坝光凝灰岩高边坡失稳机理分析及加固设计

王君鹭，富志鹏,2，李 震

(1.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710065; 2.陕西省公路交通防灾减灾重点实验室，陕西 西安 710065)

0 引 言

凝灰岩组成成分特殊，具有特殊的物理力学性质，在中国广东等地分布较广。范哲研究了不同风化程度凝灰岩高边坡破坏机理、稳定性及加固技术，提出了适用于凝灰岩高边坡的锚固参数取值及工程建议[1]。孙明超等分析了降雨对凝灰岩高边坡稳定性的影响，通过方案对比确定了防护措施[2]。刘洪磊等通过凝灰岩三轴变参数条件的全应力-应变过程渗透性对比试验，得出了体积应变与渗透率的函数关系[3]。尚涛等通过对凝灰岩质高边坡的调查分析，得出凝灰岩质高边坡的特性，提出了边坡的防护设计[4]。田保同对凝灰岩进行了崩解试验，结果表明，凝灰岩的耐崩解指数比较低，水稳定性和耐久性差；利用XRD、光谱分析检测从微观方面揭示了凝灰岩的崩解机理[5]。Kas,Mer等通过试验研究了凝灰岩的工程特性及影响因素，结果表明，凝灰岩的强度和变形性能随着含水量的增加显著降低。Minardo Aldo等采用分布式光纤对那不勒斯科罗格里港凝灰岩边坡的变形和裂缝的扩展进行监测，光纤监测到了裂缝的位置及展开情况，建立了凝灰岩边坡的早期预警系统[6]。马世国等研究残积土边坡在强降雨下的入渗过程，建立了考虑强降雨和初始地下水共同作用的边坡稳定分析模型[7]。Zhan Tony L.T.等研究了降雨入渗及土层渗透性参数对边坡的影响[8]。周小兵分析了某堆积层滑坡的变形破坏规律和破坏机理，评价了滑坡稳定性并提出治理措施建议[9]。多名学者对降雨作用下边坡的稳定性进行了理论分析和数值模拟研究，探讨了不同的稳定性计算方法[10-19]。

本文依托盐坝高速坝光凝灰岩高边坡项目，结合边坡施工全过程位移监测数据，深入研究凝灰岩高边坡失稳机理；进行考虑降雨影响的滑坡稳定性计算，评价滑坡不同工况下的稳定性，确定永久加固设计方案。

1 边坡区工程地质特征

坝光新收费站位于深圳与惠州交界处K28+575。盐坝高速公路取消收费后，在其终点附近设置终点站。

1.1 地形地貌

边坡区地处深圳市东部大鹏湾沿海地带，属于海岸低山丘陵与半岛海湾冲积平原，地形北高南低。K28+220～K29+885段挖方边坡区属低山丘陵地貌单元山前缓坡地带，地面高程一般为40～100 m，山坡自然坡角为10°～15°。缓坡后部与陡峭山峰相接，受长期雨水冲蚀影响，后部山峰多呈“鸡爪”状地形特征。盐坝高速由西向东横切山坡，从山坡前部以半填半挖路基形式通过。

1.2 地层岩性

工程挖方区内出露的地层自上而下可分为：第四系坡洪积层(Q4dl+pl)的含漂石粉质黏土、侏罗纪梧桐山组(J2-3w)的流纹质岩屑晶屑凝灰岩。

1.2.1 第四系坡洪积层(Q4dl+pl)

含漂石粉质黏土褐黄，稍湿，中密，普遍含有10%～40%的漂石，呈圆形、亚圆形，磨圆度较好，直径多为20～50 cm，漂石成分多为火山碎屑岩，夹杂砂及碎石充填，地层物质较为松散，透水性好。地层厚度为8～22 m，普遍分布于边坡区表层。

1.2.2 侏罗纪梧桐山组(J2-3w)

