某高速公路邊坡滑坡分析及處治設計

2020-05-21 11:45:34李艷明

山西交通科技 2020年1期

李艷明

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西太原 030032）

1 工程概況

該滑坡位于廣東省新興縣河頭鎮沙坪村境內，位于某建高速公路K21+410—K21+515 段左側，該段高速公路為半挖半填路段，最大開挖高度為8.0 m，最大填方高度為10.0 m。挖方邊坡坡率1∶1.0，挖方坡腳設置2.5 m 高C20 混凝土擋土墻，以上采用噴播植草防護。2018 年9 月12 日，該路塹邊坡已出現滑坡，滑坡后緣距塹頂線約70 m，后緣出現錯臺、簸箕裂縫，錯臺高度約80 cm，前緣剪出口位于坡腳墻附近，擋墻變形開裂，開裂處滲水，揭露全風化紫紅色泥巖。據現場觀測，滑坡變形持續發展，嚴重影響公路的運營安全，亟需處治邊坡滑坡。

圖1 滑坡處原斷面設計圖

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，地形起伏較緩，坡體地面標高約為80.0～120.0 m，自然坡角最大約為30°。山體植被發育，生長松樹及各種灌木、蕨類植物。

2.2 地層巖性

根據野外地質調繪及鉆探資料（ZK1—ZK8）成果，邊坡主要由第四系沖洪積和殘坡積成因粉質黏土和寒武系高灘組泥質砂巖風化物組成。各巖土層分述如下：

a）粉質黏土褐黃色，軟塑- 可塑，土質不均，干強度中，塑性中，表層含植物根系。

b）全風化泥質砂巖灰紅色，全風化，原巖結構清晰可辨，大部分如粉質類土狀，具可塑性，呈柱條狀。

c）強風化泥質砂巖紫紅色為主，強風化，細粒結構，厚層狀構造，節理裂隙很發育，巖芯破碎殘缺，呈1.0～3.0 cm 的碎塊狀，手掰易碎。

d）強風化泥質砂巖紅黃色，強風化，粉細粒結構，厚層狀構造，節理裂隙很發育，巖芯破碎呈3～6 cm 的塊狀，偶見短柱狀，局部可見石英脈，錘擊易碎。

e）中風化泥質砂巖黃褐色，中風化，細粒結構，層狀構造，節理裂隙發育，巖芯為碎塊狀或者短柱狀。

2.3 地質構造與地震

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。項目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。

3 滑坡變形特征、滑動機理及穩定性分析

3.1 滑坡變形特征

滑動區地質結構較為簡單，上部為全新系中更新統粉質黏土、全風化泥質砂巖，下伏強- 中風化泥質砂巖。滑坡坡體后緣分布張拉下錯裂縫，最大可見下錯深度80 cm，在巖性上以全風化覆蓋層為界，在地形上以陡緩交界面為界，滑坡前緣剪出口位于一級邊坡的坡腳，坡腳擋墻外鼓開裂，開裂處滲水，邊坡段落局部出現小的滑塌，滑坡兩側翼出現明顯的剪切裂縫，坡周界明顯，屬牽引式滑坡。滑坡主滑動方向為287°，邊坡坡面產狀：276∠45°，主軸長70 m，橫寬約135 m，滑體平均厚度約8.5 m，屬中層滑坡，滑坡體方量約為9.2 萬m3，屬中型滑坡。

3.2 滑坡滑動機理分析

滑坡所在區屬粵西南低緯度地區，屬南亞熱帶季風氣候區。雨季長，雨量充沛；季風活動明顯，終年受海洋季風氣候調節，氣象特征表現為風害多、雷暴頻。所屬新興縣年平均降雨為1 680.2 mm，每年雨季和旱季明顯，最大日雨量達400 mm（1976 年9 月20 日），造成山洪暴發，江河橫溢?；w受到強風化巖形成的溝谷控制，易于積水，水加重滑體質量，弱化力學指標，持續不斷的強降雨是工程滑坡的誘發因素。

滑坡坡體為二元結構，上部為粉質黏土、全風化泥質砂巖，下部為強- 中風化泥質砂巖，層間結合面已經泥化，力學指標差，這是滑坡發生的內在因素。

在修建公路時，開挖坡腳，切斷了滑坡前緣，使滑坡具有臨空面，在重力作用下滑坡產生滑動，這是滑坡發生的主要因素。

3.3 滑坡穩定性分析

根據滑坡變形特征可知，該滑坡危害程度為嚴重，滑坡防治工程安全等級為Ⅰ級[1]?；麦w變形和滑坡區裂縫的發展都可說明滑坡處于不穩定狀態，大氣降雨等因素將對滑坡穩定產生較大影響，甚至引起滑坡后緣進一步滑動。為保證公路運營安全，按照一次根治滑坡的原則，對滑坡體進行穩定分析計算，并采用綜合處治方法[2-3]對其治理。

