山区公路超高填方边坡工程防护设计研究与探索

张继明，卫 超，高 雷，方如军

（1.温州市交通规划设计研究院，浙江 温州 325000；2.武汉市政工程设计研究院有限责任公司，湖北 武汉 430015）

0 引 言

国家统计局数据显示，截止2017年，我国已竣工验收或交付使用公路里程达477.35万km，并且自2010年以来，以平均每年10.93万km的速度增长。其中山区公路建设占据重要地位，工程规模和难度也不断突破新高度，超长隧道、超高边坡和特大桥梁等在公路工程建设中不断涌现，这些在国外都鲜有案例可循。山区隧道洞口附近填土路基作为解决隧道弃渣与筑路材料短缺等问题的有效手段，不仅节省工程造价、缩短工期，还可减少或避免筑路石料的额外开采，保护当地生态环境。但山区填土路基一般高差大，在降雨和流水影响下，易发生水土流失，甚至引起滑坡、泥石流等灾害。因此，做好山区公路超高填方边坡工程防护的研究和设计具有很高的经济价值和环保价值。

国内外学者对高填边坡防治开展了大量的研究和实践工作，取得了丰硕的成果[1-10]，但边坡高度多集中于30 m以内。一般来讲，对于土质边坡高度大于20 m、小于100 m或岩质边坡高度大于30 m、小于100 m的边坡称为高边坡，而边坡高度超过100 m的属于超高边坡。近年来，随着山区公路的发展，超高填方边坡不断涌现。由于缺乏对山区超高填方边坡治理的系统思路和经验，加之对水土保持防护设计不够重视，发生过公路超高填方边坡在强降雨后失稳破坏的案例[11-13]，损失严重，影响恶劣。本文将对山区公路超高填方边坡工程防护设计的系统思路进行探索。

1 山区公路超高填方边坡工程防护设计措施分析

边坡防护和水土保持是一个有机的整体，部分防护措施同时起到水土保持作用，且水土保持防护设计对边坡长期稳定性起到重要作用，所以在山区超高填方边坡防治防护设计中，两者均应充分重视[14]。

1.1 山区公路超高填方边坡防护措施分析

山区超高填方边坡防护措施的类型主要分为两种：一种是通过设置外部支挡结构提供反力，阻挡坡体下滑趋势；另一种是通过改善土体自身性质，以提高坡体自稳能力[7]。由于山区超高填方边坡的特殊性，单一类型的防护措施往往难以达到理想的防治效果，通常需要将两种类型的防护措施搭配使用，才能取得良好效果。下面对两种类型常用的主要防护措施的优缺点、适用范围等进行归纳总结，详见表1。

1.2 山区公路超高填方边坡水土保持措施分析

水土保持有三大主要防治措施：工程措施、植物措施和农业措施。在超高填方边坡水土保持中，以前两种措施为主。植物措施是防治水土流失常用的措施，也是水土保持中最有效和最根本的方法。通过构建覆盖坡面的植被，能够改善表土的土壤结构、理化性质、力学性质和水文性质，减小水土流失[16]。上节所述支挡结构也属于水土保持工程措施，除此之外，浆砌护坡、截排水沟等也常见于斜坡水土保持治理工程。下面对常用水土保持措施的优缺点、适用范围等进行归纳总结，详见表2，由于部分措施兼具防护和水土保持作用，且发挥作用原理相近，前文已进行比较的措施不再赘述。

表2山区公路超高填方边坡水土保持措施分析

2 山区公路超高填方边坡工程防护设计系统思路

2.1 山区公路超高填方边坡特点

与一般填土路堤边坡相比，山区超高填方边坡在地理位置、地形条件、工程规模、破坏形式、施工难度、变形控制等方面差别明显。

2.2 山区公路超高填方边坡工程防护设计系统思路

为保证山区公路超高填方边坡在施工及运营过程中的安全，结合多年山区公路边坡治理经验，特别是山区公路超高填方边坡防治与水土保持防护设计的成功案例，对其防护设计系统思路总结如下：

（1）将边坡填筑纳入边坡综合治理方案，填治结合。在满足弃方规模的基础上，充分论证边坡填筑形式以及相应防治方案的可行性与安全性，确保填筑方案合理，规避因填筑带来的防治工程防护设计风险以及施工困难。

