貴州某山區(qū)高速公路填方邊坡水毀治理方案研究

王 吉，賀琛方，段建新

（中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢）

貴州山區(qū)地形復(fù)雜，地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，在降雨作用下，滑坡等不良地質(zhì)災(zāi)害常有發(fā)生，帶來了不可估量的損失[1-3]。有關(guān)學(xué)者針對(duì)滑坡治理開展了相應(yīng)研究，根據(jù)不同地質(zhì)條件和滑坡特點(diǎn)，研究人員通過數(shù)值仿真等手段，制定了相應(yīng)的科學(xué)治理方案[4-7]。目前在邊坡治理方面研究手段較為豐富，也取得了一定進(jìn)展，但是關(guān)于貴州山區(qū)特定復(fù)雜地形條件下的研究尚不多見。因此，本文以貴州某山區(qū)高速ZK74+640～ZK74+850 段水毀邊坡為研究對(duì)象，通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、原位監(jiān)測(cè)、理論分析等手段，揭示邊坡變形發(fā)展特征，進(jìn)而提出一種科學(xué)合理的邊坡治理方案，以期為今后類似的治理工程提供參考和一種可行方法。

1 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程概況

本項(xiàng)目位于貴州省羅甸縣沫陽鎮(zhèn)境內(nèi)，原設(shè)計(jì)高填方路堤邊坡第一、二級(jí)按1：1.5、1：1.75 放坡，第三級(jí)設(shè)置樁板墻，樁上布設(shè)2 道錨索。2022 年6 月初羅甸縣遭遇入汛以來影響范圍最大、強(qiáng)度最強(qiáng)的暴雨天氣，已建成的該段路基左、右幅路面出現(xiàn)裂縫，發(fā)生沉降變形，大里程側(cè)有明顯的沉降差坎，且還有繼續(xù)發(fā)展的趨勢(shì)，抗滑樁頂發(fā)生明顯變形，部分錨頭崩脫，小里程側(cè)橫向排水管無法正常工作，如圖1 所示。

圖1 水毀情況

1.2 地質(zhì)條件

1.2.1 地形地貌、氣象水文

項(xiàng)目所在區(qū)域?qū)俚蜕絼兾g、侵蝕地貌。路線沿低山斜坡展布，總體地勢(shì)起伏較大，路堤切割右側(cè)山坡，左側(cè)山體覆蓋層較厚，右側(cè)山體覆蓋層相對(duì)較薄。區(qū)域年平均氣溫20.0 ℃，平均降雨量1 335 mm。

1.2.2 地層巖性

根據(jù)鉆探揭露，測(cè)段地層巖性特征如表1 所示。

表1 地層巖性特征

1.2.3 水文地質(zhì)條件

地下水可分為第四系松散巖類孔隙含水巖組和基巖風(fēng)化帶孔隙裂隙水含水巖組。土體中孔隙較發(fā)育，其中含有上層滯水，補(bǔ)給源為大氣降水、生活及施工用水，排泄方式為蒸發(fā)及下滲。坡體上存在生活及施工亂棄用水，是坡體地下水的主要補(bǔ)給來源。

2 滑坡工程地質(zhì)特征

2.1 滑坡邊界、規(guī)模、形態(tài)特征

滑坡后緣位于填方填平與山體交接處，大小里程兩側(cè)大致以填挖交界為邊界，平面整體呈“U 弧形”，前、后緣高差約39 m。滑坡體長(zhǎng)約60 m，寬約150 m，面積10 400 m2，為推移式滑坡。

2.2 滑坡體物質(zhì)組成

據(jù)工程地質(zhì)測(cè)繪及現(xiàn)場(chǎng)施工開挖揭露，滑坡體物質(zhì)組成自上而下可分為兩大部分：（1）路基填土，成分較雜，在路堤體內(nèi)空間分布不均，以某鉆孔為例：0～11 m 填土主要為深灰色灰?guī)r，11 m 以下間夾黃綠色強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)巖，底部粘粒含量較高，呈可塑～硬塑狀。（2）碎石土，黃灰色，碎石成分主要為泥灰?guī)r碎塊，含量約為55%，粒徑約為1～5 cm，粒間為可塑狀粘性土充填。

2.3 破壞面與滑床特征

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪、鉆探揭示填方基底有軟弱帶，滑動(dòng)帶位置位于巖土結(jié)合面。

