浅谈高切坡治理及防护措施

摘要：某高切坡系建筑开挖形成的高切坡。切坡长约150m,面积2484.1m2。本切坡自2009年形成以来，见多处掉块及小型坍塌等破坏现象，主要危害移民房屋及渡管所和道路、给排水设施等基础设施。切坡地质条件复杂，危害对象多，在暴雨状况下容易出现局部块体滑移和土体滑移，对人民生命及财产造成巨大损失。

关键词: 高切坡；稳定性分析；喷锚支护；推力传递系数法

Abstract: A high cut slope excavation of high slope formed by the Department of architecture. Cut slope length of about 150m, area 2484.1m2. Since the formation of the cut slope since 2009, a few blocks away and small collapse failure phenomenon, the main harm housing and a transition pipe and the road, water supply and drainage facilities and other infrastructure. Cut slope with complex geological conditions, harm objects, local block sliding and soil slip easily occur in storm conditions, causing huge losses to the people's life and property.

Keywords: high cut slope; stability analysis; shotcrete; thrust transfer coefficient method

中图分类号：U416.1+4

本文在勘察的基础上选取典型剖面，建立计算模型，采用折线滑动法对该高切坡进行稳定性计算。结果表明：天然工况下，切坡稳定性系数均大于1.3；天然+暴雨工况下，稳定性系数均有所降低，稳定性系数小于1.35，安全储备小，可能出现局部块体滑移和土体滑移，需进行整体加固。

在稳定性评价的基础上，对该高切坡采取抗滑锚杆+锚喷+护面墙+排水工程的综合治理措施。

高切坡区工程地质条件

地层岩性

切坡处出露地层为三叠系下统嘉陵江组、中统巴东组第一段和第四系松散堆积层，地层由老到新介绍如下：

2.2.1嘉陵江组（T1j）

为灰白色、灰色中厚层－厚层局部中薄层微晶灰岩、白云岩夹溶崩角砾岩和泥质灰岩、泥灰岩，是构成高切坡的主要岩层。按岩性可分为三层：

1、灰白色、灰色中厚层－厚层局部中薄层微晶灰岩、白云岩；

2、灰黄色中薄层泥灰岩，厚度约1m左右；

3、灰白色、灰色中厚层－厚层局部中薄层微晶灰岩、白云岩夹溶崩角砾岩。

2.2.2巴东组一段（T2b1）

为黄灰、黄绿色薄层泥灰岩夹钙质页岩。厚度较小。

2.2.3第四系

第四系按成因分为残坡积和崩坡积和人工堆积。

1、残坡积（Qel+dlQ） 主要分布于切坡顶部和底部自然斜坡上，岩性以碎石土、碎块石土和含泥碎石土为主。据现场试验，Qel+dlQ碎石土的容重为19.1kN/m3。

2、崩坡积（Qcol+dlQ） 主要见于切坡下部，为切坡形成后变形破坏的产物，规模不大，岩性以碎块石土为主。

3、人工堆积（QmlQ） 主要见于切坡下方公路外侧填方处，呈条带状分布，岩性为碎石土或碎块石土。

地质结构

高切坡岩层总体向西北、北倾斜，倾向一般310~360°左右，整体呈单斜构造，同时在断层等作用下岩层产状局部变化较大。并形成翘曲或牵引褶曲现象。由于岩层产状与边坡产状关系复杂，各切坡坡体结构类型各异，即：

高切坡：桩号0+0~0+55m为岩质顺向坡，坡面倾向与岩层倾向夹角为5~15°，坡面产状340°∠65°，岩层产状335~355°∠20~43°；桩号0+55~0+75m为岩质横向坡，坡面产状240°∠80°，岩层产状350°∠33°；桩号0+75~0+120m为岩土质顺向坡，坡面倾向与岩层倾向夹角14°，坡面产状354°∠70°，岩层产状340°∠39°；桩号0+120~0+135m为岩质斜交坡，坡面倾向与岩层倾向夹角60°，坡面产状60°∠88°，岩层产状0°∠12°；桩号0+135~0+150m为岩质顺向坡，坡面倾向与岩层倾向夹角22°，坡面产状338°∠88°，岩层产状0°∠12°。

