高橋滑坡成因及治理措施研究

翟承暢

（1、合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥230009 2、安徽省淠史杭灌區(qū)管理總局，安徽 六安237005）

1 背景

高橋滑坡是安徽省淠史杭灌區(qū)淠河總干渠干渠渠道K83+860～K84+120 段，位于肥西縣官亭鎮(zhèn)境內(nèi)，隸屬于淠河總干渠官亭分局管理。共有4 處小型滑坡組成，渠道左、右岸各分布有2 處。原有干砌石護(hù)坡?lián)p毀嚴(yán)重，左岸滑坡段最大坡長(zhǎng)30m，最大滑床埋深約5.2m；右岸最大坡長(zhǎng)32m，最大滑床埋深約3.7m?；掠袛U(kuò)大發(fā)展的趨勢(shì)，雖然在汛期做了簡(jiǎn)單的應(yīng)急處理（加蓋雨布等），但是不能解決實(shí)質(zhì)性的問(wèn)題，存在極大的安全隱患。2018 年，根據(jù)淠史杭灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造工程建設(shè)安排，高橋滑坡治理工程于2018-2019 年正式實(shí)施。

2 滑坡成因

滑坡地段地貌單元屬丘陵，微地貌屬崗地。渠高10～15m，坡角15～25°左右。因開(kāi)挖渠道，渠頂堆填1～3m 厚的人工素填土，坡體填土厚1～2m。高橋左岸1#滑坡治理前處于蠕變階段，僅局部發(fā)生滑動(dòng)破壞，該處滑坡沿坡面發(fā)育拉張裂隙，裂隙長(zhǎng)50m 左右，裂隙寬5～20cm、最大寬30cm。沿裂隙，地表土體局部有塌落解體現(xiàn)象，塌落陡坎高20～50cm。

2.1 土質(zhì)特性

渠道邊坡土體主要為膨脹粘土及人工素填土（填土成分亦主要為膨脹粘土），其失水干裂、遇水易軟化和膨脹，使土體強(qiáng)度降低。位于斜坡上的膨脹粘土易受風(fēng)化作用、渠水位變化、地下水浸潤(rùn)作用等影響，土體裂隙發(fā)育、強(qiáng)度降低，形成了斜坡土體的二元結(jié)構(gòu)，沿軟弱結(jié)構(gòu)面易于形成順層滑坡。土質(zhì)條件是滑坡形成的內(nèi)因。

滑坡巖土體可分為3 個(gè)工程地質(zhì)層，分述如下：素填土、粘土以及強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。素填土自由膨脹率一般51～52%，具弱膨脹潛勢(shì)，是滑坡體的主要巖土組成，滲透系數(shù)一般4.10×10-6～9.85×10-5cm/s，平均值4.04×10-5cm/s，屬弱透水層；粘土揭露層厚0.40～8.80m（坡腳處厚度較薄），自由膨脹率一般44～57%，具弱～中等膨脹潛勢(shì)，分布普遍，滲透系數(shù)一般5.49×10-8～1.26×10-7cm/s，平均值8.88×10-8cm/s，屬極微透水層；強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖揭露層厚2.10m（未揭穿），層頂埋深1.10～7.80m，坡腳處基巖埋藏較淺，該層土強(qiáng)度較高，分布普遍，巖土工程條件總體較好，滲透系數(shù)一般5.0×10-5cm/s，屬弱透水層。

2.2 邊坡條件

渠道切嶺開(kāi)挖之初，由于臨空面的存在，將產(chǎn)生膨脹回彈，導(dǎo)致坡體內(nèi)土應(yīng)力重新分布。隨后出現(xiàn)了坡面的應(yīng)力集中現(xiàn)象或可能的拉應(yīng)力帶的出現(xiàn)，在坡體上部造成原風(fēng)化裂隙的加深，形成具有繼承性的豎向減荷裂隙，加上水的不利作用，土體的強(qiáng)度逐漸退化降低。這種應(yīng)力狀態(tài)的變化先沿著軟弱結(jié)構(gòu)面形成和開(kāi)展塑性區(qū)，或延伸擴(kuò)大軟弱結(jié)構(gòu)面。

2.3水的作用

滑坡處地下水及地表水均不發(fā)育，但坡頂附近區(qū)域尚有農(nóng)田灌溉用水等補(bǔ)給水源存在。斜坡坡面膨脹性土體表面因強(qiáng)度降低，受降雨等地表滲流影響，坡面土體產(chǎn)生水土流失現(xiàn)象，致使坡面排水不暢。坡體修筑的排水溝，多已損壞，起不到排水作用，反而為地表水的入滲創(chuàng)造了條件。入滲的大氣降水及地表水遇坡體下部②層粘土（隔水層）阻隔，長(zhǎng)期于上部土體裂隙中運(yùn)移、浸潤(rùn)，使土體裂隙面抗剪強(qiáng)度降低，沿裂隙易于形成滑坡。渠底斜坡處修筑的護(hù)面，未留泄水孔，不利于坡體中上層滯水的排泄。

