山区高速公路差异风化边坡工程滑坡治理研究

曹正 CAO Zheng；雷天 LEI Tian；保石才 BAO Shi-cai；魏栋梁 WEI Dong-liang

（①云南省交通规划设计研究院，昆明 650031；②长安大学公路学院，西安 710061）

（①Broadvision Engineering Consultants，Kunming 650031，China；②Highway Institute of Chang'an University，Xi'an 710061，China）

0 引言

滑坡是指斜坡上的岩土沿坡内一定的软弱带（面）作整体地向前向下移动的现象[1]。自然坡体在开挖卸载后，坡体应力得以释放，坡体稳定性下降，在不利情况如强降雨等因素诱发下，容易产生工程滑坡，山区高速公路建设中经常遇到此类情况[2]。近年来，我国公路建设有了较快发展，尤其是随着高速公路向山区的延伸，公路建设中遇到的高边坡与滑坡、长大埋深隧道等复杂艰险的工程地质问题也越来越多[3]。并且山区特殊的地形和地质环境，高边坡开挖很容易引起边坡变形导致滑坡等灾害的发生，既会增加工程投资延误工期，还会给运营安全留下隐患[4]。因此，山区高速高速公路建设中出现的高边坡与工程滑坡等病害，也越来越受到交通主管部门及建设单位的重视。针对这种情况，如何根据实际的边坡工程地质情况，选用合理的方法灵活治理滑坡以保证边坡稳定，已成为山区高速公路建设中的重点工作。

以云南省保山至腾冲高速公路K8+920～K9+160段高边坡工程滑坡治理为例，通过数理建模完成滑坡稳定性分析，依据现场勘察和滑坡状况，提出了针对该路段同种岩性、不同风化程度和表征状态的工程滑坡处理方案，并取得了理想的治理效果，为山区高速公路滑坡的类似治理工程提供实践经验和参考比较。

1 工程概况

云南省保山至腾冲高速公路（以下简称保腾高速公路）K8+920～K9+160段位于云南省保山市龙陵县龙江乡境内，为深挖路堑地段，全长240米，中桩最大挖深34.56m，路线走向328°。该段处于深切割高中山陡坡地貌区，海拔1830～1860，自然边坡陡峻，冲沟较发育，山脊平缓，地质作用以构造剥蚀作用为主。该深挖段因不良工程地质情况及施工开挖扰动坡体等原因，曾多次发生滑塌，且该段由于边坡土质风化程度差异较大而发生了沿不规则风化界面和层面下的错动以及滑移，需要及时采取加固措施进行治理。

1.1 滑动历史及发展过程

保腾高速公路K8+920～K9+160右侧深挖路段原设计边坡为自下而上第1、2级坡比1:0.5，第3级以上坡比1:0.75，分别采用锚杆（索）框格梁防护。施工后该边坡K8+900～K9+012段曾发生小型浅层土质滑坡，滑体由坡面侧向沿全强风化分界线滑动，经清方减载及剪出口反压后基本稳定。其后高边坡路段上部边坡前期施工完毕，2011年3月开始下部第1、2级边坡开挖及防护工作，实施过程中第2级边坡发生局部碎落坍塌，采用浆砌片石填补，2011年4月该段落2级边坡K9+035～K9+123坡体发生局部滑移，第3级已施工框格梁下挫约5cm，并沿2级边坡梁体下部形成深约2米宽窄不等裂缝，同时坡顶外侧K9+040～K9+090段形成两道裂缝，其中一条最大宽度10cm裂缝，现场发现问题后及时停工，对发现裂缝进行灌浆封闭，外侧设置临时截水沟，下部开挖土体回填处理，并予以长期监测。其后在进行滑坡专项勘察及方案设计过程中，该地区连续降雨，第5、6级边坡于6月再次发生坍塌，且边坡土体散落，坡顶原裂缝外缘再次发现同向裂缝，同时第2级边坡K8+980～K9+020段框格梁出现变形断裂，部分锚固节点破坏，判断该滑坡有进一步发展迹象。因此需立即进行坡体抗滑工程治理，减小发生次生滑坡灾害的可能，保证周边坡体安全，减小工程损失。

