田 飛,郭山峰,曹 磊
(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第五地質(zhì)勘查院,河南 鄭州 450001)
2017年10月初,“G344國道在嵩縣閆溝村K83段公路發(fā)生滑坡,涉及公路長(zhǎng)度130 m,滑體分布在斜坡坡面上,近橢圓形,寬125 m、長(zhǎng)100 m,滑動(dòng)方向125°。自從滑坡體初次滑動(dòng)至應(yīng)急勘查前,一直不穩(wěn)定,在滑坡體北部段,沿后緣豎直裂縫繼續(xù)往下滑動(dòng),垂直位移和水平位移變化均較大。截止2017年10月30日,滑坡體在平面上為橢圓形,長(zhǎng)軸124.0 m,長(zhǎng)軸方向?yàn)?7.0°,短軸75.0 m,面積7354.0 m2。滑坡體滑坡變形嚴(yán)重區(qū)標(biāo)高541~570 m,高差29 m,在后緣原為水平路面上的裂縫垂直下移3.25 m,水平擴(kuò)張距離1.37 m,滑向?yàn)?25.0°;前緣呈階梯的坡面上分布多條拉張裂縫,在滑坡體兩側(cè)可見明顯的開裂與土體鼓脹變形?;麦w厚度14~29 m,平均厚度21.5 m,體積158 111 m3?;麦w現(xiàn)狀仍處于不穩(wěn)定狀態(tài),為劇烈變形狀態(tài),平均滑移速率為2~3 cm/d。
應(yīng)急勘查工作前期為資料收集,并在完成資料初步分析基礎(chǔ)上,進(jìn)行地形測(cè)繪、地質(zhì)和工程地質(zhì)測(cè)量、工程地質(zhì)鉆探、巖土樣采集分析等各專業(yè)開展勘查工作,通過前期調(diào)查對(duì)閻溝垴滑坡形成條件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)研判。
根據(jù)應(yīng)急勘查需要,對(duì)滑坡布置一主三輔地質(zhì)剖面線,3個(gè)主控孔,2個(gè)一般孔,3個(gè)工程地質(zhì)驗(yàn)證孔,單孔深度為20~40 m??刂瓶字饕贾迷诨麦w中部,一般地質(zhì)孔布置在滑坡的上下游滑床區(qū),補(bǔ)充工程地質(zhì)鉆孔布置在滑坡后緣。
工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查點(diǎn)主要調(diào)查地形地貌特征,地層時(shí)代、巖性、結(jié)構(gòu)、裂隙發(fā)育特征以及構(gòu)造裂隙、軟弱夾層、巖性接觸界面等各結(jié)構(gòu)面組合特征及第四系地層時(shí)代、成因類型、巖性、結(jié)構(gòu)等。
標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)與鉆探同步進(jìn)行,對(duì)ZK1~ZK5鉆孔上部土層分別每孔各做標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)1組,并對(duì)ZK4孔下部泥巖做標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)1組。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)N63.5可確定土層的狀態(tài)和承載力標(biāo)準(zhǔn)值。
2.6.1 土樣采集與試驗(yàn)
土樣全部采集原狀土,采集的樣品迅速密封避光保存,單組樣品采集量必須滿足試驗(yàn)室要求。根據(jù)測(cè)試結(jié)果,區(qū)內(nèi)第四系巖性基本為粉質(zhì)粘土,可塑,均為中等壓縮性粘性土。
表1 標(biāo)貫試驗(yàn)一覽表
2.6.2 巖樣采集與試驗(yàn)
