沈海复线福安至蕉城漳湾段高速滑塌边坡病害分析与治理

■王伟伟

(福建省交通规划设计院有限公司，福州 350004)

1 引言

福建省位于中国东南沿海地区，地形多以山岭、丘陵、台地和滨海平原为主，丘陵段落多为半山，夹杂着谷地，沟谷纵横，地形起伏大，地下水发育丰富。受地形限制，在省内山区公路建设过程中，沿谷地与山脊交错修建的道路工程愈来愈多；因此，沿线公路不少路段出现单侧多阶路堑边坡。近年来，随着极端天气的频繁出现，路堑边坡滑塌时有发生引起广大学者和工程技术人员的重视，然而由于山岭丘陵地区工程地质条件的复杂多变性，受汛期持续降雨及瞬时暴雨影响，公路边坡失稳坍塌依旧频繁。本文通过沈海复线福安至蕉城漳湾段高速(桩号K102+100～+364.372)左侧边坡滑塌治理的工程实例，对路堑边坡病害成因进行分析，并提出修复方案，治理成效显著，可供类似山区公路工程借鉴。

2 工程概况

2.1 地形地貌

工程位于福建省宁德地区福安市境内，为沈海复线高速公路段，路宽24.5m。其中滑坡区K102+100～K102+364.372段位于山坡地段，总地势为东部高，往西呈阶梯状降低，坡体地形上陡下缓，后缘山坡坡度约30°，多松树林分布，前缘山坡坡度较缓，约10～15°，受村民改造影响，呈台阶状分布，多种植茶树，表层土体为坡积碎石土，结构松散，多孤滚石分布，水位埋藏浅。

2.2 地层岩性

根据现场、钻孔资料，滑坡区的地层主要为凝灰熔岩及风化层。表层由坡积碎石土体组成，厚度约1.00～11.90m。坡体表层见大量孤滚石分布，块径以0.5～2.0m为主。各岩土体分述如下：

①坡积碎石土(Qdl)：灰黄色，松散～稍密状，稍湿，灰黄色，成分以碎块石为主，占50%～60%，粒径4～18cm，块石约20～40cm，含有40%～50%的粘性土，性质变化较大，透水性强。

②残积粘性土(Qel)：黄褐色，可塑，稍湿，以粘粉粒为主，粘性较好，浸水易软化、崩解。该层为高液限土，液限ωL(100g锥)为 53.7%～67.5%。

③全风化凝灰熔岩(J3n)：灰黄，原岩结构较清晰，风化强烈，主要矿物成份为长石、石英，长石大部分风化为粘土，以粉粒为主，浸水易软化、崩解。该层为高液限土，液限ωL(100g锥)为 63.7%。

④砂土状强风化凝灰熔岩(J3n)：岩体结构面矿物粘土化严重，浸水易软化、崩解。该层为高液限土，液限ωL(100g锥)为53.1%。根据野外地质调查，该层见两组平滑节理裂隙面：340°∠50°，见黑色矿物成分，略有擦痕；140°∠10°，裂隙面粘土化，见有擦痕，结构面倾向与边坡坡面倾向相近，不利于拟开挖边坡的稳定。

⑤碎块状强风化凝灰熔岩(J3n)：灰褐色，原岩结构清晰，风化较强烈，主要矿物成份为长石、石英，岩芯破碎，呈碎块状，敲击易碎。发育有一条节理密集带(f01a)产状：287°∠80°，宽 3～5m，根据钻孔 K5、K8 钻孔揭示，节理带内节理裂隙发育，岩体破碎，裂隙面呈灰褐色，有铁锰质侵染，部分矿物风化。

⑥中风化凝灰熔岩(J3n)：青灰、灰褐色，晶屑凝灰熔岩结构，块状构造，主要矿物成份为长石、石英，节理裂隙发育，节理面呈灰褐色、见次生矿物，岩体较破碎-较完整。

2.3 水文地质条件

原山坡坡体未见地表水流，开挖的坡脚多处见泉眼水出露，该段坡体渗水总流量约10m3/d。该坡体所属山脉近南北走向，植被发育，汇水面积较大，约84000m2。

滑坡区的地下水类型为残积层、风化带孔隙裂隙水，地下水赋存于残积层、基岩风化带的孔隙裂隙中，总体地下水水量较小，自东向西排泄。地下水的补给来源主要为大气降水，调查期间见有地下水沿坡积层底界或风化层裂隙渗出，其软弱夹层地下水运移较为活跃。地下水稳定水位埋深 4.5～9.4m(晴天)。

