福建某高边坡工程综合勘察及稳定性分析

■庄炳勇

（福建省林业勘察设计院，福州 350001）

近年来，随着我国城市化进程的推进，越来越多的生活生产设施被建设于山地、丘陵地带，大量建筑边坡成为威胁建筑安全的主要隐患。 准确查明工程区域内高边坡的工程地质情况是保证工程安全施工投产的重要措施。 传统的工程勘察方法以钻探、井探等为主，通过对勘探点位获取的样本分析结果进行按“点”连“线”，获取工程区域地质界面的分布情况。 但受勘探点密度的制约，该类方法对地质界面实际起伏变化和局部不良地质现象的勘探成果往往与实际情况存在差异[1-2]。 为了弥补传统勘探方法的不足，人们提出了瞬态面波法[2]、高密度电法[3]、超声波[4]等方法。 其中，瞬态面波法可以进行土基分层、地下洞穴探测等工作，并具有数据采集设备轻巧、便于携带等优点，在对重型设备存在较大限制的高边坡勘察工程中具有独特的优越性[4-6]。 本研究对瞬态面波法在某高边坡工程中的应用进行分析， 并基于勘察成果对边坡的稳定性进行评价，可为同类的高边坡勘察防治工程提供参考。

1 工程简介

1.1 概况

本工程位于南平， 边坡坡高约为29～66 m，长度约250 m， 边坡坡面产状为15°～181°∠18°～50°，上缓下陡。 其上部为自然边坡，植被茂密，坡度较缓，下部为分级边坡，坡面岩土直接裸露，坡面未进行防护，且边坡坡度较陡，形成岩土外倾临空面，边坡岩体部分产生崩塌， 局部坡面现少量雨水冲沟。边坡侧壁地层以强风化云母片岩（砂土状）和强风化云母片岩（碎块状）为主，属岩土组合边坡。

1.2 工程地质条件

场地属剥蚀丘陵地貌单元，东、西、北三侧均为山体，南侧为已建客运中心站、物流中心，边坡工程位于场地西侧，其坡脚存在拟建的高层建筑，且设有一层地下室，后续建筑施工过程中将对边坡稳定性产生不利影响， 应考虑边坡和建筑的稳定性，并将坡脚地下室基坑边坡高度计入边坡总高度协同考虑。 根据现场踏勘与钻孔揭示，该区域岩土层结构较为简单，从上至下分为：（1）素填土（局部分布）；（2）坡积粉质粘土；（3）强风化云母片岩（砂土状）；（4）强风化云母片岩（碎块状）；（5）中～微风化云母片岩。

场地地下水主要为埋藏于风化岩层[（3）强风化云母片岩（砂土状）、（4）强风化云母片岩（碎块状）和（5）中～微风化云母片岩]中的孔隙～裂隙型潜水，富水性一般～贫乏，主要接受大气降水补给，受季节性降水影响不大，主要向地更低的相邻风化岩层径流和排泄。场地位于山坡区域，地势较高，坡顶水位埋藏较深，仅在坡脚测得稳定水位埋深为2.0～2.50 m。

1.3 勘探点布设

本次勘探点数量及具体位置依据相关规范、场地地形地貌、支档结构位置、岩土层情况等因素综合确定，勘探线主要沿垂直边坡走向和平行于支档结构进行布置，共布置勘探点50 个，其中控制性勘探点21 个（钻探加面波勘探），一般性勘探点29 个（面波勘探）。 勘察工作采用传统钻探和多道瞬态面波法相结合的综合勘察方法。 面波勘察共布置11 条测线（编号L1～L11），勘探点的相对位置及多道瞬态面波线见图1。

图1 勘探点位置及多道瞬态面波线

2 勘察成果分析

2.1 多道瞬态面波法基本原理

面波—瑞利波在分层层状介质中具有以下特点：（1）在介质中的传播速度发生变化而发生的频散现象；（2）在不同介质中的传播速度与介质的性质密切相关。 多道瞬态面波法就是利用面波在介质中传播的这2 个特点，通过在勘察区地面使用锤击、落重等方式引起一定频率范围的面波后，在多道采集系统的帮助下对时间域中出现的面波成分进行记录识别。 根据记录得到不同波长的面波在垂直方向上的速度变化情况，并据此绘制面波频散曲线，对频散曲线进行定量解释可以得到分层介质的厚度、层速度和分界面深度，同时不同的层速度还可反映介质的力学性质、疏密程度以及在地下的空间分布情况。

