高边坡失稳动态设计分析及治理

黄春圆

(漳州通平漳武高速公路有限公司，漳州 363600)

1 引言

由于高边坡地质条件的隐蔽性、 复杂性以及勘探条件的局限性，导致无法进行地质详勘，无法获得详尽的高边坡地质资料[1-3]，加上施工过程中多种不确定因素的影响，有可能导致边坡开挖后发生失稳。本文以沈海复线高速公路漳州段A9 标K65+130～K65+310 右侧路堑失稳高边坡为工程实例， 对高速公路失稳高边坡动态设计及治理过程进行了探讨；再根据施工实施进程，结合施工现场揭露坡体地层实际情况及其它相关环境背景条件变化，以及各阶段坡体变形情况和发展趋势等信息， 对高边坡设计进行必要的动态调整、 补充和完善， 以实现经济合理、安全可靠的目标，保障了高速公路施工工期与高边坡的安全稳定性。

2 工程概况

本文以沈海复线高速公路漳州段A9 标K65+130～K65+310 右侧路堑失稳高边坡为工程实例， 该处原设计为三级路堑边坡，设计最大坡高约25m。根据边坡土石方开挖发现边坡工程地质及水文地质条件较差， 主要表现为覆盖层坡积粘土及残坡积粘土层较厚，土质含水较大，强度较低，局部坡面渗水严重。对边坡坡顶四周巡查时发现坡体已形成两条的贯通性较大裂缝，长度分别约170m和130m。

勘察期间，受台风暴雨的影响，加剧了坡体和裂缝的变形程度。 根据现场钻探揭示的覆盖层土质情况及地勘报告推测的滑动面，结合现场测量裂缝平面分布的情况，本工点滑体纵长(滑动轴向)约100m，横宽(范围)约165m，滑动面平均厚度约14m，总体积约23 万m3。 滑坡主滑方向约109°，与线路走向呈60°～70°相交。

图1 防护施作过程塌方

鉴于施工期正处持续雨季， 采用紧急措施对边坡进行临时处理，以减少边坡出现更大危害。由于缺乏现场深孔位移监测数据， 对滑坡的发展过程只能从现有的地面裂缝发展过程进行跟踪分析， 此种情况对滑坡治理工作和掌握其发展态势非常不利。为保证工程如期完工，保障治理工程施工安全， 对本段边坡采用动态设计方法进行治理。

3 高边坡动态设计方法

失稳高边坡动态设计方法包含四个阶段： 动态分析失稳高边坡，根据分析评判结果提出治理方案，治理方案可靠性分析及实施，动态循环完成优化设计。动态设计的流程框图如图2 所示。

图2 动态设计的流程框图

3.1 动态分析失稳高边坡

根据沈海复线高速公路漳州段A9 标K65+130～K65+310 右侧路堑失稳高边坡现场调查、地质勘察、地表变形监测等技术手段联合分析该边坡病害性质， 力求准确把握该边坡工程地质条件、 发展的影响因素以及发展趋势。

(1)该边坡体主要为坡积含碎石粉质粘土坡及残破积粘土， 厚度大， 部分夹有大量的碎石， 局部粒径达到150cm，其上部结构较为松散，粘聚力较差。 此外，该土体颗粒大小混杂， 透水性较好； 边坡中上部主要分布残积层、 全风化凝灰质砂岩， 坡体中上部的整体结构较为松散，抗剪强度低。

(2)组成斜坡的地形较陡，同时滑坡区后缘坡体延伸长，汇水面积较大，暴雨时期，易汇集大量的地表水渗入该边坡体， 对边坡的整体性和抗剪强度造成了较大的影响。

(3)路堑边坡的开挖，使坡脚地带形成了高、陡的临空面，破坏坡脚力学支撑，严重扰动了坡体应力平衡条件，破坏了边坡土体的原有平衡状态， 降低了坡体的抗滑能力，为边坡变形提供了足够的空间；同时未及时采取相应的防护措施，从而由前部向后牵引形成滑动，导致坡顶开裂、边坡失稳。

根据该边坡滑坡的变形破坏现状， 结合边坡滑坡的发育特点与规律， 分析认为该边坡滑坡主体处于发展变形阶段，鉴于正处于台风多发季节，受台风多伴有的强降雨的不利影响，地表水下渗将引起坡体岩土体软化、强度降低，可能诱发坡体病害加剧，甚至引起更大范围和更深层次的整体式滑动破坏。

