高速公路边坡滑坡原因分析及防治对策——以京承三期高速公路(北京沙峪沟—市界段)为例

徐洪雨，王英宇，宋桂龙†

(1.北京林业大学草坪研究所，100083，北京;2.北京市京石园林绿化有限公司，102600，北京)

近年来，高速公路建设中广泛应用了生态防护技术来处理工程施工中形成的各种挖、填方边坡，这对于防止水土流失，迅速恢复生态环境，保护边坡稳定起到了积极的作用［1］;然而，由于高速公路建设涉及地域广泛，地质形态各异，某些边坡采用了生态防护处理后，仍然出现了不同程度的滑移和塌陷［2］，使高速公路绿化景观和行车安全受到影响。滑坡是公路边坡的主要病害之一，在高强度降雨的情况下，容易诱发公路边坡发生滑坡。高速公路边坡的滑坡，不仅会给行车安全带来严重的影响，而且还会造成严重的财产损失。对于降雨型边坡滑坡，雨水是主要诱发因素，但对于不同的边坡，引起边坡滑坡的自身立地条件等内在因素会有所差异。笔者以京承三期高速公路(北京沙峪沟—市界段)滑坡边坡为研究对象，通过调查、分析滑坡边坡存在的问题，总结边坡滑坡原因，提出相应的防治对策，以期为高速公路滑坡边坡的植被恢复设计和工程实践提供参考。

1 京承三期高速公路边坡滑坡概况

京承高速公路是《国家高速公路网规划》中大广(大庆—广州)的重要组成部分，全长209.1 km，北京段长132.4 km。京承三期高速公路(北京沙峪沟—市界段)位于北京市密云县东北部山区，起于密云县穆家峪镇沙峪沟，与京承二期相接，止于京冀交界处司马台，与京承高速河北承德段相接，全长62.7 km。京承三期高速公路(北京沙峪沟—市界段)边坡主要有岩石边坡和土石边坡2 种类型，其中以岩石边坡为主。岩石边坡多由弱风化凝灰岩和花岗岩构成，土石边坡多由强风化的片麻岩、页岩等构成。岩石边坡的植被恢复采用客土喷播和厚层基材2 种技术，土石边坡多采用客土喷播技术，截止边坡发生滑坡，已经有2 年的植被恢复年限。

京承三期高速公路(北京沙峪沟—市界段)是山区高速公路，由于边坡坡体的稳定性和植被恢复技术特点，使得边坡在强降雨情况下极易发生滑坡。2011 年7 月末发生大规模降雨，此次降雨的特点是:1)由于对流天气，出现雷暴雨的情况，降雨强度大，月降雨总量达到335 mm，最大日降雨量达到101.6 mm，日降雨量高于往年同期降雨量约25%;2)持续时间长，高强度的降雨间断地持续了4 ～5 d。经过长时间的强降雨后，京承三期高速公路(北京沙峪沟—市界段)边坡发生多处滑坡，下滑的岩土体对高速公路的行车安全带来了严重的影响。

2 调查内容及方法

京承三期高速公路(北京沙峪沟—市界段)边坡发生滑坡后，在现场清理之前，迅速对边坡滑坡的现场情况拍照记录，并笔录了具体的滑坡地点、滑坡类型及其特点。在现场清理的过程中，通过询问相关工作人员滑坡的具体情况，初步分析滑坡的原因。现场清理过后，对23 处滑坡再次进行调查，更深层地分析边坡滑坡的原因。调查的主要内容包括:1)滑坡的形式，包括基质层破坏情况、坡体破坏情况、滑坡的起点以及地上植被破坏情况，总结各处滑坡的具体类型和特点，并使用米尺测量滑坡的面积;2)坡体的坡质，包括岩石边坡坡体的风化程度、节理裂隙发育程度和土石边坡坡体土石体的机械组成特征;3)支挡工程和加固工程，包括滑坡边坡是否建设挡土墙等支挡工程，加固工程锚杆的密度、长度，打入坡体的长度等;4)排水工程，包括坡顶截水沟、坡面台阶截水沟、坡面纵向排水沟、坡脚排水沟、地下排水的建设情况及主要存在的问题;5)地上植被状况及地下根系分布特征，地上植被状况包括乔灌木的高度、密度，边坡植被层总覆盖度，地下根系调查主要为根系入土的深度，与坡体的结合情况。

