高邊坡的勘察和設(shè)計(jì)(王恭先)

1、高邊坡的勘察和設(shè)計(jì)王 恭 先中鐵西北科學(xué)研究院2003年11月,主 要 內(nèi) 容 一、高邊坡問(wèn)題的提出 二、高邊坡的種類和變形類型 三、高邊坡的勘察和穩(wěn)定性評(píng)價(jià) 四、高邊坡的設(shè)計(jì),一、高邊坡問(wèn)題的提出 （一）高邊坡的界定——何為高邊坡 （二）高邊坡的變形、破壞及其造成的損失 （三）高邊坡的特征,（一）高邊坡

2、的界定 一般認(rèn)為邊坡高度大于20m的土質(zhì)邊坡，或高度大于30m的巖質(zhì)邊坡。 （二）高邊坡的變形、破壞及其造成的損失 高邊坡早已存在，也曾造成過(guò)變形和損失。近年來(lái)，高邊坡數(shù)量越來(lái)越多，高度越來(lái)越高。變形量大，增加投資、延誤工期、造成災(zāi)害。 舉例：,云南瀾滄江小灣電站邊坡高達(dá)500m,云南元江－磨黑高速公路K259高110m的砂泥巖高邊坡,深圳－汕頭高速公路K101滑坡推倒樁板

3、墻,深圳－汕頭高速公路K102滑坡，抗滑樁與明洞處理花費(fèi)8000余萬(wàn)元,同江－三亞高速公路閩北八尺門互通區(qū)設(shè)在2個(gè)古滑坡上，治理費(fèi)5000余萬(wàn)元,云南元江－磨黑高速公路三菁公隧道進(jìn)口高邊坡發(fā)生滑坡，高130m，推倒中隔墻,山西長(zhǎng)治－晉城高速公路K31砂泥巖順層滑坡，體積達(dá)25萬(wàn)m3,北京－珠海高速公路粵北段K108高邊坡滑坡，三次變更設(shè)計(jì)，治理費(fèi)用2000余萬(wàn)元,重慶萬(wàn)州－梁平高速公路K42砂泥巖順層滑坡,西安秦嶺某試驗(yàn)基地花崗巖高邊坡

4、滑坡,花崗巖中長(zhǎng)100多m、寬80cm的張裂縫,(三)高邊坡的特征 1、高邊坡是將地質(zhì)體的一部分改造成人為工程設(shè)施，因此其穩(wěn)定性取決于自然山坡的穩(wěn)定狀況(穩(wěn)定、不穩(wěn)定、極限平衡)、地質(zhì)條件(地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、坡體結(jié)構(gòu)、巖體結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)條件、風(fēng)化程度等)和人為改造的程度(開(kāi)挖深度、坡形、坡率等)。 2、由不同的地層、巖性、風(fēng)化程度的巖土體構(gòu)成的自然山坡，受地質(zhì)構(gòu)造影響程度不同，水文地質(zhì)條件不同，在自然營(yíng)力

5、作用下形成了各種形態(tài)的斜坡，如直線坡、凸形坡、凹形坡、階梯狀坡，且具有不同的穩(wěn)定狀態(tài)，這是在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史時(shí)期形成的，是動(dòng)態(tài)的、變化的。自然斜坡是人工邊坡的基礎(chǔ)。 3、人工邊坡是對(duì)自然斜坡的改造，它也有直線坡、凸形坡、凹形坡，更多的是階梯狀邊坡。人工邊坡改變了自然山坡的應(yīng)力狀態(tài)和地下水的滲流條件，而且是在短短幾個(gè)月內(nèi)改造完成的。自然山坡的應(yīng)力調(diào)整有一個(gè)過(guò)程，強(qiáng)度低的軟弱巖層調(diào)整較快，常在施工期就發(fā)生變形；強(qiáng)度高的堅(jiān)硬巖層調(diào)整較慢

