摘 要：为保障山区高速公路通行安全，通过调研安徽省山区营运高速公路6年间69处典型边坡的病害状况和历史资料，统计了服役边坡的常见病害类型及时空分布规律，分析了病害的主要影响因素及典型防治措施。结果表明，路堑边坡的常见病害有浅层土体滑塌、局部表层风化层溜塌及支护设施局部损坏和崩塌等，路堤边坡的常见病害有浅层坡体局部冲刷溜塌及重力式挡墙局部破坏并伴随路面纵向开裂等；边坡病害的主要影响因素包括环境、坡体岩土质、坡体结构和人为等4个方面，其时间分布具有明显的雨季特征，空间分布呈现坡腰高于坡脚和坡顶的特点。针对这些典型病害，路堑边坡主要采用锚杆(索) 框架梁、锚杆挂网喷混及坡体卸载 坡脚矮挡墙等措施进行处治，路堤重力式挡墙边坡主要采用增设体外扶壁墙及墙面预应力锚杆网格梁等措施进行加固。研究结果可供山区高速公路边坡工程的设计、施工及养护防治参考。
关键词：山区高速公路;服役边坡病害;统计分析;影响因素;防治措施;
基金：安徽省交通运输科技进步计划项目，项目编号201839;安徽省交通控股集团有限公司科技项目，项目编号AHJK-养-2019-0001;国家自然科学基金项目，项目编号51878077;湖南省研究生科研创新项目，项目编号CX20200824;
截至2020年底，我国高速公路通车总里程达16.10万km[1]。随着高速公路不断向丘陵和山区延伸，使得山区高速公路的边坡数量日益庞大，而服役边坡的稳定性直接影响着山区高速公路的营运安全和管养成本。以安徽省2015年～2018年山区营运高速公路为例，雨季发生的边坡严重病害达百余处，仅2016年严重损坏的边坡修复费用就高达千万元。因此，有必要对服役边坡的典型病害及防治措施进行调研分析，以指导边坡的管养及防灾减灾。
边坡病害的发生受到多种因素的综合作用，针对边坡破坏、稳定性和治理等问题，境内外已开展了大量研究与实践[2]。Zhang等[3]研究了土质边坡破坏行为与机理；张江伟等[4]通过梳理边坡的重大滑坡事件，将降雨和地震归为影响边坡稳定性的主要外因；Guan等[5]基于图论理论，建立了边坡稳定相关参数之间的关系；Mukhlisin等[6]探讨了裂隙对边坡稳定性的影响；徐伟等[7]的研究表明，施工质量对服役边坡稳定性影响较大；Pan等[8]分析了随机地震边坡稳定性，结果显示边坡位移对地震动的强度和持续时间比频谱更敏感；乔建刚等[9]调研表明，土石边坡失稳主要是由于降雨等因素而导致；李帅等[10]的研究表明，在大雨易发地区，仅用系统锚杆加固措施不能保障边坡的安全性；赵思奕等[11]针对膨胀土边坡的浅层牵引式崩塌进行了模拟分析；罗路广等[12]的研究显示，地震因素和地形地貌是控制地震滑坡的主要因素。总体上，现有研究或侧重于边坡破坏机理分析，或针对某一类破坏形式，通过理论分析、数值模拟、模型试验及不确定性分析，选定岩土力学参数等主要影响因素来模拟分析边坡稳定性，并取得了良好的效果。然而，由于受到分析模型和方法自身假设条件等的限制，无法真实地模拟服役边坡在多因素综合影响下的稳定性衰变，也较难适用于边坡长期稳定性与处治技术的指导。
考虑到高速公路随着运营年限的增长，沿线服役边坡会产生严重程度不一的病害；同时，我国高速公路建设已有30多年的历史，有关边坡的病害处治也有多年的实践经验，但是仍缺乏对公路边坡养护及历史信息的深入研究。为此，依托安徽省大别山区和皖南山区多条营运高速公路，通过现场典型边坡调研及历史资料收集，对山区高速公路服役边坡病害的主要类型、影响因素及典型防治措施进行统计分析，以期为同类边坡的设计、施工及养护防治提供参考借鉴。
