某高速公路滑坡治理与边坡预加固工程实例分析

黄纲领, 刘修平

(1.中国公路工程咨询集团有限公司，北京 100097；2.天水师范学院，甘肃 天水 741000)

在西部山区建设高速公路不仅是国家西部大开发战略，还是加速西部贫困山区和当地百姓脱贫致富之路。因受路线指标、地形条件、工程造价等诸多综合因素制约，西部山区修筑公路在特殊路段不可避免地采用深挖路堑工程，这会打破原有坡体自稳，诱发工程滑坡，已是山区公路施工建设的重点和难点之一[1]。

目前，为了避免或有效减少深挖路堑引发工程滑坡问题，常在设计与施工2个阶段给予高度重视[2-5]。在路线设计阶段，一般通过合理调整路线平面位置、优化路线指标来减少深挖路堑，当遇到不可避免的深挖路堑工程时，需进行针对性的工点勘察与设计；在工程施工阶段，可采用坡面开挖后及时进行坡面防护、完善临时排水、合理选择施工季节、做好施工监测等措施有效减少滑坡[6-8]。但对设计阶段未进行工点设计的二、三级边坡、地勘中未揭露的富水边坡、存在软弱结构面的边坡是设计阶段的薄弱环节，加之降雨影响、冷热交替下的冻融循环，施工中未注意临时排水，导致工程滑坡仍时有发生[9]。

本文以某高速K171+140～+361段滑坡治理与K171+361～+440段边坡预加固工程为例，通过边坡多次滑动过程的描述，补充地质调查与勘探结果分析，首先定性评价滑坡类型，总结滑坡发生原因与诱发机制，评估滑坡段边坡与相邻未发生滑坡段边坡的稳定状态；其次，通过对边坡断面稳定性分析计算，得出需要预加固处理的段落，提出桩板墙、挡土墙、护面墙、截排水等多项工程措施相结合的滑坡综合治理方案和相邻未发生滑坡段的预加固方案，最后基于北斗在线实时监测系统采集治理前、治理中、治理后的边坡变形数据，用以评价所提方案的治理效果，从而为类似工程的治理提供了较好的借鉴实例。

1 工程概况

1.1 工程简介

西部某高速是国家高速公路网重要组成部分，总体走向由东北向西南，采用双向4车道，路幅宽度24.5 m，设计速度为80 km/h。

K171+140～+440段路基原设计为挖方路基，路线右侧为二、三级挖方边坡，其中K171+140～+290 右侧为二级边坡，K171+290～+440段右侧为三级边坡，2段边坡开挖及支护参数如表1所示。

表1 K171+140～+440段右侧路堑边坡开挖及支护情况

1.2 地质条件

勘测区属于构造剥蚀中低山斜坡地貌，山脊走向近南北向，地面标高2 218 m～2 266 m，相对高差约48 m，山坡面东倾，自然边坡坡度20°～25°，表层覆盖残坡积粉质粘土，现为种植地，呈台阶状。在勘探深度范围内，自上而下岩性可分为：第四系全新统残坡积粉质粘土；下伏古近系(E)含砾泥质砂岩、泥岩、页岩、粉细砂岩风化层，岩层产状155°∠6°。依据补充地质勘察报告及室内试验资料，护坡范围内岩土体物理力学参数如表2所示。

表2 岩土体物理力学指标

勘探期间实测稳定地下水位5.2 m～19.5 m，项目区岩层裂隙发育，地下水沿孔隙向下渗，遇隔水岩组页岩后沿页岩层面向外排泄，在开挖面上形成渗水线。

2 滑坡过程及成因分析

2.1 滑坡过程

K171+140～+361段边坡前后共出现3次滑动。2017年8月17日，因连续降雨，K171+165～+212 段第二级边坡出现坍塌，K171+212～+266段坡顶出现裂缝；2018年3月15日，经春季冻融后，之前垮塌的段落向大里程方向发展，K171+140～+300 段边坡发生滑动；2018年7月10日，受连续暴雨天气影响，滑坡再次向大里程方向发展，并在K171+300～+361段边坡发生滑动，此段滑坡纵向长度约55 m，滑坡横宽约125 m，滑体平均厚度约5 m。经勘查判定，该段滑坡属于浅层坍塌型错层滑坡，三级边坡坡面已施工的拱形骨架、一级边坡已施工的锚杆框架梁被损坏，如图1所示。

