岩质边坡的稳定性分析及生态防护设计

贺明明

中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710075

随着我国交通网络的不断完善，公路工程建设规模日益扩大。边坡稳定性是影响公路工程安全建设的关键因素，如果边坡稳定性分析不当或防护措施设计不合理，将有可能引起严重的崩塌事故。尤其是路堑岩质边坡受力变形机制复杂，工作人员需要对其稳定性及防护措施格外重视。同时，公路工程建设过程中来自节能、环保方面的压力也越来越大。故选择经济、合理、与自然景观协调的边坡生态防护技术也成为工程人员急需解决的重要问题[1-2]。

1 岩质边坡稳定性的影响因素

1.1 内在影响因素

（1）地层特性。地层特性是引起岩质边坡失稳的重要因素之一，相关统计数据表明，60%以上岩质边坡塌方事故均与地层岩性密切相关。一般情况下，相比新地层，老地层发生边坡塌方的可能性更大；相比硬质岩层，软质岩层发生高边坡塌方的可能性更大。（2）地质构造。路堑岩质边坡容易沿着软弱结构面（节理、裂隙、断层等）崩塌破坏。地质构造的存在使地层中的完整岩体变得破碎，不仅在一定程度上降低了岩体自身的强度特性，还给边坡的崩塌提供了崩塌界面。（3）岩石成分及风化程度。岩石成分会直接决定岩石的基本力学特性。如黏土遇水膨胀，易崩解；云母是片状结构，易顺层劈裂。同时，岩石风化会破坏其完整性，产生一定数量的裂隙，使岩体呈碎块状或松散状，其中微风化和弱风化岩石的边坡稳定性较好，全风化和强风化岩质路堑边坡更容易发生崩塌、失稳。

1.2 外在影响因素

（1）降雨。强降雨往往是导致岩质边坡崩塌的“导火线”。在降雨期间，雨水可能顺节理、裂隙渗入边坡内部，一方面，使边坡岩体的容重增加，增加了作用在潜在滑动面上的竖向荷载；另一方面，在雨水作用下，边坡岩体的抗剪强度和抗拉强度降低，容易沿着软弱结构面滑动而导致边坡塌方。（2）边坡开挖。如果岩质边坡在开挖期间未能及时封闭坡面，在冻融循环、干湿循环、强降雨等因素的影响下，将加剧边坡岩土体的风化程度，形成新风化面，从而导致边坡岩土体抗剪强度降低直至坍塌。

2 岩质边坡稳定性分析的方法

针对岩质边坡稳定性计算，《公路路基设计规范》（JTG D30—2015）中主要介绍了两种方法：第一，普通的碎裂结构岩体边坡宜采用简化毕肖普法；第二，规模较大或破坏机制复杂的边坡宜采用简化毕肖普和数值计算法综合评估边坡的稳定性[3]。

一是简化毕肖普法。简化毕肖普法模型简单、计算精度高，属于刚体极限平衡法的范畴。该方法是将滑坡体划分成n个宽度相同的垂直条块，假设各条块间只存在水平条间力和竖向条间力，均等于零，并以滑动圆弧的圆心为力矩中心点，计算得到抗滑力矩与下滑力矩的比值（边坡安全系数），计算公式如下：

式中：Wi为第i条条块的重力，kPa；bi为第i条条块的宽度，m；ci为滑面黏聚力，kPa；φi为滑面内摩擦角，°；αi为圆弧底面倾角，°；ui为孔隙水压力，kPa；mαi为作用面积，m2。

二是数值计算法。随着计算机技术的快速发展，数值计算法在岩土计算领域的应用日益普遍，一般包括有限元法、有限差分法、边界元法、块体理论、DDA法、离散元法等，其中有限元法的应用最为广泛。有限元法用于分析边坡稳定性时，能将其安全系数与滑动面位移、应力、塑性区等联系起来，从而更好地分析路基岩质边坡的失稳变形机制。

3 边坡生态防护形式及机理

3.1 植物护坡

（1）铺草皮护坡的施工时间短、施工技术简单、能够适应恶劣的外界环境，是一种应用广泛的公路路基边坡防护技术。该方法是通过相关设备将草坪铲起运输到绿化场地，再根据设计要求铺植。需注意的是，在铺草皮时，草种不能过于单一，否则可能引起虫害。（2）植生袋护坡技术是将草种、肥料、保水剂等按照设计比例加固而成，具有良好地保水能力，可以大幅度提升草种出苗率，减缓边坡风化速度，降低雨水侵蚀程度，适用于各种环境。（3）三维植被网的基础层是热塑性树脂经双向拉伸后形成的方形网格，可以将土壤和草种固定在坡面。“网包”的存在可以减小雨水渗入的速度（使雨水在坡面绕流），降低雨水对坡面土体的侵蚀量。同时，三维植被网相互交错，对坡面土壤起到一定的加筋作用，可以进一步提高边坡抗冲刷能力。

