山區(qū)高速公路運(yùn)營(yíng)期路塹滑坡病害處治設(shè)計(jì)實(shí)例

張 華，游 宏，黃晚清

(1.成都大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，四川 成都 610106；2.四川省交通運(yùn)輸廳交通勘察設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610017)

0 引 言

山區(qū)高速公路建設(shè)中，受縱坡坡降和線(xiàn)型標(biāo)準(zhǔn)的限制，沿線(xiàn)分布眾多規(guī)模不一的路基處治工程，其穩(wěn)定性的治理是施工中所關(guān)注熱點(diǎn)問(wèn)題之一[1].理論及工程實(shí)踐已證實(shí)，路基工程的穩(wěn)定受制于其所處環(huán)境的地質(zhì)地貌特征.作為線(xiàn)狀建筑的公路工程，往往穿越多種不同的地形地貌單元，沿線(xiàn)路基工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變、類(lèi)型眾多，且后期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中受降水、地震等環(huán)境因素影響較大，不可避免會(huì)出現(xiàn)大量的路基病害工點(diǎn).特別是在四川地區(qū)，地形復(fù)雜多樣，大部分地區(qū)地層巖性復(fù)雜，褶皺斷裂發(fā)育，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活動(dòng)強(qiáng)烈，地震、滑坡、崩塌等災(zāi)害頻繁，高速公路運(yùn)營(yíng)階段的路基病害處治問(wèn)題尤為突出[2-4].

以川東某高速公路一處“反復(fù)發(fā)作，久治不愈”的路塹變形體為研究對(duì)象，詳細(xì)討論了病害處治的設(shè)計(jì)過(guò)程，所得成果可為同類(lèi)工點(diǎn)的設(shè)計(jì)與施工提供類(lèi)比的技術(shù)資料及參考.同時(shí),可對(duì)運(yùn)營(yíng)階段的路基病害所表現(xiàn)出來(lái)的特點(diǎn)進(jìn)行梳理總結(jié)，進(jìn)而探索出更適用于運(yùn)營(yíng)期路基病害的處治技術(shù)與方法，為同類(lèi)案例的研究提供支持.

1 工程概況

川東某高速公路于2012年初通車(chē).其KX+500～+640段采用“左側(cè)挖方路塹”形式通過(guò)，邊坡開(kāi)挖坡率約為1∶1.6，最大坡高約為20 m，坡面采用4×3 m框架梁錨桿加固(Φ-28，長(zhǎng)為12 m)，坡腳設(shè)重力式抗滑擋墻(高為5～6 m).開(kāi)挖后邊坡上覆平均厚度約為8 m、最大厚度為11.4 m的粉質(zhì)粘土，下伏基巖為砂巖、泥巖.

據(jù)了解，該工點(diǎn)于建設(shè)期就曾因水患引起的穩(wěn)定問(wèn)題進(jìn)行過(guò)至少兩次設(shè)計(jì)變更；公路運(yùn)營(yíng)后，于2012年5月、10月分別發(fā)生局部小范圍的淺層溜滑，修復(fù)后，2013年8月雨季期間，路段KX+520～+560段路塹再次發(fā)生淺層垮塌.現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)，病害段坡面原有框架錨桿加固措施基本被破壞，垮塌物堆積在坡面及擋墻平臺(tái)，塹頂截水溝外發(fā)現(xiàn)有不連續(xù)的局部裂縫，但坡腳既有擋墻無(wú)外傾、變形及開(kāi)裂的跡象.如圖1所示.

初步判斷斜坡總體上處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，主要病害為KX+520～+560段坡面淺層垮塌與斜坡排水系統(tǒng)工作不良.擬定處治方案如下：①加固KX+520～+560段，清理坡面并增設(shè)4×3m框架梁壓力注漿錨桿加固(Φ-32，長(zhǎng)18m)；②完善排水系統(tǒng)：在既有擋墻增加泄水孔，塹頂截水溝修復(fù)貫通，增設(shè)墻頂平臺(tái)處縱向排水溝，在坡面匯水較嚴(yán)重位置(KX+540附近)設(shè)一道急流槽，在KX+500～+640段坡面增設(shè)兩排仰斜排水孔(縱向間距6 m，長(zhǎng)15 m，梅花形布設(shè))，改既有擋墻外側(cè)蝶形邊溝為明溝.

2014年9月，在上述處治措施施工過(guò)程中，當(dāng)?shù)囟啻纬霈F(xiàn)強(qiáng)降雨，9月13日的暴雨更是達(dá)到50年一遇級(jí)別，使得坡頂截水溝以上較大范圍的粉質(zhì)粘土層由于排水不良處于過(guò)飽和狀態(tài)，土體容重提高、強(qiáng)度減弱，再加上KX+520～+560段坡面施工方無(wú)前緣約束措施，造成坡腳擋墻以上坡體沿垂直公路方向發(fā)生淺層滑動(dòng).

