丹水出口段右岸潘家堂變形體邊坡穩(wěn)定分析及加固治理

王彩虹，翁朝暉，覃蓮超，盧少為

(湖北省水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430064)

邊坡是在復(fù)雜的地質(zhì)應(yīng)力作用下形成，又在各種因素作用下變化發(fā)展。因此，影響邊坡穩(wěn)定性的因素非常復(fù)雜。為便于分析，將巖質(zhì)邊坡破壞的原因歸納起來(lái)可分為以下3種，人為因素、地形自身的影響和外界環(huán)境的影響[1]。人為因素主要是指人類(lèi)活動(dòng)的影響，地形自身因素包括地下水、地質(zhì)構(gòu)造、坡體結(jié)構(gòu)和地層巖性等，外界環(huán)境的影響包括雨水侵蝕、地震等因素。丹水出口段右岸潘家堂岸坡變形體主要由斷層破碎帶及斷影響碎裂狀巖體組成，破壞的主要原因是受巖層風(fēng)化和斷層破碎帶的影響，巖體的抗剪強(qiáng)度減小，從而導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。本文針對(duì)潘家堂變形體邊坡破壞現(xiàn)狀，通過(guò)坡頂削坡減載減小坡體下滑力，空心花管高壓注漿加固以增加邊坡巖體抗剪強(qiáng)度、合理設(shè)計(jì)排水設(shè)施等幾方面措施增加邊坡的抗滑穩(wěn)定性；并通過(guò)HH-slope軟件計(jì)算對(duì)加固治理后的邊坡抗滑穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果滿足規(guī)范要求。

1 潘家堂變形體的治理

1.1 工程概況

潘家堂變形體位于湖北省長(zhǎng)陽(yáng)縣丹水出口段右岸處，潘家堂橋下游，距離潘家堂橋頭約60 m處，對(duì)應(yīng)河道樁號(hào)K0+240～K0+300 m；潘家堂變形體邊坡坡高36 m，變形體前緣已經(jīng)發(fā)生沖刷、變形垮塌，垮塌部位高程79.0～94.0 m，體積約200 m3。地表裂縫連續(xù)，噴護(hù)混凝土破裂嚴(yán)重，經(jīng)坡面探槽揭示，噴護(hù)混凝土整體脫空向下錯(cuò)落，變形范圍前緣高程79 m，后緣頂部高程104 m，總體坡度約43°，厚度一般4～6 m，投影面積約900 m2，體積約4 000 m3。現(xiàn)場(chǎng)照片見(jiàn)圖1。

圖1 右岸潘家堂變形體現(xiàn)狀照片

1.2 地質(zhì)巖性與結(jié)構(gòu)

潘家堂岸坡變形區(qū)坡底高程77.6 m，坡頂高程105～114 m，坡高28～37 m，平均坡角約52°，高程90 m馬道以下砼護(hù)坡角45o，以上主要為噴護(hù)砼坡。變形體呈圈椅狀，底部至78.5 m高程，頂部至103 m高程，94 m高程以下發(fā)生塌方破壞?；鶐r為寒武系下統(tǒng)水井沱組炭質(zhì)灰?guī)r夾炭質(zhì)頁(yè)巖，其中樁號(hào)K0+250～0+265 m為斷層破碎帶巖體。主要發(fā)育有F1、Tf1、F4三條斷層，碎裂巖、斷層充填，性狀較差。

變形區(qū)岸坡坡頂為少量第四系，坡頂?shù)谒南岛穸?.0～2.0 m，岸坡總體為視順向坡結(jié)構(gòu)，視傾角6°～8°，岸坡主要為斷層破碎帶及斷層影響碎裂狀巖體組成。斷層在岸坡交匯發(fā)育，F(xiàn)1與Tf1之間斷層影響破碎帶寬約5.0～15.0 m，現(xiàn)場(chǎng)及鉆孔揭示F1斷層下盤(pán)砂質(zhì)頁(yè)影響帶巖體及其破碎，部分呈碎屑夾泥特征。部分岸坡已經(jīng)發(fā)生塌方破壞，103.0 m高程以下噴護(hù)砼已經(jīng)整體拉裂脫空，鉆孔錄像揭示岸坡巖體有軟硬相間巖體組成，較破碎，鉆孔聲波值2 500～4 500 m/s，受斷層F1、Tf1影響明顯，岸坡穩(wěn)定性差；岸坡由斷層破碎帶巖體構(gòu)成，巖體強(qiáng)度低，渠底前緣在渠道過(guò)水沖刷掏蝕影響下，逐步擴(kuò)展發(fā)生較大范圍的脫坡變形破壞。地勘平面及斷面圖見(jiàn)圖2～圖3。

