不同修复工况下破损山体公路边坡稳定性评价

贾起超，郝 喆，孙 杰，申 城

（辽宁大学环境学院，辽宁 沈阳 110036）

0 引言

公路建设开挖形成了大量的破损山体边坡，特别是在我国东南降水较充沛的地区，这些破损边坡更容易产生滑坡和泥石流灾害。目前，大量破损山体开展了地质灾害治理和生态修复，生态修复可起到防止水土流失、净化空气、修复生态和美化环境的作用，也会对岩土边坡的稳定性产生影响。

国内外学者运用不同方法对公路边坡稳定性进行研究，王安礼等[1]通过单轴压缩试验分析了公路边坡的岩层岩性，并利用真实破坏过程分析方法对公路岩质边坡进行了数值模拟；王骑虎等[2]通过地质调绘、室内试验、原位测试、数值模拟、理论计算和典型工程实例分析，对边坡进行稳定性分析；沈小辉等[3]研究公路边坡岩体结构成因和岩体破裂变形的成因机理进行稳定性分析研究；童立等[4]计算了不同雨型降雨入渗下夹层渗透性相对强弱不同的公路边坡的基质吸力分布，揭示了其渗流演化规律；卢小超等[5]模拟雨水入渗引起的暂态渗流场，用于考虑基质吸力影响的公路边坡稳定安全系数的计算；贾力等[6]针对公路边坡抗震稳定性分析中敏感性因素问题，探讨各个影响因素的变化对公路边坡稳定性的影响；Azm S.A1-Homoud等[7]采用改进的Bishop和Janbu极限状态平衡方法对边坡失稳时的边坡进行参数化稳定性分析和反分析；Karthik A.V.R等[8]采用有限元法对边坡稳定性进行敏感性分析；Xukai Yuan等[9]基于GEO-STUDIO和MADIS/ GTS的采石场进行边坡稳定性研究。

从公路边坡稳定性研究现状来看，主要限于原始边坡或加固治理后边坡，而对于生态修复后边坡的稳定性，特别是对于原始边坡、加固后边坡和生态修复后边坡稳定性的变化规律缺乏深入探讨。GEO-STUDIO软件是适用于岩土工程和岩土环境模拟计算的仿真软件，可用于模拟边坡稳定性分析、地下水渗流分析、地震动力响应分析以及岩土应力变形分析等。因此，本文以浙江省长春岭某公路高度边坡为例，运用GEO-STUDIO软件对破损山体的原始边坡、加固治理后边坡、覆土栽植后边坡分别进行稳定性分析，为公路安全运行、边坡灾害分析和应对策略提供科学依据。

1 破损山体边坡模型建立

浙江省长春岭某山岭二级公路由于工程需要进行开挖形成了破损山体边坡，破损区宽度约为117 m，最大斜长度约为 132 m，总坡高为187 m，总坡角为30°，体积约为94580 m3，公路边坡坡体出现数条平行于公路方向的走向裂缝，经现场踏勘，裂缝宽 0.4～1.6 m，长 7.25 m，深 0.4～3.6 m，现场判断为张拉裂缝[10]。在现场调查中发现有崩落松散物堆积于边坡下，据此初步判断为原始边坡失稳所致。

1.1 计算模型

根据地表及钻孔揭露，破损区岩土体主要由碎石粉质黏土层，全风化凝灰岩，强中化凝灰岩和中风化凝灰岩组成。据此，沿x轴方向确定模型底部，沿y轴方向确定模型高度，根据各个地层厚度经合理延伸得到破损山体工程地质剖面，建立的山体剖面地层结构及计算模型如图2，模型长约155 m，高约90 m。

1.2 计算参数

地层岩土体主要物理力学参数取值见表1。

表1 岩土物理力学试验成果表

2 破损山体边坡稳定性分析

2.1 计算工况和安全系数确定

设定正常工况、非正常工况Ⅰ和非正常工况Ⅱ三种工况条件：①正常工况：边坡处于天然状态下的工况；② 非正常工况Ⅰ：边坡处于暴雨或连续降雨状态下的工况；③非正常工况Ⅱ：边坡处于地震等荷载作用状态下的工况。根据规范[11]要求，二级边坡在正常工况下边坡安全稳定系数标准为1.25；在非正常工况Ⅰ和非正常工况Ⅱ下边坡安全稳定系数标准为1.15。

