高邊坡的勘察和設計(王恭先)

1、高邊坡的勘察和設計王 恭 先中鐵西北科學研究院2003年11月,主 要 內 容 一、高邊坡問題的提出 二、高邊坡的種類和變形類型 三、高邊坡的勘察和穩(wěn)定性評價 四、高邊坡的設計,一、高邊坡問題的提出 （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 一般認為邊坡高度大于20m的土質邊坡，或高度大于30m的巖質邊坡。 （二）高邊坡的變形、破壞及其造成的損失 高邊坡早已存在，也曾造成過變形和損失。近年來，高邊坡數量越來越多，高度越來越高。變形量大，增加投資、延誤工期、造成災害。 舉例：,云南瀾滄江小灣電站邊坡高達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8000余萬元,同江－三亞高速公路閩北八尺門互通區(qū)設在2個古滑坡上，治理費5000余萬元,云南元江－磨黑高速公路三菁公隧道進口高邊坡發(fā)生滑坡，高130m，推倒中隔墻,山西長治－晉城高速公路K31砂泥巖順層滑坡，體積達25萬m3,北京－珠海高速公路粵北段K108高邊坡滑坡，三次變更設計，治理費用2000余萬元,重慶萬州－梁平高速公路K42砂泥巖順層滑坡,西安秦嶺某試驗基地花崗巖高邊坡

4、滑坡,花崗巖中長100多m、寬80cm的張裂縫,(三)高邊坡的特征 1、高邊坡是將地質體的一部分改造成人為工程設施，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)、地質條件(地層巖性、地質構造、坡體結構、巖體結構、水文地質條件、風化程度等)和人為改造的程度(開挖深度、坡形、坡率等)。 2、由不同的地層、巖性、風化程度的巖土體構成的自然山坡，受地質構造影響程度不同，水文地質條件不同，在自然營力

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)，這是在漫長的地質歷史時期形成的，是動態(tài)的、變化的。自然斜坡是人工邊坡的基礎。 3、人工邊坡是對自然斜坡的改造，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力狀態(tài)和地下水的滲流條件，而且是在短短幾個月內改造完成的。自然山坡的應力調整有一個過程，強度低的軟弱巖層調整較快，常在施工期就發(fā)生變形；強度高的堅硬巖層調整較慢

6、，或可自身穩(wěn)定，或在1～3年后發(fā)生變形。只有當人工邊坡順應自然，對其改變不大時，才可保持穩(wěn)定，否則就會發(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力的作用之下，如陽光照射、降雨沖刷和下滲、風化和地震等。但人工邊坡所造成的自然狀態(tài)的改變使這種作用更強烈，如開挖暴露風化加劇、破壞植被地表水容易下滲、坡體松弛、爆破震動等都使邊坡更容易發(fā)生變形。 5、自然條件千差萬別，所以高邊坡設計也變得十分復雜，

7、每個工點都需單獨分析和計算，這也許就是目前高邊坡設計尚無規(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；（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,強風化巖坍塌,黃土滑坡,破碎巖體滑坡,強風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,老滑坡因開挖而復活,危巖體,花崗

9、巖順緩傾節(jié)理面滑落,錯 落,（三）高邊坡變形的條件和原因分析 從已經發(fā)生的大量高邊坡變形來分析有以下幾方面原因： 1、選線、選廠、選址時對地質工作重視不夠，沒有貫徹“地質選線”的原則，對已經存在的古老滑坡和潛在滑坡（如巖堆地段、順層地段）沒有認識或認識不足，將線路布設在這些地段，甚至大填、大挖，造成老滑坡復活或新生滑坡。 2、高邊坡變形最主要的原因是對高邊坡的地質決定性認識不足，道

10、路工程中重橋隧、輕路基的指導思想沒有徹底改變，對高邊坡沒有專門地質調查和勘探，只能憑經驗盲目設計，這就難免不發(fā)生問題。 3、由于對高邊坡重視不夠，過分強調節(jié)約工程投資，本來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，結果造成高邊坡變形，有時其治理費用比橋、隧還多。 4、高邊坡本應該作個別設計的，因工作量大、工期緊、資料少，也只能作一般邊坡對待，設計缺乏依據，或坡形坡率設計不符合當地巖土條件，或沒

11、有排水與加固工程，或工程不足以保證穩(wěn)定。 5、不科學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；開挖后長期暴露而不防護和加固，甚至一挖到底不加固等。,這里強調坡體結構對高邊坡變形的控制作用。 所謂坡體結構是指構成坡體的不同巖層及構造結構面（包括接觸分界面）的產狀、性質、厚度、含水狀況，在邊坡上的分布位置及其與開挖面之間的關系。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）基礎資料的收集（二）高邊坡的地面調查（三）高邊坡的勘探（四）高邊坡的穩(wěn)定性評價,（一）基礎資料的收集 勘察之前應充分收集邊坡所在地段的地層、巖性、地質構造、降雨、地震及線路平、縱、橫斷面初步設計資料。 （二）高邊坡的地面調查 地面地質調查是最重要也是最基礎的工作，它包括以下一些內容： 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；有無剝蝕平臺；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；自然山坡上有無變形現象，其類型、規(guī)模和產生的部位。 2、線路在山坡上的位置、走向，欲開挖邊坡的高度和形式。 3、當地同類地層中已有人工邊坡的形式和穩(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、產狀、風化

14、程度、強度特征，不同地層在邊坡上的分布位置，有無軟弱夾層或接觸面，其產狀與邊坡開挖面的關系。 6、地質構造（主要是小構造）的分布位置、產狀、發(fā)育程度、延伸長度、充填物、含水狀況，及其與開挖面的關系。 7、坡體結構類型：類均質體結構、近水平層狀結構、順傾層狀結構、反傾層狀結構、碎裂狀結構和塊狀結構。 8、已開挖邊坡的施工方法，包括施工季節(jié)、開挖順序和開挖方式（如爆破等）。 9

