高速公路古滑坡段路堑边坡稳定性分析及处治方案

2021-08-30巫亚明张正伟

运输经理世界 2021年10期

文/巫亚明、张正伟

1 前言

山区高速公路路堑边坡在台风、暴雨等恶劣天气影响下，由于地质不明、设计防护不合理等众多复杂因素共同作用，时常出现滑坡等病害。尤其是在道路选线中对于一些曾发生过滑坡自然灾害的古滑坡地形路段，如何能根据古滑坡的地形地貌和破碎的滑移面等典型地质情况准确判断山体稳定情况，为在设计阶段或发生塌方后针对塌方情况采取可靠有效的针对性防护设计，控制路堑塌方的进一步发展，降低道路风险，减少经济损失具有非常重要的意义。

2 病害路堑边坡概况

2.1 路堑边坡设计情况

滑坡路堑边坡长191m，最大坡高17.5m。设计边坡坡形、坡率自下而上分别为：一级坡高8m，坡率为1∶1；二级坡高8m，坡率为1∶1；三级坡高1.5m，坡率为1∶1。坡顶开口线位置设置倒角，开挖边坡与自然山坡采用圆顺衔接，平台宽2m，边沟、碎落台合并宽2.6m。

边坡加固防护设计措施：一级采用3 排预应力锚索框梁加固，锚索长度28m，锚固段长10m，间距3×3m，框梁内三维网植草防护；二级采用3 排锚杆格梁加固，锚杆长8m，间距3×3m，格梁内三维网植草防护；三级全坡面采用三维网植草防护。每级边坡在适当位置设置并检查踏步，各级平台均设置平台截水沟，截水沟外部分采用C15 素混凝土浇筑，纵向10～15m 设置一道伸缩缝，伸缩缝用沥青麻筋填充。

2.2 地质情况

此段路堑边坡区域地形起伏较大，地层自上而下主要为残积土、粉质粘土、全-强风化泥质砂岩，风化岩层较厚，下部为灰岩，且风化不均匀，风化程度高，节理裂隙发育，完整性差，岩体破碎，结构面产状对边坡稳定性有影响，砂岩与灰岩接触带风化强烈，开挖后边坡稳定性差。

2.3 周边地形地貌

该路堑边坡堑顶为缓坡地形（15～20°），后部为陡坡地形（约38°），线路走向229°，坡向139°。山体小里程侧有水塘，水面标高43.03m和39.557m，山体后方大里程侧有小型水库，水面标高48.0415m，高于高速公路路面标高45.2m，水库有通过基岩裂隙向坡体内补给地下水的可能，从整个山体地形地貌来看具有典型古滑坡的不良地质地貌特征，山体周边地形及地貌分布情况见图1。

3 路堑边坡病害调查

该边坡施工结束后未见不良病害，且植草防护植被生长良好。在连续长时间降雨天气影响和台风暴雨极端天气过后，相关人员在对边坡排查中发现，该路堑边坡发生严重变形，具体表现为：路堑边沟被推移挤倒，路缘石向路侧倾斜6～8°，边坡护脚多处断裂，边坡框格梁内渗水明显，多处框架梁横梁开裂，部分预应力锚索锚头崩裂，一级坡顶平台局部明显沉降，平台截水沟扭曲、开裂，平台封层多处横向开裂，踏步式急流槽开裂破坏；二级边坡个别框架梁也出现裂缝，一级和二级坡体多处出现明显裂缝和沉降，最大裂缝长度30m，宽度5cm，土体下移最大处10cm 左右。二级坡顶至截水沟出现两处缝长25m、缝宽16cm 裂缝，局部裂缝发生垂直位移，高差40cm。滑坡后缘贯穿裂缝距堑顶截水沟约15m（距路基中心线约53m），裂缝长约50m，宽3cm，下错3cm。后缘裂缝靠山侧地形较陡，约38°，暂未发现其他牵引裂缝。边坡有整体向下滑动趋势。