高切坡灰岩中发育有三组节理，其产状为：

①走向10~20°左右，倾向280~290°，倾角35~55°；

②走向330~350°，倾向240~260°，倾角50~70°；

③走向60~85°，倾向150~175°，倾角70°左右。

通过统计分析，高切坡灰岩中发育的三组节理中，以前两组较发育，长度多在6m以上，个别达15m~20m。除节理裂隙外，层面裂隙也很发育。

据野外调查及前人资料，切坡区灰岩风化较弱，以卸荷松动与溶蚀为主。本次物探与钻探表明，高切坡区强风化带厚度一般2~5m，局部受断层等影响可大于5m，中风化带较厚，一般3~15m。

水文地质条件

高切坡区位于长江南岸，总体地势为南高北低，地形坡度一般在30~55°左右。大气降水多沿坡面直接向坡脚处排泄，部分渗入岩体内部转化为地下水。

高边坡区地下水主要有第四系孔隙水及基岩岩溶裂隙水。其中孔隙水主要赋存于第四系堆积物中，埋深浅，无承压，受大气降水补给，无统一地下水位，季节变化明显。基岩裂隙水主要赋存于灰岩、泥灰岩等基岩岩溶裂隙中。

岩土体物理力学性质

2.5.1岩体物理力学性质

高切坡区出露的岩石类型主要有灰岩、泥灰岩、砂岩、粉砂岩、泥岩、页岩等，其物理力学性质差别较大。

1、岩块物理力学性质

据岩石饱和单轴抗压强度试验成果,可知：

(1) 泥灰岩饱和单轴抗压强度为4.7~18.5MPa，为软岩和较软岩。

(2) 粉砂岩饱和单轴抗压强度为25.5~28MPa，灰岩较坚硬，饱和单轴抗压强度38.03~98.9MPa，为硬岩和较硬岩。

(3) 不同的岩性，其力学性质差别较大，而同一岩性，由于风化程度、微结构面发育等因素的影响，力学性质也有较大的差别。

2、结构面力学性质

结构面剪切试验结果表明，结构面的力学性质主要受结构面粗糙起伏程度、岩性及充填情况控制。层面Cj变化在0.012~0.599MPa，φj变化在21.8~39.5之间。节理面Cj变化在0.025~ 0.498MPa，φj变化在24.3~49.5之间。

2.5.2土体工程性质

高切坡区第四系土体成因类型以残坡积物、冲洪积物、滑坡堆积物和崩坡积物为主，局部分布有人工堆积物和冲积黄土。其特点是结构松散，成分混杂，颗径大小不一，大者可达1m以上，颗粒间多为粘性土所充填，形成年代差别较大。

土的物质成分及基本物理性质：

根据现场大型土体容重试验和部分土样室内试验成果，土的物质成分及物理力学性质有如下特征：

(1) 表层土体以含碎石粘性土为主，粒径大于2mm的含量17.4%，较干燥，疏松，低塑性，土的天然含水率为18.9% ~ 23.5%，孔隙比0.51 ~ 0.67，天然容重为19.1~20.3kN/m3。

(2) 含粘性土碎石土，粘粒含量在6.7%~11%之间。角砾、碎石成分主要与母岩基本一致，粒径大小不等。

(3) 土体主要为碎石类土和含粘性土砂土，颗粒混杂，土质不均。

人类工程活动

切坡区人类工程活动频繁，主要表现在以下几方面：

(1) 修建房屋，挖坡填方，平整地基

由于受地形限制，高切坡区移民新建房屋多为挖坡填方，在公路两侧兴建。这不仅可能导致原有斜坡产生变形破坏，直接危害建筑物和人身财产安全，而且还可能产生泥石流等危害。

(2) 兴建道路

在山区修建公路，遇到的工程地质问题主要是边坡稳定性问题。工作区内多数高切坡为兴建道路所形成，坡度多在50°以上，在重分布应力及环境因素影响下，存在局部或整体变形破坏的可能。

