湖南湘西部-高陡边坡失稳预测与控制技术研究.doc

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湖南省交通科技计划项目

可行性研究报告

项目名称：

高陡边坡施工过程中的失稳预测

与控制技术研究

申请单位：

湖南省高速公路建设开发总公司

湖南省交通厅制

2001年09月

1项目的背景和必要性

1.1项目概况

我省西部大开发是实现地区平衡发展和可持续发展的重大战略举措。

开发西部首先必须解决公路交通等基础设施的建设问题，西部地区多为山岭丘陵区，其地形、地貌和地质水文条件复杂，公路设计与施工建设中常常形成高、陡类型边坡工程，且是我省地质灾害多发区和重灾区。

修筑公路必然进行山体的开挖与沟谷路堤的填筑，从而破坏或改变了原山体和新路堤的平衡条件，往往导致其失稳地质灾害的发生，致使高陡边坡产生坍塌、滑动。

山区公路边坡具有高度大、数量多、地质条件复杂、形成时间短等特点，这在客观上为边坡的坍塌、滑动以及水毁等失稳地质灾害创造了条件。

事实上，在我省西部山区已修建的高等级公路中，几乎是“无路不坍、无路不垮”，特别是在雨季，公路边坡的坍方、滑坡等地质灾害更为普遍。

据不完全统计，我省每年用于治理公路坍方、滑坡等地质灾害的费用多在几百甚至近千万元以上，而由于公路的坍方、滑坡造成的经济损失则更为惊人。

为防止高陡边坡失稳地质灾害和保护环境，就必需要对高陡边坡进行施工过程中的实时勘测与稳定性评价、失稳预测与控制、采取适当的加固处治。

边坡的加固处治，有多种不同的方法和措施，大量的工程实践证明，许多经加固处治后的边坡仍然发生变形破坏，其原因之一是处治方法不对,处治措施不得力，原因之二是由于施工方法不当，施工工艺达不到设计要求，施工质量得不到保证。

因此，针对具体工程，不失时机地开展边坡的失稳预测预报、稳定性控制技术、失稳加固施工工艺与施工控制的研究，对保证边坡稳定，防止边坡坍塌、滑动等失稳地质灾害的发生，具有重大的技术经济价值和社会环境效益。

本项目依托于湖南常（德）张（家界）、邵（阳）怀（化）高速公路开展研究，项目旨在解决山区高陡边坡施工方案的评估与优化、失稳的预测预报与加固施工工艺、施工控制关键技术问题。

项目以研究边坡变形破坏机制及其演变规律为基本出发点，研究开发出具有广泛应用前景的边坡稳定性分析与评价新方法、边坡的失稳加固新工艺、施工控制新技术，以及与之配套的施工工艺，施工质量检测与控制方法。

形成一套方法（边坡施工稳定性实时评价方法）、一套工艺（边坡施工工艺与加固工艺）和一套体系（边坡失稳预测与控制技术体系）等三大成果。

使我省高陡边坡的稳定性评价与加固控制技术迈上一个新台阶，达到节约工程投资，提高工程施工质量及安全运行的目的。

1.2研究目的

二十世纪九十年代以来，随着我省经济建设的发展和西部大开发战略的实施，作为国家基础设施体系的重要组成部分，高等级公路在我省得到了飞速的发展，联通全国主要大中城市的“五纵七横”国家高速公路网正在形成；西部地区长达几百公里的高等级公路也正在加紧建设之中。

这些高等级公路的修建和投入使用对增强我省的综合实力，促进西部地区的开发将发挥极其重要的作用。

西部开发解决的关键问题是基础设施的建设和环境保护问题。

西部地区多为山岭丘陵区，其地形、地貌和地质水文条件复杂，且是我省高陡边坡地质灾害多发区和重灾区。

修筑公路必然进行山体的开挖与沟谷路堤的填筑，从而破坏或改变了原山体的平衡条件，致使高陡边坡产生坍塌、滑动，导致地质灾害的发生。

公路边坡具有高度大、数量多、地质条件复杂、形成时间短等特点，这在客观上为边坡的坍塌、滑动以及水毁等失稳地质灾害创造了条件。

可见，边坡失稳地质灾害的防治已成为我省西部山区公路建设中的重大地质--工程问题。

公路边坡失稳，其原因十分复杂，如果说边坡的环境地质条件复杂、多变是其主要内因，那么失稳控制中加固措施和施工工艺不当、施工质量得不到可靠保证则是其主要外因。

边坡的环境地质条件是自然形成的产物，它不以人们的意志为转移；但边坡形成过程中的实时评价、失稳预测预报与加固控制措施、施工工艺质量却受人们的意识控制。

大量的工程实践表明：

许多经加固处治的边坡，仍然发生坍塌、滑动，其原因一方面是边坡施工形成过程中地质条件的恶化与岩土体质量的劣化评估与认识不当，另一方面是采用的加固措施与加固施工工艺达不到设计要求，施工质量与失稳没有得到有效的保证和控制。

