樓秋紅，張超，古海東，包曉明

（1.湖州市交通集團有限公司，浙江 湖州 313000；2.浙江數(shù)智交院科技股份有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

在地勢起伏較大、地質(zhì)條件復雜地區(qū)修建高速公路，施工乃至運營階段常常發(fā)生邊坡穩(wěn)定性問題，嚴重影響建設(shè)期及運營期安全。邊坡體為天然地質(zhì)體，被節(jié)理、層理、破碎帶等不良結(jié)構(gòu)面切割，在工程建設(shè)、降水等外因作用下，沿軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生相對滑移而失穩(wěn)[1]。如何盡可能準確地探明邊坡地層分布及潛在滑面位置[2]，對預測潛在滑坡規(guī)模、分析邊坡穩(wěn)定及采取工程措施至關(guān)重要，這也是工程中邊坡處治的一大難題。通常采用地質(zhì)勘察方法，其中鉆探時因鉆孔位置及鉆孔數(shù)量對勘察結(jié)果的準確性影響較大，且鉆探成本較大[3-4]。隨著物探技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)眾多學者對綜合物探在復雜高邊坡勘察中的應用要點進行了深入研究。目前有高密度電阻率法、探地雷達法、鉆孔電磁波法和淺層地震法等，其中高密度電阻率法應用較為廣泛，一次布極就可完成縱、橫向二維勘探過程，具有電剖面法和電測深法兩種方法的綜合探測能力，且觀測精度高、數(shù)據(jù)采集量大、地質(zhì)信息豐富、野外效率高，可直接獲取測線上的資料，更具有工程針對性[5-7]。

本文結(jié)合湖州某高速公路高路塹邊坡，通過分析現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)、實地踏勘，綜合運用地質(zhì)鉆孔、高密度電阻率法探測邊坡巖體分層情況，為有限元數(shù)值分析反演邊坡各巖土體力學參數(shù)提供計算模型，以此得出邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)，最終確定邊坡的工程處治措施。

1 高密度電阻率法工作原理

高密度電阻率法的工作原理是以巖土體的電性差異為基礎(chǔ)，通過施加電場在地層中傳導電流，測得電場在地層中的分布規(guī)律，從而推斷地下不同電阻率地質(zhì)體的分布情況。其中低阻體對供電電流線有吸引作用，高阻體（如空氣）則具有排斥作用，從地電斷面表現(xiàn)為電流線被高阻界面全部排斥而無法穿過[8-9]。該法應用于邊坡勘察時，通過電阻率斷面圖中的背景值、電阻異常形態(tài)、電阻異常值及其梯度值等因素，并結(jié)合實際地段所對應的地層巖性，對地層分界線、斷層、巖體的完整程度及含水情況進行判譯，依據(jù)電阻率斷面圖上電阻率異常的等值線形態(tài)及走向趨勢確定異常的邊界，其中溫納裝置（Wenner）是高密度電阻率法中較為常用的一種探測方法[10]，其工作原理如圖1所示。

圖1 高密度電阻率法勘探系統(tǒng)工作原理示意

2 工程應用實例

2.1 工程概況

浙江湖州某高速公路于2019年通車。2020年末，高速公路運營部門在實地巡查邊坡情況時發(fā)現(xiàn)一高路塹邊坡左坡坡體后緣存在裂縫。通過查閱原設(shè)計文件發(fā)現(xiàn)該坡所處位置因歷史堆積棄渣發(fā)生過滑坡，在施工圖設(shè)計階段采用緩坡開挖將堆積體棄渣全部清除，第1級邊坡坡率為1∶1.25，坡頂設(shè)3m平臺；第2～4級邊坡坡率為1∶2.00，第2級和第3級頂分別設(shè)14m和30m平臺，并對坡面采用植草灌防護的邊坡處治方案。

2.2 地形地貌及地質(zhì)條件

該邊坡為丘陵緩坡地貌，現(xiàn)狀高邊坡開挖，邊坡地表植被分布，以灌木為主，邊坡紅線后側(cè)種植茶林和竹子。邊坡出露的地層主要為泥盆系珠藏塢組（DCz），巖性為上部為灰色、灰白色石英砂巖，巖層產(chǎn)狀210°∠10°，節(jié)理發(fā)育；下部為紫灰色、紫紅色粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖，巖層產(chǎn)狀為30°∠18°，與坡面傾向小角度相交。下伏基巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較完整?，F(xiàn)狀邊坡表部主要為殘坡積含角礫（碎石）粉質(zhì)黏土；人工堆積棄渣，成分為黏性土，碎塊石，含碎石、塊石黏性土。

