某二元結構邊坡病害分析及治理措施探討

摘"要：在川東地區公路工程建設過程中，易形成“土＋巖”類的二元結構邊坡.以川東地區某公路工程形成的二元結構邊坡病害為例，通過變形過程和病害特征的分析，總結出該類邊坡病害易沿二元結構分界面產生多過程牽引式滑動的特點，并在定性分析和定量計算的基礎上，探討和提出了經濟有效的輕型錨桿擋墻治理措施，最后歸納出以預加固為主，因地制宜，采用工程經濟性較好的輕型支擋結構的處治理念.

關鍵詞：二元結構邊坡；病害特征分析；滑坡計算；治理措施探討；輕型支擋結構

中圖分類號：U418.5

文獻標志碼：A

0"引"言

在川東地區公路工程建設過程中，易形成“土＋巖”類的二元結構邊坡.此類邊坡上層結構通常為殘坡積、坡洪積或全風化形成的巖土體，其巖土性質較差，水敏性較強，易受水體軟化作用；而下層結構通常為強—中風化的基巖，巖體性質較好，透水性較差，在結構中充當“基座”和隔水層的作用^［1］.公路工程作為線性范圍工程，在開挖修筑過程中若遇到此類二元結構邊坡，由于上下層巖土體性質的明顯差異，開挖后若不及時采取合理有效的支擋補償措施，將可能造成大范圍的工程病害，甚至形成滑坡群.

成永剛等^［2］在統計四川某在建高速二元結構邊坡病害范圍后發現，此類邊坡病害通常縱長范圍較短而橫寬范圍較長，在形態上多呈“寬扁形”且易成群出現.孫巍鋒^［3］通過開展二元結構邊坡的溫濕度監測，揭示了該類邊坡的溫濕變化規律，明確了水分入滲是影響二元結構邊坡穩定性的重要敏感因子，并總結出此類邊坡土—巖接觸面的抗剪性能隨增濕過程的變化規律.劉艷輝等^［4］以花崗巖風化殼地區某典型二元結構斜坡為例，采用飽和—非飽和滲流理論分析降雨入滲過程和斜坡失穩機制，并建立了相應的臨界判別預警判據.Gao等^［5］以某高速公路修建形成的“礫石土+風化基巖”二元結構邊坡為例，采用Midas/GTS NX軟件建模，提出孔隙水壓力的疊加計算方法，實現了邊坡應力—滲流耦合和穩態滲流分析，為邊坡開挖支護過程分析提供理論依據.

目前行業內對此類型邊坡病害的形成機制研究已較為成熟，但針對該類型病害的治理如何做到能因地制宜、經濟高效，這方面的經驗成果較為缺少.本研究以某公路二元結構邊坡病害為例，分析該邊坡的變形破壞特征及形成機制，研究其演化過程，并分析計算滑坡穩定性和下滑力，在此基礎上提出對該類型邊坡病害治理的措施.

1"研究區概況

1.1"工程概況

某公路工程位于巴中市巴州區境內，其K18+460～K18+540段設計為挖方路基，最大挖方高度約10 m.在設計階段時，由于勘察資料的失準（地勘資料顯示該段覆蓋層厚度約1～2 m，及征地與基本農田范圍的限制，該段路基采用了1∶0.5陡坡率進行放坡以控制用地范圍.但在施工階段路基開挖至5～7 m高度后，發現該段地質情況與勘察資料不相符.開挖斷面顯示，該段覆蓋層厚度較厚，為約3～5 m厚的紅黏土層，下覆為白堊紀強—中風化泥質砂巖（見圖1）.施工時恰逢當地雨季，在經歷了幾場降雨過程后，邊坡土層從前緣開始逐級失穩，形成了影響寬度約80 m的小型土質滑坡.

該滑坡地貌特征明顯，在平面上呈寬扁的圈椅狀，主滑方向南偏東.路線從滑坡前緣通過，前后緣高差約5～7 m，前緣可見明顯土體鼓脹剪出，坡體上多處分布長條狀張拉裂縫，最后緣2#張拉下錯裂縫距離路中線約40 m（見圖2和見圖3）.滑體物質為松散—稍密的殘坡積紅黏土，滑體厚度約3～5 m，推測滑面為土巖分界面，滑坡體積約0.64×10⁴"m³，屬于典型的二元結構小型土質牽引式滑坡.在逐次滑動后，該滑坡變形已趨于平穩，天然狀態下處于穩定—基本穩定狀態.