巖樣采集為ZK2、ZK4、ZK5鉆孔巖芯巖石,巖性為泥巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖,柱狀,單組長(zhǎng)度20~30 cm。采集巖樣為了解應(yīng)急勘查區(qū)巖體的天然抗壓強(qiáng)度及飽和抗壓強(qiáng)度,為評(píng)價(jià)滑坡體穩(wěn)定性提供基本依據(jù)。
2.6.3 水樣采集與試驗(yàn)
試驗(yàn)項(xiàng)目采用生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行水質(zhì)簡(jiǎn)分析,另加水體對(duì)鋼筋混凝土侵蝕性指標(biāo)分析。分析指標(biāo)包括現(xiàn)場(chǎng)的水溫、pH值、渾濁度、色、臭、味、肉眼可見物指標(biāo),試驗(yàn)室測(cè)試指標(biāo)包括pH值、總硬度、總堿度、硫酸根、侵蝕二氧化碳等31項(xiàng)指標(biāo)。
表2 區(qū)內(nèi)土體物理力學(xué)性質(zhì)簡(jiǎn)表
表3 區(qū)內(nèi)巖體物理力學(xué)性質(zhì)及承載力特征值簡(jiǎn)表
在資料搜集、巖土工程應(yīng)急勘查基礎(chǔ)上,確定滑坡的邊界范圍,滑坡大小及類型。綜合分析以上資料,閻溝垴滑坡為中深層滑坡,屬于推移式,主要由于道路高填方路基加載沿垂向剪切破壞面及破碎帶連通層面滑動(dòng)所致。造成閻溝垴滑坡形成的主要因素之一是滑坡體上部高達(dá)10余米的填方路基荷載,使滑坡體已有的受力平衡體系被打破,下滑力起到了主導(dǎo)作用。閻溝垴滑坡地下水補(bǔ)給較為充足,含水的粉砂巖層及巖體破碎帶軟化頂?shù)装寮皟蓚?cè)接觸的泥巖或砂質(zhì)泥巖圍巖,形成薄弱結(jié)構(gòu)面,使滑坡的穩(wěn)定性急劇變差,易沿薄弱結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)。
同時(shí),滑坡體及上游地下水埋深淺,水位較高,可見水位與路基擋墻墻趾相平,水的揚(yáng)壓力一定程度上推動(dòng)了滑坡的啟動(dòng)。綜合以上多種因素,在2017年8-9月的持續(xù)降雨后,閻溝垴滑坡受力極限平衡被打破,于10月初發(fā)生滑移。
閻溝垴滑坡下伏巖體主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖層,與單層厚約0.5~2 m粉砂巖互層,底部有兩層疑似滑動(dòng)面的破碎帶。前緣剪出口位置與擋墻根下18 m滑動(dòng)面基本吻合,已發(fā)生了滑動(dòng),滑面目前已明顯貫通。擋墻根下27~28 m滑動(dòng)面前緣無明顯變形跡象,但處于極限受力平衡狀態(tài),在后緣流域的雨季地表水不斷滲入后,充沛地下水作用下,發(fā)生突發(fā)性滑移,造成上游路基不斷垮塌,導(dǎo)致淺部公路防護(hù)工程遭到破壞失效。
根據(jù)鉆探資料,選擇與滑坡滑動(dòng)方向基本一致且能反映滑坡變形嚴(yán)重的1-1'、2-2'、3-3'剖面作為主滑線剖面計(jì)算滑坡穩(wěn)定性。同時(shí)根據(jù)現(xiàn)狀滑坡體特征,采用極限平衡法中的傳遞系數(shù)隱式解法進(jìn)行滑坡隱患穩(wěn)定性分析。計(jì)算公式及簡(jiǎn)圖見式(1)及圖1。
Pn=0
Pi=Pi-1ψi-1+Ti-Ri/Fs
ψi-1=cos(θi-1-θi)-sin(θi-1-θi)tanφi/Fs
(1)
Ti=(Gi+Gbi)sinθi+Qicosθi
Ri=cili+[(Gi+Gbi)cosθi-Qisinθi-Ui]tanφi
圖1 傳遞系數(shù)隱式解法簡(jiǎn)圖
