高边坡的勘察和设计

高边坡的勘察和设计
王恭先
中铁西北科学研究院 2012年8月
主要内容
一、高边坡问题的提出 二、高边坡的种类和变形类型 三、高边坡的勘察和稳定性评价 四、高边坡的设计
一、高边坡问题的提出
（一）高边坡的界定——何为高边坡 （二）高边坡的变形、破坏及其造成的损失 （三）高边坡的特征
（一）高边坡的界定
一般认为边坡高度大于20m的土质边坡，或高度大 于30m的岩质边坡。
在勘探的同时，应取代表性岩、土、水样进行试验，为设 计提供参数。
勘探线布置图
1.岩心管； 2.钢球； 3.短钻杆； 4.短钻杆上出水孔眼； 5.反循环水流
无泵反循环法钻具图
(四)深孔位移监测———固定式和活动式
原理： l •sin 累积位移: D l •sin
l—两侧点间距离（m）, θ—倾斜角度变化值（°）
1、临时边坡 2、短期边坡（30年以内） 3、永久边坡（>30年）
1、土质边坡 2、类土质边坡（全风化呈砂土状） 3、岩质边坡 4、二元结构边坡
1、类均质土结构边坡 2、近水平层状结构边坡 3、顺倾层状结构边坡 4、反倾层状结构边坡 5、斜交层状结构边坡 6、碎裂状结构边坡 7、块状结构边坡
（二）高边坡的变形类型
花岗岩中长100多m、宽80cm的张裂缝
“5.12”地震崩塌砸断桥梁
“5.12”地震崩塌砸断桥梁、堵塞道路
(三)高边坡的特征
1、高边坡是将地质体的一部分改造成人为工程设施，因此其稳定性取决 于自然山坡的稳定状况(稳定、不稳定、极限平衡)、地质条件(地层岩性、地 质构造、坡体结构、岩体结构、水文地质条件、风化程度等)和人为改造的程 度(开挖深度、坡形、坡率等)。 • 2、由不同的地层、岩性、风化程度的岩土体构成的自然山坡，受地质构造 影响程度不同，水文地质条件不同，在自然营力作用下形成了各种形态的斜 坡，如直线坡、凸形坡、凹形坡、阶梯状坡，且具有不同的稳定状态，这是 在漫长的地质历史时期形成的，是动态的、变化的。自然斜坡是人工边坡的 基础。 • 3、人工边坡是对自然斜坡的改造，它也有直线坡、凸形坡、凹形坡，更多 的是阶梯状边坡。人工边坡改变了自然山坡的应力状态和地下水的渗流条件， 而且是在短短几个月内改造完成的。自然山坡的应力调整有一个过程，强度 低的软弱岩层调整较快，常在施工期就发生变形；强度高的坚硬岩层调整较 慢，或可自身稳定，或在1～3年后发生变形。只有当人工边坡顺应自然，对 其改变不大时，才可保持稳定，否则就会发生失稳，甚至引起自然山坡的破 坏。 • 4、自然山坡和人工边坡都处在各种自然营力的作用之下，如阳光照射、降 雨冲刷和下渗、风化和地震等。但人工边坡所造成的自然状态的改变使这种 作用更强烈，如开挖暴露风化加剧、破坏植被地表水容易下渗、坡体松弛、 爆破震动等都使边坡更容易发生变形。 • 5、自然条件千差万别，所以高边坡设计也变得十分复杂，每个工点都需单 独分析和计算，这也许就是目前高边坡设计尚无规范可循的原因。
1. 碎块状结构 2. 碎裂层状结构
旋转滑动 顺构造面滑动
1. 似层状结构
6
块状结构
2. 眼球状结构
顺构造面滑动 顺构造面滑动
g
h
i
a
b
c
d
e
f
j
k
l
m
n
o
g
h
i
p
q
r
坡体结构与滑坡的破坏模式
a.粘性j 土弧形旋转k滑动；b.黄l土弧形旋转滑动；c.填土弧形滑动；d.土层顺层滑动； e.半成岩地层顺层滑动；f.岩层顺层—切层滑动；g.软岩挤出型（错落型）滑动； h.挤出型平移滑动；I.堆积层顺层滑动；j.岩层顺层平面型滑动；k.岩层顺曲面滑 动；l.陡倾岩层顺层—切层滑动；m.反倾岩层切层滑动；n.反倾岩层倾倒——切 层滑m动；o.破碎岩n层旋转滑动o；p.破碎岩层顺构造面滑动；q.块状岩体顺构造面 （似层面）滑动；r.构造核沿构造破碎带滑动
三、高边坡的勘察
（一）基础资料的收集 （二）高边坡的地面调查 （三）高边坡的勘探
（四） 深孔位移监测
（五）高边坡的稳定性评价
（一）基础资料的收集
勘察之前应充分收集边坡所在地段的地层、岩性、地质构造、降雨、地震 及线路平、纵、横断面初步设计资料。
（二）高边坡的地面调查
