山区高速公路路堑高边坡设计

郑亚萌

（中咨华科交通建设技术有限公司，北京 100195）

0 引言

我国山岭众多，随着山区高速公路里程的快速增长，出现了大量高边坡，容易发生塌方、滑坡等自然灾害，甚至造成重大的生命财产损失。高速公路建设产生路堑高边坡时，应慎重对待，较好地处理高边坡稳定性问题。因此，应深入研究影响高速公路路堑高边坡稳定性的各种因素，并采取合理、有效的防护措施，确保高速公路路堑高边坡的长期稳定，从而保证高速公路交通运行的安全及人民的生命财产安全，具有重要的社会意义。

1 路堑高边坡概述

1.1 路堑高边坡含义

路堑高边坡通常指高度20m 以上的土质边坡或30m 以上的岩质边坡。

1.2 高边坡稳定性分级

综合考虑路堑高边坡的水文地质条件和边坡变形情况，将路堑高边坡的稳定性划分为以下四类，如表1 所示。

表1 路堑高边坡稳定性划分

1.3 高边坡稳定性评价方法

通常用安全系数（Fs）表示高速公路路堑高边坡的稳定性，一般采用定性分析法、极限平衡分析法、数值分析法或工程地质类比法进行评价。安全系数（Fs）计算公式如下：

式（1）中：T＇为滑动面上的抗滑力；T 为滑动面上的下滑力。

1.3.1 定性分析法。该方法是通过研究高边坡周围的地形地貌、水文地质、地质形成史、形状、周围环境、变形破坏迹象等因素，判断边坡的演化阶段和稳定性情况的。

1.3.2 极限平衡分析法。该方法是将可能滑动的岩体或土体想象成理想的刚性物体，通过分析其可能的滑面，将滑面上的应力简化为均布荷载，构造力学平衡方程，计算出高边坡的安全系数的。

1.3.3 数值分析法。该方法以有限元分析方法为基础，其核心是通过离散化，把有界区域内无限个点的问题转化为有限个节点的问题，建立多个方程，进行应力应变分析，其中强度折减法最为常用。

1.3.4 工程地质类比法。该方法借鉴已经研究过或已经稳定的边坡的成功经验，比较两者工程地质条件差异，评价其稳定性，并提出合理的边坡高度和坡率。

2 路堑高边坡稳定性分析

2.1 路堑高边坡稳定性分析方法

高速公路路堑高边坡稳定性的分析方法主要有以下三种方法。

2.1.1 工程地质类比法。该方法是一种定性分析方法。优点是综合考虑了影响高边坡稳定性的各种因素，能够快速估计和预测高边坡的稳定状况及其发展趋势。缺点是类比法具有经验性和地区性的特点，要求设计人员具有丰富的地质工作经验。

2.1.2 边坡稳定性图解法。该方法是一种定性分析方法，通常用于规划阶段或边坡稳定性的初步分析。这种方法的优点是简单、直观、快速，但缺点是具有一定的经验性和概念性。

2.1.3 块体单元法。该方法介于刚体极限平衡法和有限元法之间，兼有两者的优点，而且工作量小，特别适用于分析软弱结构面岩体的稳定性。

2.2 影响路堑高边坡稳定性因素

一般而言，影响高速公路路堑高边坡稳定性的因素包括以下几个方面。

2.2.1 水文地质。水文条件的变化会导致地下水富集程度的变化，路堑高边坡的稳定性也会相应发生变化。例如，当地下水富集程度增大时，会造成岩土体的强度和稳定性降低，边坡易失稳；反之，则稳定性增强。边坡岩土体的物质组成和强度会直接影响边坡的稳定性，因此工程地质条件是决定高边坡是否稳定的主要内在因素。

2.2.2 气候。气候对高边坡稳定状况有较大的影响。例如，降雨后边坡岩土体易软化，强度降低，同时雨水使地下水位上升，边坡稳定性降低，易导致边坡失稳。此外，受气候因素影响，边坡岩体风化后抗剪强度降低，随着风化程度的加剧，岩体将出现脱落、崩塌、滑移等现象。

2.2.3 设计及施工因素。设计方面，由于受到外部重视程度的干扰，采取的设计防护方案安全系数不足，或设计时考虑不足，造成边坡的形状、坡度和防护工程不足以确保高边坡的稳定。施工方面，采取的施工方法、工艺及施工顺序不科学、不合理，过度开挖，对坡高、坡率偏离设计要求，使山体遭受严重破坏，导致边坡稳定性降低，甚至失稳。

2.2.4 不可抗力因素。不可抗力因素也是高边坡稳定性的重要影响因素之一，如地震等自然灾害，它们的发生会改变水文地质、边坡状态，进而改变边坡稳定性，甚至导致边坡失稳。

2.3 路堑高边坡破坏形式

高速公路路堑高边坡变形类型及破坏形式通常按照以下四类进行划分，即变形性质、变形深度、变形范围和变形新老，具体如表2 所示。

表2 路堑高边坡变形破坏划分

3 路堑高边坡设计

3.1 路堑高边坡设计特点

路堑高边坡的设计具有显著特点，具体表现在如下几个方面。

3.1.1 高边坡设计是预测性设计

高速公路一般工程规模大，而路堑高边坡是由于山体开挖所形成，在设计阶段高边坡尚未形成或未发生变形破坏，后续可能出现的变形程度及变形部位主要集中在山体开挖后；同时，高边坡设计要建立在获取翔实的工程地质资料基础上，才能进行准确的预测，因此高边坡设计是一种典型的预测性设计。