3 邊坡變形破壞機(jī)制分析

據(jù)補(bǔ)勘鉆孔揭露，路基穩(wěn)定性影響因素分為內(nèi)部條件和外部條件兩類，內(nèi)部條件包括地形地貌、路基填料；外部條件包括降雨、人類工程活動(dòng)等。本項(xiàng)目降雨是促使路基變形的重要誘發(fā)因素，下面將各因素的影響進(jìn)行分析。

3.1 地形地貌因素

場(chǎng)區(qū)路線近南北向展布，總體地形上東北高、南西低，自然斜坡平均坡度約36°，局部地段較為陡立，路基填筑后形成陡坡路堤，為填方坡體的變形破壞提供了良好的臨空條件和重力條件。

3.2 路基填料因素

路基填筑界面及下路堤多粘土富集，由于橫向排水管損壞，路面匯水大量進(jìn)入路基填筑體，形成天然的過水通道，碎石含量高的位置則排水通暢，相對(duì)隔水的粘性土則阻隔了地表及地下水的排泄，導(dǎo)致坡體短時(shí)富水，降低了巖土界面的承載能力及抗剪強(qiáng)度。

3.3 降雨因素

從圖2 可知區(qū)域5 月份存在間斷性降雨且頻率較高，6 月4 日出現(xiàn)了從5 月1 日至6 月7 日以來的降雨峰值，時(shí)間短強(qiáng)度大，直接導(dǎo)致了邊坡的破壞。

圖2 1 小時(shí)降雨量

從圖2 分析可得，區(qū)域進(jìn)入雨季后，降水豐富，對(duì)邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生持續(xù)不利影響。在6 月初的短時(shí)強(qiáng)降雨作用下，路面匯水沿著小里程側(cè)破損的橫向排水管進(jìn)入路基內(nèi)部，路基體內(nèi)地下水位顯著上升，含水量及靜水壓力增大，填方體內(nèi)含粘粒較豐富的風(fēng)化物粒料密實(shí)度高，阻滯了大量的水，不能及時(shí)排出，導(dǎo)致坡體自重持續(xù)增大，下滑力變大；另一方面，基底巖土界面過渡帶土持續(xù)飽水，抗剪強(qiáng)度減弱，坡體抗滑能力減小，而基底面相對(duì)較陡，坡體整體發(fā)生背離路基側(cè)變形，推移導(dǎo)致樁板墻部分發(fā)生偏移并出現(xiàn)錨頭脫落的現(xiàn)象。邊坡變形使路面上出現(xiàn)拉裂縫并不斷擴(kuò)大，路面裂縫的出現(xiàn)和擴(kuò)大又使地表水進(jìn)一步下滲，導(dǎo)致變形加劇。通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和變形分析，確定邊坡的主滑方向?yàn)榇怪甭肪€走向即路基橫斷面向外側(cè)，滑動(dòng)面主要為填方體基底的覆蓋層與基巖的過渡界面，滑體為填方路基體。

4 邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)

4.1 作用于抗滑樁上的力系

作用于抗滑樁上的外力包括：填方體及基底碎石土推力、受荷段地層（滑體）抗力、錨固段地層抗力、樁側(cè)摩阻力等，這些力均為分布力。滑坡推力作用于滑面以上部分的樁背上，假定與滑面平行。由于樁后路堤填方體及其基底覆蓋層碎石土層成分較雜，且監(jiān)測(cè)顯示坡體內(nèi)入滲積水分布不均勻，而樁間土拱對(duì)滑坡推力的影響不甚清楚，故假定每根樁所承受的滑坡推力等于樁距范圍內(nèi)的滑坡推力。

本段路堤在填筑過程中經(jīng)過強(qiáng)夯補(bǔ)強(qiáng)并設(shè)置有6 層鋼塑土工格柵，滑體剛度、密實(shí)度較大，從頂層至底層的滑動(dòng)速度基本一致，故可假定滑面以上滑體作用于樁背的推力按照矩形分布。從現(xiàn)場(chǎng)觀察來看，該段填方體整體滑動(dòng)而其兩級(jí)坡面未發(fā)現(xiàn)明顯變形，也可以印證這一假設(shè)比較符合實(shí)際情況。樁身與樁周地層間的摩阻力對(duì)樁的平衡彎矩有利而計(jì)算復(fù)雜，忽略不計(jì)對(duì)計(jì)算偏安全，對(duì)設(shè)計(jì)影響不大。本工點(diǎn)原抗滑樁布置如圖3 所示，樁徑2×3 m，樁矩5 m，樁長(zhǎng)20～28 m，樁背側(cè)布置78 根縱向受拉鋼筋。根據(jù)樁檢資料以及現(xiàn)場(chǎng)樁體變形情況，選擇9＃樁所在ZK74+740 剖面為典型斷面，計(jì)算得到樁后滑體剩余下滑水平推力約為2 500 kN。