(3) 开荒种地，破坏植被

开荒种地破坏了原有植被，导致岩石风化加剧，改善了地表水的入渗条件，岩土体强度降低，将产生水土流失和斜坡变形等问题。

高切坡稳定性评价

高切坡变形破坏现状

本次勘察中未发现坡顶地面及建筑物裂缝，坡脚挡墙及地面也未见开裂或变形破坏现象。但由于爆破施工及卸荷作用，坡面长期暴露，致使坡面岩体裂隙张开，局部破坏现象时有发生。其破坏形式有以下两种：

(1) 块体塌落主要出现在切坡桩号0+0~0+75m、0+120~0+159m处，这些部位以岩质斜交坡为主，岩体节理裂隙发育，岩体被切割成不同形态大小的块体，在重力、雨水冲刷等作用下容易塌落，块体体积不大，一般约0.001~0.01m3不等，对紧靠切坡的房屋及行人、车辆有一定的影响和危害。

(2) 小型崩滑主要出现在切坡桩号0+75~0+120m处，该处切坡为顺向坡，岩体沿层面下滑，崩塌物质堆积在坡下形成崩滑堆积体。

高切坡可能破坏模式

根据野外调查与类比可知，本高切坡整体处于稳定或基本稳定状态，其破坏模式主要取决于边坡岩体结构面组合及其与边坡面的关系，以浅表层岩土体滑移或节理切割的块体崩滑和风化剥落与掉块为主，具体各段可能破坏模式如下：

切坡桩号0+55~0+75m、0+120~0+135m段为斜交坡及横向坡，以节理切割的块体崩落、滑移和风化剥落形式为主。

切坡桩号0+0~0+55m、0+75~0+120m和0+135~0+150m段为顺向坡，以顺层面或层面与节理裂隙的组合面滑移为主，部分为节理切割的块体崩落及风化剥落形式。

高切坡稳定性计算与评价

根据现场调查高切坡自形成以来未发现明显的整体变形破坏迹象，整体上处于基本稳定状态。根据所取剖面，在工程地质分析基础上，取典型剖面采用折线滑动法计算其切坡稳定性系数，并评价其稳定性。

3.3.1计算模型的建立与参数选取

1、可能滑动面的确定与计算模型

对于岩质边坡而言，结构面组合对边坡变形和破坏起着十分重要的作用，结构面包括岩层面、节理面及其他地质界面。通过对结构面的分析和判断，可以初步确定边坡最可能的滑动面。

根据现场调查与分析，构成本高切坡潜在滑动面的结构面有灰岩层面、节理面、中强风化界面和第四系覆盖层与基岩界面等。据此分析可得如下三类潜在滑动面：

①层面与节理面组合面，本高切坡岩体中层面、节理面发育，主要有三组节理，它们的组合面是构成本高切坡最主要的潜在滑动面；

②第四系覆盖层与基岩界面，本高切坡第四系覆盖层厚度一般1~3m，是构成本高切坡潜在局部滑移的滑动面；

根据以上原则建立本高切坡计算模型（见下图）。图中Pm1为第四系覆盖层与基岩界面构成的潜在滑动面；Pm2为层面与节理面组合面构成的潜在滑动面。

高切坡剖面计算模型

每一滑面的形态都是根据立面素描时结构面的具置和平均迹长划上的，它反应各剖面所代表的切坡的滑动模式和边界条件。

2、计算工况

考虑高切坡区域可能遇到的各类情况，特别是最危险的情况，由于区内基本地震烈度为Ⅵ度，可不考虑地震的影响，故综合确定以下两种计算工况：

工况一：天然状况（坡体自重）

工况二：天然状况+暴雨（坡体自重+暴雨）

3、安全系数

高切坡的安全等级为二级，可能滑动面以折线和平面滑动面为主，安全系数定为1.35。

4、计算参数选取

根据本次勘察试验成果，区内灰岩层面的粘聚力C=296kPa，摩擦角φ=29.9°；节理面的粘聚力C=210～286kPa，内摩擦角φ=42.7～44.5°。另据前人资料和经验类比综合得区内灰岩各类结构面的粘聚力C=30～50kPa，摩擦角φ=22～28°；岩体天然容重γ＝25kN/m3，饱和容重γsat＝25.5kN/m3 ；土体天然容重γ＝19.1kN/m3 ，饱和容重γsat＝20.0kN/m3。除此之外，本次工作还采用了参数反演分析法求得了灰岩层面、节理面及与基岩界面等结构面强度参数。