2.2 正常工况下破损山体边坡稳定分析

运用GEO-STUDIO软件利用简化Bishop法计算正常工况下的安全系数，对破损山体进行稳定性评价。分别考虑3种工况的稳定性：①无植物体原始裸岩边坡；② 整形+锚杆支护边坡；③支护+覆土+植物栽植边坡，采用Bishop法分别计算边坡的稳定性，结果见图3～图5。

2.2.1 原始裸岩边坡

正常工况下无植物体原始边坡的安全系数为1.230＜1.25，不满足规范[11]要求，滑体后缘位于整个边坡中部，滑体前缘位于整个滑坡的中下部，滑体最深处约15 m，滑面在碎石粉质粘土和全风化凝灰岩之间切层面滑动，属于切层滑坡。因此需要采取支护加固措施，考虑运用预应力锚杆对原始边坡进行加固。

2.2.2 整形+锚杆支护边坡

首先，进行边坡整形，将边坡分成四个台阶，各层台阶坡面角为30°，各个台阶坡高为12 m，平台宽度为4 m。再进行锚杆支护，确定锚杆各计算参数。根据规范[11]，取锚固段长度为10 m，自由段长度为15 m，宜采用10～35°来规定锚索倾角，本设计剖面倾角取30°。根据规范[12]，本段设计采用1×7标准型，直径15.20 mm的钢绞线，输入其公称抗拉强度Rm=1860 MPa，每根钢绞线最大力为260 kN，锚杆水平间距为5 m，设计12排锚杆。最后对锚杆支护的边坡进行稳定性分析，如图4所示。

正常工况下整形边坡后的安全系数为1.353＞1.25，满足规范要求，锚杆支护利用锚杆与岩石共同作用，使破损山体更加稳定，滑坡位置靠中段，滑体后缘位于整个边坡的中上部，滑体前缘位于整个边坡的中下部，与原始边坡对比滑面范围变大，滑体位置更深，滑面在碎石粉质粘土、全风化凝灰岩以及强风化凝灰岩之间切层面滑动，属于切层滑坡。

2.2.3 支护+覆土+植物栽植边坡

破损山体进行覆土栽植，覆土层厚度为0.8 m，灌木栽植间距为1 m，灌木荷载大小为2 kN，锚杆设计参数如2.2.2节。覆土栽植后边坡稳定性计算结果见图5。

正常工况下支护+覆土+植物栽植后边坡的安全系数为1.426，滑体后缘位于整个边坡的上部，滑体前缘位于整个边坡的中下部，滑体位置最深处约10 m，边坡更加稳定，滑面顺着强风化凝灰岩层滑动，属于顺层滑坡。

2.3 非正常工况Ⅰ破损山体边坡稳定分析

在春夏季降雨集中且频繁，所以边坡需要考虑降雨带来的影响。依据浙江省定马县地区降雨统计结果设置降雨边界，根据现场监测的结果确定地下水位线，采用符合当地情况的日最大降雨强度100 mm/d，降雨历时两天，如图6为非正常工况Ⅰ下的边坡渗流计算结果，图中等势线为沿着降雨边界形成的降雨入渗区，坡面入渗深度3～5 m。

2.3.1 原始裸岩边坡

非正常工况Ⅰ下无植物体的原始边坡稳定性分析计算结果如图7所示。

非正常工况Ⅰ下边坡的安全系数1.148＜1.15，不满足规范要求，滑坡位置靠中段，滑体后缘位于整个边坡的中上部，滑体前缘位于整个滑坡的中下部，滑体最深处约13 m，滑面位置在碎石粉质粘土和全风化凝灰岩层之间滑动，属于切层滑坡，边坡不稳定。破损山体在非正常工况Ⅰ下的安全系数也小于在正常工况下的安全系数，由此可知，在非正常工况Ⅰ下，无植物体原始边坡较正常工况稳定性有所下降，需要进行整形+锚杆支护。

2.3.2 整形+锚杆支护边坡

非正常工况Ⅰ下整形+锚杆支护后边坡的安全系数1.268，满足规范要求，滑坡位置靠中下段，滑体后缘位于边坡的中上部，滑体前缘位于边坡的中下部。滑面在碎石粉质粘土、全风化凝灰岩以及强风化凝灰岩之间滑动，属于切层滑坡。