1.3 工程設(shè)計(jì)

本次潘家堂變形體加固治理主要從坡頂削坡減載、空心花管高壓注漿、坡面錨噴支護(hù)、坡腳設(shè)置地梁支撐及增設(shè)排水管等幾方面來(lái)增加岸坡的抗滑穩(wěn)定性[2]。具體工程措施如下：

先對(duì)潘家堂變形體上部護(hù)坡進(jìn)行削坡處理，上面四級(jí)邊坡馬道高程分別在110.20、102.70、95.20、90.00 m，坡度分別為1∶1.5、1∶1、1∶1、1∶1。馬道內(nèi)側(cè)設(shè)0.3 m×0.3 m排水溝，坡頂設(shè)截水溝。然后，對(duì)岸坡下最后一級(jí)邊坡進(jìn)行削坡處理后，在邊坡上部設(shè)間排距為2 m，長(zhǎng)度15 m(需貫穿F1斷層)，直徑108 mm的梅花形空心花管并進(jìn)行高壓注漿處理；邊坡下部設(shè)間排距為2 m，長(zhǎng)度5 m，直徑57 mm的梅花形空心花管，并進(jìn)行高壓注漿；待各級(jí)削坡處理完成后，再進(jìn)行C25鋼筋混凝土擋墻砌筑，空心花管焊接直徑25 mm鋼筋與C25鋼筋混凝土擋墻外層鋼筋網(wǎng)連接。并在渠道鋼筋混凝土底板下層設(shè)置地梁，地梁坡腳處設(shè)連續(xù)擋墻，擋墻墻背豎直，高2 m，底板高程處寬2 m。已垮塌部分鋼筋混凝土擋墻擋墻頂寬2 m，未垮塌部分擋墻頂寬1 m，底面設(shè)置8°仰角。此外，每一層邊坡設(shè)間排距2 m，長(zhǎng)度3 m，直徑25 mm的梅花形布置系統(tǒng)錨桿，并設(shè)間排距3 m，直徑100 mm的梅花形布置的排水孔。坡面進(jìn)行掛網(wǎng)噴錨支護(hù)，掛網(wǎng)鋼筋直徑6 mm，間排距20 cm，噴C20混凝土厚度10 cm。典型斷面設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖4、圖5。

圖2 丹水出口段右岸潘家堂變形體地質(zhì)平面圖

圖3 右岸潘家堂變形體地質(zhì)剖面圖1(1-1斷面)

圖4 潘家堂變形體設(shè)計(jì)斷面圖

圖5 支護(hù)與排水典型斷面圖

1.4 邊坡穩(wěn)定性分析

1.4.1 典型剖面的選取與計(jì)算方法

丹水出口段右岸潘家堂岸坡變形體主要是強(qiáng)風(fēng)化頁(yè)巖、斷層帶或斷層影響帶，其具有巖體強(qiáng)度低、裂隙發(fā)育、巖體破碎，滑動(dòng)面呈圓弧形的特征，按照規(guī)范要求抗滑穩(wěn)定分析采用畢肖普法[3]，計(jì)算采用HH-SLOPE軟件分別對(duì)現(xiàn)狀潘家堂變形體和加固后的變形體進(jìn)行邊坡抗滑穩(wěn)定性計(jì)算分析，選取滑坡處地質(zhì)剖面1-1作為典型斷面作為計(jì)算斷面。

