黄土地区某运煤公路高边坡加固设计

颜芳华

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

黄土是西北地区一种典型的第四纪松散沉积物，其独特的物质组成结构及所处的地貌构造环境，形成了其独特的物理力学性质，即具有干燥时强度高，失水后结构破坏，黏聚力迅速减少，且变化幅度较大等特点，这些特点使得黄土地区边坡在雨水的作用下经常遭遇不同程度的崩塌、滑坡等失稳破坏现象[1]，本文以黄土地区某运煤公路高边坡加固设计为例，对黄土高陡边坡的加固处治作一探讨。

1 工程概况

运煤公路位于吕梁中段西部，地貌单元属黄土梁、峁、沟壑地带，为典型的黄土丘陵地貌单元，无破坏性地震，属于轻震区，抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g；冻土深度100～130 cm，多年平均降雨量为625 mm，降雨量分配不均匀，多集中于每年6月下旬至9月上旬，沟谷中水流为季节性流水，雨季降雨期间，地表水沿山坡及冲沟汇集、径流，为瞬时-短时性水流；地下水埋深较深。

该公路建设单位为山西省吕梁市某煤矿，作为煤炭外运的主要通道，于2015年建成通车，全线均按二级公路技术标准建设，设计速度60 km/h，路基宽度10 m，沥青混凝土路面。K4+321—K4+390段以路堑形式从黄土山丘鞍部通过，并沿山丘斜坡延伸，路堑边坡开挖后形成一段长约70 m，边坡高度约26 m的土质高边坡，原设计为两级边坡，第一级边坡高10 m，第二级边坡高16 m，边坡坡率约为1∶0.3～1∶0.5。

地质勘察结果显示该段高边坡地层岩性上部为粉土，粉土层厚度约12～30 m不等，黄褐色，稍湿，稍密-中密，土质较均匀，具大孔隙，无层理，垂直节理发育，容易形成黄土陡壁；下伏粉质黏土层，黄褐色-棕红色，可塑，层理状分布，含少量铁锰质斑点，韧性中等，干硬度较强，粉土与粉质黏土层界面处含水率较高。

2 边坡现状调查及失稳成因机理分析

2.1 边坡现状调查

K4+321—K4+390段位于一黄土山丘的鞍部，山丘自然坡度较陡，路基开挖后在右侧形成了一段长约70 m，高度约26 m的土质高边坡，设计为两级边坡，第一级边坡高度为10 m，设计采用预应力锚索挡土板支护（已施工完毕），二级边坡高度约为16 m，边坡坡率约为1∶0.3～1∶0.5，边坡坡面及山体未设置任何防护加固措施与排水措施，坡面冲刷、剥落严重，部分路段由于冲刷、剥落而在坡面形成凹进的反坡地形。该段边坡上部为粉土，下部为粉质黏土；目前一级边坡处于稳定状态，二级边坡由于高度过高，坡率较陡，边坡处于欠稳定状态，边坡土体在雨水的作用下已经出现了局部滑塌现象；但边坡上方陡峭山体基本处于稳定状态。

2.2 边坡失稳成因机理分析

通过地质调绘及现场情况综合分析，引起该段边坡失稳的主要原因是设计、施工存在缺陷以及不利的岩土层结构组成，具体原因如下：

a）边坡高度较高，原设计坡率较陡，边坡稳定安全系数仅为0.97，边坡处于欠稳定状态，坡面土体冲刷、剥落破坏严重，部分路段已形成凹进的反坡地形，进一步降低了边坡的稳定性，因此，设计存在缺陷，导致边坡自身稳定性不足是造成边坡滑塌的主要原因。

b）二级边坡坡面及山体原设计未设置任何防排水措施，上游山体及坡面汇水无法及时引出，雨水沿山体及坡面进入土体，导致边坡土体含水量增加甚至饱和软化，一方面降低了边坡土体的抗剪强度，另一方面雨水的进入使土体的自重增加，有效降低了边坡的自身稳定性，从而造成边坡失稳坍塌。

c）不利的岩土层结构。边坡下部为粉质黏土，其性质遇水软化，失水崩解，且粉质黏土层相对于上部粉土来说是较好的隔水层；雨水进入土体后积聚于粉土与粉质黏土层界面处，导致界面处抗剪强度降低，并形成较薄且力学性能较低的“易滑”层，为失去力学平衡的坡体提供了良好的滑动面[2]，如不及时进行加固，极有可能形成大型滑坡。