根据现场坡脚边沟挤倒、路缘石向路侧倾斜情况，推测滑移面通过水沟底向高速公路路基发展可能性较大，预计剪出口在高速公路路面范围，甚至整个高速路面范围，如不及时采取有效措施处理，随时会出现此区域道路被彻底损毁的后果，滑坡山体病害分布情况见图2。

4 山体边坡稳定性分析及评价

根据滑坡影响因素及滑动机理，边坡影响因素主要包括内在因素和外在因素两方面。内在因素包括地形地貌、地层岩性、岩体结构与地质构造等；外在因素包括水文气候条件、地震条件及人为因素（工程开挖）等。

为进一步掌握滑坡山体地质详细情况，滑坡后再次组织对滑坡边坡进行了地质钻孔详勘和野外地质调查。根据钻探及开挖揭露，坡主体主要由第四系坡残坡积粉质粘土和泥盆系帽子峰组（D3m）泥质砂岩与灰岩组成，边坡地层上部主要为含碎石粉质粘土、全强风化泥质砂岩（含水层），岩体极为破碎，结构面发育，且为顺层坡，下伏强-中风化灰岩，埋深12～14m；层面顺倾，其产状为155°∠40°，为顺层坡。另外，受构造运动及风化作用影响，场区部分全风化泥质砂岩已经泥化，坡体易沿着泥质砂岩形成的软弱带发生滑动破坏[1]。从地质勘探情况来看，进一步验证了此山体为曾发生过滑坡的古滑坡地段。

在台风降雨大量地表水渗入坡体内以及山体后部水库水位上涨对山体内地下水进行补给的共同作用下，下部全风化泥质砂岩渗水性相对较差，地下水下渗受阻于全风化灰岩或粉砂质泥岩，岩土体重度增加，导致岩土体内部的水不能及时排走；在水的浸泡下，土体内部的孔隙水压力增大，滑面处的岩土体软化、泥化，其抗剪强度降低，导致边坡目前发生沿全风化灰岩或粉砂质泥岩顶面的滑动，形成浅层滑移面，滑面深6～10m。同时，由于开挖路堑，坡脚处抗滑段刷去土方，减少了抗滑力，边坡变陡、形成临空面，在坡脚处出现应力集中，且泥质砂岩地层强度低，致使坡脚强度不足，坡脚岩土体被压溃，从而造成本次山体滑塌的出现。

5 处治方案

通过详勘结果分析可知，目前滑坡后缘裂缝和前缘剪出口已完全形成，但由于受原设计防护中的坡脚底部框格锚索张拉以及坡脚反作用力影响，滑面还尚未贯通。此外，因其现状稳定性差，边坡整体处于不稳定状态，在持续降雨条件下，随雨水的逐渐下渗软化灰岩顶面的岩土体，滑面有进一步发展到坡体下伏的全～中风化灰岩（隔水层）顶面（滑面深12.4～14.7m）可能，形成深层滑移面，导致滑坡整体下滑加速，整个山体形成多层多级滑动可能性较大。介于目前深层滑坡剪出口尚未形成，还未形成整体深层滑动，需尽快采取合理方案措施加以整治。

5.1 应急处治措施

为最大限度减缓滑坡加速发展，控制山体稳定，采取可靠的应急处治措施对制定最终方案和给加固边坡赢得时间十分重要。因此，结合现场情况应急措施主要从内外两个方面同时着手，首先针对山体内的渗水加剧坡体滑动问题，尽快将查明存在的裂缝并进行封闭处理，同时还要对边坡进行临时遮雨覆盖，避免雨水进一步下渗；其次，疏通已损坏的排水孔，并加密施工边坡仰斜式排水孔，最大限度地疏排山体内的积水，减少水对滑坡山体的影响；最后，对坡脚进行反压护道施工，反压护道向主滑范围两侧适当延长，扩大反压范围；在应急措施实施的同时，设置坡面水平位移、沉降、坡面裂缝变形及深层水平位移观测点，及时掌握边坡变形情况[2]。