根据现场调查的滑坡空间分布特征， 施工单位提供的滑坡裂缝测绘成果， 滑坡补充勘察揭示的坡体结构和风化分带，综合分析认为：该滑坡最早形成的第一条滑动面首先是从滑坡顶部排水沟处贯通至残积粘性土与全风化凝灰质砂岩土岩界面处，并在坡面上形成剪出口，后受该滑坡下滑逐渐解体， 导致上部坡积粘土及残破积粘土失去支撑， 在连续强降雨作用下诱发上部山体沿土岩分界层软弱部位产生变形， 随着变形加大， 滑动面逐渐贯通，出现了第二圈裂缝；根据上述坡体分析最终确定该滑坡体滑带分布的空间位置，并依据现状滑坡地形、岩土条件、当前稳定状态和补充勘察提供的滑动面范围，采用岩土理正边坡计算软件进行滑坡稳定性分析和参数反演计算[4-5]，反算共选择了K65+250 及K65+170 附近断面两个断面进行，计算分析结果如图3 所示。

图3 滑坡稳定性分析及参数反演计算图

经滑坡稳定性计算分析，当前滑坡体K65+250 附近断面B-B 剖面主滑动面稳定系数Fs=0.991，现场目前错台最大高度达到0.5m；K65+190 附近断面A-A 剖面主滑动面稳定系数Fs=0.990， 目前错台最大高度达到1m；滑坡当前处于缓慢下滑变形状态， 计算反演的有关岩土体物理力学参数如表1 所示。

表1 岩土体物理力学参数

3.2 根据分析评判结果提出治理方案

鉴于当前滑坡范围较大，滑坡后山体斜坡延伸较远，钻探显示风化层厚度较厚，地下水渗流较为严重，且目前坡体中依然沿着形成的滑裂面每天有大量地下水流出，致使局部坡面出现溜塌， 为避免山后滑坡产生更大的牵引下滑， 结合该滑坡当前坡体刷方地形及既有工程实施条件，综合边坡特性，有针对性地采取了以下工程治理方案及措施。

(1)刷方减载

根据现有的开挖坡面已经形成滑塌， 单级坡面自稳性较差，对坡面放缓边坡坡率，同时加大平台设计宽度。变更后第一边坡坡率采用1∶1.25，平台宽度为3m；第二级边坡坡率采用1∶1.5，平台宽度为5 m；第三级边坡坡率采用1∶1.5，平台宽度为4 m；第四级边坡坡率采用1∶1.5，平台宽度为4 m；第五级边坡坡率采用1∶1.5，平台宽度为6 m；第六级边坡坡率为1∶1.5。

(2)预应力锚索抗滑桩加固

根据坡体及边坡高度采用预应力锚索抗滑桩，在K65+160～K65+281 段落第二级边坡平台处布设1#～23#预应力锚索抗滑桩，共23 根，桩截面2m×2.5m，桩长为28m，入土深度26m，桩顶设置2 孔拉压复合型预应力锚索，单根设计拉力为1000kN，锁定荷载50%，钻孔直径为165mm， 向下倾向为水平交角分别为26°， 外插角为1°22′，采用8 束钢绞线制作安装。 同时距桩头1.75m 处预埋一孔以备作为后期的补强张拉之用。

(3)预应力锚索框架+坡脚设置半挡墙加固

边坡第3 级根据坡面开挖土至条件， 在里程方向布设3 片预应力锚索框架，框架单片宽8m，设4 孔锚索分2 排布置，锚索长36m，锚固段均长8m，每孔锚索设计拉力500kN。 边坡第4 级布设预应力锚索框架，框架单片宽8m，设6 孔锚索分3 排布置，锚索上排长40m，中排40m，下排40m，锚固段长暂以14m 计算工程量，因锚固地层较差，具体锚固长度通过基础试验成果分析确定，每孔锚索设计拉力500kN。 边坡第5 级布设预应力锚索框架，框架单片宽8m，设6 孔锚索分3 排布置，锚索上排长42m，中排42m，下排42m，锚固段长暂以14m 计算工程量，因锚固地层较差，具体锚固长度通过基础试验成果分析确定，每孔锚索设计拉力500kN。 第4 级及第5 级锚索锚固地层较差，设计采用高压注浆工艺对锚固段进行加固，即劈裂注浆工艺。

边坡第1 级坡脚设置抗滑半挡墙， 墙顶宽度为2m，高度为4m，基础深度1.5m，挡墙后部设置无砂大孔砼反滤层，同时墙身设置泄水孔，孔径为7.5cm；第一级边坡上部部分采用窗口式骨架护面形式护面， 窗内采用液压客土喷播植草。

