基于變形監測的邊坡穩定性及加固方案探討

張玉廣 張國發 彭小勇 鄒啟民

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽 550001)

隨著山區高速公路的全面修建，路塹開挖高度大于30 m的高邊坡越來越多，建設過程中邊坡的變形破壞已成為常見的現象，其誘發因素主要有開挖卸荷、降雨、自身巖體構造及震動等。為跟蹤和控制邊坡施工進程及驗證支護效果，邊坡監測技術逐漸得到了廣泛應用，并在邊坡、滑坡的防護和支擋加固設計中提供了基礎數據依據[1-2]。

目前，已有較多學者從邊坡變形監測數據出發，剖析邊坡的變形破壞機理及支護設計，馮振等[3]基于邊坡及樁體位移監測數據，分析出不利的地質結構、坡腳開挖及降水是誘發紅砂巖順層邊坡發生變形破壞的主要原因；張冬冬等[4]同樣在高填方支護結構變形監測基礎上，對順坡向和橫向2個方向的變形進行分析，得出滑坡體失穩的空間變形方式及整體性的治理措施；黃秋香[5]通過對具有反傾軟弱夾層的反傾巖坡內、外監測，得出邊坡在開挖過程中變形呈現“點頭”現象，坡體整體變形為壓縮-蠕變、傾倒-拉裂復合模式；趙建平等[6]則從邊坡位移變形出發，找到快速定位臨界滑面的方法，提出臨近滑面位置點的概念，從理論上研究臨界滑移面在臨界位移場中的分布情況；李明等[7]采用土工離心機及開挖模擬設備進行土坡開挖離心試驗，結果表明，開挖后坡體內部根據豎向應變性質的不同可分為開挖松動區、開挖壓縮區和無影響區3個區域，不同區域土體的變形特性有所差別。

本文以某高速公路ZK57+555-ZK57+713段左側高邊坡變形破壞為例，綜合分析邊坡變形監測數據，結合地質勘察情況分析研究該類型邊坡變形破壞機理及誘發因素，探討邊坡支擋加固方案。

1 工程地質條件

某高速公路ZK57+555-ZK57+713段線位由正北～正南方向，切割一自然山體，線位左側形成36 m高邊坡，切腳長度158 m。斜坡坡度20°～30°，路線左高右低。場區地貌為侵蝕-溶蝕低中山地貌，原地面高程為1 074.9 m～1 160.0 m，路基設計標高1 076.60 m～1 077.0 m，路基中心最大挖深15 m。2018年4月中旬，邊坡開挖至第3級邊坡平面，坡頂出現小型裂縫，第4級邊坡坡面出現鼓脹現象；5月7日，開挖至第2級邊坡平臺，并施作錨索框架梁防護，正張拉錨索期間，坡體后緣、坡面出現大量裂縫，后緣為縱向貫通形裂縫，長約77 m，最大寬約0.5 m，開挖坡腳局部出現微隆起，便停止施工，邊坡現狀及裂縫情況見圖1。

圖1 邊坡現狀及裂縫情況

1.1 地層巖性

場區上覆土層為第四系殘坡積層(Qel+dl)含碎石粉質黏土，灰黃色，可塑狀，碎石成分主要為粉砂質泥巖；下伏基巖為奧陶系下統湄潭組(O1m)粉砂質泥巖夾灰巖。邊坡強風化巖體較軟，同時受斷層帶影響，巖體破碎，抗風化能力弱，風化后巖體松散，可直接捏碎呈類土狀，厚15.0～20.0 m。中風化粉層巖體呈深灰色、灰黑色，薄～中厚層狀，節理發育，巖體較破碎，巖芯多呈碎塊狀～短柱狀。

1.2 地質構造與地震

場區位于揚子準地臺黔北臺隆遵義斷拱之鳳岡北北東向構造變形區。根據地質調繪，場區發育斷層F1、F2。F1于ZK57+721(YK57+730)處斜穿線位地表，斷層傾向142°，傾角80°，破碎帶寬度1～5 m，上盤巖層產狀54°∠51°，下盤巖層產狀50°∠63°；逆斷層F2于ZK57+256(YK57+252)處正交線位地表，斷層面傾向13°，傾角60°～70°，斷層破碎帶寬度3～6 m，上盤巖層產狀300°～336°∠27°～35°，下盤巖層產狀210°～270°∠23°～68°。區內主要節理產狀有：24°∠73°、179°∠84°、265°∠52°三組，節理間距20～150 mm，地質構造及地質斷面情況見圖2。