图1 滑坡总体情况现场照片

经过上述3次滑动，该滑坡最终形成K171+140～+361段纵向总长度221 m、滑体平均厚度6.0 m、纵深最大处145 m的小型土质工程滑坡。滑坡总体向路堑开挖临空方向滑动，主滑动方向为89°，滑坡后缘与剪出口垂直高度差22 m，路堑边坡垮塌形成圈椅状地貌，后缘陡坎高3 m～5 m，路堑边坡自后缘截水沟至坡脚均发生损毁。

2.2 成因分析

为合理进行滑坡治理工程设计，保障路线边坡施工及后期公路运营安全，对K171+140～500段右侧挖方边坡的地质情况进行了地质调查与勘探，并根据地质调查和勘探结果对滑坡成因及滑动机制、边坡稳定状态进行定性分析[10-12]。

K171+140～K171+300路堑段地层岩性自上而下依次为坡残积粉质粘土，古近系(E)半成岩以含砾泥质砂岩、泥岩、粉细砂岩为主，间夹薄层页岩，岩层产状155°∠6°。路堑边坡开挖后形成高陡边坡，形成外倾临空面。上部坡残积覆盖层、砂岩和泥质砂岩的强风化层属于强透水层，下部页岩为相对隔水层，导致地下水下渗在页岩顶面富集，受地下水浸泡的页岩饱水软化，甚至成泥状，强度急剧降低，形成软弱滑动面，路堑边坡上部岩土体沿遇水软化的页岩面滑动，形成浅层牵引式类土质滑坡，属于半成岩地层顺层平面型滑动。

K171+300～K171+361段边坡一级边坡出露地层以砂质泥岩为主、间夹薄层页岩，二级边坡出露地层以含砾砂岩、泥岩、泥质砂岩为主，三级边坡为薄层覆盖层、全风化泥质砂岩。连续强降雨坡面汇水下渗导致边坡岩土体饱和，强度显著降低，一级边坡岩体地下水渗出现象明显，边坡坡脚存在积水。在上覆岩土体自重作用下坡脚饱和砂质泥岩剪切破坏，导致路堑边坡发生浅表层坍塌，坡面已施工拱形骨架、框架梁被损坏，如图1所示。

综上分析，K171+140～K171+361段地层岩性以砂、泥岩为主，上覆有全风化泥质砂岩，在连续强降雨、冻融循环及坡面长时间临空为外界环境条件下，雨水下渗并在薄弱面富集浸泡为诱因，多重因素综合影响最终导致滑坡形成，滑坡平面分布如图2所示。

图2 滑坡平面分布示意

3 边坡稳定性分析及治理加固方案

3.1 边坡稳定情况数值计算

根据设计参数推荐值及潜在边坡的破坏边界条件和可能失稳方式，边坡沿最危险滑动面滑动，按此破坏模式，根据JTG D30—2015《公路路基设计规范》中不平衡推力传递系数法进行计算，其计算原理如图3所示。

图3 剩余下滑力计算图示

剩余下滑力计算公式如下：

Ti=FsWisinαi+ψiTi-1-Wicosαitanφi-ciLi(当Ti<0时，应取Ti=0)

ψi=cos(αi-1-αi)-sin(αi-1-αi)tanφi

式中：Ti、Ti-1分别为第i和i-1滑块剩余下滑力，kN/m；Fs为稳定系数；Wi为第i滑块的自重力，kN/m；αi、αi-1分别为第i和i-1滑块对应滑面倾角，(°)；φi为第i滑块滑面内摩擦角，(°)；ci为第i滑块滑面岩土粘聚力，kN/m；Li为第i滑块滑面长度，m；ψi为传递系数。