圖3 原抗滑樁布置示意圖

4.2 滑坡穩(wěn)定性定量分析

4.2.1 計(jì)算剖面確定

選取ZK74+740 剖面為典型控制斷面進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，如圖4 所示。

圖4 ZK74+740 計(jì)算剖面

鑒于邊坡破壞模式主要為覆蓋層沿基巖面滑動(dòng)，滑面為基巖面，呈折線形，因此根據(jù)工程地質(zhì)條件和破壞模式，采用極限平衡理論的不平衡推力傳遞系數(shù)法進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。

4.2.2 計(jì)算參數(shù)選擇

邊坡穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)選取時(shí)通常有以下三種途徑：①極限平衡反算法：假定邊坡處于極限平衡狀態(tài)（穩(wěn)定系數(shù)K=1.00），反演計(jì)算飽和抗剪指標(biāo)；②經(jīng)驗(yàn)值；③試驗(yàn)指標(biāo)。本次計(jì)算主要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)，并結(jié)合抗滑樁受力反演結(jié)果綜合分析確定。邊坡穩(wěn)定性分析的物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)如表2 所示。

表2 計(jì)算參數(shù)

4.2.3 計(jì)算工況

本次計(jì)算目的在于模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的強(qiáng)降雨，因此選擇工況為強(qiáng)降雨工況，即土體處于飽和狀態(tài)。

4.2.4 安全系數(shù)確定

本文計(jì)算對(duì)象為高速公路路堤邊坡，因此參考《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》中相關(guān)規(guī)定確定安全系數(shù)為1.15。

4.2.5 穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)滑坡現(xiàn)場(chǎng)的破壞邊界條件和失穩(wěn)方式，采用覆蓋層沿基巖面折線滑動(dòng)的破壞模式，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)選擇《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》中傳遞系數(shù)法計(jì)算，結(jié)果如表3 所示。

表3 邊坡穩(wěn)定系數(shù)和剩余下滑力

由表3 可知，當(dāng)穩(wěn)定性系數(shù)取0.98 時(shí)，計(jì)算所得剩余下滑力為2 580.95 kN，與現(xiàn)場(chǎng)受力和樁基檢測(cè)較為符合，當(dāng)穩(wěn)定性系數(shù)取1.15 時(shí)計(jì)算得到樁后剩余下滑力4 076.04 kN。由此可見，原抗滑樁的安全儲(chǔ)備不足，需要增設(shè)支擋措施以提供足夠抗力。

5 治理方案

本次邊坡變形破壞是在強(qiáng)降雨作用下突然發(fā)生，且在暴雨結(jié)束后仍有蠕滑變形的現(xiàn)象，邊坡處于臨界失穩(wěn)的極限平衡狀態(tài)。基于這一實(shí)際情況，確定綜合治理措施由搶險(xiǎn)方案與永久處治方案兩部分組成。首先進(jìn)行搶險(xiǎn)方案施工，此方案特點(diǎn)為施工快速便捷，目的在于控制邊坡蠕滑變形，防止邊坡由緩慢變形發(fā)

展為大規(guī)模滑動(dòng)的失穩(wěn)破壞；待雨季過后，開始永久處治方案施工，此方案通過有效設(shè)置支擋結(jié)構(gòu)，顯著提高邊坡穩(wěn)定性，保證其在以后類似暴雨工況下安全穩(wěn)固，確保通行安全。

5.1 搶險(xiǎn)方案

通過以上分析，制定應(yīng)急搶險(xiǎn)方案如下。

5.1.1 封水

清除靠山側(cè)填平區(qū)的雜草和低矮灌木，然后用混凝土進(jìn)行硬化封閉；將開裂的路面用瀝青進(jìn)行灌縫封堵，第一級(jí)填方平臺(tái)開裂處用水泥砂漿抹補(bǔ)，并用防水彩條布遮蓋。對(duì)失效的超高排水段橫向排水進(jìn)口和集水井進(jìn)行封堵，使路面超高段匯水沿縱向排出。后續(xù)根據(jù)降雨情況巡檢，對(duì)仍有變形發(fā)展的裂縫及時(shí)封堵。