6、，或可自身穩(wěn)定，或在1～3年后發(fā)生變形。只有當(dāng)人工邊坡順應(yīng)自然，對(duì)其改變不大時(shí)，才可保持穩(wěn)定，否則就會(huì)發(fā)生失穩(wěn)，甚至引起自然山坡的破壞。 4、自然山坡和人工邊坡都處在各種自然營(yíng)力的作用之下，如陽(yáng)光照射、降雨沖刷和下滲、風(fēng)化和地震等。但人工邊坡所造成的自然狀態(tài)的改變使這種作用更強(qiáng)烈，如開(kāi)挖暴露風(fēng)化加劇、破壞植被地表水容易下滲、坡體松弛、爆破震動(dòng)等都使邊坡更容易發(fā)生變形。 5、自然條件千差萬(wàn)別，所以高邊坡設(shè)計(jì)也變得十分復(fù)雜，

7、每個(gè)工點(diǎn)都需單獨(dú)分析和計(jì)算，這也許就是目前高邊坡設(shè)計(jì)尚無(wú)規(guī)范可循的原因。,二、高邊坡的種類和變形類型（一）高邊坡的種類（二）高邊坡的變形類型（三）高邊坡變形的條件和原因分析,（一）高邊坡的種類高邊坡分類表,（二）高邊坡的變形類型1、按變形性質(zhì)分（1）坡面沖刷 ；（2）表層溜坍；（3）危巖、落石、崩塌；（4）坍塌；（5）滑坡；（6）傾倒；（7）錯(cuò)落。2、按變形深度分（1）坡面變形（深1～2m）；（2）邊坡變形（深<

8、;10m），變形在邊坡范圍內(nèi)；（3）坡體變形（深≥10m），變形超越邊坡范圍。3、按變形范圍分（1）整體變形——整個(gè)邊坡變形；（2）局部變形——部分邊坡變形。4、按變形新老分（1）古老滑坡復(fù)活；（2）新發(fā)生的變形。,邊坡變形示意圖：,坡面沖刷,,堆積層坍塌,強(qiáng)風(fēng)化巖坍塌,黃土滑坡,破碎巖體滑坡,強(qiáng)風(fēng)化砂泥巖局部順層滑坡,砂泥巖順層滑坡,砂泥巖切層滑坡,砂泥巖老滑坡與新滑坡,石灰?guī)r的傾倒變形,老滑坡因開(kāi)挖而復(fù)活,危巖體,花崗

9、巖順緩傾節(jié)理面滑落,錯(cuò) 落,（三）高邊坡變形的條件和原因分析 從已經(jīng)發(fā)生的大量高邊坡變形來(lái)分析有以下幾方面原因： 1、選線、選廠、選址時(shí)對(duì)地質(zhì)工作重視不夠，沒(méi)有貫徹“地質(zhì)選線”的原則，對(duì)已經(jīng)存在的古老滑坡和潛在滑坡（如巖堆地段、順層地段）沒(méi)有認(rèn)識(shí)或認(rèn)識(shí)不足，將線路布設(shè)在這些地段，甚至大填、大挖，造成老滑坡復(fù)活或新生滑坡。 2、高邊坡變形最主要的原因是對(duì)高邊坡的地質(zhì)決定性認(rèn)識(shí)不足，道

10、路工程中重橋隧、輕路基的指導(dǎo)思想沒(méi)有徹底改變，對(duì)高邊坡沒(méi)有專門地質(zhì)調(diào)查和勘探，只能憑經(jīng)驗(yàn)盲目設(shè)計(jì)，這就難免不發(fā)生問(wèn)題。 3、由于對(duì)高邊坡重視不夠，過(guò)分強(qiáng)調(diào)節(jié)約工程投資，本來(lái)可以作隧道或外移作橋或半路半橋的，為節(jié)省投資而大挖方，結(jié)果造成高邊坡變形，有時(shí)其治理費(fèi)用比橋、隧還多。 4、高邊坡本應(yīng)該作個(gè)別設(shè)計(jì)的，因工作量大、工期緊、資料少，也只能作一般邊坡對(duì)待，設(shè)計(jì)缺乏依據(jù)，或坡形坡率設(shè)計(jì)不符合當(dāng)?shù)貛r土條件，或沒(méi)