根据以上试验数据、经验类比数据等结果，综合求得本高切坡各类结构面和岩土体计算参数如下表。

高切坡岩土物理力学计算参数表

另根据以前的工程实例，暴雨时土体与岩体的抗剪强度均有所降低，其变化如下表：

高切坡岩土物理力学计算参数表(暴雨)

3.3.2计算方法原理

折线滑动法

对可能产生折线滑动的高切坡采用推力传递系数法（见图3—4）进行计算，其稳定性系数计算公式为：

图3—4传递系数法图示

（3-1）

（3-2）

求解安全系数K的条件是Pn=0。

3.3.3计算结果与稳定性评价

利用前述确定的高切坡计算模型、计算参数和计算工况，采用折线滑动法计算得剖面的稳定性系数如下表。据野外工程地质调查及以上计算结果，对高切坡的稳定性评价如下：

1、本高切坡自形成以来，除浅表层岩土体曾产生小型滑移和风化剥落与掉块等破坏外，整体处于稳定或基本稳定状态，不存在大规模崩塌、滑移问题。

2、切坡桩号0+0~0+75m、0+120~0+150m处整体处于稳定状态，破坏模式主要表现为节理切割的块体崩落及风化剥落形式。

高切坡稳定性系数计算成果表

3、天然工况下，高切坡整体处于稳定或基本稳定状态，稳定性系数均大于1.3。但据工程地质调研表明，高切坡多处曾经出现过局部块体滑移。

4、天然+暴雨工况下，高切坡稳定性有所降低，代表切坡的Pm2稳定性系数均小于1.35，安全储备小，预测可能出现局部块体滑移和土体滑移。

高切坡治理

高切坡防治目标、原则

高边坡防治的目标是采用防治工程辅以安全监测，确保高边坡在结构设计基准期50年内不发生失稳。防治工程设计应遵循以下原则：

①以边坡稳定性计算结果为依据，确保高切坡的稳定；

②高切坡防护方案选择应遵循技术可行、安全可靠、经济合理的原则；

③设计方案易于实施，施工简便易行；

④防护工程应进行方案比选；

⑤高边坡防护措施可采用排水、锚喷支护、结构支挡等一种或多种工程措施；

⑥防护工程应与监测工程相结合。

高切坡抗滑锚杆及锚喷设计

4.2.1抗滑锚杆设计

根据稳定性计算，高切坡在暴雨工况下稳定性系数小于安全系数1.35，安全储备不足，需做整体加固。

根据公式：

(4-1)

(4-2)

求解剩余下滑力。选取典型剖面作为设计剖面。

1、抗滑锚杆布置

按《建筑边坡工程技术规范》规定，砂浆锚杆间距一般取1.25~3m。结合实际情况，将本段切坡范围内锚杆纵、横间距取为3m×2m。

2、单根锚杆所应承受剩余下滑力计算

采用传递系数法，取安全系数为1.35，最危险工况下的稳定性系数为1.244。得单宽滑体的剩余下滑力为315.86kN。

因锚杆横向间距为2m，单列锚杆所承受的总下滑力为：

（4-3）

代入已知数据解得=631.72kN。高切坡剖面计算模型的切坡垂距为18m，按纵向间距3m计算，适合布置5排锚杆，所以单根锚杆所应承受的剩余下滑力为：

（4-4）

代入已知数据解得=126.344 kN。

3、锚杆轴向拉力设计值计算

根据《建筑边坡工程技术规范》，轴向拉力标准值按下式计算：

（4-5）

式中：

——单根锚杆所承受的剩余下滑力；

——锚杆倾角，按《锚杆喷射混凝土支护技术规范》规定，锚杆与水平面夹角以10~20º为宜，此次设计取=20°；

——底滑面倾角，量取=35.86°。

代入已知数据解得：=108.96kN

据《建筑边坡工程技术规范》，按下式计算锚杆轴向拉力设计值：

（4-6）

式中：

—轴向拉力设计值；

—荷载分项系数，取为1.30；

—轴向拉力标准值。

代入已知数据解得：=141.65kN

4、锚杆钢筋横截面积计算

根据《建筑边坡工程技术规范》，锚杆钢筋横截面积需满足以下条件：

(4-7)

