近年来，随着高速公路建设不断向复杂艰险山区快速推进，路基高填深挖不可避免，在建设过程中，受开挖卸荷和大气降雨等因素影响，滑坡等地质灾害频发，尤其是在地质条件复杂、构造活动强烈的高山峡谷地区，严重制约了工程建设并对交通运营安全造成了巨大威胁。专家学者针对山区道路工程边坡地质病害治理开展了大量研究工作，并取得了积极的进展。

Deng等^[1]以三峡库区典型红层软岩与砂岩边坡为对象，研究了岩质边坡力学参数劣化规律与岩样的水解机理，为水岩作用下三峡库区边坡稳定性研究提供了基础。Zhou等^[2]开展了节理、水和微震耦合作用下岩体损伤机理分析，建立了岩体损伤分析方法。Mu等^[3]以青海省某黄土-泥岩滑坡为例，研究了降雨入渗诱发滑坡的变形机制。Zhang等^[4]采用野外调查、遥感解译、地质填图、钻井勘探和横波速度试验等方法，研究了甘肃省天水地区滑坡的分布和破坏特征，建立了天水区域滑坡数据库，分析了该地区大型滑坡的形成机理和运动特征。魏家旭等^[5]采用现场调查和机理分析的方法对香丽高速公路K39顺层滑坡进行研究，分析了病害产生的原因和诱发因素，最终提出了钢花管控制注浆的加固整治方案；廖小平等^[6]等以岩羊村滑坡为研究对象，通过现场调查与数值计算分析了高速公路建设路堑开挖诱发古老滑坡体的复活机制，评价了整治工程的作用效果；杜文杰等^[7]以香丽高速公路沿线的K92岩羊村滑坡作为依托工程，开展了滑坡动力稳定性评价及失稳机制研究，揭示了滑坡失稳的触发机制，其分析方法采用数值计算方法；靳静等^[8]采用定性分析与现场监测对保涞公路K4段滑坡进行了详细勘察，提出了削坡与锚固工程相结合的综合治理措施，取得了良好的整治效果；成永刚^[9]采用Geoslope软件建立数值计算模型，依托长晋高速公路某区段顺层滑坡，实现了对该滑坡从初始开挖到最终加固全过程模拟，同时通过对坡体适时状态监测结果的分析处理，进一步实现了对边坡的动态化管理；白永健等^[10]以川藏铁路茶树山滑坡为对象，采用3DEC数值分析系统地研究了滑坡的变形特性和影响因素，并深入分析了该滑坡的变形破坏机理，得出了由倾倒拉裂到蠕滑复合的滑坡成因机制；罗从双^[11]以山岭区某高速工程建设过程中发生的滑坡灾害为例，通过有限元软件实现了对该边坡降雨入渗、应力耦合的稳定性模拟，对滑坡的形成过程进行了反演分析；贺为民等^[12]基于边坡稳定性反分析方法，采用极限平衡法和FLAC3D数值计算方法分别对豫西高速公路滑坡进行了稳定性验算，得到了在选取饱和与非饱和状态岩土参数条件下边坡的剪应变增量及位移量产生较大变化的结果，解释了降雨入渗致使岩土体强度降低是造成该边坡失稳的直接因素。

综合来看，国内外专家学者通过定性分析、理论推导和数值计算等方法^[13-18]对高速公路路堑边坡滑坡进行了分析研究。然而针对暴雨与路堑开挖耦合作用下边坡滑坡全过程灾变机制研究成果较少。本研究依托滇西北某高速公路滑坡，采用宏观迹象调查、滑坡现状稳定性评价、滑带强度指标反算与数值计算相结合的方法对路堑边坡开挖诱发滑坡的灾变全过程进行了系统研究，分析了边坡的灾变机制，提出了治理工程方案，并评价了整治工程效果。研究成果可为类似高陡路堑边坡设计计算与病害治理提供借鉴与参考。

本研究滑坡位于滇西北地区，地貌类型属于构造侵蚀、剥蚀中高山地貌。地形起伏较小，相对高差最大为90 m，地面高程分布在2 126~2 216 m。自然斜坡上陡下缓，整体呈北东高、南西低地势。场区斜坡覆盖层为第四系粉质黏土和碎石土。下伏基岩主要为二叠系强风化至中风化玄武岩，揭露产状顺倾大里程向226°∠34°。滑坡发育于覆盖层中，滑坡滑动方向基本与线路垂直，整体滑动方向为275°。

