某岩质高边坡稳定性分析及防护设计

李鹏飞

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

随着国家基础设施建设的投入逐步深入，山区高速公路的建设已成为当前时期高速公路建设的主要战场。桥隧比高是山区高速公路造价高的主要影响因素，为了合理降低桥隧比，减少高速公路投资，山区高速公路建设往往会出现大范围的高填路堤和深挖路堑边坡。这些高边坡的稳定与否对高速公路施工运营的安全性具有重要意义。岩层倾向与边坡倾向基本一致的边坡为顺向坡，从以往的工程经验中可以发现，顺向坡失稳破坏主要与地层岩性、地质构造、水文地质资料、地形地貌以及边坡开挖等有关。

1 工程概况

某在建高速公路是广东省高速公路网规划“九纵五横两环”之“第二横”的重要组成部分，是珠三角通往粤西地区、西南地区以及大陆连通海南岛的干线通道。采用四车道高速公路标准建设，设计汽车荷载等级为公路-I级，设计速度100 km/h，路基宽度26 m。项目走廊带地貌形态主要以低山丘陵和河谷平原侵蚀堆积地貌为主，其中低山丘陵区约为28 km，分布有51段路堑高边坡，最高深挖路堑高度61.25 m。

K18+645—K18+860段左侧深路堑高边坡，线位中心最大挖深为28.47 m，左侧最大边坡高度61.25 m。线路从山体中部通过，左侧边坡对山体切削范围大（参见图1）。

图1 边坡平面总体布置图

2 工程地质条件

2.1 地形地貌

本路段地处构造侵蚀低山丘陵区，地形起伏较大，坡体地面标高约为95～140 m，自然坡角最大约为30°。山体植被茂密，生长松树、竹子及各种灌木、蕨类植物。

2.2 地层岩性

根据野外地质调绘及钻探资料成果，边坡主要由坡积粉质黏土和泥盆系老虎坳组全风化-中风化泥质砂岩组成。各岩土层分述如下（参见图2）。

a）种植土 色杂，稍湿，稍密，含植物根系及砾石。

b）碎石土 褐黄色，稍湿，稍密，碎石为强风化粉砂岩，约占50%，含植物根系。γ=19.0 kN/m3，c=0.0 kPa，ψ=35.0°～38.0°。

c）全风化泥质砂岩 黄褐色，全风化，岩芯呈土状，含泥较多。γ=19.5 kN/m3，c=18.0～26.0 kPa，ψ=22.0°～24.0°。

d）强风化泥质砂岩 黄褐色—红褐色，强风化，泥质胶结，层状构造，节理裂隙发育，岩芯呈碎块状，夹大量土状物。γ=20.0 kN/m3，c=20.0～28.0 kPa，ψ=24.0°～26.0°。

e）强风化泥质砂岩 黄褐色—红褐色，强风化，泥质胶结，层状构造，节理裂隙发育，岩芯呈块状，局部 夹 短 柱 状 。 γ=21.0 kN/m3，c=24.0 ～30.0 kPa，ψ=25.0°～28.0°。

f）中风化泥质砂岩 黄褐色—红褐色，中风化，泥质胶结，层状构造，节理裂隙发育，岩芯呈短柱状，局部破碎。

图2 边坡工程地质剖面图

2.3 地质构造、地震

项目区位于华南加里东褶皱系粤西隆起带内，大地构造位置上处于四会-吴川断褶带中西段。在漫长的地质时期经历了多次和多种性质的地壳运动，区内地质构造多呈北东或近北东走向。根据边坡专项地质调绘成果，边坡范围内未发现有影响场地稳定的不良地质。

根据《中国地震动峰值加速度区划图》（GB18306—2008），及《广东省云浮至湛江高速公路工程场地地震安全性评价报告》，勘察区地震动峰值加速度值为0.05g，地震动反应谱特征周期为0.35 s，抗震设防烈度为Ⅵ度。根据《公路工程抗震规范》中表8.2.1中所规定的路基抗震稳定性验算的范围，不验算该段路堑边坡的地震稳定性[1]。

2.4 水文地质条件

2.4.1 地表水

该路段场区地势较高且起伏较大，不利于地表水的赋存和集聚，仅在雨季伴随雨水有短暂地表水流。

2.4.2 地下水

地下水主要类型为孔隙水及基岩裂隙水，大气降水为其主要补给来源。前者主要赋存于第四系松散层中，孔隙含水量随季节变化；后者赋存于岩石裂隙中，其透水性及富水性不均匀。地下水以侧向渗流的形式向沟谷排泄或蒸发。

勘探期间钻孔揭露地下水埋深较深，位于边坡开挖面中部。

3 边坡稳定性分析

线路从山体中部通过，左侧边坡切方大，山体岩层产状 320∠45°，坡面为 302∠45°，视倾角为44.0°，顺倾。根据边坡地质调绘和勘察结果，拟建边坡上部岩层为粉质黏土、碎石土，受雨水浸泡后易软化，易沿强风化岩节理裂隙面产生小型滑塌。岩层层面和边坡坡面走向相近，坡面倾向相近，是顺层边坡。根据工程经验及该路段地质钻孔资料，边坡按10 m分级，第一、第二级1∶0.75，第二、第三、第四、第五级1∶1，最上一级1∶1.25。李安洪等[2]针对顺层岩质路堑边坡破坏模式及设计对策进行了研究，当边坡倾角大于岩层倾角时，边坡所发生的失稳破坏模式为顺层滑移破坏和顺层滑移拉裂破坏。这类边坡在开挖后，坡体岩层有沿下伏软弱层面向临空面方向滑移的趋势，当软弱层上覆岩体的下滑力超过软弱层面可提供的抗剪阻力时，上覆岩体即向下滑移，一旦滑移体后缘出现拉裂面，将加速滑落，需采取必要的措施对边坡体进行加固。