地面地质调查是最重要也是最基础的工作，它包括以下一些内容： 1、边坡所在山坡的走向、坡向、坡高，各分段的坡形、坡率、坡高；有无 剥蚀平台；植被状况；河流、沟谷发育程度、分布密度、切割深度、走向、沟 形、沟岸稳定状况；自然山坡上有无变形现象，其类型、规模和产生的部位。 2、线路在山坡上的位置、走向，欲开挖边坡的高度和形式。 3、当地同类地层中已有人工边坡的形式和稳定状况。 4、山坡和边坡上地下水出露位置、高程、流量变化。 5、边坡地段的地层、岩性、产状、风化程度、强度特征，不同地层在边坡 上的分布位置，有无软弱夹层或接触面，其产状与边坡开挖面的关系。 6、地质构造（主要是小构造）的分布位置、产状、发育程度、延伸长度、 充填物、含水状况，及其与开挖面的关系。 7、坡体结构类型：类均质体结构、近水平层状结构、顺倾层状结构、反倾 层状结构、碎裂状结构和块状结构。 8、已开挖边坡的施工方法，包括施工季节、开挖顺序和开挖方式（如爆破 等）。 9、边坡变形历史过程、变形类型、发生时间、部位、裂缝分布、发展过程， 及其与施工和降雨等的关系。
测斜位移曲线及滑面位置
京珠高速公路K108 滑坡钻孔监测资料
3#监测孔
孔口标高 孔深 1103.121m 29.5m 36.4mm
5m
9.5m 11m
10.5m
15m 17.5m 22.0m
地下水位 25.0m 29.5m
10mm 04-3-5 04-4-3
滑动面监测
长晋高速公路K28+905监测断面图
坡体结构类型与滑坡的破坏模式
序
坡体结构
号
基本类型
亚类型
滑坡的破坏模式
1. 均质粘性土结构
1
类均质体结构
2. 均质黄土状土结构 3. 强风化残积土结构
4. 类均质堆填土结构
旋转式滑动
1. 河湖相沉积层结构
顺层滑动
2. 黄土软岩层状结构
2
近水平层状结构（a<10度） 3. 软、硬岩互层结构
切层滑动 切层滑动
（二）高边坡的变形、破坏及其造成的损失
高边坡早已存在，也曾造成过变形和损失。近年来， 高边坡数量越来越多，高度越来越高。变形量大，增加 投资、延误工期、造成灾害。 举例：
云南澜沧江小湾电站边坡高达
云南元江－磨黑高速公路K259高110m的砂泥岩高边
十天高速公路黑河坝滑坡，花 4000余万元
十天高速公路七里沟隧道进口滑 坡
二、高边坡的种类和变形类型
（一）高边坡的种类 （二）高边坡的变形类型 （三）高边坡变形的条件和原因分析
（一）高边坡的种类
高边坡分类表
分类指标 1、按工程类别分 2、按使用年限分 3、按边坡岩土构成分
4、按边坡岩体结构分
边坡类型
1、道路边坡：堑坡、堤坡、洞口边坡等 2、水利边坡：坝肩边坡、渠道边坡等 3、露天矿边坡：采场边坡、弃碴场边坡等 4、城建边坡：堑坡与深基坑边坡等
9m
11m 10.5m
4m
地下水位 10mm
16.5m15.5m 18m
04-6-12 04-7-8
22.5m 24.5m
8m
12m 13.5m
线 路 中 心 线
K28+905
京珠高速公路K108滑坡监测断面图
滑坡各条、各级、各层的推力计算
1、选定计算的主轴断面和计算范围—较贯通裂缝。 2、计算断面上各段滑带土参数的确定。 （1）大型滑坡各段滑带土取同样c、φ值是不正确的 （2）三段式滑面（主滑、牵引、抗滑），主滑段强度最 低，略低于滑面倾角1~2°，抗滑段视老滑面或新剪出段 有区别，牵引段为滑体土主动土压力破裂或岩体节理面 ，滑面陡，强度高（堆积层38~40°，黄土28~30°） （3）参数选取方法：实验法、反算法、经验法（不同含 水量下的峰值和残余强度） （4）老滑坡在残余强度和峰值强度之间取值。新滑坡根 据滑坡的发育阶段分别选取不同参数。注意同一滑坡的c 、φ值应比较接近。
边坡变形示意图：
坡面冲刷
堆积层坍塌
强风化岩坍塌
黄土滑坡
破碎岩体滑坡
强风化砂泥岩局部顺层滑坡
砂泥岩顺层滑坡
砂泥岩切层滑坡
砂泥岩老滑坡与新滑坡
石灰岩的倾倒变形
老滑坡因开挖而复活
危岩体
花岗岩顺缓倾节理面滑落
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
错落
半坡桩发生变形的类型和原因分析