式中：

——边坡工程重要性系数，按《建筑边坡工程技术规范》取=1.0；

——锚筋或预应力钢绞线抗拉强度设计值，按《混凝土结构设计规范》，HRB335级螺纹钢取300Mpa；

——钢筋抗拉工作条件系数，按《建筑边坡工程技术规范》]，永久性锚杆取=0.69。

代入已知数据解得锚杆钢筋最小横截面积=684.27mm2，反算解得所需最小钢筋直径=29.52mm，故选取公称直径为32mm的HRB335级螺纹钢。

5、锚孔孔径及砂浆强度

按《锚杆喷射混凝土支护技术规范》，水泥砂浆锚杆孔径宜大于杆体直径15mm，设计孔径采用76mm。按《建筑边坡工程技术规范》和《锚杆喷射混凝土支护技术规范》，设计砂浆强度M30。

6、锚杆长度计算

（1）考虑锚杆与砂浆的结合破坏：

（4-8）

式中：

——锚固段长度;

——边坡工程重要性系数，按《建筑边坡工程技术规范》取1.0；

——锚杆轴向拉力设计值；

——钢筋与砂浆粘结强度工作条件系数，按《建筑边坡工程技术规范》，对永久性锚杆取0.60；

——钢筋（钢绞线）根数（根），此处=1；

——锚杆钢筋直径，此处为32mm；

——钢筋与锚固砂浆间的粘结强度设计值，如钢筋为螺纹筋，砂浆强度等级取M30，按《建筑边坡工程技术规范》，此处取为2.40Mpa。

代入已知数据解得：=0.978m

（2）考虑砂浆与孔壁的结合破坏：

（4-9）

式中：

——锚固段长度；

——锚杆轴向拉力标准值；

——锚固体与地层粘结工作条件系数，按《建筑边坡工程技术规范》，取为1.00；

——锚固体（钻孔）直径，此处=76mm；

——地层与锚固体粘结强度特征值，按《建筑边坡工程技术规范》，取为300kPa；

代入已知数据解得：=1.521m

根据《建筑边坡工程技术规范》，锚杆最小锚固段长度应取以下两式计算结果的大值，故取=1.521m

根据《建筑边坡工程技术规范》，岩质边坡中锚固段长度一般不小于3m，故将锚杆锚固段长度取为3m。

根据潜在滑动面地埋深及锚杆安设角，在设计剖面上量取最大自由段长度为6.436m，考虑锚头锁固长度0.5m，则锚杆总长度L=3m+6.436m+0.5m=9.936m，取锚杆设计长度=10.0m。

4.2.2挂网喷射混凝土设计

一、喷砼参数

1、喷砼厚度：

《混凝土结构设计规范》，最小喷砼厚度不小于50mm，最大喷砼厚度不大于200mm，设计喷砼取150mm。

2、喷砼强度：

据《锚杆喷射混凝土支护技术规范》，确定喷射混凝土强度等级为C20。

二、钢筋网参数

据《锚杆喷射混凝土支护技术规范》，挂网锚杆采用φ28的HRB335钢筋，锚杆长度2.0m，间排距为2m×2m。钢筋网制作选用φ8mmHPB235级螺纹钢，网格间距为20×20cm。

三、伸缩缝

为了防止坡面混凝土的变形破坏，沿坡面横向每间隔15m设置一纵向伸缩缝，缝宽2cm，以沥青填充。

高切坡护面墙设计

为了防止坡脚不受冲刷和破坏，按《砌体结构设计规范》在切坡坡脚处布置3m高的仰斜式浆砌块石护面墙。护面墙总长165m，采用浆砌块石，块径不小于30cm，浆砌砂浆为M7.5，墙顶采用M10水泥砂抹面，墙面勾缝，墙面坡率比墙背坡率缓0.1，护面墙墙底设计成向内倾斜的反坡，坡率为0.17：1。沿墙长每15m设置一宽20mm~30mm的纵向伸缩缝，缝间以沥青填充，深入20cm。沿护面墙纵向每隔3m设置φ100mm、坡降4%的排水孔一个，高出地面30cm，在泄水孔后采用碎石和砂作为反滤层。