圖2 邊坡地質構造及地質斷面

1.3 水文地質

路段地勢較高，地下水補給主要來源于大氣降水，地下水類型為第四系松散覆蓋層孔隙水、基巖裂隙水。松散覆蓋層裂隙水賦存于土層孔隙中，該類含水巖組厚度薄，補給面積有限，具季節性，干旱時不含水，富水性差，埋藏較淺。雨水下滲后沿基巖風化裂隙運移，在山谷地勢低洼處排泄。根據鉆孔顯示，孔內未見穩定地下水位。

2 邊坡監測及變形特征分析

通過對監測指標連續的監測和分析工作，動態掌握該邊坡治理施工過程中的安全穩定、變形位移情況，及時掌握邊坡工作狀態，預警邊坡失穩征兆，以分析邊坡的變形破壞機制、滑移位移及方向。

2.1 監測方案

根據現場裂縫分布及坡面破壞情況，結合地質勘察資料，本段邊坡用常規精密大地測量方法，采用電子全站儀對基準網進行監測，通過對監測點的多期觀測計算監測點的坐標變化量，進而分析監測點的滑移量、滑移方向、滑移速度等。經地表巡視發現坡體存在滑移可能后，在巖體上現場澆灌混凝土標石作為基準點及監測點，共布設7個地表位移監測點，分別為JCD1～JCD7，數據采集時間為2019年5月10日-6月30日，共50 d，監測點布設位置見圖2。

2.2 變形特征

累計水平位移中，5月10日-6月8日，JCD1、JCD5和JCD6累計水平位移無明顯增加，變形速率為0.38～1.50 mm/d；從6月8日-6月30日，三監測點累計水平位移分別達到103.5,176.3,131.7 mm，變形速率為3.20～4.80 mm/d，豎向位移無明顯增加。JCD2～JCD4、JCD7共4個監測點從5月10日-6月10日累計水平位移呈線性增加，累計水平位移最大達到303.5～333.7 mm，平均變形速率為10.4 mm/d，豎向位移變形趨勢與水平位移一致，最大達到-234.0 mm；在6月11日-6月30日，各監測點的水平、豎向累計位移出現轉折陡增期，累計水平位移最大達到1 293.6 mm，平均變形速率達到58.1 mm/d，降雨量與地表位移關系圖見圖3。

圖3 降雨量與地表累計位移關系

裂縫發展及位移變形情況說明，該邊坡可分為受牽引區(JCD1、JCD5～6區域)及變形區(JCD2～JCD4、JCD7圍成區域)，監測點布設位置見圖1、圖2。坡體沿一定的軟弱面整體向下以水平位移為主，受坡體巖層結構、抗剪強度等影響，受牽引區阻礙變形區滑移體變形，使滑動后壁呈環谷狀，但水平位移趨勢與變形區一致，坡體無貫通性滑面，因此其豎向位移無明顯變化。

由圖3中各監測點發展趨勢可見，該段邊坡屬于蠕滑型邊坡，在重力作用下邊坡的滑動變形具有典型的蠕滑特征，坡體變形發展可分為線性變形期、變形失穩期及固結穩定期。線性變形期間，邊坡巖土體的變形隨時間緩慢增長，處于蠕滑變形狀態，受牽引區水平、豎向變形不明顯，坡體處于穩定狀態，但受變形區牽引影響，隨之等速變形。變形失穩期，坡體自重應力增加，水平、豎向位移陡增，而滑體下座滑移，使變形區后緣及兩側受牽引加速變形。滑坡體出現較大變形滑移后，采用工程措施進行坡腳支擋、坡體加固，坡體應力將重分布形成二次應力場，使其達到新的應力平衡，處于固結穩定期。而蠕變變形邊坡其變形區坡體水平位移、豎向位移變形趨勢具有嚴格的對稱性；受牽引區水平位移為主，豎向變形不明顯，變形趨勢不一致，降雨量與日平均位移關系見圖4。