式中:Pi為第i計(jì)算條塊上的剩余推力;ψi為傳遞系數(shù);Ti為第i計(jì)算條塊滑體下滑力(kN/m);Ri為第i計(jì)算條塊滑體抗滑力(kN/m);Fs為滑坡穩(wěn)定性系數(shù);Gi為第i計(jì)算條塊上的垂直力;Gbi為第i計(jì)算條塊上的水平力;ci為第i計(jì)算條塊滑動(dòng)面上巖土體的粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(kPa);φi為第i計(jì)算條塊滑帶土的內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值(°);li為第i計(jì)算條塊滑動(dòng)面長(zhǎng)度(m);θi為第i計(jì)算條塊底面傾角(°);Qi為第i計(jì)算條塊所受地震力(kN/m)。
按照滑坡體危害對(duì)象、危害人數(shù)及可能經(jīng)濟(jì)損失、施工難度、工程投資綜合確定該滑坡為Ⅰ級(jí)工程防治。主要計(jì)算天然狀態(tài)、自重+暴雨、自重+暴雨+地震3種工況下滑坡的穩(wěn)定性。
經(jīng)過對(duì)滑坡的穩(wěn)定性計(jì)算,在天然工況+車輛荷載下,3條剖面穩(wěn)定性系數(shù)分別為1、1.11、0.98。因此,基本穩(wěn)定的是2-2'剖面,另外2條剖面均不穩(wěn)定,計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查滑坡的變形特征和變形速率基本一致。暴雨工況下,3條剖面穩(wěn)定性系數(shù)分別為0.93、0.92、0.86,均為不穩(wěn)定狀態(tài)。地震工況下,3條剖面穩(wěn)定性系數(shù)分別為0.82、0.80、0.61,均為不穩(wěn)定狀態(tài)。經(jīng)過訪問、勘探、計(jì)算綜合分析顯示,在天然狀態(tài)下滑坡基本處于不穩(wěn)定狀態(tài),在暴雨或地震工況下,該滑坡發(fā)生滑動(dòng)的概率很大,及時(shí)采取工程防治措施很迫切。
以因?yàn)?zāi)設(shè)防、重點(diǎn)突出、經(jīng)濟(jì)合理的基本原則,對(duì)K83~K83+300段滑坡提出防治措施方案。
依據(jù)規(guī)范有關(guān)規(guī)定本滑坡工程防治等級(jí)Ⅰ級(jí),滑坡防治工程按“自重+暴雨+地震”工況設(shè)計(jì),安全系數(shù)取1.15。
依據(jù)本次分析結(jié)果,建議治理滑坡體的參數(shù)取值如表3。
對(duì)于承載力的取值按式(2):
fak=ψr×frk
(2)
式中:fak為巖石地基承載力特征值(KPa);frk為巖石單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(飽和)(KPa);ψr為折減系數(shù),完整巖石取值0.5,較完整巖石取值0.2~0.5,對(duì)較破碎巖體取0.1~0.2。這里對(duì)中風(fēng)化巖體取0.2。
表4 穩(wěn)定性計(jì)算工況荷載組合
表5 巖土體參數(shù)設(shè)計(jì)
該斜坡失穩(wěn)滑動(dòng),威脅坡頂公路的安全,結(jié)合區(qū)內(nèi)地貌、地質(zhì)結(jié)構(gòu)和變形破壞特征,采取抗滑樁+路基開挖回填+擋土墻+排水涵洞+排水渠+變形監(jiān)測(cè)進(jìn)行綜合工程防治。
5.3.1 抗滑樁工程
1)抗滑樁布置
以滑坡范圍為基礎(chǔ),綜合考慮滑坡地質(zhì)特征及滑坡穩(wěn)定性計(jì)算成果,選定在Ⅰ-Ⅰ’,Ⅱ-Ⅱ’剖面第8個(gè)剖面處布置第一排14根抗滑樁,在第11個(gè)剖面處布置第二排11根抗滑樁,共25根。滑坡推力需要綜合考慮該剖面剩余下滑力、滑動(dòng)面以上樁前抗滑力以及滑動(dòng)面以下的地基彈性抗力,計(jì)算出第一排滑坡推力為516 KN/m,第二排滑坡推力為289 KN/m。