2.4 原设计简介

K102+100～+364.372左侧原设计为2～3阶挖方路堑边坡，边坡坡率为1∶1.25、采用拱形骨架植草防护。

2.5 病害概况

病害原始地形较为平缓，坡体上陡下缓，坡度约为10～35°，根据现场调查，边坡开挖至第一级平台。受持续降雨，该段落出现2处不同程度的病害情况，K102+115～+165段坡顶截水沟位置形成长约55m，20～40cm宽的裂缝，缝宽5～10cm；坡体可见有地下水出露，流量约0.04～0.05L/s，其中 K102+155～+165 段第二级坡面出现坍塌(图 1)。

K102+250～+340段第二、三阶坡形成长约80m的滑塌(见图 1)，坡脚可见地下水出露，流量约 0.08～0.1L/s。 后缘拉张主裂缝位于坡顶截水沟位置，土体下错约1.2m，剪出口位于坡脚，前缘滑坡鼓丘，明显鼓胀隆起，滑塌位置坡面有水渗出，水量较大。滑塌平面上总体呈不规则的圈椅形。滑塌主轴长约30m，滑体厚度约为5m，体积约0.7×104m3。推测潜在滑动区为沿下伏全风化岩层顶面滑动，滑体厚度约13m。

图1 K102+155～+165段第二级坡面坍塌

3 滑塌边坡病害成因

滑塌边坡的形成和发展变化由多种因素控制和影响，包括地质原因、气象与水文因素、人类工程活动等。

3.1 地质原因

滑塌产生的地层主要为侏罗系南园组(J3n)凝灰熔岩及其风化层，表层为坡积碎石土及残积粘性土层。原地貌山坡上陡下缓，表层为坡积层，含孤滚石，边坡开挖后易滑塌。凝灰熔岩风化层中矿物成分粘土化严重，细颗粒含量较高，约71%～89%，且均为高液限土，易饱水软化，岩体饱水后极易产生软弱带，导致边坡滑动失稳。

发育有与开挖边坡坡向顺倾结构面(见图2)，受持续降雨地表水下渗影响，雨水沿坡面、裂缝渗入坡体，逐渐将外倾裂隙面软化、贯通，形成软弱滑动面。

图2 顺倾裂隙面

3.2 气象与水文因素

滑塌坡体水位埋藏浅，约4.5～9.4m，因此坡体表层残积粘性土及全风化土层长期处于饱水状态，岩土结构软化严重，土体内易形成软弱带。降雨是触发和形成滑塌等病害的主要因素，由于坡体东西向的山体较高，汇水面积大，坡体附近地形较缓，坡面排水条件不良，暴雨和长时间的持续降雨，一方向对斜坡岩土体进行冲刷和软化，一方面补给地下水，使其水位迅速升高，动水压力和静水压力加大，循环交替作用加剧。由于降水的影响，造成岩土体处于饱和软化状态，使其斜坡的岩土体重度增加，抗剪强度降低，最终导致滑动面的形成和滑塌产生。

3.3 人类工程活动的影响

边坡的开挖，边坡外侧土体卸载，破坏了边坡岩土体的天然应力平衡状态，坡顶线附近形成张力带，产生拉张裂缝，而坡脚应力集中，产生挤压破坏现象。在坡脚处形成了较陡的临空面。对滑坡的整体稳定性有较大影响，目前边坡只开挖两级已出现滑塌病害，可想而知，若边坡开挖至路基标高位置，将形成范围更大的变形，更大规模的滑坡产生。

4 滑塌边坡病害治理

4.1 稳定性分析

在对滑坡的病害成因进行初步判定后，采用边坡稳定性计算软件Geo-slope对K102+224和K102+284两个主断面进行计算分析。分为浅层滑面和推测潜在滑面进行计算，根据浅层滑面所处的状态，反算滑坡坡体坡残积粘性土强度指标。再根据反算指标及土工试验的土体力学参数，计算滑坡推力，滑坡治理后需达到规范要求[1]的安全系数计算预应力锚索需提供的抗滑力。

根据地质勘察及岩土试验资料，结合坡体地质结构和地下水的发育特征，采用Geo-slope软件和Morgenstern-Price方法对滑面进行反算[2]。得出坡残积粘性土C、Φ值见表1。根据试验结果，坡残积粘性土的天然重度为16.7kN/m3，饱和重度为 17.5kN/m3。

