湖南省湘西州某紅層邊坡穩(wěn)定性分析及加固措施

張志軍，王希賢，伍玲玲，章求才，賀桂成，喻 清

(南華大學 資源環(huán)境與安全工程學院,湖南 衡陽 421001)

0 引 言

隨著公路和鐵路等工程建設的增加，紅層邊坡穩(wěn)定性問題將會普遍存在工程建設中，特別是在湘西土家族苗族自治州這樣一個紅層邊坡遍布的地區(qū)，滑坡將威脅到人民的生命和財產(chǎn)，造成不可估量的損失。例如，2007年7月27日，湖南省瀘溪縣潭溪鎮(zhèn)朱雀洞村隔丹青河的南岸山體發(fā)生大面積紅層邊坡滑坡，造成四棟房屋倒塌[1]；2014年因吉首地區(qū)普降大雨，吉首市丹青中學操場西北側紅層邊坡發(fā)生滑塌，對師生安全造成嚴重影響。紅層邊坡的研究不僅僅具有巨大學術意義，還存在巨大工程價值，引起巖土工程技術人員的重視[2-3]。

為降低紅層邊坡工程建設引發(fā)地質(zhì)災害的可能性，有效開發(fā)利用土地資源，國內(nèi)外許多學者在紅層邊坡穩(wěn)定性方面做出了很多研究。計算機數(shù)值計算方法和剛體極限平衡法作為邊坡穩(wěn)定分析的重點方法，現(xiàn)如今已獲得了許多重大成果。進入21世紀，有限單元法、離散單元法和有限差分法等數(shù)值分析方法均取得了突破性重大進展[4-6]。藺曉燕、楊澤等[7]通過SLOPE/W軟件分別對4種模型使用Morgenstern-Price法求出穩(wěn)定系數(shù)Fs；A.Ardestani和M.Amini等[8]采用極限平衡法求解了邊坡的安全系數(shù)。

然而，即使是最優(yōu)化極限平衡法[9]，仍然視邊坡巖土體為剛體。雖能給出物理意義明確的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)以及可能的破壞面，但此方法仍然存在可以改進的地方，有限元法則將邊坡巖土體看成是變形體，能夠有效克服剛體極限平衡法的缺陷。借助Geo-studio軟件，結合有限元法與極限平衡法，通過將水平應力分布、水平位移分布、水平應變分布、體積應變和安全系數(shù)結合起來分析，精確地判斷紅層邊坡所處狀態(tài)，并根據(jù)分析結果給出相應加固措施。

施工人員在湘西土家族苗族自治州地區(qū)的公路和住宅邊坡施工時，時常遇到紅層。該紅層邊坡巖土體以砂巖和泥巖為主，具有親水性強、透水性弱、遇水軟化失水崩解以及強度低的特點[10]。在緩傾紅層邊坡開挖的情況下，坡腳產(chǎn)生臨空面，邊坡沿緩傾面發(fā)生滑塌的幾率增大[11-12]。本文以湘西土家族苗族自治州地區(qū)一處紅層邊坡為典型例子，對其展開穩(wěn)定性分析，并提出加固措施[13]，為以后邊坡治理工程提供借鑒。

1 工點概況

1.1 地層巖性

該邊坡的地層巖性自上而下分為兩層。首層為粉質(zhì)黏土，呈褐黃色，可塑狀，干強度中等，韌性中等，無搖震反應，該層在斜坡平緩處均有分布。下層為中風化泥質(zhì)粉砂巖，紫紅色，中厚層狀，泥質(zhì)結構，主要成分為黏土質(zhì)礦物，中風化，裂隙較發(fā)育，巖心多呈現(xiàn)短柱狀，較破碎，屬軟巖，錘擊聲啞，具體參數(shù)見表1。

表1 巖石物理力學參數(shù)Table 1 Rock physical and mechanical parameters

1.2 水文地質(zhì)條件

邊坡地勢險峻，地形位置很高(見圖1)。區(qū)內(nèi)水系屬長江水系的沅水支流辰水流域，其次級支流為合水溪，由多條小溪匯流而成，自北西往南東方向流淌，在瀘溪縣黃桑鄉(xiāng)溪口村匯入辰水，溪寬5～30 m，小溪整體彎道多，水流平緩。