圖4 降雨量與邊坡日水平、豎向位移關系

2.3 降雨影響

2019年5月7日-7月底，該地區逐漸進入汛期，單日降雨量逐漸增加，尤其是6月8日-6月25日的持續降雨，降水量由39.5 mm增至99.3 mm。6月10日(降雨量71.0 mm)、6月21日(降雨量99.3 mm)監測數據顯示，坡體地表位移均出現轉折陡增，最大為JCD4的日水平位移27.1 mm、日豎向位移18.5 mm，JCD2、JCD3、JCD7位移次之；同時，坡體變形速率加大，由8 mm/d增至19 mm/d。說明雨水入滲時坡體內和坡面發生的位移最大，變形量及變形速率均會陡增，約占總位移的80%～91%。雨水入滲及發生蠕變條件下坡體變形的規律是坡體上部變形大，下部變形小。監測數據表明，該工點受雨水影響較大，應注重地表排水及坡體內地下水排泄。

2.4 滑移方向

監測點位移矢量能準確判斷滑移體的主滑方向。圖2中顯示，JCD2～JCD4、JCD7位移矢量方向垂直于路線，說明邊坡的滑移變形受前緣開挖臨空卸荷作用影響，坡體以垂直于路線方向滑移。

3 變形破壞特征分析

3.1 變形機理分析

反傾巖層邊坡成坡過程中附加構造應力一般已釋放完成，僅存少量殘余應力，邊坡巖體主要受自重力、上部巖層重力，以及巖層間摩擦力作用[8]。受構造帶斷層影響，該段邊坡區域巖體節理發育，2組節理對反傾巖層進行“△”剪切，使邊坡巖體結構較為松散，節理裂隙發育，地下水極易向下滲透，受汛期持續大氣降水滲入，表層巖石軟化失去完整性及致密性，淋濾作用下在層間形成軟弱夾層，抗剪強度下降明顯。加之前緣開挖臨空卸荷，受自重應力作用，開挖影響區土體垂直于臨空面產生豎向、水平應變，以拉伸-擠壓-蠕變-拉裂的蠕滑型模式發生漸進破壞。滑移破壞過程中，滑體后緣及側翼受水平向拉伸及豎向壓縮，監測數據反映出水平位移大于豎向位移，即以水平向拉伸為主。

3.2 變形因素分析

3.2.1降雨

降雨是誘發滑坡災害的主要因素。場區斷層交錯，坡體自身節理裂隙發育，降雨入滲坡體內，巖土體含水率增大，逐漸飽和降低自身抗剪強度，加大自重應力。同時，受淋濾作用，巖土體細小及易溶成分被溶解帶走，在風化較弱或不透水層間形成軟弱夾層，促進坡體滑移。

在坡體變形過程中，降雨決定了變形發展的拐點，成為等速蠕變變形向加速變形發展的主要誘因，影響變形速率。粉砂質泥巖主要成分為黏土礦物 ,含少量粉砂質。粉砂含量為25%～50%，黏土含量為50%～75%，浸水后，泥巖易軟化。因此，在后續設計中不可忽視坡體內的排水和坡面防水措施。

3.2.2臨空面

邊坡的開挖為坡體提供變形空間，作為坡體滑移的前置條件。坡腳開挖改變坡體的應力場，隨著臨空面由小到大，開挖過程中影響區域逐漸增加。該段邊坡施工階段，隨著前緣臨空高度逐漸增加，坡頂裂縫往后緣發展，滑面逐漸加深，滑移范圍增大。

3.2.3地質構造

場區屬于侵蝕-溶蝕低中山地貌，前緣緩坡地形為湄潭組粉砂質泥巖，后緣山體陡峭為奧陶系桐梓組灰巖，形成“上硬下軟”的典型臺地地形。

斷層F1、F2交叉分布場區，斷裂構造作用使粉砂質泥巖中交錯節理發育，形成兩組24°∠73°的節理1和179°∠84°的節理2，與反傾巖層產狀54°∠51°形成“△”切割的不利結構，為雨水下滲提供條件，“△”切割赤平投影見圖5。