1 服役边坡主要病害类型为便于分析，在统计边坡历史病害信息时，将同一处边坡不同时期发生的病害视为不同的病害。同时，对于路堑边坡，根据安徽省山区地质条件、地层构造特点及外露边坡岩土体结构组成，参考土石混合体分类的相关研究，结合实际覆盖层厚度，将路堑边坡分为岩质边坡和土质边坡两类，其中土石二元结构边坡及土石混合质边坡并入土质边坡一起考虑；而发生病害的路堤边坡均为土质边坡。据此，于2015年～2020年对安徽省大别山区和皖南山区9条营运高速公路典型服役边坡的技术状况进行了现场调研和回访，并对历史病害信息进行统计。病害共计69处，其中路堑边坡43处，路堤边坡26处。
1.1路堑边坡调研结果表明，路堑岩质边坡的典型病害主要有表层风化层溜塌、支护设施局部损坏和崩塌等，通常是由于地下水沿风化层下部的基岩面流动而引起的，如图1所示；路堑土质边坡的典型病害主要有浅层土体滑塌、支护设施局部损坏和崩塌等，大多是边坡上已有的岩土体等坡积物因质地松散，当遇雨水浸湿、冲刷时发生的，如图2所示。
图1 路堑岩质边坡典型病害 下载原图
图2 路堑土质边坡典型病害 下载原图
1.2路堤边坡路堤土质边坡的主要病害有浅层土体局部冲刷溜塌，路堤或路肩重力式挡墙局部鼓胀、外倾或倾倒，以及边坡对应路面通长纵向开裂等，如图3所示。
图3 路堤土质边坡典型病害 下载原图
总体上，路堑土质、风化岩层复合高边坡的临空面及坡面汇水面积较大，防护结构老化，受雨季降雨入渗的影响，浅层土压力增加，抗剪强度降低，坡面排水不畅，坡脚积水软化，进而发生浅层滑塌、支护设施局部损坏和崩塌等病害；路堑岩质边坡外露岩体表层受风化作用，强度衰减，降雨入渗、冲刷，使得坡体抗水平推力的能力不足，进而发生失稳病害；高填方路堤挡墙边坡受雨水入渗影响，使得墙背土压力增大，而挡墙由于营运期限较长、排水不畅、抗剪强度衰减，进而发生局部破坏或崩塌等病害。
2 服役边坡病害影响因素分析安徽省大别山区和皖南山区均处于淮河以南的亚热带湿润季风气候区，夏季降水丰沛，呈南多北少及山区多、平原丘陵少的特点，相应的山区高速公路服役边坡在长时间、大降雨量的气候环境因素作用下，坡体岩土质易受雨水、风化影响，加之人为造成的质量缺陷及行车荷载作用等，导致边坡局部产生溜塌、滑塌及支护设施破坏等病害问题。通过调查分析，安徽省山区高速公路服役边坡病害的主要影响因素有环境因素、坡体岩土质因素、坡体结构因素和人为因素等4个方面。
2.1环境因素统计边坡病害发生的时间分布规律，可以分析不同气候环境条件对边坡病害的影响。由此，得到安徽省山区高速公路69处典型服役边坡病害发生的月份分布统计结果如表1所示。显然，病害发生的时间主要集中在6月、7月、8月等3个月份，其边坡病害发生率占75.35%,且7月最高，达46.37%。
表1 不同月份服役边坡病害发生频数统计 导出到EXCEL
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月份 |
1月 |
2月 |
3月 |
4月 |
5月 |
6月 |
7月 |
8月 |
9月 |
10月 |
11月 |
12月 |
|
频数/次 |
1 |
5 |
1 |
5 |
2 |
7 |
32 |
13 |
0 |
3 |
0 |
0 |
|
比例/% |
1.45 |
7.25 |
1.45 |
7.25 |
2.90 |
10.14 |
