物探法在公路高路堑边坡处治中的应用

2022-04-19楼秋红张超古海东包晓明

交通世界 2022年8期

楼秋红，张超，古海东，包晓明

（1.湖州市交通集团有限公司，浙江湖州 313000；2.浙江数智交院科技股份有限公司，浙江杭州 310000）

0 引言

在地势起伏较大、地质条件复杂地区修建高速公路，施工乃至运营阶段常常发生边坡稳定性问题，严重影响建设期及运营期安全。边坡体为天然地质体，被节理、层理、破碎带等不良结构面切割，在工程建设、降水等外因作用下，沿软弱结构面产生相对滑移而失稳[1]。如何尽可能准确地探明边坡地层分布及潜在滑面位置[2]，对预测潜在滑坡规模、分析边坡稳定及采取工程措施至关重要，这也是工程中边坡处治的一大难题。通常采用地质勘察方法，其中钻探时因钻孔位置及钻孔数量对勘察结果的准确性影响较大，且钻探成本较大[3-4]。随着物探技术的发展，国内众多学者对综合物探在复杂高边坡勘察中的应用要点进行了深入研究。目前有高密度电阻率法、探地雷达法、钻孔电磁波法和浅层地震法等，其中高密度电阻率法应用较为广泛，一次布极就可完成纵、横向二维勘探过程，具有电剖面法和电测深法两种方法的综合探测能力，且观测精度高、数据采集量大、地质信息丰富、野外效率高，可直接获取测线上的资料，更具有工程针对性[5-7]。

本文结合湖州某高速公路高路堑边坡，通过分析现场监测数据、实地踏勘，综合运用地质钻孔、高密度电阻率法探测边坡岩体分层情况，为有限元数值分析反演边坡各岩土体力学参数提供计算模型，以此得出边坡稳定性安全系数，最终确定边坡的工程处治措施。

1 高密度电阻率法工作原理

高密度电阻率法的工作原理是以岩土体的电性差异为基础，通过施加电场在地层中传导电流，测得电场在地层中的分布规律，从而推断地下不同电阻率地质体的分布情况。其中低阻体对供电电流线有吸引作用，高阻体（如空气）则具有排斥作用，从地电断面表现为电流线被高阻界面全部排斥而无法穿过[8-9]。该法应用于边坡勘察时，通过电阻率断面图中的背景值、电阻异常形态、电阻异常值及其梯度值等因素，并结合实际地段所对应的地层岩性，对地层分界线、断层、岩体的完整程度及含水情况进行判译，依据电阻率断面图上电阻率异常的等值线形态及走向趋势确定异常的边界，其中温纳装置（Wenner）是高密度电阻率法中较为常用的一种探测方法[10]，其工作原理如图1所示。

图1 高密度电阻率法勘探系统工作原理示意

2 工程应用实例

2.1 工程概况

浙江湖州某高速公路于2019年通车。2020年末，高速公路运营部门在实地巡查边坡情况时发现一高路堑边坡左坡坡体后缘存在裂缝。通过查阅原设计文件发现该坡所处位置因历史堆积弃渣发生过滑坡，在施工图设计阶段采用缓坡开挖将堆积体弃渣全部清除，第1级边坡坡率为1∶1.25，坡顶设3m平台；第2～4级边坡坡率为1∶2.00，第2级和第3级顶分别设14m和30m平台，并对坡面采用植草灌防护的边坡处治方案。

2.2 地形地貌及地质条件

该边坡为丘陵缓坡地貌，现状高边坡开挖，边坡地表植被分布，以灌木为主，边坡红线后侧种植茶林和竹子。边坡出露的地层主要为泥盆系珠藏坞组（DCz），岩性为上部为灰色、灰白色石英砂岩，岩层产状210°∠10°，节理发育；下部为紫灰色、紫红色粉砂岩、泥质粉砂岩，岩层产状为30°∠18°，与坡面倾向小角度相交。下伏基岩节理裂隙发育，岩体较完整。现状边坡表部主要为残坡积含角砾（碎石）粉质黏土；人工堆积弃渣，成分为黏性土，碎块石，含碎石、块石黏性土。

2.3 边坡现状

从现场踏勘可知，边坡现状后缘裂缝明显，见图2。但前缘（剪出口）未明显发育，无法确定滑坡体具体范围。

图2 边坡体后缘裂缝

因原施工图采用放缓边坡坡率处理，且已挖至山顶，对该边坡实施实时动态监测时，只在第1～3级边坡设置位移监测点，而未对第4级边坡实施监测。分析2020年监测数据，该边坡第1～3级在监测期间，水平方向和高程方向位移变化较小，处于稳定状态（监测数据见表1），可排除第1～3级边坡失稳的可能性。

表1 2020年边坡位移监测数据

3 高密度电阻率法探测

3.1 物探条件

该边坡主要分布弃渣（较密实黏性土）、强-中风化砂岩、中风化粉砂岩，不同性质岩体及不同风化程度岩土体存在显著的电性差异[11]，且当边坡裂缝形成后，造成坡体失去原有平衡状态而发生一定程度位移，破坏了岩土体的完整性、连续性，致使土体出现大量的空隙和裂隙，从而形成滑动面。在滑动面部位土体破碎、松散，因充填空气或水，视电阻率应异于周围完整土体，电阻率曲线表现出一定的电阻异常特征。因此，本边坡具备使用高密度电阻率法进行勘察的地球物理特征[12]。