2016年本研究路段原设计以开挖4级路堑边坡方式从自然斜坡中部通过。2017年7月初路堑边坡开挖完成，并已实施完第3级和第4级锚杆框架。2017年7月5日至11日该地出现持续强降雨，期间大量地表水入渗至坡体内部。降雨后经现场调查发现，该段边坡坡面出现严重变形，上部已完成施工的锚杆框架已全部破坏，边坡沿坡脚剪出，后部山体出现贯通拉裂缝。为防止滑坡规模进一步扩大及减少降雨下渗对坡体影响，立即对滑坡裂缝进行了覆盖，并变更了设计方案，采用刷方卸载、预应力锚索抗滑桩和预应力锚索框架加固的方案。施工完成后，坡体变形得到遏制。

经综合调查发现，该滑坡整体上呈圈椅状，后缘分布山顶林地缓坡平台，滑坡周界清晰、后缘贯通下挫明显，拉张裂缝宽为1~2 m，可见下错深度为3~4 m，滑坡后部与滑坡后壁呈现凹地形态，滑坡体上植被倾倒破坏。侧界剪切裂缝宽为0.5~1.5 m，可见深度为2~3 m，滑坡前缘鼓丘，自线路路基山侧剪出。滑坡长为209 m，前缘宽为222 m，滑坡面积为4×10⁴ m²，滑坡滑带为上覆第四系粉质黏土和碎石土与下伏基岩的交界面，厚度为15~22 m，平均厚度为18 m，体积约为48×10⁴ m³。属中型堆积层滑坡。经专家现场评估该段边坡已处于不稳定状态，稳定系数为0.97~0.99。工程地质平面图和断面图(K87+852断面)如图 1所示。

图 1 滑坡工程地质图 Fig. 1 Landslide engineering geological map

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为真实有效地反演分析滑坡变形过程并提出适宜的整治加固方案，根据勘察设计资料并结合现场调查结果，按原地貌特征根据典型工程地质断面采用RS2有限元软件对滑坡断面进一步延长，建立二维平面应变数值计算模型(见图 2)。

图 2 滑坡数值计算模型 Fig. 2 Landslide numerical calculation model

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根据现场实际情况，坡体模型地层自下而上依次建立为中风化玄武岩、强风化玄武岩、碎石土和粉质黏土。模型边界条件为底部x向、y向零位移，两侧y向零位移。考虑土体本构关系对边坡变形影响，数值计算采用弹塑性Mohr-Coulomb本构模型。该滑坡滑带主要为强风化玄武岩顶面，采用节理单元在强风化玄武岩顶面模拟潜在滑动面，并根据不同位置按上中下分为3段。数值模拟采用三角形网格单元建模，网格单元在边坡坡面附近进行了加密，整个模型划分网格单元3 465个，节理单元7 183个，节理单元在各岩层界面进行了局部加密。

本研究数值计算模型与现场实际地层情况相同，边界条件与现场实际情况相符。现场宏观迹象表明，本次滑坡滑动面为强风化玄武岩顶面(土岩界面)，数值模拟中采用节理单元在强风化玄武岩顶面模拟潜在滑动面与实际情况略有差距，但是可表征本次滑坡的诱发机理。所以，本次数值模型的假设条件、局限性及其对结果产生的影响较小。滑坡岩土体采用室内试验确定，其物理力学参数如表 1所示。

根据该滑坡宏观迹象调查结果，滑带为上覆第四系粉质黏土和碎石土与下伏基岩的交界面，滑坡整个滑带内粗粒含量较多，颗粒组成不均，各处含水状态不一。结合该滑坡相关原位剪切试验成果、稳定状态反分析方法等综合确定滑动面力学参数，滑面土的黏聚力为16 kPa，利用RS2有限元软件反算其内摩擦角为35°，其力学参数如表 2所示。

根据建立的数值模型及滑动面力学参数反算结果进一步分析该滑坡灾变过程。其中降雨对边坡的影响通过折减岩土体和潜在滑动面参数综合考虑，降雨入渗由上至下地层参数采用同步折减原则，折减系数为0.8。