46.37 |
18.84 |
0.00 |
4.35 |
0.00 |
0.00 |
安徽省的年降水量在750～1 700 mm之间，多年平均降水量约为995.3 mm,每年的6月～8月为山区全年降水量最多的梅雨季节。受雨季降水影响，特别是降雨量越大、降雨时间越长，边坡岩土体经受坡面径流的冲刷时间就越长，容易导致边坡产生浅表坡体滑塌等病害；同时，持续的降雨渗入边坡，还会对边坡岩土体产生一定的切割作用，加之风化、温度、干湿循环和冻融循环等环境因素的影响，导致坡体抗剪强度降低，进而产生浅层坡体滑坍、支护设施局部损坏和崩塌等病害。因此，降雨是服役边坡失稳病害频发的主要外因，应对山区高速公路服役边坡采取完善的坡面截水、排水、防水及设置支护结构等养护措施，以有效减少滑塌和崩塌等病害的发生。
2.2坡体岩土质因素统计边坡病害在不同岩土质条件下的分布规律，可以分析岩土质对边坡稳定性的影响。其中大别山区岩土质以花岗片麻岩及其风化砂土为主，而皖南山区岩土质复杂多变，多为泥质或变质粉砂岩及其风化产物。根据调研结果统计，路堑岩质、土质边坡及路堤土质边坡的病害发生率分别为10.15%(7处)、52.17%(36处)和37.68%(26处)。由此可知，路堑边坡的病害发生率是路堤边坡的1.65倍；路堑土质边坡的病害发生率占路堑边坡病害总数的83.71%,是路堑岩质边坡的5.14倍。
调研表明，路堑土质边坡的病害多发生于二元结构边坡，如土质二元边坡、土石二元边坡。土质二元边坡的相邻两层土体性质差异较大，受地震和降雨等外界因素的影响，容易引发边坡的失稳病害；土石二元结构常见于山区与丘陵区的高速公路边坡，易受气象条件影响而演变成滑坡等灾害。安徽省山区高速公路服役边坡岩土质的二元结构大多为上覆残坡积层、下伏风化基岩的土石边坡，由于其土石界面就是天然滑动面，当浅层土体具有一定的膨胀性或较为松散时，坡面植被发育一般，加之降水影响，边坡裂隙发育，抗剪强度减弱，容易导致浅层土体滑塌等病害的发生。
2.3坡体结构因素边坡坡体结构包括几何形态、支护结构和排水设施。根据调研结果，将边坡高度作为边坡几何形态的主要因素，边坡支护结构包括坡面防护和支挡工程，边坡排水设施包括各种防水、截水和排水设施。统计边坡病害的空间分布规律，可以分析坡体结构特点对边坡病害的影响。参考边坡的构成要素，边坡坡体结构组成划分如表2所示。据此，依据《在役公路边坡工程风险评价技术规程》(T/CECS G: E70-01-2019),按不同坡高统计的边坡病害发生频次如表3和表4所示；按边坡整体结构统计坡脚、坡腰和坡顶3个部位的病害分布如表5所示，其中当2个及以上部位同时发生病害时独立统计，相应的边坡病害包括坡体、各种支护和排水设施的损坏。
从表3～表5可以看出，坡高在10～20 m范围内的土质边坡病害发生率较高，为42.03%,且坡高在6～20 m之间的病害发生率高达68.11%。此类高度的土质边坡在设计施工期间，往往直接套用标准图而未采取深化防治措施，故未来有必要予以加强；同时，路堑边坡发生整体病害的频率最高，为26.09%,表明路堑边坡发生病害的范围一般较大。在统计的69处典型边坡病害中，坡脚、坡腰和坡顶部位发生病害共计142次，发生频率分别为26.06%(37次)、42.25%(60次)和31.69%(45次),显然边坡的坡腰部位病害更为频发。
表2 边坡坡体结构组成 导出到EXCEL
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坡体位置 |