5.2 处治方案的选择

考虑到目前边坡深层滑坡剪出口尚未形成，边坡还未形成整体深层滑动，且原设计防护中的框格锚索等仍发挥防护作用，如单纯采用刷坡卸载，将已滑移的土方进行挖除，不仅会破坏原设计中的防护措施，同时塌方体后的山体由于边坡塌方土方被开挖，会导致边坡更加陡峭、形成的临空面更大，非但无法保证边坡稳定，还会加剧刷坡后的边坡进一步塌方，造成更大滑移。而如果采用部分卸载加原位加固相结合的方式，将截水沟以外部分山体土方挖除，由于路堑截水沟以外山体陡峭，同样会造成与单纯刷坡卸载相同的问题，卸载后的山体更加陡峭、形成的临空面更大，也会加剧刷坡后山体的继续塌方；坡体两端由于未产生塌方，对塌方区也无影响，也不需要卸载。因此，通过对比该边坡目前病害情况和现场地形、地貌情况，此边坡相对最佳的处治方式为原位加固处理的方法相对较合理。

在确定原位加固处理的方式后，首先对目前边坡稳定性程度进行分析，确定目前塌方边坡的稳定程度和剩余下滑力，然后选择合适的具体加固工艺、治理措施和工程加固防护参数。

5.3 滑坡稳定性计算

5.3.1 滑坡计算断面。目前滑坡后缘裂缝和前缘剪出口已完全形成，滑面尚未贯通，边坡整体处于不稳定状态。其破坏模式为沿全风化灰岩或粉砂质泥岩（土柱状）顶面的滑动，后期因地下水下渗和岩土体强度降低其滑面会进一步发展到中风化灰岩顶面，基于该滑坡的坡体结构条件与滑坡活动特征，结合其变形活动历史与现状及其发展趋势，该主断面的滑动面具有多层和多级的特点。选择K103+676 里程断面作为计算断面，其滑动面可以分为现有浅层滑动面I、浅层滑动面II、深层滑动面，其中前缘剪出口位于一级边坡坡脚水沟沟底，由此可以组成3 个可能的分析计算滑动面。

5.3.2 计算内容和方法。基于该滑坡治理工程实施前各可能滑面的变形活动特点及相应稳定程度，采用反算各滑动面的主滑带力学指标，进行滑面计算参数的选择与确定。结合相关试验与经验参数综合确定滑带岩土力学指标，计算采用边坡工程专业软件Geo-Slope 之Slope/W 软件包进行滑坡稳定性计算，选用刚体极限平衡方法进行计算。

5.3.3 反算主滑带指标。滑坡稳定性分析根据地质勘查资料以及该滑坡当前各可能滑体与滑面的变形活动特点，分析评价其相应的稳定程度，并以反算指标为主，结合相关试验与经验参数，计算该滑坡当前各可能滑体与滑面的稳定系统，其稳定程度分析计算成果见表1。

表1 K103+602～K103+793 滑坡稳定程度分析计算成果一览表

5.3.4 滑带土力学指标反算。反算主滑带指标是在该滑坡治理工程实施前各可能滑面的变形活动特点及相应稳定程度的基础上，结合相关试验与经验参数，反算各滑动面的主滑带力学指标。反算滑带指标计算成果见表2。

表2 滑带土稳定性分析物理力学计算参数表

牵引段19.5035

5.3.5 滑坡剩余下滑力计算。采用Geo-Studio 软件中SLOPE/W 模块进行计算，分析方法为Morgenstern-Price 法，岩土体采用Mohr-Coulomb 材料模型，并使用理正岩土设计软件6.5 进行复核计算，稳定性计算结果见表3。

表3 稳定性计算结果表

5.4 原位加固处理措施

由于现场施工场地狭小，边坡平台无施工作业面，无法采用大型设备进行施工。针对该边坡情况和现场施工条件，考虑到施工时间短、减少对原有边坡进行大规模的调整，结合原有防护体系仍部分发挥作用的情况下，排除大型抗滑桩等加固措施，选择采用在坡脚和平台上设置竖向钢花管微型桩的抗滑结构，同时在坡面增设部分预应力锚索与原有锚索和锚杆防护体系形成整体共同发挥防护作用的方式进行加固。