11、有排水與加固工程，或工程不足以保證穩(wěn)定。 5、不科學(xué)的施工方法也是造成邊坡失穩(wěn)變形的重要原因，如雨季大開(kāi)挖大量雨水滲入坡體，軟化坡體巖土；大爆破施工破壞巖體完整性；開(kāi)挖后長(zhǎng)期暴露而不防護(hù)和加固，甚至一挖到底不加固等。,這里強(qiáng)調(diào)坡體結(jié)構(gòu)對(duì)高邊坡變形的控制作用。 所謂坡體結(jié)構(gòu)是指構(gòu)成坡體的不同巖層及構(gòu)造結(jié)構(gòu)面（包括接觸分界面）的產(chǎn)狀、性質(zhì)、厚度、含水狀況，在邊坡上的分布位置及其與開(kāi)挖面之間的關(guān)系。它控制了邊坡可能發(fā)生

12、變形的類型、位置和規(guī)模。我們將之分為以下六種：,三、高邊坡的勘察（一）基礎(chǔ)資料的收集（二）高邊坡的地面調(diào)查（三）高邊坡的勘探（四）高邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià),（一）基礎(chǔ)資料的收集 勘察之前應(yīng)充分收集邊坡所在地段的地層、巖性、地質(zhì)構(gòu)造、降雨、地震及線路平、縱、橫斷面初步設(shè)計(jì)資料。 （二）高邊坡的地面調(diào)查 地面地質(zhì)調(diào)查是最重要也是最基礎(chǔ)的工作，它包括以下一些內(nèi)容： 1、邊坡所在山坡的走

13、向、坡向、坡高，各分段的坡形、坡率、坡高；有無(wú)剝蝕平臺(tái)；植被狀況；河流、溝谷發(fā)育程度、分布密度、切割深度、走向、溝形、溝岸穩(wěn)定狀況；自然山坡上有無(wú)變形現(xiàn)象，其類型、規(guī)模和產(chǎn)生的部位。 2、線路在山坡上的位置、走向，欲開(kāi)挖邊坡的高度和形式。 3、當(dāng)?shù)赝惖貙又幸延腥斯み吰碌男问胶头€(wěn)定狀況。 4、山坡和邊坡上地下水出露位置、高程、流量變化。 5、邊坡地段的地層、巖性、產(chǎn)狀、風(fēng)化

14、程度、強(qiáng)度特征，不同地層在邊坡上的分布位置，有無(wú)軟弱夾層或接觸面，其產(chǎn)狀與邊坡開(kāi)挖面的關(guān)系。 6、地質(zhì)構(gòu)造（主要是小構(gòu)造）的分布位置、產(chǎn)狀、發(fā)育程度、延伸長(zhǎng)度、充填物、含水狀況，及其與開(kāi)挖面的關(guān)系。 7、坡體結(jié)構(gòu)類型：類均質(zhì)體結(jié)構(gòu)、近水平層狀結(jié)構(gòu)、順傾層狀結(jié)構(gòu)、反傾層狀結(jié)構(gòu)、碎裂狀結(jié)構(gòu)和塊狀結(jié)構(gòu)。 8、已開(kāi)挖邊坡的施工方法，包括施工季節(jié)、開(kāi)挖順序和開(kāi)挖方式（如爆破等）。 9

15、、邊坡變形歷史過(guò)程、變形類型、發(fā)生時(shí)間、部位、裂縫分布、發(fā)展過(guò)程，及其與施工和降雨等的關(guān)系。,(三)高邊坡的勘探 對(duì)地面地質(zhì)調(diào)查不能查清的內(nèi)容，如地層分界面、風(fēng)化界面、軟弱地層或夾層、地下水的分布、層數(shù)和水量等，應(yīng)布置必要的勘探。一般每段高邊坡至少應(yīng)有一個(gè)代表性勘探斷面，最好是每30～50m布設(shè)一個(gè)斷面。若有不良地質(zhì)（如滑坡）存在時(shí)，不良地質(zhì)體上應(yīng)有主軸代表性斷面。每一斷面上應(yīng)不少于3個(gè)勘探點(diǎn)，勘探點(diǎn)以鉆孔為主，適當(dāng)配合