下伏基岩为流纹质岩屑晶屑凝灰岩，为火山碎屑岩类，主要矿物成分为火山尘、长石晶屑、石英晶屑等，凝灰结构，块状构造，属于相对隔水层。按其风化程度的差异可分为全、强、中及微风化4层。

(1)全风化层呈灰、灰黑等色，原岩结构基本破坏，裂隙极发育，层厚约30 m。岩芯干燥时呈坚硬土状，手捏可碎，浸水易软化、崩解，可捏成团，极破碎，极软岩，岩体基本质量等级为Ⅴ级。该层为边坡区的主要不良地层。

(2)强风化层原岩呈灰、灰黑等色，结构清晰可见，裂隙较发育。岩芯多呈坚硬土夹碎块状，碎块用手可折断，遇水易软化，偶夹有中风化岩块，极破碎，软岩，岩体基本质量等级为Ⅴ级。

(3)中风化层呈灰等色，裂隙较发育，裂面具铁染，岩芯多呈块状，少量呈短柱状，锤击声哑，易击碎。该层较破碎，为较软岩，岩体基本质量等级为Ⅳ级。

(4)微风化层呈灰等色，裂隙稍发育，岩芯呈短～长柱状，锤击声脆。该层较完整，为较硬岩，岩体质量基本等级为Ⅲ级。

1.3 地质构造与地震

场地附近主要发育断裂编号为F2122、F2121和F3734。F2122断裂位于场地的西南侧约2 800 m处，长约2.0 km，总体走向为北西270°～290°，倾向北，倾角约为60°。以上断裂为非活动性断裂，自晚更新世以来未见断裂活动，因此断裂对场地建筑影响不大。

根据《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2015)和《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)，边坡区地震动峰值加速度为0.1g，地震动反应周期为0.35 s，相应地震基本烈度为Ⅶ度。

1.4 水文地质条件

1.4.1 地表水

挖方段上部山坡在非雨季无地表径流，由于山体汇水面积较大(总汇水面积约0.46 km2)，在雨期自然冲沟会形成地表径流，水量随降雨量变化而变化。2018年9月17日，台风“山竹”来袭时，区内单日降雨量为145 mm·d-1，边坡区坡口外共有6处地表径流，流量如下：K28+340处为0.075 m3·s-1；K28+360处及K28+390处交汇流量为0.2 m3·s-1；K28+470处为0.014 m3·s-1；K28+560处为0.06 m3·s-1；K28+720为处0.16 m3·s-1。总流量为0.5 m3·s-1。

1.4.2 地下水

地下水主要为第四系孔隙潜水，贮存于上部含漂石粉质黏土层的孔隙中，主要受大气降水及后部地表水补给，水位变化因气候、季节而异。勘察期间测得场地钻孔混合稳定水位埋深为4.46～28.42 m，相应标高为11.98～92.76 m，推测地下水水位年变幅约 1～3 m，受大气降水补给，向低洼谷地及大海排泄。根据坡面仰斜排水孔出水流量统计，雨季地下水出露量约为1 000 m·d-1，大量地表降雨下渗，降雨时地下水极其发育。

2 高边坡概况

2.1 防护现状

坝光收费站左侧路堑边坡里程为K28+220.0～K28+885.0，长665 m，共分5级，最大挖方高度为32.2 m。设计采用的边坡加固措施为：一级边坡采用仰斜式挡土墙；二级边坡采用锚杆框架，边坡平台处设置抗滑桩；三、四级边坡采用锚索框架；五级边坡采用挂网植草，如图1所示。路堑高边坡于2017年8月开始挖方施工，至2018年1月已基本施工完毕，边坡施工过程基本为旱季，施工期间边坡未发生大的变形。2018年5月进入雨季后，尤其是8月底连续6 d大暴雨，边坡坡面监测点、挡墙顶及抗滑桩上监测点的变形监测数据均表明高边坡变形加剧，有整体失稳破坏的可能。