高切坡排水工程设计

4.4.1截排水沟设计原则

高切坡防治工程中的截排水沟属地表排水体系，设置截排水沟的目的是迅速引走地表雨水或泉水，减小地表水入渗对切坡稳定性的影响。截排水沟设计时，首先应对排水系统各主、支沟段控制的汇流面积进行分割计算，并根据设计降雨强度分别计算各主、支沟段汇流量和输水量，在此基础上确定排水沟断面和过流能力。

4.4.2截排水沟断面尺寸设计

一、汇水区相关参数确定

1、汇流面积

取平面图上的量测面积。经量测切坡汇流面积为15000m2。

2、坡面长度和坡度

在典型剖面图上量测坡面斜长L1和斜坡坡角。经量测斜坡长度为199m，斜坡坡角为64°。

3、确定地表径流系数ψ

按《混凝土结构设计规范》确定地表径流系数。对秭归郭家坝4号高切坡，ψ=0.4。

二、计算设计降雨强度q

高切坡所处地区设计降雨强度=192L/s.ha。

三、计算设计汇流量

据《混凝土结构设计规范》，设计汇流量计算公式为：

（4-10）

上式中，为设计汇流量（L/s）；为设计降雨强度（L/s.ha）；ψ为地表径流系数；为汇水面积（ha）。

代入相关数据计算得=115.2L/s。

四、计算过流断面面积W

考虑1.5的堵塞系数，确定设计过流断面面积计算公式如下：

（4-11）

式中，为设计汇流量(m3/s)； 为水力半径(m)，按表1计算；为排水沟壁的粗糙系数，对浆砌片石明沟，取0.025；为水力坡降，取排水沟底的斜率，计算时取0.01。

代入相关数据，计算得=0.18m2。

拟定断面面积为0.4×0.6=0.24m2>。所以拟定断面尺寸满足截排水要求。

4.4.3截排水沟结构及布置

截水沟采用下底宽为0.4m，高为0.6m，迎水面一侧坡度为1：0.75的断面形式，沿纵向每隔3m在迎水面沟壁设置一个φ100mm、坡降5%的泄水孔，泄水孔高出沟底20cm，在泄水孔后采用碎石和砂作为反滤层。截水沟布置在高切坡开口线后缘3~5m处。

排水沟采用宽为0.4m，高为0.6m的矩形断面形式，排水沟布置在高切坡两侧边缘及坡脚，坡面上的排水沟设置成跌水。

4.4.4排水孔的设计

排水孔以4m×4m均匀的布置在坡面，孔深120cm，孔段插100cm长φ40mm聚乙烯管，外斜4%。

结论

本文在对高切坡进行稳定性计算与评价的基础上，初步得出如下结论：

1、本高切坡自形成以来，除浅表层岩土体曾产生小型滑移和风化剥落与掉块等破坏外，整体处于稳定或基本稳定状态，不存在大规模崩塌、滑移问题；

2、天然工况下，高切坡整体处于稳定或基本稳定状态，稳定性系数均大于1.3。但据工程地质调研表明，高切坡多处曾经出现过局部块体滑移；

3、天然+暴雨工况下，高切坡稳定性有所降低，剖面代表切坡的Pm2稳定性系数均小于1.35，安全储备小，预测可能出现局部块体滑移和土体滑移，需进行整体加固；

4、切坡桩号0+0~0+75m、0+120~0+150m整体处于稳定状态，破坏模式主要表现为节理切割的块体崩落及风化剥落形式；

5、在稳定性评价的基础上，对该高切坡采取抗滑锚杆+锚喷+护面墙+排水工程的综合治理措施；

6、边坡治理施工严禁大开挖、大爆破作业；

7、建议加强边坡施工期间与运营期间的监测工作。

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