方面補給地下水，使其水位迅速升高，動水壓力和靜水壓力加大，循環(huán)交替作用加劇。由于降水的影響，造成巖土體處于飽和軟化狀態(tài)，使其斜坡的巖土體重度增加，抗剪強度降低，最終導(dǎo)致滑動面的形成和滑塌產(chǎn)生。

3.3 人類工程活動的影響

邊坡的開挖，邊坡外側(cè)土體卸載，破壞了邊坡巖土體的天然應(yīng)力平衡狀態(tài)，坡頂線附近形成張力帶，產(chǎn)生拉張裂縫，而坡腳應(yīng)力集中，產(chǎn)生擠壓破壞現(xiàn)象。在坡腳處形成了較陡的臨空面。對滑坡的整體穩(wěn)定性有較大影響，目前邊坡只開挖兩級已出現(xiàn)滑塌病害，可想而知，若邊坡開挖至路基標(biāo)高位置，將形成范圍更大的變形，更大規(guī)模的滑坡產(chǎn)生。

4 滑塌邊坡病害治理

4.1 穩(wěn)定性分析

在對滑坡的病害成因進行初步判定后，采用邊坡穩(wěn)定性計算軟件Geo-slope對K102+224和K102+284兩個主斷面進行計算分析。分為淺層滑面和推測潛在滑面進行計算，根據(jù)淺層滑面所處的狀態(tài)，反算滑坡坡體坡殘積粘性土強度指標(biāo)。再根據(jù)反算指標(biāo)及土工試驗的土體力學(xué)參數(shù)，計算滑坡推力，滑坡治理后需達到規(guī)范要求[1]的安全系數(shù)計算預(yù)應(yīng)力錨索需提供的抗滑力。

根據(jù)地質(zhì)勘察及巖土試驗資料，結(jié)合坡體地質(zhì)結(jié)構(gòu)和地下水的發(fā)育特征，采用Geo-slope軟件和Morgenstern-Price方法對滑面進行反算[2]。得出坡殘積粘性土C、Φ值見表1。根據(jù)試驗結(jié)果，坡殘積粘性土的天然重度為16.7kN/m3，飽和重度為 17.5kN/m3。

表1 土層主要物理力學(xué)指標(biāo)表

根據(jù)《公路路基設(shè)計規(guī)范》，高速公路滑坡設(shè)計安全系數(shù)正常狀態(tài)下取K=1.20～1.30，本次設(shè)計在正常狀態(tài)下取K=1.25;在非正常工況Ⅰ取K=1.10～1.20，本次設(shè)計在非正常工況Ⅰ取K=1.15。采用傳遞系數(shù)法計算滑坡推力，計算結(jié)果見表2。

表2 坡面穩(wěn)定性計算結(jié)果表

根據(jù)計算結(jié)果由表2可知，該邊坡K102+284斷面在兩種工況下均不穩(wěn)定，在暴雨狀態(tài)下穩(wěn)定性最差。通過上述計算，所得結(jié)果與實際狀況相符，在天然工況或暴雨工況下均為失穩(wěn)狀態(tài)；K102+224斷面在天然工況下為基本穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨工況下為欠穩(wěn)定狀態(tài)。

4.2 方案計算

計算過程中，路塹擋墻抗滑力取值為150kN/m，錨索根據(jù)不同斷面的錨固力取值分別為137.5kN/m和100kN/m。采用 Geo-Slope軟件 Morgenstern-Price方法，對K102+224和K102+284進行驗算，加固后的安全系數(shù)均可滿足規(guī)范要求(見圖3、圖4)，說明該方案是可行的。

4.3 工程治理

根據(jù)滑坡規(guī)模、地形地貌、地形地質(zhì)條件、主要作用和誘發(fā)因素、破壞機制和模式、目前的穩(wěn)定狀態(tài)及其發(fā)展趨勢，采取截排水、卸載、反壓和支擋、錨固等措施進行綜合治理。具體工程治理措施如下：