以K171+255断面为例，计算模型如图4所示，各断面计算结果如表3所示。

注：1.①～⑥岩性见表2；2.单位：cm。

由表3计算结果可知，边坡正常工况下稳定性系数为0.86～1.28，非正常工况(选取暴雨或连续降雨工况与地震工况中的最小值)下稳定性系数为0.78～1.11，均小于JTG D30—2015《公路路基设计规范》高速公路正常工况稳定安全系数1.20～1.30、非正常工况1.10～1.20要求。路堑边坡K171+370、K171+410、K171+440段正常工况下稳定性系数为1.17～1.27，非正常工况下稳定性系数为0.85～1.04，分别小于正常工况1.20～1.30、非正常工况1.10～1.20规范要求。因此，在连续降雨、地震作用以及边坡开挖等因素扰动下将进一步下滑，扩大边坡垮塌范围，K171+440路段以后的边坡处于稳定状态。

表3 边坡稳定性计算结果

3.2 滑坡治理及预加固方案

3.2.1 一级边坡防护及排水方案

对K171+140～K171+356段一级挖方边坡防护形式进行调整，因K171+140～K171+240段滑动面位于一级边坡坡顶以上，K171+140～K171+240段一级边坡刷坡至设计位置后，坡面采用孔窗式护面墙防护，以便于墙后边坡渗水可及时排出，边坡高度8.0 m，护面墙边坡防护高度6 m，上部2.0 m顺坡至一级平台抗滑桩外露段底部，坡面采用50 cm厚石灰土封水层封闭。

K171+240～K171+344段滑坡剪出口位于一级坡面高度范围内，坡面采用C25片石混凝土抗滑挡土墙防护，墙高7.5 m。

K171+344～K171+362段采用桩板墙防护，抗滑桩布置在碎落台中心偏路线方向60 cm位置，桩长16 m，外露6.0 m，桩径2.0 m，桩身及桩后挡土板混凝土强度C30，桩间距6.0 m。

3.2.2 二级边坡防护及排水方案

在K171+172～K171+346段一级挖方边坡坡顶平台上设置30根抗滑桩，桩长根据滑动面标高位置调整，桩后挂设挡土板，抗滑桩外侧边缘与二级平台外缘平齐[13]。其中K171+172～K171+232段桩长16 m，外露6 m，桩径2 m，桩间距6 m；K171+232～K171+262段桩长24 m，外露6 m，桩径2.2 m，桩间距6 m；K171+262～K171+346段桩长26 m，外露8 m，桩径2.2 m，桩间距6 m。

为方便施工，避免在滑坡体上人工挖孔的成桩风险，抗滑桩采用圆形截面桩，在一级边坡平台上清理出桩机作业面，下部桩体采用泥浆护壁机械成孔，灌注混凝土的工艺施工，外露桩体采用支模浇筑混凝土的工艺施工。

3.2.3 三级边坡防护及排水方案

K171+140～K171+346段二级桩板墙墙顶以上边坡相对较高，但考虑抗滑桩施工及挂板时需要开挖工作面，工作面回填后，挡土墙与截水沟距离较远，设计对坡面进行刷坡修整，放缓坡率，对坡面进行修整绿化，三级坡顶修筑截水沟，滑坡段防护典型断面如图5所示。

单位：cm

3.2.4 未滑坡段预加固方案

K171+361～K171+440段现状边坡坡面在正常工况下处于基本稳定状态，在非正常工况下处于欠稳定状态。考虑计算边坡稳定状态时未考虑防护为坡面稳定的正面效应，边坡在非正常工况下处于临界稳定状态。为提高边坡稳定性的安全储备，对K171+361～K171+440段边坡采取以下加固措施。