因此，如何解决和开发边坡评价新方法、失稳预测与控制技术、完善现有加固方法，如何进行边坡加固施工工艺与质量的有效控制，将成为西部山区特别是西部常张、邵怀公路修筑的关键技术问题之一，急待研究解决。

本项目旨在解决高、陡边坡稳定、加固与控制关键技术问题，项目以研究边坡变形、破坏机制和加固措施为基本出发点，进而研究边坡稳定性评价方法、加固与控制施工和设计方法。

边坡施工过程中加固与施工控制必须要有具体的措施和对象,施工工艺及控制技术必须解决边坡地质体的变形与破坏。

边坡实时评价与失稳研究中加固控制有多种不同的具体措施或方法，但归纳起来可分为三大类，即：

①直接加固法：

包括挡墙及护坡、抗滑桩、滑动面混凝土栓塞、锚杆及预应力锚索；

②间接加固法：

包括边坡中用巷道及钻孔疏干、地面截水排水防水、削坡减载卸荷；

③特殊加固法：

包括弱层麻面爆破、压力灌浆等。

加固措施不同，其施工工艺也就不同。

过去我省结合具体工程，曾经对抗滑桩、锚杆及预应力锚索加固边坡的施工工艺进行过一些研究。

边坡工程问题是典型的地质工程问题，它面对的是地质体，不同地质体的边坡，其变形破坏的机制就将不同。

因此，研究边坡加固，必需首先研究边坡的变形破坏机制及其演化规律问题，其次，是研究加固方法与措施问题，最后才是施工工艺与质量保证与控制问题。

边坡的变形破坏机制及其演化规律，是边坡加固设计与施工及控制的前提，不同地质体的边坡有着不同的变形破坏的机制，也就有着不同的加固处治方法和相适应的施工方法。

实践证明：

在对边坡变形破坏机制不清楚的情况下，盲目进行边坡加固，一方面导致加固的失败，另一方面导致加固处治费用的浪费。

但遗憾的是我国公路部门对这一问题一直未引起足够的重视，为了使边坡加固取得事半功倍的效果，就必需对边坡的变形破坏机制及其演化规律进行研究。

为了克服上述问题，就必需针对边坡的具体条件选择合适的锚固体系，开发研究其施工工艺和施工控制方法。

压力灌浆是一种极具发展潜力的边坡加固方法，按现在的观点，几乎所有的岩土工程加固，都可以采用压力灌浆的方式来实现。

但灌浆材料（浆液）、施工工艺、质量检测与控制等问题有待进一步研究解决。

综上所述，边坡加固要解决的问题很多，我们只能根据工程的需要及时地解决一些关键技术。

有鉴于此，本项目旨在解决边坡加固施工工艺与施工控制关键技术问题。

在现阶段需解决的关键技术问题是：

（1）高陡边坡变形、破坏机制研究及稳定性分析方法；

（2）分析总结边坡变形破坏机制及其演变规律（3）施工过程中边坡变形、失稳预测与预报；（4）施工过程中边坡失稳动态控制技术；（5）边坡动态施工分析与评价系统。

从而达到降低工程风险，节约工程投资，提高工程施工及运行质量的目的，使我省公路边坡施工、加固及公路防灾减灾达到新的水平。

因此，本项目的研究具有重大的工程意义和经济价值，其应用前景十分广泛。

1.3市场需求前景

本项目的市场需求是十分巨大的，主要表现在：

（1）由于西部地区多为山岭丘陵区，其地形、地貌和地质水文条件复杂，且是我省地质灾害多发区和重灾区。

修筑公路必然进行山体开挖等，从而破坏或改变了原稳定体的平衡条件，必然导致开挖边坡产生坍塌、滑动，导致地质灾害的发生。

为防止地质灾害的发生和保护环境，就必需要对边坡进行适当的稳定性评价、加固与控制，采用何种稳定性评价、加固与控制方式和如何进行稳定性评价、加固与控制设计，成为必需认真解决的问题。

