成武高速公路索池隧道洞口边坡水毁滑塌处治设计

樊宏刚

(甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃 兰州 730010)

甘肃省陇南市地处秦巴山区、黄土高原与青藏高原的交接区域。每年7至8月份，项目区进入雨季，持续多天的强降雨，造成成武高速公路沿线的平洛河、西汉水流域水位暴涨，暴洪导致高速公路临河路段防护、排水、隧道边仰坡、桥梁桩基等部位发生多处水毁，严重影响着公路的安全运营与通畅。因此，研究水毁灾害的作用机理和防治措施显得尤为重要，采取适宜的措施妥善地治理水毁灾害，确保高速公路安全运营，具有重要的现实意义。

1 边坡滑塌概况

已通车运营的成武高速公路索池隧道左线出口ZK10+720～ZK10+820段与西汉水2#大桥交接处边坡，属于犀牛江左岸斜坡地带，地貌为低山丘陵地貌。斜坡高程在929～980 m之间，平均坡度约25°。2018年7月在连续降雨作用下，该段坡体出现严重变形破坏。前缘受河水冲刷出现大规模的滑塌，后缘及两侧裂缝呈弧形展开，隧道口排水沟出现开裂、错位，桥下农道出现严重下沉。其中后缘拉张裂缝开展到桥梁0#台附近，宽10～15 cm左右，最大下错约2 m。由于前缘坍塌掩埋，未发现明显的剪出口。该边坡滑塌滑动方向为255°，与路线大角度相交，最远拉张拉裂缝距河床约42 m，高差29 m。根据《公路工程地质勘察规范》，该边坡滑塌属于堆积层浅层小型边坡滑塌[1]。

2 滑塌地质情况

2.1 地层岩性

根据地质调查及已有钻探揭露，坡体地层主要为第四系全新统人工填筑土(Q4me)，崩坡积碎块石土(Q4c+dl)，下部河床为冲洪积卵砾石(Q4al+pl)，下伏基岩为白垩系红褐色砂岩、砾岩、泥岩及其夹层、互层(K1d3)。其主要岩土层工程地质特征如下：

人工填筑土(Q4me)：杂色，为碎块石组成的隧道红层弃渣，一般位于坡体上部，沿原地表倾倒，填筑，厚度3～8 m，级配不良，较为疏松，均匀性较差。

碎石块石(Q4c+dl)：红褐色为主，局部为黑褐色夹红褐色及土黄色条带，多夹有块石，最大粒径约1.8 m，块石以砾岩为主，碎石成份以强风化的砂岩及泥岩团块为主，稍湿，稍密，钻孔揭露厚5～8 m，分布于犀牛江左岸岸坡。

卵砾石(Q4al+pl)：分布于犀牛江河床，浅青灰色，饱和，稍密，分选性差，亚圆、次圆形颗粒组成，骨架主要由灰岩、砂岩、砾岩碎屑构成，砂土充填，最大粒径为13 cm，厚0～14 m。

砂砾岩夹泥岩(K1d3)：呈红褐色，钙铁质胶结，岩体较坚硬完整，砂质结构，层状构造，层理发育，倾角10°～30°；砾岩:青灰色，局部呈红褐色，砾石成份以灰岩、砂岩为主，次圆状，钙铁质胶结，岩体较坚硬完整；泥岩：暗红色，泥质结构，块状构造，岩体软弱，易软化、崩解。

2.2 水文地质特征

工程区地表水为犀牛江(西汉水)源于西秦岭南麓之罗家堡，经天水、礼县、西和县、成县，于陕西略阳县汇入嘉陵江。西汉水甘肃境内流程212 km，流域面积9 657km2，多年平均流量为48 m3/s，多年平均年径流量15.14亿m3，多年平均最小流量8.37 m3/s，多年平均最大流量796.6 m3/s，实测最大洪峰流量1 830 m3/s，百年一遇洪峰流量为4 322.3 m3/s。

地下水主要为第四系松散岩类孔隙潜水及基岩裂隙水。第四系松散岩类孔隙潜水赋存于卵砾石松散地层中，主要受地表水、大气降水、基岩裂隙水补给，排泄以蒸发为主，一般地下水标高与河面一致；崩坡积碎块石地层中未发现稳定水位；基岩裂隙水主要沿基岩构造裂隙分布，接受冲沟地表水、大气降水的补给，径流滞缓，排泄于河谷及地势较低的第四系堆积物中。