16、坑槽探和物探，用綜合勘探手段查清地下情況。有條件時(shí)，對(duì)高度大、失穩(wěn)危險(xiǎn)性大的邊坡，應(yīng)布置地面和深孔位移監(jiān)測(cè)，以掌握邊坡變形動(dòng)態(tài)。 在勘探的同時(shí)，應(yīng)取代表性巖、土、水樣進(jìn)行試驗(yàn)，為設(shè)計(jì)提供參數(shù)。,（四）高邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià) 1、穩(wěn)定等級(jí)的劃分 一般分為穩(wěn)定坡、基本穩(wěn)定坡、欠穩(wěn)定坡和不穩(wěn)定坡，其特征如下表:,2、高邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法 人們?cè)缫咽煜び昧W(xué)平衡計(jì)算法評(píng)價(jià)邊坡的穩(wěn)定性，它可以得出穩(wěn)定系數(shù)的

17、定量數(shù)據(jù)，而且可算出需要加固工程承受力的大小。但是對(duì)于復(fù)雜的高邊坡穩(wěn)定性計(jì)算，由于計(jì)算的邊界條件（范圍）和破壞面巖土參數(shù)難以準(zhǔn)確判定、試驗(yàn)和選取，使計(jì)算結(jié)果的可信度降低。作者認(rèn)為應(yīng)以工程地質(zhì)分析對(duì)比法為基礎(chǔ)輔以力學(xué)計(jì)算兩者結(jié)合較為合理，前者為后者提供變形類型、范圍和邊界條件，后者則可得出穩(wěn)定系數(shù)和作用力大小，為設(shè)計(jì)提供依據(jù)。 ①工程地質(zhì)分析對(duì)比法從以下幾方面分析對(duì)比： a、從自然極限穩(wěn)定坡的坡形坡率坡高與

18、人工邊坡的平均坡率和坡高對(duì)比中評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性； b、從自然山坡已發(fā)生的變形類型和規(guī)模推斷人工邊坡可能發(fā)生的變形類型和規(guī)模； c、從坡體結(jié)構(gòu)分析人工邊坡可能發(fā)生的變形類型及產(chǎn)生的部位（整體或局部）； d、從作用因素及其變化幅度分析，主要是開(kāi)挖引起坡體松弛、地表水下滲、巖土（特別是軟弱帶）強(qiáng)度降低分析可能發(fā)生的變形類型及規(guī)模； e、從已發(fā)生的變形分析其發(fā)生機(jī)制并反演出破壞時(shí)的巖土強(qiáng)度

19、參數(shù)。 ②力學(xué)計(jì)算法 力學(xué)計(jì)算法有多種，只有選擇與調(diào)查確定的破壞類型及模式相一致的計(jì)算方法才能得出正確的結(jié)果。其破壞范圍主要是松弛范圍，除順層滑坡外，可用有限元計(jì)算開(kāi)挖后邊坡的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)來(lái)確定。 對(duì)土質(zhì)邊坡和類土質(zhì)邊坡可用傳統(tǒng)的圓弧形破壞面進(jìn)行計(jì)算，但沿土層界面滑動(dòng)者不一定是圓弧。巖質(zhì)邊坡，即使是強(qiáng)風(fēng)化巖體，其破壞也要沿不利結(jié)構(gòu)面組合，因此多為折線形，用推力傳遞法比較符合實(shí)際。其選用的計(jì)算參

20、數(shù)C、Φ值也應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況不同而分段選取。,四、高邊坡的設(shè)計(jì)（一）高邊坡設(shè)計(jì)的特點(diǎn) 1、高邊坡設(shè)計(jì)以翔實(shí)的地質(zhì)資料為基礎(chǔ)。 2、高邊坡設(shè)計(jì)是預(yù)測(cè)性設(shè)計(jì)。 3、高邊坡設(shè)計(jì)是風(fēng)險(xiǎn)性設(shè)計(jì)。 4、高邊坡設(shè)計(jì)應(yīng)是動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。 5、高邊坡設(shè)計(jì)對(duì)施工工藝提出嚴(yán)格要求。（二）高邊坡設(shè)計(jì)的原則 1、高邊坡根據(jù)其使用年限和保護(hù)對(duì)象的重要性，應(yīng)是安全可靠的。