5.4.1 钢花管施工

钢花管主要设置在坡脚及每级平台顶，长度考虑伸入中风化灰岩5m 以上，钢花管选用φ89×5mm 无缝钢管制作，沿钢管四周呈螺旋状分布注浆孔，钢管底部做锥形导向帽；为提高钢花管抗剪能力，在钢花管内成“品”字形布设螺纹钢，钢花管预留二次劈裂注浆管。成孔采用潜孔钻风动成孔，禁用水钻施工，避免加剧边坡病害；同时，开工位置注意避免与原有锚杆、锚索发生冲突。钢花管注浆分为两次注浆，一次为常压注浆，从钢管内进行注浆；二次采用劈裂注浆，从钢管外预留的注浆管进行注浆。注浆采用注浆量和注浆压力双控指标，在空洞和裂缝处注满为止，注浆时加入膨胀剂，以提高注浆效果。

5.4.1.1 钢花管的加工制作。钢花管主要设置在坡脚及每级平台顶，长度考虑伸入中风化灰岩5m 以上，钢花管选用φ89×5mm 无缝钢管制作。为便于钢花管注浆加固，钢花管顶端1.5m 不钻孔，其余部分沿钢管轴线每隔8～10cm、沿钢管径向每旋转45°钻φ10mm 的注浆孔。注浆孔沿钢管四周呈螺旋状分布，注浆孔用胶带或凝胶密封，钢管底部削尖焊封做导向帽锥头，并在钢花管上每隔3m 设一道对中环，钢花管顶端对称焊接两个螺帽做二次劈裂注浆紧固螺杆用。

5.4.1.2 钢花管成孔及安装。钢花管成孔采用潜孔钻风动成孔，孔径不小于φ130mm。钻孔施工时，应准确测量布设位置，避免与原有锚杆、锚索发生冲突，确保边坡稳定；严格控制施工工序，钻孔时采用隔桩跳打；成孔后，钢花管安装时应保证钢花管位于成孔居中位置，同时在钢花管安装到位后，为提高钢花管抗剪能力，在钢花管内成“品”字形插入3 根φ 25mm 的螺纹钢。

5.4.1.3 钢花管注浆施工。注浆分为两次注浆。一次为常压注浆，从钢管内进行注浆；第二次采用劈裂注浆，从钢管外预留的注浆管进行注浆。一次注浆液扩散半径按0.5m 考虑计，采用注浆量和注浆压力双控指标，现场按照每延米注浆用水泥量不超150kg 和注浆压力1MPa 双指标控制，在空洞和裂缝处注满为止；根据现场情况调整注浆压力，确保施工安全及注浆效果。注浆材料采用P.O42.5 级水泥配制的纯水泥浆，一次注浆水泥∶水=1∶0.5，二次注浆水泥∶水=1∶0.7,浆体强度为M30。注浆时应加入水泥用量1.5%～2%的膨胀剂，以提高注浆效果。

5.4.2 坡面预应力锚索及预应力钢锚管施工

考虑到原有部分锚索、锚杆仍发挥锚固作用，本次处治增设部分锚索进行补强加固。为避免冲突，锚索位置布置在原锚索、锚杆框格中心位置，并在锚固段设置十字框格梁，与原有框格梁形成共同锚固作用。

锚索施工时需采用潜孔钻无水干钻成孔，禁用水冲成孔，避免与原有锚索锚杆冲突。钻孔过程中，应根据使用钻机性能和锚固地层严格控制钻孔速度，防止钻孔扭曲和变径，造成下锚困难或其他意外事故。另外，遇地层松散、破碎时，则采用套管跟进钻孔技术；如遇塌孔、缩孔现象，则立即停钻，及时进行灌浆固壁处理，待水泥砂浆初凝后，重新扫孔钻进，以使钻孔完整；若锚孔中有承压水流出，必要时应在周围适当部位设置排水孔处理。

