滑坡支護(hù)方案選擇分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉軍

深圳市勘察研究院有限公司

摘要：滑坡的形成原因是多因素造成的，其中雨水是誘發(fā)滑坡的主要外因。本文結(jié)合滑坡治理工程，對(duì)其支護(hù)方案對(duì)比選擇并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：滑坡支護(hù)；方案；選擇；設(shè)計(jì)

1 工程概況

1.1地質(zhì)條件

某邊坡由于連日降雨，己經(jīng)產(chǎn)生滑動(dòng)，滑坡后緣張裂縫清晰可見(jiàn)，寬度為10-40 cm，如圖1所示。

圖1 滑坡后緣張裂縫

滑體位于山體斜坡地中下部，平均厚度12.5m，滑動(dòng)，面如圖2所示?；滤幍匦纹露?0°- 40°滑坡高度約為60.5 m。該滑坡地層總體走向?yàn)镹W，傾向?yàn)镹E50°-60°?；轮饕獮樯喜克缮⒍逊e體產(chǎn)生滑動(dòng)，邊坡原有的擋土墻支護(hù)結(jié)構(gòu)己不能滿足工程需要，而且在滑坡下方有廠房和居民區(qū)，所以該滑坡必須重新支護(hù)。

圖2滑坡剖面示意圖

根據(jù)鉆探和現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查，滑坡體地層由耕植土、薪土夾碎塊石組成，下伏基巖為灰?guī)r夾泥質(zhì)灰?guī)r，自上而下依次為：①耕植土，褐黃色，由薪土夾碎石組成，厚度一般為0.5 m，分布在自然坡面表層，植物根系發(fā)育，結(jié)構(gòu)疏松；②土，黃色，土體結(jié)構(gòu)較松散，含大量泥巖風(fēng)化殘塊，土程性質(zhì)一般；③強(qiáng)風(fēng)化石灰?guī)r，灰色，薄至中厚層狀?yuàn)A泥巖，細(xì)品結(jié)構(gòu)，整體性較差，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為111、W類(lèi)；④中風(fēng)化白云巖，灰白色，薄至中厚層狀，隱品健品結(jié)構(gòu)，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為11、111類(lèi)；⑤弱風(fēng)化砂巖，灰黃色，薄至中厚層狀，中粒砂狀結(jié)構(gòu)，巖芯成柱狀，強(qiáng)度較好。

滑坡區(qū)內(nèi)地下水類(lèi)型主要為碳酸巖巖溶水，賦存于石灰?guī)r及白云巖的巖體溶蝕裂隙中，水量受地形、巖性等因素的控制，區(qū)內(nèi)地下水總體上由北向南徑流，在地勢(shì)低注部位以泉的形式出露地表。通過(guò)鉆孔進(jìn)行水位觀測(cè)，在鉆探深度范圍內(nèi)未揭穿地下水，說(shuō)明地下水位埋藏很深，在支護(hù)設(shè)計(jì)中可以不考慮地下水的影響，該邊坡安全等級(jí)為二級(jí)。

1.2滑坡的成因及支護(hù)方案

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察，產(chǎn)生滑坡的原因主要有兩個(gè)：一是滑坡由耕植土、II土、強(qiáng)風(fēng)化巖體組成，這部分巖土體強(qiáng)度低，穩(wěn)定性差；二是滑坡產(chǎn)生前該地區(qū)連續(xù)降雨多日，加之耕植土透水性較好，大量降水經(jīng)地表滲入滑體中且未能及時(shí)排出，巖土體容重及下滑力顯著增加，導(dǎo)致產(chǎn)生滑動(dòng)?；孪扔缮喜繋r土體松動(dòng)下滑，然后帶動(dòng)下部巖土體滑動(dòng)，該滑坡類(lèi)型為推移式滑坡，按滑坡體物質(zhì)組成和滑坡與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系又可稱(chēng)為覆蓋層滑坡。

根據(jù)該滑坡的工程地質(zhì)條件，擬采用預(yù)應(yīng)力錨索框架梁及抗滑樁來(lái)支護(hù)，這兩種支護(hù)形式施工技術(shù)都比較成熟，在邊坡支護(hù)工程中得到了廣泛的應(yīng)用。采用3套支護(hù)方案：方案1采用預(yù)應(yīng)力錨索框架梁支護(hù)；方案2采用抗滑樁與預(yù)應(yīng)力錨索框架梁聯(lián)合支護(hù)；方案3采用雙排抗滑樁支護(hù)。

