恩施新塘高坎子二次滑坡穩(wěn)定性分析與工程防治方案優(yōu)選

周海清, 肖 前, 彭 岳, 李 燦, 邱 瓊

(1. 重慶科技學(xué)院, 重慶 401331; 2. 中建隧道建設(shè)有限公司, 重慶 401147; 3. 中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心, 四川 綿陽(yáng) 621000)

滑坡的誘發(fā)因素主要是地震[1]、降雨[2]和人類工程活動(dòng)[3],湖北省恩施地區(qū)地處鄂西南山區(qū),區(qū)內(nèi)年均降水量1 100 mm,6、7月為降雨高峰期,多連續(xù)大雨與大暴雨,導(dǎo)致滑坡地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生[4-7].鄂西南山區(qū)地殼呈間歇性抬升,強(qiáng)烈的地殼作用孕育了潛在的滑坡,根據(jù)陳君等[8]的調(diào)查發(fā)現(xiàn)鄂西南山區(qū)主要地質(zhì)災(zāi)害計(jì)274處,主要分布在清江及支流沿岸.戴強(qiáng)等[5]通過對(duì)恩施地區(qū)地理概況、水文地質(zhì)條件、降雨情況及人為因素的分析,探討了恩施地區(qū)頻發(fā)滑坡的原因.鄂西南山區(qū)絕大多數(shù)滑坡由降雨誘發(fā),處于變形發(fā)展階段或不穩(wěn)定狀態(tài)的滑坡高達(dá)98%.杉樹槽滑坡是較為典型的降雨誘發(fā)滑坡[9],該滑坡為降雨誘發(fā)的典型順層基巖滑坡;大仁煙村滑坡為典型的階地型降雨滑坡[10].

新塘鄉(xiāng)下塘壩村高坎子斜坡在經(jīng)受連續(xù)幾日的強(qiáng)降雨后,于2016年7月21日發(fā)生滑坡,當(dāng)日下午前部滑體已整體滑移,后緣裂縫由初始的毫米級(jí)迅速增大到數(shù)十厘米,中部裂縫增大到數(shù)十米,且房屋開始垮塌,該滑坡變形速度較快.通過對(duì)后緣裂縫的監(jiān)測(cè),22、23日裂縫變形量分別為0～2 mm和0～1 mm,監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映滑坡后緣變形速度趨緩.

滑坡造成近100人受災(zāi),多處房屋倒塌或嚴(yán)重變形,滑坡區(qū)公路破壞,發(fā)生斷裂沉陷,農(nóng)田大面積損毀,造成經(jīng)濟(jì)損失1 200萬元[11].

1 滑坡概況

滑坡位于清江“水布埡”庫(kù)區(qū)右岸的高陡懸崖頂部,近南北向沖溝東側(cè)斜坡地段.滑坡平面示意圖如圖1所示,該圖上方為正南方.該滑坡為土體滑坡,滑體的后續(xù)運(yùn)動(dòng)方式為土體呈塑性流直接墜入清江和經(jīng)左側(cè)深切溝谷呈泥石流注入清江.滑坡平面形態(tài)近似撮箕形,左側(cè)邊界為近南北走向深切溝谷,右側(cè)邊界為近東西走向陡崖;前緣處于北西向山梁下部基巖與第4系接觸帶,后緣以北西向山梁上部連續(xù)的弧形裂縫為界.

滑坡平均縱長(zhǎng)約350 m,平均橫長(zhǎng)約500 m,面積約18萬m2,平均厚度20 m,體積320萬m3.主滑方向約310°,后緣高程765 m,前緣高程575 m,高差190 m.滑體為第4系黃色粉質(zhì)黏土,含碎石、塊石, 滑帶為第4系與基巖接觸帶,厚度0.2～0.5 m,物質(zhì)構(gòu)成為第4系粉質(zhì)黏土、含碎石、塊石,滑床為大冶組中層、厚層灰?guī)r,巖層頂面具有一定起伏.

圖1 滑坡平面分布
Fig.1 Landslide plane distribution

滑坡分為前部和中后部2個(gè)區(qū)段,大致以中部緩坡平臺(tái)為界,前部區(qū)段滑體已滑移進(jìn)入清江,表面殘留土層厚度一般為0～3 m,局部8 m,中后部土體開裂、錯(cuò)臺(tái)變形嚴(yán)重,后緣裂縫基本貫通,產(chǎn)生大型土體滑坡的可能性較大.因此,非常有必要對(duì)該滑坡中后部進(jìn)行穩(wěn)定性分析,并據(jù)此提出有效的防治措施.