3 边坡滑塌稳定性评价

3.1 滑坡形成机理分析

根据现场调查，造成本次坡体变形主要基于以下原因：该边坡滑塌处自然坡度相对较缓，变形体地层岩性为二元结构。上部为较为松散的隧道弃渣填筑土，下部为崩坡积成因的碎块石土原状土，结构较为紧密，两层土中间多夹有原坡面表层的含砾粉质粘土层。由于上覆土体较为疏松，孔隙大，降雨易于入渗；发育于原崩坡积表层的含砾粉质粘土夹层为相对隔水层，地表水下渗后易沿该层顶面富集，致使两种土层交界面附近土层含水量迅速增大，抗剪强度降低，成为坡体软弱带。以上地形及特有的岩土结构和水文地质条件是产生此次边坡滑塌的重要原因。另一方面，由于降雨河水暴涨，坡脚临河侧的强烈冲刷，前缘垮塌，致使斜坡土体失去支撑，改变原有坡体应力平衡，导致上覆填筑土沿相对较软的含砾粉质粘土层牵引变形是诱发本次边坡滑塌的直接原因。

3.2 参数取值

(1)地震参数

根据国家地震局颁布的《中国地震动峰值加速度区划图》、《中国地震动反应谱特征周期区划图》，公路沿线场地反应谱特征周期为0.40 s，地震动峰值加速度为0.20 g(相当于基本地震烈度Ⅷ度)。

(2)滑体物理参数的选取

上覆滑体主要为隧道弃渣填筑土及崩坡积碎块石土，根据经验及岩土体试验，滑体参数如表1所示。

表1 岩土体物理力学参数

(3)滑带土抗剪强度参数的选取

根据滑带土性质及塑性状态，对现有滑面，在天然状态下软弱带的抗剪强度取反算值，通过给定粘聚力c或内摩擦角φ，反求另一值。粘聚力c计算见式(1)，内摩擦角φ计算见式(2)

(1)

(2)

式中:Fs为稳定系数；Wi为第i条块重量，kN/m；L为滑带长度，m；φ为第i条块滑面倾角，(°)；c为滑带土粘聚力，kPa；φ为滑带土内摩擦角，(°)[2]。

饱水状态下软弱带抗剪强度适当折减并结合经验取值，具体如表2所示。

表2 滑带稳定性计算参数综合取值表

3.3 边坡滑塌稳定性计算

结合该边坡滑塌实际情况，选取张裂缝后部所在部位，选定正常工况，非正常工况Ⅰ(暴雨)与非正常工况Ⅱ(地震)三种工况采用简化Bishop法进行稳定性验算，剩余下滑力计算采用传递系数法进行计算。

根据工程等级、边坡滑塌危害性以及对边坡滑塌诱发的各种因素的了解程度，边坡滑塌推力安全系数取值如下：在正常工况下取1.30；非正常工况Ⅰ(暴雨)情况下取1.20；在非正常工况Ⅱ(地震)取1.15，地震重要性系数取1.7。其稳定性系数及下滑力计算结果如表3所示。

表3 多种工况下稳定性计算及最终剩余下滑力表

通过以上计算可知，现有滑面及潜在滑面在天然工况及最不利工况下剩余下滑力均大于0，稳定系数介于0.858～1.232之间，因此本段滑塌体处于欠稳定～不稳定状态，须制定合理可行的治理措施进行处治，另外，本段滑塌位于甘肃省陇南山区地震带，相关处治设计须满足相应的抗震要求。

4 滑塌体综合处治措施

4.1 处治方案比选论证

(1)农道侧桩板墙+坡脚驳岸墙(方案一)

优点：①桩板墙抗滑能力大，抗滑效果较好；②设桩位置灵活；

③施工工艺成熟，速度快；

④对滑体扰动小，桩位于农道侧，施工方便安全；

缺点：处治费用较高。

(2)农道侧桩基挡墙+坡脚驳岸墙(方案二)

优点：①桩基挡土墙基坑开挖深度小，施工简单方便；

②施工工艺成熟，速度快。

缺点：①由于墙底灌注桩数量较多，施工较慢；②处治费用较高。

(3)预应力锚索框格梁+坡脚驳岸墙方案(方案三)