根據鉆探資料（ZK1—ZK8）成果，分Ⅰ-Ⅰ（ZK1—ZK4）和Ⅱ-Ⅱ（ZK5—ZK8）兩個斷面反算滑面C、Φ 值，考慮邊坡已經滑動，滑坡穩定系數取0.98，經反算，綜合考慮暴雨工況下C=10，Φ=10。

采用傳遞系數法[4]對滑坡剩余下滑力進行計算，計算公式如式（1）、式（2）。

式中：Fn、Fn-1為第 n、n-1 塊滑塊的剩余下滑力，kN；ψ 為傳遞系數；γt為安全系數；Gnt、Gnn為第 n 塊滑塊自重沿滑動面、垂直滑動面的分力，kN；Gn為第n 塊滑塊沿滑動面巖土的內摩擦角，（°）；cn為第n 塊滑塊沿滑動面巖土的黏聚力，kPa；ln第n 塊滑塊沿滑動面的長度，m；βn、βn-1為第 n、n-1 塊滑塊與水平線的夾角。

根據公路抗震規范，計算不考慮非正常工況Ⅱ，按式（1）、式（2）計算結果如表1。

表1 剩余下滑力計算表

滑坡推力?、?Ⅱ斷面非正常工況Ⅰ（暴雨）下剩余下滑力值。

4 滑坡處治比選設計

根據滑坡所在的工程地質情況及滑坡變形特征、機理等情況，設計提出鋼花管注漿+預應力錨索、抗滑樁+預應力錨索兩個方案進行比選設計。

4.1 方案一鋼花管注漿+預應力錨索方案

圖2 鋼花管注漿+預應力錨索方案

在距路基坡腳11.5 m 處設置4 排Φ89 鋼花管，鋼花管長18 m，排距0.75 m，縱向間距1.5 m，鋼花管頂部設置40 cm 厚C30 現澆混凝土冠梁，冠梁上部設置預應力錨索，錨索長度42 m，錨固段長度10 m，錨索縱向間距3 m。在距路基坡腳57.5 m 處（樁號范圍K21+430—K21+506）設置4 排Φ89 鋼花管，鋼花管長20 m，排距0.75 m，縱向間距1.5 m，鋼花管頂部設置40 cm 厚C30 現澆混凝土冠梁，冠梁上部設置預應力錨索，錨索長度28 m，錨固段長度10 m，錨索縱向間距3 m。每根鋼花管抗力100 kN，預應力錨索設計錨固力500 kN，鎖定錨固力550 kN，考慮剩余下滑力作用下經計算邊坡安全系數大于1.3，滿足規范要求。

4.2 方案二抗滑樁+預應力錨索方案

圖3 抗滑樁+預應力錨索方案

在距路基坡腳11.5 m 處設置2.5×3.0 m C30抗滑樁，樁間距6 m，同時在抗滑樁頂設置預應力錨索，錨索長度42 m，錨固段長度10 m，錨索縱向間距3 m。預應力錨索設計錨固力500 kN，鎖定錨固力550 kN?？紤]抗滑樁錨固地層為碎塊狀強風化泥質砂巖，抗滑樁水平位移和內力按m 法[5]進行計算，計算公式如式（3）～式（6）。

式（3）～（6）中：a 為抗滑樁的變形系數，1/m；x0、φ0、M0、Q0分別為滑動面處的位移、轉角、彎矩及剪力；Aj、Bj、Cj、Dj為隨抗滑樁換算深度變化參數；EI 為抗滑樁對剛度系數。

考慮剩余下滑力作用，經計算，抗滑樁樁頂位移小于100 mm，滑面處位移于小于10 mm，邊坡安全系數大于1.3，滿足規范要求。

以上兩種方案均可以達到一次根治滑坡的目的，但考慮該滑坡發生在公路試運營期間，為保證公路運營安全、及時搶險、快速防止滑坡的繼續變形而產生更大的次生災害，結合鋼花管注漿施工方便，能夠較快地加固滑坡體，而抗滑樁采用人工挖孔，施工復雜且時間相對較長，有效加固滑坡體需要時間較長，經比選最終采用鋼花管注漿+預應力錨索方案即方案一。同時，在坡腳處設置仰斜排水管，仰角14°，孔深20 m，間距3 m，與鋼花管錯開布置；在滑坡后緣裂縫外5 m 處設置截水溝，完善其他排水設施，形成通暢的排水通道；采用黏性土封閉裂縫并夯實，夯實度不小于90%。