3.2 土工合成材料植草护坡

土工合成材料具有结构性能好、不易降解、质量较轻等优势。将土工合成材料与植物草种混合用于公路路基边坡防护，在质量和造价方面都具有一定的优势。土工合成材料主要具有以下功能。（1）排水作用。土工合成材料可以将边坡缝隙内的水排出，降低边坡土体的孔隙水压力。（2）提高土体强度。土工织物会与边坡表面土壤形成复合体，增加土体的黏聚力、内摩擦角、压缩模量等指标，提高坡面的整体稳定性。（3）隔离作用。土工合成材料能够将粒径差异较大的土体隔离（如路基和软基隔离、路基和碎石基层隔离等），以减少土颗粒流失。

常用的土工织物生态防护形式包括草籽无纺布、土工格室、土工布等。土工织物植草应用于路基边坡防护时，应综合考虑边坡岩体性质、边坡几何参数等因素，一般适用于坡度缓于1∶1的残积土或软岩路堑边坡及硬质岩填筑的路堤边坡。在施工前，应将路基边坡表面杂物清理干净，确保坡面的平整。同时，可以根据坡面实际情况在周围开挖水平种植沟，种植沟间距约为20cm，以减少水土流失，为草种提供了良好的生长环境。

3.3 植生混凝土护坡

植生混凝土防护路基边坡是一种新型的多功能绿色环保防护技术。根据功能不同，植生混凝土可分为植物型多孔纤维混凝土、可净化水质的植生混凝土、抗冲刷型植生混凝土。不同植生混凝土特点如表1所示。

表1 不同类型植生混凝土特点

植生混凝土结构组成要素包括多孔混凝土、保水材料、肥料等。其中，多孔混凝土具有良好的透气性，属于植生混凝土的基本骨架结构；保水材料是由有机质保水剂和无机保水剂混合所得，主要作用是为草种生长提供水分。

4 生态防护措施对边坡稳定性的影响

4.1 工程概况

文章以某公路路堑边坡（K5+680断面）为研究对象，分析生态防护措施对边坡安全系数的影响规律。该公路沿线地质条件较复杂，地下水位低，沿线出现了大量岩质路堑边坡，同时地形起伏较大，坡体地面标高为203.6～263.8m，自然坡角最大为25°～30°。坡体组成物质如下：表层为粉质黏土，厚度为4.20～7.10m；其下为砂质黏性土，厚度为4.40～22.50m；再下基岩为全风化混合岩，厚度为9.40～22.50m；再下为强风化混合岩，厚度为9.90m；再下为中风化混合岩，未揭露。拟采用理正岩土软件分析不同生态防护类型下边坡安全系数变化规律，降雨强度拟采用20mm/h，降雨历时设为60min。

4.2 防护效果分析

在降雨条件下，随着降雨时间的增加，边坡安全系数不断降低，其原因是雨水渗入造成边坡土体饱和区域不断扩大，使得土体容重增加，抗剪强度参数降低，最终导致边坡整体稳定性降低。同时，相对于裸坡而言，不同防护形式下边坡的安全系数均有一定的提高，其中采用植生混凝土防护的边坡安全系数最大，达到1.3，提高了18.2%；采用普通植草防护的边坡安全系数增加不多，仅提高了4.5%。

5 结论

文章在探讨边坡稳定性影响因素的基础上，分析了岩质边坡稳定性计算方法及生态防护措施，得出如下结论：（1）岩质边坡失稳原因主要有地层岩性、地质构造、岩石成分及风化程度、边坡几何参数、降雨等因素；（2）普通碎裂岩体边坡安全系数计算宜采用简化毕肖普法，破坏机制复杂的边坡宜结合有限元分析法；（3）边坡生态防护措施有植物防护、土工材料防护、植生混凝土防护等，在容易发生强降雨的地区建设公路路基边坡时，建议采用植生混凝土来增强坡面稳定性，原因为在不同生态防护措施下，采用植生混凝土防护的边坡安全系数最大。