1.2"工程地質條件

研究區位于巴中市巴州區境內，為典型的四川盆地川東砂泥巖紅層地區，區內地貌類別為構造剝蝕丘陵地貌，滑坡區整體地形較平緩，屬于易匯水的負地形.滑坡主要發育于第四系殘坡積層中.

1）第四系全新統坡殘積層（Q^dl+el₄）.粉質黏土：紅褐色，天然狀態下呈可塑狀，天然含水量較高，以黏土礦物為主，母巖為泥巖和泥質砂巖，含少量鐵錳氧化物，局部夾圓礫石土，為川東地區高塑性紅黏土.滑坡段土層厚度約3～5 m，頂部普遍有0.2～0.5 m厚的耕植土.

2）白堊系下統蒼溪組（K₁c）.泥質砂巖：黃褐色，礦物成分主要由長石、石英、云母等礦物組成，中細粒結構，中厚層狀構造，泥鈣質膠結.強風化層巖石網狀風化裂隙較發育，巖質較軟.中風化層巖石較完整，局部裂隙發育，巖石強度較高，質較硬，承載力較高.

研究區地質構造簡單，單斜地層，巖層產狀近于水平.區內地震動峰值加速度為0.05 g，抗震設防烈度VI度.滑坡范圍附近未見明顯成股地下水出露，前緣土體局部有濕潤跡象，地下水主要為第四系松散堆積層孔隙潛水，受降雨補給.

1.3"滑坡變形破壞特征

滑坡位于路基左側路塹邊坡，滑坡整體橫寬約80 m，面積約1 600 m²，總方量約0.64×10⁴"m³.滑坡變形跡象明顯，前緣變形跡象以鼓脹擠出為主，由于多次牽引滑動，后緣土體不斷向前緣剪切擠出，將原二元結構邊坡界線覆蓋，局部土體濕潤，呈可塑—軟塑狀，如圖4所示.

中后緣變形跡象主要以張拉裂縫為主，發育兩道長大連續性張拉下錯裂縫，分別對應兩次明顯滑動變形.坡體上1#裂縫寬10～40 cm，深度約3.0 m，與多條次生裂縫相交并貫穿整個坡面；最后緣2#張拉裂縫寬約50 cm，下錯高度40 cm，深度大于3.0 m.各裂縫具體位置可見滑坡工程地質剖面圖如圖5所示.

此外，坡面密集發育多道次生裂縫（見圖6），由表層土體的多次蠕動變形與受擾動紅黏土的反復干濕循環引起^［6］.在后期降雨作用中，這些密集分布的次生裂縫將成為雨水向滑面匯集的通道.

2"滑坡演化過程分析

滑坡處原地貌形態為寬緩的山間丘陵地貌，平面上為易匯水的“圈椅狀”負地形，坡體表層為厚度3～6 m的紅黏土，其下為強—中風化泥質砂巖.從變形跡象上分析，坡體共經歷了3次變形.

第1次變形出現在路基開挖揭穿二元結構巖土分界面后，路基開挖至高度5～7 m時，紅黏土層完全暴露出來.根據地勘參數資料，土層的綜合內摩擦角（即自然休止角）小于邊坡開挖坡率，前緣阻滑段的缺失致使坡腳出現剪應力集中^［7］，前緣坡體在土層內產生了第1次垮塌變形，此時的變形以臨空面土體垮塌和坡體的蠕動變形為主.

在第1次變形出現后，施工單位并未對邊坡采取臨時防護或者反壓措施，而是任由開挖面暴露在自然環境里.施工期間恰逢雨季，在某次強降雨后，邊坡出現了第2次滑動變形.由于第1次垮塌給后部土體產生了良好的臨空條件，同時坡體的蠕動變形和紅黏土的多次干濕循環產生了大量坡體淺層裂縫，降雨在負地形處匯流并滲入土中.一方面加大了土體的重度，另一方面由于二元結構邊坡下部泥質砂巖與上部覆蓋層滲透性的差異，入滲水在基覆界面處聚集后急劇降低了滑面的力學參數，導致坡體沿二元結構分界面出現了明顯的牽引式滑動變形.此次變形為土層沿基覆界面的剪切滑動，前緣滑動距離較遠且在失穩滑帶末端滑體內出現了拉破壞區，形成了明顯的后緣拉裂面（1#裂縫處）^［8］.