2.3.3 支护+覆土+植物栽植支护边坡

非正常工况Ⅰ下覆土栽植后边坡的安全系数为1.380，边坡稳定性符合二级边坡非正常工况Ⅰ下的要求，滑坡后缘位于边坡的上部，滑坡前缘位于边坡的下部，滑体深度变小，覆土栽植生态修复使破损山体更加稳定，不易发生滑坡等危险性灾害。

2.4 非正常工况Ⅱ破损山体边坡稳定分析

非正常工况Ⅱ条件下，软件的分析类型为等效线性动力，输入边界条件和地震波曲线进行模拟并计算边坡稳定性。某地区地震发生后，根据放在不同地点的地震仪记录到的走时曲线是更精确的地震波曲线，地震波输入曲线见图10，边坡稳定性计算结果见图11，安全系数历时曲线见图12。

图1 长春岭某山岭破损边坡现场

图2 破损山体剖面及地层结构

图3 无植物体原始边坡稳定性计算

图4 整形+锚杆支护后边坡稳定性计算

图5 覆土栽植后边坡稳定性计算

图6 非正常工况Ⅰ下的边坡渗流计算模型

图7 非正常工况Ⅰ下原始裸岩边坡稳定性计算

图8 非正常工况Ⅰ下整形+锚杆支护后边坡稳定性计算

图9 非正常工况Ⅰ下的覆土栽植后边坡稳定性计算

图11 非正常工况Ⅱ下的覆土栽植后边坡稳定性计算

图12 非正常工况Ⅱ安全系数-时间曲线

非正常工况Ⅱ下边坡的安全系数为1.377＞1.15，滑面在碎石粉质粘土和强风化凝灰岩之间滑动，属于切层滑坡，考虑地震因素后，安全系数随着时间的增加呈现先减小后增加再减小的波动趋势，但均达1.15以上，满足规范[13]要求。

3 结论

（1）在正常工况下，从原始边坡到锚杆支护整形边坡的安全系数提高了0.123，安全系数的变化趋势增加比较大；从锚杆支护整形边坡到覆土植物栽植边坡的安全系数提高了0.073，安全系数的变化趋势增加较小。从原始边坡到覆土植物栽植边坡的安全系数提高了0.196，滑坡位置也更偏于中上段，经过治理后破损山体的边坡稳定性系数达到要求，使边坡更加稳定。

（2）非正常工况Ⅰ下，运用GEO-STUDIO设置降雨边界，符合当地工况降雨强度100 mm/d，降雨时长2 d。从原始边坡到锚杆支护整形边坡的安全系数提高了0.120，安全系数的变化趋势增加比较大；从锚杆支护整形边坡到覆土植物栽植边坡的安全系数提高了0.112，安全系数的变化趋势增加较小。与规范要求对比，该破损山体在锚杆支护整形和覆土栽植后边坡稳定性安全系数达到要求，是安全稳定的。

（3）在非正常工况Ⅱ下，考虑地震因素后，非正常工况Ⅱ比非正常工况Ⅰ下覆土植物栽植边坡的安全系数降低了0.003，幅度不大；随着时间的增加，安全系数呈现先减小后增加再减小的波动趋势，但均达1.15以上。破损山体的边坡安全系数也满足规范要求，滑面位置经治理后都在坡面的中上段位置。

（4）从整体来看，生态修复是能够在各种工况下提高边坡稳定性，从原始边坡到锚杆支护整形边坡的安全系数增加趋势较大，从锚杆支护整形边坡到覆土植物栽植边坡的安全系数增加趋势较小。采用锚固技术使边坡岩土形成一个复合整体，增加边坡的稳定性，并改善和提高滑动面的抗滑性能；即使在不利的自然条件下，也能有效地保证施工和使用安全；生态修复技术有利于边坡稳定，防止雨水对边坡的冲刷和侵蚀。

本文开展了生态修复后破损山体的边坡稳定性研究，获得了在整形+锚杆支护以及支护+覆土+植物栽植支护后边坡与原始边坡的稳定性变化规律，建立的分析方法在治理破损山体方面具有广阔的应用前景。应当指出，植物对边坡稳定性的影响还表现在：降雨截留、防止冲刷、局部稳定和水土流失等多方面，还需要开展进一步的深入研究。