川北地區(qū)龍馬溪組頁巖深層滑坡抗震穩(wěn)定性及整治工程效果評(píng)價(jià)

張盧明，周 勇，岳建國(guó)，金 斌

(核工業(yè)西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 四川 成都 610061)

飛鳳山低中放固體廢物處置場(chǎng)位于四川省廣元市三堆鎮(zhèn)，是我國(guó)西南地區(qū)唯一的極為重要的低中放固體廢物處置場(chǎng)。處置場(chǎng)場(chǎng)平標(biāo)高為606.00 m，場(chǎng)平后將在場(chǎng)址南側(cè)形成高邊坡。邊坡于2013年初開始開挖，5月份邊坡即產(chǎn)生變形，形成了1#、2#滑坡。受7月18日強(qiáng)降雨的影響，1#、2#滑坡變形再次加劇，7月19日1#滑坡北東側(cè)發(fā)生滑動(dòng)解體，坡體原有治理工程大部破壞，滑坡體積約30余萬m3；7月21日2#滑坡北東側(cè)錨噴破壞，坡面發(fā)育大量拉裂縫，滑坡體積約48×104m3，原有支護(hù)措施多處失效。

飛鳳山處置場(chǎng)處于龍門山斷裂帶，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，鑒于場(chǎng)地的極端重要性，近期中國(guó)地震局對(duì)該場(chǎng)地的地震安全性進(jìn)行重新評(píng)價(jià)，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)地震動(dòng)水平峰值加速度由原來0.15g提高到0.33g，遠(yuǎn)大于之前邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)所采用的地震動(dòng)水平峰值加速度(0.15g)，加固后的邊坡存在抗震穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)，一旦失穩(wěn)，其后果不堪設(shè)想。

目前針對(duì)地震作用下邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)一般以擬靜力法和靜力有限元法為主[1-6]，由于擬靜力法沒有考慮地震的特性，如振動(dòng)頻率、次數(shù)和地震歷時(shí)等因素，同時(shí)也沒有考慮巖土介質(zhì)的動(dòng)力性質(zhì)和阻尼性質(zhì)等，因此，該法具有一定的局限性。

采用動(dòng)力分析方法來和工程監(jiān)測(cè)來分析評(píng)價(jià)加固后邊坡的穩(wěn)定性和加固效果尚不多見[7-11]，對(duì)多級(jí)框架錨索與雙排抗滑樁組合結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)性能的評(píng)價(jià)也報(bào)道較少[12-14]。本文以2#滑坡為例，采用有限差分動(dòng)力分析法對(duì)處置場(chǎng)加固后的高邊坡病害進(jìn)行抗震穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)邊坡的抗震穩(wěn)定性進(jìn)行安全評(píng)估，其研究成果可豐富核安全邊坡抗震加固理論，同時(shí)可為類似工程提供借鑒。

1 滑坡概況

滑坡區(qū)地層主要有：人工填土(Q4ml)、滑坡堆積層(Q4del)、崩坡積層(Q4col+dl)，志留系下統(tǒng)龍馬溪組(S1lm4)泥質(zhì)頁巖、粉砂質(zhì)頁巖[15-16]。巖層產(chǎn)狀為310°∠72°。

2#滑坡具有多級(jí)滑動(dòng)特點(diǎn)，主要分為三級(jí)滑動(dòng)形式。如典型工程地質(zhì)剖面圖(見圖1)：兩級(jí)淺層滑面為基覆界面，深層滑面為強(qiáng)風(fēng)化軟弱破碎帶。

一級(jí)滑坡后緣位于714 m～735 m區(qū)域，前緣剪出口位于滑坡中后部，高程706 m～707 m，后緣相對(duì)較厚，前緣較薄；滑體縱長(zhǎng)約80 m，橫寬約160 m，面積約1.28×104m2，主滑方向11°。

二級(jí)滑坡的后緣高程706 m～707 m，前緣剪出口位于滑坡前部，高程668 m～670 m，后緣相對(duì)較厚，前緣較?。换w縱長(zhǎng)約105 m，橫寬約165 m，面積約1.73×104m2，主滑方向與一級(jí)相同。

圖1數(shù)值分析模型

深層滑坡的后緣高程714 m～735 m，前緣剪出口高程641 m～676 m，呈中部厚兩頭較薄的特點(diǎn)；滑體縱長(zhǎng)約215 m，橫寬約160 m，滑體最大厚度約22 m，主滑方向與一級(jí)相同。

