某水電站塊石料場(chǎng)棄渣堆積體邊坡穩(wěn)定性分析與防治措施研究

潘一茜，胡卸文,2

(1.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院， 四川成都 610031； 2.西南交通大學(xué)抗震工程技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031)

西南某水電站塊石料場(chǎng)棄渣堆積體從2004年開始堆放，至今已有十余年，石料主要為塊狀～碎裂狀玄武巖，堆積體前緣高程2 240 m，后緣高程2 320 m，相對(duì)高差約80 m，縱向長(zhǎng)約210 m，橫向?qū)捈s60 m，平均厚約10 m，初步推算體積約21×104m3。按不同堆放位置，棄渣堆可以分為I、II、III三個(gè)區(qū)域(圖1、圖2)。由于棄渣體結(jié)構(gòu)松散，后期又受2008年“5·12”汶川特大地震、2013年“4·20”蘆山強(qiáng)烈地震，以及降雨的影響，I區(qū)棄渣堆積體邊坡后部發(fā)生推移變形，中部因前緣臨空，出現(xiàn)棄渣堆頂部下沉、臨空面坡體發(fā)生溜滑等變形現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅坡腳居民安全(圖3、圖4)。因此本文以I區(qū)棄渣堆積體邊坡為例，在現(xiàn)場(chǎng)勘查的基礎(chǔ)上對(duì)邊坡在不同工況條件下的穩(wěn)定性進(jìn)行了系統(tǒng)的分析與評(píng)價(jià)，提出了相應(yīng)的防治措施[1]。

圖1　某水電站棄渣堆航拍全景

1　地質(zhì)環(huán)境條件概述

棄渣堆邊坡位于某居民集中區(qū)后緣山坡上(圖4)，原始斜坡中上部為玄武巖基巖，地形坡度50°～60°；棄渣堆放部位下伏地層為老崩坡積堆積塊碎石土。成份以玄武巖為主，前緣局部含少量灰黑色千枚巖。地形坡度25°～35°，推測(cè)松散層厚度一般5～20 m不等，局部達(dá)28.5 m。

就邊坡部位地層巖性而言，主要有：

(1)人工棄渣塊碎石(Q4s)：主要為二疊系上統(tǒng)大石包組(P2d)玄武巖和泥盆系下統(tǒng)上段(D12)粉砂質(zhì)千枚巖塊碎石，塊石粒徑多為20～30 cm不等，最大塊徑大于1 m，是棄渣堆滑坡的主體。該層結(jié)構(gòu)松散、承載力低，在飽水或人工活動(dòng)等因素影響下，易沿與下伏老堆積體之間的接觸面產(chǎn)生滑移。

(2)崩坡積含塊碎石粉質(zhì)黏土(Q4col+dl)：分布于棄渣塊碎石下部，塊石成份為玄武巖和千枚巖，粒徑0.5～2 m不等。結(jié)構(gòu)較緊密，滲透性較差。

受亞熱帶季風(fēng)氣候、西風(fēng)帶氣流影響，場(chǎng)地多年平均降雨量為789.9 mm，最大日降雨量為62.5 mm，年均降雨日數(shù)146.7 d，降雨多集中在5月～10月，占全年的85 %～90 %。

研究區(qū)位于龍門山斷裂構(gòu)造帶西南段以北25～30 km的金湯弧形構(gòu)造帶內(nèi)，地質(zhì)地震活動(dòng)相對(duì)較弱。但考慮區(qū)域地震動(dòng)峰值加速度為0.15g，場(chǎng)地地震反應(yīng)譜特征周期Tg=0.40 s，相應(yīng)的地震基本烈度為Ⅶ度。

2　棄渣堆積體邊坡變形破壞特征

現(xiàn)場(chǎng)勘察表明，滑坡前緣剪出口以老堆積體剪出口變形裂縫為界，后緣以陡崖后壁為界，左、右兩側(cè)均以料石堆放邊界的剪切裂縫為界，主滑方向248°，體積約12.6×104m3。

受2008年“5·12”汶川地震和2013年“4·20”蘆山地震以及集中暴雨的影響，從2014年開始，棄渣堆邊坡開始變形，到2017年變形進(jìn)一步加劇。整個(gè)滑坡體范圍內(nèi)可見多處長(zhǎng)10～30 m的大型裂縫，兩側(cè)邊界可見明顯剪切錯(cuò)動(dòng)跡象。整個(gè)變形區(qū)因前緣臨空，出現(xiàn)棄渣堆頂部下沉、坡體發(fā)生溜滑，并對(duì)棄渣堆前緣老堆積土體產(chǎn)生擠壓剪出等變形，整體可分為四級(jí)變形所形成的錯(cuò)臺(tái)與陡坎，每級(jí)錯(cuò)臺(tái)高度均在10 m以上。各級(jí)下錯(cuò)臺(tái)階裂縫延伸較長(zhǎng)，形成最長(zhǎng)可達(dá)50 m、寬約15 m的錯(cuò)臺(tái)。