表1 土层主要物理力学指标表

根据《公路路基设计规范》，高速公路滑坡设计安全系数正常状态下取K=1.20～1.30，本次设计在正常状态下取K=1.25;在非正常工况Ⅰ取K=1.10～1.20，本次设计在非正常工况Ⅰ取K=1.15。采用传递系数法计算滑坡推力，计算结果见表2。

表2 坡面稳定性计算结果表

根据计算结果由表2可知，该边坡K102+284断面在两种工况下均不稳定，在暴雨状态下稳定性最差。通过上述计算，所得结果与实际状况相符，在天然工况或暴雨工况下均为失稳状态；K102+224断面在天然工况下为基本稳定状态，在暴雨工况下为欠稳定状态。

4.2 方案计算

计算过程中，路堑挡墙抗滑力取值为150kN/m，锚索根据不同断面的锚固力取值分别为137.5kN/m和100kN/m。采用 Geo-Slope软件 Morgenstern-Price方法，对K102+224和K102+284进行验算，加固后的安全系数均可满足规范要求(见图3、图4)，说明该方案是可行的。

4.3 工程治理

根据滑坡规模、地形地貌、地形地质条件、主要作用和诱发因素、破坏机制和模式、目前的稳定状态及其发展趋势，采取截排水、卸载、反压和支挡、锚固等措施进行综合治理。具体工程治理措施如下：

图3 K102+224加固后安全系数

图4 K102+284加固后安全系数

4.3.1 坡体加固

根据该段落的病害特征和稳定性现状。考虑该边坡K102+244～+364段地面线较平缓，同时坡面加固需清除已滑塌虚方，故对该段落边坡进行刷坡卸载，并采用预应力锚索框架结合坡面支挡进行防护。K102+100～+244段坡脚进行支挡，第二级坡面设置支撑渗沟，渗沟间坡面采用小导管注浆+30cm厚浆砌片石封闭。具体措施如下(见图 5、6)：

(1)K102+120～+170 段第二级采用 1∶1.5 坡率刷坡，设置12m宽平台；

(2)K102+254～+350段第二、三级采用1∶1.25坡率刷坡，第二级设置16m宽平台，第三级设置4m宽平台，两侧与现有坡面顺接；

(3)第二级K102+100～+229段采用支撑渗沟防护，渗沟间坡面采用小导管注浆+30cm厚浆砌片石封闭；

(4)第二级K102+231～+361段设置预应力锚索框架加固，其中K102+270～+310段设置小导管注浆临时支护坡面；第三级K102+271～+335段设置预应力锚索框架加固；

(5)K102+100～+230 段、K102+270～+364 段设置 8m 高挡墙；

图5 滑塌边坡处置平面

图6 预应力锚索滑坡治理典型断面

(6)K102+230～+270段第一级增设A型半挡墙；

(7)K102+100～+270段第一级挡墙墙面增设锚索地梁，间距4m。

4.3.2 排水设计

水是诱发边坡体失稳的主要因素之一，排水工程对边坡体稳定性起到十分重要的作用。①在滑坡后缘及分级平台位置设置截排水设施，防止地表水渗入地下影响滑坡体的稳定性。②坡体设置排水平孔对于有泉眼出露的地层，酌情加密设置排水平孔。③K102+190～+235段为山凹部位，汇水量大，在第一级平台位置设置集水井，通过排水孔排出。

为保证施工安全及边坡稳定，施工及运营期间布置有地表位移监测、深孔位移监测、地下水位监测及锚索预应力监测，以检验工程效果。目前该工程已竣工一年，经历水位升降循环及极端暴雨工况，路堑边坡未发现滑移迹象，达到预期的治理效果。

5 结论与建议

(1)对于覆盖土层较厚，锚固地层较深的多阶边坡，从适用性考虑，采用预应力锚索框架治理滑塌边坡有独到的优势。

(2)使用预应力锚索框架加固防治边坡，宜遵循自上而下开挖一级加固一级的施工顺序，待上一级锚索张拉后再开挖和加固下一级边坡，也可根据工程的实际状况，对每一级边坡进行分层、分段施工，既减小了边坡施工对边坡的扰动，又可避免因施工不当引起边坡病害。

(3)由于福建多为山岭丘陵地貌，公路多在山区穿行，工程设计时很难把每个边坡的地质条件完全勘探清楚，这就需要对边坡进行动态设计。可通过增减锚索的根数和锚固深度调整锚固力的大小来适应现场防护边坡的需求，辅以反压、支挡等加固措施。