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察揭露，2#滑坡淺層滑帶物質(zhì)為含角礫粉質(zhì)粘土，揉皺現(xiàn)象較為明顯。由于2#滑坡緊鄰向斜，受構(gòu)造影響強(qiáng)烈，巖體破碎，層間錯(cuò)動(dòng)發(fā)育，據(jù)鉆孔揭露，前期邊坡開挖后相對(duì)高差較大(約120 m)，坡度較大(約35°)，受此影響邊坡卸荷強(qiáng)烈，原有結(jié)構(gòu)面逐步張開，強(qiáng)風(fēng)化層面軟弱帶連接貫通，發(fā)展成為深層滑帶。

滑坡整治方案為：矩形(人字形)格構(gòu)錨索(桿)+雙排抗滑樁+截排水溝+坡面綠化(見圖2)，其中錨索設(shè)計(jì)抗拔力400 kN，抗滑樁截面為2 m×3 m。

2 動(dòng)力穩(wěn)定性數(shù)值分析

2.1 數(shù)值模型的建立

受FLAC3D建模的缺點(diǎn)，本次通過將CAD圖形導(dǎo)入到ANSYS，利用ANSYS建立邊坡模型，再導(dǎo)入到FLAC3D軟件中。輸入波形的頻率成分和土體的波速特性會(huì)影響土體中波傳播的數(shù)值精度，通常網(wǎng)格尺寸應(yīng)小于輸入波形最高頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)的1/10～1/8。經(jīng)計(jì)算得到模型的網(wǎng)格尺寸不能大于35.2 m，具體模擬過程中，選取單元最大尺寸為10 m，以保證數(shù)值分析的精度(見圖1)[17]。

邊坡動(dòng)力計(jì)算采用理想彈塑性本構(gòu)模型，屈服準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則。屈服條件為：

(1)

式中：θα為洛得應(yīng)力角；I1為應(yīng)力張量的第一個(gè)不變量；J2為偏應(yīng)力張量的第二個(gè)不變量[18]。

圖2高邊坡病害加固設(shè)計(jì)方案

預(yù)應(yīng)力錨索、抗滑樁和格構(gòu)梁分別采用錨索單元、樁單元和梁?jiǎn)卧?。邊坡土層和支護(hù)結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)

通過在模型底部x和z方向輸入EL波的加速度時(shí)程，模擬地震荷載下邊坡的動(dòng)力響應(yīng)，其中加速度時(shí)程曲線在輸入之前借助SeismoSignal進(jìn)行基線矯正(見圖3)。為了減少模型邊界上波的反射，通過在模型四周生成二維和一維網(wǎng)格的方法來設(shè)置自由場(chǎng)邊界，這種邊界通過阻尼器將主體網(wǎng)格和自由場(chǎng)網(wǎng)格進(jìn)行耦合，把自由場(chǎng)網(wǎng)格的不平衡力施加到主體網(wǎng)格邊界上，這樣就既可保持邊界不反射波，又可以對(duì)向外傳遞的波適當(dāng)?shù)匚铡ＤＰ椭胁捎镁植孔枘帷?/p>

2.2 模型的驗(yàn)證

跟蹤模型底部附近的加速度時(shí)程，對(duì)比輸入波和模型底部附近的加速度時(shí)程曲線，見圖4，由圖4可發(fā)現(xiàn)兩者吻合良好，說明地震波準(zhǔn)確無誤地輸入到模型底部。

2.3 在0.33gEL作用下的穩(wěn)定性分析

2.3.1 位移響應(yīng)

選取地震過程中15 s、30 s和40 s三個(gè)時(shí)間點(diǎn)的動(dòng)位移云圖，以此分析地震過程中邊坡位移的整體分布，如圖5所示。

圖3 時(shí)程曲線

圖4驗(yàn)證地震波的輸入

圖5邊坡絕對(duì)位移云圖(單位：m)

由圖5可知，邊坡位移主要產(chǎn)生于滑帶之上，最大位移產(chǎn)生于泥化夾層頂部出口和坡頂拐點(diǎn)之間，也即最頂部錨索之上區(qū)域。

具體對(duì)位移進(jìn)行分析，采用如下步驟，先由絕對(duì)動(dòng)位移減去山體位移，得出邊坡的相對(duì)動(dòng)位移，利用最小二乘法原理編制MATLAB程序的滑動(dòng)平均法程序，分離出動(dòng)態(tài)位移的永久位移和可恢復(fù)位移[19]。

