巖質邊坡的穩定性分析及生態防護設計

賀明明

中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710075

隨著我國交通網絡的不斷完善，公路工程建設規模日益擴大。邊坡穩定性是影響公路工程安全建設的關鍵因素，如果邊坡穩定性分析不當或防護措施設計不合理，將有可能引起嚴重的崩塌事故。尤其是路塹巖質邊坡受力變形機制復雜，工作人員需要對其穩定性及防護措施格外重視。同時，公路工程建設過程中來自節能、環保方面的壓力也越來越大。故選擇經濟、合理、與自然景觀協調的邊坡生態防護技術也成為工程人員急需解決的重要問題[1-2]。

1 巖質邊坡穩定性的影響因素

1.1 內在影響因素

（1）地層特性。地層特性是引起巖質邊坡失穩的重要因素之一，相關統計數據表明，60%以上巖質邊坡塌方事故均與地層巖性密切相關。一般情況下，相比新地層，老地層發生邊坡塌方的可能性更大；相比硬質巖層，軟質巖層發生高邊坡塌方的可能性更大。（2）地質構造。路塹巖質邊坡容易沿著軟弱結構面（節理、裂隙、斷層等）崩塌破壞。地質構造的存在使地層中的完整巖體變得破碎，不僅在一定程度上降低了巖體自身的強度特性，還給邊坡的崩塌提供了崩塌界面。（3）巖石成分及風化程度。巖石成分會直接決定巖石的基本力學特性。如黏土遇水膨脹，易崩解；云母是片狀結構，易順層劈裂。同時，巖石風化會破壞其完整性，產生一定數量的裂隙，使巖體呈碎塊狀或松散狀，其中微風化和弱風化巖石的邊坡穩定性較好，全風化和強風化巖質路塹邊坡更容易發生崩塌、失穩。

1.2 外在影響因素

（1）降雨。強降雨往往是導致巖質邊坡崩塌的“導火線”。在降雨期間，雨水可能順節理、裂隙滲入邊坡內部，一方面，使邊坡巖體的容重增加，增加了作用在潛在滑動面上的豎向荷載；另一方面，在雨水作用下，邊坡巖體的抗剪強度和抗拉強度降低，容易沿著軟弱結構面滑動而導致邊坡塌方。（2）邊坡開挖。如果巖質邊坡在開挖期間未能及時封閉坡面，在凍融循環、干濕循環、強降雨等因素的影響下，將加劇邊坡巖土體的風化程度，形成新風化面，從而導致邊坡巖土體抗剪強度降低直至坍塌。

2 巖質邊坡穩定性分析的方法

針對巖質邊坡穩定性計算，《公路路基設計規范》（JTG D30—2015）中主要介紹了兩種方法：第一，普通的碎裂結構巖體邊坡宜采用簡化畢肖普法；第二，規模較大或破壞機制復雜的邊坡宜采用簡化畢肖普和數值計算法綜合評估邊坡的穩定性[3]。

一是簡化畢肖普法。簡化畢肖普法模型簡單、計算精度高，屬于剛體極限平衡法的范疇。該方法是將滑坡體劃分成n個寬度相同的垂直條塊，假設各條塊間只存在水平條間力和豎向條間力，均等于零，并以滑動圓弧的圓心為力矩中心點，計算得到抗滑力矩與下滑力矩的比值（邊坡安全系數），計算公式如下：

式中：Wi為第i條條塊的重力，kPa；bi為第i條條塊的寬度，m；ci為滑面黏聚力，kPa；φi為滑面內摩擦角，°；αi為圓弧底面傾角，°；ui為孔隙水壓力，kPa；mαi為作用面積，m2。

二是數值計算法。隨著計算機技術的快速發展，數值計算法在巖土計算領域的應用日益普遍，一般包括有限元法、有限差分法、邊界元法、塊體理論、DDA法、離散元法等，其中有限元法的應用最為廣泛。有限元法用于分析邊坡穩定性時，能將其安全系數與滑動面位移、應力、塑性區等聯系起來，從而更好地分析路基巖質邊坡的失穩變形機制。

3 邊坡生態防護形式及機理

3.1 植物護坡

（1）鋪草皮護坡的施工時間短、施工技術簡單、能夠適應惡劣的外界環境，是一種應用廣泛的公路路基邊坡防護技術。該方法是通過相關設備將草坪鏟起運輸到綠化場地，再根據設計要求鋪植。需注意的是，在鋪草皮時，草種不能過于單一，否則可能引起蟲害。（2）植生袋護坡技術是將草種、肥料、保水劑等按照設計比例加固而成，具有良好地保水能力，可以大幅度提升草種出苗率，減緩邊坡風化速度，降低雨水侵蝕程度，適用于各種環境。（3）三維植被網的基礎層是熱塑性樹脂經雙向拉伸后形成的方形網格，可以將土壤和草種固定在坡面。“網包”的存在可以減小雨水滲入的速度（使雨水在坡面繞流），降低雨水對坡面土體的侵蝕量。同時，三維植被網相互交錯，對坡面土壤起到一定的加筋作用，可以進一步提高邊坡抗沖刷能力。