2014年10月21日現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，滑坡范圍內(nèi)不均勻分布有多處裂縫，其最大寬度約數(shù)公分，形成錯(cuò)臺(tái)高差最大可達(dá)數(shù)十公分.坡面多處區(qū)域土層含水量豐富.此外，增設(shè)的Φ-32錨桿已完成施工，框架梁仍未動(dòng)工(據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反饋，至2015年1月初，框架梁施工完成).

2 滑坡規(guī)模及特征

2014年12月地質(zhì)勘察發(fā)現(xiàn)，KX+520～+560段滑坡特征如圖2所示.

2.1 滑坡規(guī)模

該滑坡總體呈扇形分布[5]，高程338～382 m，主滑方向約為299°，軸向長(zhǎng)約為80 m，前緣寬約為45 m，滑坡面積約為3 595 m2.據(jù)鉆孔揭露，滑坡體主要物質(zhì)組成為粉質(zhì)粘土，最大厚度為9.7 m，平均厚約為6.1 m.

2.2 病害特征

滑床面坡度前緣較緩(約為5°～8°)，中、上部較陡(約為28°～38°).鉆孔揭示滑動(dòng)帶位于上述粉質(zhì)粘土層中，滑帶土厚約為0.3～0.4 m，其范圍內(nèi)部分鉆孔取芯斷面有明顯摩擦痕跡，斷面處粉質(zhì)粘土呈軟塑狀，并含塊徑為0.5～2 cm的泥巖顆粒.

坡面發(fā)育多條較深的弧形裂縫如圖2(a)前緣剪出口造成路塹坡面中、下部新建磚砌急流槽鼓脹破壞如圖2(b)；滑坡體上部、中上部坡面可見(jiàn)3處泉眼(勘察期為枯水季節(jié)，泉水流量較小)，泉水可由附近裂縫滲入滑坡體內(nèi).

3 病害原因分析

3.1 既有排水措施與實(shí)際病害不匹配

該滑坡位于某中河以上山體的中下部、且橫坡緩于其上坡體，此位置不僅地表水沖刷嚴(yán)重，也成為上部坡體內(nèi)地下水匯聚集中區(qū).路塹既有排水設(shè)施不足，未能形成與該段病害相匹配的立體排水系統(tǒng)；且個(gè)別地段排、截水溝為土質(zhì)、無(wú)任何防滲措施，也是造成路塹邊坡反復(fù)病害的主要因素.

3.2 人類(lèi)工程活動(dòng)

當(dāng)?shù)卮迕裨诨路秶鷥?nèi)(原紅線(xiàn)外)開(kāi)墾農(nóng)田破壞了表層植被，灌溉農(nóng)作物以及對(duì)原有截(排)水溝的破環(huán)和改線(xiàn)，均對(duì)坡體穩(wěn)定造成不利影響.此外，2014年下半年對(duì)路塹淺層病害處治施工受阻，造成框架梁施工延誤數(shù)月，未能與已打入坡內(nèi)錨桿形成復(fù)合加固系統(tǒng)以有效約束坡面位移，加之此階段當(dāng)?shù)囟啻螐?qiáng)降雨，最終造成該路塹變形體惡化為滑坡病害.

3.3 地形及地層結(jié)構(gòu)

該滑坡場(chǎng)地整體屬構(gòu)造剝蝕侵蝕低山地貌，路塹通過(guò)區(qū)域?yàn)樵襟w較凸出部位，修路開(kāi)挖破壞了既有穩(wěn)定狀態(tài).此外，該段路塹地層具明顯二元結(jié)構(gòu)特征，下伏基巖產(chǎn)狀325°∠28°，其傾向與滑坡滑動(dòng)方向相差26°，傾角較陡，加之上覆堆積體主要呈松散、稍密狀態(tài)，斜坡易沿基覆界面或堆積層內(nèi)某一較弱層面滑動(dòng).

4 滑坡穩(wěn)定性分析與加固設(shè)計(jì)

該段路塹所形成的淺層滑坡，在天然工況下淺層滑面處于滑動(dòng)狀態(tài).

前期滑坡處治設(shè)計(jì)中共考慮了如下3種方案進(jìn)行比選.

方案1：在緊鄰既有的錨桿框架梁布設(shè)3排鋼管樁+截排水措施+粘土夯填裂縫.該方案有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工期短，施工技術(shù)難度較小等優(yōu)點(diǎn).但鋼管樁以上坡體仍有越頂可能，同時(shí)，鋼管樁能夠提供的抗滑能力有限，不足以有效治理該段滑坡病害.

方案2：采用抗滑樁+截排水措施+粘土夯填裂縫.該方案加固強(qiáng)度能夠與病害規(guī)模匹配，但抗滑樁需人工開(kāi)挖基坑，施工周期較長(zhǎng)且風(fēng)險(xiǎn)較大.此外，抗滑樁以上坡體亦有越頂可能.

方案3：在緊鄰的既有錨桿框架梁上部區(qū)域布設(shè)錨索框架梁+截排水措施+粘土夯填裂縫.該方案治理效果較好，施工難度適中，不足之處是需新增征地約1.4畝.