2.2 瞬态面波法数据采集及处理

本工程的面波勘察工作过程中使用的面波仪型号为SWS-6，面波勘探线道间距为1 m，12/24 道采集，采用6～9 m 的偏移距，使用4 Hz 垂直地震检波器， 人工使用18 lb 大锤敲击地面激发面波作为震源。 数据信号处理采用频率波数分析法求得面波频散曲线。 通过对每个面波测试点的频散曲线进行分层和层速度计算，确定各层的厚度，计算各层的横波传播速度， 并对获得结果进行反演拟合处理，即可达到定量解释的效果。

2.3 瞬态面波法成果分析

图2 为测试点的面波频散曲线及反演解释图。由面波法的原理可知，不同波长的面波传播特性反映地层介质在垂直方向上的变化情况。 由图2 可知，面波速度随着深度逐渐增大。 深度2 m 以上区域的频散曲线出现了“之”字型拐点。 面波波速在150～170 m/s 间波动，表明此处土体较为松散，主要组成物质推测为坡积粉质粘土， 深度范围2.0～18.7 m 的频散曲线变化较为均匀，18.7 m 以下区域的面波的速率变化幅度逐渐增大，表明18.7 m 处推测为砂土状云母片岩和碎块状云母片岩的分界面，面波波速约250～300 m/s。 对同一剖面上面波勘探点的数据进行整合，将垂直向上面波层速相同的点相连，并赋予代表着不同波速的渐变颜色，即可得到面波层速度彩色剖面图。图3 为测线L3、L5 的面波视层速度剖面图。 水平方向看，由左至右，边坡的风化层厚度逐渐降低，坡积粉质粘土主要存在于坡顶区域；垂直方向看，北侧L3 测面的地层分界面呈水平状， 砂土状和碎块状云母片岩的厚度相近，由浅至深风化程度逐步增强； 南侧L5 测面的地层分界面呈倾斜状，砂土状云母片岩的厚度厚于碎块状云母片岩，且砂土状云母片岩上部区域存在多处条带状低速宜昌区域，表明该区域的表层风化程度更高；对坡脚高程相近的勘探点K13 和K14 进行对比，K13 处中～微风化云母片岩界面的高程约118.7 m，K14 处中～微风化云母片岩界面的高程约112.5 m，存在6.2 m 的高差，表明边坡的风化程度由北向南逐渐加深。

图2 K10 点面波频散曲线及反演解释图

图3 面波视层速度剖面及成果解释图

2.4 钻孔验证

选取K10 点的钻孔综合特征描述表（表1）对物探成果进行验证。 根据钻孔揭露，最上部为第四系坡积粉质粘土，厚2.5 m，同面波成果差距0.5 m；中部强风化云母片岩（砂土状）同强风化云母片岩（碎块状）的分界面深18.3 m，同面波成果差距0.4 m；强风化同中～微风化云母片岩的分界面深32.4 m。对比表明物探结果的准确度良好。

表1 K10 钻孔综合特征描述

3 边坡稳定性分析及支护建议

3.1 边坡设计参数建议

本工程边坡坡高约52～66 m，长度约250 m，边坡坡面产状为92°∠18°～50°，上缓下陡。 由勘察结果可知，该边坡主要为坡积粉质粘土和强风化云母片岩组成的岩土组合边坡，根据室内试验结果结合野外钻探、物探等资料和相关规范，边坡岩土体的主要物理力学参数见表2。

表2 岩土体物理力学参数

3.2 岩石裂隙与稳定性分析

根据对场地的实地勘察，得到场地内风化岩主要发育的4 组节理裂隙产状：（1）J1 裂隙面50°～81°∠45°～80°，延伸长度2.0～5.0 m，与边坡倾向斜交；（2）J2 裂隙面122°～132°∠15°～31°，延伸长度0.4～3.0 m， 与边坡倾向小角度斜交；（3）J3 裂隙面108°～142°∠48°～62°，延伸长度1.0～3.0 m，与边坡倾向斜交；（4）J4 裂隙面265°～286°∠58°～81°，延伸长度0.5～1.5 m，与边坡倾向斜交。 岩石片理产状：158°～170°∠21°～24°，延伸长度0.5～2.0 m，与边坡倾向近直交。