（2）详细勘测现场的地形地质情况，全面收集地区气象水文资料，并对填方材料性质进行充分的试验分析，获得全面准确的试验数据。

（3）充分借鉴地区边坡的防治经验，做好工程类比分析。工程类比法是边坡防治工程中最直观有效地的分析手段之一，能够提高防护设计效率和防护设计方案的合理性。

（4）分析工程防护设计重难点，严格遵守相关法律法规以及规范要求，有针对性地开展防护设计工作，并进行充分的方案论证和比选，避免因论证不充分而造成的安全风险和投资失控。合理选用数值模拟手段，在充分准确的数据支撑下，对不同方案下坡体及防护工程的变形、应力应变以及稳定性进行分析，对防护设计方案进行优化，并综合方案安全性、可行性与造价等因素开展方案比选，确定最优方案。

山区公路超高填方边坡工程防护设计存在诸多难点，应当充分重视，灵活应对。山区公路超高填方边坡规模和高差巨大，填土材料不均，破坏形式复杂，应充分发挥填治综合防护设计思想的优越性。合理规划填筑范围和厚度，并在填筑过程中在恰当部位预先或同步施工烂渣墙或抗滑桩等，对边坡进行有效分隔和防护，保障施工安全，同时化整为零，也可避免此类需贯穿坡体的大型结构物在边坡填筑完成后难以实施的问题，再结合挡土墙、锚索框格等措施对边坡进行综合防治，达到边坡稳定的目的。山区超高填方边坡水土流失问题突出，边坡一般位于山间冲沟，山区降雨丰富，地形陡峭，受雨水冲刷严重，造成水土流失，应做好防排水防护设计。根据气象和地形等资料计算最大径流量，选择相应的截排水断面及尺寸，并合理布设，结合坡面防排水措施进行水土保持综合防护设计，达到水土保持的目的。

（5）对施工过程进行动态跟踪，落实施工期间与工后监测，及时发现工程实施中的困难，提出解决方案。由于山区超高填方边坡的复杂性和紧迫性，时间紧，任务难度大，防护设计方案很难做到完美无瑕。施工期间的方案调整也是不断探索、优化完善的过程，但只要做好前期的调查和论证工作，不会出现重大防护设计变更的情形。

表3 山区公路超高填方边坡特点

3 工程案例

3.1 工程概况

（1）地质概况

该边坡地处温州某县山区，原地面为低山丘陵、山涧沟谷地貌，坡度30°～35°。边坡临近重要构筑物，坡顶为路基，下部建有小型水电站，如图1所示。原边坡地表分布崩坡积含黏性土碎石块，松散-稍密，厚1～3 m。下伏强-中风化凝灰质砂岩、粉砂岩（Klc），强风化岩破碎，完整性差，岩质软，层厚3～5 m；中风化岩较坚硬，中厚层状结构，层理产状平缓，节理裂隙发育，以陡倾角为主。某县大地构造属华南褶皱系浙东南褶皱带，位于温州—临海拗陷，泰顺—温州断拗之内，断裂构造发育。该地区属亚热带海洋季风气候区，气候常年温暖湿润，雨量充沛。年降雨量1884.7 mm，最大雨量23.3 mm。

图1边坡及周边构筑物

（2）边坡概况

边坡填方规模约20万m3，结合现场地形条件，边坡填筑宽度为60～110 m，上宽下窄，填方高差约160 m，厚度为10～20 m，坡顶公路线路中心填高约28 m。填方外侧边坡坡率控制在1∶2～1∶1.5，与原山体坡率接近。为保证施工安全，达到预期的填筑形态，填筑在过程中，在距离坡顶约120 m处的山沟收口处设置一道高3 m、长30 m的重力式桩基拦渣挡墙，拦渣挡墙顶宽1.2 m、下底宽2.35 m、长度为30.84 m，下设厚1.5 m、宽4 m的承台，承台两侧各嵌入山沟收口处山体基岩深度约1 m，承台下设置11根间距为2.5 m、直径1.5 m的挖孔桩基基础。拦渣墙将边坡划分为上下两段。拦渣墙以下为坡率约1∶1.5、高约40 m的边坡，坡脚设置高2～5 m、顶宽1m仰斜式固脚墙，墙身内、外侧坡率分别为1∶0.5、1∶0.25。该边坡地质概况如图2所示。