3 边坡加固设计

3.1 设计原则

a）坚持自然恢复与生态防护并重、生物防护与刚性防护并重、柔性防护与自然生态恢复并重的设计原则。

b）采用综合处治的方法进行动态化设计，有效治理边坡滑塌，确保边坡安全稳定。

c）尽量减少对山体的扰动，避免对原有生态环境造成破坏。

d）边坡加固时尽量减少对下部边坡荷载的增加，避免对边坡下部预应力锚索挡土板产生不良影响。

e）坡面不应长时间裸露于大气环境中。

f）加强边坡及山体的截排水设计，确保边坡稳定安全。

3.2 方案比选论证

预应力锚索框架梁作为一种主动加固防护形式，通过将锚索体锚入（锚固段）边坡一定深度并施加一定的张拉力，锚索体通过钢筋混凝土框格梁主动、适时地对边坡体施加预应力，有效克服或扼制边坡稳定性不利因素的累积和发展，主要适用于大、中型楔体破坏和潜在裂面滑动破坏的坡体，其与放坡对山体进行大开挖来满足边坡的稳定性相比具有以下几方面优势：

a）预应力锚索喷射混凝土框架梁属于主动加固防护形式，通过对边坡岩土施加预应力，克服或扼制边坡稳定性不利因素的累积和发展，且对下部预应力锚索挡土板荷载增加很小，不会对挡土板产生影响。

b）避免对山体进行大开挖，大大减少了对原稳定山体的扰动。

c）原山体自然坡面陡峭，如采用放坡开挖方案，放坡后其边坡高度将超过40 m，并将产生废弃土方约7万余方，一方面废弃土方需另择地方妥善处治，另一方面对原山体良好的植被造成严重影响，与绿色环保的理念冲突。

d）采用预应力锚索喷射混凝土框架梁加固，工期短，施工方便快捷，对运煤公路的安全运营影响小，能有效减少施工作业对山体稳定性的影响。

e）采用喷射混凝土预应力锚索框架梁结构，由于喷射混凝土施工时冲力大，使得混凝土有较好的密实性，且混凝土与原边坡土质有较好的结合性。

f）预应力锚索框架梁格内采用客土种植绿化，既可防止框架梁格内水土流失，又能增加框格梁的稳定性。

3.3 边坡加固设计方案

图1 边坡加固工程剖面图

根据边坡的水文地质、工程地质以及环境条件，结合附近高速公路黄土高边坡的设计经验，并考虑到下部已施工的预应力锚索挡土板，因地制宜，在合理选择各土层力学参数的基础上经稳定性验算后，拟采用预应力锚索喷射混凝土框架梁对边坡进行加固，具体方案如图1。

3.3.1 清除开挖滑塌土方

清除开挖二级边坡已滑塌的松散土方并平整坡面，边坡坡率采用1∶0.75，并在原预应力锚索挡土板顶部形成3.0 m宽平台（一级平台），边坡以上的山体维持原样，尽量不对其进行扰动。

3.3.2 边坡加固

平整坡面后采用预应力锚索喷射混凝土框格梁对二级边坡进行加固，预应力锚索长度为25 m，锚固长度为15 m，单孔设计拉力200 kN，锚孔直径150 mm，倾角15°，锚索体一束由3根φ15.24高强度、低松弛普通钢绞线组成，钢绞线强度为1 860 MPa；框架梁截面尺寸为30 cm×40 cm，框架竖肋和横梁全部嵌入坡面，单片框格为3 m×5 m，每个梁节点植入3束锚索，框格梁采用钢筋混凝土浇筑，混凝土为C20喷射混凝土。锚索张拉锁定后暂不剪断锚索及封锚，待边坡完全稳定后再采用C20混凝土进行封锚，若边坡稳定期间由于土体压缩变形导致锚索出现应力松弛现象时应进行二次或多次张拉，同时在后期维护过程中应定期检查锚索并及时调整预应力。

3.3.3 排水工程

本次边坡加固注重排水系统的完善，一级平台均设置平台排水沟，边坡坡顶设置截水沟，截排上游汇水，同时在边坡两侧设置急流槽，将截水沟及平台排水沟内雨水引至下方排水系统，平台排水沟采用C20混凝土预制块结构。急流槽则采用钢筋混凝土结构，混凝土为C20喷射混凝土，并在槽底设置长2 m的锚杆，增加急流槽在高陡边坡上的稳定性。

4 施工注意事项

预应力锚索喷射混凝土框架梁施工前应通过试验段进行锚索试验，锚索试验数量不少于3根，最大试验荷载不超过锚索体承载力标准值的0.9倍；施工前应编制安全施工专项方案，并设置必要的围挡设施，防止施工期间对运煤公路的运营安全造成隐患。施工时应分段分片施工，分段长度不宜大于20 m，预应力锚索框架梁布置时应因势利导采用分片式施工，并根据地形地势条件灵活调整框架梁的尺寸和网格密度，但应以单片梁作为一个整体进行调整。边坡稳定期间若土体压缩变形导致锚索出现应力松弛现象时应进行二次或多次张拉，同时在后期维护过程中应定期检查锚索并及时调整预应力。雨季施工时应做好施工组织安排，确保设置的临时截排水设施排水通畅。平台排水沟和急流槽施工时基底必须夯实。

5 结语

高边坡的失稳破坏影响因素众多，因此在进行边坡加固设计时，首先要结合工程所处的地质环境，正确分析边坡的失稳机理，合理分析高边坡可能出现的破坏情况，并结合工程特点，综合考虑施工方法和经济条件，经稳定性验算后提出相应的加固方案。目前该段高边坡加固处治已刚刚施工完毕，从施工完成后近一个月的变形观测数据来看，该段边坡已基本处于稳定状态。