3 调查结果与分析

对京承三期高速公路(北京沙峪沟—市界段)发生滑坡的边坡进行现场调查。经统计，共计有11个边坡23 处发生滑坡，其中岩石边坡6 个共15 处，土石边坡5 个共8 处，具体滑坡边坡的类型、规模及面积情况见表1。调查统计结果表明，岩石边坡和土石边坡滑坡都有坡体失稳、合体下滑和间接滑坡3 种形式。岩石边坡坡体失稳的面积远比土石边坡坡体失稳的面积大，其中有1 处高陡边坡，坡度超过80°，失稳面积就达到了1 095 m2。

经过现场调查，岩石边坡坡体失稳包括深层失稳和表层失稳2 种情况，深层失稳发生在坡体节理裂隙或发育较好的夹层处，而表层失稳发生在坡体表层的风化层。由植物、基质和镀锌网组成的混合体称为合体，与原坡体间存在交界面，合体在此界面处发生滑落，称之为合体下滑。土石边坡坡体失稳分为深层失稳和浅层失稳，深层失稳发生在坡体深层，表现为圆弧型滑坡，浅层失稳为坡体表层土石体发生流滑，似泥石流。而土石边坡的合体下滑与间接滑坡的情况与岩石边坡的2 种形式较为相似。陈强等［2］在对武汉绕城高速公路边坡滑坡形式的介绍中提到的表层滑溜和浅层滑塌分别与本文中的合体下滑和坡体失稳情况基本一致。

4 滑坡原因分析

滑坡是一种严重的岩土体失稳现象，它的发生离不开各种外部营力作用。引起滑坡的外部营力有很多种，大量的降雨或暴雨是触发滑坡的最主要的因素之一。另一方面离不开不良的地质条件和岩土体结构条件等内因的作用。公路边坡植被为人工植被，工程护坡措施与植被构建均为人为设计和施工完成，因此，边坡滑坡的发生，还有工程方面的原因。

4.1 岩石边坡

4.1.1 排水工程原因 边坡排水工程一般包括地表排水和地下排水。地表排水主要有坡顶截水沟、坡面台阶截水沟、坡面纵向排水沟和坡脚排水沟等形式。地表排水是边坡最常用的排水形式。浅层地下排水主要有盲沟和截水渗沟2 种形式，其深度一般为数米;深层排水主要有仰斜钻孔、垂直钻孔、水平钻孔和集水井等形式，其深度可达数十米［3］。经过对滑坡边坡的调查，岩石边坡排水工程主要存在3 方面问题，分别为排水设施不完善、排水形式不合理和排水设施稳定性不够。

1)排水设施不完善。坡顶截水沟具有拦截外来集水和排水的双重作用，但在工程建设过程中，部分边坡由于地势高的原因，不易被坡外集水入侵，这类边坡坡顶截水沟的建设因此容易被忽视。所调查的6 个岩石边坡中，其中只有2 个边坡建设有坡顶截水沟。若边坡无坡顶截水沟的建设，遇到强降雨天气，坡顶地表积水会对坡面形成冲刷，造成边坡植被的破坏，同时雨水还会沿着岩体原生节理裂隙或发育较好的夹层渗入坡体。随着雨水不断渗入，不仅岩体质量增大，而且岩土被软化，这样就降低了岩体的力学强度指标。岩体的力学强度的降低具体体现在2 方面，即颗粒间黏聚力摩擦阻力减小，坡体的抗滑阻力降低;在地下水位以上的非饱和区会形成上层滞水，瞬态水荷载增加，坡体抗剪强度降低。在质量增大和力学强度降低的共同作用下，坡体容易从裂隙或夹层处发生深层次滑落，甚至整个边坡坡位的滑坡。除了坡顶截水沟对边坡稳定起到很重要的作用外，坡面纵向排水沟对于维持边坡的稳定同样非常重要，它能减轻坡面台阶截水沟的排水压力，但经过调查，6 个岩石边坡均无坡面纵向排水沟的建设。