考虑到浅层滑移面已形成，在钻孔完成后，部分锚索安装时可能会在滑面处索体通过困难，故部分采用钢锚管代替锚索进行防护。预应力钢锚管不仅能够起到锚固作用，而且它还能起到斜向抗滑移作用。

斜向钢锚管采用直径50mm，壁厚4.5mm无缝钢管加工而成，抗拉强度为550～600MPa，在锚固端设置3m 长自由段，自由段以下至孔底范围钢管上沿钢管轴线每隔8～10cm、径向每旋转45°钻φ6mm 的注浆孔；注浆孔沿钢管四周呈螺旋状分布，注浆孔用胶带或凝胶密封，钢管底部削尖焊封做导向帽锥头，并在钢花管上每隔3m 设一道对中环，其中孔口自由段不设置注浆孔，外部采用PVC 硬质套管密封，自由段与锚固段之间设置止浆塞，紧贴钢管外侧设置直径22mm 的注浆管至孔底，钢锚管设计荷载为200KN，端头采用螺母锁定，锁定荷载为150KN。

5.4.3 排水工程施工

排水工程主要包括坡体表面排水系统和坡体内部排水。其中，坡体表面排水主要为地表截、排水沟，在边坡处治前，即应急和永久排水结合施作，及时发挥作用，减少地表水对坡面冲刷和入渗坡体的作用和影响。其排水出路主要从急流槽和坡脚边沟，最终汇入场区排水系统。在进行截、排水沟施工时，注意做好水沟两侧地面的衔接工作，尤其是堑顶截水沟上侧沟梆与自然山坡的衔接，上侧沟梆切忌高出山坡坡面，沟梆后空隙需用土夯实或用片石封砌，防止地表水下渗、冲刷酿成边坡病害。

如何有效排出坡体内积水，对边坡后期的稳定尤为重要。坡内排水主要采用仰斜排水孔，根据施工揭示地层及含水状态等实际情况，并适当调整孔位及孔深，确保排水工程效果。排水孔施工时不能开水钻进，防止循环水进入坡体进一步加大边坡险情；同时，采用无水干钻、高压风排渣的方法进行施工，钻进时如遇塌孔，需套管跟进。成孔后，及时在孔内安装硬塑透水管，管头及外侧用两层无纺布包裹，如果安放透水管时遇塌孔地段，须重新扫孔，不可强行顶入，以免折断透水管或者破坏无纺布；另外，排水孔施工时还应注意避开钢花管位置。

5.4.4 坡面修复及防护施工

在边坡稳定后，及时对边坡出现的裂缝、损毁的防护设施进行修复；对于平台、坡面以及滑坡周界裂缝采用注浆封闭处理，表面使用粘性土夯填密实后进行封缝，以减少地表水下渗。对于在施工过程中被施工损坏的植被，应及时恢复植被防护，播种小型灌木。

5.4.5 坡体监测

为了更好掌握滑坡体的变形情况，确保在治理措施实施过程中，尤其是治理结束后运营期内判别坡体是否稳定，对滑坡山体进行监测是必不可少的环节。在监测项目上主要分为对滑坡体内部深孔位移监测、地表位移观测及地表沉降观测，在时间上主要分为施工过程中监测和边坡处治完成后运营期稳定监测。

在本边坡治理结束高速公路正常运营后，自2019年5月至2020年4月对本边坡进行了3次为期一年的低频率跟踪监测，通过各期监测数据对比分析，各监测点位移变化量均较小，该边坡目前处于稳定状态。

其中，各测点相对于初始监测结果，水平位移累计变化量介于-8.7～7.1mm 之间，各监测点位移量均较小。各测点未发现规律性水平位移，也未发现区域性同方向移动情况。大部分监测点的当期沉降变形量和累计沉降变形量为负值；各测点相对于初始监测结果，垂直位移变化量介于-6.7～-2.2mm 之间，最大沉降变形量为-3.7mm，路堑边坡未出现明显的沉降变形。各测斜孔位移量均较小，未发现明显位移趋势。