采用数值计软件对边坡原始稳定状态进行计算，稳定系数为1.23，边坡处于稳定状态，这与宏观迹象该边坡在高速公路建设前历经多年未发现任何变形和破坏相符。

基于廖小平等^[6]的研究成果，通过分析研究开挖过程中的大主应力增量变化，揭示边坡开挖卸荷的应力调整变化规律。边坡开挖过程中的大主应力增量云图见图 3。由图 3(a)可以看出，路堑边坡开挖至2级时，坡体应力场调整变化。坡脚局部出现应力集中现象，路基表面与斜坡上部浅表层出现应力松弛现象。这是由于路堑边坡开挖后坡脚暴露于临空面，剪应力集聚出现应力集中现象；而路堑边坡开挖过程中，卸荷造成坡体自重应力释放，边坡侧向应力解除，所以出现斜坡上部浅表层出现应力松弛现象。

图 3 路堑边坡开挖过程中的大主应力增量云图 Fig. 3 Cloud maps of major principal stress variation during road cutting slope excavation

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由图 3(b)可见，路堑边坡开挖至3级时，坡体应力场继续调整，在1级坡和2级坡中上部浅表层形成明显的应力松弛区。路基面附近受开挖卸荷影响，路基下方在强风化玄武岩顶面(土岩界面)附近同样出现应力松弛区。在边坡坡表(卸荷松弛区)和路基面均形成卸荷回弹区；1级边坡应力松弛区左下侧强风化玄武岩顶面(土岩界面)出现一个应力集中区，集中区的范围沿斜坡开挖坡脚向上发展，最大值出现在坡脚局部范围。由此，受开挖卸荷影响，路堑边坡第1~3级开挖面浅表层形成一个贯通的应力松弛区，而在坡体内部沿强风化玄武岩顶面(土岩界面)形成一个应力集中带。

不同路堑边坡开挖阶段塑性区形成和发育云图如图 4所示。由图 4(a)可见，边坡开挖2级后，坡面松弛，坡体局部受拉进入屈服变形阶段，在2级边坡坡脚和3级坡顶部未开挖区域出现了明显的塑性变形区。由图 4(b)可以看出，当边坡开挖至第3级后，塑性变形区范围不断扩大，在边坡浅表层逐渐贯通，并在坡脚强风化玄武岩顶面附近同样形成塑性区，塑性区沿基岩顶面向上延伸。这与图 3(b)所展示的应力松弛区与应力集中带基本吻合。这是因为路堑边坡开挖卸荷过程中应力发生调整转移，岩土体发生屈服变形。在开挖面附近岩土体因不能承载而产生的塑性屈服，所以在应力松弛区形成了塑性区；而在应力集中带，因岩土体承受系统的主要荷载，体现出较高的应力水平和明显的变形，所以在应力集中带同样形成塑性区。

图 4 路堑边坡开挖2级后塑性区云图 Fig. 4 Cloud maps of plastic zone after road cutting slope excavation level 2

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路堑边坡开挖最大剪应变云图如图 5所示。根据数值计算结果，开挖第1级边坡后，边坡变形主要为坡面浅表层松弛和路基回弹变形；开挖第2级后，如图 5(a)所示，剪应变集中于坡脚，呈逐步增大趋势，与图 4(a)塑性区发展趋势相对应，依附玄武岩顶面(土岩界面)产生剪切变形带；开挖第3级后，如图 5(b)所示, 剪应变进一步增大，变形沿玄武岩顶面向上牵引发展，坡体内潜在滑裂面(强风化玄武岩顶面)形成并贯通，并沿潜在滑裂面产生较大的滑动变形。经强度折减计算其稳定系数为1.14，边坡处于蠕动变形阶段。

图 5 路堑边坡开挖后最大剪应变云图 Fig. 5 Cloud maps of maximum shear strain after road cutting slope excavation

