硬质岩高陡边坡的稳定坡高、坡率及平台宽度计算探讨

王洪法

(中铁上海设计院集团有限公司，上海 200070)

按照现行《铁路路基设计规范》(TB10001—2005)，路堑边坡不宜超过30 m，规范中对路堑边坡高度小于20 m地段的边坡坡率进行了相应的规定。但当线路以车站、停车场、车辆段等形式经过时，往往路堑边坡高度远大于规范中规定的数值。高陡边坡一旦失稳，会对铁路运营安全造成严重威胁，也会对人民生命财产造成巨大损失。以某停车场北侧高陡边坡为研究对象，通过工程地质比拟法、规范及经验参数法、力学计算法三种不同的方法综合确定硬质岩高陡边坡的稳定坡高、坡率及边坡平台宽度，从而确定安全合理的设计方案。

1 工程概况

停车场区域地貌为剥蚀低丘陵区，北侧为采石形成的高陡边坡，坡面主要为岩质边坡，边坡高度约为80～100 m，坡率1∶0.2～0.5。根据现场地质调查，由于开采爆破使坡面局部闭合裂隙张开，形成卸荷裂隙，与边坡面呈不利组合，造成边坡现状稳定性较差，成为安全隐患。岩土力学参数见表1。

表1 岩体物理力学参数

2 工点边坡划分

根据工程地质纵断面将场地北侧山体坡面划分为两类。

(1)岩质边坡:根据工程地质钻孔分层显示，高程约80 m 以下为〈8H〉、〈9H〉混合花岗岩(T3ηγ)，强风化～弱风化，岩石抗压强度高，极限单轴抗压强度为25.36～66.75 MPa，属于硬质岩～极硬岩，不易风化，是典型的以强度为主控制堑坡的稳定。

(2)土质及类土质边坡:其余地段为全风化混合花岗岩〈7H〉和〈5H-2〉坡残积土层(Q3dl+el)，岩石较为破碎，岩石的抗压强度低，主要以土体内部的黏聚力为主控制堑坡的稳定。

根据岩坡的划分分析，坡高陡峭的岩质边坡区域的加固和防护是设计的重点，土质及类土质边坡区域较小，多位于山体顶部，采取刷方减重原则，降低边坡高度，避免土质及类土质边坡因外力的作用发生滑塌。岩坡划分区域如图1所示。

3 工点病害分析

根据工程地质勘察报告可将山体病害划分为以下三种。

(1)土体滑塌:根据现场调查发现，停车场起点处有崩塌现象，为土质崩塌，其成因为由于切割坡率较陡，受多次强降雨影响，土体沿土石分界处出现滑塌现象，多为坡体顶部土体的滑塌。

(2)坡面病害:由于开采时坡面留下不规则的节理裂隙，受雨水、温差等营力作用，坡面出现破坏现象，局部出现明显的崩塌现象，根据工程经验，坡面病害影响深度约2 m左右，一般4～6 m，很少有超过8 m。

图1 岩坡划分区域示意

(3)边坡病害:边坡病害一般受当地地质环境及营力作用较长周期(一般20～30年)，影响范围较深(一般10～20 m)，主要特点是坡体以这一深度为界，内外岩土的风化程度有显著的区别，一般边坡病害也同时伴有坡面病害，由于采石高边坡裸露将近20年，根据经验推测，边坡一定深度范围可能存在边坡病害。

4 稳定坡高、坡率及边坡平台宽度的确定

自然斜坡由于组成的岩性、结构构造、水文地质的条件以及气候的不同，可以有各种不同的极限坡率，但在同一条件下的岩土层中，都具有因坡高增大而坡率变缓的规律［1］。

4.1 工程地质比拟法

(1)土质及花岗岩全风化残积层(5H-2及7H):场地西侧及东侧为自然山坡，坡角约30°，坡高约15～20 m，土质边坡，状态基本稳定，反算稳定坡率约1∶1.73。

(2)岩层(8H及9H):场地北侧大部分基岩出露，背侧自然山坡角50°～55°，坡高约50～110 m边坡状态基本稳定，反算稳定坡率约1∶0.7～0.83。

(3)开采面(9H):场地北侧开采面平均边坡角73.3°，局部80°～85°，反算稳定坡率 1∶0.2 ～0.3，岩坡局部可见岩石顺坡节理坍塌，坡面病害明显。

综上所述，对于土质及花岗岩全风化残积层(5H-2及7H)，稳定坡率采用不陡于1∶1.75，岩层(8H及9H)稳定坡率采用不陡于1∶0.75，完整基岩(9H)稳定坡率采用不陡于1∶0.5。