圖3為支護(hù)方案示意圖，方案1為預(yù)應(yīng)力錨索框架梁結(jié)構(gòu)，將邊坡分為二級(jí)結(jié)構(gòu)，中間設(shè)置4m寬平臺(tái)，其中預(yù)應(yīng)力錨索錨固段為6m，錨固于弱風(fēng)化砂巖中，錨固噸位為30 t，錨索為4束直徑為15.24 mm的鋼絞線，間距取4m，框架梁采用0.5mx0.5m矩形截面，彈性模量取19 GPa。方案2為抗滑樁與預(yù)應(yīng)力錨索框架梁聯(lián)合支護(hù)方案，其中抗滑樁嵌入弱風(fēng)化砂巖中7m，抗滑樁直徑為1.2m，彈性模量取31 GPa，抗滑樁與最下排預(yù)應(yīng)力錨索錨頭距離為19.7 m錨索參數(shù)與方案1中相同。方案3為雙排抗滑樁支護(hù)方案，抗滑樁相隔10.2 m，嵌巖深度仍為7m，抗滑樁直徑也仍為1.2m。

圖3支護(hù)方案示意圖

2 支護(hù)方案比較分析

邊坡設(shè)計(jì)常采用極限平衡法，但是該方法不能得到邊坡的變形、穩(wěn)定性系數(shù)、塑性區(qū)分布情況等結(jié)果，無(wú)法綜合判斷支護(hù)方案的優(yōu)劣，且對(duì)該滑坡而言，滑坡下方有廠房及民居，因此邊坡的穩(wěn)定性及位移均應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求。目前數(shù)值模擬手段在邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中得到了廣泛應(yīng)用，為了對(duì)比分析上述3種支護(hù)方案的支護(hù)效果，采用數(shù)值分析軟件FLAC3D計(jì)算出邊坡的位移、應(yīng)力分布、剪應(yīng)變?cè)隽康戎笜?biāo)，來(lái)綜合分析各方案的優(yōu)劣。該滑坡原始地形數(shù)值模型網(wǎng)格見(jiàn)圖4，滑坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖4原始地形數(shù)值模型網(wǎng)格

表1 滑坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)

圖5為未支護(hù)時(shí)的邊坡位移計(jì)算結(jié)果，最大水平位移為873.970 mm最大沉降為614.940 mm，說(shuō)明邊坡位移較大，穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算結(jié)果為1.012，邊坡為臨界狀態(tài)，急需支護(hù)。計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況較吻合，這也說(shuō)明了巖土體物理力學(xué)參數(shù)的取值是合理的。

（a）垂直向位移云圖 （b）水平向位移云圖

圖5未支護(hù)時(shí)邊坡位移計(jì)算結(jié)果（單位：mm）

3種支護(hù)方案中，抗滑樁較容易施工，對(duì)環(huán)境的影響較小，但造價(jià)略高；預(yù)應(yīng)力錨索框架梁施工時(shí)不易操作，且對(duì)環(huán)境影響大，需要坡面清理等工序，會(huì)破壞原有的綠化，但和抗滑樁相比，其工期略短，造價(jià)略低。因此方案1的特點(diǎn)是造價(jià)低，難施工，工期長(zhǎng)，對(duì)環(huán)境影響大；方案3的特點(diǎn)是造價(jià)高，易施工，工期短，對(duì)環(huán)境影響小；方案2位于兩者之間。經(jīng)過(guò)概算，方案1，2，3的造價(jià)分別為228萬(wàn)元、235萬(wàn)元和265萬(wàn)元，從造價(jià)的角度來(lái)說(shuō)方案1最佳，方案3最差。

圖6為3種支護(hù)方案水平位移計(jì)算結(jié)果，其中方案1最大水平位移為18.046 mm，發(fā)生較大位移部位主要位于滑體上部；方案2最大水平位移為23.242 mm，發(fā)生較大位移部位主要位于滑體的中上部；方案3最大水平位移為37.667 mm，發(fā)生較大位移部位主要位于滑體下部。從最大水平位移情況來(lái)看，方案1最小，方案3最大，說(shuō)明采用預(yù)應(yīng)力錨索框架梁支護(hù)結(jié)構(gòu)要優(yōu)于其他兩種形式，其中方案2比方案1最大水平位移增大了28.79%，方案3比方案1最大水平位移增大了108.73%。

（a）方案1

（b）方案2

（c）方案3

圖6支護(hù)方案水平位移計(jì)算結(jié)果（單位：mm）

為了更好地對(duì)比這3種方案的計(jì)算結(jié)果，將邊坡穩(wěn)定性系數(shù)、最大沉降、最大剪應(yīng)變?cè)隽恳擦腥氡容^，結(jié)果見(jiàn)表2。