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在实际边坡开挖过程中，边坡开挖至线路标高的基础高度后，进入雨季并受到降雨的影响才发生变形。因此，为了反演分析和再现滑坡变形过程，降雨作用在边坡开挖完成后施加，此时边坡失稳滑动，即高陡路堑边坡滑坡后缘拉裂缝贯通下错，滑坡整体滑移剪出。经强度折减计算，此时的稳定系数为0.99，边坡处于滑动阶段，其数值计算结果与实际情况相符。降雨作用下最大剪应变云图和边坡水平位移云图如图 6所示。

图 6 降雨作用下最大剪应变云图和边坡水平位移云图 Fig. 6 Cloud maps of maximum shear strain and slope horizontal displacement under rainfall

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通过上述分析并结合宏观迹象调查结果可知，该斜坡在自然条件下处于稳定状态。受路堑边坡施工开挖卸荷影响，在路堑边坡浅表层、坡脚附近及斜坡基岩顶面附近发生岩土体塑性屈服。在路堑边坡开挖后，受短期强降雨作用，使边坡上覆松散土体浸水软化，强度降低，路堑边坡坡面首先出现变形破坏，原施做锚杆框架梁全部破坏，产生路堑边坡滑坡灾害。然后在持续降雨入渗影响下，上覆土体强度进一步降低，自然山体后侧拉裂缝和内部滑动面贯通，最终诱发自然山体产生大规模山体滑坡，后缘拉裂下挫形成凹地，前缘沿坡脚剪出。数值计算结果与实际情况相符。

分析滑坡灾变演化过程，首先分析滑坡诱发因素。根据工程勘察资料和宏观迹象调查结果分析滑坡诱发因素如下。

(1) 不利的坡体结构

该滑坡场区位于金沙江右岸，地质构造复杂，线路与龙蟠-乔后断裂、冲江河活动性断裂并行，活跃的构造活动对使得线路所在斜坡的上部地层为第四系全新统粉质黏土、碎石土，土体松散，孔隙较大，渗透性较强。在持续降雨作用下，上覆岩土体浸水饱和，重度增加，为滑坡的形成提供了物质基础。

(2) 路堑边坡施工开挖卸荷作用

受路堑边坡施工开挖卸荷影响，该段边坡坡体原有应力场平衡发生变化。一方面在边坡浅表面形成了贯通的应力松弛区，导致松弛区内坡体的岩土体强度降低，首先进入屈服，为降雨入渗提供了优势通道，加剧岩土体强度的进一步劣化；另一方面在强风化玄武岩顶面(土岩界面)形成了应力集中带，并逐渐扩展直至贯通，形成了潜在滑裂面。同时在堑坡坡脚附近形成应力集中区，加剧了堆积层沿基岩顶面的蠕动变形，后缘拉张裂缝逐渐形成并发育。此外，路堑边坡削弱坡脚支撑形成了有效临空面，由于未采取开挖一级支护一级的措施，为滑坡的发生提供有利时间条件。

(3) 大气降雨影响

2017年7月5日至11日该地出现持续强降雨，地表水下渗，使坡体含水量增加、容重增大，自重应力随之增加，滑坡下滑力增大。同时下伏强-中风化玄武岩揭露裂隙发育，岩体破碎，强度低，相对隔水性较好，在地表水入渗至基岩顶面时，软化其附近的岩土体，导致基岩顶面附近岩土体的强度降低，滑坡抗滑力减小，加剧边坡的失稳滑动。

综合来看，该滑坡是多重因素共同作用引起的，不利坡体结构是引起滑坡的核心因素，路堑边坡的开挖卸荷作用和外界持续降雨是诱发滑坡产生的主要原因。

基于上述路堑边坡施工开挖卸荷特点、滑带岩土破坏规律及滑坡诱发因素分析，该滑坡的灾变演化过程机理分析为：该路堑边坡开挖至2级后，坡体应力场发生调整变化，坡体中上部浅表层与路基下部土岩界面处出现应力松弛现象，坡脚局部出现应力集中现象。随路堑边坡开挖逐级进行，应力松弛区和应力集中区向上和向下扩大，最终形成了坡体浅表层贯通松弛区和沿强风化玄武岩顶面(土岩界面)应力集中带并逐渐转化为塑性区。

边坡开挖至3级后，坡体应力场进一步调整，塑性区发展延伸，在自然斜坡顶部开口线局部多处出现受拉塑性区。路堑边坡坡体内逐步形成沿强风化玄武岩顶面(土岩界面)贯通的潜在滑裂面。