21、 2、高度40m以下的邊坡原則上以放穩(wěn)定坡率為主，大于40m的邊坡，放緩邊坡可能增加大量棄方、破壞大量植被、增大征地量，于環(huán)保不利，應(yīng)采取較陡的坡率增加支擋加固工程以減小邊坡高度。 3、由于坡腳應(yīng)力和地下水集中，加固工程應(yīng)貫徹“固腳強(qiáng)腰”的原則，“固腳”即加強(qiáng)坡腳1、2或3級(jí)邊坡的支撐力，“強(qiáng)腰”則是防止高邊坡的局部失穩(wěn)。既要保整體穩(wěn)定，也要保局部穩(wěn)定。 4、高邊坡設(shè)計(jì)應(yīng)有完善的地表和地下排水

22、系統(tǒng)，減少水對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響。 5、高邊坡設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮環(huán)境保護(hù)，美化環(huán)境。,,（三）高邊坡的設(shè)計(jì)方法 高邊坡設(shè)計(jì)目前尚無(wú)統(tǒng)一的方法，一般采用三種方法相結(jié)合： 1、工程地質(zhì)比擬法——從自然穩(wěn)定坡的調(diào)查中尋找可供比擬的坡形、坡率和坡高。 2、力學(xué)計(jì)算法——選擇符合坡體結(jié)構(gòu)和破壞模式的計(jì)算方法對(duì)設(shè)計(jì)的坡形進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，調(diào)整坡形或增加支擋工程以達(dá)到合理的設(shè)計(jì)。既保整體穩(wěn)定，又保

23、局部穩(wěn)定。 3、經(jīng)驗(yàn)對(duì)比法——以類似地質(zhì)條件下穩(wěn)定的人工邊坡作參考設(shè)計(jì)新的邊坡。 4、坡形坡率的設(shè)計(jì)：一般采用臺(tái)階狀坡形。 每級(jí)臺(tái)階的高度：8～10m。 臺(tái)階（卸荷平臺(tái)）寬度：一般2～3m；高度大于30m的邊坡，在中部留4～6m的寬平臺(tái)。 坡率：土質(zhì)邊坡：1:1～1:1.5（黃土邊坡除外）；類土質(zhì)邊坡：1:1～1:1.5； 強(qiáng)

24、風(fēng)化巖邊坡：1:0.75～1:1；弱風(fēng)化巖邊坡：1:0.5～1:0.75； 微風(fēng)化巖邊坡：1:0.3～l:0.5。 對(duì)巖層順傾地段的高邊坡，當(dāng)巖層傾角大于40°時(shí)，可采用順層面刷方。但當(dāng)傾角較緩時(shí)，不宜順層刷方，那樣會(huì)增大邊坡高度，破壞植被，增大征地和棄方，于環(huán)境保護(hù)不利，還可能留下不穩(wěn)定隱患。 5、加固工程的設(shè)計(jì)：對(duì)計(jì)算評(píng)價(jià)不穩(wěn)定和欠穩(wěn)定的邊坡必須設(shè)置一

25、定的加固工程措施，常用者有擋土墻、抗滑樁、預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁、預(yù)應(yīng)力錨索框架（地梁、墩），錨桿框架（地梁）等，可根據(jù)邊坡的具體情況單獨(dú)或組合使用。 6、排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)：（1）地面排水系統(tǒng)；（2）地下排水。 以下用一些圖片實(shí)例作一說(shuō)明。,坡腳樁板墻,坡腳錨索抗滑樁，中部錨索框架,坡腳錨索抗滑樁，以上錨索地梁,坡腳錨索樁，以上錨索地梁,路下錨索抗滑樁，路上錨索框架,錨索框架與地梁結(jié)合,錨索框架,,錨索框架與錨索樁結(jié)