路堑边坡 |
路堤边坡 |
|
坡顶 |
边坡顶面、坡肩；山坡挡墙等支护设施；坡顶截水沟等坡顶防、截、排水设施。 |
对应半幅路面、路肩部位。 |
|
坡腰 |
坡趾以上至坡肩以下部位，或多级边坡的一级边坡坡顶以上至坡肩以下部位；护坡、挡土墙、框架梁等支护设施；急流槽、平台截水沟、仰斜式排水孔等坡面防、截、排水设施。 |
坡趾以上至路肩以下部位，或多级边坡的最下一级边坡坡顶以上及路肩以下部位；护面墙、墙面勾缝、路堤或路肩挡墙等支护设施；急流槽、涵洞、仰斜式排水孔等坡面防、截、排水设施。 |
|
坡脚 |
坡趾以下至坡底部位，或多级边坡的一级边坡及以下至坡底部位；坡脚矮挡墙等支护设施；路基边沟、盲沟等坡脚防、截、排水设施。 |
坡趾以下至坡底部位，或多级边坡的最下一级边坡及以下至坡底部位；护脚矮挡墙、导流矮挡墙等支护设施；路基排水沟等坡脚防、截、排水设施。 |
表3 不同坡高服役土质边坡病害发生频数统计 导出到EXCEL
|
坡高/m |
≤ 6 |
6～10 |
10～20 |
20～40 |
> 40 | |
|
路堑土质边坡 |
频数/次 |
9 |
11 |
12 |
4 |
0 |
|
比例/% |
13.04 |
15.94 |
17.39 |
5.80 |
0.00 | |
|
路堤土质边坡 |
频数/次 |
1 |
7 |
17 |
1 |
0 |
|
比例/% |
1.45 |
10.14 |
24.64 |
1.45 |
0.00 | |
表4 不同坡高服役岩质边坡病害发生频数统计 导出到EXCEL
|
坡高/m |
≤ 8 |
8～15 |
15～30 |
30～60 |
> 60 | |
|
路堑岩质边坡 |
频数/次 |
0 |
2 |
4 |
1 |
0 |
|
比例/% |
0.00 |
2.90 |
5.80 |
1.45 |
0.00 | |
表5 不同坡体部位服役边坡病害发生频数统计 导出到EXCEL
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坡体位置 |
坡脚 |
坡腰 |
坡顶 |
坡腰坡脚 |
坡腰坡顶 |
整体 | |
|
路堑边坡 |
频数/次 |
0 |
9 |
0 |
7 |
9 |
18 |
|
比例/% |
0.00 |
13.04 |
0.00 |
10.14 |
13.04 |
26.09 | |
|
路堤边坡 |
频数/次 |
5 |
1 |
4 |
2 |
9 |
5 |
|
比例/% |
7.25 |
1.45 |
5.80 |
2.90 |
13.04 |
7.25 | |
实际上，当边坡较高、坡腰处坡度较平缓、坡面汇水面积较大时，受暴雨影响，局部冲刷力增大，极易发生坡面积水、下渗，从而导致边坡稳定性不足而引发局部坡面滑塌等病害。服役边坡坡体结构病害的发展是一个渐进的过程，通过定期巡检与各种检测手段一般能及时发现，但如果不予重视并及时处治，会对边坡支护结构以及整体稳定性造成不利影响。此外，边坡服役时间越长，较高的湿度和温差容易导致边坡支护结构的钢筋锈蚀和混凝土劣化，影响其耐久性，造成防护能力和承载能力退化与下降，从而过早失效，缩短其服役寿命。