持续强降雨作用后，地表水下渗，坡体重量增加，下滑力增大。同时地表水下渗至强风化玄武岩顶面时，软化基岩顶面附近岩土体，导致其抗剪强度降低，抗滑力减小。开挖边坡浅表层应力松弛区和坡面下部潜在滑裂面发生屈服变形，并不断向上牵引发展和向下推挤扩大直至贯通，自然山体后侧拉裂缝和内部滑动面贯通。最终诱发自然山体产生大规模山体滑坡。滑坡后缘拉裂下挫形成凹地，前缘沿坡脚剪出。

病害发生后，根据滑坡区域的工程地质条件和滑坡形成的核心因素对该滑坡变更了原设计的抗滑桩、锚杆框架治理措施。采用了多级刷方卸载、锚索框架梁、锚索抗滑桩和截排水沟等综合治理措施。多级刷方卸载的作用主要体现为减轻滑坡体质量，减小下滑力；锚索框架梁和锚索抗滑桩的布置遵循了滑坡治理“强腰固脚”的原则，采用锚索框架梁将滑坡体中部(腰部)进行锁定，锚索抗滑桩在坡脚对坡体进行固定，如此便将坡体开挖卸荷作用引起的坡体应力场调整转移至锚索框架梁和锚索抗滑桩的受力上；截排水沟则是将滑坡体外地表水进行治理，减少地表水对滑坡体的浸泡；疏水孔则是将滑坡体内的地下水进行疏排，降低滑坡体内的地下水位，减小对滑带岩土体的浸泡作用，由此将大幅降低强降雨对坡体的影响。

具体措施在路基左侧第1级边坡设置1排2.0 m× 2.5 m桩板墙，桩间距设置为5 m，桩长16 m，悬臂段长度为6 m；边坡从第1级抗滑桩后至从滑坡后缘凹地，按1:1~1:2坡率放坡，设置6个2~8 m的宽平台，清除滑坡体上部的覆盖层，最终形成11级路堑高边坡，第2~10级单级边坡高8 m；在第4级宽平台内设置锚索抗滑桩，抗滑桩尺寸为2 m×3 m，桩长为32 m，桩间距为6 m，锚索长度为32 m，设计预应力为700 kN；在第2级和第9~11级边坡设置预应力锚索框架梁，间距为4 m，锚索长度第2级下两排为26 m，上两排为30 m，第9~11级长度均为30 m，设计预应力为500 kN；滑坡周界外侧(10 m外)稳定区域设置浆砌截水沟和排水沟，防止地表水流入滑坡体；滑坡后缘及滑坡体裂缝采用黏土填塞并碾压密实，防止雨水下渗滑体；地下水出露较密集部位，设置疏干孔，孔深为10~15 m。

该整治工程技术难点为锚固工程，因锚固工程为地下隐蔽工程，其工程质量与施工技术密切相关，对锚固工程施工队伍的专业技术水平要求较高。其解决方案为挑选具有相应施工技术和施工经验及有信誉的施工队伍，加强施工质量监督与管理，严格执行有关锚固工程施工与验收技术规范和质量检验评定标准，确保边坡稳定和结构安全。该整治工程总造价约为1 087.72万元，原设计总造价约为1 330.12万元，节省投资242.4万元。整治工程设计方案施工简便、快速，造价有优势，安全可靠。

按图 1(b)典型工程断面图建立了滑坡现状地貌的数值计算模型，并按照设计要求逐级设置抗滑支挡，滑坡整治工程断面图如图 7所示。

图 7 滑坡整治工程断面图(单位: m) Fig. 7 Section diagram of landslide remediation engineering(unit: m)

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经强度折减计算，边坡在自然工况下稳定系数为1.4，处于稳定状态，满足工程设计需要。滑坡治理后最大剪应变云图如图 8所示。

图 8 滑坡治理后最大剪应变云图 Fig. 8 Cloud map of maximum shear strain after landslide remediation