图2边坡地质概况

3.2 方案论证

治理方案在满足相关标准规范[16，18-20]要求的基础上，坚持填治结合、分段治理、边坡工程防护设计并重的原则。

3.2.1 方案提出

在重力式桩基拦渣挡墙对边坡有效分隔的基础上，对边坡进行防治工程分段防护设计。下段边坡高差约为40 m，填筑厚度小，坡率相对较缓，采用锚索框格结合坡脚挡墙的方式进行防护。坡脚挡墙为仰斜式挡墙，顶宽2.0 m、平均总高10.0 m，内外坡率分别为1∶0.25和1∶0.5。下面重点对上部边坡防护方案和整体水土保持方案进行比选论证。

上部边坡特别是坡顶路基范围是重点防护对象。采用不平衡推力法，取安全系数1.25计算，得到剩余下滑力为2577 kN。

根据温州地区高填边坡防治经验，抗滑桩、锚索框格为常见防护形式，且治理效果良好。针对上部边坡提出下列两种防治方案进行比选：

（1）方案一：锚索框格方案

如图3（a）所示，坡面采用锚索框格梁防护，锚索打设角度为水平向下15～20°。预应力锚索钢绞线采用直径15.24 mm、抗拉强度1860 MPa高强度低松弛无粘结钢绞线锚索长度30～45 m，锚固段长度不少于8m。边坡竖向锚索间距3m，锚索纵向间距3 m。

图3 简化Bishop法边坡稳定性分析结果

（2）方案二：锚拉排桩方案

如图3（b）所示，方案为锚拉排桩锚索防护，在距离坡顶40 m和80 m的位置分别设置一道锚索排桩，桩间以地梁联结。抗滑桩间距3 m，桩身1.75 m×1.25 m，按截面配筋率0.4%计算。

3.2.2 方案比选

采用简化Bishop法对两种方案边坡稳定性进行分析，同时借助有限元强度折减法校核，并分析边坡的应力分布和变形情况。

简化Bishop法稳定性分析结果：简化Bishop法借助slide软件实现，两种方案下，整体滑动面均位于强风化层，部分位置滑动面位于中风化层顶面。锚索框格方案的整体稳定系数为1.403，如图3（a）所示，考虑地震作用时，边坡最危险滑动面的安全系数仍达到1.368，排桩锚索方案的整体稳定系数为1.273，如图3（b）所示，但排桩锚索方案中，两排桩之间坡体的稳定系数仅为1.048。

采用ANSYS软件有限元强度折减法对锚索框格方案进行分析，对模型进行了简化，边坡稳定性系数约为1.26，坡面整体仍可能发生5 cm的位移，如图4（a）所示，这一位移变化主要由于上部土体的进一步压缩造成。将以上的总位移分别进行竖向和水平向的分解：边坡整体水平向位移主要集中于边坡中部区域，而竖向变形最大的范围主要是边坡顶部的持续性沉降压缩。水平向最大位移约4.5 cm，竖向4 cm。从土体相对剪切应力图4（b）来看，上部锚索的设置较大程度抑制了边坡土体的剪切变形进一步分析设置防护后的应变增量，发现路基底部土体发约0.2%的松胀，最下部锚索位置发生0.6%的体积变形挤压。

图4 锚索框格方案有限元分析结果

采用有限元强度折减法对锚拉排桩方案进行分析，边坡稳定性系数为1.1，坡顶总变形量达到0.9 m，设抗滑桩后位移0.46 m，上下部排桩桩顶位移分别达到 0.58 m和 0.19 m，如图 5（a）所示，土体在桩前发生一定挤压，平均剪应变，可见整个边坡填筑后，如图5（b）所示，均发生较为明显的剪切变形，其中桩基后面部分土体剪切应变较小。

图5 锚拉排桩方案有限元分析结果

根据上述分析，锚索框格方案在稳定性、变形和坡体应力分布等方面均优于锚拉排桩方案，特别是对超高边坡填筑时难以压实的坡体与山体形成稳固整体、坡体表面稳定及水土流失防治效果更加明显，且节省单项工程投资约35万元、占比达10%，还可避免坡体开挖桩孔带来的施工难度和断桩、滑坡风险。综上所述，推荐锚索框格方案。

