公路边坡位移变形裂缝预防和边坡监测

边坡是自然或人工形成的斜坡,是人类工程活动中最基本的地质环境之一,也是工程建设中最常见的工程形式。同时,随着我国基础建设的大力发展,在大量铁路、公路、矿山、水利等部门都涉及大量的边坡问题,特别是在丘陵和山区建设中,人类工程活动中开挖和堆填的边坡数量会越来越多,高度将越来越大。

作为公路边坡常见地质灾害之一的坍塌灾害,已经严重危及公路及公路运输的安全和畅通。因此,对公路边坡变形监测以及各类灾害成灾机理及诱发因素进行分析研究,是采取科学合理的防治措施的依据,是减少灾害损失的有效途径。

一、边坡坍塌现象及特征

坍塌是土层、堆积层或风化破碎岩层斜坡,由于土壤中水和裂隙水的作用、河流冲刷或人工开挖坡陡于岩体自身强度所能保持的坡度而产生逐层塌落的变形现象。其具有“滑坡”和“崩塌”两种机制和“先滑后塌”的变形破坏过程。由于其突发性和频繁发生的特点,给公路造成严重危害。

坍塌主要产生于边坡表面松散的风化破碎层,边坡的设计坡率超过了岩土体所能保持的稳定角,在风化、干湿循环和降雨作用下,或因开挖改变了地下水的渗流条件而使坡面渗水,岩土软化,从而引起边坡上部失稳。坍塌形成必须具备以下两个条件:

(1)松散的岩土边坡,坡度较大,一般大于潮湿状态下天然休止角,平均坡度为30°～40°以上;

(2)有较丰富的降水或地表水与地下水水源。

坍塌的基本特征:

(1)坍塌发生后,坍塌体堆于坡脚,整体性完全破坏;

(2)坍塌裂缝逐次向边坡上方发展,最外一条裂缝受边坡坡度控制,一般自坡脚以上平均坡度在1U1.5范围内;

(3)每次坍塌均不按固定的面移动,而是按新的不规则的面移动,一直坍塌至潮湿土层稳定为止;

(4)坍塌体下缘均在临空面以上;

(5)雨水、坡面水和地下水是诱发坍塌的重要原因,其中90%以上直接由降雨引起;

(6)坍塌体厚度不大,通常小于6m。

坍塌按照物质组成可以分为岩石类坍塌、坡残积层坍塌和土质坍塌三类。

二、公路边坡坍塌灾害发生机理及影响因素

公路边坡坍塌灾害发生机理

公路边坡是有人工开挖或填筑而成的斜坡,由于公路断面形式的不同而分为路堑边坡和路基边坡。公路边坡坍塌是指发生在路域边坡范围内的坍塌,将直接造成公路边坡的破坏,严重的将造成公路及其附属设施的破坏,进而将带来经济损失。

坍塌是高边坡常见的变形现象,其变形是从表层开始,逐渐向内部发展,受坡体整个松弛带内结合强度的控制,无贯通的软弱带,非坡内某一软弱带或面的破坏。破坏的主要原因是坡度大于其稳定坡率,在降雨等因素诱发下发生局部破坏,破坏面为岩土体最危险剪切面,即同生面。

公路边坡坍塌灾害的影响因素

影响公路边坡坍塌灾害的因素很多,按不同因素的作用特点及作用形式,主要可以归纳为内因和外因或诱发因素两部分:

灾害形成的内在条件有:岩土类型,坡形、坡度、坡高,节理裂隙发育程度,岩石风化强度等。在各类内因之中,坡度、坡体结构、坡型和岩性是主要因素。边坡类型按不同的分类指标可有多种分类。

按构成边坡的物质种类可以分为土质边坡(整个边坡均由土体构成,按土体种类又可分为:粘性土边坡、黄土边坡、膨胀土边坡、堆积土边坡、填土边坡等);岩质边坡(整个边坡均由岩体构成,按岩体的强度又可分为硬岩边坡、软岩边坡和风化岩边坡等,按岩体结构分为整体状(巨块状)边坡、块状边坡、层状边坡、碎裂状边坡、散体状边坡);岩土混合边坡(边坡下部为岩层,上部为土层,即所谓的二元结构的边坡)。

按边坡的高度分为:一般边坡(岩质边坡总高度在30m以下,土质边坡总高度在15～20m以下)和高边坡(岩质边坡总高度大于30m,土质边坡总高度大于15～20m)。按公路断面形式分为路堑边坡和路基边坡。按坡体结构特征可以分为类均质土边坡、近水平层状边坡、顺倾层状边坡、反倾层状边坡、块状岩体边坡、碎裂状岩体边坡和散体状边坡等。