永久位移反映了滑坡體位移的積累，為了分析其變化過程，作圖6坡面測(cè)點(diǎn)永久位移時(shí)程曲線。由圖6可知，永久位移在地震振動(dòng)的前5 s迅速增大，在5 s～10 s內(nèi)增大速率減小，隨后在10 s～15 s又開始迅速增大，15 s以后永久位移基本趨于穩(wěn)定。位移增大的區(qū)間基本包含輸入加速度較大幅值點(diǎn)t=3 s、11 s。坡頂部測(cè)點(diǎn)13穩(wěn)定后的位移較大，約為88 cm。

圖6邊坡永久位移

分析得出的永久位移與Newmark法得出的永久位移變化規(guī)律較為一致，永久位移呈階梯狀增大，位移增大的區(qū)域基本包含輸入加速度的較大幅值點(diǎn)。

2.3.2 穩(wěn)定性分析

采用強(qiáng)度折減法計(jì)算加固邊坡的安全系數(shù)。圖7是強(qiáng)度折減法所得加固邊坡的破壞臨界位移場(chǎng)。從圖7中可以看出，同樣由于加固結(jié)構(gòu)的施加，邊坡滑體發(fā)生改變，即邊坡可能會(huì)在頂部未加固區(qū)域發(fā)生淺層滑出破壞，但原潛在滑動(dòng)面不會(huì)發(fā)生整體失穩(wěn)破壞。此時(shí)，邊坡整體所得到的安全系數(shù)為2.01。

圖7強(qiáng)度折減法所得邊坡位移場(chǎng)(單位：m)

2.3.3 抗滑樁動(dòng)力響應(yīng)

監(jiān)測(cè)樁背水平位移響應(yīng)，作不同測(cè)點(diǎn)的樁背水平位移時(shí)程曲線，如圖8所示。由上排樁樁背位移響應(yīng)圖可知，樁背水平位移由樁頂往下依次減小，這可能是因?yàn)闃俄敳扛浇淖杩沽^小，在地震過程中，由于土體推力，抗滑樁往臨空面方向旋轉(zhuǎn)。

圖8樁背水平位移

由下排抗滑樁背水平位移響應(yīng)圖可知，下排抗滑樁身不同位置的位移較為一致，這說明在地震過程中樁體發(fā)生整體位移；在地震結(jié)束后，樁體位移基本為零。

2.3.4 錨索動(dòng)力響應(yīng)

由錨索軸力時(shí)程曲線可知，錨索軸力在5 s～35 s內(nèi)的響應(yīng)值較大，在30 s后軸力略有減小并基本趨于穩(wěn)定。由圖9地震前后錨索軸力沿高程的分布圖可知，震前錨索軸力基本沿高程增大，坡頂部錨索達(dá)到了350 kN；震后坡頂部附近錨索軸力較小，坡底部附近錨索軸力較大，在345 kN～370 kN之間，未超過錨索設(shè)計(jì)抗拔力。

圖9錨索軸力分布圖

3 監(jiān)測(cè)效果分析

整治工程于2015年10月竣工，工程效果監(jiān)測(cè)自2015年10月底開始，至2018年底結(jié)束，歷時(shí)共3年。以2016年監(jiān)測(cè)效果為例，重點(diǎn)論述深部位移和支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)。

3.1 深部位移監(jiān)測(cè)效果分析

主剖面2-2′上高程由高到低分布有7#、8#、9#、10#、11#、12#、13#，共7個(gè)深部位移監(jiān)測(cè)孔位用來反映加固后邊坡的穩(wěn)定狀況。

正常監(jiān)測(cè)曲線應(yīng)在預(yù)警值(50 mm)范圍內(nèi)左右擺動(dòng)。統(tǒng)計(jì)出7#監(jiān)測(cè)孔年度最大累積偏移量為27.74 mm(2016-07-01)，且較大的偏移量出現(xiàn)在6月—10月雨量較大的月份，全年數(shù)據(jù)較穩(wěn)定，未出現(xiàn)明顯的波峰波谷型位移值，且所有累積偏移量均小于預(yù)警值。8#監(jiān)測(cè)孔年度最大累積偏移量為43.84 mm(2016-03-18)，小于預(yù)警值50 mm，較大的位移值平均出現(xiàn)在各個(gè)月份之中，無數(shù)據(jù)異常和突變，可反映8#孔所在邊坡區(qū)域處于穩(wěn)定狀態(tài)。