圖2　棄渣堆邊坡工程地質(zhì)平面

圖3　滑坡與保護(hù)對(duì)象之間關(guān)系俯視

圖4　滑坡與保護(hù)對(duì)象之間關(guān)系仰視

根據(jù)上述變形破壞特征及裂縫特點(diǎn)，棄渣堆下沉座滑、形成四級(jí)臺(tái)階，并在前緣下伏老堆積體中擠出，整體屬于推移式滑坡，而每一級(jí)平臺(tái)棄渣堆表部又具有局部牽引式(后退式)滑移特征。

根據(jù)鉆孔、探槽、探井等現(xiàn)場(chǎng)勘查，邊坡可能存在以下三種滑面：(1)棄渣堆與下伏老堆積體接觸界面(即滑坡主滑面)；(2)老堆積體內(nèi)部(主要分布于滑坡整體剪出口附近，分布較小)；(3)棄渣堆內(nèi)部(也即滑坡所表現(xiàn)出的四級(jí)下錯(cuò)后壁)?；w由棄渣體(主體)與老堆積土體(前緣部分)兩部分組成(圖5)。

3　棄渣堆積體邊坡穩(wěn)定性分析

3.1　計(jì)算參數(shù)選擇

針對(duì)上述棄渣堆邊坡失穩(wěn)機(jī)理，綜合采用參數(shù)反演和經(jīng)驗(yàn)類比得到各類滑帶土及滑體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(表1)。

3.2　計(jì)算工況

綜合考慮棄渣堆積體邊坡可能承受的各種荷載，確定本次穩(wěn)定性計(jì)算，考慮天然、暴雨兩種工況；且根據(jù)地震烈度劃分，研究區(qū)處于VII度烈度區(qū)，故在穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)需考慮基本地震加速度值為0.15g。考慮該滑坡涉及保護(hù)對(duì)象較多，設(shè)計(jì)推力計(jì)算中涉及安全系數(shù)取值如下(見表2)。

3.3　傳遞系數(shù)法穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

傳遞系數(shù)法是在邊坡穩(wěn)定性計(jì)算分析中最常用的一種方法，采用不平衡推力傳遞系數(shù)法[2-3]，結(jié)合邊坡的地形條件、地層巖性、地下水位線及其變化、水文地質(zhì)特征，以及搜索出的潛在滑動(dòng)面對(duì)各剖面進(jìn)行條塊劃分，對(duì)邊坡在不同工況下進(jìn)行了定量計(jì)算[4～6]。根據(jù)極限平衡原理，運(yùn)用傳遞系數(shù)法，選取1-1＇剖面中的AE滑面、2-2＇剖面中的AD滑面、3-3＇剖面中的AE滑面(圖5)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如下表3所示。

表1　邊坡物理力學(xué)參數(shù)建議值

表2　穩(wěn)定性計(jì)算工況與荷載組合

(a)1-1’剖面

(b)2-2’剖面

(c)3-3’剖面圖5　棄渣堆邊坡滑坡變形體工程地質(zhì)剖面

依據(jù)DZ/T 0218-2006《滑坡防治工程勘查規(guī)范》[7]，滑坡穩(wěn)定性狀態(tài)按穩(wěn)定性系數(shù)分為四級(jí)(表4)。

表3　邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

表4　滑坡穩(wěn)定狀態(tài)劃分

從表3可以看出，各代表性剖面計(jì)算結(jié)果相近，穩(wěn)定性系數(shù)在天然工況下為1.098～1.126，整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；在暴雨工況下為0.985～1.011，處于不穩(wěn)定～欠穩(wěn)定狀態(tài)；在地震工況下為1.035～1.069，處于欠穩(wěn)定～基本穩(wěn)定狀態(tài)。在暴雨工況下1-1’剖面、2-2’剖面、3-3’剖面的剩余推力分別可達(dá)454 kN、308.5 kN、462.6 kN，說明邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，安全儲(chǔ)備較低，在持續(xù)降雨作用下，有整體下滑的危險(xiǎn)。