2)排水设计形式不合理。在2 个建设了坡顶截水沟的岩石边坡中，其中桩号K121+000—K121+200 进京方向边坡的坡顶截水沟为两边高、中间低的形式，中间形成汇水区，设计形式合理性有待商榷。汇水区的形成，在强降雨的情况下，集水涌向坡面，上坡位边坡最先受到影响，如果上坡位边坡发生失稳，则进一步引起下坡位边坡滑坡或间接滑坡的可能性随之增大。

另外，6 个岩石边坡都建设有坡面台阶截水沟，其倾斜角度在10°范围内。倾斜角度过小不利于排水，并且边坡没有坡面纵向排水沟的建设，这样会引起坡面台阶截水沟积水时间延长，雨水大量渗入下坡位，从而增加坡体或合体下滑的概率。

3)排水设施稳定性不够。坡面台阶截水沟为生态袋砌垒而成，坚固性较浆砌片石的坡顶截水沟差，积水多时容易被冲毁。假如边坡上坡位发生滑坡，坡面台阶截水沟根本无法阻挡下滑的泥水混合物，这样就增加了下坡位滑坡和间接滑坡的可能性。

4.1.2 加固工程原因 对于岩石边坡，锚杆是加固边坡稳定性的最常用举措，其主要作用，一是对浅层不稳定坡体进行锚固，将浅层坡体不稳定带来的荷载传至深层，这个过程主要是通过预应力锚杆来实现的，二是对合体的加固作用，将合体固定在原坡体上，这个过程主要是通过预应力锚杆、土钉以及植物根系的锚固共同完成的。调查研究中，将预应力锚杆和土钉称为刚性锚杆，将植物根系称为生物锚杆［4］。经对滑坡边坡的调查，发现岩石边坡的加固工程存在如下问题。

1)刚性锚杆锚固作用不够。在植被恢复初期(1 ～3 年)，植物根系尚不能充分发挥其锚固作用，此阶段对边坡起加固作用的主要是刚性锚杆。所调查的岩石边坡，锚杆长度为20 cm，密度为3.0 m×1.8 m，此规格的锚杆在坡体失稳和合体下滑2 种滑坡形式中，基本起不到锚固作用。降雨情况下，岩体风化层被软化，表层松散土石层遭破坏，合体与坡体之间的摩擦力减小，抗剪强度降低。合体自重增加，摩擦力与剪切力之间的平衡被打破，刚性锚杆被拔出，发生合体下滑。

2)生物锚杆锚固作用有限。有研究［5－6］表明，植物的根系对边坡能起到锚固作用。通过对滑坡边坡地下植物根系的调查，2 年植被恢复期的植物根系主要分布在地下20 cm 范围内，地下生物量较少，根系长度和根系生物量随着土层深度的加深明显降低，此特点与以往对边坡植物根系的调查研究［7］相同。植物根系的主根与边坡夹角随土层深度加深也有减小的趋势，在高陡岩石边坡，根系遇到岩面时会沿着坡面向下生长。根系分布浅、生物量小和生长角度等这些特点都会影响根系的固土效应，除此之外，岩石边坡植物的根系无法扎入坚硬的岩体，在这样的情况下，植物根系对边坡的锚固作用有限。

4.2 土石边坡

4.2.1 排水工程原因 土石边坡坡体的结构不紧凑，与岩石边坡相比稳定性较差，受降雨的影响更为敏感，排水工程对土石边坡更加重要;但是，土石边坡一般具有坡高低坡度小的特点，工程建设中排水工程的建设容易被忽视。