2 中后部滑坡變形特征

中后部滑體顯推移式特征,裂縫較為發(fā)育,主要變形破壞特征表現(xiàn)為房屋傾倒、道路損毀及農(nóng)田裂縫發(fā)育.靠近滑坡后緣位置,拉張裂縫較為發(fā)育,裂縫總體走向?yàn)?0°～40°,主要沿著沿向4～11房屋坐落的低矮山脊展布,拉裂縫寬10～100 cm不等,可見深度0.5～1.5 m.同時(shí)由于后部滑移變形,在坡體后緣位置形成一較大陡坎,陡坎貫穿滑坡后部部分農(nóng)田,并使主要交通道路產(chǎn)生錯(cuò)斷破壞并發(fā)育有多條拉裂縫,道路一側(cè)的擋墻也出現(xiàn)了拉裂縫,8～12房屋處一條北偏東45°的道路上形成三十幾條近于平行的裂縫,與道路走向近于垂直,延伸長(zhǎng)度約為2 m;15～17房屋處一條北偏東70°的道路,主要變形破壞為拉斷破壞,道路局部位置損毀嚴(yán)重.道路破壞示意圖見圖2.

圖2 道路破壞Fig.2 Road damage

3 穩(wěn)定性分析

依據(jù)滑坡物質(zhì)形態(tài)及其變形破壞特征,新塘滑坡分為前部滑坡和中后部滑坡 ,整個(gè)坡滑體土結(jié)構(gòu)松散,滲透性較強(qiáng),而滑帶土滲透性較弱,強(qiáng)度較低.其中前部滑坡目前已發(fā)生整體滑動(dòng),但滑面以上堆積層結(jié)構(gòu)松散,強(qiáng)度較低,后緣處發(fā)育多處拉張裂縫,其后緣陡坎前緣臨空的地形在一定條件,尤其降雨條件下極可能再次發(fā)生滑動(dòng),安全穩(wěn)定系數(shù)可能小于1.中后部滑坡后緣產(chǎn)生較大位移形成了后緣陡坎,該區(qū)域滑坡中部發(fā)育多處拉張裂縫產(chǎn)生一定位移,在滑坡前緣平臺(tái)處形成阻滑帶,導(dǎo)致滑動(dòng)面未能貫通,一定程度上阻止了滑坡的進(jìn)一步破壞,在阻滑帶發(fā)育多處鼓張裂縫,在降雨條件下,滑坡的穩(wěn)定性較差,安全穩(wěn)定系數(shù)極有可能小于1,隨時(shí)可能發(fā)生滑動(dòng).

3.1 計(jì)算方法

根據(jù)室內(nèi)資料分析和野外現(xiàn)場(chǎng)勘探結(jié)果,新塘滑坡滑動(dòng)面均呈折線形,對(duì)于滑動(dòng)面為折線形的堆積層滑坡宜用傳遞系數(shù)法進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)[12-13],其穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算見式(1),計(jì)算過程考慮動(dòng)水壓力,不考慮地震力的作用.滑坡剖面計(jì)算分塊示意圖如圖3所示.

(1)

式中:Fs為穩(wěn)定系數(shù);Ri為第i塊滑動(dòng)面的抗滑力,kN;ψj為第i塊滑動(dòng)面剩余下滑力傳遞至i+1塊的傳遞系數(shù);Ti為第i塊滑動(dòng)面上的滑動(dòng)分力,kN.

3.2 計(jì)算工況及參數(shù)

由于恩施地區(qū)地震設(shè)防烈度小于6度,因此不考慮地震對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響.鑒于強(qiáng)降雨期間滑坡變形破壞跡象明顯,整體處于欠穩(wěn)定狀態(tài),局部處于不穩(wěn)定狀態(tài),降雨條件下極易產(chǎn)生整體失穩(wěn).由此可知滑坡為典型的降雨型滑坡,滑坡的整體穩(wěn)定性與降雨強(qiáng)度密切相關(guān),故本次穩(wěn)定性驗(yàn)算考慮以下2種工況.

工況1: 考慮滑體自重.

工況2: 同時(shí)考慮滑體自重和50 a一遇暴雨.

整個(gè)滑坡體上,基本載荷主要為滑體自重,在具體計(jì)算中,對(duì)于地下水位面以上的滑體取天然重度,地下水位面以下的滑體取浮重度.工程地質(zhì)勘查表明,滑體土主要為滲透性較強(qiáng)的碎石土,降雨入滲能在滑坡體內(nèi)形成穩(wěn)定的滲流場(chǎng).因此,計(jì)算時(shí)除了要考慮孔隙水壓力對(duì)滑面產(chǎn)生的浮托力外,還應(yīng)考慮降雨在滑體內(nèi)產(chǎn)生的滲透壓力對(duì)滑體穩(wěn)定性的影響,在具體計(jì)算中主要通過抬升地下水位線增大滑體內(nèi)的滲透壓力,以及滑體的重度來得以體現(xiàn),由于暴雨期間地下水位線難以精準(zhǔn)確定,故本次穩(wěn)定性計(jì)算對(duì)滑體內(nèi)地下水位的估算主要通過地表宏觀變形分析結(jié)合滑坡區(qū)的水文地質(zhì)條件,以及觀測(cè)地下水位線進(jìn)行綜合確定.主要計(jì)算參數(shù)見表1.

