边坡绿化工程对高速公路边坡稳定性影响研究

王剑琳，王 飞，卿翠贵，邓检良

(1.浙江宁波甬台温高速公路有限公司，浙江 宁波 315040；2.浙江省工程勘察院，浙江 宁波 315012；3.上海交通大学 土木工程系，上海 200240)

1 引言

高速公路边坡绿化日渐引起公路部门的高度重视[1～3]。在我国已有高速公路边坡中，有一大批以护面墙、喷浆、挡墙为代表的加固工程[4～7]，其造成的混凝土的硬质、灰色坡面与周围的生态环境不协调，有悖于生态发展理念。因此，对这些坡面进行边坡绿化可提高公路品质、促进公路的生态文明建设[7,8]。

在绿化工程实施之前，评估绿化工程引入的荷载对边坡稳定性的影响，是一项必须进行的工作[9，10]。边坡稳定性不能因为绿化工程而造成大幅降低，从而影响高速公路的正常运营。特别是针对既有边坡加固工程的坡面绿化，尤其应注意绿化工程对边坡稳定性的影响。然而，目前还没有规范的评估方法。为此，本研究根据稳定性分析理论，并结合绿化工程实例，分析了绿化工程对高速公路边坡稳定性的影响，包括对既有边坡加固工程的边坡稳定性影响。本研究的理论分析和工程实例，可为后续的高速公路的绿化工程提供借鉴参考。

2 稳定性分析方法

为讨论典型的绿化工程对边坡稳定性的影响，结合传递系数法的基本理论[11]，分析绿化工程引起的剩余下滑力变化。

如图1所示，假定绿化工程仅仅引起i条块上的恒定荷载Gi增加ΔGi和地震荷载Qi增加ΔQi，从而引起剩余下滑力增量ΔPi；假定剩余下滑力增量ΔPi的传递系数接近1，并最终由加固工程的抗滑桩、锚索等承担；假定ΔPi引起的边坡稳定性系数变化ΔFs接近于零,并在计算分析的最后阶段校核这个假定。在绿化工程之前:

Pi=Pi-1φi-1+Ti-Ri/Fs

(1)

φi-1=cos(θi-1-θi)-sin(θi-1-θi)tanφi/Fs

(2)

Ti=(Gi+Gbi)sinθi+Qicosθi-R0icos(θ+αi)

(3)

Ri=ciLi+[(Gi+Gbi)cosθi-Qisinθi]tanφi+(R0isin(θ+αi)-Ui]tanφi

(4)

公式(1)～(4)中：Pi为与绿化工程相关的第i条块与第i+1条块单位宽度剩余下滑力；φi-1为第i-1条块对第i条块的传递系数；Ti为第i条块单位宽度重力及其他外力引起的下滑力；Ri为第i条块单位宽度重力及其他外力引起的抗滑力；R0i为第i条块上部外力；ci，φi为第i条块滑带的粘聚力和内摩擦角；Li为第i条块沿滑动面的长度；αi，θi-1，θi，定义见图1。

图1 计算模型示意

在绿化工程之后，由于假定ΔFs接近于零，从而根据公式(2)：Δφi-1=0。

根据式(1)：

ΔPi=ΔTi-ΔRi/Fs

(5)

根据式(3)：

ΔTi=ΔGisinθi+ΔQicosθi

(6)

根据式(4)：

ΔRi=(ΔGicosθi-ΔQisinθi)tanφi

(7)

采用如下计算条件和计算参数，根据公式(5)～(7)，得到单位宽度、单位坡面长度的绿化引起的剩余下滑力增量ΔPi(图2)：Fs=1.2；绿化工程的土层密度1900 kg/m3、厚度0.1 m、与地面倾角γi=10°,30°,60°；绿化用灌木在竖直方向上的荷载150 N/m2(根据文献[12])；土壤和灌木对应的总荷载为ΔGi，不计其他附属材料引起的荷载；地震烈度为8度，对应的地震荷载ΔQi为0.2×ΔGi；φi=30°。

图2 计算结果

由图2可知，绿化土层与地面倾角γi对ΔPi的影响很小，γi=10°,30°,60°对应的曲线几乎重合。其中，θi较大(>30°)时，较小的γi对应较大的ΔPi，其原因是竖直方向上的荷载一定的情况下，较小的γi对应的ΔGi、ΔQi较大。滑动面与水平方向的夹角θi对ΔPi的影响大，当θi较小(<10°)时，ΔPi甚至是负值，即绿化工程可以增加边坡稳定性。ΔPi的最大值也不超过2 kN，在通常情况下，这一量级的剩余下滑力增量远小于抗滑措施能提供的抗滑力，亦即ΔPi引起的边坡稳定性系数变化ΔFs接近于零，式(5)～(7)的计算方法有效；但是对与浅表层滑坡的抗滑措施来说，2 kN也是一个相当大的下滑力，ΔFs接近于零的假设不再成立，建议根据式(1)～(4)做进一步的稳定性分析；此外，如果坡陡(例如60°)，而且坡面长度大(例如10 m)，下滑力将比较大(例如20 kN)，建议进一步考虑其对抗滑措施的影响。

3 工程案例

该工程为甬台温高速公路边坡为向阳边坡，里程桩号为K1565+635～ K1566+045 坡高最高处约58 m(图2)。边坡K1565+635～K1565+950段采用护面墙护坡；其中K1565+910～K1565+950段于2011年9月采用锚索格构梁+后缘硅封闭治理。K1565+950～K1565+990段(滑坡段)在公路施工期间(2000年)曾发生滑坡并于坡脚修建重力式挡土墙进行支挡。2012 年8月受“海葵”台风影响K1565+950～K1565+990段边坡存在再次发生滑动隐患。为此对该段滑坡采用“部分割坡+局部锚杆挂网坡硅+抗滑桩+排水设施”进行第二次加固。治理之后效果良好，未产生新滑移。然而治理工程形成的混凝土硬质、灰色坡面，与周围生态环境格格不入。在恢复边坡植被并重建边坡生态系统的工作中，选取该边坡的挂网喷砼面(1区；面积720 m2)、自然裸露坡面(2区；100 m2)、浆砌石护面墙面(3区；350 m2)及锚索格构护坡坡面(4区；60 m2)进行绿化(图3)。

