某山区铁路岩质高边坡稳定性分析和防护措施建议

刘柏林

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

0 引言

近年来，随着我国交通建设的发展，山区铁路尤其高速铁路的建设规模越来越大。虽然铁路选线需要尽可能绕避重大不良地质段，但由于山区地形条件复杂，地质构造发育，高陡地形范围广，部分线路仍不可避免一些高陡边坡[1]，因此边坡的稳定性分析一直是岩土工程领域重要研究内容之一[2]。

岩质边坡失稳不仅受控于边坡本身的内部结构、物理力学性质和坡体形态，还与外界因素密切相关[3]。由于边坡内部结构的复杂性和组成边坡岩体的物质成分不同，造成边坡具有不同的破坏模式。对于不同的破坏模式应采用不同的方法评价其稳定性。目前，边坡稳定性的评价方法主要可分为定性分析方法、定量分析方法以及非确定性方法，其中定性分析方法主要有自然(成因)历史分析法、工程类比分析法和图解法[5, 6],定量分析方法主要有极限平衡状态法[7, 8]和数值分析法[9-11],非确定性方法主要为可靠性分析法[12, 13]和模糊综合评价法[14, 15]。

本文通过对某山区铁路桥梁工程岩质边坡现场调查，分析了边坡结构特征和破坏模式，采用赤平投影和数值计算评价了边坡的稳定性，为边坡防护设计提供了依据。

1 工程概况

1.1 地形地貌

某山区铁路D2K127+492～D2K127+502段桥梁工程74#～75#墩采用(56+88+56)连续梁跨越县级保护文物窨子群，桥梁74#墩位于低中山区，75#墩附近为山间河谷，两墩之间为河流岸坎，地形陡峻，地面高程为1432.6～1480.0 m，高差约47.4 m，74#墩地面高程约1475.87 m，75#墩地面高程约1433.4 m，斜坡坡脚受地表水侵蚀，近乎直立。窨子群分布岸坎中上部，高程约1443.0～1460.0 m，洞深3～6 m，始凿于明代，窑口有半圆形、方形和长方形等，依山势从西向东排列，参差不齐，口小室大，内有烟熏痕迹，墙体有多处小孔，大部分洞室顺着岩层产状开挖，个别洞口有坍塌迹象，受窨子群影响，该岩质边坡局部出现塌滑和崩塌现象，边坡存在一定的安全隐患，铁路线路示意图如图1所示。

图1 铁路线路示意图

1.2 地层岩性

根据地质调绘、工程地质钻探资料和室内试验成果，该边坡第四系覆盖层主要为全新统冲洪积层(Q4al+pl)细角砾土，下伏上第三系上新统(N2)砂岩和砾岩，如图2所示。

图2 边坡工程地质剖面图

1.2.1 第四系全新统冲洪积层(Q4al+pl)

②112细角砾土(Q4al+pl6)：杂色，稍湿，稍密。颗粒成分以砂岩为主，尖棱状，粒径组成：2～20 mm约占55%，20～60 mm约占10%，大于60 mm约占5%，余为砂粒和黏粒充填，层厚约7.6 m。

1.2.2 上第三系上新统(N2)

上第三系上新统地层为一套内陆湖相沉积的软岩地层，为斜坡段主要分布地层，砂岩与砾岩呈交互出现，以砂岩为主，边坡表层强风化。

⑧12砂岩(N2Ss)：红棕色，强风化，矿物成分主要为石英和长石，局部含少量砾石，粉细粒结构，中厚层状构造，泥质胶结，成岩作用差，岩质松软；⑧42砾岩(N2Cg)砾岩：杂色，强风化，砾状结构，中厚层状构造，泥质胶结，砾石成分以石英为主的砾石、变质砂岩和千枚岩为主，磨圆度较差。

2 边坡结构特征和破坏模式

2.1 边坡结构特征

通过野外调查和无人机航拍，如图3所示，窨子群边坡为河流凹岸斜坡，岸坡段地形陡峻，平均坡度约75°～85°，植被稀疏，坡脚受地表水侵蚀，近乎直立。受构造影响，岩体节理裂隙发育，特别是沿岸坎临空面形成贯通的卸荷裂隙，裂隙延伸方向与岸坎临空面走向近乎平行，裂隙宽度和深度不一，一般裂隙宽度约2～10 mm，局部裂隙宽度可达200 mm以上，形成危岩体。危岩体主要分布在线路右侧20～30 m处，陡崖坡脚处分布岩堆，厚度约1.5～5.0 m，主要成分为岸坡上崩塌形成的砂岩及砾岩块石，分布松散杂乱。

图3 边坡全貌图(俯视)

2.2 边坡破坏模式

通过现场调查，边坡顶部表层为细角砾土，下覆基岩为上第三系砂岩夹砾岩，中部为人为坑洞，边坡岩层倾向坡内，产状较缓，在坡顶处发育一组平行临空面的卸荷裂隙，基岩垂直节理发育。因此，该边坡的可能破坏模式为整体近似圆弧型的滑移破坏和局部破碎岩体的崩塌。