2)樁型設(shè)計(jì)
根據(jù)滑動(dòng)面埋藏條件及滑坡剩余推力的大小,第一排選取統(tǒng)一型號(hào)為A的抗滑樁。A型樁樁徑為2 m×3 m,縱向?yàn)? m,橫向?yàn)? m,總樁長(zhǎng)為33 m,為全埋式樁,樁頂距坡面5 m,嵌入滑動(dòng)面深度13 m,滑動(dòng)面上部樁身長(zhǎng)20 m,樁間距均為6 m。第二排選取統(tǒng)一型號(hào)為B的抗滑樁,B型樁樁徑1.5 m×2 m,縱向?yàn)? m,橫向?yàn)?.5 m,總樁長(zhǎng)33 m,為全埋式樁,樁頂距坡面5 m,嵌入滑動(dòng)面深度13 m,滑動(dòng)面上部樁身長(zhǎng)20 m,樁間距均為5 m。
3)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
(1)設(shè)計(jì)依據(jù)
依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50010-2002》進(jìn)行設(shè)計(jì)。
(2)A型樁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
①基本參數(shù)
樁長(zhǎng):h=33 m,其中懸臂段h1=20 m,錨固段h2=13 m。
②抗滑樁邊界條件
樁底邊界條件:鉸接端。
③樁體受力計(jì)算
計(jì)算樁體受力使用“m”法,使用三角形分布計(jì)算推力分布。抗滑樁內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如下:
最大剪力:Qmax=7887.036 kN;
最大彎矩:Mmax=46 388.723 kN·m;
最大位移:s=129 mm
④抗滑樁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
I、縱筋計(jì)算
由于抗滑樁為受彎構(gòu)件,設(shè)計(jì)70 mm厚鋼筋保護(hù)層;計(jì)算根據(jù)鋼筋混凝土矩形截面受彎構(gòu)件正截面配筋方式,結(jié)構(gòu)重要系數(shù)、永久荷載分項(xiàng)系數(shù)均取1.0。
主筋配筋:縱筋采用7540HRB400級(jí)螺紋鋼筋。主筋中的15根鋼筋,單根鋼筋長(zhǎng)33 m,為通長(zhǎng)配置;剩余60根鋼筋,每根鋼筋長(zhǎng)20 m,每三根為一束,在樁頂面下10 m處截?cái)唷?/p>
II、構(gòu)造鋼筋
在樁兩側(cè)各采用716HRB400級(jí)螺紋鋼(架立筋),受壓側(cè)采用1240HRB335級(jí)螺紋鋼(構(gòu)造筋)。
III、箍筋配筋
首先進(jìn)行斜截面抗剪強(qiáng)度計(jì)算,由計(jì)算結(jié)果確定矩形截面抗滑樁箍筋的配置:
箍筋配筋:采用16@140HRB335鋼筋,肢數(shù)為六肢。
3)B型樁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
①基本參數(shù)
樁長(zhǎng):h=33 m,其中懸臂段h1=20 m,錨固段h2=13 m。
②抗滑樁邊界條件
樁底邊界條件:鉸接端。
③樁體受力計(jì)算
計(jì)算樁體受力使用“m”法,使用三角形分布計(jì)算推力分布??够瑯秲?nèi)力計(jì)算結(jié)果如下:
最大剪力:Qmax=2 616.582 kN;
最大彎矩:Mmax=20 613.572 kN·m;
最大位移:s=196 mm