在第2次變形后，前緣堆積的阻滑段滑體并未使整個坡體達到極限平衡狀態，即前端阻力偏小且具備臨空條件，繼續牽引后部滑體，在又一次經歷了長降雨過程后，滑坡出現了第3次滑動變形.第3次滑動時滑面完全貫通，后部被牽引滑體（2#裂縫處）沿貫通滑面出現整體性滑動，直至坡體達到極限平衡狀態后停止.此次滑動后整個坡體已趨于基本穩定狀態，觀測數據顯示，滑坡變形位移逐漸減弱消停.

綜合來說，不科學、不嚴謹的人類工程活動是發生滑坡病害的主要原因，降雨則是大范圍滑動的誘因，而巖土性質差異明顯的二元結構、紅黏土的水敏性和干裂性也是引發此病害的重要因素.

3"滑坡穩定性分析及下滑力計算

3.1"穩定性分析

滑坡前緣土體呈整體滑動剪出形態，坡頂緩坡張拉裂縫較多，而在第3次變形滑動后又經歷了一個多月的雨季降雨，后緣裂縫未見明顯繼續發展趨勢，坡體表層也未見新的蠕動變形跡象，說明該邊坡土體內部的應力重分布已趨于穩定.通過現場定性分析及定量計算，表明該滑坡在現狀天然工況及暴雨工況下處于穩定—基本穩定狀態，但后期路基邊坡繼續開挖至道路設計標高后，又將在前緣處產生新的臨空面，屆時隨著前緣抗滑段部分土體的挖除，邊坡在降雨條件下易產生新的滑動變形，安全余度較低，亟需進行相應的工程加固.

3.2"滑坡剩余下滑力計算

綜合附近項目的經驗性取值和勘察報告推薦的滑體參數，天然工況下松散粉質黏土滑面黏聚力c=22.3 kPa，滑面內摩擦角=10.2°，天然土體重度取γ=18.5 kN/m³，暴雨工況下飽和土體重度取γ=19.5 kN/m³.

根據該滑坡的現狀剖面形態（見圖5）和穩定性情況，通過試驗資料、經驗類比、反演分析等方法，因2次貫通性滑動均發生在降雨天氣，在暴雨工況下進行反算，確定出滑面的力學指標.依據現階段Fs=1.05的穩定性系數，綜合反算出設計工況下的滑動參數，最終得出主滑面參數c=18.4 kPa，=68°，暴雨工況下滑體重度取γ=19.5 kN/m³.

依據滑坡變形跡象及反算的滑面參數，采用傳遞系數法，選取代表性最不利K18+495斷面建立計算模型，對滑坡的下滑力進行計算.計算模型的左邊界為設置支擋結構物處（即路基開挖坡腳的土條塊處），底邊界為二元結構分界線，考慮到可能有潛在發展滑面的存在，右邊界延伸至變形后緣20 m，潛在滑面參數取峰值強度^［9］.下滑力計算結果見表1.

計算結果顯示，最不利斷面的剩余下滑力為167.8 kN/m，主動土壓力為70.8 kN/m，考慮到前緣臨空和安全儲備，被動土壓力可忽略不計，剩余滑力和主動土壓力中取大值作為設支擋位置處的設計推力.綜上所述，取F=167.8 kN/m作為設計推力.

4"治理措施探討

由于邊坡后緣的基本農田限制，導致該邊坡治理無法采用清方減載及坡面防護等措施，主要的治理思路是對開挖后路基坡腳邊線處進行支擋加固，即對開挖移除前緣土體的部分進行工程補償，補償抗力可以采用極限平衡狀態下前緣移除范圍土體的抗滑力作為復核依據^［10］.

該邊坡病害涉及范圍較廣，且路基后續施工較急迫，繼續開挖后極易再次產生滑動風險.為不影響后期公路工程的施工，邊坡的治理宜采用施工工期較快且工程造價經濟合理的處治措施.相關部門到場后提出了以下2種治理設計方案.

方案1：在路基坡腳邊線處設置抗滑樁.抗滑樁樁長11 m，截面尺寸為1.5 m×1.75 m，坡腳進入基巖面深度4 m，二元結構土層部分樁間設置掛板，以防止樁間土的溜滑（見圖7）.方案1工程造價約為450萬元，該方案的優勢是長期支護效果好、安全性高且完全不侵占后部基本農田.但抗滑樁高昂的造價和人工挖孔較長的工期需求并不適合該低等級道路.根據最不利滑面剩余下滑力的計算結果顯示，前部設擋防位置的下滑力較小，采用抗滑樁這類的強支擋結構將會造成較大的安全富余，不符合工程的經濟性要求.

