汝郴高速公路高陡斜坡稳定性分析及治理措施

周英博，张 军，任伟中

(1.中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，武汉 430071； 2.中交第二公路勘察设计研究院有限公司，武汉 430056)

汝郴高速公路高陡斜坡稳定性分析及治理措施

周英博1，张 军2，任伟中1

(1.中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，武汉 430071； 2.中交第二公路勘察设计研究院有限公司，武汉 430056)

汝郴高速公路高陡斜坡位于公路K65+410—K65+680段。2011年3月以来，该高陡斜坡深部发生位移，并且这些变形在不断发展，需要进行人工治理。通过对斜坡地质环境条件和变形机理初步分析，建立了该高陡斜坡典型剖面的多种潜在滑面的稳定性计算模型，并对该高陡斜坡进行了多滑面多工况极限平衡稳定性分析。在此基础上提出了坡顶削坡卸载、坡脚堆载反压和锚杆加固斜坡浅表的治理方案，可为高陡斜坡治理工程设计提供依据。该边坡在经过治理后至今4 a内，没有再发生过大规模变形，证明了该治理方案的合理性.

汝郴高速公路；高陡斜坡；多滑面；稳定性分析；治理措施

1 工程背景

滑坡是各种地质灾害中分布最广、发生最为频繁、危害损失最大的灾害之一[1]。

湖南省汝城(湘赣界)至郴州高速公路第13合同段吊坎垄高陡斜坡， 经施工图设计阶段的地质勘察， 发现斜坡岩体破碎， 稳定性较差。 针对该段斜坡的实际地质条件， 湖南省交通规划勘察设计院在施工图设计阶段对该斜坡进行了预加固防护设计。 施工过程中， 根据五一村高架桥3号桥墩和吊坎垄隧道开挖揭露的地质情况， 设计院对斜坡防护方案进行了设计变更， 提出了沟底反压及斜坡锚固等加固防护方案。 设计变更方案经过了多次评审， 2009年12月份的评审确定采用“钢筋砼抗滑支挡桩+灌浆+锚杆”结合监测的治理工程方案。 2011年3月份以来， 陆续发现了隧道衬砌开裂， 后经监测发现高陡斜坡深部发生位移， 并且这些变形有不断发展之势。

综合分析现有资料，初步分析该段斜坡变形机理，建立了该高陡斜坡稳定性计算模型，通过极限平衡法对该高陡斜坡稳定性进行了量化分析，在此基础上提出相应加固设计方案，为吊坎垄高陡斜坡治理工程设计提供依据。

2 高陡斜坡工程地质概况

2.1 地理位置与地形地貌

该高陡斜坡位于汝郴高速第13合同段中K65+410—K65+680段，地形陡峻，属于构造剥蚀地貌，总体上呈单面坡，坡面倾向130°，坡角35°～55°。坡下为山间峡谷，谷底高程510 m。坡顶高程690 m左右，相对高差约180 m。

2.2 地层岩性

该段高陡斜坡的地层岩性按新至老分述如下。

(1) 第四系坡洪积层(Qdl+pl)：主要有黏土、碎石，局部分布少量块石，层厚0.40～8.00 m。

(2) 泥盆系中统跳马涧组(D2t)：主要有石英砂岩，其间夹薄层泥质砂岩，底部为砾岩。

(3) 震旦系变质砂岩：紫红色、灰绿色，中粗粒-细粒结构，岩质坚硬，岩石较完整，岩芯呈柱状、长柱状。层厚>38.10 m。

2.3 地质构造

该高陡斜坡处于走向近南北的龙溪—二都复合向斜东翼，岩层倾向坡内，为反倾高陡斜坡。该处地质条件复杂，断层、节理、小背斜、小向斜发育。

2.4 水文地质条件

该高陡斜坡的残坡积土层很薄，由于斜坡很陡，大气降雨大部分从地表径流排走；地下水主要为基岩裂隙水，地下水位较深。

2.5 潜在滑动面特征

从目前资料来看，构成最危险潜在滑动面的是F13断层破碎带，还有就是两组顺坡向节理、顺向陡倾卸荷裂隙。除F13断层破碎带以外，斜坡体中最可能的潜在滑动面是追踪两组顺倾向节理、部分切断岩桥而滑动，滑坡后缘主要沿着陡倾的卸荷张开裂隙。

3 稳定性计算分析

3.1 物理力学参数选取

根据现有的地质勘查资料，不能唯一确定某一潜在滑动面，故选取了多个可能性比较大的潜在滑动面[2-3]。在这里，有可能发生滑动破坏的潜在滑动面主要有12个，沿F13断层破碎带深层滑动的潜在滑动面主要是滑面①—③，中层的潜在滑动面主要是滑面④—⑧，浅层潜在滑动面主要有滑面⑨—○11 以及⑨号潜在滑面以上的沿浅表卸荷带内的强风化松散碎裂块石层内呈近似圆弧形滑裂的潜在滑动面，潜在滑动面编号及计算模型见图1。