3 治理措施比選

根據(jù)灌區(qū)滑坡治理經(jīng)驗(yàn)，對(duì)高橋左岸1#滑坡進(jìn)行削坡減載結(jié)合抗滑樁方案、框格土釘墻及水泥土換填三個(gè)方案進(jìn)行比較。

3.1 工程技術(shù)方面

3.1.1 水泥土換填。通過(guò)削減主滑區(qū)的部分土體，并挖去滑動(dòng)土體，回填水泥土置換處理，從而改善滑動(dòng)體的物理和化學(xué)性質(zhì)，提高土體的抗剪強(qiáng)度，減小其下滑力。該方案施工工藝簡(jiǎn)單，適于機(jī)械化施工，工期短，治理后效果較好，有成功經(jīng)驗(yàn)。但是土方開(kāi)挖工程量大，開(kāi)挖過(guò)程中上部土體易坍塌，棄土多，占用臨時(shí)征地多。

3.1.2 抗滑樁。在滑體內(nèi)設(shè)置抗滑樁，在渠底原狀土內(nèi)設(shè)置鎮(zhèn)腳，樁與鎮(zhèn)腳間用撐梁連接，利用抗滑樁的支擋作用以阻止滑動(dòng)體的繼續(xù)下滑。其優(yōu)點(diǎn)是樁位設(shè)置比較靈活，土方開(kāi)挖工程量比較小，對(duì)原狀滑體擾動(dòng)小，施工簡(jiǎn)便，施工期短，效果顯著。但工程投資比較大，對(duì)塑流性土體效果比較差，土體容易從抗滑樁中間滑出。

3.1.3 土釘墻。通過(guò)在土體中設(shè)置鋼筋土釘，靠土釘拉力維持邊坡穩(wěn)定的擋土結(jié)構(gòu)。通過(guò)鋼筋等高強(qiáng)度長(zhǎng)條材料對(duì)原位土體進(jìn)行加固，從而提高原位土體的“視凝聚力”及其強(qiáng)度，使被加固土體形成了性質(zhì)與原來(lái)大為不同的復(fù)合材料“視重力式擋土墻”，用以提高整個(gè)邊坡的穩(wěn)定性。該方案結(jié)構(gòu)輕巧、有柔性；施工設(shè)備輕便簡(jiǎn)單、靈活，操作方便；所需場(chǎng)地小，工人勞動(dòng)強(qiáng)度低，工程造價(jià)低。但對(duì)土質(zhì)要求較高，在地下水較發(fā)育或邊坡土質(zhì)松散時(shí)，可靠度低，治理效果難保證。

3.2 工程經(jīng)濟(jì)方面

根據(jù)以上方案對(duì)其主要工程項(xiàng)目進(jìn)行工程造價(jià)計(jì)算，其中抗滑樁方案：抗滑樁、撐梁、拱圈以及鎮(zhèn)腳部分合計(jì)17.71 萬(wàn)元；土釘墻方案：土釘墻鉆孔錨固注漿及錨筋制安、框格梁及其鋼筋制安兩大部分合計(jì)79.21 萬(wàn)元；水泥土換填：116.15 萬(wàn)元。經(jīng)過(guò)以上的分析，最終選擇削坡減載抗滑樁方案對(duì)左岸1#滑坡進(jìn)行治理。

4 治理措施研究

4.1 Geo-studio 穩(wěn)定性分析介紹

邊坡穩(wěn)定性分析方法的研究主要有兩種：極限平衡法和數(shù)值分析法。曾亞武等人在對(duì)某一邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)將兩種方法結(jié)合對(duì)簡(jiǎn)單邊坡穩(wěn)定性分析是可行的。根據(jù)高橋左岸1#滑坡的情況，本文將采用數(shù)值分析法分析邊坡的滲流情況，再根據(jù)滲流結(jié)果對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

Geo-Studio 軟件用于地質(zhì)工程和地質(zhì)環(huán)境模擬計(jì)算的仿真軟件。它主要是由八個(gè)模塊構(gòu)成，本文采用Geo-Studio 2018 R2中的SLOPE / W（斜坡穩(wěn)定性分析）和SEEP/W（地下水滲流分析）兩個(gè)模塊進(jìn)行穩(wěn)定性分析計(jì)算。

