基于变形监测的边坡稳定性及加固方案探讨

张玉广 张国发 彭小勇 邹启民

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳 550001)

随着山区高速公路的全面修建，路堑开挖高度大于30 m的高边坡越来越多，建设过程中边坡的变形破坏已成为常见的现象，其诱发因素主要有开挖卸荷、降雨、自身岩体构造及震动等。为跟踪和控制边坡施工进程及验证支护效果，边坡监测技术逐渐得到了广泛应用，并在边坡、滑坡的防护和支挡加固设计中提供了基础数据依据[1-2]。

目前，已有较多学者从边坡变形监测数据出发，剖析边坡的变形破坏机理及支护设计，冯振等[3]基于边坡及桩体位移监测数据，分析出不利的地质结构、坡脚开挖及降水是诱发红砂岩顺层边坡发生变形破坏的主要原因；张冬冬等[4]同样在高填方支护结构变形监测基础上，对顺坡向和横向2个方向的变形进行分析，得出滑坡体失稳的空间变形方式及整体性的治理措施；黄秋香[5]通过对具有反倾软弱夹层的反倾岩坡内、外监测，得出边坡在开挖过程中变形呈现“点头”现象，坡体整体变形为压缩-蠕变、倾倒-拉裂复合模式；赵建平等[6]则从边坡位移变形出发，找到快速定位临界滑面的方法，提出临近滑面位置点的概念，从理论上研究临界滑移面在临界位移场中的分布情况；李明等[7]采用土工离心机及开挖模拟设备进行土坡开挖离心试验，结果表明，开挖后坡体内部根据竖向应变性质的不同可分为开挖松动区、开挖压缩区和无影响区3个区域，不同区域土体的变形特性有所差别。

本文以某高速公路ZK57+555-ZK57+713段左侧高边坡变形破坏为例，综合分析边坡变形监测数据，结合地质勘察情况分析研究该类型边坡变形破坏机理及诱发因素，探讨边坡支挡加固方案。

1 工程地质条件

某高速公路ZK57+555-ZK57+713段线位由正北～正南方向，切割一自然山体，线位左侧形成36 m高边坡，切脚长度158 m。斜坡坡度20°～30°，路线左高右低。场区地貌为侵蚀-溶蚀低中山地貌，原地面高程为1 074.9 m～1 160.0 m，路基设计标高1 076.60 m～1 077.0 m，路基中心最大挖深15 m。2018年4月中旬，边坡开挖至第3级边坡平面，坡顶出现小型裂缝，第4级边坡坡面出现鼓胀现象；5月7日，开挖至第2级边坡平台，并施作锚索框架梁防护，正张拉锚索期间，坡体后缘、坡面出现大量裂缝，后缘为纵向贯通形裂缝，长约77 m，最大宽约0.5 m，开挖坡脚局部出现微隆起，便停止施工，边坡现状及裂缝情况见图1。

图1 边坡现状及裂缝情况

1.1 地层岩性

场区上覆土层为第四系残坡积层(Qel+dl)含碎石粉质黏土，灰黄色，可塑状，碎石成分主要为粉砂质泥岩；下伏基岩为奥陶系下统湄潭组(O1m)粉砂质泥岩夹灰岩。边坡强风化岩体较软，同时受断层带影响，岩体破碎，抗风化能力弱，风化后岩体松散，可直接捏碎呈类土状，厚15.0～20.0 m。中风化粉层岩体呈深灰色、灰黑色，薄～中厚层状，节理发育，岩体较破碎，岩芯多呈碎块状～短柱状。

1.2 地质构造与地震

场区位于扬子准地台黔北台隆遵义断拱之凤冈北北东向构造变形区。根据地质调绘，场区发育断层F1、F2。F1于ZK57+721(YK57+730)处斜穿线位地表，断层倾向142°，倾角80°，破碎带宽度1～5 m，上盘岩层产状54°∠51°，下盘岩层产状50°∠63°；逆断层F2于ZK57+256(YK57+252)处正交线位地表，断层面倾向13°，倾角60°～70°，断层破碎带宽度3～6 m，上盘岩层产状300°～336°∠27°～35°，下盘岩层产状210°～270°∠23°～68°。区内主要节理产状有：24°∠73°、179°∠84°、265°∠52°三组，节理间距20～150 mm，地质构造及地质断面情况见图2。