9#監(jiān)測(cè)孔全年最大位移值為35 mm，小于預(yù)警值，且其余位移值均為個(gè)位數(shù)，可反映該監(jiān)測(cè)孔所在邊坡區(qū)域無變形。10#監(jiān)測(cè)孔年度最大累積偏移量為35.62 mm(2016-08-28)，小于預(yù)警值50 mm，較大的位移值更多出現(xiàn)于雨季，數(shù)據(jù)整體無異常和突變，可反映坡體中部區(qū)域處于穩(wěn)定狀態(tài)。

其余監(jiān)測(cè)孔最大累計(jì)偏移量位于20.8 mm～48.0 mm之間，無突變和異常，數(shù)據(jù)保持穩(wěn)定且均小于預(yù)警值，可反映坡體中下部區(qū)域處于穩(wěn)定狀態(tài)。

以上7個(gè)監(jiān)測(cè)孔位的年度數(shù)據(jù)分別反映出邊坡的上部、中部和下部區(qū)域都處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 錨索應(yīng)力監(jiān)測(cè)

1月—4月份錨索鎖定值走勢(shì)繼續(xù)呈微降趨勢(shì)，鋼絞線出現(xiàn)正常松弛現(xiàn)象，總體降幅不大，約5%～10%。進(jìn)入5月份以后，錨索應(yīng)力值開始保持平穩(wěn)，并出現(xiàn)微小上下波動(dòng)，振幅不大。進(jìn)入雨季后，錨索應(yīng)力有微增現(xiàn)象，部分應(yīng)力計(jì)應(yīng)力監(jiān)測(cè)值變大，但增幅亦很小，就總體而言，以平穩(wěn)走勢(shì)為主。

3.3 抗滑樁應(yīng)力監(jiān)測(cè)

自4月份開始，抗滑樁鋼筋出現(xiàn)應(yīng)力調(diào)整現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為受荷段應(yīng)力微減，嵌固段應(yīng)力微增現(xiàn)象。一般受荷段應(yīng)力減小大于嵌固段應(yīng)力增大值。究其原因?yàn)闃逗髱r土體開始緩慢固結(jié)，力學(xué)性質(zhì)好轉(zhuǎn)。進(jìn)入雨季后，抗滑樁應(yīng)力大體維持平衡，應(yīng)力調(diào)整不明顯，僅局部樁位的局部段位有增大趨勢(shì)，尤期是7月份下旬，雨季結(jié)束后應(yīng)力值微降，又恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié) 論

(1) 邊坡加固后在泥化夾層出口附近與坡面之間極薄的區(qū)域由于錨索的加固作用，其水平位移明顯減小。文中對(duì)位移進(jìn)行分解分析，先由絕對(duì)動(dòng)位移減去山體位移，得出邊坡的相對(duì)動(dòng)位移，再根據(jù)已編制的滑動(dòng)平均法程序，將相對(duì)動(dòng)位移分離出可恢復(fù)位移和永久位移。其中可恢復(fù)位移在零附近上下波動(dòng)，在地震結(jié)束后，位移值基本為零；永久位移先隨時(shí)間增大，最后基本趨于穩(wěn)定。

(2) 隨著加固結(jié)構(gòu)的施加，邊坡滑體發(fā)生改變，即邊坡可能會(huì)在頂部未加固區(qū)域發(fā)生淺層滑出破壞，原潛在滑動(dòng)面不會(huì)發(fā)生整體失穩(wěn)破壞。此時(shí)，邊坡整體所得到的安全系數(shù)為2.01。

(3) 錨索軸力在5 s～35 s內(nèi)的響應(yīng)值較大，在30 s后軸力略有減小并基本趨于穩(wěn)定。由地震前后錨索軸力沿高程的分布圖可知，震前錨索軸力基本沿高程增大，坡頂部錨索達(dá)到了350 kN；震后坡頂部附近錨索軸力較小，坡底部附近錨索軸力較大，在345 kN～370 kN之間，未超過錨索設(shè)計(jì)抗拔力。

(4) 通過監(jiān)測(cè)可知，邊坡深部位移、錨索應(yīng)力和抗滑樁鋼筋應(yīng)力均在規(guī)范規(guī)定范圍內(nèi)，邊坡整體穩(wěn)定，治理效果良好。