15、、邊坡變形歷史過程、變形類型、發(fā)生時間、部位、裂縫分布、發(fā)展過程，及其與施工和降雨等的關系。,(三)高邊坡的勘探 對地面地質調查不能查清的內容，如地層分界面、風化界面、軟弱地層或夾層、地下水的分布、層數和水量等，應布置必要的勘探。一般每段高邊坡至少應有一個代表性勘探斷面，最好是每30～50m布設一個斷面。若有不良地質（如滑坡）存在時，不良地質體上應有主軸代表性斷面。每一斷面上應不少于3個勘探點，勘探點以鉆孔為主，適當配合

16、坑槽探和物探，用綜合勘探手段查清地下情況。有條件時，對高度大、失穩(wěn)危險性大的邊坡，應布置地面和深孔位移監(jiān)測，以掌握邊坡變形動態(tài)。 在勘探的同時，應取代表性巖、土、水樣進行試驗，為設計提供參數。,（四）高邊坡的穩(wěn)定性評價 1、穩(wěn)定等級的劃分 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)定性評價方法 人們早已熟悉用力學平衡計算法評價邊坡的穩(wěn)定性，它可以得出穩(wěn)定系數的

17、定量數據，而且可算出需要加固工程承受力的大小。但是對于復雜的高邊坡穩(wěn)定性計算，由于計算的邊界條件（范圍）和破壞面巖土參數難以準確判定、試驗和選取，使計算結果的可信度降低。作者認為應以工程地質分析對比法為基礎輔以力學計算兩者結合較為合理，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)定系數和作用力大小，為設計提供依據。 ①工程地質分析對比法從以下幾方面分析對比： 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比中評價其穩(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、從坡體結構分析人工邊坡可能發(fā)生的變形類型及產生的部位（整體或局部）； d、從作用因素及其變化幅度分析，主要是開挖引起坡體松弛、地表水下滲、巖土（特別是軟弱帶）強度降低分析可能發(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)生機制并反演出破壞時的巖土強度

19、參數。 ②力學計算法 力學計算法有多種，只有選擇與調查確定的破壞類型及模式相一致的計算方法才能得出正確的結果。其破壞范圍主要是松弛范圍，除順層滑坡外，可用有限元計算開挖后邊坡的應力場和位移場來確定。 對土質邊坡和類土質邊坡可用傳統的圓弧形破壞面進行計算，但沿土層界面滑動者不一定是圓弧。巖質邊坡，即使是強風化巖體，其破壞也要沿不利結構面組合，因此多為折線形，用推力傳遞法比較符合實際。其選用的計算參

20、數C、Φ值也應根據地質情況不同而分段選取。,四、高邊坡的設計（一）高邊坡設計的特點 1、高邊坡設計以翔實的地質資料為基礎。 2、高邊坡設計是預測性設計。 3、高邊坡設計是風險性設計。 4、高邊坡設計應是動態(tài)設計。 5、高邊坡設計對施工工藝提出嚴格要求。（二）高邊坡設計的原則 1、高邊坡根據其使用年限和保護對象的重要性，應是安全可靠的。

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、由于坡腳應力和地下水集中，加固工程應貫徹“固腳強腰”的原則，“固腳”即加強坡腳1、2或3級邊坡的支撐力，“強腰”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、高邊坡設計應有完善的地表和地下排水

22、系統，減少水對邊坡穩(wěn)定的影響。 5、高邊坡設計應充分考慮環(huán)境保護，美化環(huán)境。,,（三）高邊坡的設計方法 高邊坡設計目前尚無統一的方法，一般采用三種方法相結合： 1、工程地質比擬法——從自然穩(wěn)定坡的調查中尋找可供比擬的坡形、坡率和坡高。 2、力學計算法——選擇符合坡體結構和破壞模式的計算方法對設計的坡形進行穩(wěn)定性計算，調整坡形或增加支擋工程以達到合理的設計。既保整體穩(wěn)定，又保

23、局部穩(wěn)定。 3、經驗對比法——以類似地質條件下穩(wěn)定的人工邊坡作參考設計新的邊坡。 4、坡形坡率的設計：一般采用臺階狀坡形。 每級臺階的高度：8～10m。 臺階（卸荷平臺）寬度：一般2～3m；高度大于30m的邊坡，在中部留4～6m的寬平臺。 坡率：土質邊坡：1:1～1:1.5（黃土邊坡除外）；類土質邊坡：1:1～1:1.5； 強

24、風化巖邊坡：1:0.75～1:1；弱風化巖邊坡：1:0.5～1:0.75； 微風化巖邊坡：1:0.3～l:0.5。 對巖層順傾地段的高邊坡，當巖層傾角大于40°時，可采用順層面刷方。但當傾角較緩時，不宜順層刷方，那樣會增大邊坡高度，破壞植被，增大征地和棄方，于環(huán)境保護不利，還可能留下不穩(wěn)定隱患。 5、加固工程的設計：對計算評價不穩(wěn)定和欠穩(wěn)定的邊坡必須設置一

25、定的加固工程措施，常用者有擋土墻、抗滑樁、預應力錨索抗滑樁、預應力錨索框架（地梁、墩），錨桿框架（地梁）等，可根據邊坡的具體情況單獨或組合使用。 6、排水系統設計：（1）地面排水系統；（2）地下排水。 以下用一些圖片實例作一說明。,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,錨索框架與地梁結合,錨索框架,,錨索框架與錨索樁結