图2 边坡地质构造及地质断面

1.3 水文地质

路段地势较高，地下水补给主要来源于大气降水，地下水类型为第四系松散覆盖层孔隙水、基岩裂隙水。松散覆盖层裂隙水赋存于土层孔隙中，该类含水岩组厚度薄，补给面积有限，具季节性，干旱时不含水，富水性差，埋藏较浅。雨水下渗后沿基岩风化裂隙运移，在山谷地势低洼处排泄。根据钻孔显示，孔内未见稳定地下水位。

2 边坡监测及变形特征分析

通过对监测指标连续的监测和分析工作，动态掌握该边坡治理施工过程中的安全稳定、变形位移情况，及时掌握边坡工作状态，预警边坡失稳征兆，以分析边坡的变形破坏机制、滑移位移及方向。

2.1 监测方案

根据现场裂缝分布及坡面破坏情况，结合地质勘察资料，本段边坡用常规精密大地测量方法，采用电子全站仪对基准网进行监测，通过对监测点的多期观测计算监测点的坐标变化量，进而分析监测点的滑移量、滑移方向、滑移速度等。经地表巡视发现坡体存在滑移可能后，在岩体上现场浇灌混凝土标石作为基准点及监测点，共布设7个地表位移监测点，分别为JCD1～JCD7，数据采集时间为2019年5月10日-6月30日，共50 d，监测点布设位置见图2。

2.2 变形特征

累计水平位移中，5月10日-6月8日，JCD1、JCD5和JCD6累计水平位移无明显增加，变形速率为0.38～1.50 mm/d；从6月8日-6月30日，三监测点累计水平位移分别达到103.5,176.3,131.7 mm，变形速率为3.20～4.80 mm/d，竖向位移无明显增加。JCD2～JCD4、JCD7共4个监测点从5月10日-6月10日累计水平位移呈线性增加，累计水平位移最大达到303.5～333.7 mm，平均变形速率为10.4 mm/d，竖向位移变形趋势与水平位移一致，最大达到-234.0 mm；在6月11日-6月30日，各监测点的水平、竖向累计位移出现转折陡增期，累计水平位移最大达到1 293.6 mm，平均变形速率达到58.1 mm/d，降雨量与地表位移关系图见图3。

图3 降雨量与地表累计位移关系

裂缝发展及位移变形情况说明，该边坡可分为受牵引区(JCD1、JCD5～6区域)及变形区(JCD2～JCD4、JCD7围成区域)，监测点布设位置见图1、图2。坡体沿一定的软弱面整体向下以水平位移为主，受坡体岩层结构、抗剪强度等影响，受牵引区阻碍变形区滑移体变形，使滑动后壁呈环谷状，但水平位移趋势与变形区一致，坡体无贯通性滑面，因此其竖向位移无明显变化。

由图3中各监测点发展趋势可见，该段边坡属于蠕滑型边坡，在重力作用下边坡的滑动变形具有典型的蠕滑特征，坡体变形发展可分为线性变形期、变形失稳期及固结稳定期。线性变形期间，边坡岩土体的变形随时间缓慢增长，处于蠕滑变形状态，受牵引区水平、竖向变形不明显，坡体处于稳定状态，但受变形区牵引影响，随之等速变形。变形失稳期，坡体自重应力增加，水平、竖向位移陡增，而滑体下座滑移，使变形区后缘及两侧受牵引加速变形。滑坡体出现较大变形滑移后，采用工程措施进行坡脚支挡、坡体加固，坡体应力将重分布形成二次应力场，使其达到新的应力平衡，处于固结稳定期。而蠕变变形边坡其变形区坡体水平位移、竖向位移变形趋势具有严格的对称性；受牵引区水平位移为主，竖向变形不明显，变形趋势不一致，降雨量与日平均位移关系见图4。