1.2 滑坡工程地质特征及形成机制 保腾高速公路路线K8+920～K9+160段为深挖明槽，右侧最大边坡高度近50m，右侧最大边坡高度20m，山体自然横坡较陡，坡体岩性为全～中风化花岗片麻岩为主，上覆3～8m不等厚粘土层；地下水类型主要为松散岩类孔隙水、基岩裂隙水。通过现场勘察及观测，发现该路段整体富水，在K9+010位置附近开挖后长期有小股水流排出，连续晴天手触其它开挖裸露岩面，亦为潮湿状态，因岩体风化程度差异较大，原工程地质勘察资料未能完全揭示出风化分界段落。边坡内部随着雨水不断渗入全风化类土质岩层会导致土体容重过大，多余水体不断富集软化片麻岩风化界面引起其抗剪强度大大降低，因此施工期的连续降雨是滑坡范围和规模不断扩大的诱因之一。

该深挖路段不良的地质条件，以及施工过快开挖导致山体应力集中释放，也是滑坡规模不断扩大和加剧的主要原因。该段第四系覆盖层较厚，自然状态下坡体稳定，但路线开挖后形成高边坡，使坡脚地带形成了高陡的临空面，破坏了边坡土体的原有平衡状态，降低了坡体的抗滑能力[5～6]。同时，提供边坡变形空间，在防护加固工程未来得及实施的情况下，由前部向后牵引形成滑动，导致坡顶开裂、边坡失稳。另外，可塑～硬塑亚粘土具高孔隙比、遇水易软化、崩解的特点，受暴雨冲刷下土体抗剪强度迅速降低，极易引起边坡滑塌。同时，由于基岩风化强烈，路线设计标高以上为全～强风化岩石，岩质松软，具遇水易软化特点，对边坡稳定不利。强风化片麻岩节理发育，岩石破碎，夹石英脉，局部相变为花岗片麻岩。片麻岩属软质岩类，开挖暴露后易软化、风化剥落，对边坡稳定不利。

此外，野外工程地质调查发现，岩石片理产状255°∠35°，共发育三组节理，分别为①330°∠61°，节理面平直，无充填物，延伸大于2米；②23°∠74°，节理面略呈弧形，无充填物；③230°∠76°，密度大于20条/米，节理面平直。这三组节理将岩石切割成碎石状，其中第③组为顺坡向，密度大，对边坡稳定影响极大，也为滑坡形成提供了条件。

根据专业人员现场多次勘察，确定该路段不良地质为复合型花岗岩坡体岩土滑坡，按风化程度共分为三种不同岩性：位于边坡两侧低矮边坡为全风化花岗岩段，与覆盖层粘土混合，呈灰白及褐红色土质颗粒状，该段落滑动面主要产生于富水的风化层分界面上，易形成小型滑坡，在其带动牵引下对坡面整体稳定会产生一定影响；深挖边坡中部为中风化花岗岩地段，节理裂隙发育，且部分段落原状节理层面外倾，不利于边坡稳定。目前该段二级边坡施工后锚固已起到一定作用，但受上部荷载、岩性层状、岩体裂隙水、开挖临空面等综合不利条件影响，二级边坡框格梁底部块状岩体被挤出，局部下挫，内部形成挤压裂缝，坡顶产生张拉裂缝，设计前期又再次发生垮塌，因此该段需加强锚固，支挡措施方能保证稳定；上述两层中间为强风化花岗岩岩性段落，分界不甚明显，但岩质较为均匀，目前施工中一级边坡仅该类型岩层段落已予以锚固锁定且未发生破坏，但不排除因两侧滑坡引起牵引滑动的可能，已适当延伸处治范围，力求防护处治一步到位，尽量消除不安全隐患，节约工程造价。