3.2 土工合成材料植草護坡

土工合成材料具有結構性能好、不易降解、質量較輕等優勢。將土工合成材料與植物草種混合用于公路路基邊坡防護，在質量和造價方面都具有一定的優勢。土工合成材料主要具有以下功能。（1）排水作用。土工合成材料可以將邊坡縫隙內的水排出，降低邊坡土體的孔隙水壓力。（2）提高土體強度。土工織物會與邊坡表面土壤形成復合體，增加土體的黏聚力、內摩擦角、壓縮模量等指標，提高坡面的整體穩定性。（3）隔離作用。土工合成材料能夠將粒徑差異較大的土體隔離（如路基和軟基隔離、路基和碎石基層隔離等），以減少土顆粒流失。

常用的土工織物生態防護形式包括草籽無紡布、土工格室、土工布等。土工織物植草應用于路基邊坡防護時，應綜合考慮邊坡巖體性質、邊坡幾何參數等因素，一般適用于坡度緩于1∶1的殘積土或軟巖路塹邊坡及硬質巖填筑的路堤邊坡。在施工前，應將路基邊坡表面雜物清理干凈，確保坡面的平整。同時，可以根據坡面實際情況在周圍開挖水平種植溝，種植溝間距約為20cm，以減少水土流失，為草種提供了良好的生長環境。

3.3 植生混凝土護坡

植生混凝土防護路基邊坡是一種新型的多功能綠色環保防護技術。根據功能不同，植生混凝土可分為植物型多孔纖維混凝土、可凈化水質的植生混凝土、抗沖刷型植生混凝土。不同植生混凝土特點如表1所示。

表1 不同類型植生混凝土特點

植生混凝土結構組成要素包括多孔混凝土、保水材料、肥料等。其中，多孔混凝土具有良好的透氣性，屬于植生混凝土的基本骨架結構；保水材料是由有機質保水劑和無機保水劑混合所得，主要作用是為草種生長提供水分。

4 生態防護措施對邊坡穩定性的影響

4.1 工程概況

文章以某公路路塹邊坡（K5+680斷面）為研究對象，分析生態防護措施對邊坡安全系數的影響規律。該公路沿線地質條件較復雜，地下水位低，沿線出現了大量巖質路塹邊坡，同時地形起伏較大，坡體地面標高為203.6～263.8m，自然坡角最大為25°～30°。坡體組成物質如下：表層為粉質黏土，厚度為4.20～7.10m；其下為砂質黏性土，厚度為4.40～22.50m；再下基巖為全風化混合巖，厚度為9.40～22.50m；再下為強風化混合巖，厚度為9.90m；再下為中風化混合巖，未揭露。擬采用理正巖土軟件分析不同生態防護類型下邊坡安全系數變化規律，降雨強度擬采用20mm/h，降雨歷時設為60min。

4.2 防護效果分析

在降雨條件下，隨著降雨時間的增加，邊坡安全系數不斷降低，其原因是雨水滲入造成邊坡土體飽和區域不斷擴大，使得土體容重增加，抗剪強度參數降低，最終導致邊坡整體穩定性降低。同時，相對于裸坡而言，不同防護形式下邊坡的安全系數均有一定的提高，其中采用植生混凝土防護的邊坡安全系數最大，達到1.3，提高了18.2%；采用普通植草防護的邊坡安全系數增加不多，僅提高了4.5%。

5 結論

文章在探討邊坡穩定性影響因素的基礎上，分析了巖質邊坡穩定性計算方法及生態防護措施，得出如下結論：（1）巖質邊坡失穩原因主要有地層巖性、地質構造、巖石成分及風化程度、邊坡幾何參數、降雨等因素；（2）普通碎裂巖體邊坡安全系數計算宜采用簡化畢肖普法，破壞機制復雜的邊坡宜結合有限元分析法；（3）邊坡生態防護措施有植物防護、土工材料防護、植生混凝土防護等，在容易發生強降雨的地區建設公路路基邊坡時，建議采用植生混凝土來增強坡面穩定性，原因為在不同生態防護措施下，采用植生混凝土防護的邊坡安全系數最大。