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为保证防护措施的合理和稳定，进一步对滑坡经治理后非正常工况Ⅰ(暴雨作用)和非正常工况Ⅱ(地震作用)进行了数值计算分析。工况1是按照强度折减法考虑，折减系数为0.8。工况Ⅱ是按照当地地震烈度(8度)，考虑增加了地震加速度，只考虑水平地震作用，水平向地震加速度为0.2 g。边界条件设定与原始条件一致，模型底部x向和y向零位移，两侧y向零位移。

针对考虑暴雨作用，工况Ⅰ下最大剪应变云图如图 9(a)所示，在非正常工况Ⅰ的稳定系数为1.37，处于稳定状态。考虑地震作用，工况Ⅱ下最大剪应变云图如图 9(b)所示，在非正常工况Ⅱ的稳定系数为1.21，处于稳定状态。所以，该滑坡整治工程设计方案可以满足工程需要。

图 9 暴雨和地震工况下最大剪应变云图 Fig. 9 Cloud maps of maximum shear strain under rainstorm and earthquake

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在对该滑坡变形宏观迹象调查的基础上，将灾害发展演化过程及多阶段工程整治进程进行分阶段全过程数值模拟反演分析，研究路堑边坡应力松弛、塑性区分布扩展特点和最大剪应变发展趋势，采用强度折减法计算稳定系数变化过程。整个滑坡的演变与整治工程可分为起始、路堑开挖、变形破坏(强降雨)、工程整治4个主要工程阶段，数值分析相应地共分为10个工程对策时步。各时步坡体稳定性状态如图 10所示。

图 10 滑坡整治工程对策各时步稳定性状态 Fig. 10 Stability status of landslide control engineering countermeasures over each period

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由图 10可以看出，起始阶段坡体稳定系数为1.23，处于稳定状态，与宏观现象调查中未发现任何变形和破坏迹象一致；在路堑边坡开挖阶段，当边坡开挖3级时，坡体稳定系数为1.14，处于蠕动变形阶段。强降雨持续作用下，坡体稳定系数为0.99，处于滑动阶段, 与宏观迹象调查中路堑边坡发生严重变形和破坏现象一致。采取刷方卸载、锚索框架梁和锚索抗滑桩和截排水沟等综合治理措施后，坡体稳定系数为1.40，处于稳定状态，满足《公路路基设计规范》(JTG D30—2015)要求。

施工过程采用综合治理方案时，在坡体上、中、下3个位置布设了6个深部位移孔，编号为CX-1~CX-6(见图 11), 对边坡变形情况进行了为期2 a的监测。各监测孔长L=30 m，监测数据以垂直路基向路基移动方向为正方向，以平行路基的右侧方向(大里程方向)为正方向。深部位移监测数据表如表 3所示。

图 11 滑坡深部位移监测布设断面图 Fig. 11 Cross section diagram of landslide deep displacement monitoring layout

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由表 3可见，各监测孔位移量很小，坡体变形稳定。从现场宏观迹象巡查分析，未发现异常。这也进一步证明，该整治工程实施后坡体处于稳定状态，满足要求。

本研究采用宏观迹象调查、滑坡现状稳定性评价、滑带强度指标反算与数值分析计算相结合的方法对路堑边坡开挖诱发滑坡的灾变全过程进行了系统地研究，分析了该边坡的灾变机制，提出了滑坡治理工程方案，评价了整治工程效果。

(1) 受路堑边坡施工开挖卸荷影响，坡体应力场发生调整，坡体中上部浅表层与路基下部土岩界面处出现应力松弛现象，坡脚局部出现应力集中现象并逐渐扩大，最终形成坡体浅表层贯通松弛区和沿土岩界面的潜在滑裂面；受持续强降雨作用，地表水下渗坡体，土体含水量增大，土岩界面岩土体软化、强度降低，开挖坡面下部潜在滑裂面发生剪切屈服变形，并不断向上牵引发展并向下推挤扩大直至贯通，导致路堑边坡滑坡。

(2) 滑坡整治工程采用多级刷方卸载、锚索框架梁、锚索抗滑桩和截排水沟等综合治理措施。整治工程实施后坡体处于稳定状态，满足规范要求，效果良好。

(3) 滑坡病害演化与工程整治历经起始、路堑开挖、变形破坏、工程整治4个主要工程阶段。工程整治对策全过程模拟分析结果显示，稳定性计算结果与滑坡各阶段变形、整治效果相符。