云南等级公路边坡加固方案及灾害防治

摘要：由于特殊的自然地理及地质环境，长期以来，路基病害一直是制约云南公路建设及安全运营的主要因素。在以往的路堑边坡加固中，抗滑桩、排水、锚杆、预应力锚索、植被护坡、格子梁护坡等措施被广泛采用，但在如此多的加固方案中，有、无最优或相对最优的方案，则是目前边坡工程中需要认真研究的重要问题之一。

关键词：公路；边坡加固；灾害；防治

中图分类号：U418.5+2文献标识码： A 文章编号：

1. 引言20世纪80年代以来，云南高速公路建设取得了巨大成就，但由于特殊的自然地理及地质环境，长期以来，路基病害一直是制约云南公路建设及安全运营的主要因素。研究表明，云南省有2200～8000 km的公路受到地质灾害的直接或潜在威胁。与我国西南地区其它省份类似，云南公路路基病害主要有滑坡、崩塌落石、泥石流、风化剥落及溜坍等形势，其中以前三者的危害最为严重。鉴于路基边坡失稳的普遍性及其在形成机制、整治手段方面与崩塌和泥石流灾害之间的差异性，本文将重点路基边坡滑坡及其防治问题。

2. 边坡加固方案及灾害防治斜坡工程问题可以分为健康、亚健康斜坡的加固和已失稳斜坡（滑坡）的整治两大类。斜坡加固最早应该是 19世纪30年代从英国、法国的铁路及渠道堤坡的加固开始的。100 多年来，各类土石方施工机械在土木工程建设领域的广泛应用，极大地促进了斜坡加固技术的发展。

2.1 岩质路堑边坡的加固方案优选文[2]的研究表明，坡面卸载导致的应力环境变迁是边坡岩体演化失稳的基础，而以降水为核心的（近）地表环境要素的综合胁迫是岩体演化的主要驱动力，两者彼此促进，共同推动边坡的夷平化进程，因此，应力场恢复和防水应成为边坡加固的首要目标。

2.1.1预应力地锚地锚利用被固定在岩土体中的张性构件来稳定支挡结构或加固边坡，有岩锚、土锚、预应力锚及无预应力锚等多种类型。目前，在我国的高速公路及国道主干线改造工程中，预应力锚索已成为路基高边坡加固的最常用手段。大保高速公路某路基边坡开挖高度达到200m，加固过程中施工了近200根长25~30 m的预应力锚索，施加的预应力量级为1000 kN，锚固段长度大于10 m。云南元磨高速公路元江段某168m的路基高边坡加固采用了289根4束预应力锚索，平均长度27 m，锚固段长度10 m，施加的预应力为600kN。铜川~黄陵高速公路某滑坡高50 m，方量近50×104m3，加固过程中，采用了228根9束预应力锚索，施加预应力1000 kN。预应力地锚技术已被广泛采用，但对其加固岩土体的机理尚未形成统一认识，已提出的观点有悬吊、悬挂和紧固连锁作用；提高滑面阻滑力、坡体变形的均匀性与整体性及被锚固岩体属复合材料，其变形性能和强度会有很大提高等。与测定现场地应力的应力恢复法类似，在边坡加固中所采用的预应力地锚本质上是一种应力场恢复技术。尽管预应力地锚有很多变种，但它们的基本结构都是相同的，都包括设置于稳定岩体中的锚、长腱体和承载结构。锚的作用相当于抗力体，与在地下洞室内进行大剪试验及TBM掘进时分别向千斤顶和支撑靴提供反力的围岩具有类似功效，而构成长腱体的螺纹钢筋及多束钢绞线等则相当于千斤顶的伸缩杆。因此，预应力地锚等同于在坡体之外向坡面的不同承载结构施加中心荷载的设施，其特色就在于它对坡面所施加的荷载是由边坡内侧的深部岩体而非外部岩土体或人工结构所提供，从而节约了处置空间。随具体条件的不同，承载结构有单一锚块、锚块加格子梁、格子梁、十字梁及单条地梁等多种形式。由于它们一般都是用钢筋混凝土制成的刚性构件，来自地锚的中心荷载可以被视为作用于承载结构上的均布荷载。在边坡工程中，预应力地锚多被成群布置，构成地锚群，地锚彼此独立或通过不同方式在坡面联结。对于岩质边坡，无论何种断面的承载结构，预应力在坡体中所产生的垂直坡面的附加应力都会扩展到承载结构以外，扩展范围及应力量级则取决于承载结构的断面尺寸和岩体弹模。丁秀美等（2003）对福建漳州－龙岩高速公路某堑边预应力地锚所进行的数值模拟表明，边坡岩土体在受到单条地梁或格子梁传递的荷载时，不仅受荷面垂直下方产生附加应力，受荷面以外的区域也产生了附加应力，附加应力扩散显著；单条地梁附加应力以矩形向外扩散，格子梁的应力扩散呈曲线形，工作荷载800 kN时，其扩散距离达4m。显然，如果合理确定承载结构的断面尺寸及地锚间距，可以使相邻地锚的工作区彼此衔接，效果上相当于在坡面上施加了一个非均布面荷载，而利用现有的设计、计算及施工技术，能够使该面荷载与坡面曾经卸去的面荷载相当，从而恢复边坡岩体的初始应力场，消除其发生蠕变的力学环境。 综上所述，斜坡演化及失稳的根本原因在于斜坡形成后，应力状态发生了变化，而预应力地锚群相当于在坡面上施加了一个面荷载，可以显著降低斜坡的应力集中程度及主应力轴偏转程度；当地锚施加的预应力量级合适时，该荷载恰好可以补偿坡面上的原有荷载，而使坡体应力恢复到斜坡形成之前的状态，因此，预应力地锚也可称之为应力补偿技术，这与“削减推动滑坡产生区的物质”、“增加维持滑坡稳定区的物质（反压马道）”及“减缓斜坡总坡度”的目的都是一致的，即降低斜坡的应力集中程度。此外，预应力地锚加固技术贯穿了以岩土体自身为本，通过人工手段提高岩土体的综合性能来防御灾害的学术思想，与“利用自然、改造自然”的朴素思想是一致的，明显区别于通过强行抵抗来遏制斜坡失稳的抗滑桩技术。因此，本文认为预应力地锚技术理论依据充分，应该成为岩质边坡加固的首选方案。2.1.2 主动防水预应力地锚群可以恢复边坡应力场，但只有被加固岩体的综合质量保持稳定时，预应力地锚群才能持续发挥作用。文[5]表明，表生环境胁迫下边坡岩体的质量劣化是显著的，降水起源的地下水是这一过程的核心驱动力。边坡施工预应力地锚群后，其外部结构并不能将坡面全部封闭，不能有效阻止降水入渗，因此，尚需采取防水措施，遏制表面岩体剥蚀及内部岩体强度及弹模衰减可能引起的腱体预应力松弛。此外，由于预应力地锚都必须保留一定长度的自由段，金属腱体腐蚀一直是影响其长期稳定性的关键问题之一。岩土体空隙中各种形式的水及高相对湿度的空气是腱体腐蚀所必须的介质。因此，加强坡面防水对于预应力地锚的腱体防腐也是重要的。广义边坡防水可分为主动防水和被动防水2大类，前者是把降水拒之于坡体之外，使之通过地面径流排走，切断坡体地下水的补给源，后者是指降水或其它来源的水已经进入坡体，并引起地下水位抬升后，再采取排水措施，显然，主动排水比被动排水更为可取。主动防水的具体措施有勾缝、抹面、捶面、喷浆、锚喷、排水沟、浆砌片石护坡及护面墙等；对稳定程度要求高的岩石高边坡，应设置坚固的连续防水屏障，切断降水补给通道。