图1 边坡防护工程典型断面

2.2 变形破坏过程

高边坡变形呈渐进式发展，经历了如下的发展过程：坡脚挡墙底部的碎落台隆起；挡墙上二级平台锚杆框架梁出现下滑；二级、三级平台下陷；抗滑桩变形加剧；后缘坡体开裂。挡墙前缘边沟鼓胀开裂30 cm，K28+455及K28+820处挡墙墙面出现2～4 cm的错位开裂(图2)，二级边坡框架梁下挫80 cm(图3)，二级平台抗滑桩后侧与原坡体间出现10 cm的开裂(图4)。

图2 K28+455及K28+820处挡墙裂缝

图3 二级边坡锚杆框架下挫

图4 抗滑桩后侧与原坡体面开裂

3 失稳机理分析

3.1 地质结构

根据钻探揭示及边坡开挖施工揭露，滑坡体上部为第四系坡洪积层(Q4dl+pl)含漂石粉质黏土，下伏基岩为侏罗纪梧桐山组(J2-3w)强风化凝灰岩。根据试验结果得知，该处凝灰岩风化程度高，岩质软弱，透水性差。崩解试验表明，凝灰岩崩解量大，且呈块状崩解。滑坡体覆盖层具有强透水性，雨季大量雨水下渗形成充沛的地下水，下卧层全风化凝灰岩在地下水的长期作用下软化、崩解，逐步形成软弱滑面。

3.2 降雨

项目区雨季降雨量大，在遭遇连续暴雨天气后，从边坡出现变形开始，对边坡开展了裂缝观测、地表位移监测(抗滑桩顶及挡墙顶等)、深孔位移监测、锚索拉力监测等系统的变形监测，取得了详尽的监测资料，为滑坡的动态发展过程提供了依据。

根据滑坡的变形监测数据绘制了Z560断面处抗滑桩桩顶的位移-时间曲线(图5)及K28+544断面处的挡墙墙顶的位移-时间曲线(图6)。从监测曲线可知，滑坡体位移速率在暴雨期间显著增大，与降雨强度具有很高的相关性，最大变形速率达59 mm·d-1。因此降雨是引起该滑坡变形加剧的主要诱因。

图5 桩顶位移-时间曲线

图6 挡墙顶位移-时间曲线

图7 挡墙顶位移-里程曲线

3.3 地形

K28+220～K29+885段挖方边坡区属低山丘陵地貌单元山前缓坡地带，缓坡后部与陡峭山峰相接，后部汇水面积大，雨季时大量雨水通过强透水性覆盖层下渗，形成充沛的地下水。根据坡面仰斜排水孔出水流量统计，降雨时该段边坡地下水出露量约为1 000 m·d-1，地下水极其发育。

3.4 人工开挖

施工开挖改变了坡体原始的边界条件，致使下伏全风化凝灰岩地层出露，加速凝灰岩的风化作用及地下水作用下的软化崩解，不利于边坡的稳定。根据不同里程处的挡墙位移曲线(图7)，可知凝灰岩出露区段的挡墙变形量明显较大，验证了开挖对边坡的不利影响。

4 加固治理设计

4.1 应急抢险加固

基于边坡变形情况，从8月20日开始首先对边坡实施后缘削方卸载、坡脚回填反压的应急抢险加固措施，随后对坡面进行必要的防护(护面墙和石笼等)，并在滑坡区及时设置临时排水工程。9月15日削方和反压体实施完毕后，变形监测数据显示滑坡体变形明显减缓，有效降低了滑坡整体失稳的风险。尤其是9月17日边坡经历了台风“山竹”的考验，坡体变形并未加剧。

4.2 滑坡稳定性评价

根据现场调查及变形监测结果分析，2018年5月进入雨季以来，边坡产生明显的滑动变形。目前，坡脚挡墙累计位移达65 cm，二级平台处抗滑桩累计位移达23 cm。现场进行了削方减载及坡脚反压施工完毕滑坡变形收敛。据此判定：削方压脚前，该滑坡在暴雨工况下处于不稳定状态，在正常工况下处于基本稳定状态；削方压脚后，该滑坡在正常工况及暴雨工况下处于基本稳定状态。