表1 主要巖土計(jì)算參數(shù)Table 1 Main geotechnical calculation parameters

注: 括號(hào)內(nèi)數(shù)據(jù)為飽和工況下的參數(shù).

3.3 計(jì)算結(jié)果及分析

利用前述建立的滑坡穩(wěn)定性計(jì)算方法、計(jì)算工況及確定的穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù),利用傳遞系數(shù)法計(jì)算得中后部在工況1時(shí)穩(wěn)定性系數(shù)為1.262,滑坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài).在工況2時(shí)滑坡穩(wěn)定性系數(shù)為0.991,滑坡整體處于不穩(wěn)定狀態(tài), 其穩(wěn)定性系數(shù)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)工況下的穩(wěn)定性安全儲(chǔ)備系數(shù)1.150.在工況2期間的地表變形多系滑坡蠕滑或強(qiáng)烈變形所致,各典型計(jì)算剖面的穩(wěn)定性系數(shù)變化不大,滑坡體在遭遇強(qiáng)降雨之后,各計(jì)算剖面段附近的地表變形破壞跡象明顯,變形破壞程度大體相當(dāng),主滑剖面段的破壞程度較兩側(cè)稍強(qiáng)烈,與該工況下的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果基本吻合.

雖然工況1下中后部滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài),但是一旦遭受強(qiáng)降雨,滑坡極有可能再次滑動(dòng),進(jìn)一步危及村民的財(cái)產(chǎn)安全,因此,有必要在滑坡治理中采取一定的抗滑支擋措施.

4 工程防治方案優(yōu)選

新塘滑坡治理工程應(yīng)根據(jù)滑坡形態(tài)特征、滑體厚度及滑坡推力曲線等特點(diǎn),選擇安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行、施工方便的各種整治方案[14].

中后部滑坡變形明顯,規(guī)模大,在降雨條件下失穩(wěn)可能性極大,宜采用抗滑樁支擋等有效手段進(jìn)行支擋;而前部滑坡由于大部體積已經(jīng)滑動(dòng),因此主要采取擋墻以擋為主的方法.

同時(shí)根據(jù)穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算結(jié)果分析可知, 降雨是誘發(fā)滑坡發(fā)生的關(guān)鍵因素, 其對(duì)滑坡整體穩(wěn)定性影響較大. 由滑坡敏感性分析成果可知滑帶土抗剪強(qiáng)度對(duì)滑坡穩(wěn)定性影響較大,而降雨又是引起滑帶土抗剪強(qiáng)度降低的關(guān)鍵因素. 因此,在滑坡治理設(shè)計(jì)中應(yīng)注重地表排水工程及地下排水工程的布置, 以防止雨水下滲及雨水對(duì)坡面的沖刷作用.

為了對(duì)滑坡進(jìn)行綜合防治,進(jìn)行防治方案設(shè)計(jì)與比選.

4.1 方案Ⅰ

該方案采取兩排抗滑樁+擋墻+裂縫回填+地表截排水+監(jiān)測(cè)的綜合治理措施,具體如下.

1) 抗滑樁工程.考慮到新塘滑坡屬于大型滑坡,且滑坡前緣存在沖溝,根據(jù)抗滑樁支擋工程布置原則,同時(shí)結(jié)合新塘滑坡實(shí)際工程地質(zhì)條件,擬在合適位置分段設(shè)置兩排抗滑樁.具體參數(shù)見表2,抗滑樁設(shè)置位置見圖4.

表2 方案Ⅰ抗滑樁設(shè)計(jì)參數(shù)Table 2 Scheme Ⅰ anti-slide pile design parameters

2) 擋墻工程.根據(jù)擋墻支擋工程布置原則,結(jié)合滑坡實(shí)際工程地質(zhì)條件及滑坡剩余下滑力曲線,在前部前緣距離清江約35 m處設(shè)置一排擋土墻,防止雨水沖刷將泥土帶入清江;在滑坡前部后緣平臺(tái)處設(shè)置一排擋土墻,用來阻擋滑坡前緣的變形.設(shè)計(jì)參數(shù)見表3,擋墻設(shè)計(jì)剖面圖見圖5.

圖4 抗滑樁設(shè)計(jì)剖面Fig.4 Anti-slide pile design profile

圖5 擋墻設(shè)計(jì)剖面Fig.5 Profile of retaining wall design

表3 擋墻參數(shù)Table 3 Retaining wall parameters

注: 該擋墻布置在前部滑坡前緣,主要作用是防止流水侵蝕坡腳,均采用直立重力式擋墻.