图2 强～中风化片麻岩高边坡垮塌段

图3 全风化片麻岩矮坡反压段

1.3 滑坡稳定性分析 该滑坡段由于岩土风化程度的不同主要分为两段，K8+921.74～K8+984.09段为全风化花岗岩土质边坡滑坡，长85m，宽96m，上覆3～12米不等厚粘土层；K8+984.09～K9+160段为中风化花岗岩类土质边坡，长110m，宽60m，上覆3～8m不等厚粘土层。为确定合适的滑坡治理方案，采用有限元软件Midas/GTS对该边坡在自身荷载作用下位移及应变情况进行了模拟，对原坡体在天然状态下的稳定性进行了分析，以确定在目前已有的防治措施基础上还需增加的加固措施。Midas/GTS是针对岩土工程而开发的有限元软件，该软件具有简洁的界面、前后处理功能强大的岩土材料模型库，能满足大部分岩土体的破坏模式，因此用此软件对边坡工程的建立三维数值模型，比较接近真实情况，且计算结果相对安全[7～8]。

1.3.1 参数选择 本次模型计算主要采用的物理力学参数为岩土体的容重（γ）、弹性模量（E）、泊松比（μ）、粘聚力（C）和内摩擦角（φ）。经过现场工程地质调查和测绘、钻探、原位测试以及室内试验，结合场地边坡工程地质条件及地方经验，综合考虑选取了岩土体的物理力学参数如表1。

1.3.2 模型建立及结果分析 边坡岩土体的本构模型采用修正莫尔-库仑模型，是在莫尔-库仑模型基础上改善的，用于边坡的材料本构模型。模型采用实体单元中的高阶单元划分网格，在上部加密网格尺寸，有利于提高有限元计算结果的精确度。模型的力学边界条件采用前后（y方向）、左右（x方向）、底面（x、y、z方向）约束。

表1 计算采用的物理力学参数

该边坡模型的稳定性计算仅考虑在不采取任何防治措施的天然条件下的滑动趋势。模型计算结果由水平方向位移云图、总位移云图以及最大剪应变云图表示。但由于该边坡岩层沿走向方向相对均匀，变化规律基本一致，为更清楚地显示边坡的位移变形规律，采用X-Z剖断面相关云图来进行分析边坡稳定性。

图4 天然状态下X-Z剖断面总位移云图（变形前）

图5 天然状态下X-Z剖断面总位移云图（变形后）

计算得到该边坡在天然状态下的安全系数为0.1625，即该处挖方边坡由于坡度过陡及在自身重量作用下稳定性很差，处于随时可能滑动的状态。且分析该滑坡段的位移变形图，也可以看出其在边坡下部位移较大，因此在目前已有的处治措施基础上，应该加强对边坡底部的防护加固，采取必要的抗滑支挡工程。

2 滑坡治理

针对该段边坡由于风化程度差异较大而产生的沿不规则风化界面及层面下的错动滑移，本工程采用了两种现场处置措施相结合的方法，即在岩质滑动及开裂路段设置桩间锚杆挡墙，而对全风化类土质边坡采用桩间挡土板进行加固处理，另外为了减弱边坡受雨水及岩隙水的影响，采取相应的内外部排水措施，以期取得所需的治理效果。

2.1 主要工程措施

2.1.1 抗滑桩+挡土板 抗滑桩一般应设在滑坡前缘抗滑段滑体较薄处，以便充分利用抗滑段的抗滑力，减小作用在桩上的滑坡推力，减小桩的截面和埋深，降低工程造价，并应垂直于滑坡的主滑方向成排布置。滑坡治理工程中，全风化花岗岩及已进行清坍的矮边坡段，由于前期削方减载和前端反压措施效果良好，经观测和计算已基本处于临界稳定状态，采取适当清除松散滑坡土体，并以小桩径1.5×2.0抗滑桩，桩间设高度1米的预制钢筋砼挡土板进行支挡方式处理。