從表2可以看出，各項(xiàng)指標(biāo)均顯示方案3支護(hù)效果最差。方案2與方案1相比，穩(wěn)定性系數(shù)減小了3.80%最大沉降減小了1.13%最大剪應(yīng)變?cè)隽吭龃罅?.82%，可見(jiàn)方案1和方案2相差不大，因此這兩種支護(hù)方案均可采用。由于抗滑樁的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要強(qiáng)于預(yù)應(yīng)力錨索框架梁，即錨索隨著時(shí)間的推移會(huì)出現(xiàn)預(yù)應(yīng)力損失和失效的現(xiàn)象，而且滑坡下方為一條公路和一家木材廠，更需注重支護(hù)結(jié)構(gòu)的耐久性；而從造價(jià)來(lái)看，方案2只是略大于方案1，所以綜合比較宜采用方案2進(jìn)行支護(hù)加固。

表2 支護(hù)方案計(jì)算結(jié)果

3 支護(hù)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)比選結(jié)果，對(duì)方案2采用的聯(lián)合支護(hù)形式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)主要考慮抗滑樁的位置，設(shè)計(jì)了4種方案，見(jiàn)圖3（d），其中方案b與方案2相同。方案a，c，d中抗滑樁與最下排預(yù)應(yīng)力錨索錨頭距離分別30.9m，9.6m和1.0m。通過(guò)計(jì)算分析這4種方案以確定抗滑樁的最佳位置。

圖7為方案a，c，d水平位移計(jì)算結(jié)果，由圖6（b）和圖7可以看出，方案a，b，c，d最大水平位移分別為32.676 mm，23.242 mm，14.012 mm、11.991 mm。從最大水平位移來(lái)看，方案d最優(yōu)，但是從最大水平位移發(fā)生部位來(lái)看，方案a，b，c均位于滑坡中上部，而方案d則位于滑坡的下部，這是由于滑體下部無(wú)任何支護(hù)結(jié)構(gòu)所致。雖然方案d最大水平位移值最小，但是這種支護(hù)方案存在安全隱患，抗滑樁距錨索太近，滑體下部容易再次滑動(dòng)。為了詳細(xì)比較這4種方案，對(duì)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)、最大沉降、最大剪應(yīng)變?cè)隽坑?jì)算結(jié)果（表3）做進(jìn)一步的分析，從表3可以看出，方案c穩(wěn)定性系數(shù)最大，且剪應(yīng)變?cè)隽孔钚?，雖然方案d的最大水平位移及沉降均最小，但其穩(wěn)定性系數(shù)為1.353，比方案c要小12.03 %，綜合考慮，認(rèn)為方案c為最佳方案，其穩(wěn)定性系數(shù)比方案1還提高了4.41%。因此最終確定抗滑樁與最下排錨索錨頭距離在10m左右為最佳。

表3 優(yōu)化方案計(jì)算結(jié)果

4 方案實(shí)施效果

經(jīng)過(guò)方案的對(duì)比及優(yōu)化，該滑坡選擇方案c進(jìn)行了支護(hù)，圖8為邊坡支護(hù)完成后的水平位移的部分監(jiān)測(cè)記錄，監(jiān)測(cè)儀器為XB338型滑動(dòng)式測(cè)斜儀，根據(jù)支護(hù)后邊坡的變形特征，將監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置設(shè)于滑體中部即變形較大部位（參見(jiàn)圖7（b）方案c的計(jì)算結(jié)果）。la后邊坡最大水平位移為10.285 mm。

說(shuō)明支護(hù)效果良好，優(yōu)化設(shè)計(jì)是成功的。與數(shù)值模擬結(jié)果相比，目前監(jiān)測(cè)結(jié)果略小于模擬結(jié)果，因?yàn)閿?shù)值模擬結(jié)果為變形的最終結(jié)果，而監(jiān)測(cè)結(jié)果為中間狀態(tài)，可以看出數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果比較吻合。

（a）方案a

（b）方案b

（c）方案c

圖7優(yōu)化方案水平位移計(jì)算結(jié)果（單位：mm）

圖8邊坡支護(hù)完成后位移

5 結(jié)論

a.通過(guò)比選，抗滑樁結(jié)合預(yù)應(yīng)力錨索框架梁支護(hù)方案為最佳方案，能夠提供較大的安全系數(shù)，有效地控制滑坡位移。

b.抗滑樁與預(yù)應(yīng)力錨索框架梁間距越近，滑坡的最大水平位移越小，但從邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)來(lái)看，存在一個(gè)最佳間距，大于或小于最佳間距穩(wěn)定性系數(shù)均呈減小趨勢(shì)，該滑坡最佳間距為10m左右。

c.在比選支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，不能單純地分析滑坡的位移，位移小并不代表支護(hù)效果佳，應(yīng)當(dāng)綜合分析滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)、剪應(yīng)變?cè)隽康纫蛩亍?/p>