3) 截排水工程.根據(jù)滑坡區(qū)邊界特點(diǎn)及滑坡實(shí)際的工程地質(zhì)條件,在滑坡后緣、中后部設(shè)置截水溝,沿滑坡區(qū)自然沖溝設(shè)置排水溝.特別加強(qiáng)滑坡體內(nèi)截排水溝的設(shè)計(jì),以攔截滑坡區(qū)外的地表水,排泄滑坡區(qū)內(nèi)的地表水,排水溝出口與截水溝相連,與原有排水系統(tǒng)相連,從而構(gòu)成一套完整的地表截排水系統(tǒng).

4) 裂縫回填工程.針對(duì)滑坡中后部的拉裂縫,采用回填工程處理.回填土選用滲透性差的黏土,每回填0.5 m進(jìn)行一次人工壓實(shí)處理.并對(duì)回填區(qū)的坡形進(jìn)行修正,使其與原地形契合.坡形修正完畢后,種植具有一定固土作用的植被.

4.2 方案Ⅱ

該方案采取削坡壓腳+抗滑樁+擋墻+地表截排水的綜合治理措施,具體如下.

1) 削坡壓腳工程.削方減載工程主要是對(duì)滑坡中部邊坡不穩(wěn)定體、破壞嚴(yán)重及坡度較陡部分進(jìn)行削方處理,考慮該處為農(nóng)田,應(yīng)在保護(hù)農(nóng)田耕種的基礎(chǔ)上對(duì)坡體進(jìn)行削坡.同時(shí)為更好地對(duì)坡體起到防治作用,將削坡的土方壓在坡體剪出口,增大阻抗滑力,提高坡體穩(wěn)定性.

2) 抗滑樁支擋工程.由于對(duì)現(xiàn)有農(nóng)田進(jìn)行整治之后滑坡的剩余下滑力還很大,并不能達(dá)到對(duì)滑坡治理的目標(biāo),根據(jù)抗滑樁支擋工程布置原則,結(jié)合新塘滑坡實(shí)際工程地質(zhì)條件及滑坡剩余下滑力曲線,擬在合適位置設(shè)置一排抗滑樁阻擋坡體下滑,設(shè)計(jì)參數(shù)見表4,抗滑樁設(shè)置位置見圖6.

表4 方案Ⅱ抗滑樁設(shè)計(jì)參數(shù)Table 4 SchemeⅡanti-slide pile design parameters

圖6 方案Ⅱ設(shè)計(jì)剖面Fig.6 Profile of scheme Ⅱ design

方案Ⅱ的擋墻工程與地表截排水工程同方案 Ⅰ.

4.3 方案比選

針對(duì)2種治理方案進(jìn)行多方面比選,如表5所示,方案Ⅰ比方案Ⅱ多投資1 500萬元.從施工來看,方案Ⅰ雙排抗滑樁施工難度較大,施工工期較長(zhǎng),成本過高;方案Ⅱ施工難度較小,工期較短,成本較低.方案Ⅱ采用的單排抗滑樁、削坡壓腳和截排水措施對(duì)當(dāng)?shù)鼐用竦纳?cái)產(chǎn)不會(huì)造成較大的影響,保護(hù)修整現(xiàn)有農(nóng)田,且當(dāng)?shù)鼐用褚苍敢夥e極配合防治工程的實(shí)施.

表5 方案對(duì)比Table 5 Scheme comparison

通過上述分析,結(jié)合新塘滑坡的具體情況,綜合考慮新塘滑坡防治工程的技術(shù)合理性、有效性,以及該處施工條件和施工難易程度及工藝要求,推薦新塘滑坡防治工程采用方案Ⅱ.

5 結(jié) 論

1) 通過傳遞系數(shù)法定量分析,發(fā)現(xiàn)中后部滑坡在天然狀況下處于穩(wěn)定狀態(tài),在50年一遇暴雨工況下,穩(wěn)定性系數(shù)為0.991,不滿足穩(wěn)定性要求,有可能發(fā)生整體失穩(wěn),需要對(duì)其采取防治措施.

2) 新塘滑坡中后部滑坡變形明顯,規(guī)模大,宜采用抗滑樁支擋等有效手段進(jìn)行支擋,前部滑坡由于大部體積已經(jīng)滑動(dòng),因此主要采取擋墻以擋為主的方法.

3) 針對(duì)新塘滑坡提出2套治理方案,方案Ⅰ為抗滑樁與擋墻及截排水方案,方案Ⅱ?yàn)橄髌抡?、抗滑樁與擋墻及截排水方案.從費(fèi)用預(yù)算、施工難度和適用性綜合比選最終推薦方案Ⅱ.