圖5 “△”切割

3.2.4巖體結構

軟巖中夾薄層硬質巖類型巖體結構，由于下部軟質巖受風化、侵蝕等產生軟化-收縮-擴張-擠壓，使薄層硬質巖由完整層狀變為塊狀，使坡體完整性較差，整體強度較低。同時，破碎硬質巖層利于地表水及地下水入滲，促進雨水淋濾作用。強風化層坡體隨地表水入滲逐漸呈飽和狀態，其余降水及易溶物質逐漸沿裂隙往坡體深部入滲至不透水或弱透水層，形成軟弱夾層圓弧滑面，隨臨空面開挖往深部移動，巖體結構示意圖見圖6。

圖6 巖體結構

4 處治措施

結合根據工程類比及反算法，考慮暴雨工況下Fs=0.98、正常工況下Fs=1.03進行反算，綜合滑動面抗剪參數及巖土體參數見表1。

表1 巖土體物理力學性質

由2.2節變形特征表明，該段邊坡分為變形區及受牽引區，采用理正軟件計算兩區域最不利斷面穩定性，最不利斷面圖見圖7。

圖7 最不利斷面圖

由圖7可見，受牽引區的沉降位移主要受變形區影響較大，坡體未形成貫穿滑面，仍為潛在滑面，安全穩定性系數情況見表2。該區域剩余下滑力較小，屬于欠穩定狀態，可采用擋墻+錨索綜合加固。

表2 受牽引區設計計算結果

變形區需考慮2種情況，①已下滑失穩的軟弱層滑面，滑面剪出口位于第二級邊坡中部；②隨著臨空面的開挖，是否存在深層潛在滑移可能。經計算，隨著邊坡放緩清方，坡體潛在滑面逐漸加深，趨近后緣山體。結合經濟性對比緩坡清方和支擋加固方案，清方方案支護工程費用較低，但棄渣量較大，需增設棄渣場，故擬采用支擋加固方案，變形區設計斷面計算結果見表3。

表3 變形區設計斷面計算結果

4.1 受牽引區

挖方坡腳采用6 m擋墻支擋，避免地下水及降雨軟化坡腳巖土體；擋墻上邊坡采用錨索框架格梁加固，錨固段應深入中風化層，同時，考慮錨索框架格梁張拉錨固周期較長，預先應素噴坡面并完成泄水孔，以保證錨固力和框架格梁的有效性和耐久性。

4.2 變形區

變形區需考慮2種滑面類型的支擋加固，即滑面和潛在滑面，剩余下滑力分別為780.62 kN和1 226.36 kN。挖方坡腳采用2 m×3 m抗滑樁支擋加固，控制斷面開挖過程中滑面加深；采取樁頂上邊坡適當放緩+寬平臺處理，清除部分滑體，坡面素噴后采用錨索框架格梁加固。

考慮降雨及地下水對該邊坡變形過程中的影響，可采用排水溝+深層泄水管綜合防排水措施，降低地下水的侵蝕軟化和大氣降水的淋濾作用。

5 結語

通過對某高速公路路塹邊坡進行位移監測，剖析了降雨與邊坡變形特征的對應規律，并結合地質勘察，探討了邊坡變形過程及影響因素，提出了對應的支護建議。

1) 邊坡監測數據可反映邊坡的穩定程度，為邊坡變形提供預警，有效地跟蹤、控制和指導施工，可廣泛運用于工程實踐中。

2) 受降雨、臨空面開挖及巖體結構的影響，邊坡出現不同的變形特征。受牽引區和變形區相互約束和拉伸，變形區坡體出現以水平、豎向位移對稱性的變形趨勢；而受牽引區受其變形拉伸及豎向壓縮，出現以水平位移為主的變形。

3) 蠕滑型邊坡變形發展可分為線性變形期、變形失穩期，以及固結穩定期。線性變形期間，坡體變形隨時間而勻速增長，處于蠕滑變形狀態；變形失穩期，坡體自重應力增加，水平、豎向位移陡增，使裂縫后緣及兩側坡體隨之加速變形。滑坡體出現較大變形滑移后，坡體應力重分布形成二次應力場，使其達到新的應力平衡，該過程為固結穩定期。

4) 工程設計中應充分考慮監測數據反映的場區變形特征，以及地下水、地表水對邊坡變形的敏感性，從而采取有效的設計方案。