边坡工程地质结构层如下：

①坡积(el-dlQ)含粘性土碎石(含碎石粉质粘土)：灰黄、黄褐色，厚层状,结构松散～稍密，陡坡处较易塌落。碎石分选性极差，次棱角～次圆状为主，直径一般3～20 cm不等成分主要为流纹斑岩，碎石以全风化状为主，手掰易碎，含量一般50%～70%，粘性土含量15%～30%，余为砂砾。该层主要分布在滑坡后缘，厚度0.5～2.5 m。

②残积(elQ)碎(块)石：灰黄、灰褐色，表部稍密，中下部密实，呈棱角、次棱角状，强～全风化。该层厚0.5～10.9 m，主要为沿滑动面滑动的全风化基岩，滑坡区皆见有分布。

③上侏罗统西山头组(J3x)流纹斑岩，厚度0.5～7.2 m。

根据以上边坡工程地质结构层和滑动面情况，设定；根据加固工程情况，设定；其它计算条件和参数均与上节中设定的计算条件和参数相同。

图3 试验区全貌

图4 试验1区和2区典型截面

对于1区，根据图4，滑动面坡度27°，对应的(图2)为480 N；绿化长度为20 m,相应的总下滑力增量为9.6 kN。

类似地，对于2区，ΔP(图2)为480 N；绿化长度为8 m,相应的总下滑力增量为3.84 kN。

由1区和2区的绿化在单位宽度上产生的下滑力总计13.4 kN。考虑到抗滑桩的截面尺寸为2 m×2 m，水平间距4.5 m，滑坡体厚度8.74 m，因此由下滑力产生的平均土压力增量仅仅0.7 kPa。而且绿化工程中用到的一部分锚杆穿过滑动面，进一步降低了平均土压力增量，并且在绿化工程实施期间没有发生地震，因此最终能监测到的平均土压力增量将小于0.7 kPa。实际上，安装在抗滑桩上的土压力传感器的土应力值在第二次加固工程完成后一直保持在1000 kPa左右，在本研究的绿化施工期间观测不到土应力值的升高。

图5 试验3区典型截面

对于3区，根据截面图(图5)并比照1区和2区的情况，判断其所在的最危险潜在滑动面坡度应远小于27°，所以ΔP(图2)远小于480 N；绿化长度为16.3 m,相应的总下滑力增量远小于7.8 kN。根据工程经验判断，单位宽度上产生的下滑力远小于7.8 kN，其对稳定性系数的影响很小。

图6 试验4区典型截面

对于4区，根据截面图(图6)判断其所在的最危险潜在滑动面坡度不大于60°，对应的ΔP(图2)为1570 N；绿化长度为6.4 m,相应的总下滑力增量不大于10 kN。考虑到加固工程中的锚索的抗滑能力，由绿化工程引起的下滑力增量对稳定性系数的影响很小。

在施工期间和绿化养护期间，对试验区域周边的边坡进行了变形监测，没有监测到明显变形。监测结果符合以上的稳定性分析结果。另外，在绿化工程实施过程中，没有使用大型工程机械，施工过程对边坡稳定性的扰动小；绿化工程的土层厚度仅为10 cm，即使考虑了8级设防烈度，其对应的单位宽度、单位长度上的下滑力增量也不超过2 kN，对边坡稳定性的影响小；绿化工程对原有的加固措施的扰动小，没有降低原有加固工程的效果，甚至还新增一定的加固效果(1区的情况)。这三点是控制绿化工程对高速公路边坡稳定性影响的关键。

绿化工程对稳定性的长期影响，还需要进一步研究。目前为止的观测表明，降雨不会为边坡和绿化工程造成破坏。在生态修复纤维喷播实施后的3个月内，经历了三场台风暴雨(台风“安比”、“摩羯”和“温比亚”)的考验，未观测到明显的侵蚀现象，坡面植物长势良好，边坡无变形(图7)。然而，对于绿化土层对喷浆护面层的不良影响，则需要更长期的观测和更多的实验研究。

图7 三场台风过后的边坡坡面

4 结语

(1)为分析边坡绿化工程对高速公路边坡稳定性影响，结合传递系数法的基本理论，对稳定性计算提出了计算模型。计算结果表明，绿化工程引起的单位长度、单位宽度的下滑力增量可以控制在2kN以内。对于滑动面坡度达到70°的情况，计算所得的绿化土层和植物单位长度、单位宽度引起的下滑力增量仅1.8 kN。

(2)针对挂网喷砼面、自然裸露坡面、浆砌石护面墙面及锚索格构护坡坡面，分析了绿化工程对高速公路边坡稳定性的影响，尤其是对既有加固边坡的稳定性影响。工程实例表明，在满足一定条件的情况下，绿化工程对高速公路边坡稳定性影响小，包括绿化在内的边坡工程能承受台风暴雨的考验。在工程案例中，4个绿化区域引起的下滑力增量小，从而对稳定性系数的影响小、引起的变形小；绿化工程的土层厚度仅为10 cm、绿化工程对原有的加固措施的扰动小、施工过程对边坡稳定性扰动小，是降低绿化工程对高速公路边坡稳定性影响的有利因素。