土石边坡排水设施的不完善现象比岩石边坡更严重，在调查的5 个边坡中，都没有坡顶截水沟和坡面纵向排水沟的建设。排水设施不完善，坡外集水或坡顶汇水不能及时疏散，增加了集水冲毁边坡或坡体失稳的可能性。对于土石边坡，雨水可以从坡顶和坡面同时渗入坡体，入渗面积比岩石边坡大很多。另外，土石边坡排水设计的不合理性和排水设施的稳定性与岩石边坡所存在的问题相同。综合分析可知，排水设施的不完善性和坡体稳定性差是土石边坡坡体失稳的主要原因。

4.2.2 加固工程原因 参照岩石边坡加固工程原因分析，土石边坡加固工程主要存在以下问题。

1)刚性短锚杆锚固作用微弱。土石边坡坡体表层存在较厚的土石体层，物质结构松散，刚性锚杆无坚固附着体，常用的短锚杆锚固作用微弱。

2)生物锚杆锚固作用有限。根据根系对边坡浅层土体加固的加筋土原理，根系可以为土体提供附加黏聚力Δc，从而增加原土体的抗剪强度(见图1)。相比岩石边坡，经过2 年的生长，植物根系入土深度能够达到地下50 ～60 cm，在土石边坡，生物锚杆对坡体的锚固作用要强于刚性锚杆;但是，植被恢复年限短，地下生物量小，根系对边坡的加固作用仍然有限。

图1 根系对土体的力学改善机制Fig.1 Mechanical improvement of root on the soil

3)支挡防护工程不完善。在持续强降雨的情况下，土石边坡坡体结构松散的特点使得其较容易失稳，支挡防护工程对土石边坡非常重要。经调查，5 个边坡中只有1 个边坡存在重力挡土墙。

经过以上分析，刚性锚杆的锚固作用微弱和生物锚杆的锚固作用有限是土石边坡合体下滑的主要原因，排水设施的不完善性和坡体本身不稳定特点是坡体失稳的主要原因。另外，支挡防护措施的不完善性，也是导致土石边坡坡体失稳的原因。

4.2.3 坡体稳定性问题 土石边坡的坡体是沉积型的碎石土，是由坚硬岩石碎块和砂土碎屑细颗粒物质混合组成［8］。所调查的5 个土石边坡，坡体的不稳定表现为深层不稳定性和浅层不稳定性。

土石边坡坡体结构不紧凑，透水性好，雨水能快速从坡顶或坡面渗入坡体。雨水渗入坡体后，饱和度提高，坡体内形成暂态饱和区，非饱和区基质吸力降低，抗剪强度下降。随着坡体自重的增加，较容易发生深层滑动［9］，其滑落的过程为典型的圆弧型滑坡，分为三段式。

另外，雨水渗入后，土颗粒泥化，土颗粒之间以及土粒与石块之间的摩擦降低，在重力作用下，坡体浅层比较容易发生土石体流滑现象，似泥石流。由于岩石边坡表层存在土石体，故土石边坡的浅层不稳定性与岩石边坡的表层不稳定性相似。

5 滑坡防治对策

吴宗玺［10］早在2004 年就提出了边坡水害的防治对策，即采用“疏、堵、绿、补”的防治对策。根据京承三期高速公路(北京沙峪沟—市界段)滑坡边坡原因的分析，秉承预防为主的原则，提出以下滑坡防治建议。

1)排水工程建设。排水工程对边坡稳定性至关重要，在设计阶段应尽量确保排水工程设计的完善性及合理性，在实施阶段确保设计的执行和工程质量。除地表排水外，还应加强其他排水设施的建设，如通过地下横、纵向排水盲沟，廊道和水平排水孔等措施来拦截滑坡后缘地下渗水和排放深层地下水。

坡顶截水沟可设计为向单侧倾斜或者中间高、两边低的双向倾斜形式。如果采用两边高、中间低的形式，中间形成汇水区，则必须设置坡面纵向排水沟将汇水转移。坡面台阶截水沟一般较长，建设倾斜角度较困难，可以通过纵向排水沟转移积水来缓解其排水压力。同时在排水工程建设时，不能忽视排水沟尾部集水的转移疏散。