图4 降雨量与边坡日水平、竖向位移关系

2.3 降雨影响

2019年5月7日-7月底，该地区逐渐进入汛期，单日降雨量逐渐增加，尤其是6月8日-6月25日的持续降雨，降水量由39.5 mm增至99.3 mm。6月10日(降雨量71.0 mm)、6月21日(降雨量99.3 mm)监测数据显示，坡体地表位移均出现转折陡增，最大为JCD4的日水平位移27.1 mm、日竖向位移18.5 mm，JCD2、JCD3、JCD7位移次之；同时，坡体变形速率加大，由8 mm/d增至19 mm/d。说明雨水入渗时坡体内和坡面发生的位移最大，变形量及变形速率均会陡增，约占总位移的80%～91%。雨水入渗及发生蠕变条件下坡体变形的规律是坡体上部变形大，下部变形小。监测数据表明，该工点受雨水影响较大，应注重地表排水及坡体内地下水排泄。

2.4 滑移方向

监测点位移矢量能准确判断滑移体的主滑方向。图2中显示，JCD2～JCD4、JCD7位移矢量方向垂直于路线，说明边坡的滑移变形受前缘开挖临空卸荷作用影响，坡体以垂直于路线方向滑移。

3 变形破坏特征分析

3.1 变形机理分析

反倾岩层边坡成坡过程中附加构造应力一般已释放完成，仅存少量残余应力，边坡岩体主要受自重力、上部岩层重力，以及岩层间摩擦力作用[8]。受构造带断层影响，该段边坡区域岩体节理发育，2组节理对反倾岩层进行“△”剪切，使边坡岩体结构较为松散，节理裂隙发育，地下水极易向下渗透，受汛期持续大气降水渗入，表层岩石软化失去完整性及致密性，淋滤作用下在层间形成软弱夹层，抗剪强度下降明显。加之前缘开挖临空卸荷，受自重应力作用，开挖影响区土体垂直于临空面产生竖向、水平应变，以拉伸-挤压-蠕变-拉裂的蠕滑型模式发生渐进破坏。滑移破坏过程中，滑体后缘及侧翼受水平向拉伸及竖向压缩，监测数据反映出水平位移大于竖向位移，即以水平向拉伸为主。

3.2 变形因素分析

3.2.1降雨

降雨是诱发滑坡灾害的主要因素。场区断层交错，坡体自身节理裂隙发育，降雨入渗坡体内，岩土体含水率增大，逐渐饱和降低自身抗剪强度，加大自重应力。同时，受淋滤作用，岩土体细小及易溶成分被溶解带走，在风化较弱或不透水层间形成软弱夹层，促进坡体滑移。

在坡体变形过程中，降雨决定了变形发展的拐点，成为等速蠕变变形向加速变形发展的主要诱因，影响变形速率。粉砂质泥岩主要成分为黏土矿物 ,含少量粉砂质。粉砂含量为25%～50%，黏土含量为50%～75%，浸水后，泥岩易软化。因此，在后续设计中不可忽视坡体内的排水和坡面防水措施。

3.2.2临空面

边坡的开挖为坡体提供变形空间，作为坡体滑移的前置条件。坡脚开挖改变坡体的应力场，随着临空面由小到大，开挖过程中影响区域逐渐增加。该段边坡施工阶段，随着前缘临空高度逐渐增加，坡顶裂缝往后缘发展，滑面逐渐加深，滑移范围增大。

3.2.3地质构造

场区属于侵蚀-溶蚀低中山地貌，前缘缓坡地形为湄潭组粉砂质泥岩，后缘山体陡峭为奥陶系桐梓组灰岩，形成“上硬下软”的典型台地地形。

断层F1、F2交叉分布场区，断裂构造作用使粉砂质泥岩中交错节理发育，形成两组24°∠73°的节理1和179°∠84°的节理2，与反倾岩层产状54°∠51°形成“△”切割的不利结构，为雨水下渗提供条件，“△”切割赤平投影见图5。