圖1 紅層邊坡航拍圖Fig.1 Aerial photograph of red bed slope

1.3 區(qū)域概況

瀘溪縣興隆場鎮(zhèn)彭總管村2組都嵐山邊坡，東距興隆場鎮(zhèn)約5 km，有鄉(xiāng)道連接，中心地理坐標為：東經(jīng)109°52′58″、北緯28°03′12″，自興隆場沿能灘至興隆場公路北東距瀘溪縣城60 km。

根據(jù)相關現(xiàn)場查看資料，結合現(xiàn)場情況，進行現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查，綜合巖石力學特性、節(jié)理裂縫特征、邊坡坡角和周邊環(huán)境，決定采用2-2′作為主剖面進行穩(wěn)定性分析，現(xiàn)場剖面圖如圖2所示。

圖2 主剖面位置圖Fig.2 Location of main section

2 計算模型2.1 紅層滑坡特征分析

相比下部強度較高的泥質(zhì)砂巖，上部粉質(zhì)黏土強度較低，且風化痕跡明顯。上部強度較低的粉質(zhì)黏土對邊坡穩(wěn)定性起控制作用。

2.2 簡化模型

通過分析，該邊坡坡體呈現(xiàn)兩層結構，相對強度較小的粉質(zhì)黏土在上，強度相對較高的泥質(zhì)砂巖分布在下部。層面傾角25°，傾向坡外。

2.3 模型構建

利用Geo-Studio軟件

1)模型區(qū)域設定:選擇地質(zhì)災害發(fā)生地點2-2′主控剖面為模型面域，設定斜坡高度100 m不變。

2)本構模型確定:根據(jù)巖層垂直分布情況，將坡體概化為由粉質(zhì)黏土與中風化粉質(zhì)泥砂巖(中砂)兩層均質(zhì)材料組成的莫爾-庫倫模型[14](見圖3)。

圖3 簡化模型Fig.3 Simplified model

3)邊界條件設置:模型的縱坐標方向設置為無水平位移，橫坐標方向設置為無豎向位移。

4)區(qū)域網(wǎng)格剖分:為保證有限元求解精度、計算速度及準確性，設定格點間距大小為1 m，在兩種材料的過渡區(qū)利用三角形和四邊形單元進行銜接，將模型各區(qū)域劃分為多個獨立單元格。

3 計算分析

3.1 水平方向應力分布

圖4為水平應力分布圖。如圖4所示，坡腳處存在水平應力集中現(xiàn)象，且該處應力明顯超過其他邊坡部分。在坡頂下方也出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，因此應加強對坡底應力監(jiān)測，以防坡底出現(xiàn)開裂。

圖4 水平應力分布Fig.4 Horizontal stress distribution

3.2 水平方向位移

結合圖5可看出，邊坡兩端水平方向位移小，越往坡中部水平位移越大。這樣就形成明顯的滑坡體，并且滑坡體和滑床分界明顯。

圖5 水平位移分布Fig.5 Horizontal displacement distribution

3.3 水平方向應變

圖6為水平方向應變分布圖，從圖6可看出，坡頂水平方向表現(xiàn)為負應變，范圍-6至-12。在坡底，水平應變不如坡頂水平應變，方向為正，水平應變范圍為4到8。與邊坡兩端不同的是，在邊坡中部，水平位移很小，甚至趨向于零。水平應變兩端大，中間小，該邊坡在特殊環(huán)境下極易發(fā)生牽引式滑坡。

圖6 水平應變分布Fig.6 Horizontal strain distribution

3.4 體積應變

從圖7可看出，邊坡上緣體積應變較大，在邊坡下緣體積應變較小。同時，邊坡上緣中下部位體積應變也很大。這反映坡體上緣小規(guī)模滑坡可能性非常大，相比較邊坡下緣，具有明顯體積不穩(wěn)定性。在天然狀態(tài)下整體處于基本穩(wěn)定，但在高度較大的陡坎容易產(chǎn)生土體滑塌。

圖7 體積應變分布Fig.7 Volumetric strain distribution

3.5 安全系數(shù)分析

將Sigma/W模塊得到應力應變分析結果導入Slope/W模塊中，這樣既能得到安全系數(shù)值，又能考慮到整個邊坡應力應變分布情況。結合極限平衡法，求得該邊坡安全系數(shù)為1.137，由此可判斷該邊坡整體暫時處于比較穩(wěn)定狀態(tài)。

