滑坡考慮抗剪洞加固的抗滑穩(wěn)定分析

姬永尚

（新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，烏魯木齊 830000）

在建水利樞紐工程位于新疆維吾爾自治區(qū)南疆山區(qū)，是一項具有生態(tài)、防洪、灌溉、發(fā)電等綜合利用任務(wù)的水利工程， 是河流山區(qū)河段的控制性水利樞紐工程，屬大（2）型Ⅱ等工程［1］。

大壩下游， 距壩軸線直線距離約780m處右岸岸坡中部分布一古滑坡。 前期勘察針對古滑坡開展了專題研究，根據(jù)勘察試驗成果，結(jié)合規(guī)范和工程經(jīng)驗選取物理力學(xué)參數(shù)進行計算，結(jié)果表明，在天然工況下和Ⅷ度地震工況下古滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)； 考慮降雨影響時，穩(wěn)定性系數(shù)有所降低，在滑帶土完全飽和后部分計算剖面的安全系數(shù)低于1.10， 不能滿足規(guī)范要求。 設(shè)計提出采用抗剪洞加固方案。

1 滑坡基本特征

該古滑坡體是一個典型受結(jié)構(gòu)面控制的順坡型滑坡，為結(jié)構(gòu)面組合滑坡，即底滑面為順片理面的緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)面，上游邊界為傾向NE向的陡傾角斷層，后緣切割面為傾向NW的陡傾角斷層，下游邊界為凹岸臨空面。 滑坡體分布高程2090～2410m，地表面積約28.5萬m2，滑體最大厚度約108m，平均厚度約45.7m，體積約1302萬m3，為特大型深層巖質(zhì)滑坡［2］。滑坡軸線長約550m，前緣寬約610m、中部寬約575m、后緣寬約380m，在平面展布上整體呈扁平的舌形，軸線方向相對較短，垂直軸線方向較寬［2］（圖1）。

圖1 滑坡平面示意圖

滑體從地表向滑面，主要分4個層次，即①粉土層、②塊裂結(jié)構(gòu)的松動巖體及大塊石、③完整、連續(xù)巖體、④滑坡角礫。 其中，滑坡角礫層與滑帶土直接接觸，厚度1.6～22.5m，平均10.4m， 母巖為二云母石英片巖，原巖結(jié)構(gòu)基本被破壞，層狀結(jié)構(gòu)不明顯，呈碎塊石狀，棱角狀，大小石塊與擠壓碎末、細?；祀s， 結(jié)構(gòu)密實。 滑坡角礫層天然狀態(tài)下濕密度為2.23～2.29g/cm3，干密度為2.15～2.19g/cm3，滲透系數(shù)4.6×10-4～2.5×10-3cm/s，飽和狀態(tài)下C值18.5～26.1kPa，ψ值37.0°～38.5°。

滑面（帶）主要受兩組結(jié)構(gòu)面控制，即順層軟弱結(jié)構(gòu)面和NE走向陡傾結(jié)構(gòu)面。 兩組結(jié)構(gòu)面組合形成以順層面為主的階梯形滑面形態(tài)（圖2）。滑帶土厚度一般0.5m左右，巖性為含礫低液限黏土夾黏土質(zhì)礫。深灰～灰綠色，以碎石、泥質(zhì)為主，擠壓緊密，弱膠結(jié)，人工開挖極為困難，多夾滑坡角礫及大塊石透鏡體。根據(jù)室內(nèi)試驗結(jié)果， 滑帶土天然狀態(tài)下濕密度為2.20～2.30g/cm3，干密度為1.98～2.08g/cm3，滲透系數(shù)0.2×10-6～5.2×10-6cm/s。天然狀態(tài)下C值25.8～58.3kPa，平均為39.7kPa，ψ值31.5°～34.0°，平均為32.8°；飽和狀態(tài)下C值21.5～52.6kPa， 平均為34.5kPa，ψ值30.5°～32.5°，平均為31.4°。 根據(jù)原位試驗結(jié)果，天然狀態(tài)C值27.7 ～103.1kPa， 平 均60.2kPa， 小 值 平 均 值 為45.6kPa，ψ值26.0°～30.0°，平均27.7°，小值平均值為26.3kPa；飽和狀態(tài)C值38.5～39.2kPa，平均值38.9kPa，ψ值23.0°～24.0°，平均值23.5°。

圖2 滑坡軸線地質(zhì)剖面圖

滑床巖性為二云母石英片巖，巖體節(jié)理裂隙不發(fā)育，風(fēng)化輕微，新鮮完整。 根據(jù)室內(nèi)巖塊試驗結(jié)果： 巖樣天然密度2.71～2.79g/cm3， 飽和密度2.72～2.80g/cm3； 自然吸水率0.18%～0.24%， 飽和吸水率0.21%～0.27%；單軸干抗壓強度53.8～65.7MPa，飽和抗壓強度37.4～46.3MPa；干抗剪強度C值1.6～2.7MPa，ψ值45.5°～46.0°， 飽和抗剪強度C值1.1～1.6MPa，ψ值43.0°～44.5°。

2 考慮抗剪洞加固的抗滑穩(wěn)定分析

抗剪洞適用于滑動面較為明確的邊坡加固處理，一般沿潛在滑動面走向水平布置，其基本原理是利用置換方式， 將力學(xué)性質(zhì)較差的軟弱夾層置換為抗剪強度高的混凝土或鋼筋混凝土材料， 以提高邊坡的穩(wěn)定性。