3.2 探测仪器及测线布置

本次勘探采用重庆地质仪器厂生产的DZD-6A多功能电法仪及DUK-2A高密度电阻率法测量系统，采用温纳装置，最大层数为16层，该系统采用全数字化自动测量，可对自然电位、漂移及电极极化进行自动补偿[13]。基本电极距根据测区地质目标的探深及现场地形、地质情况选择有5m、10m两种。本边坡探测时在主滑方向（山脊线方向），共布设3条测线，每条测线长度约为150m，测线位置见图3。

图3 测线平面布置图

3.3 探测结果解译

对原始数据进行了剖面连接、畸变点剔除及电阻率反演成像处理，最终形成3个电阻率剖面图，如图4所示。

图4 高密度电阻率剖面

从图4可知，测线的有效探测深度约为60m，浅表0～2m深度范围内电阻率等值线较杂乱，整体呈低阻；2～10m内随深度增大电阻率呈逐渐上升趋势；10～25m深度范围内电阻率呈下降趋势，深度大于25m后，电阻率随深度增大。结合地质钻孔，推测0～2m范围内为弃渣，2～10m深度范围内为强～中风化石英砂岩，10m以下深度为中风化粉砂岩，并在虚线位置出现了电阻率变化趋势分界面，初步评价为边坡潜在滑动面。结合地质钻探成果，在上部石英砂岩与下部粉砂岩2层基岩的分界面存在以黏性土为主的层间结合物，厚度2～10mm不等，抗剪强度低，物理力学指标差，且埋深与电阻率剖面图上基本吻合。最终判定剖面虚线位置为边坡潜在滑动面位置，剪出口位于第4级边坡坡腰。为反演滑面岩土体物理力学参数计算模型提供了基础，如图5所示。

图5 边坡地质横断面及潜在滑面示意图

4 边坡稳定性评价及处理效果

4.1 边坡变形原因分析

边坡坡体主要岩层分布为：灰黄色、灰白色强风化～中风化状石英砂岩，岩质坚硬，厚层状构造，层理较缓，岩层产状210°∠10°，岩体竖向节理裂隙发育。下伏粉砂岩，岩体较完整，岩层产状为30°∠18°，与坡面倾向小角度相交。在上部石英砂岩与下部粉砂岩两层基岩的分界面存在基岩层间结合物，状态以黏性土为主，厚度2～10mm不等，局部较厚，抗剪强度低，物理力学性质差。分析边坡变形原因如下：

（1）边坡坡体粉砂岩层理裂隙为210°∠10°，缓于边坡坡度，缺少阻滑段，为边坡沿着不良结构面移动提供有利条件，对边坡长期稳定性不利。

（2）该边坡变形加速发展始于7月，为每年集中降雨期，边坡坡体长期处于饱水状态，其物理力学性质变差，加速了边坡变形。

4.2 稳定性评价及参数反算

根据文献[14]，将边坡稳定度划分为不稳定、欠稳定、基本稳定、稳定四类（具体见表2）。根据现场调查结果可知，该边坡后缘已产生裂缝，认为天然状态下已处于蠕动挤压变形阶段，相当于欠稳定状态；同时认为在暴雨状态下边坡可能出现滑动，相当于不稳定状态。故进行参数反演分析时，现状正常工况下（天然状态）安全系数取1.02，非正常工况Ⅰ（暴雨或连续降雨状态）下安全系数小于1。

表2 边坡稳定状态划分（基于强度贮备安全系数）

根据物探显示，高密度电阻率法剖面沿边坡高程方向表现出不同岩土体电阻率变化明显，且同一层电阻率变化不大，认为同一层岩土体力学性质差异不大。本次岩土体物理力学参数反演分析时选用图5所示剖面为计算模型，参照区域内类似工程岩土体黏聚力（c）和内摩擦角（φ），利用有限元分析软件分别从正常工况（天然工况）及非正常工况Ⅰ（暴雨工况）两种工况分别试算边坡主要岩土体的力学参数，具体参数详见表3，并将有限元计算所得的滑动面形态与物探解译出的滑动面进行比较，滑面形态基本吻合，如图6所示。

表3 边坡主要岩土体抗剪强度指标

图6 边坡潜在滑面形态示意图

4.3 边坡处治方案及效果

根据物探解译及有限元计算分析结果，认为该边坡潜在滑面剪出口在四级边坡坡腰。参照同区域类似边坡防治措施，拟定两个处理方案。

方案1（卸载方案）：从潜在剪出口最低高程处（高程约127m）处，设置2m宽平台，以1∶3.5的开挖坡率进行卸载，卸载方量约4.03万m³，新增用地约3.9亩。非正常工况Ⅰ时稳定性安全系数达到7.7（大于1.1～1.2），满足规范要求。

方案2（局部卸载+加固方案）：从潜在剪出口最低高程处（高程约127m）处，设置2m宽平台，以1∶3.5的开挖坡率，进行卸载，卸载至标高141m处（后缘裂缝），设置8m高仰斜式护坡挡墙，挡墙上方再以1∶1的坡率进行卸载，卸载方量约2.64万m³，挡墙2 400m³，新增用地约0.9亩。非正常工况Ⅰ时稳定性安全系数达到2.56（大于1.1～1.2），满足规范要求[14]。

两种处理方案分别从边坡稳定性、施工难易程度和工程造价等方面进行对比分析，方案1费用低、施工难度小且后期边坡稳定性能保证，方案2虽然用地少，但费用高，且挡墙施工风险较大，故采用方案1对该边坡进行处置。

边坡经过治理后，设置全坡面位移动态监测仪器，分析监测数据未发现边坡位移加速情况，治理效果良好，可知高密度电阻率法解译方法得出的探测结果准确可靠。