实践证明,容易发生变形破坏的边坡多为高边坡、顺倾层状边坡及节理裂隙发育强烈的边坡,因此,这些边坡将是研究与防治的重点。

坍塌灾害的诱发因素很多,主要有地震、降雨、地表冲刷、融雪、浸泡、地下水活动、冲刷或开挖坡脚,冻融、昼夜温度变化等。其中,降雨和人类工程活动(边坡开挖)是诱发灾害的主要因素。大量的调查表明,边坡坍塌灾害的发生大都与降雨有关。在降雨量较多,雨季持续时间较长的滑坡地段,大量雨水渗入坡体内,使岩(土)层潮湿软化,从而降低了抗剪强度,也导致容重增大。同时,自然灾害的产生并不完全是自然因素决定的,在相当程度上受到人类活动的影响。

譬如:乱砍滥伐森林导致水土流失;无全局计划的截流使河流下游土地沙漠化;工程开挖使边坡失稳,引起坍塌;过量开采地下水造成地面沉降等。据统计,现己发生的各类地质灾害约有50%与人类活动有关。随着近年来我国高等级公路的大规模修建,随之而来的是人类对自然地表物质的剥蚀、搬运、堆积以及对地形和地貌进行的局部改造,使地球表面原有的自然平衡遭到不同程度的破坏,加剧了各类地质灾害频繁发生。

公路建设具有线路长、规模大、类型复杂等特点,特别是山区公路的建设,对环境的影响比较明显。山区的地质作用一般较为强烈,地质条件复杂,在这样的情况下,公路建设过程中的边坡开挖有可能会改变天然山体的稳定条件,岩层的软弱结构面被切断而形成各种不利组合,以及开挖面在大气与水的作用下,岩体强度的降低等,都会形成对开挖边坡稳定十分不利的因素。

三、公路边坡坍塌灾害的主要防治措施

1.预防坍塌灾害的首要措施是削坡,即减小边坡坡率,增加边坡稳定性。

2.对于存在软弱结构面而易引起坍塌的高边坡,可根据情况采用支挡墙或支护墙等措施,以支撑边坡并防止软弱结构面的张开或扩大。对边坡坡脚因受河水冲刷而易形成坍塌者,河岸要做防护工程。

3.在可能发生坍塌的地段,必须做好地面排水设施,其中坡顶截水沟能起到防止边坡上部坍塌的作用。

4.岩质坍塌宜采取下列措施:

(1)刷坡:清除坡面危岩、严重风化破碎表层及不稳定部分,清除影响路基及边沟的坡脚坍塌堆积物、风化剥落碎屑物等;

(2)设置截水沟:水是诱发各类地质灾害的主要因素之一,坍塌也不例外,拦截地表水入渗坍塌体裂缝是防治坍塌的有效措施之一;

(3)支护加固:对局部坡面风化破碎层较厚的地段设置护坡、挡墙。

5.土质边坡宜采取下列措施:

(1)分级开挖:根据边坡的物质组成、松散程度及天然坡度等工程地质特征设置适宜的边坡坡比将边坡设计成台阶状,并分级放坡开挖,以增大边坡的稳定性;

(2)护面:加强坡面植被及水土保持措施,对于植被破坏严重或放坡开挖不得不破坏植被的地段应尽力恢复坡面植被;

(3)排水:在容易产生坍塌地段设排水工程,以拦截疏导地表水。

四、公路边坡监测工作

其实表面位移监测、深部位移监测、以及裂缝监测和沉降监测基本上就可以满足公路边坡监测。目前市场上针对公路边坡监测有两种，一种是雷达的，另一种就是基于北斗定位的。而天玑科技自主研发的表面位移监测系统采用GNSS自动化监测方式对表面位移进行实时自动化监测，其工作原理为：各GNSS监测点与参考点接收机实时接收GNSS信号，并通过数据通讯网络实时发送到控制中心，控制中心服务器GNSS北斗数据处理软件TJ-Cloud实时差分解算出各监测点三维坐标，数据分析软件获取各监测点实时三维坐标，并与初始坐标进行对比而获得该监测点变化量，同时分析软件根据事先设定的预警值而进行报警。

GNSS表面位移监测的误差水平为±2mm+1ppm，高程方向为±4mm+1ppm。表面三维位移量是通过GNSS自动化监测，主要建立在滑坡表面变形明显的部位，通过监测滑坡表层的三维位移量，分析、判断滑坡的变形特征、变幅、滑动方向、滑动速率、稳定性及其发展趋势，并且对于简易监测而言该方法精度高，能反映出简易监测反映不了的变形迹象。

所以做好公路边坡防护治理工作，确保公路边坡安全、稳定、灵活采用适当的防护型式，采用有效的防护治理措施，且要从经济、耐用、环保出发。与边坡防护治理工程合理配置，恢复公路边坡的生态平衡。要运用更好的功率边坡防护新技术、新工艺、新方法，将公路建设与自然相融合，坚持公路建设可持续发展。

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