根据滑坡深孔位移监测情况，并结合前期钻探结果，可确定各钻孔的滑面深度，如表1所示。

表1 测斜成果

根据勘察文件提供的计算参数，并结合滑面参数反演及地层类比法综合选取，确定该滑坡最终的稳定性计算参数。分别对滑坡在削方压脚前、削方压脚后、只削方后3个阶段不同工况下的稳定性进行计算，结果如表2所示。

表2 滑坡稳定性计算结果

综合分析滑坡稳定性计算结果可知，削方压脚前，该滑坡在正常工况下处于基本稳定状态，在暴雨工况及地震工况下均处于不稳定状态；削方压脚后，该滑坡在正常工况及暴雨工况下均处于基本稳定状态，在地震工况处于不稳定状态；只削方时，该滑坡在正常工况下处于基本稳定状态，暴雨工况下处于欠稳定状态，地震工况下处于不稳定状态。滑坡稳定性定量计算结果与滑坡现场变形情况及定性判断结果基本一致。

4.3 永久加固设计

根据滑坡稳定性计算结果，确定滑坡稳定性不能达到高速公路设防标准，为保证坝光收费站的长期运营安全，必须对滑坡进行必要的永久加固。永久加固工程以最大化利用应急加固措施和既有边坡加固工程为原则，在滑坡前缘采用抗滑桩进行加固，并设置相应的综合排水工程。

4.3.1 抗滑桩支档

根据下滑推力计算结果，在雨棚段K28+560～K28+620原有挡墙外侧设置一排抗滑桩，桩截面为2.0 m×3.0 m，桩长20 m，桩间距基本为5 m，共计12根。在非雨棚段K28+448～K28+560及K28+620～K28+880原有挡墙外侧设置一排抗滑桩，桩截面为1.8 m×2.4 m，桩长20 m，桩间距基本为6 m，共计60根。每根抗滑桩顶部预留两孔锚索孔，抗滑桩与原有挡墙之间浇注C25混凝土。

4.3.2 综合排水

在滑坡后缘山体上布置“支”字形大型排水沟与下部盲沟，并在K28+340、K28+360、K28+390、K28+470、K28+560、K28+717等6处坡面上设置急流槽，急流槽与下部边沟顺接。同时，在反压体坡脚外设置1道矩形边沟，边沟下方设置1道盲沟，以排除路基垫层内积水。为保证反压体范围内地下水的顺利排导，每隔50 m在反压体内布置1道石笼排水跺，石笼跺布置于抗滑桩桩间部位，与挡墙顶盲沟相接。永久加固工程主滑断面工程布置见图8。

图8 永久加固工程主滑断面典型工程布置

5 结 语

结合凝灰岩高边坡施工过程中的位移监测数据，系统分析了高边坡的失稳机理，揭示了凝灰岩的崩解软化属性对边坡稳定的不良影响；根据深孔位移监测确定了滑坡的滑面埋深，对滑坡不同工况下的稳定性进行了定量评价，并根据计算结果进行了滑坡的永久加固设计。以上研究结论可为凝灰岩地区高边坡工程提供参考。在开挖施工过程中，对于凝灰岩这种特殊岩体构成的高边坡需做好坡面排水和地下排水系统，以减弱地下水对凝灰岩的软化崩解等劣化作用；同时做好凝灰岩开挖出露区段的坡面防护，降低凝灰岩的风化速率。滑坡经应急抢险加固后经受了台风“山竹”的考验，验证了加固措施的有效性。机器人监测对边坡坡面及防护结构实时动态自动采集和传输数据，位移监测数据为滑坡的机理研究和稳定性评价提供了依据，并指导滑坡的预警预报。下一步可对凝灰岩的崩解软化开展相关试验研究，分析水对凝灰岩性质的影响。