4.2 計(jì)算結(jié)果

4.2.1 正常工況。在滑坡治理前，以滑坡的常遇水位（46.63m）無(wú)降雨時(shí)為正常工況，對(duì)滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。首先在SEEP/W 分析中輸入地下水位線，再新建一SLOPE/W 分析，根據(jù)滲流分析的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行穩(wěn)定性分析。得到滑坡治理前的安全系數(shù)為0.812。

在滑坡治理后對(duì)其正常工況分析計(jì)算，得到滑坡治理后的安全系數(shù)為1.366。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，滿足安全運(yùn)用條件。

4.2.2 降雨工況。降雨入滲是一個(gè)水氣二相流耦合的非飽和滲流過(guò)程。同飽和土體一樣，非飽和土體滲流也滿足達(dá)西定律。非飽和土體滲流二維微分方程如下所示：

式中：x 為水平方向，z 為垂直方向；hm為基質(zhì)吸力水頭；k為非飽和土滲透系數(shù)函數(shù)；C 為土水特征曲線的斜率；t 為時(shí)間。

上述方程的定解為初始條件和邊界條件。其初始條件為：

對(duì)于堤防工程的滲流邊界條件有兩類組成：第一類是上下游水位和自由滲出面等已知水頭，第二類是流量邊界，其中不透水邊界視為特殊的第二類邊界。

其中第一類邊界Γ1：

第二類邊界Γ2：

式中：n 為邊界面外法向，kn為邊界面外法向n 上的滲透系數(shù)。

在Geo-Studio 的瞬態(tài)滲流分析中可以繪制多種邊界條件，不同的邊界條件也對(duì)應(yīng)著不同的入滲情況。在強(qiáng)降雨情況下，雨水不能完全入滲到土體之中，土體存在飽和- 非飽和狀態(tài)。因此在做滲流分析時(shí)，參考了李全文等人的研究結(jié)果，即當(dāng)降雨強(qiáng)度小于飽和滲透系數(shù)時(shí)，設(shè)置為單位流量邊界；而降雨強(qiáng)度大于飽和滲透系數(shù)時(shí)，設(shè)置為壓力水頭邊界。

根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50288-99）確定灌排建筑物、灌溉渠道設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)。工程級(jí)別為2 級(jí)的淠河總干渠渠道及其附屬建筑物工程，其設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 年一遇。據(jù)文獻(xiàn)，合肥站50 年一遇的24 小時(shí)設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度203.46mm。因此本文選用降雨強(qiáng)度210mm/d 對(duì)左岸1#邊坡治理前后的邊坡穩(wěn)定性分析進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如下圖1 所示。根據(jù)圖中安全系數(shù)變化可以發(fā)現(xiàn)，在滑坡治理前，邊坡的安全系數(shù)隨著降雨時(shí)長(zhǎng)的增加而減小，由于降雨強(qiáng)度比較大，土體很快飽和，邊坡的安全系數(shù)也降低到最低值。而對(duì)治理后的邊坡來(lái)說(shuō)，隨著降雨的持續(xù)，邊坡的安全系數(shù)未發(fā)生明顯的變化。說(shuō)明削坡減載結(jié)合抗滑樁的治理措施對(duì)50 年一遇的24 小時(shí)設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度情況下效果較為明顯。

圖1 降雨工況下滑坡治理前后穩(wěn)定性比較

4.3 結(jié)果分析

根據(jù)對(duì)高橋滑坡左岸1#滑坡治理前后的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，比較其正常工況和降雨工況下邊坡穩(wěn)定性的變化，結(jié)果根據(jù)規(guī)范要求，結(jié)果表明治理后的邊坡穩(wěn)定性滿足安全運(yùn)行條件，采用削坡減載結(jié)合抗滑樁的治理措施是合理可行的。

5 結(jié)論

采用Geo-studio 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬對(duì)滑坡的穩(wěn)定性進(jìn)行比較只能作為理論上的討論。在利用Geo-studio 進(jìn)行建模時(shí)為方便計(jì)算也進(jìn)行了一些簡(jiǎn)化，而實(shí)際情況要比模型更為復(fù)雜：

5.1 由于地質(zhì)勘探報(bào)告中未對(duì)地下水位進(jìn)行描述，在滲流分析中地下水位線是擬定的，未經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)得，因此與實(shí)際情況存在出入；

5.2 本文在降雨工況下，只討論了降雨強(qiáng)度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的變化，為考慮到強(qiáng)降雨時(shí)，渠道水位的變化以及坡頂補(bǔ)給水源對(duì)降雨入滲的影響。因此，對(duì)于強(qiáng)降雨下的邊坡穩(wěn)定性還需要進(jìn)一步分析；

5.3 利用Geo-studio 軟件對(duì)治理措施的合理可行是理論上的，而對(duì)于治理措施的效果還需要對(duì)邊坡進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)。