（三）高边坡变形的条件和原因分析
监测滑动带
2#监测孔
孔口标高 孔深
1082.748m 24.7m
监测滑动带
4m 5.5m
37.1mm
7.5m 9.0m 9m
11m
13m 15.5m
16m
地下水位
20m 23.6m
24.5m
1#监测孔 孔口标高 孔深 1067.767m 25.0m
23.锚3m索m 桩内监测孔
4.30.m5m 孔口标高 孔深 4.5m 1059.796m 13.7m
云南元江－磨黑高速公路三菁公隧道进口高边坡发生滑坡，高130m， 推倒中隔墙
山西长治－晋城高速公路K31砂泥岩顺层滑坡，体积达25万m3
北京－珠海高速公路粤北段K108高边坡滑坡，三次变更设计，治 理费用2000余万元
重庆万州－梁平高速公路K42砂泥岩顺层滑坡
西安秦岭某试验基地花岗岩高边坡滑坡
(三)高边坡的勘探
对地面地质调查不能查清的内容，如地层分界面、风化界 面、软弱地层或夹层、地下水的分布、层数和水量等，应布置 必要的勘探。一般每段高边坡至少应有一个代表性勘探断面， 最好是每30～50m布设一个断面。若有不良地质（如滑坡）存 在时，不良地质体上应有主轴代表性断面。每一断面上应不少 于3个勘探点，勘探点以钻孔为主，适当配合坑槽探和物探，用 综合勘探手段查清地下情况。有条件时，对高度大、失稳危险 性大的边坡，应布置地面和深孔位移监测，以掌握边坡变形动 态。
1、按变形性质分 （1）坡面冲刷 ；（2）表层溜坍；（3）危岩、落石、崩塌；（4） 坍塌；（5）滑坡；（6）倾倒；（7）错落。 2、按变形深度分 （1）坡面变形（深1～2m）； （2）边坡变形（深<10m），变形在边坡范围内； （3）坡体变形（深≥10m），变形超越边坡范围。 3、按变形范围分 （1）整体变形——整个边坡变形； （2）局部变形——部分边坡变形。 4、按变形新老分 （1）古老滑坡复活； （2）新发生的变形。
十天高速白河互通区滑坡外貌
十天高速公路高100m边坡滑坡
攀枝花机场滑坡
重庆机场填方区滑坡
贵州某高速公路路堤滑坡
深圳－汕头高速公路K101滑坡推倒桩板墙
深圳－汕头高速公路K102滑坡，抗滑桩与明洞处理花费8000余万元
同江－三亚高速公路闽北八尺门互通区设在2个古滑坡上，治理费 5000余万元
4. 厚层硬岩下伏软岩结构 挤出式滑动
1. 黄土顺倾层状结构
3
顺倾层状滑坡（ a≥10度） 2. 堆积土顺倾层状结构
3. 岩层缓倾层状结构
4. 岩层陡倾层状结构
顺层滑动 顺层滑动 顺层滑动 顺层—切层滑动
4
反倾层状结构（ a≥10度） 1. 缓倾层状结构
2. 陡倾层状结构
切层滑动 倾倒—切层滑动
5
碎裂状结构
5、不科学的施工方法也是造成边坡失稳变形的重要原因，如雨季 大开挖大量雨水渗入坡体，软化坡体岩土；大爆破施工破坏岩体完整性； 开挖后长期暴露而不防护和加固，甚至一挖到底不加固等。
这里强调坡体结构对高边坡变形的控制作 用。
所谓坡体结构是指构成坡体的不同岩层及构 造结构面（包括接触分界面）的产状、性质、 厚度、含水状况，在边坡上的分布位置及其与 开挖面之间的关系。它控制了边坡可能发生变 形的类型、位置和规模。我们将之分为以下六 种：
3、由于对高边坡重视不够，过分强调节约工程投资，本来可以作 隧道或外移作桥或半路半桥的，为节省投资而大挖方，结果造成高边坡 变形，有时其治理费用比桥、隧还多。
4、高边坡本应该作个别设计的，因工作量大、工期紧、资料少， 也只能作一般边坡对待，设计缺乏依据，或坡形坡率设计不符合当地岩 土条件，或没有排水与加固工程，或工程不足以保证稳定。
从已经发生的大量高边坡变形来分析有以下几方面原因：
1、选线、选厂、选址时对地质工作重视不够，没有贯彻“地质选 线”的原则，对已经存在的古老滑坡和潜在滑坡（如岩堆地段、顺层地 段）没有认识或认识不足，将线路布设在这些地段，甚至大填、大挖， 造成老滑坡复活或新生滑坡。
2、高边坡变形最主要的原因是对高边坡的地质决定性认识不足， 道路工程中重桥隧、轻路基的指导思想没有彻底改变，对高边坡没有专 门地质调查和勘探，只能凭经验盲目设计，这就难免不发生问题。