优点：①预应力锚索可依地形灵活设置；②对滑塌体扰动较小；

③处治费用相对方案一、方案二较低。

缺点：①本段边坡坡体填筑土较松散，预应力锚索框格梁实施后容易导致预应力损失或者失效；②施工工艺复杂，进度较慢。

根据上述三个方案的优缺点综合比较，采用方案一的处治措施作为推荐方案，即在农道靠山侧设置桩板墙，农道坡脚设置驳岸墙永久处治方案+钢管桩临时应急方案。

4.2 滑塌处治措施

根据该段边坡滑塌的地质、水文情况及边坡滑塌产生的原因等，通过计算分析，并结合现场踏勘情况，采用桩板墙支挡、坡脚冲刷防护及综合排水处治方案，具体如下。

(1)应急措施

①隧道左线出口侧设置急流槽，将汇水截排至沟道；

②农道坡脚沿河坎设置两排铁丝石笼，减少水流对河岸的冲刷，以免再引起滑塌；

③封闭坡顶裂缝，防止雨水进入边坡滑塌体，引起再次滑塌。

(2)永久处治措施

永久处治措施主要为抗滑桩支挡、桩顶坡面骨架防护、坡脚冲刷防护及排水设施。

①支挡防护

a沿左线桥下既有农道靠山侧布设桩板墙。抗滑桩采用圆形截面，桩径1.5 m，桩中心距4.0 m，桩长20～25 m，抗滑桩外露高度5.5～3.5 m，外露部分桩间设置混凝土挡土板。全段共设置抗滑桩16根。桩基采用旋挖钻施工，桩身及挡土板采用现浇C30混凝土浇筑。

b结合边坡稳定性计算，综合考虑在桩板墙施工过程中边坡坡体的稳定及左线2#桥墩的安全，沿左线桥下既有农道范围内布设微型钢管桩支挡，钢管桩采用梅花形布置；桩顶设置25 cm厚水泥混凝土农道，钢管内灌注C25现浇混凝土，与桩顶农道连接为整体，形成微型钢管桩结构。

②坡面防护

抗滑桩桩顶预留4.0 m宽平台，设置现浇混凝土排水沟，将顶部坡面汇水引排至路基外侧。按1∶1.5坡率对桩顶坡体开挖台阶、重新回填夯实后设置拱形骨架防护，骨架内码砌植生袋并植草绿化。坡顶左、右线隧道之间平台采用现浇C20混凝土铺砌，以便坡面汇水及时排离坡体，杜绝下渗。

③坡脚冲刷防护

沿农道坡脚河坎边设置现浇C20混凝土驳岸墙，墙高8 m，顶宽0.8 m。在驳岸墙墙趾前设置现浇混凝土护坦，并将应急措施中设置的铁丝石笼置于护坦处，以便在保证驳岸埋深的前提下尽量减少边坡滑塌前缘的过度开挖。

④排水设计

永久排水设施结合应急临时排水措施进行设计。在坡口及裂缝外5 m处均设置截水沟或急流槽，使坡面汇集的水流快速排离，排入急流槽及桥涵构造物，并尽量减少水流渗入边坡滑塌体。对于边坡滑塌体内外的裂缝，采用5%水泥稳定土填塞夯实。

桩板墙及驳岸常水位以上50 cm处设置仰斜式排水孔，排水孔纵向间距5.0 m，以进一步加大地下水的排泄，充分降低地下水位，增大滑塌体下部的抗滑力。

4.3 滑塌处治后稳定性验算

采用以上综合措施处治后，对该段滑塌边坡在三种工况下的稳定性均进行了稳定性验算，其结果均满足规范要求。该边坡施工治理结束至今，未发现异常变形，有效保证了隧道洞口及桥梁墩柱的安全。

5 工程总结

(1)临河路基或岸坡坡脚必须设置防冲刷措施，防止暴雨或连续降雨情况下，河道水位上涨，对岸坡前缘冲刷侵蚀造成边坡失稳滑塌；

(2)公路必须设置完善且有效的排水系统，尤其桥隧短路基衔接处等容易忽视的位置，更应加强设置排水设施，做到排水通畅，减少边坡水毁灾害；

(3)施工过程中，桥下岸坡、隧道洞口岸坡等附近位置严禁随意弃土，以免造成松散土体变形失稳，引起次生滑塌，威胁公路安全；

(4)该段滑塌已治理完成，目前边坡稳定，经历了两个雨季的考验，未见异常变形，说明该边坡治理取得了显著效果。