方案2：在二元結構分界面處設置“擋墻+支撐滲溝”方案.擋墻為重力式，墻趾前襟邊寬度不小于2 m，埋深不小于1 m；墻后設置支撐滲溝，滲溝寬度1.5 m，高度3.5 m，長度至后緣張拉裂縫處，縱向間距12 m，整個邊坡范圍內共設置6道（見圖8）.方案2的工程造價約為65萬元，該方案的優勢是造價低、占地較少且施工工期較短.擋墻充分利用了二元結構底部的基巖作為“基座”，起到收坡和抗滑的作用.支撐滲溝一方面匯排松散堆積層孔隙水，對消除紅黏土的水敏性起到積極作用;另一方面施工時可破壞滑面，起到提高滑面抗滑力的作用^［11］.綜上所述，方案2的經濟性和治理效果均較好.但由于支撐滲溝對施工工藝和施工組織的要求較高，當地的施工隊伍對該方案較為抗拒.且在施工完成后，滲溝位置的農田使用和灌溉會受到一定的影響，受到村民們的反對，故該方案最終未能實施.

為消除對邊坡后部基本農田的不利影響，并考慮到治理工程的經濟性、安全性及施工工期等多種因素，在第2種方案的基礎上進行改進，最終提出了第3種治理方案.方案3采用輕型錨桿擋墻的防護形式，擋墻設置位置、高度及深度與方案2一致.擋墻澆筑完成后，在墻身上設置2排全長黏結型錨桿，錨桿采用直徑32 cm的螺紋鋼筋，橫向間距3 m，縱向間距2 m，錨桿傾角均為下傾25°，設計抗拔力120 kN.該方案擋墻提供的抗滑力約90 kN，剩余的下滑力由錨桿的錨固力進行平衡，錨桿入基巖深度不小于3 m.為防止后期降雨沿坡體裂縫下滲軟化土體，對邊坡范圍內和坡頂以外的裂縫采用黏土夯填平實.同時為疏排地下水，防止地下水入滲至二元結構分界面軟化滑面^［12］，在巖土分界面（滑面）處設置1排仰斜式排水孔.仰斜式排水孔長20 m，間距10 m，下傾角度6～10°，沿滑面設置，將分界面處的地下水排出^［13］，如圖9所示.

方案3施工方便簡單，工期較快，工程造價約為76萬元，造價較低且兼顧了支擋和排水功能，充分利用二元結構底部基巖作為“基座”，工程經濟性和長期治理效果均較好，多方商定最終采取了該方案并實施.

本案例由于勘察資料的失準，在設計階段并未對該二元結構邊坡進行針對性和預加固設計.而在后續施工過程中，邊坡的二元結構在被揭露后也未能引起足夠的重視，最終在降雨等條件的誘發下，逐次產生了大范圍的變形破壞.案例中的此類二元結構邊坡在工程勘察設計階段就應進行“重點關照”，針對不同性質的巖土體應采取不同的坡率進行放坡，切勿一坡到頂，并輔以預加固措施.而在后續的邊坡治理設計中，由于案例邊坡受制約條件較多，在綜合比選了3種治理方案后，最終選取了環境影響小且經濟有效的方案3.在類似的二元結構邊坡治理過程中也應注重經濟性和適應性原則，因地制宜，充分利用巖土性質較好的下部結構基座，優先考慮例如方案2或方案3中的輕型支擋結構，結合“治坡先治水”的理念^［14-15］，以達到安全可靠，經濟有效的治理效果.

5"結"語

本研究以川東地區某“土＋巖”二元結構邊坡病害為例，研究此類邊坡的變形特征和演化過程，評價和計算邊坡的穩定性和剩余下滑力情況，最后探討了此類邊坡病害的防治措施和理念，為類似邊坡的勘察與設計提供借鑒.

1）本案例中的二元結構邊坡變形破壞機制通常為由前向后的逐次牽引式滑動破壞，有多次變形的過程，直至邊坡內部應力重新達到平衡為止.由于二元結構邊坡其上下部分巖土性質的差異性，邊坡開挖形成臨空面后，造成坡體內部應力場和滲流場出現變化，在巖土性質較差的上部紅黏土層中產生了局部變形破壞；隨后在強降雨與紅黏土高水敏性、干裂性的影響下，水體在二元結構巖土分界面處富集，急劇降低了滑面處的力學參數，最終形成了以二元結構分界面為滑面的逐次大范圍變形破壞.