利用EMU软件对该边坡开挖后的稳定性进行分析验算（计算结果如图3所示），正常工况（边坡处于天然状态下的工况）下安全系数K=1.25＜1.3，不满足规范要求[3]，非正常工况（边坡处于暴雨或连续降雨状态下的工况）下安全系数K=1.14＜1.3，不满足规范要求[3]。

图3 边坡开挖稳定性分析

边坡选取K18+787断面为控制性断面进行检算，力学参数取值参考地勘报告试验值，并结合相关工程经验确定，表1为设计指标采用值。

表1 岩土层的设计力学参数建议值表

4 边坡防护加固设计方案

路堑高边坡是否稳定与坡形坡率和加固防护方案的选择密不可分，对于岩质顺倾边坡，应充分考虑边坡岩体结构特征，结合地形地貌、地勘报告及水文资料合理选用坡形坡率和加固防护方案。为加固本处路堑高边坡，宜采用边开挖边利用锚杆格子梁、预应力锚索格子梁配合客土喷播植草防护的方法。为了减小水对边坡稳定性的破坏，在边坡坡脚处设置边沟、路堑顶5 m外设截水沟、各级平台处设置平台排水沟等对地表水进行引排处理；通过设置仰斜式排水管对地下水进行引流处理。施工时须遵循从上至下的开挖施工顺序逐级开挖、逐级防护，直至全部防护工程结束，确保坡体稳定和结构安全。

4.1 边坡分级与坡率选择

路堑边坡采用台阶式边坡，上缓下陡，每10 m分一级，第一、第二级1∶0.75，第二、第三、第四、第五级1∶1，最上一级1∶1.25。第三级平台宽12 m，其余各级边坡平台宽2 m。

4.2 边坡防护加固

a）一级 采用锚杆格子梁植草防护，锚杆格子梁未覆盖处均采用客土喷播植草防护。

b）二级 采用预应力锚索格子梁植草防护，锚索格子梁未覆盖处均采用客土喷播植草防护，单孔锚索采用4束，单孔设计锚固吨位500 kN，设计锁定锚固吨位580 kN；锚索长度L=28 m（其中锚固段10 m，自由段18 m），下倾角20°。

c）三级 采用客土喷播植草防护。

d）四级 采用预应力锚索格子梁植草防护，锚索格子梁未覆盖处均采用客土喷播植草防护，单孔锚索采用4束，单孔设计锚固吨位500 kN，设计锁定锚固吨位580 kN；锚索长度L=34 m（其中锚固段10 m，自由段24 m），下倾角20°。

e）五级 采用客土喷播植草防护。f）六级 采用人字型骨架植草防护。

4.3 排水设计

边坡坡脚设置边沟。左侧路堑顶5 m外设M7.5浆砌片石截水沟，边坡平台处设置平台排水沟，平台排水沟采用C20预制块，直角梯形断面，底宽40 cm，深30 cm，平台排水沟通过引流槽或急流槽将坡面水引至截水沟或边沟。

在第一级及第三级边坡高于碎落台及第三级平台30 cm上设置仰斜式排水管，水平间距10 m，排水孔径130 mm，孔内填充φ110硬塑透水管，里端采用两层无纺布包封。

采用以上方案对该路堑高边坡加固防护后，利用EMU软件对该边坡进行稳定性分析验算（计算结果如图4所示），正常工况下安全系数K=1.56＞1.3，满足规范要求[3]，非正常工况下安全系数K=1.52＞1.3，满足规范要求[3]。

图4 边坡加固稳定性分析

5 结语

在施工期和运营期应对路堑高边坡进行监测。采用测斜管、锚杆锚索应力计及位移桩等对边坡的不稳定范围，移动方向和速度以及地下水、爆破震动等进行监测，分析、验证边坡加固系统是否达到预期效果，并指导施工。

随着高速公路建设逐渐走向山区，每个项目都有着不同形式的高边坡需要进行加固处理。顺层岩质高边坡是最常见的一种易失稳高边坡，本文通过对某高速公路一处6级高边坡进行稳定性分析，结合地质勘探成果、水文地质资料、地形地貌情况等，采用预应力锚索配合植草防护加固技术对该高边坡进行加固防护设计。预应力锚索加固边坡施工方便、快捷，是改善岩质边坡稳定性的重要方法，可以大幅减少普通圬工边坡防护的巨大工程量。采用EMU软件进行检算后可以看出，采用预应力锚索加固后，安全系数大幅提高，可有效保证边坡的稳定性。在施工过程中应坚持动态化设计，信息化施工，通过科学合理的设计与施工，力求高边坡的安全稳定，保证高速公路的建设与运营安全。