2.3 邊坡現(xiàn)狀

從現(xiàn)場踏勘可知，邊坡現(xiàn)狀后緣裂縫明顯，見圖2。但前緣（剪出口）未明顯發(fā)育，無法確定滑坡體具體范圍。

圖2 邊坡體后緣裂縫

因原施工圖采用放緩邊坡坡率處理，且已挖至山頂，對該邊坡實施實時動態(tài)監(jiān)測時，只在第1～3級邊坡設(shè)置位移監(jiān)測點，而未對第4級邊坡實施監(jiān)測。分析2020年監(jiān)測數(shù)據(jù)，該邊坡第1～3級在監(jiān)測期間，水平方向和高程方向位移變化較小，處于穩(wěn)定狀態(tài)（監(jiān)測數(shù)據(jù)見表1），可排除第1～3級邊坡失穩(wěn)的可能性。

表1 2020年邊坡位移監(jiān)測數(shù)據(jù)

3 高密度電阻率法探測

3.1 物探條件

該邊坡主要分布棄渣（較密實黏性土）、強-中風化砂巖、中風化粉砂巖，不同性質(zhì)巖體及不同風化程度巖土體存在顯著的電性差異[11]，且當邊坡裂縫形成后，造成坡體失去原有平衡狀態(tài)而發(fā)生一定程度位移，破壞了巖土體的完整性、連續(xù)性，致使土體出現(xiàn)大量的空隙和裂隙，從而形成滑動面。在滑動面部位土體破碎、松散，因充填空氣或水，視電阻率應異于周圍完整土體，電阻率曲線表現(xiàn)出一定的電阻異常特征。因此，本邊坡具備使用高密度電阻率法進行勘察的地球物理特征[12]。

3.2 探測儀器及測線布置

本次勘探采用重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的DZD-6A多功能電法儀及DUK-2A高密度電阻率法測量系統(tǒng)，采用溫納裝置，最大層數(shù)為16層，該系統(tǒng)采用全數(shù)字化自動測量，可對自然電位、漂移及電極極化進行自動補償[13]。基本電極距根據(jù)測區(qū)地質(zhì)目標的探深及現(xiàn)場地形、地質(zhì)情況選擇有5m、10m兩種。本邊坡探測時在主滑方向（山脊線方向），共布設(shè)3條測線，每條測線長度約為150m，測線位置見圖3。

圖3 測線平面布置圖

3.3 探測結(jié)果解譯

對原始數(shù)據(jù)進行了剖面連接、畸變點剔除及電阻率反演成像處理，最終形成3個電阻率剖面圖，如圖4所示。

圖4 高密度電阻率剖面

從圖4可知，測線的有效探測深度約為60m，淺表0～2m深度范圍內(nèi)電阻率等值線較雜亂，整體呈低阻；2～10m內(nèi)隨深度增大電阻率呈逐漸上升趨勢；10～25m深度范圍內(nèi)電阻率呈下降趨勢，深度大于25m后，電阻率隨深度增大。結(jié)合地質(zhì)鉆孔，推測0～2m范圍內(nèi)為棄渣，2～10m深度范圍內(nèi)為強～中風化石英砂巖，10m以下深度為中風化粉砂巖，并在虛線位置出現(xiàn)了電阻率變化趨勢分界面，初步評價為邊坡潛在滑動面。結(jié)合地質(zhì)鉆探成果，在上部石英砂巖與下部粉砂巖2層基巖的分界面存在以黏性土為主的層間結(jié)合物，厚度2～10mm不等，抗剪強度低，物理力學指標差，且埋深與電阻率剖面圖上基本吻合。最終判定剖面虛線位置為邊坡潛在滑動面位置，剪出口位于第4級邊坡坡腰。為反演滑面巖土體物理力學參數(shù)計算模型提供了基礎(chǔ)，如圖5所示。

圖5 邊坡地質(zhì)橫斷面及潛在滑面示意圖

4 邊坡穩(wěn)定性評價及處理效果

4.1 邊坡變形原因分析

邊坡坡體主要巖層分布為：灰黃色、灰白色強風化～中風化狀石英砂巖，巖質(zhì)堅硬，厚層狀構(gòu)造，層理較緩，巖層產(chǎn)狀210°∠10°，巖體豎向節(jié)理裂隙發(fā)育。下伏粉砂巖，巖體較完整，巖層產(chǎn)狀為30°∠18°，與坡面傾向小角度相交。在上部石英砂巖與下部粉砂巖兩層基巖的分界面存在基巖層間結(jié)合物，狀態(tài)以黏性土為主，厚度2～10mm不等，局部較厚，抗剪強度低，物理力學性質(zhì)差。分析邊坡變形原因如下：

（1）邊坡坡體粉砂巖層理裂隙為210°∠10°，緩于邊坡坡度，缺少阻滑段，為邊坡沿著不良結(jié)構(gòu)面移動提供有利條件，對邊坡長期穩(wěn)定性不利。