2.2 其他防治方法文献［3］建议，路基边坡可采用框格防护，即采用混凝土、浆砌石及空心砖等做骨架，框格内采用种草等辅助防护措施。近年来，框格防护在铁路、公路及水电等领域的边坡加固中被广泛应用，所采用的主要是混凝土框格＋格内种草形式，有的还在框格节点施加灌浆锚杆或小吨位预应力地锚。框格+ 格内种草对坡面具有一定的防护作用，对不存在失稳威胁、高度不大的填方边坡或有植被生长条件的挖方低边坡，采用此种防护还是合理的。 但必须指出的是，框格本身对边坡的稳定作用有限，在重要工程边坡的加固中应该慎用格子梁。对于软弱岩石构成的边坡，如果格子不被封闭，格内岩土体的渐进性剥落将造成结构临空，从而引起格子梁脱落，而在框格内种植根系深度不大的植被则相当于在为降水入渗及边坡失稳创造条件，因此，对于稳定条件较差的边坡不宜采用框格+ 格内种草的护坡形式。

2.3 生态护坡由于深度不大，植被根系加固斜坡的作用是有限的，而由于可以促进土体中大空隙的发育及降水入渗，植被是斜坡水岩相互作用发育程度的决定性控制因素；植被护坡缺乏充足的理论依据，同时也有悖于“降雨是斜坡最主要的诱发因素”这一重要事实及长期以来人们一直遵守的防排水遏制滑坡的思想。

3. 结论在山区高等级公路建设中，路堑是最重要的路基断面形式，堑坡稳定研究具有重要的理论和工程意义。根据前人的理论研究成果及现场调研资料，本文认为，预应力地锚和主动防水，即将降水拦截于坡体之外，应该是岩质边坡加固的首选方案。此外，目前已采用的某些加固措施存在明显的不合理性。

参考文献：1. 刘汝明.云南公路的环境地质灾害及工程对策.中国地质灾害与防治学报, 2002, 13(1): 57~60，69

2. 吴金生,吴和政,王全成等.框格梁式预应力锚索在公路滑坡治理中的应用.西部探矿工程，1999， 11(3): 109~111

3. 交通部第二公路勘察设计院编.公路路基设计规范. 北京: 人民交通出版社，1996

4. 许英姿,唐辉明.格构锚固措施及其在滑坡防治中的应用.地质科技情报, 2001, 20(2): 91~945. 任光明,聂德新.大型滑坡滑带土结构强度再生特征及其机理探讨.水文地质工程地质, 1997, (3): 28~31, 44

6. 黄润秋.岩石高边坡的时效变形分析及其工程地质意义.工程地质学报, 2000, 8(2): 148~153