(1)滑移破坏。根据现场调查，第四系坡顶已开裂，基岩垂直节理发育，边坡的破坏为沿第四系坡顶开裂，通过基岩垂直裂缝穿过中部岩体，从人为坑洞位置剪出。

(2)局部破碎岩体崩塌。由于边坡中部人为坑洞的存在和斜坡岩体在风化营力作用下风化程度不一，风化裂隙的发育程度和填充情况也不同，较为破碎的岩体先剥落，易在风化结构面处产生凹腔，使上部岩体失去支撑。随着风化程度的加深，凹腔范围越来越大，上部岩体在重力及卸荷裂隙的作用下易产生错断式破坏。此外，边坡岩体由砂岩夹砾岩组成，岩质软硬不一，由于风化作用和坡脚河流的掏蚀作用，上部较硬砾岩在断面上常以悬臂梁形式突出来，在长期的重力作用下，局部易发生拉裂破坏。

3 边坡稳定性分析

3.1 基于赤平投影的边坡稳定性分析

岩质边坡的变形失稳受诸多因素影响，其中结构面发育情况对边坡的稳定性具有重要影响。赤平投影法能清晰地反应各结构面之间的组合及交叉关系，可初步判别边坡稳定性[16]。通过分析结构面的组合关系，边坡岩体共发育3组结构面，其中L1为岩层产状，L2、L3为两组节理，P为坡面，各结构面参数如表1所示。层理倾角20°，边坡属逆向坡，其中，结构面L2与边坡顺向相切坡向，结构面L3与层理面的交点和坡面投影弧在同一侧，落于边坡投影弧的外侧，因此结构面组合交线的倾向与边坡倾向相对一致，倾角小于天然边坡的坡脚，结构面组合交线不会切穿边坡岩体，边坡处于较稳定状态，如图4所示。

图4 赤平投影图

表1 结构面参数表

3.2 基于数值模拟的边坡稳定性分析

3.2.1 建立模型

结合边坡实际情况，选择最不利剖面，即通过75#墩垂直边坡剖面作为计算剖面，建立二维模型进行计算，模型水平向长60.0 m，底部高程为1420.0 m，竖直向高56.7 m。地层简化为细角砾土、砂岩和砾岩3种地层，中部为窨子群。模型采用MIDAS-GTS建模，共划分25257个计算单元，7006个计算节点，如图5。

图5 数值计算模型

3.2.2 计算工况和参数

按照自然边坡可能所遇不利状态，分别模拟以下3种工况：天然工况(重力)、降雨工况(重力+降雨)和地震工况(重力+地震)。计算所用参数见表2。

表2 岩土体参数表

3.2.3 计算结果

采用塑性区贯通判据进行不同工况下岩质边坡稳定性评判。图6～图11分别为边坡在3种不同工况下的位移和塑性区分布情况。从图中可以看出，天然工况下边坡的变形主要集中于后缘细角砾土土层内，最大位移13.7 mm，边坡稳定性的安全系数为1.63，大于1.15，边坡处于稳定状态；降雨工况下边坡变形仍然集中于后缘细角砾土土层内，最大位移可达280 mm，较天然工况明显增加，边坡稳定性的安全系数为1.20，较天然工况下有所降低，但内部未形成贯通的塑性区，边坡处于基本稳定状态；地震工况下边坡变形主要分布在后缘细角砾土土层，最大位移可达660 mm，较天然工况明显增加，边坡稳定性的安全系数为1.08，较天然工况下明显降低，后缘细角砾土土层已形成贯通塑性区，其稳定性安全系数小于1.10，边坡在强震工况下处于欠稳定状态。表明边坡上部岩土体发生滑塌的概率较大，边坡失稳破坏主要为沿土石界面滑移破坏。

图6 天然工况下边坡位移分布图

图7 天然工况下边坡塑性区分布图

图8 暴雨工况下边坡位移分布图

图9 暴雨工况下边坡塑性区分布图

图10 地震工况下边坡位移分布图

图11 地震工况下边坡塑性区分布图

4 工程施工建议

经对边坡地层岩性、岩层产状、地质构造、边坡现状调查，结合有限元计算分析，判定边坡处于稳定状态，边坡的破坏主要为沿土石界面的滑移破坏和局部岩体的崩塌，考虑到铁路工程的安全性，建议采取以下防护措施：

(1)做好坡顶地表防排水系统，卸荷裂隙及节理裂隙应采用封闭处理，做好受影响范围内的地表排水系统，避免地表水入渗至坡体内。

(2)边坡分布多处与岸坎平行的裂缝，进一步发展后形成危岩体，应对危岩体采取防护措施。

(3)由于斜坡表层为细角砾土、强砂岩和砾岩，风化严重，容易剥落。在地震工况下容易失稳，建议边坡顶部清方减载，最大限度地减小边坡高度。

(4)考虑边坡局部崩塌对桥墩的威胁，建议坡脚设置防落石重力式挡土墙。

5 结语

本文通过对某山区铁路岩质高边坡的稳定性分析和治理方案研究，得出以下结论：

(1)通过现场调查分析，该岩质高边坡的可能破坏模式为整体近似圆弧型的滑移破坏和局部破碎岩体呈错断式和拉裂式的崩塌破坏。

(2)通过分析结构面的组合关系，采用赤平投影法计算得到结构面组合交线不会切穿边坡岩体，边坡处于较稳定状态。

(3)通过有限元计算得到天然工况下边坡稳定性的安全系数为1.63，处于稳定状态，暴雨工况下边坡稳定性的安全系数为1.20，边坡处于基本稳定状态，地震工况下边坡稳定性的安全系数为1.08，边坡处于欠稳定状态，边坡变形主要集中于坡体后缘的细角砾土层中，边坡的失稳破坏主要为沿土石界面的滑移破坏。