在實際工程中， 一般可采用兩種方法模擬抗剪洞對邊坡的加固影響， 其一是根據(jù)軟弱夾層與混凝土的抗剪強度參數(shù)按面積加權(quán)平均的方法， 獲得滑面的綜合強度參數(shù)， 其二是將混凝土作為一種特殊置換材料處理。 本次穩(wěn)定分析對這兩種處理方法分別進行討論。

2.1 面積加權(quán)平均法

與結(jié)構(gòu)面的連通率的定義類似， 考慮軟弱夾層與抗剪洞聯(lián)合作用下的潛在滑面的綜合強度指標的計算公式為：

式中 ca， fa分別為滑面的綜合抗剪強度指標；下標c與r分別為混凝土與潛在滑面的相應(yīng)指標；k為混凝土置換率。

根據(jù)滑坡研究專題資料， 其抗剪強度參數(shù)的地質(zhì)建議值為：

水上：φ=26.5°，c=40 kPa；

水下：φ=24.0°，c=20 kPa。

混凝土的抗剪強度指標為：f=1.1，c=1.5MPa。通過試算可知，當置換率k=0.04時，滑裂面的綜合抗剪強度參數(shù)如表1，相應(yīng)的計算結(jié)果如表2。 從計算結(jié)果可看出，當采用抗剪洞加固處理后，各剖面在不同工況條件下的安全系數(shù)有了較大提高，均滿足規(guī)范要求。

表1 當置換率k=0.04時滑面的綜合強度參數(shù)計算結(jié)果

表2 采用抗剪洞加固后的抗滑穩(wěn)定分析成果

2.2 抗剪洞設(shè)計

根據(jù)面積加權(quán)平均法計算的結(jié)果， 進行抗剪洞設(shè)計。 根據(jù)規(guī)范規(guī)定，抗剪洞宜水平布置，且抗剪洞洞體在滑面上下盤堅硬巖體內(nèi)的嵌固深度不應(yīng)小于3.0m， 以避免潛在滑體沿混凝土與巖體接觸面發(fā)生繞過洞體剪切滑動的可能。

根據(jù)本滑坡的基本情況， 并結(jié)合上述穩(wěn)定分析成果，共布置3排抗剪洞，具體布置為：在高高程的滑裂面范圍內(nèi)布置2排抗剪洞，低高程的滑裂面范圍內(nèi)布置1排抗剪洞， 抗剪洞尺寸為5.0m×6.0m， 城門洞型，如圖2。

2.3 置換材料法

這一方法的基本思想是抗剪洞作為一種材料，將軟弱夾層置換為混凝土材料， 在高程2115，2170，2210m處布置3排抗剪洞（如圖3）。

圖3 采用抗剪洞加固的設(shè)計示意圖

穩(wěn)定分析考慮3個方面：①考慮滑裂面直接由抗剪洞內(nèi)部剪出； ②考慮沿抗剪洞上部的滑坡角礫內(nèi)部剪出； ③考慮沿抗剪洞下部的混凝土與基巖的接觸面剪出。

表3列出了穩(wěn)定分析采用各材料的物理力學(xué)參數(shù)取值情況， 其中滑坡角礫與滑床采用了地質(zhì)建議值， 抗剪洞下部混凝土與基巖的接觸面主要根據(jù)規(guī)范建議取值。

表3 穩(wěn)定分析采用的各材料的物理力學(xué)參數(shù)

表4～表6列出了不同剪出滑動模式條件下，各計算剖面在不同工況條件下的抗滑穩(wěn)定分析成果，圖4～圖6列出了部分計算簡圖。 從計算結(jié)果可看出，分別考慮直接剪切混凝土及沿抗剪洞頂部與底部剪出的滑動模式，各計算剖面在天然狀況下的安全系數(shù)大于1.25， 考慮降雨影響時的安全系數(shù)大于1.10，考慮地震影響時的安全系數(shù)大于1.15，滿足規(guī)范要求。

圖4 2-2剖面考慮沿抗剪洞內(nèi)部剪出的計算簡圖

圖6 2-2剖面考慮沿抗剪洞底部剪出的計算簡圖

表4 考慮沿抗剪洞內(nèi)部剪出的穩(wěn)定分析成果

表5 考慮沿抗剪洞頂部剪出的穩(wěn)定分析成果

表6 考慮沿抗剪洞底部剪出的穩(wěn)定分析成果

圖5 2-2剖面考慮沿抗剪洞頂部滑坡角礫剪出的計算簡圖

3 結(jié)語

針對滑帶土完全飽和工況下， 滑坡部分計算剖面的安全系數(shù)低于規(guī)范要求， 本次結(jié)合前期勘察中已查明的滑體、滑面（帶）及滑床等滑坡體結(jié)構(gòu)特征，采用抗剪洞加固處理。 通過兩種分析方法對抗剪洞加固效果進行計算分析，結(jié)果表明，采用置換材料法的穩(wěn)定分析成果略大于面積加權(quán)平均法， 但相差不大，均大大提高了滑坡體穩(wěn)定性系數(shù)，即采用抗剪洞加固處理措施對滑坡抗滑穩(wěn)定是有效的。