针对高边坡设计与加固分析探讨
1、问题的提出
一般认为高度大于30m的岩质边坡为高边坡,土质边坡大于20m即为高边坡。高边坡的稳定性问题在铁路、公路、矿山和水利建设中早已存在,近年来在高速公路建设中尤其突出。高边坡的稳定性受控于边坡所在岩土体的基本特性——地层岩性、地质构造、岩体结构、坡体结构及水文地质条件等,以及人为改造的程度——开挖高度、坡形和坡度。由于地质体的复杂性、多变性和不均质性,使得高边坡设计也十分复杂,至今还作为一种特殊设计而无章可循。
低等级公路由于标准低,路基窄,开挖量少,高边坡不多。但随着山区高速公路的发展,路线等级高,路基宽,开挖量大,出现了大量高边坡,也发生了众多高边坡变形和破坏,既增加了投资,又延误了工期,甚至造成已有工程的破坏。如京珠高速公路,广东北段高度大于30m的边坡近300处,治理滑坡和高边坡加固花费近8亿元。某高速公路长147km,大于30m的边坡近300处,治理滑坡和边坡加固花费5亿多元,重庆市万州至梁平高速公路有20余公里设在砂泥岩顺层地段,几乎所有的高边坡开挖后都发生了变形,加固边坡花去近2亿元。安徽省徽杭高速公路在开挖过程中产生大量高边坡变形问题,成为制约投资及工期的最主要控制因素之一,如何设计使高边坡稳定,如何正确认识影响高边坡稳定性的因素已引起众多技术人员的重视。
2、影响高边坡稳定的因素分析
根据边坡工程从“产生原因”到“防治对策”的总体思路和原则,我们认识高边坡,分析高边坡,首先应从边坡病害的形成条件、影响因素入手,分析影响路堑高边坡稳定的主要因素,搞清边坡病害的形成条件,使设计工程有的放矢,最终保证设计工程经济合理,安全可靠。
概况而言,影响路堑高边坡稳定的因素主要可归纳为以下3个方面:
2.1路堑高边坡的工程地质特征工程地质特征是判断边坡稳定与不稳定的主要内因,它包括以下几个方面:
（1）地层岩性:地层岩性及其组合是构成高边坡的物质基础,岩性决定岩石的强度,抗风化能力,岩体结构及所能保持的边坡高度。岩石软弱,风化深度大,构造破碎严重,当切坡高度、陡度达到一定值时会发生失稳现象。
（2）地质构造:地质构造决定岩层的产状,节理裂隙的性质及发育程度,断层破碎带的性质等,这些因素又决定了路堑边坡的岩体结构。受构造的影响,如高边坡体上节理裂隙发育,岩体破碎,将严重影响路堑高边坡的稳定性,局部边坡的稳定主要受倾向临空不利结构面的控制。
（3）边坡岩体的风化程度:岩体风化一方面破坏了岩体的完整性,另一方面使岩石物质成份发生变化,导致岩石物理力学性质的改变,直接影响岩体的强度及构造特性,进而影响路堑边坡的稳定。风化程度一般分为四级,即全风化、强风化、中风化、微风化。不同的风化程度表示着岩石受改造的程度及其力学属性的差异,同时也预示着其变形特征及主要影响变形因素的改变。如残积层及全风化呈砂土状岩体构成的高边坡的稳定性,节理裂隙已不起作用,起控制作用的是土状岩体的强度能否支撑设计的坡度、坡高;强风化碎裂结构岩体或风化呈碎石夹砂土状岩体,由岩体强度、破碎程度及构造面的组合及其与临空面的关系等共同控制边坡的稳定性;中～微风化软质岩石,主要由岩体结构面及岩性控制边坡设计,中～微风化硬质岩石,主要由结构、构造面组合及其与临空面的关系控制坡形、坡度的设计及其加固工程措施。
（4）水文地质条件:水是造成边坡失稳的重要因素,地下水软化岩（土）体,降低其强度,增大容重而增大了下滑力,产生静、动水压力,产生边坡的失稳。坡体内具丰富的地下水,岩性软弱,往往导致大规模变形如坡体滑坡、边坡滑坡的产生,是否具地下水及地下水发育程度是评价边坡稳定的重要元素。
2.2路堑边坡的设计措施