④抗滑樁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
I、縱筋計(jì)算
由于抗滑樁為受彎構(gòu)件,設(shè)計(jì)70 mm厚鋼筋保護(hù)層;計(jì)算根據(jù)鋼筋混凝土矩形截面受彎構(gòu)件正截面配筋方式,結(jié)構(gòu)重要系數(shù)、永久荷載分項(xiàng)系數(shù)均取1.0。
主筋配筋:縱筋采用2440HRB400級(jí)螺紋鋼筋。主筋中的6根鋼筋,單根鋼筋長(zhǎng)33 m,為通長(zhǎng)配置;剩余18根鋼筋,每根鋼筋長(zhǎng)20 m,每三根為一束,在樁頂面以下10 m處截?cái)唷?/p>
II、構(gòu)造鋼筋
在樁兩側(cè)各采用516HRB400級(jí)螺紋鋼(架立筋),受壓側(cè)采用640HRB400級(jí)螺紋鋼(構(gòu)造筋)。
III、箍筋配筋
首先進(jìn)行斜截面抗剪強(qiáng)度計(jì)算,由計(jì)算結(jié)果確定矩形截面抗滑樁箍筋的配置:
箍筋配筋:采用16@300HRB335鋼筋,肢數(shù)為四肢。
4)樁間擋板設(shè)計(jì)
為防止土體從樁間擠出,在抗滑樁間設(shè)置鋼筋混凝土預(yù)制擋板,擋板寬為樁間距6 m,高5 m,厚度≥30 cm,埋置深度為自樁頂至下部5 m。
5.3.2 公路路基滑坡段卸荷減載
公路路基滑坡段全長(zhǎng)約130 m,涉及路基需開挖卸荷減載平面投影面積約4 096.55 m2,其中路基近水平段平面投影面積約2 298.57 m2,平均開挖深度約13.5 m;路基外邊坡平面投影面積約1 797.98 m2,平均開挖深度約9.5 m。開挖參考基準(zhǔn)為原公路護(hù)坡基礎(chǔ)底部基準(zhǔn)面。
5.3.3 擋土墻
根據(jù)公路滑坡段路基中心線往上邊坡側(cè)調(diào)整約14~18 m。同時(shí)依據(jù)公路8 m寬的設(shè)計(jì)要求,沿調(diào)整后公路中心基準(zhǔn)線在滑坡側(cè)外擴(kuò)4 m,作為公路頂部邊界。在沿頂部邊界外水平投影約8 m左右,公路滑坡卸荷開挖面處設(shè)置擋土墻。
5.3.4 滑坡段公路路基重筑
對(duì)以設(shè)置擋土墻為界線的內(nèi)側(cè)底部開挖基準(zhǔn)面進(jìn)行修整,保持基準(zhǔn)面平整,并形成5°~10°的倒坡。在構(gòu)筑擋土墻的同時(shí),進(jìn)行內(nèi)部分層回填壓實(shí)。保持單層厚度均一,單層壓實(shí)后的厚度<1 m為宜,單層碾壓后仍保持5°~10°的倒坡?;靥钔翞榫惠^穩(wěn)定的土層,并分層碾壓連續(xù)鋪設(shè),過程中路面不宜積水。在回填超過擋土墻高度段,外側(cè)保留30°的夯實(shí)邊坡。對(duì)回填后擋土墻上部仍有大于30°邊坡段,進(jìn)行局部刷坡,保持擋土墻頂至路基平臺(tái)頂部以30°壓實(shí)土邊坡為最大邊坡角。
擋土墻竣工后,對(duì)墻外開挖后的地面進(jìn)行分層回填壓實(shí),以均一回填土進(jìn)行均勻碾壓,最終保持10°的順坡。
5.3.5 重筑及削坡段邊坡植草護(hù)坡
對(duì)于擋土墻內(nèi)部重筑的土質(zhì)路基邊坡,及削坡后的路基土質(zhì)邊坡段,進(jìn)行植草護(hù)坡。將邊坡剔除雜石后,直接撒播草籽植草,表層覆蓋25 g/cm2的無紡布,防止雨水沖刷。
5.3.6 排水涵洞
在路基轉(zhuǎn)彎處,設(shè)置1道排水涵洞,穿越路基,將公路轉(zhuǎn)彎以上邊溝排水導(dǎo)入外側(cè)公路路基以外。排水涵洞采用直徑約1.2 m優(yōu)質(zhì)加筋預(yù)制混凝土涵管。涵管埋置深度約3 m,直接開挖路面埋設(shè)。管口對(duì)接處采用砂漿或泥青防滲。涵洞的進(jìn)口與出口,設(shè)置5°以上的傾角,同時(shí)每根涵管的埋設(shè)傾向與傾角完全一致,并防止上下或左右錯(cuò)縫。