（2）該邊坡變形加速發(fā)展始于7月，為每年集中降雨期，邊坡坡體長期處于飽水狀態(tài)，其物理力學性質(zhì)變差，加速了邊坡變形。

4.2 穩(wěn)定性評價及參數(shù)反算

根據(jù)文獻[14]，將邊坡穩(wěn)定度劃分為不穩(wěn)定、欠穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、穩(wěn)定四類（具體見表2）。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果可知，該邊坡后緣已產(chǎn)生裂縫，認為天然狀態(tài)下已處于蠕動擠壓變形階段，相當于欠穩(wěn)定狀態(tài)；同時認為在暴雨狀態(tài)下邊坡可能出現(xiàn)滑動，相當于不穩(wěn)定狀態(tài)。故進行參數(shù)反演分析時，現(xiàn)狀正常工況下（天然狀態(tài)）安全系數(shù)取1.02，非正常工況Ⅰ（暴雨或連續(xù)降雨狀態(tài)）下安全系數(shù)小于1。

表2 邊坡穩(wěn)定狀態(tài)劃分（基于強度貯備安全系數(shù)）

根據(jù)物探顯示，高密度電阻率法剖面沿邊坡高程方向表現(xiàn)出不同巖土體電阻率變化明顯，且同一層電阻率變化不大，認為同一層巖土體力學性質(zhì)差異不大。本次巖土體物理力學參數(shù)反演分析時選用圖5所示剖面為計算模型，參照區(qū)域內(nèi)類似工程巖土體黏聚力（c）和內(nèi)摩擦角（φ），利用有限元分析軟件分別從正常工況（天然工況）及非正常工況Ⅰ（暴雨工況）兩種工況分別試算邊坡主要巖土體的力學參數(shù)，具體參數(shù)詳見表3，并將有限元計算所得的滑動面形態(tài)與物探解譯出的滑動面進行比較，滑面形態(tài)基本吻合，如圖6所示。

表3 邊坡主要巖土體抗剪強度指標

圖6 邊坡潛在滑面形態(tài)示意圖

4.3 邊坡處治方案及效果

根據(jù)物探解譯及有限元計算分析結(jié)果，認為該邊坡潛在滑面剪出口在四級邊坡坡腰。參照同區(qū)域類似邊坡防治措施，擬定兩個處理方案。

方案1（卸載方案）：從潛在剪出口最低高程處（高程約127m）處，設(shè)置2m寬平臺，以1∶3.5的開挖坡率進行卸載，卸載方量約4.03萬m3，新增用地約3.9畝。非正常工況Ⅰ時穩(wěn)定性安全系數(shù)達到7.7（大于1.1～1.2），滿足規(guī)范要求。

方案2（局部卸載+加固方案）：從潛在剪出口最低高程處（高程約127m）處，設(shè)置2m寬平臺，以1∶3.5的開挖坡率，進行卸載，卸載至標高141m處（后緣裂縫），設(shè)置8m高仰斜式護坡?lián)鯄?，擋墻上方再?∶1的坡率進行卸載，卸載方量約2.64萬m3，擋墻2 400m3，新增用地約0.9畝。非正常工況Ⅰ時穩(wěn)定性安全系數(shù)達到2.56（大于1.1～1.2），滿足規(guī)范要求[14]。

兩種處理方案分別從邊坡穩(wěn)定性、施工難易程度和工程造價等方面進行對比分析，方案1費用低、施工難度小且后期邊坡穩(wěn)定性能保證，方案2雖然用地少，但費用高，且擋墻施工風險較大，故采用方案1對該邊坡進行處置。

邊坡經(jīng)過治理后，設(shè)置全坡面位移動態(tài)監(jiān)測儀器，分析監(jiān)測數(shù)據(jù)未發(fā)現(xiàn)邊坡位移加速情況，治理效果良好，可知高密度電阻率法解譯方法得出的探測結(jié)果準確可靠。

5 結(jié)論

通過上述分析，可得出以下結(jié)論：

（1）對于公路邊坡失穩(wěn)應急搶險，高密度電阻率法為一種快速、安全、可靠的勘探手段。

（2）高密度電阻率物理探測方法較傳統(tǒng)的地質(zhì)鉆探，能更準確判別巖層分布及不利結(jié)構(gòu)面范圍，為評價邊坡穩(wěn)定性、確定工程處理措施等方面提供有力支撐。

（3）邊坡范圍內(nèi)地層傾角小于坡度，同時存在地層軟弱結(jié)構(gòu)面，在長期降雨影響下，其物理力學性質(zhì)較差，易誘發(fā)順層滑移，應重視邊坡排水設(shè)施。

（4）對于高邊坡，特別是歷史上發(fā)生過失穩(wěn)現(xiàn)象的邊坡，應加強對全坡面的動態(tài)監(jiān)測。