图6 K8+940处滑坡综合治理图（抗滑桩+抗滑挡土板）

2.1.2 抗滑桩+桩间抗滑挡墙 抗滑挡土墙一般为重力式挡土墙，以其重量与地基的摩擦阻力抵抗滑坡推力。其布设位置一般是放在滑坡前缘出口处，充分利用滑坡抗滑段的抗滑力以减少挡墙的截面尺寸[9]。滑坡治理中针对强～中风化花岗岩段采用抗滑桩与桩间抗滑挡墙相结合的治理方法，对该段用桩径2×2.5的抗滑桩处理，又由于该滑坡滑面较浅，大部分剪出口在原公路路面以上，且基岩或碎石土层埋深均较浅，在保证工程安全的前提下，决定在抗滑桩间设抗滑挡土，即桩间采用仰斜式C20现浇片石砼抗滑挡墙进行支挡，以防止滑坡进一步发展及桩间体积较大的风化石块开裂挤出。

图7 K9+020处滑坡综合治理图（抗滑桩+抗滑挡墙）

2.1.3 排水措施 为有效排除地表水对滑坡稳定性的影响，设计中在边坡平台裸露部分用混凝土封面并采用向外侧的排水横坡，在滑坡后壁设置了堑顶截水沟，通过急流槽将水导入边沟中，再经边沟入涵洞排出滑坡体外。坡体内部采用外壁打孔土工布反包的PVC管式疏干孔排引坡体水，实际施工根据现有出水点及风化界面进行布设，并通过平台排水沟及桩外边沟引水至滑坡体外部。

2.2 具体处治措施及工序 根据现场实际及会议纪要意见，经过设计人员会同业主、施工方及监理方现场查勘后确定具体处治措施及工序如下：

①上部第5、6级边坡清方减载，平台宽度6m，坡比1：1.5，全坡面外侧设置梯形堑顶截水沟。第2级边坡框格内部打入长度8m仰斜式疏干孔，水平间距10.2m，垂直间距2.5m，品字形布置，第1级边坡K9+010附近布置5根并做好排水通道与护面墙内部排出。K8+940～K8+980矮坡段坡体沿风化界面打入长度8m的疏干孔排引坡体水，并设置排水沟引水至坡体外侧。

②清方荷载反压至现状路槽，高度约5m；清除K9+044.5～K9+085.5段新增滑坡土体至原状土层。

③现场发生张裂及破坏坡段框格内部增设点锚加强锚固，并适当布设疏干孔排除边坡内部水体。

④路线右侧第一台边坡平台外缘设置桩板墙，强～中风化花岗岩段为桩径2×2.5抗滑桩处理，桩中心间距5.5m，桩间采用仰斜式C20现浇片石砼抗滑挡墙支挡；全风化花岗岩及已进行清坍的矮边坡段为桩径1.5×2.0抗滑桩处理，桩中心间距5.5m，桩间设高度1m的预制钢筋砼挡土板支挡。抗滑桩总长16m，其中外露高度5m。

⑤跳槽清理K9+060～K9+120段碎裂岩体，完成桩间抗滑挡墙及挡板施工，并按顺序及时采用浆砌片石充填空洞部分。

⑥理顺排水系统，边坡平台裸露部分采用5cm厚C15砼封面并设置向外侧3%的排水横坡。

图8 边坡处治完工后全景图

3 结语

保腾高速公路K8+920～K9+160段滑坡工程地质条件差，第四系覆盖层较厚，土体松散，力学强度低，软化系数小，遇水易软化失稳[10]。同时，不同风化程度的花岗岩导致坡体沿不规则风化界面下及层面的错动滑移使得滑坡情况更为复杂。路线开挖后高边坡坡脚地带形成了高陡的临空面，在较长降雨期内，使得该段滑坡多次发生滑动且规模一再扩大。

特殊的地质条件决定该段边坡无论高差大小，在各不利因素的共同作用下，只要形成了临空面和滑动带，就必然会向工程边坡坍塌和滑坡不断发展的活动特征。根据其形成机理，通过对工程开挖后形成的滑坡体工程地质、风化程度和现场状况的综合分析评价，本路段分别采用抗滑桩+挡土板和抗滑桩+抗滑挡墙的工程措施，辅以锚固、综合排水等措施而拟定的工程滑坡治理方案，经工程实践检验取得了良好的效果，为类似工程的前期地质病害预判和各阶段方案研究及设计提供了宝贵经验。

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