顏芳華

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

黃土是西北地區(qū)一種典型的第四紀(jì)松散沉積物，其獨(dú)特的物質(zhì)組成結(jié)構(gòu)及所處的地貌構(gòu)造環(huán)境，形成了其獨(dú)特的物理力學(xué)性質(zhì)，即具有干燥時(shí)強(qiáng)度高，失水后結(jié)構(gòu)破壞，黏聚力迅速減少，且變化幅度較大等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)使得黃土地區(qū)邊坡在雨水的作用下經(jīng)常遭遇不同程度的崩塌、滑坡等失穩(wěn)破壞現(xiàn)象[1]，本文以黃土地區(qū)某運(yùn)煤公路高邊坡加固設(shè)計(jì)為例，對(duì)黃土高陡邊坡的加固處治作一探討。

1 工程概況

運(yùn)煤公路位于呂梁中段西部，地貌單元屬黃土梁、峁、溝壑地帶，為典型的黃土丘陵地貌單元，無(wú)破壞性地震，屬于輕震區(qū)，抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g；凍土深度100～130 cm，多年平均降雨量為625 mm，降雨量分配不均勻，多集中于每年6月下旬至9月上旬，溝谷中水流為季節(jié)性流水，雨季降雨期間，地表水沿山坡及沖溝匯集、徑流，為瞬時(shí)-短時(shí)性水流；地下水埋深較深。

該公路建設(shè)單位為山西省呂梁市某煤礦，作為煤炭外運(yùn)的主要通道，于2015年建成通車，全線均按二級(jí)公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)速度60 km/h，路基寬度10 m，瀝青混凝土路面。K4+321—K4+390段以路塹形式從黃土山丘鞍部通過(guò)，并沿山丘斜坡延伸，路塹邊坡開(kāi)挖后形成一段長(zhǎng)約70 m，邊坡高度約26 m的土質(zhì)高邊坡，原設(shè)計(jì)為兩級(jí)邊坡，第一級(jí)邊坡高10 m，第二級(jí)邊坡高16 m，邊坡坡率約為1∶0.3～1∶0.5。

地質(zhì)勘察結(jié)果顯示該段高邊坡地層巖性上部為粉土，粉土層厚度約12～30 m不等，黃褐色，稍濕，稍密-中密，土質(zhì)較均勻，具大孔隙，無(wú)層理，垂直節(jié)理發(fā)育，容易形成黃土陡壁；下伏粉質(zhì)黏土層，黃褐色-棕紅色，可塑，層理狀分布，含少量鐵錳質(zhì)斑點(diǎn)，韌性中等，干硬度較強(qiáng)，粉土與粉質(zhì)黏土層界面處含水率較高。

2 邊坡現(xiàn)狀調(diào)查及失穩(wěn)成因機(jī)理分析

2.1 邊坡現(xiàn)狀調(diào)查

K4+321—K4+390段位于一黃土山丘的鞍部，山丘自然坡度較陡，路基開(kāi)挖后在右側(cè)形成了一段長(zhǎng)約70 m，高度約26 m的土質(zhì)高邊坡，設(shè)計(jì)為兩級(jí)邊坡，第一級(jí)邊坡高度為10 m，設(shè)計(jì)采用預(yù)應(yīng)力錨索擋土板支護(hù)（已施工完畢），二級(jí)邊坡高度約為16 m，邊坡坡率約為1∶0.3～1∶0.5，邊坡坡面及山體未設(shè)置任何防護(hù)加固措施與排水措施，坡面沖刷、剝落嚴(yán)重，部分路段由于沖刷、剝落而在坡面形成凹進(jìn)的反坡地形。該段邊坡上部為粉土，下部為粉質(zhì)黏土；目前一級(jí)邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，二級(jí)邊坡由于高度過(guò)高，坡率較陡，邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，邊坡土體在雨水的作用下已經(jīng)出現(xiàn)了局部滑塌現(xiàn)象；但邊坡上方陡峭山體基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 邊坡失穩(wěn)成因機(jī)理分析

通過(guò)地質(zhì)調(diào)繪及現(xiàn)場(chǎng)情況綜合分析，引起該段邊坡失穩(wěn)的主要原因是設(shè)計(jì)、施工存在缺陷以及不利的巖土層結(jié)構(gòu)組成，具體原因如下：

a）邊坡高度較高，原設(shè)計(jì)坡率較陡，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)僅為0.97，邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，坡面土體沖刷、剝落破壞嚴(yán)重，部分路段已形成凹進(jìn)的反坡地形，進(jìn)一步降低了邊坡的穩(wěn)定性，因此，設(shè)計(jì)存在缺陷，導(dǎo)致邊坡自身穩(wěn)定性不足是造成邊坡滑塌的主要原因。