3.4　基于Geo-Studio穩(wěn)定性計(jì)算

為了進(jìn)一步驗(yàn)證傳遞系數(shù)法結(jié)果的合理性，本文運(yùn)用Geo-Studio軟件對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，其原理采用極限平衡法，包括Ordinary法、Bishop法、Janbu法以及Morgenstern-Price法等。該數(shù)值模擬方法能計(jì)算考慮孔隙水壓力情況下的邊坡穩(wěn)定性，可靠性得到充分的驗(yàn)證，效果良好[8]。計(jì)算結(jié)果見表5。選取代表性剖面，使用M-P法以暴雨工況為例進(jìn)行計(jì)算，數(shù)值計(jì)算模型見圖6。

數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果也表明，棄渣堆集體邊坡(滑坡)整體在天然工況下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨工況下處于不穩(wěn)定～欠穩(wěn)定狀態(tài)，在地震工況下處于不穩(wěn)定～欠穩(wěn)定狀態(tài)，與傳遞系數(shù)法計(jì)算結(jié)果相近。

4　防治措施建議

根據(jù)已查明的棄渣堆滑坡特征、坡體厚度、保護(hù)對(duì)象等，同時(shí)考慮到防治工程的施工環(huán)境、經(jīng)濟(jì)合理性與環(huán)境適應(yīng)性，提出了以下三種比選方案。

(1)方案一：抗滑樁板墻兼攔渣墻+后緣截排水溝。在棄渣堆滑坡前緣邊界處設(shè)置抗滑樁，并將抗滑樁伸出坡面適當(dāng)長(zhǎng)度掛樁間板，以防止棄渣體產(chǎn)生局部溜滑或較大塊石發(fā)生滾落，同時(shí)在后緣統(tǒng)一布設(shè)截排水溝系統(tǒng)。根據(jù)設(shè)計(jì)推力，擬設(shè)抗滑樁樁截面可采用1.5 m×2.0 m，樁長(zhǎng)15～20 m不等。

表5　邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

(a)1-1’剖面

(b)2-2’剖面

(c)3-3’剖面圖6　暴雨工況下棄渣堆邊坡數(shù)值模擬計(jì)算模型(Morgenstern-Price法)

(2)方案二：全埋式抗滑樁+格賓石籠擋墻+后緣截排水溝。與方案一不同的是，該方案抗滑樁為全埋入式，同時(shí)為了防止棄渣堆前緣滑塌、落石滾落，在其前緣布設(shè)格賓石籠擋墻，并在后緣統(tǒng)一布設(shè)截排水溝系統(tǒng)。根據(jù)設(shè)計(jì)推力，擬設(shè)抗滑樁樁截面可采用1.5 m×2.0 m，樁長(zhǎng)14～18 m不等。格賓石籠可就地取材，采用棄渣堆塊石用鉛絲籠進(jìn)行碼砌。

(3)方案三：格構(gòu)錨索+格賓石籠擋墻+后緣截排水溝。與前述兩種方案不同的是，在棄渣堆滑坡前緣老堆積體部分采用格構(gòu)錨索，以鎖定滑坡整體穩(wěn)定，同時(shí)在棄渣堆前緣采用格賓石籠擋墻以防止棄渣體產(chǎn)生局部溜滑或者較大碎屑發(fā)生滾落，并在后緣統(tǒng)一布設(shè)截排水溝系統(tǒng)。三套方案各有特點(diǎn)，從施工條件、治理效果、經(jīng)濟(jì)合理性等綜合比較，建議采用方案一。

5　結(jié)論

(1)某水電站棄渣堆邊坡由于受地震、尤其是多次持續(xù)降雨影響，棄渣堆下沉座滑、形成四級(jí)臺(tái)階，并在前緣下伏老堆積體中擠出，屬于推移式滑坡。

(2)通過極限平衡方法對(duì)棄渣堆積體各代表性剖面的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果表明，棄渣堆積體邊坡在天然工況下處于欠穩(wěn)定～基本穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨工況下處于不穩(wěn)定狀態(tài)，在地震工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。在暴雨工況下剪出口部位設(shè)計(jì)推力308.5～462.6 kN不等。

(3)根據(jù)棄渣堆積體邊坡的特點(diǎn)并結(jié)合保護(hù)對(duì)象，建議采用“抗滑樁板墻兼攔渣墻”方案對(duì)滑坡進(jìn)行治理，即在滑坡前緣設(shè)置抗滑樁板墻，控制滑坡整體穩(wěn)定，同時(shí)抗滑樁樁頂高程適當(dāng)伸出坡面以上一定高度，以防止棄渣體產(chǎn)生局部溜滑或較大的塊石發(fā)生滾落，并在后緣統(tǒng)一布設(shè)截排水溝系統(tǒng)。