图1 潜在多滑动面边坡模型Fig.1 Schematic diagram of slope model with multiple potential slip surfaces

中层潜在滑动面的认定，主要是根据钻孔资料中揭示的碎裂岩和破碎带，既要通过碎裂、破碎岩带，而且潜在滑动面的主体部分主要沿着两组顺倾向节理的方向连接而成的，可能部分切断岩桥，潜在滑动面的后缘主要沿着那组顺倾向陡倾节理[4]；浅表卸荷带内的强风化松散碎裂块石层的物理力学特性相对较为均质，故可假设滑动模式为发生在该层内部的圆弧面滑动[5]。计算时取石英砂岩的天然重度为24.0 kN/m3，饱和重度为24.5 kN/m3。

在确定潜在滑面抗剪强度参数上，我们采用反算法[6]，具体过程如下：

(1) 根据野外实测和勘察成果，绘制出典型工程地质剖面图。

(2) 在采用反分析方法检验滑动面抗剪强度指标时，对正在滑动的滑坡，其稳定性系数可取0.95～1.00；对处于暂时稳定的滑坡，其稳定性系数可取1.00～1.05[7]。对于深层潜在滑动面①—③，天然状态时取1.04,饱水状态时取0.99；对于中层潜在滑动面④—⑧，天然状态时取1.08,饱水状态时取1.02；对于浅层潜在滑动面⑨—○11以及⑨号滑面以上的浅表强风化松散碎裂块石层，考虑到该高陡斜坡体浅表岩层的卸荷作用、风化作用强烈，岩体破碎，把抗剪强度参数适当调低，天然状态时稳定系数取1.07,饱水工况下取1.01。

(3) 对c，φ在最可能的取值区间内进行参数敏感性分析，得出当稳定系数为所取值的c-φ曲线。

(4) 最后，根据试验结果和经验调查综合选取滑动面的c,φ值。

按照上述过程，我们对主要由断层破碎带及主要节理追踪而成的潜在滑动面和浅表卸荷带内强风化松散碎裂块石层的力学指标进行反算，并按照反算结果和室内试验结果综合确定该高陡斜坡稳定性的岩土物理力学参数建议值，结果如表1所示。

3.2 计算方法

对该高陡斜坡的典型工程地质剖面进行基于刚体极限平衡方法的多剖面多工况的稳定性计算分析[8]。计算程序采用slide5.0版本程序，采用Janbu法和传递系数法进行自定义滑面稳定性分析。计算公式为K=∑[cilicosθi+(Wi+Δhi)tanφi][sec2θi/

(1+tanφi·tanθi/FS)]/Σ[(Wi+Δhi)tanθi]。

(1)

式中：K为稳定系数；ci为第i条块滑动面上的黏聚力；li为第i条块滑动面的长度；φi为第i条块滑动体滑动面上的摩擦角；Wi为第i条块的自重；θi为第i条块滑动面的倾角；Δhi为第i条块两侧的剪力增量;FS为安全系数。

表1 物理力学参数建议值

表2 稳定系数计算结果

3.3 计算工况

考虑到高陡斜坡的实际情况，高陡斜坡的稳定性计算分析按3种不同工况进行计算，分别为天然状态、饱水状态和饱水+地震状态。

3.4 计算结果及分析

用前述所得的岩土物理力学参数建议值对所有潜在滑面在不同工况下多种不同治理方案进行稳定性计算分析，稳定系数计算全部结果如表2所示，以潜在滑面①为例，其在不同反压高度下的计算简图如图2所示。

图2 潜在滑面①在不同反压高度下的计算简图Fig.2 Diagrams for the calculation of potential slip surface ① with different surcharge heights

当K≥1.15为稳定；1.05≤K<1.15为基本稳定；1.00≤K<1.05为欠稳定；K<1.00为不稳定[9]。同时，吊坎垄高陡斜坡的安全等级为Ⅰ级，安全系数设计值按照以下方式确定：自重(天然状态)为1.3；自重+暴雨(饱水状态)为1.2；自重+暴雨(饱水状态)+地震荷载为1.1(地震作用的效应折减系数取0.25)。

由稳定性计算结果可知：①反压前各潜在滑面在天然状态下为基本稳定状态，饱水状况下为欠稳定状态，个别为不稳定状态；②随着反压高度的增加，各潜在滑面的稳定系数逐渐增大；③当在坡脚反压堆载30 m，再在该平台上高陡斜坡侧堆载24 m时，深层潜在滑动面已经达到设计要求的稳定系数，只有个别中层滑动面没有达到设计要求的稳定系数；④当坡脚反压堆载30 m，再在该平台上高陡斜坡侧堆载30 m时，深、中层滑动面均达到设计所要求稳定系数。