3.1.2 高边坡设计是风险性设计

山区的地形地貌、地质构造复杂，勘察工作的工作量、难度较大，通常很难掌握完整的地质结构资料，设计人员获取的真实可靠的参考依据不全，开展设计工作往往需要依据一定的经验，存在一定的盲目性。而山体开挖后会改变坡体的原有状态和力学结构条件，山体变形很难避免，而高边坡的设计就是将其控制在合理的范围内。

3.1.3 高边坡设计是动态性设计

高速公路施工前，勘察单位要详细勘察工程地质结构情况，确保高边坡设计符合实际需要。山体开挖阶段也应深入现场，再次明确高边坡设计区域内的地质结构特征，有必要对设计进行适当调整、优化，因此高边坡设计也是一种动态调整设计。

3.2 路堑高边坡设计原则

第一，秉承“最大的保护就是不破坏”的环保理念，树立环保性原则。设计过程中采用合理放坡与适度加固相结合的方式，避免山体过度开挖和植被大面积破坏，减少弃土和征地面积。第二，加强地质勘查工作，深入分析地质情况，增强研判准确度，提高设计措施的针对性。第三，路堑高边坡加固设计遵循“自稳为主、加固为辅”的原则，消除隐患，确保高边坡的安全可靠、长期稳定。第四，遵循固“脚”强“腰”原则，同时加强地表水、地下水的截排水设计，能够有效提高高边坡稳定性。第五，遵循“有利于环境美化”原则，高边坡加固要与美学、生态学相结合，力求与周边环境相协调，提高高速公路的社会效益。第六，高边坡设计要吸取国内外类似工程的经验教训，确保加固方案的经济性、技术性，同时尽量采用“四新”技术。第七，实事求是。设计时充分考虑现场施工条件、施工工艺、技术水平、机械设备和材料供应等情况。第八，遵循“动态设计”的原则，在施工阶段根据变形监测数据及时优化调整高边坡加固防护措施。

3.3 路堑高边坡设计措施

路堑高边坡的防护措施主要分为坡面防护、支挡加固两大类，其中坡面防护通常设置在稳定的斜坡上；支护加固通常是用于稳定性不足的边坡，而根据加固方式的不同，又可以划分为不同种类的加固措施。

3.3.1 植物防护。植物防护包括植草灌、三维网植草灌、客土喷播植草灌等，是利用植被对边坡进行防护和侵蚀控制，以降低边坡的不稳定性。对于边坡稳定性较好且对坡面冲刷小的高边坡，这种方法比较适用，不仅可以对边坡起到加固作用，还可以起到水土保持的作用，具有良好的社会效益、经济效益和生态效益。

3.3.2 骨架植物防护。骨架植物防护指在边坡上用混凝土或浆砌片石形成拱形、人字形等框架式圬工骨架，骨架中间进行植草灌防护，防止边坡变形失稳的一种防护方法。其中某项目即采用了浆砌片石方格网植草做法，如图1 所示。对于土质或风化岩石边坡，这种方法比较适用，且具有较好的防护绿化美化效果、适用范围广及施工方便等优点。

图1 浆砌片石方格网植草（单位：cm）

3.3.3 护面墙防护。护面墙防护指覆盖在各种软质岩石和较破碎岩石的开挖边坡上，保护其不受大气因素影响而构筑的墙体。护面墙一般适用于严重风化或易风化的软岩，较破碎、易侵蚀或有小塌方的土质边坡，且一般边坡坡度不大于1∶0.5。

3.3.4 喷射混凝土防护。喷射混凝土防护是在坡面上喷射混凝土，从而达到护坡的目的，有干喷、湿喷两种方法，但常与钢筋网和锚杆结合起来使用，具体如图2（a）、（b）所示。

图2 挂网锚喷护坡

3.3.5 挡土墙防护。挡土墙是用来抵抗边坡土体的侧压力，防止墙后土体变形和失稳的构筑物。按其工作机理和受力特点，可分为重力式挡土墙、衡重式挡土墙、锚杆挡土墙等。其中，重力式挡土墙应用最为广泛，具体如图3（a）、（b）所示。这种防护方法通常与排水、刷土减重等措施共同使用，可大量减少挖方数量，减少对原始边坡的破坏。

图3 重力式挡土墙（单位：mm）

3.3.6 预应力锚索防护。预应力锚索防护是将边坡的下滑力传递给锚固端稳定的岩体，从而起到稳定边坡的作用。通常与挡土墙、桩板墙联合使用，对坡体松散破碎地段或局部承载能力较低的路堑边坡比较适用，该方法对施工工艺要求较高，但具有显著的经济效益和社会效益。

3.3.7 抗滑桩防护。抗滑桩适用于浅层和中厚层滑坡的加固治理。该方法具有抗滑能力强、桩位布置灵活、开挖量和圬工量小、设备简单、施工方便等优点。对于滑坡推力大、滑动带深的滑坡，可将抗滑桩与预应力锚索结合使用，加固治理效果显著。目前，它虽然在滑坡治理中得到了广泛的运用，但造价相对较高。

4 结语

我国山区面积广大，山区高速公路建设形成的路堑高边坡的数量众多，边坡设计措施对其稳定性关系重大，设计上的疏漏极易导致边坡失稳，引发安全事故，甚至对社会造成严重后果。因此，在路堑高边坡设计时，要充分考虑地形地貌、水文地质条件、气候等影响因素，制定科学合理的高边坡设计方案，并遵从动态设计的原则，动态优化、调整设计方案。