b）二級(jí)邊坡坡面及山體原設(shè)計(jì)未設(shè)置任何防排水措施，上游山體及坡面匯水無(wú)法及時(shí)引出，雨水沿山體及坡面進(jìn)入土體，導(dǎo)致邊坡土體含水量增加甚至飽和軟化，一方面降低了邊坡土體的抗剪強(qiáng)度，另一方面雨水的進(jìn)入使土體的自重增加，有效降低了邊坡的自身穩(wěn)定性，從而造成邊坡失穩(wěn)坍塌。

c）不利的巖土層結(jié)構(gòu)。邊坡下部為粉質(zhì)黏土，其性質(zhì)遇水軟化，失水崩解，且粉質(zhì)黏土層相對(duì)于上部粉土來(lái)說(shuō)是較好的隔水層；雨水進(jìn)入土體后積聚于粉土與粉質(zhì)黏土層界面處，導(dǎo)致界面處抗剪強(qiáng)度降低，并形成較薄且力學(xué)性能較低的“易滑”層，為失去力學(xué)平衡的坡體提供了良好的滑動(dòng)面[2]，如不及時(shí)進(jìn)行加固，極有可能形成大型滑坡。

3 邊坡加固設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)原則

a）堅(jiān)持自然恢復(fù)與生態(tài)防護(hù)并重、生物防護(hù)與剛性防護(hù)并重、柔性防護(hù)與自然生態(tài)恢復(fù)并重的設(shè)計(jì)原則。

b）采用綜合處治的方法進(jìn)行動(dòng)態(tài)化設(shè)計(jì)，有效治理邊坡滑塌，確保邊坡安全穩(wěn)定。

c）盡量減少對(duì)山體的擾動(dòng)，避免對(duì)原有生態(tài)環(huán)境造成破壞。

d）邊坡加固時(shí)盡量減少對(duì)下部邊坡荷載的增加，避免對(duì)邊坡下部預(yù)應(yīng)力錨索擋土板產(chǎn)生不良影響。

e）坡面不應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間裸露于大氣環(huán)境中。

f）加強(qiáng)邊坡及山體的截排水設(shè)計(jì)，確保邊坡穩(wěn)定安全。

3.2 方案比選論證

預(yù)應(yīng)力錨索框架梁作為一種主動(dòng)加固防護(hù)形式，通過(guò)將錨索體錨入（錨固段）邊坡一定深度并施加一定的張拉力，錨索體通過(guò)鋼筋混凝土框格梁主動(dòng)、適時(shí)地對(duì)邊坡體施加預(yù)應(yīng)力，有效克服或扼制邊坡穩(wěn)定性不利因素的累積和發(fā)展，主要適用于大、中型楔體破壞和潛在裂面滑動(dòng)破壞的坡體，其與放坡對(duì)山體進(jìn)行大開(kāi)挖來(lái)滿足邊坡的穩(wěn)定性相比具有以下幾方面優(yōu)勢(shì)：

a）預(yù)應(yīng)力錨索噴射混凝土框架梁屬于主動(dòng)加固防護(hù)形式，通過(guò)對(duì)邊坡巖土施加預(yù)應(yīng)力，克服或扼制邊坡穩(wěn)定性不利因素的累積和發(fā)展，且對(duì)下部預(yù)應(yīng)力錨索擋土板荷載增加很小，不會(huì)對(duì)擋土板產(chǎn)生影響。

b）避免對(duì)山體進(jìn)行大開(kāi)挖，大大減少了對(duì)原穩(wěn)定山體的擾動(dòng)。

c）原山體自然坡面陡峭，如采用放坡開(kāi)挖方案，放坡后其邊坡高度將超過(guò)40 m，并將產(chǎn)生廢棄土方約7萬(wàn)余方，一方面廢棄土方需另?yè)竦胤酵咨铺幹?，另一方面?duì)原山體良好的植被造成嚴(yán)重影響，與綠色環(huán)保的理念沖突。

d）采用預(yù)應(yīng)力錨索噴射混凝土框架梁加固，工期短，施工方便快捷，對(duì)運(yùn)煤公路的安全運(yùn)營(yíng)影響小，能有效減少施工作業(yè)對(duì)山體穩(wěn)定性的影響。

e）采用噴射混凝土預(yù)應(yīng)力錨索框架梁結(jié)構(gòu)，由于噴射混凝土施工時(shí)沖力大，使得混凝土有較好的密實(shí)性，且混凝土與原邊坡土質(zhì)有較好的結(jié)合性。

f）預(yù)應(yīng)力錨索框架梁格內(nèi)采用客土種植綠化，既可防止框架梁格內(nèi)水土流失，又能增加框格梁的穩(wěn)定性。

3.3 邊坡加固設(shè)計(jì)方案

圖1 邊坡加固工程剖面圖

根據(jù)邊坡的水文地質(zhì)、工程地質(zhì)以及環(huán)境條件，結(jié)合附近高速公路黃土高邊坡的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并考慮到下部已施工的預(yù)應(yīng)力錨索擋土板，因地制宜，在合理選擇各土層力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上經(jīng)穩(wěn)定性驗(yàn)算后，擬采用預(yù)應(yīng)力錨索噴射混凝土框架梁對(duì)邊坡進(jìn)行加固，具體方案如圖1。