表3 浅层潜在滑动面加固力计算结果

4 高陡斜坡的治理工程设计

4.1 方案拟定

通过分析稳定性计算结果，可知为了防止该高陡斜坡的下滑变形，防止滑动灾害的发生，需要对其进行应急加固治理。最终确定治理方案如下[10]：①首先利用坡脚堆载反压的方法保证高陡斜坡深、中层滑动面的稳定;②通过坡顶部分卸载来提高该高陡斜坡的稳定性;③在保证深、中层潜在滑动面稳定之后，再用锚杆支护的方法加固浅层滑动面和危岩。

4.2 反压加固设计

反压支护高度的确定是通过不断的试算完成的。在计算过程中，首先试取一个反压高度，然后建立相应的计算模型，并用前面确定的参数计算各潜在滑面在各工况下的稳定性系数；之后，判断稳定性计算结果是否满足设计要求，如果满足要求，则结束计算，并且按此反压高度进行设计，如果稳定性计算结果不满足设计要求，则试取另一反压高度继续上述计算，直至得到满足设计要求所需的高度。

经过大量不同工况下不同反压高度不同潜在滑动面的稳定性计算分析(见表2)，最终计算确定坡顶部分卸载，并在坡脚需要反压堆载30 m至550.5 m高程，再在该平台上需加固斜坡侧堆载30 m。

4.3 锚杆支护设计

锚杆支护的任务是保证浅层潜在滑动面的稳定，浅层潜在滑动面加固力计算结果如表3所示。结合单个锚杆轴向拉力设计值计算参数和锚杆钢筋直径计算参数，确定加固方案：针对潜在滑面⑨设置Ф36的锚杆，共设置25排，间排距为2 m×2 m。坡面设置横纵向地梁，地梁采用C25钢筋混凝土现场浇筑，截面尺寸30 cm×30 cm。

4.4 削坡减载设计

削坡卸载工程分为2个部分:第1部分为隧道上方坡体，该坡体削坡后形成2级坡，第1级坡高为10 m，第2级坡高为9 m，坡比均为1∶1.5，削坡的第1级平台的右端高程为671.5 m，左端高程为664 m，从右至左设计成5%的纵向坡;第2部分为隧道左边的另一山坡体，该部分主要是为反压堆填体提供石材原料,第2部分设置4级坡，第1级坡高为12 m，第2、第3级坡高均为10 m，1—3级坡比均为1∶1.5，第4级坡高为12 m，坡比为1∶2.8，削坡的第1平台的左端高程为638 m，右端高程为634 m，从左至右设计成5%的纵向坡。

5 结 论

(1) 该高陡斜坡岩性较为复杂。综合现场调查与钻孔揭示的层面、断层、节理、破碎带和岩性特征等地质因素的发育及分布情况，建立了多种潜在滑面的计算模型。

(2) 通过反算，确定了深层、中层、卸荷带内浅层和强风化松散碎裂块石层潜在滑动面的物理力学参数，并计算了11个潜在滑面在天然状态、饱水状态和饱水+地震状态3种工况下不同治理方案的稳定系数。

(3) 综合考虑滑坡地区的地质地形条件，提出了坡顶削坡卸载、坡脚堆载反压和锚杆加固斜坡浅表的治理方案。经校核，治理后斜坡的11个潜在滑面均达到设计要求，满足工程需要。同时，该边坡在经过治理后至今4 a内，没有再发生过大规模变形，证明了该治理方案的合理性。

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(编辑：王 慰)

Stability Analysis and Treatment Measures for High andSteep Slope of Rucheng-Chenzhou Expressway

ZHOU Ying-bo1，ZHANG Jun2，REN Wei-zhong1

(1.State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering, Institute of Rock and Soil Mechanics， Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071，China；2.CCCC Second Highway Consultants Co., Ltd., Wuhan 430056, China)

The high and steep slope of Rucheng-Chenzhou expressway is located between segment K65+410 and K65+680. Since March 2011, deep displacement had occurred in the slope in need of treatment measures. In this article, a slope model with multiple potential slip surfaces is built on the thorough understanding of the site’s geological conditions and the deformation mechanisms. The slope stability under different conditions is calculated with the limit equilibrium method. On this basis, treatment measures are put forward, including cutting slope, surcharge reaction and anchor bolts. The results offer basis for the design of high-steep slope treatment.Within 4 years after the treatment, no large-scale deformation occurred, which indicates that the high-steep slope treatment is successful.

Rucheng-Chenzhou expressway；high-steep slope；multiple slip surfaces；stability analysis；treatment

2016-05-06；

2016-05-27

国家自然科学青年基金项目(51008298)

周英博(1988-)，男，湖北黄石人，博士研究生，研究方向为边坡的变形破坏机理与加固技术，(电话)18062773656(电子信箱)yingbozhou@126.com。

任伟中(1967-)，男，浙江金华人，研究员，博士，研究方向为岩土工程，(电话)18971075006(电子信箱)wzren@whrsm.ac.cn。

10.11988/ckyyb.20160442

2017,34(8):79-83

P642.22

A

1001-5485(2017)08-0079-05