设计采用在一级边坡坡脚碎落台中线偏路线方向60 cm位置增设一排桩板墙，墙后回填夯实，对坡脚进行加固反压处理。抗滑桩采用圆形截面桩，桩径2.0 m，桩间距6.0 m，桩长16 m，嵌固深度10 m，外露6.0 m。抗滑桩布置结束位置K171+440处桩后侧与现状坡面间采用C30混凝土浇筑封堵墙，墙厚40 cm，桩板墙后填土夯填密实，预加固段防护断面如图6所示。

单位：cm

4 监测及治理效果评价

滑坡治理过程中及治理完成后，边坡采用北斗在线实时监测系统进行变形监测，治理工程自2019年4月开始施工，2019年7月中旬完成，本工程设计共布设3条监测断面，7个GNSS监测点，1个雨量监测点，在开阔稳固地段布设1个北斗监测基准点，监测点布设如图7所示。

图7 北斗在线监测点布设

监测点①～④及降雨量监测点自滑坡治理施工开始监测，监测点⑤～⑦自滑坡治理完毕后开始监测，监测点⑥～⑦布置在抗滑桩桩顶。其中Δx(E)为监测点东西向位移，Δy(N)为监测点南北向位移，Δz(U)为监测点竖向位移，选取代表性监测点结果进行分析，监测点③、监测点⑥的实测结果如图8所示。

由图8(a)可知，监测点③实时数据变化较大点发生在滑坡工程治理实施过程中(2019年5月—7月)，主变形方向与滑坡滑动方向一致，但位移量总体较小，这主要是滑坡治理施工扰动边坡土体所致，滑坡治理完成后，边坡重新趋于稳定，后续基本无变形。由图8(b)可知，监测点⑥实测数据表明抗滑桩施工完成后，抗滑桩变形非常小，支护结构稳定，滑坡治理效果良好。从图8实时动态曲线可见，监测结果局部时段波动较大，这是因GPRS数据传输通道拥堵所致，使得系统解析精度下降，但短时间的波动不影响各监测点总体变形变化趋势[14-15]。

(a)监测点③位移-时间监测曲线

滑坡治理完成后现场照片如图9所示。图9显示，防护结构整体平顺协调，裸露坡面采用当地树草种绿化恢复，与周边环境高度融合，路容路貌得到较好提升。目前公路已运营通车，后续监测数据表明边坡处于稳定状态，地质生态环境得到较好恢复和改善。

图9 治理后边坡情况

5 结论

1)此滑坡发生在一般挖方路堑段，主滑段边坡垂直总高度不足20 m，设计坡面防护形式也较强，但仍发展成较大的工程滑坡，主要诱因之一是地下水与地表水下渗。据此，在路堑边坡勘察设计时，应重点关注地下水影响范围，着重揭露富水边坡及存在软弱结构面的边坡段落，以便提前进行针对性的工点设计，预防边坡滑动形成滑坡风险。

2)该滑坡前后共发生3次滑动，滑坡范围不断扩大，除地下水、雨雪、冻融循环等自然因素外，土方开挖与边坡防护工序不连贯，边坡支护结构施作不及时，临空面长期暴露也是本次滑坡发生并不断扩大的主要诱因之一。据此，在边坡施工中应做好开挖与防护工序衔接，坡面应及时防护封闭，同时做好截排水措施。

3)在制定本滑坡治理方案时，对采用圆形抗滑桩与方形抗滑桩进行了对比论证，选择了施工速度快、机械化程度高的圆形抗滑桩，能充分契合该滑坡下滑推力较小、坡面需要及时防护的主要特点，同时结合桩后挡土板、挡土墙、护面墙、截排水等多重措施有效抑制滑坡变形，起到了良好的治理效果。

4)在边坡施工及治理过程中，北斗在线实时监测系统能准确有效地反馈施工边坡稳定状态，有助于监控施工安全风险和对滑坡治理效果的评估。