1.4.2 巖土體物理力學(xué)參數(shù)的取值

考慮到斷層影響帶巖石破碎，加上蠕變比較嚴(yán)重，在進(jìn)行削坡等工程施工時(shí)，可能會(huì)造成邊坡失穩(wěn)，安全隱患比較嚴(yán)重。故在工程施工前首先對(duì)斷層破碎帶進(jìn)行高壓注漿處理，以增加巖體之間的粘聚力，提高邊坡的穩(wěn)定性。通過(guò)水泥漿體在斷層破碎帶中的有效擴(kuò)散及化學(xué)反應(yīng)后，凝固的漿體在斷層破碎帶中形成骨架，通過(guò)一定的化學(xué)反應(yīng)改變斷層破碎帶的物理成分和結(jié)構(gòu)特性，可有效減小斷層破碎帶遇水軟化，且可使斷層破碎帶的結(jié)構(gòu)更加致密，使斷層破碎帶整體結(jié)構(gòu)和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)得到加強(qiáng)。同時(shí)在壓力作用下漿體可在斷層破碎帶中劈裂，形成原充填物與漿體的互層，使斷層破碎帶經(jīng)過(guò)擠密、脫水和壓實(shí)，整體性質(zhì)得到改善。經(jīng)過(guò)注漿后，滑動(dòng)帶巖土體物理力學(xué)性質(zhì)有明顯改善，各種物理力學(xué)指標(biāo)都有較大提高[4-6]。因此，本文水泥高壓注漿處理后斷層破碎帶的內(nèi)摩擦角基本保持不變，粘聚力C可提高到30 kPa。相關(guān)地層參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 丹水出口段右岸潘家堂岸坡巖體物理力學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)值

1.4.3 計(jì)算工況

根據(jù)工作狀況、作用力出現(xiàn)的幾率和持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短及相關(guān)規(guī)范，分別計(jì)算了正常蓄水位(渠水位高80 m)、設(shè)計(jì)洪水位(渠水位高90 m)、水位驟降(90 m驟降至87 m，87 m驟降至84 m，84 m驟降至81 m，83 m驟降至80 m)、校核洪水位(渠水位高92 m)共4工況進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算分析。

1.4.4 計(jì)算結(jié)果

1)模型驗(yàn)證。為了驗(yàn)證計(jì)算參數(shù)和計(jì)算方法的正確性，首先對(duì)原始狀態(tài)進(jìn)行分析，典型計(jì)算斷面(1-1剖面)在正常蓄水位工況下的滑動(dòng)模式見(jiàn)圖6，計(jì)算搜索出的滑動(dòng)區(qū)域與實(shí)際地質(zhì)勘測(cè)發(fā)現(xiàn)的變形體域基本一致，垮塌主要受斷層破碎帶影響。通過(guò)對(duì)正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位、驟降、校核洪水位工況下邊坡穩(wěn)定進(jìn)行計(jì)算，其安全系數(shù)均小于1(見(jiàn)表2)，均不能滿足規(guī)范要求，需要進(jìn)行工程處理。

圖6 1-1剖面滑動(dòng)面示意圖(計(jì)算最小安全系數(shù)0.84)

圖7 1-1剖面處理后滑動(dòng)面示意土(計(jì)算最小安全系數(shù)1.36)

表2 1-1剖面右岸邊坡加固治理前、后安全系數(shù)K

2)處理后抗滑穩(wěn)定分析。通過(guò)對(duì)潘家堂岸坡變形體上部岸坡削坡減載和下部岸坡高壓注漿加固處理后，典型計(jì)算斷面(1-1剖面)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表。從計(jì)算結(jié)果可以看出，所有工況均滿足規(guī)范要求。因此，采取上部削坡減載和下部混凝土高壓注漿加固處理后，處理后潘家堂岸坡穩(wěn)定安全滿足規(guī)范要求。

2 結(jié) 語(yǔ)

1)潘家堂岸坡變形體的破壞與地層巖性、結(jié)構(gòu)面、自然風(fēng)化等因素聯(lián)系緊密，受斷層破碎帶影響較大。

2)原始狀態(tài)下，通過(guò)HH-slope軟件畢肖普法計(jì)算搜索出的滑動(dòng)面與實(shí)際地質(zhì)勘測(cè)發(fā)現(xiàn)的變形體域基本一致，表明采用的計(jì)算方法及巖層物理參數(shù)適合本工程的情況。

3)采用對(duì)潘家堂岸坡變形體上部岸坡削坡減載和下部岸坡高壓注漿的綜合措施加固治理后，計(jì)算得出岸坡抗滑穩(wěn)定系數(shù)有較大提高，各工況均能滿足規(guī)范要求。

4)考慮到斷層破碎帶巖石破碎，加上蠕變比較嚴(yán)重，在進(jìn)行削坡等工程施工時(shí)，可能會(huì)造成邊坡失穩(wěn)，安全隱患比較嚴(yán)重。在工程施工前首先對(duì)斷層破碎帶進(jìn)行水泥高壓注漿處理，以增加巖體之間的粘聚力，提高邊坡的穩(wěn)定性，此處理方法工程實(shí)踐中證明處理得當(dāng)。