2)加固工程建设。植被恢复初期，植物根系固土作用有限，可通过增加长度和密度提高刚性锚杆加固作用。土石边坡坡体无坚硬附着体，刚性锚杆的使用规格应大于岩石边坡的。在边坡治理过程中，刚性锚杆的使用可参考一些工程示例、行业标准或国家标准，设计采用的荷载效应最不利组合应满足相关的国家规定。韦世卓［3］在海南东线高速公路岩石边坡滑坡治理过程中对预应力锚杆的直径、长度、行距、倾斜角等作了介绍。除此之外，还应加强其他加固工程的建设，如对不稳定岩体采用预应力锚索、抗滑桩加固措施，对不稳定土石体采用土工格室或重力式挡土墙等加固措施。

3)不稳定坡体的清理。边坡建植前期，宜加强对边坡不稳定坡体的清理，尤其是上坡位的不稳定坡体，因为在雨水作用下，上坡位较容易发生滑坡，进而造成边坡下坡位发生滑坡。坡体的清理包括危岩、浮岩，岩体风化层，坡体表层土石体或泥质填充物、石块、碎泥块等［11］。

4)提高基质的抗蚀性。抗蚀性是基质本身的物理特性，与制作过程中各种配料的比例有直接关系。科学合理配制基质，控制好基材与植壤土的比例，增强基质的抗蚀性，降低雨水给基质层带来的危害。

5)提高植被层的盖度。植物地上部分可以阻碍雨滴与基质层的直接接触，减小雨滴下落的势能及集流的动能，从而有效地降低雨水的溅蚀作用、侵蚀作用和渗流作用［12］。另外，植物枯落物还能提高基质的有机质含量，增强基质抗蚀性［13－14］。边坡绿色防护初期，植被根系网络尚未成形，边坡防护层受降雨等影响主要以冲蚀破坏为主。在边坡绿色防护层具有明显防护作用之前还应结合其他工程措施，以防止边坡绿色防护层在植被生长初期遭到破坏，如在渝怀铁路工程中，植被种植初期，通过在坡面加盖土工布，有效地防治了坡面防护层的降雨冲刷［15］。

6)加强雨季防汛巡查。夏季雨季到来之前，提前做好防汛工作，做好边坡排水设施的疏堵工作，尽量将危险解决在雨季之前。雨季到来时，加强巡查，查看边坡排水设施的完整性坚固性，尽量避免滑坡的发生。

6 结论与讨论

1)降雨是滑坡的外因，不良的地质条件和岩土体结构是内因，它们都是不可控因素，而工程方面的原因则是可控因素，通过改善可尽量避免滑坡的发生。

2)排水工程是导致岩石边坡坡体深层失稳的主要原因，具体表现在排水设施的不完善性和设计形式的不合理性，坡体浅层失稳的主要原因则为表层结构的不稳定性。另外，加固工程问题是合体下滑的主要原因，可通过增加长度和密度改善刚性锚杆锚固效应的不足。一般情况下，岩石边坡坡体较稳定，不需要特殊的加固方式。

3)排水工程问题是导致土石边坡坡体深层失稳和浅层失稳的主要原因，主要表现为排水设施的不完善性。加固工程问题则是合体下滑的主要原因，由于锚杆无坚硬附着体，所以加固工程问题不单是锚杆的长度和密度问题。土石边坡坡体稳定较岩石边坡差，一般需要一些特殊的加固方式对坡体进行加固。

边坡滑坡形式多样，原因复杂，是各种不利条件共同作用的结果。对于不同类型的边坡、不同的滑坡形式，引起滑坡的主要原因都各有不同。在对边坡进行原因分析以及进行滑坡防治的过程中，要从多角度出发充分考虑，对滑坡的原因进行综合分析，进行综合治理。

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