圖3 K102+224加固后安全系數(shù)

圖4 K102+284加固后安全系數(shù)

4.3.1 坡體加固

根據(jù)該段落的病害特征和穩(wěn)定性現(xiàn)狀。考慮該邊坡K102+244～+364段地面線較平緩，同時坡面加固需清除已滑塌虛方，故對該段落邊坡進行刷坡卸載，并采用預(yù)應(yīng)力錨索框架結(jié)合坡面支擋進行防護。K102+100～+244段坡腳進行支擋，第二級坡面設(shè)置支撐滲溝，滲溝間坡面采用小導(dǎo)管注漿+30cm厚漿砌片石封閉。具體措施如下(見圖 5、6)：

(1)K102+120～+170 段第二級采用 1∶1.5 坡率刷坡，設(shè)置12m寬平臺；

(2)K102+254～+350段第二、三級采用1∶1.25坡率刷坡，第二級設(shè)置16m寬平臺，第三級設(shè)置4m寬平臺，兩側(cè)與現(xiàn)有坡面順接；

(3)第二級K102+100～+229段采用支撐滲溝防護，滲溝間坡面采用小導(dǎo)管注漿+30cm厚漿砌片石封閉；

(4)第二級K102+231～+361段設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索框架加固，其中K102+270～+310段設(shè)置小導(dǎo)管注漿臨時支護坡面；第三級K102+271～+335段設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索框架加固；

(5)K102+100～+230 段、K102+270～+364 段設(shè)置 8m 高擋墻；

圖5 滑塌邊坡處置平面

圖6 預(yù)應(yīng)力錨索滑坡治理典型斷面

(6)K102+230～+270段第一級增設(shè)A型半擋墻；

(7)K102+100～+270段第一級擋墻墻面增設(shè)錨索地梁，間距4m。

4.3.2 排水設(shè)計

水是誘發(fā)邊坡體失穩(wěn)的主要因素之一，排水工程對邊坡體穩(wěn)定性起到十分重要的作用。①在滑坡后緣及分級平臺位置設(shè)置截排水設(shè)施，防止地表水滲入地下影響滑坡體的穩(wěn)定性。②坡體設(shè)置排水平孔對于有泉眼出露的地層，酌情加密設(shè)置排水平孔。③K102+190～+235段為山凹部位，匯水量大，在第一級平臺位置設(shè)置集水井，通過排水孔排出。

為保證施工安全及邊坡穩(wěn)定，施工及運營期間布置有地表位移監(jiān)測、深孔位移監(jiān)測、地下水位監(jiān)測及錨索預(yù)應(yīng)力監(jiān)測，以檢驗工程效果。目前該工程已竣工一年，經(jīng)歷水位升降循環(huán)及極端暴雨工況，路塹邊坡未發(fā)現(xiàn)滑移跡象，達到預(yù)期的治理效果。

5 結(jié)論與建議

(1)對于覆蓋土層較厚，錨固地層較深的多階邊坡，從適用性考慮，采用預(yù)應(yīng)力錨索框架治理滑塌邊坡有獨到的優(yōu)勢。

(2)使用預(yù)應(yīng)力錨索框架加固防治邊坡，宜遵循自上而下開挖一級加固一級的施工順序，待上一級錨索張拉后再開挖和加固下一級邊坡，也可根據(jù)工程的實際狀況，對每一級邊坡進行分層、分段施工，既減小了邊坡施工對邊坡的擾動，又可避免因施工不當(dāng)引起邊坡病害。

(3)由于福建多為山嶺丘陵地貌，公路多在山區(qū)穿行，工程設(shè)計時很難把每個邊坡的地質(zhì)條件完全勘探清楚，這就需要對邊坡進行動態(tài)設(shè)計。可通過增減錨索的根數(shù)和錨固深度調(diào)整錨固力的大小來適應(yīng)現(xiàn)場防護邊坡的需求，輔以反壓、支擋等加固措施。