在上述方案研究的基礎(chǔ)上，綜合考慮病害規(guī)模、現(xiàn)場(chǎng)可操作性、社會(huì)影響及處治費(fèi)用等因素，最終確定按方案3進(jìn)行滑坡處治，具體如圖3～5所示.

4.1 滑坡穩(wěn)定性計(jì)算

4.1.1 計(jì)算參數(shù)的確定

1)計(jì)算工況的選取

根據(jù)相關(guān)規(guī)定[6-7]，分別按天然、暴雨工況(地震基本烈度為VI度，地震動(dòng)峰值加速度0.05g，故不考慮地震工況)對(duì)工點(diǎn)進(jìn)行穩(wěn)定性分析.

2)滑體、滑面參數(shù)的選取

滑體(粉質(zhì)粘土)天然重度為19.3 KN/m3，飽和重度為19.8 KN/m3.

分別選取主滑斷面1-1和次滑斷面2-2進(jìn)行反演，每個(gè)斷面又各選取深層潛在滑面(基覆界面)與淺層滑面(已形成滑面)校核.參數(shù)反算中，對(duì)于深、淺層滑面，天然工況下的安全系數(shù)分別取K=1.02、0.99，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1.

表1 滑帶參數(shù)反算結(jié)果

4.1.2 加固位置處設(shè)計(jì)推力計(jì)算

設(shè)計(jì)擬于該段滑坡既有框架梁錨桿上部區(qū)域布設(shè)框架梁錨索.根據(jù)文獻(xiàn)[5-6]，針對(duì)1-1、2-2兩個(gè)代表性斷面，進(jìn)行滑坡推力計(jì)算，所得結(jié)果詳見(jiàn)表2.

表2 滑坡推力計(jì)算結(jié)果

4.2 加固工程設(shè)計(jì)

由以上分析可知，1-1、2-2剖面最不利工況均為深層滑面的暴雨工況，其“設(shè)計(jì)加固位置處剩余下滑力”分別為920.7 KN/m、729.9 KN/m.

擬采用4×3m框架梁錨索加固，錨索鋼絞線(xiàn)直徑為Φ15.2 mm、強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1 860 MPa、截面積為139 mm2，單根鋼絞線(xiàn)極限張拉荷載Pu為259 KN.根據(jù)坡面形態(tài)，錨索傾角β=25°.具體流程參考文獻(xiàn)[8]，設(shè)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖3～5.

4.3 具體處治措施

該滑坡具體處治措施如下：

1)框架梁錨索加固.在KX+516～+560段緊鄰既有框架梁錨桿上部區(qū)域增設(shè)4×3 m框架梁錨索(具體布置見(jiàn)圖3～5)，框架梁內(nèi)掛網(wǎng)植草防護(hù)；2)增設(shè)截水溝.在距滑坡邊界裂縫以外約5 m處增設(shè)一道環(huán)形截水溝，并接入既有的表面排水系統(tǒng)；3)粘土夯填表面裂縫；4)修復(fù)、疏通既有表面排水溝，使其形成空間排水系統(tǒng)；5)于滑坡體3處地下水出露點(diǎn)各布設(shè)3根仰斜排水孔，孔深為15 m，仰角為8°.

5 結(jié) 論

本研究以川東地區(qū)某高速公路一處“反復(fù)發(fā)作，久治不愈，并最終發(fā)展為滑坡”的路塹病害為研究實(shí)例，詳細(xì)討論了該滑坡處治的設(shè)計(jì)流程，得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

1)整體來(lái)看，KX+520～+560段路塹滑坡位于表水沖刷與上部坡體地下水的匯聚集中區(qū)，“既有排水措施與實(shí)際病害不匹配”是工點(diǎn)病害反復(fù)發(fā)作的主要原因.2014年對(duì)再次發(fā)生的淺層病害處治過(guò)程中，因故造成框架梁施工延誤數(shù)月，期間當(dāng)?shù)囟啻伟l(fā)生強(qiáng)降雨，使路塹變形體最終惡化為滑坡病害.此外，該段路塹地層具明顯二元結(jié)構(gòu)特征，堆積體、基巖的空間分布與高速公路開(kāi)挖通過(guò)方向的耦合作用，對(duì)斜坡穩(wěn)定亦有一定的影響.

2)協(xié)同現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、方案比選及計(jì)算校核結(jié)果，確定緊鄰既有錨桿框架梁上部區(qū)域布設(shè)“錨索框架梁”為滑坡病害的主體加固措施.同時(shí)，針對(duì)空間排水系統(tǒng)的構(gòu)建，提出采取如下措施處治：①在滑坡邊界以外增設(shè)環(huán)形截水溝；②在既有擋墻增加泄水孔；③在墻頂平臺(tái)處增設(shè)縱向排水溝；④將擋墻外側(cè)蝶形邊溝改為明溝；⑤在路塹坡面匯水嚴(yán)重位置設(shè)一道急流槽；⑥在路塹坡面增設(shè)兩排仰斜排水孔；⑦在滑坡體3處地下水出露點(diǎn)設(shè)仰斜排水孔；⑧修復(fù)、疏通既有表面排水溝，貫通為空間排水網(wǎng)絡(luò).