5.1.2 排水

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察，橫向排水管出口在排水量較大的時(shí)候，會(huì)激躍至路堤坡面并形成沖刷，需對(duì)橫向排水出口順接大直徑PVC 管至一級(jí)平臺(tái)截水溝；坡體上滲水豐富的區(qū)域及樁板墻間擋板的滲水部位，增設(shè)108 mm 無縫鋼管泄水孔，間距及加密程度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)出水的情況調(diào)整。

5.1.3 臨時(shí)加固

根據(jù)基樁檢測(cè)成果及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)路堤邊坡體變形較大的兩處區(qū)域進(jìn)行臨時(shí)加固，利用一級(jí)填方平臺(tái)作為工作平臺(tái)，設(shè)置三排鋼管樁，如圖5 所示，嵌巖深度按6 m 控制，為了更準(zhǔn)確地貼合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況，具體樁長(zhǎng)參數(shù)采用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)確定。施工過程中要避免施工器具、堆載對(duì)未達(dá)到強(qiáng)度的樁產(chǎn)生不利影響。

圖5 鋼管樁布置示意

5.1.4 補(bǔ)充鉆孔

由于坡體上滲水的區(qū)域、樁板墻間擋板的滲水部位分布與擋板間泄水孔的排水狀況不盡相同，表明路堤體內(nèi)存在著不同程度的隔水區(qū)和滲水區(qū)，且分布很不均勻，導(dǎo)致滲入路堤體內(nèi)的水不能及時(shí)排出，有必要對(duì)坡體內(nèi)填料的狀況進(jìn)一步明確，處置措施實(shí)施的時(shí)候可以同步進(jìn)行。

5.2 永久處治方案

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，目前抗滑樁所提供的抗滑力不足，以9＃樁為例，為保證邊坡在暴雨工況下的穩(wěn)定性系數(shù)大于1.15，則還需補(bǔ)充至少1 576.04 KN 的抗滑力，因此需要增設(shè)新的支擋結(jié)構(gòu)以提供足夠的抗滑力。根據(jù)分析計(jì)算結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，制定方案如下：在破壞比較嚴(yán)重的原3?！?2＃樁之間設(shè)置直徑2×3 m 型抗滑樁，樁距5 m，樁長(zhǎng)16～25 m；另外，現(xiàn)場(chǎng)原12?！?0＃樁懸臂段長(zhǎng)度普遍在11 m 以上，外傾變形較為明顯，因此在12?！?0?？够瑯锻鈧?cè)布設(shè)8 根抗滑樁，樁徑1.8×2.4 m，樁距5 m，樁長(zhǎng)9～15 m，如圖6 所示。

圖6 抗滑樁布置平面

為了配合原樁形成有效的支撐體系，同時(shí)為了避免施工新開挖樁孔對(duì)原樁形成擾動(dòng)，新樁采用錯(cuò)孔布置，縱向樁心間距為5 m，橫向排距為3 m。新樁與原樁間采用橫系梁聯(lián)結(jié)。

樁長(zhǎng)設(shè)置考慮了滑動(dòng)面的巖土界面埋深、懸臂結(jié)構(gòu)反彎特點(diǎn)及原樁懸臂段樁長(zhǎng)條件，采用了懸臂段：嵌固段≈1：1，具體樁長(zhǎng)應(yīng)根據(jù)實(shí)際開挖情況進(jìn)行調(diào)整。因總樁數(shù)較少，抗滑樁施工建議單根樁開挖、澆筑、成形，待樁身混凝土達(dá)到80%強(qiáng)度再施工下一根，避免同時(shí)開挖削弱原樁抗滑能力，提高施工安全保障。

6 結(jié)論

本文以貴州某山區(qū)高速ZK74+640～ZK74+850 段填方水毀邊坡為研究對(duì)象，采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、原位監(jiān)測(cè)、理論分析等手段，探究了邊坡穩(wěn)定性影響因素，揭示了暴雨作用下邊坡變形破壞機(jī)制，并制定了相應(yīng)的治理方案，得出結(jié)論如下。

（1） 填方邊坡穩(wěn)定性主要受到地形地貌、路基填料和降雨這三個(gè)因素的影響。而短時(shí)強(qiáng)降雨導(dǎo)致坡體內(nèi)部靜水壓力增高，下滑力變大；巖土持續(xù)飽水，抗剪強(qiáng)度降低，抗滑力變小，是誘發(fā)邊坡破壞的直接因素。

（2） 針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)邊坡變形所處階段和理論計(jì)算結(jié)果，制定了鋼管樁短時(shí)搶險(xiǎn)和抗滑樁永久處治相結(jié)合的綜合治理方案，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)施工反饋取得了良好的治理效果。