路堑边坡的开挖是对自然应力状态的重大改变,是造成边坡失稳的直接原因,因此路堑边坡的设计措施是否合理是决定路堑边坡稳定的关键,它包括确定坡形、坡度、边坡高度和防护结构的类型等。故在一定的工程地质条件下,路堑边坡的稳定性取决于设计措施是否与地质条件相适应。
2.3施工方法、工艺及施工顺序
施工方法、工艺及施工顺序对路堑边坡的稳定也有很大影响,故应结合不同地质条件及工程特性,在设计合理的前提下,做好施工组织,选择有效的施工方法及工艺,尤其做好开挖与支挡工程的有机配合。如对危重病害边坡,必须分级开挖,随即支挡,挖一级,支挡防护一级,再向下挖。若一挖到底再防护,可能发生新的变形,增加投资及影响施工进度。又如高边坡加固采用锚固工程,近二十年来在国内外大量应用,比较成功。但锚固工程主体为地下隐蔽工程,且工程质量与施工技术密切相关,对锚固工程施工队伍的专业技术水平要求较高,应选择有经验、责任心强的施工队伍,并加强施工质量监督与管理,确保边坡稳定和结构安全。
除上述因素以外的其他一些次要的外在条件,如破坏植被,上部荷载情况等,均对边坡的稳定有一定的影响。
3、路堑高边坡破坏类型及其防治对策
路堑高边坡的变形破坏类型有多种,从工程防治的难易和投资多少考虑,常按其变形规模和范围分为坡体变形、边坡变形和坡面变形。
（1）坡体变形:边坡所在山体或斜坡体工程地质条件较差,有不良坡体结构或岩体结构,有贯通且延伸度长的倾向临空的不利结构面或软弱夹层,地下水发育,影响范围深、边坡高度高,会产生规模较大的滑坡、崩塌、错落和坍塌等坡体整体失稳变形,其范围常超出边坡范围。针对此类坡体变形,结合坡形、坡度设计,必须采取工程支挡措施,如抗滑桩、预应力锚索框架、抗滑挡土墙等,用以固脚强腰,同时辅以必要的排水及减重等措施,确保坡体的稳定。由于此类变形规模大,危害严重,常是边坡稳定性评价的重点。
（2）边坡变形:在边坡范围内工程地质条件较差,或含水量高,或有倾向临空的不利结构面,变形破坏可以是一级或数级边坡的变形,但破坏深度一般不超过6～7m,在边坡范围内发生如坍塌、浅层滑坡、局部楔形体滑动等。针对此类边坡变形病害,采用改变坡形、坡度或作一些如锚杆框架、仰斜排水孔等一般加固及排水措施,即可防止病害的发生及变形规模的进一步扩大。
（3）坡面变形:坡体、边坡自身是稳定的,但坡面在外界因素作用下,因剥蚀、风化、冲刷等产生坡面变形,如碎落、剥落、落石、溜坍、冲沟等,破坏深度一般为坡体表层1～2m范围,此类变形只需采取防护措施（如护面墙、浆砌片石护坡、拱形骨架内植草、网格骨架内植草等）,即可防止坡面的变形。针对坡体变形、边坡变形、坡面变形,相应的应求得坡体稳定、边坡稳定、坡面稳定,只有三者同时达到稳定,才能做到真正意义上的路堑高边坡的稳定。而这三者是相辅相成的,坡体稳定是边坡稳定的基础,同样,如果没有边坡稳定,坡面稳定无从谈起;而另一方面,坡面失稳进一步发展可能诱发边坡失稳,边坡失稳如不加以有效处理,变形规模扩大会导致坡体变形的发生。
4、高边坡的调查与勘探
调查勘探是高边坡设计的依据,它包括:
（1）收集边坡所在地段的地层岩性,地质构造、降雨、地震及线路平、纵、横断面的设计资料等。
（2）边坡所在山坡的走向、坡向、坡高,各分段的坡形、坡率、坡高;有无剥蚀平台;植被状况;河流、沟谷发育程度,分布密度、切割深度、走向、沟形、沟岸稳定状况;自然山坡上有无变形现象,其类型、规模和产生的部位。
（3）线路在山坡上的位置、走向,欲开挖边坡的高度和形式。
（4）当地同类地层中已有人工边坡的形式和稳定状况。
（5）山坡和边坡上地下水出露位置,高程、流量变化。
（6）边坡地段的地层、岩性、产状、风化程度、强度特征,不同地层在边坡上的分布位置,有无软弱夹层或接触面,其产状及其与边坡开挖面的关系。
（7）地质构造（主要是小构造）的分布位置、产状、发育程度、延伸长度、充填物、含水状况,及其与开挖面的关系。