3.2.3 方案优化与水土保持防护设计

（1）方案优化

根据推荐方案模拟结果中，锚索框格方案安全储备高，存在优化空间，路基底部土体出现松胀，最下部锚索位置出现挤压变形现象，需对锚索排数及分布进行了调整。锚索采用竖向6排间距16 m均匀分布，从而改善坡体应力分布，同时加强对边坡顶部路基的保护。优化后的方案如下：

框格梁采用20 m×20 m框格，横梁和竖肋宽为50 cm，厚60 cm，框架要求嵌入坡面25 cm，露出坡面35 cm。框格横梁上每隔2 m打设锚索，锚索根据坡体厚度及地质情况，长度取25～45 m，其中锚固段长度均取6 m，并要求锚固段全部进入中风化岩以上，承载体由聚酯纤维复合材料制成。框格梁每隔40 m设置一道伸缩缝，缝宽2 cm，用沥青麻絮填塞。为增加大框格内坡面稳定，大框格内设置2 m×2 m小框格加固大框格内坡面。

根据分析结果，优化方案整体稳定性系数为1.178，如图6（a）所示，顶部路基以下20 m部分稳定性系数为1.927，如图6（b）所示。在保证边坡整体安全稳定，满足规范要求的前提下，大幅提高了上部路基的安全储备，而且相比方案比选阶段，节约工程造价约260万元。

图6 优化方案边坡稳定性分析结果

（2）水土保持综合防护设计

水土保持防护设计贯穿始终，填筑过程中设置的重力式桩基拦渣墙、坡脚挡墙以及锚杆框格也属于水土保持防护设计的工程措施，下面主要对坡面水土保持以及截排水工程防护设计进行分析。

如图7所示，针对山区环境保护的需求，坡面框格内采用植草防护，可以起到吸收调节地表径流，提高坡面抗侵蚀和抗冲刷能力的作用[15]。

图7 工程平面布置图

截排水工程主要包括边坡顶部部路基上侧设置的截水沟、沿边坡两侧设置的排水急流槽以及沿坡面格构大框格横梁设置的排水沟。其中上侧截水沟通过下穿路基的涵洞及其与之相连的排水沟将上部山体汇集的雨水排至坡外。排水急流槽的截面净尺寸为60 cm×60 cm，坡面排水沟的截面净尺寸为40 cm×40 cm，经过验算，满足《公路排水防护设计规范》（JTG/T D33—2012）的相关要求。

目前该边坡及上部公路已建成通车并已安全运营近3a，防护设计的科学性和合理性得到检验，并且防护工程与周围环境相协调，达到了水土保持和环境保护的效果。

4 结 论

本文探讨了山区公路超高填方边坡工程防护设计的综合防护设计，提出了一套系统的防护设计思路，并在温州市某公路超高填方边坡的防治中进行了实践，取得了良好的治理效果。

（1）对山区公路超高填方边坡工程防护设计相关措施进行了总结，并分析了不同措施的优缺点和适用范围。边坡工程防护设计措施不能简单划分开来，两者联系密切，许多措施同时起到边坡防护和水土保持的双重作用，二者共同保证边坡的长期稳定。

（2）总结了山区超高填方边坡的特点及相应的防护设计重难点，提出了一套山区公路超高填方边坡工程防护设计的系统思路。填治结合、工程类比、分段治理是解决山区公路超高填方边坡防治难题的重要手段。

（3）介绍了温州市某公路超高填方边坡工程防护设计的成功案例。该边坡防护设计时坚持了山区公路超高填方边坡工程防护设计的系统思路，并且在简化Bishop法分析边坡稳定性地基础上，使用有限元强度折减法进行了校核，还分析了边坡的变形和应力分布情况，并根据分析结果对方案进行了优化。水土保持防护设计与防护工程紧密结合，防排水工程结构和布设合理，坡面植草方案起到防冲刷和植被恢复的作用，达到了边坡稳定和水土保持的目的。

（4）本文提出的山区公路超高填方边坡工程防护设计系统思路是结合自身实践对前人宝贵经验的总结，并在实际工程中进行了应用，效果良好，是对不断涌现的的山区公路超高填方边坡治理难题的有益探索。