2）采用反演法確定設計工況下的滑面計算參數，結果表明，本案例邊坡后續在降雨工況下對應的剩余下滑力為167.8 kN/m.而后的邊坡治理設計過程中，考慮到二元結構邊坡的特殊性和較小的剩余下滑力，本研究比選了3種治理設計方案，最終選擇了施工方便簡單，造價經濟的輕型錨桿擋墻方案.該方案充分利用二元結構下部基巖作為“基座”，輔以地下水疏排措施，確保了該邊坡的長期穩定.而在類似的二元結構邊坡病害治理過程中，也應以預加固為主，因地制宜，選取工程經濟性較好的輕型支擋結構治理措施.

參考文獻：

［1］鄭穎人.邊坡與滑坡工程治理［M］．北京：人民交通出版社，2010.

［2］成永剛，范安軍，王明琪，等.某高速公路紅黏土特征及典型滑坡處治［J］.水利與建筑工程學報，2019，17（1）：183-189.

［3］孫巍鋒.土—巖二元結構路塹邊坡失穩機理與智能預警研究［D］.西安：長安大學，2021.

［4］劉艷輝，劉麗楠.基于誘發機理的降雨型滑坡預警研究：以花崗巖風化殼二元結構斜坡為例［J］.工程地質學報，2016，24（4）：542-549.

［5］Gao X，Tian W，Li J，et al.Force and deformation response analysis of dual structure slope excavation and support［J］.Geomat Natl Haz Risk，2022，13：501-507.

［6］蔣洪，蔣浩，王磊，等.干濕循環下紅黏土邊坡破特征的模型試驗研究［J］.采礦技術，2021，21（5）：117-120.

［7］成永剛，王玉峰.順層挖方邊坡松弛區及穩定性數值模擬分析［J］.地下空間與工程學報，2013，9（4）：848-853.

［8］張勐，伍洪，宋學乾.某膨脹巖土邊坡失穩機理分析及工程防治措施［J］.公路交通技術，2022，38（5）：35-41.

［9］Gao X，Cheng B，Tian W，et al.Simulation parameter selection and steady seepage analysis of binary structure slope［J］.Water，2020，12（10）：02747-1-02747-21.

［10］馬濤.公路擋土墻穩定安全性評估方法研究［D］.西安：長安大學，2018.

［11］王同元.富水深挖路塹排降地下水施工技術［J］.施工技術，2017，46（S2）：982-984.

［12］王運生，吳俊峰，魏鵬，等.四川盆地紅層水巖作用巖石弱化時效性研究［J］.巖石力學與工程學報，2009，28（S1）：3102-3108.

［13］賈文松，吳順川，韓龍強，等.巴潤露天采場邊坡地下水治理方案研究［J］.礦業研究與開發，2022，42（11）：107-113.

［14］唐菁.淺析公路邊坡滑坡治理技術［J］.科學技術創新，2023，27（10）：109-112.

［15］詹同安.飛鳳山處置場車庫后不穩定斜坡工程地質評價［J］.甘肅水利水電技術，2020，56（1）：36-391.

（實習編輯：羅"媛）

Analysis and Treatment Measures for Damage of a Binary Structure Slope

ZHAN Tongan¹，HE Yu²，DENG Simian¹，HE Yifan³

（1.Chengdu Research Institute of Exploation Surveying and Mapping，Chengdu 610000，China;

2.Sanya Institute of Hydrogeology and Eenineering Geology，Sanya 572022，China;

3.Sichuan Highway and Bridge Construction Group Co.，Ltd.，Chengdu 610095，China）

Abstract：

In the process of highway construction in the eastern Sichuan region，it is easy to form a binary structure slope of “soil+rock” type.The article takes a binary structure slope problem formed by a highway project in the eastern Sichuan region as an example，and through the analysis of deformation process and failure characteristics，it is concluded that this type of slope problem has the characteristic of multi-process traction sliding along the structural interface.Then，based on qualitative analysis and quantitative calculation，economic and effective measures for the treatment of lightweight anchor rod retaining walls are explored and proposed.Finally，the treatment concept including the use of pre reinforcement as the main method，the adaptation to local conditions，and the adopt of low-cost lightweight retaining structure is summarized.

Key words：

binary structure slope;analysis of disaster characteristics;landslide calculation;exploration of governance measures;lightweight retaining structure