（8）坡体结构类型,分类均质体结构,近水平层状结构,顺倾层状结构,反倾层状结构,碎裂状结构和块状结构。
（9）边坡施工方法,包括施工季节、开挖顺序和开挖方式（如爆破等）。
（10）边坡变形历史过程,变形类型,发生时间、部位、裂缝分布、发展过程,及其与施工和降雨等的关系。
（11）对地面调查尚不能查清的内容应布置必要的勘探（钻探、物探、坑槽探等综合手段）监测和试验（岩、土、水试验）。一般一段边坡至少布设一个控制性断面,主要了解地层界面、风化界面、软弱夹层及地下水分布情况。
5、高边坡设计的基本原则和方法
5.1设计的基本原则
（1）高边坡根据其使用年限和保护对象的重要性,应是安全可靠的。
（2）高度40m以下的边坡原则上以放稳定坡率为主,大于40m的边坡,放缓边坡可能增加大量弃方,破坏大量植被、增大征地量,于环保不利。应采取较陡的坡率增加支挡加固工程
以减小边坡高度。
（3）由于坡脚应力和地下水集中,加固工程应贯彻“固脚强腰”的原则“,固脚”即加强坡脚1、2或3级边坡的支撑力“,强腰”则是防止高边坡的局部失稳。既要保整体稳定,也要保局部稳定。
（4）高边坡设计应有完善的地表和地下排水系统,减少水对边坡稳定的影响。
（5）高边坡设计应充分考虑环境保护,美化环境。
5.2高边坡的设计方法
高边坡设计目前尚无统一的方法,一般采用三种方法相结合:
（1）工程地质比拟法:从自然稳定坡的调查中寻找可供比拟的坡形、坡率和坡高。
（2）力学计算法:选择符合坡体结构和破坏模式的计算方法对设计的坡形进行稳定性计算,调整坡形或增加支挡工程以达到合理的设计。既保整体稳定,又保局部稳定。
（3）经验对比法:以类似地质条件下稳定的人工边坡作参考设计新的边坡。加固工程目前广泛采用的有预应力锚索框架（地梁、墩）、预应力锚索桩、普通抗滑桩和挡土墙等,应根据实际条件选用。
6、高边坡设计的特殊性
（1）详细的地质资料是设计的前提。前已提到,高边坡是将地质体的一部分改造成为人为工程,其稳定性受控于地质条件和人为改造的程度,设计的边坡只有符合岩土体的地层岩性、结构、构造、风化程度、及强度特征时才能保持稳定。否则就会发生变形。
（2）高边坡设计是预测性设计。由于线长、点多,前期地质调查和勘探中对高边坡重视不够,而且变形尚未发生,因此其设计是在对开挖后可能产生的变形类型、规模、部位的预测中设计的。资料充分,预测准确者取得成功,否则会造成失败。
（3）高边坡设计是风险性设计。地质资料的不足使设计依据不充分,存在某种盲目性。地质条件的复杂多变,难以勘察清楚也使设计具有风险性。自然斜坡是在漫长的地质历史过程中形成的,人工边坡则是在几个月时间内开挖形成,改变了坡体的应力状态,因此开挖后坡体松弛变形、地表水下渗是必然要发生的,如何控制在允许的范围内,人们对自然的认识还有差距,因而也具有风险性。
（4）高边坡设计应该是动态的。由于种种条件的限制,开挖前对边坡的地质情况难以了解清楚,设计也难以完全符合实际。因此要把地质工作延伸到施工过程中,随着开挖暴露,进一步了解地质条件的变化,进行设计的调整或变更,即所谓“动态设计,信息化施工”。
（5）高边坡设计对施工程序和方法应提出严格要求。高边坡变形破坏,既有设计上的原因,也有施工程序和方法不当的原因。如雨季施工大量雨水渗入坡体软化软弱面;不分层开挖、逐级支挡防护,而一挖到底造成边坡变形;大药量爆破造成岩体破碎、软弱面松动,甚至滑坡等。因此在设计文件中对施工程序和方法应提出严格的要求。可以看出,高边坡设计从调查、勘探、设计到施工是一个环环相扣的系统工程,哪一环出现问题都可能造成边坡失稳变形。
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