3.3.1 清除開(kāi)挖滑塌土方

清除開(kāi)挖二級(jí)邊坡已滑塌的松散土方并平整坡面，邊坡坡率采用1∶0.75，并在原預(yù)應(yīng)力錨索擋土板頂部形成3.0 m寬平臺(tái)（一級(jí)平臺(tái)），邊坡以上的山體維持原樣，盡量不對(duì)其進(jìn)行擾動(dòng)。

3.3.2 邊坡加固

平整坡面后采用預(yù)應(yīng)力錨索噴射混凝土框格梁對(duì)二級(jí)邊坡進(jìn)行加固，預(yù)應(yīng)力錨索長(zhǎng)度為25 m，錨固長(zhǎng)度為15 m，單孔設(shè)計(jì)拉力200 kN，錨孔直徑150 mm，傾角15°，錨索體一束由3根φ15.24高強(qiáng)度、低松弛普通鋼絞線組成，鋼絞線強(qiáng)度為1 860 MPa；框架梁截面尺寸為30 cm×40 cm，框架豎肋和橫梁全部嵌入坡面，單片框格為3 m×5 m，每個(gè)梁節(jié)點(diǎn)植入3束錨索，框格梁采用鋼筋混凝土澆筑，混凝土為C20噴射混凝土。錨索張拉鎖定后暫不剪斷錨索及封錨，待邊坡完全穩(wěn)定后再采用C20混凝土進(jìn)行封錨，若邊坡穩(wěn)定期間由于土體壓縮變形導(dǎo)致錨索出現(xiàn)應(yīng)力松弛現(xiàn)象時(shí)應(yīng)進(jìn)行二次或多次張拉，同時(shí)在后期維護(hù)過(guò)程中應(yīng)定期檢查錨索并及時(shí)調(diào)整預(yù)應(yīng)力。

3.3.3 排水工程

本次邊坡加固注重排水系統(tǒng)的完善，一級(jí)平臺(tái)均設(shè)置平臺(tái)排水溝，邊坡坡頂設(shè)置截水溝，截排上游匯水，同時(shí)在邊坡兩側(cè)設(shè)置急流槽，將截水溝及平臺(tái)排水溝內(nèi)雨水引至下方排水系統(tǒng)，平臺(tái)排水溝采用C20混凝土預(yù)制塊結(jié)構(gòu)。急流槽則采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土為C20噴射混凝土，并在槽底設(shè)置長(zhǎng)2 m的錨桿，增加急流槽在高陡邊坡上的穩(wěn)定性。

4 施工注意事項(xiàng)

預(yù)應(yīng)力錨索噴射混凝土框架梁施工前應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)段進(jìn)行錨索試驗(yàn)，錨索試驗(yàn)數(shù)量不少于3根，最大試驗(yàn)荷載不超過(guò)錨索體承載力標(biāo)準(zhǔn)值的0.9倍；施工前應(yīng)編制安全施工專項(xiàng)方案，并設(shè)置必要的圍擋設(shè)施，防止施工期間對(duì)運(yùn)煤公路的運(yùn)營(yíng)安全造成隱患。施工時(shí)應(yīng)分段分片施工，分段長(zhǎng)度不宜大于20 m，預(yù)應(yīng)力錨索框架梁布置時(shí)應(yīng)因勢(shì)利導(dǎo)采用分片式施工，并根據(jù)地形地勢(shì)條件靈活調(diào)整框架梁的尺寸和網(wǎng)格密度，但應(yīng)以單片梁作為一個(gè)整體進(jìn)行調(diào)整。邊坡穩(wěn)定期間若土體壓縮變形導(dǎo)致錨索出現(xiàn)應(yīng)力松弛現(xiàn)象時(shí)應(yīng)進(jìn)行二次或多次張拉，同時(shí)在后期維護(hù)過(guò)程中應(yīng)定期檢查錨索并及時(shí)調(diào)整預(yù)應(yīng)力。雨季施工時(shí)應(yīng)做好施工組織安排，確保設(shè)置的臨時(shí)截排水設(shè)施排水通暢。平臺(tái)排水溝和急流槽施工時(shí)基底必須夯實(shí)。

5 結(jié)語(yǔ)

高邊坡的失穩(wěn)破壞影響因素眾多，因此在進(jìn)行邊坡加固設(shè)計(jì)時(shí)，首先要結(jié)合工程所處的地質(zhì)環(huán)境，正確分析邊坡的失穩(wěn)機(jī)理，合理分析高邊坡可能出現(xiàn)的破壞情況，并結(jié)合工程特點(diǎn)，綜合考慮施工方法和經(jīng)濟(jì)條件，經(jīng)穩(wěn)定性驗(yàn)算后提出相應(yīng)的加固方案。目前該段高邊坡加固處治已剛剛施工完畢，從施工完成后近一個(gè)月的變形觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，該段邊坡已基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。