4.2 规范及经验参数

铁路规范要求路堑边坡高度不宜超过30 m，否则要进行隧路比较。相关工程经验要求一般软岩坡高控制在20～30 m，硬岩30～50 m，以下是收集国内外对岩石高边坡的坡高及坡率的经验参数，作为设计的参考依据［1］。

日本地质学家渡边贯教授曾提出，在无构造控制下有以下关系(表2)。可供高堑坡设计参考，并能作出分析稳定山坡的总平均坡率数值。

表2 坚硬岩石在不同高度与风化、破碎条件下的切坡数值

根据岩石坚硬程度类似地质条件的经验统计数值可参考表3。

根据铁路勘察设计得出在块状结构岩石中的统计数据如表 4［3］所示。

综合国内外工程经验，结合场区工程性质及高边坡的岩石特性，确定岩质(9H)坡面的稳定坡率采用1∶0.3～0.5，每级坡高宜控制在40 m以内。

表3 完整岩石按坚硬程度确定边坡的参考数值

4.3 力学计算法

由于天然斜坡的复杂性，至今很少在岩质边坡中进行力学计算，根据现场勘查，坡面岩质较完整(非构造、非破碎、非风化控制)，是典型的以岩石强度控制堑坡的坡高及坡率，设计计算采用齐姆巴列维奇空间要素法(齐氏法)［1］，公式为

表4 不同岩体结构的路堑边坡坡度与高度的参考数值

式中 c——岩层平均最大黏聚力(抗剪断力)，kN/m。一般采用岩石的单位黏聚力c0的1/7～1/15(1/7～1/15是岩石内的不均匀系数)，一般是150～1 200 kN/m2;

γ——岩层单位容重，kN/m3;

h——切割堑坡的垂直高，m;

α——切割的坡脚角度，(°);

m——设计所采用的安全系数，一般是1.5～3。

(1)稳定坡率计算

9H 层中，当 c=1 000 kN/m2，r=265 kN/m3，m=3时，已知切坡高度时稳定坡率计算结果如表5所示。

综上所述:坡高40 m以下采用1∶0.3～0.5为稳定坡率，坡高40 m以上采用1∶0.5～0.75为稳定坡率。

图2 横断面设计示意(单位:m)

表5 稳定坡率计算结果

(2)稳定坡高反算

9H 层中，当 c=1 000 kN/m2，r=26.5 kN/m3，m=3时，已知边坡角时稳定坡高计算结果如表6所示。

表6 稳定坡高计算结果

综上所述:9H层中，每级边坡高度宜控制在50 m以内，维持目前的原始坡率，边坡高度宜控制在70 m以内。

(3)平台确定

9H层中，边坡70 m以下稳定坡率取1∶0.4～0.5时:

土石分界70 m处，平台宽度为S=［0.4(或0.5)-0.3］×70=7～14 m;

边坡中部40 m处，平台宽度为S=［0.4(或0.5)-0.3］×40=4～8 m。

根据工程地质比拟法、规范及经验参考值、力学计算三种方法，遵循“刷方减重、强腰固脚、强主弱支”的设计原则最终拟定设计方案，如图2所示。

该方案于坡脚设置高10 m、顶宽1.5 m的护面墙，边坡中部40 m处设4～8 m大平台，墙顶及边坡中部平台设置被动防护网，40 m以下维持原坡面1∶0.3的坡率，其上按1∶0.75～1.75放坡开挖，全坡面采用框架(锚索)锚杆+挂网喷植被混凝土防护。

5 结语

岩质边坡力学分析难度较大，目前在硬质岩边坡中很少采用力学计算，加之地质条件本身的隐蔽性、多变性及复杂性，勘探测试的局限性，设计需要对工点周边进行详细准确的轮廓勘察和调查测绘，找出极限状态、已失稳和稳定状态，准确划分边坡病害，选择合理的计算方法，才能满足判断高陡边坡稳定性的需要，确定安全合理的设计方案。

［1］ 徐邦栋.高堑坡设计及病害分析与防治［M］.北京:中国铁道出版社，2011.

［2］ GB50330—2002 建筑边坡工程技术规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2002.

［3］ TB10001—2005 铁路路基设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2011.