图5 “△”切割

3.2.4岩体结构

软岩中夹薄层硬质岩类型岩体结构，由于下部软质岩受风化、侵蚀等产生软化-收缩-扩张-挤压，使薄层硬质岩由完整层状变为块状，使坡体完整性较差，整体强度较低。同时，破碎硬质岩层利于地表水及地下水入渗，促进雨水淋滤作用。强风化层坡体随地表水入渗逐渐呈饱和状态，其余降水及易溶物质逐渐沿裂隙往坡体深部入渗至不透水或弱透水层，形成软弱夹层圆弧滑面，随临空面开挖往深部移动，岩体结构示意图见图6。

图6 岩体结构

4 处治措施

结合根据工程类比及反算法，考虑暴雨工况下Fs=0.98、正常工况下Fs=1.03进行反算，综合滑动面抗剪参数及岩土体参数见表1。

表1 岩土体物理力学性质

由2.2节变形特征表明，该段边坡分为变形区及受牵引区，采用理正软件计算两区域最不利断面稳定性，最不利断面图见图7。

图7 最不利断面图

由图7可见，受牵引区的沉降位移主要受变形区影响较大，坡体未形成贯穿滑面，仍为潜在滑面，安全稳定性系数情况见表2。该区域剩余下滑力较小，属于欠稳定状态，可采用挡墙+锚索综合加固。

表2 受牵引区设计计算结果

变形区需考虑2种情况，①已下滑失稳的软弱层滑面，滑面剪出口位于第二级边坡中部；②随着临空面的开挖，是否存在深层潜在滑移可能。经计算，随着边坡放缓清方，坡体潜在滑面逐渐加深，趋近后缘山体。结合经济性对比缓坡清方和支挡加固方案，清方方案支护工程费用较低，但弃渣量较大，需增设弃渣场，故拟采用支挡加固方案，变形区设计断面计算结果见表3。

表3 变形区设计断面计算结果

4.1 受牵引区

挖方坡脚采用6 m挡墙支挡，避免地下水及降雨软化坡脚岩土体；挡墙上边坡采用锚索框架格梁加固，锚固段应深入中风化层，同时，考虑锚索框架格梁张拉锚固周期较长，预先应素喷坡面并完成泄水孔，以保证锚固力和框架格梁的有效性和耐久性。

4.2 变形区

变形区需考虑2种滑面类型的支挡加固，即滑面和潜在滑面，剩余下滑力分别为780.62 kN和1 226.36 kN。挖方坡脚采用2 m×3 m抗滑桩支挡加固，控制断面开挖过程中滑面加深；采取桩顶上边坡适当放缓+宽平台处理，清除部分滑体，坡面素喷后采用锚索框架格梁加固。

考虑降雨及地下水对该边坡变形过程中的影响，可采用排水沟+深层泄水管综合防排水措施，降低地下水的侵蚀软化和大气降水的淋滤作用。

5 结语

通过对某高速公路路堑边坡进行位移监测，剖析了降雨与边坡变形特征的对应规律，并结合地质勘察，探讨了边坡变形过程及影响因素，提出了对应的支护建议。

1) 边坡监测数据可反映边坡的稳定程度，为边坡变形提供预警，有效地跟踪、控制和指导施工，可广泛运用于工程实践中。

2) 受降雨、临空面开挖及岩体结构的影响，边坡出现不同的变形特征。受牵引区和变形区相互约束和拉伸，变形区坡体出现以水平、竖向位移对称性的变形趋势；而受牵引区受其变形拉伸及竖向压缩，出现以水平位移为主的变形。

3) 蠕滑型边坡变形发展可分为线性变形期、变形失稳期，以及固结稳定期。线性变形期间，坡体变形随时间而匀速增长，处于蠕滑变形状态；变形失稳期，坡体自重应力增加，水平、竖向位移陡增，使裂缝后缘及两侧坡体随之加速变形。滑坡体出现较大变形滑移后，坡体应力重分布形成二次应力场，使其达到新的应力平衡，该过程为固结稳定期。

4) 工程设计中应充分考虑监测数据反映的场区变形特征，以及地下水、地表水对边坡变形的敏感性，从而采取有效的设计方案。