由于本项目正是解决边坡稳定性评价、加固与控制的有关问题，无疑会得到广泛应用。

（2）国家交通部为适应我省经济发展的需要，制定了我国高等级公路在2020年前建成五纵七横近四万公里国道主干线的宏伟规划，经十余年的建设，目前我国的高等级公路仅一万余公里。

因此，在今后的二十年中，西部要形成纵横国道公路主干线网，还需修建近千公里的高等级公路，任务十分艰巨。

由于我省西部是多山的地区，山丘区面积占70%以上，因此，今后修筑的国道主干线大部分穿越山区。

在山丘区修筑高等级公路，由于地质、地貌条件的限制和公路线形的制约，挖方等高陡边坡占公里里程近60%。

根据调查，在已完成和正在修建的山区高等级公路中，挖方等边坡的坍塌、滑动屡见不鲜，几乎无路不坍无路不滑，其根本原因就在于稳定性评价、加固与控制不当。

本项目无疑为边坡加固问题的解决提供了技术保证，其应用前景将十分广泛。

可见，无论是从西部开发公路建设还是从东、中部公路建设看，本项目市场都是十分庞大，项目研究成果具有广泛的应用前景。

1.4推广应用领域

本项目推广应用的领域是十分广泛的，由于挖填方边坡在公路、铁路、水利、城建等多个领域都普遍存在，因此，课题成果除可在公路部门得到推广外，也可在铁路、水利、冶金等部门得到广泛的推广应用。

因此，本项目推广应用领域广泛。

1.5达到的技术水平

本课题在我省还未进行系统的研究，因此，项目的研究成果将填补我省空白，又由于课题的研究起点站在目前国际上研究起跑线，且跟踪国际研究新的水平，因此，其研究成果将达国内先进水平。

1.6在经济发展中的作用

公路交通在我省国民经济建设中，具有十分重要的地位和作用，为解决我省经济建设中的交通瓶塞问题，在今后我省的高等级公路建设将有更大的发展。

西部开发是我省实现地区平衡发展和可持续发展的重大战略举措,开发西部首先也必须解决公路交通等基础设施的建设问题。

由于我省是一个多山的地区，山区高等级公路的修筑越来越普遍，这就使得挖填方边坡的数量越来越多，而本项目就在于解决挖填方边坡的失稳预测与控制问题，因此，在公路建设中项目的研究成果将发挥巨大的作用。

特别是近年来，我省为了增进经济的快速增长，加大了基础设施的投资力度，其中公路建设的投资大大增加，为了完成国家、省的投资计划，使投资发挥更大的效益，就必须依靠科技进步，可见，本课题的研究，既是山区高等级公路修筑技术的需要，又和国家、省经济政策相适应，因此，它在我省经济建设发展中的作用是十分明显的。

２项目前期科研及工作基础

2.1国内外研究现状分析与评价

边坡稳定性、加固与控制首先要搞清其变形、破坏机制及其演化规律。

一方面，它是边坡加固的基础和边坡稳定性评价模型建立的依据，另一方面，它是边坡施工及其施工控制的理论依据。

对边坡变形、破坏机制的研究国内外已进行了不少工作,在这方面我国的研究水平与国际上是同等的。

如王士天等针对金沙江向家坝水电站边坡,对边坡破坏的重力蠕变机制、纵张破坏机智进行了广泛研究;孙广忠结合金川矿区高边坡的稳定性研究，提出了典型边坡地质力学模型，在此基础上通过模型实验，对典型边坡的变形破坏机制进行模拟研究，简化了研究过程；黄润秋等在对四川溪口滑坡研究的基础上,提出了滑坡破坏机制研究的概念模型，并采用多种方法对高边坡物质过程运动进行全过程模拟;张倬元等在研究总结多个边坡（滑坡）的基础上,对不同类型的边坡（滑坡）破坏归纳出变形破坏的五种模型，阐述了各种模型的发展变化规律及其演变过程。

根据这些破坏机制,进行滑坡（边坡）稳定性分析,提出治理方案,取得了明显的效果。

但值得注意的是，这些研究多是针对水电工程和大型滑坡工程进行,公路边坡与水电边坡有着较大差别,主要在于:

第一水电边坡规模大,但点少;公路边坡规模比水电边坡小，但点多面广。

第二,水电边坡地质资料丰富、详细，地质信息较完备；公路边坡地质资料则较少，地质信息很不完备。

由于有这些差别，上述边坡变形破坏机制研究成果，就不一定适合于公路边坡，其研究方法和研究手段也不一定适合公路边坡。

如何根据公路的特点，研究总