(4)坡体排水及坡面排水相结合

为加强滑坡体地下水引排， 在边坡第1、2、3、4 级距坡脚1m 处各布设一排仰斜排水孔，排水孔长20m、22m、25m、25m，仰角8°。其中第2、3 级仰斜排水孔进入抗滑桩桩后土部分，以疏排桩前地下水，主要布设在两桩之间；边坡第1 级布设的仰斜排水孔设计间距为5m；第4 级布设的仰斜排水孔设计间距为8m。

(5)施工监测措施

在边坡K65+170、K65+220、K65+260 各断面附近布设深部位移监测断面3 条，累计布设监测孔15 个，监测深度预估为480m。 监测孔须及时施作，以开展深部位移动态监测，通过监测数据指导现场施工，开展动态设计；监测周期为治理期1 年，工后2 年。深部位移监测过程中要求对地下水位同时进行检测， 以进一步了解地下水位变化，及时了解滑坡动态。由于施工过程中监测孔经常被破坏，施工过程中必须采取措施保护监测孔。深部位移监测常用活动式钻孔测斜仪。 测斜仪钻孔应穿越边坡已有或潜在的危险滑动面， 测斜管的基准点设在孔底的不动点上， 测斜管的一对导向槽方向应与预计的最大位移方向一致。 监测频率在边坡各级按设计锚索总孔数的10%随机抽样，累计布设锚索测力计16 个，进行锚下预应力长期监测工作，监测周期为工后2 年。

(6)依据地勘报告中显示场地为高、陡边坡，稳定性差， 根据福建省地方标准 《岩土工程勘察规范》(DBJ13-84-2006)，场地为抗震危险地段，设计中按照7 级抗震进行安全稳定分析，整体系数满足规范要求。

3.3 治理方案可靠性分析

为校核本工程治理方案的可靠性， 对边坡刷方卸载和防护加固实施后滑坡稳定性进行分析论证如下： 滑坡完成抗滑桩+全部锚固+抗滑半挡墙支挡等加固治理措施后，分别对滑坡体主滑动面K65+170 断面和K65+260 断面在设计正常施工完成后进行稳定性验算， 滑坡体主滑动面正常工况条件下整体稳定系数分别为Fs=1.309、Fs=1.297，如图4 和图5 所示，验算结果反映出滑坡体治理方案可行。

图4 K65+170 断面滑坡正常工况检算分析图

图5 K65+260 断面滑坡正常工况检算分析图

3.4 实施治理方案判断动态设计的合理性和可行性

在边坡工程的设计-开挖-施工的动态循环过程中，不断补充最新动态信息是动态设计施工中的重要环节，尤其是现场监测信息更是不可缺少。 前面的设计为后续的施工做准备，而在施工的同时又会发现新的信息，及时传给设计，不断修改、完善设计计算模型，为下一级的设计打下基础，如此往复螺旋式循环，直至最终失稳高边坡防护工程完成。

在施工过程中，进行了边坡深度位移监测，图6 给出了位于3 级边坡顶部平台的测斜孔不同日期的深部位移曲线，5 月7 日和5 月21 日监测孔深度位移曲线有很明显改善，预应力锚索施工完毕后，边坡深度位移监测资料说明预应力锚索对加固失稳边坡起到了明显的效果。 通过监测结果可以看出边坡滑动面处于16m 左右的位置处，其预应力锚索长度明显满足边坡治理需求。

施工结束后，所建立的监测网继续工作，利用监测信息监控加固边坡的稳定状态，判断设计的合理性。 如图7所示，边坡治理工程施工结束后经过6 个多月的监测，结果显示5 月、6 月施工阶段边坡位移较大，7 月份和8 月份受降雨影响边坡处于自重沉降趋于稳定，8 月份之后边坡基本无变化处于稳定状态， 监测结果表明边坡运行情况良好。

图6 孔深度位移曲线图

图7 边坡位移曲线图

4 结束语

高边坡的动态工程实质上是一个采用工程措施保持或恢复高边坡自身平衡稳定的过程。 将动态设计作为理念与实践的结合点，应贯穿于高边坡施工中，弥补勘察设计缺陷，避免工程质量、安全、环保等隐患，在施工完成后，对勘察、设计、施工及监测获得的经验数据进行总结归纳，则可为相似工程提供可借鉴的经验，提高施工前的认识水平。 参建各方在施工中应经常沟通协调， 整合智慧，追求最佳设计效果。 该边坡经过动态治理后，经过几年的运营观察，滑坡体始终处于稳定状态，未出现变形迹象，说明治理方案合理有效。