圖2 綜合工程防治方案設(shè)計(jì)平面圖
5.3.7 排水渠
在滑坡體上方公路內(nèi)側(cè)自外排涵洞以下,至滑坡體南側(cè)沿公路30 m處,構(gòu)筑漿砌石排水渠,排水渠全長(zhǎng)約215 m,設(shè)計(jì)內(nèi)側(cè)最大過水?dāng)嗝鏋?.8×0.8 m,排水渠開挖尺寸為寬1.4 m,深1.1 m,側(cè)壁及底部使用0.3 m的漿砌石襯砌,選擇未風(fēng)化堅(jiān)硬的石料,表層使用砂漿抹面。同時(shí)沿走向每隔10 m設(shè)置1道二氈三油沉伸縫。排水渠的末端與下游公路內(nèi)側(cè)簡(jiǎn)易排水溝相連,直至排到最近的泄水涵洞排泄。對(duì)下游公路內(nèi)側(cè)簡(jiǎn)易排水溝進(jìn)行改造硬化。
在公路轉(zhuǎn)彎處設(shè)置的排水涵管出口及下游,布置引水渠,將改道的水流引出公路轉(zhuǎn)彎外側(cè)路基以外溝谷緩坡處排泄。引水渠長(zhǎng)29 m,設(shè)計(jì)內(nèi)側(cè)最大過水?dāng)嗝鏋?.8×0.8 m,引水渠開挖尺寸為寬1.4 m,深1.1 m,水渠側(cè)壁及底部使用0.3 m的漿砌石襯砌,同時(shí)在底部坡降大于20°時(shí),使用跌水臺(tái)階,臺(tái)階高0.3 m,選擇未風(fēng)化堅(jiān)硬的石料,表層使用砂漿抹面。同時(shí)沿走向每隔10 m設(shè)置1道二氈三油沉伸縫。
另外,在引水渠的末端布置1處消力池,以減少引水渠排水對(duì)下游邊坡沖蝕。消力池最小設(shè)置尺寸不低于2×2 m,基礎(chǔ)埋于地下,埋深約1.5 m,底部靠近前緣打入兩排長(zhǎng)約1 m的木樁,1排6根,間距約30 cm,排間距約50 cm,消力池底部使用40 cm,側(cè)壁使用30 cm厚的漿砌石襯砌,側(cè)壁高與地面相平,內(nèi)部拋石。
5.3.8 公路路基穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)
在公路路基開挖重筑段,北部、中部及南部布置了3處監(jiān)測(cè)點(diǎn),由專業(yè)地形測(cè)量人員進(jìn)行路基水平位移和垂向位移動(dòng)態(tài)觀測(cè),測(cè)量水準(zhǔn)點(diǎn)采用修建公路測(cè)量所留下的水準(zhǔn)點(diǎn)。最初觀測(cè)頻率為每周1次,出現(xiàn)異常,加密至5日1次或1日1次;無異常變化情況,可適當(dāng)放寬至半月1次或1月1次。總監(jiān)測(cè)期為工程施工開始后,以5年為1個(gè)穩(wěn)定觀察期。
目前,嵩縣公路管理局已對(duì)該滑坡采取了有效地工程防治措施,滑坡現(xiàn)狀已趨于穩(wěn)定。
(1)本應(yīng)急勘查及防治方案僅為工程應(yīng)急處置下工程防治措施技術(shù)研究,在實(shí)際中仍需根據(jù)工程防治的輕重緩急開展必要的專項(xiàng)防治工程勘查設(shè)計(jì)。
(2)針對(duì)該滑坡,可以采取減輕或消除上方荷載,將土體反壓于坡腳。
(3)及時(shí)使用防水材料和粘土夯填滑坡中上部及側(cè)邊裂縫,進(jìn)行有效的防水措施。加強(qiáng)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)、群測(cè)群防工作,將異常情況及時(shí)上報(bào)主管部門。
(4)采取有效的防治方案,及時(shí)進(jìn)行工程治理,避免重大地質(zhì)災(zāi)害隱患造成危害。