2.4人为因素人为干扰也是导致边坡失稳的重要影响因素。人为因素导致的边坡整体或局部质量缺陷，随着时间的推移，受坡体内外部因素的影响，使得边坡的耐久性和支护结构的承载力达不到设计要求，从而导致边坡病害的发生。比如，不合理的高速公路选线方案、边坡坡率、防护结构与排水设计、施工组织设计与方法，以及沿线植被的人为破坏、行车荷载作用等，都会降低边坡的稳定性，进而导致病害产生。
勘察设计、施工与管养工作对高速公路服役边坡的质量保证都十分重要。由于地质条件的隐蔽性或者勘察不细致、设计周期短等，使得设计方案不合理或边坡安全系数计算有误，易导致设计的支护措施过多，或者设计的抗剪强度不足以抵抗实际土压力，使得边坡发生变形、滑塌等病害；施工工艺的合理性对边坡稳定性的影响也很大，在实际施工过程中，常会出现超欠挖、赶工期、病害处治不到位、衬砌背后回填不密实或存在空洞、浆砌片石衬砌砂浆不饱满等不规范行为，进而导致边坡质量缺陷和承载力不足；山区高速公路通常布设于人口密度相对较低的位置，高填、深挖较多，日常养护管理较为困难，也是造成服役边坡出现各种病害的重要原因；此外，尤其是对于路堤边坡，路堤顶面的竖向沉降随行车荷载的增加而增大，由于行车荷载具有瞬时性、长期性及重复性等特点，行车荷载越大，路堤边坡越趋于不稳定。
3 服役边坡病害典型防治措施针对前述安徽省山区高速公路服役边坡的典型病害、成因及主要影响因素，管养部门采取了多种针对性的防治措施，并取得了良好的处治效果。据此统计得到多年来服役边坡病害的典型防治措施如表6 所示。
由表6可知，安徽省山区高速公路服役边坡病害的典型防治措施有：路堑边坡主要采取增设坡脚矮挡墙、锚杆挂网喷混和预应力锚杆框架梁的处治方式，路堤挡墙边坡主要采取增设体外扶壁墙及墙面预应力锚杆网格梁的加固方式。针对坡脚用地受限的边坡病害，通过增设预应力锚杆框架梁并配合防排水设施、坡面植被防护的措施进行恢复与完善，既能缩短养护工期，又能节约养护成本，同时兼顾了环境友好；对于坡面易受冲刷影响的路堑边坡，可在刷坡卸载的基础上，增设坡脚/平台挡墙 预应力锚杆框架梁加固，坡面配合植生袋绿化，以提高边坡稳定性；针对坡脚用地不受限、挡墙稳定性不足的路堤边坡病害，通过增设微型钢管桩或废旧护栏立柱联合扶壁墙加固的处治措施，可充分发挥废旧材料使用价值，并增强扶壁结构的强度和稳定性。
4 结语为确定合理的服役边坡养护防治对策，通过对安徽省山区营运高速公路2015年～2020年的 69处典型边坡病害及防治进行调研统计，分析了服役边坡病害的主要影响因素及典型防治措施，得到以下主要结论。
(1)路堑边坡的常见病害主要有浅层土体滑塌、局部表层风化层溜塌、支护设施局部损坏和崩塌等，路堤边坡的常见病害主要有浅层坡体局部冲刷溜塌、重力式挡墙局部破坏并伴随路面纵向开裂等。
(2)服役边坡病害的主要影响因素包括环境、坡体岩土质、坡体结构和人为等4个方面，时间上主要分布在每年的6月～8月的梅雨季节，病害发生率高达75.35%,具有明显的雨季特征；在空间分布上，坡腰部位病害发生率达42.25%,呈现坡腰病害频发的特点；路堑边坡的病害发生率是土质路堤边坡的1.65倍，说明路堑边坡更容易发生各种病害。因此，雨季和强降雨的气候环境是引发服役边坡病害的最主要诱因，设计和建养过程中的不规范行为及行车荷载作用等人为因素也是重要诱因。
(3)对于服役边坡的典型病害防治，路堑边坡主要采用锚杆(索) 框架梁、锚杆挂网喷混及坡体卸载 坡脚矮挡墙等措施进行处治，而路堤重力式挡墙边坡主要采用增设体外扶壁墙及墙面预应力锚杆网格梁等措施进行加固。
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