边坡裂隙极点等密和倾向玫瑰花图见图4。 岩层节理、裂隙发育，裂隙的充填物强度相对较低，节理裂隙及层面为相对软弱结构面，因此各裂隙产状与坡面产状的关系影响了边坡的稳定性。 岩层的节理、 裂隙面与开挖边坡的接触关系选取P5 剖面的赤平投影图（图5）。 从赤平投影图分析，J1～J4 各裂隙面倾向与拟支护的边坡面倾向大部分斜交，裂隙的延伸长度均较小，一般不易形成贯通的滑裂面，对边坡总体稳定性影响较小；但片理产状与边坡倾向相近，易沿片理面滑动，对边坡总体稳定性影响较大。

图4 节理极点等密图和倾向玫瑰花图

图5 节理裂隙、片理与边坡剖面赤平投影成果图

3.3 土质边坡稳定性分析

根据现有的山坡形态，选取一些代表性强的地质剖面进行稳定性验算，边坡类型主要为土质或土岩结合边坡（上部土质边坡，下部岩质边坡），边坡稳定性计算采用理正软件内置的圆弧滑动法进行，主要计算参数见表1。

3.3.1 计算工况

共考虑2 种计算工况，①A 工况：边坡土体为天然状态，其强度按天然状态取值；②B 工况：考虑暴雨及长时间降雨， 边坡土体在降雨作用下快速饱和，水头升高，土体采用饱和抗剪强度。

3.3.2 稳定性计算成果

在天然状态下的现有的土岩质边坡稳定性系数一般为2.685～3.968，整体上处于稳定状态，但在大气降水、土体饱和等不利条件的作用下，土岩质边坡稳定性系数降至1.412～1.667，稳定性系数下降幅度较高，可能会出现局部破坏。

3.4 岩质边坡稳定性分析

根据裂隙面产状，裂隙面倾角大部大于边坡面倾角，部分裂隙面在坡面形成锲形体，在受到雨水长期冲刷及外力作用（如地震、爆破震动）等条件下，易出现沿层面局部崩塌、滑动掉落等不良地质作用。 对L4 剖面的下部岩质边坡进行稳定性验算，根据节理裂隙统计结果采用赤平极射投影法进行分析（图6）。

同时选取P5 剖面的岩石片理产状顺坡倾向（见图5 赤平投影结果），当在坡体上附加有其他的作用力，或在暴雨作用下，片理内可能临时充水到一定的高度，沿片理面产生静水压力，易形成滑动；采用平面滑动法假设滑动面为直线型稳定性验算（图7）。

图7 岩石片理稳定性计算简图

最不利破裂面：定位高度为12.063 m，破裂面仰角为24.0°，天然状态安全系数=1.514，饱和状态安全系数=1.110。计算结果表明：岩质边坡总体上处于较稳定状态，但局部存在顺坡向片理或边坡倾角小角度相交的不利结构面，局部岩体被切割成较破碎岩体，在外界影响因素（降雨、施工）作用下，易出现沿结构面产生局部崩塌、掉落或滑动等不良地质现象。

据国家标准GB50330-2013 《建筑边坡工程技术规范》对于一级边坡，一般工况条件下其稳定性系数不应小于1.35，不利工况条件下其稳定性系数不应小于1.15，否则应对边坡进行治理。

3.5 支护建议

根据勘察资料和稳定性计算结果提出以下几点支护建议：（1）该边坡在天然状态下现整体处于稳定状态，但在受到大气降水、土体饱和等不利条件的作用，且边坡坡脚为设有地下室的建筑场地，边坡设计时应考虑坡脚基坑开挖对边坡的不利影响；（2）本场地岩质边坡存在沿结构面或多组结构面组合线，特别是顺坡向片理存在局部崩塌、滑动的风险，应对岩质边坡进行适当加固；（3）采用框架+锚杆进行支护，框架内植草，以防止坡面被雨水冲刷，坡脚设置挡土墙；（4）场地地势较高，各含水层排泄条件较好，但边坡易受降雨入渗和降雨形成的地表水影响，应设置截水沟，做好排水系统。

4 结语

（1）本工程在勘查过程中应用了瞬态面波法同传统钻探方法相结合的综合勘察方法，能够使得勘察的信息更加全面、真实，提高勘察成果准确度和可信度，瞬态面波法适用于此类高边坡工程的勘察工作，可弥补传统单一勘察技术应用的不足；（2）综合勘察成果表明，本工程高边坡为岩土混合边坡，第四系坡积土主要存在于坡顶区域，边坡岩体的风化程度随深度逐渐降低，边坡南部区域的风化程度高于北部；（3）稳定性分析表明，边坡现整体处于稳定状态，但在外界不利因素作用、岩石的片理、裂隙以及后续坡脚建筑物的施工过程中可能会出现小规模破坏等因素，建议采用框架+锚杆方案进行支护。