4 邊坡加固措施

4.1 治理思路及治理方案

根據(jù)本地質(zhì)災害的基本特征與變形破壞情況，結合計算模型，提出治理工程方案：擬采用“抗滑樁+抗滑擋墻+鋼管樁+截水溝”等措施進行綜合永久性治理(見圖8)。治理工程為兩級抗滑，第一級為AB段長度約120.50 m、第二級為CD段長度約50.00 m；鋼管樁為EF段，長約40.50 m。

圖8 治理設計平面圖Fig.8 Governance design plan

1)第一級抗滑樁布置在滑坡體中下部共24根抗滑樁，采用方形人工挖孔樁，樁頂設置冠梁。

2)第二級抗滑擋墻布置在滑坡體前緣，采用現(xiàn)澆混凝土擋墻。

3)在滑坡體周圍修截水溝，并且互相聯(lián)通。

4.2 分項設計

1)抗滑樁設計

共設置16根A型抗滑樁，截面尺寸B×H=2.0 m×2.5 m，樁間距5.0 m。設置冠梁于樁頂，其中冠梁截面H×B=1.0 m×2.5 m。

共設置8根B型抗滑樁，其截面尺寸B×H=1.5 m×2.0 m，樁間距5.0 m。設置冠梁于樁頂，冠梁截面H×B=1.0 m×2.0 m?？够瑯?詳見圖9)均采用HRB400型鋼筋，其混凝土強度等級均為C30。

圖9 抗滑樁橫截面剖面圖Fig.9 Cross section of anti-slide pile

2)抗滑擋墻設計

在滑坡體前緣布置現(xiàn)澆混凝土擋墻。抗滑擋墻布置在CD段，總長度29.00 m，擋墻高度為7.00 m，頂部寬為1.40 m，面坡坡比為1∶0.20，墻背豎立，墻底反向傾斜，坡比0.1∶1，墻體則為C30混凝土現(xiàn)澆(詳見圖10)。

圖10 抗滑擋墻大樣圖Fig.10 Detail drawing of anti-slide retaining wall

3)鋼管樁設計

鋼管樁設置兩排，布置在公路裂縫外側，共79根，鋼管樁橫向間距0.80 m，縱向間距1.0 m，呈梅花狀布置，注入質(zhì)量配合比為1∶0.45水泥漿或水泥砂漿到鋼管孔內(nèi)。鋼管樁冠梁截面為矩形，橫截面尺寸B×H=1.6 m×0.5 m(詳見圖11)。

圖11 鋼管樁剖面圖Fig.11 Steel pipe pile section

4)截水溝設計

根據(jù)《湖南省暴雨洪水查算手冊》(修編版)(湖南省水利水電廳)(2015年)滑坡區(qū)水文資料匯總表如表2。

表2 滑坡區(qū)水文資料匯總表Table 2 Summary of hydrological data in landslide area

兩者之間的關系為Cs=3.5Cv

根據(jù)1∶500地形圖圈定各段的匯水面積，按公路科學研究所提出的坡面匯流。

經(jīng)驗公式進行查算：

QP=0.278(SP-1)F

式中：

Qp—涉及頻率地表水匯流量，m3/s；

PS—設計降雨強度，mm/h；

F—匯水面積，km2。

按此公式計算得到排水溝分段水力計算表(見表3)。

表3 排水溝分段水力計算表Table 3 Sectional hydraulic calculation table of drainage ditch

截水溝截面尺寸0.5 m×0.5 m，壁厚100 mm。排水溝坡降不小于3.0%，采用C25素混凝土現(xiàn)澆。排水溝基底持力層要求承載力不小于120 kPa，不同持力層間設沉降縫。在地形坡度驟變處設置伸縮縫，平緩段每15 m留一伸縮縫，伸縮縫寬2 cm，油麻、瀝青填塞。對溝底坡度大于5%段設置跌水，跌水平臺順坡向長500 mm，垂直高100 mm。過路涵管直徑800 mm。

5 結 論

本文通過調(diào)查分析研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)災害與邊坡分布特征，采用Geo-studio軟件模擬斜坡應力應變分布規(guī)律及邊坡穩(wěn)定性規(guī)律，得出以下幾點結論:

1)該邊坡安全系數(shù)1.137，推斷出該紅層邊坡整體暫時處在穩(wěn)定狀態(tài)。

2)在結合Sigma/W模塊分析結果后，發(fā)現(xiàn)該紅層邊坡在坡腳和坡頂中下部存在水平應力集中現(xiàn)象，體積應變表現(xiàn)為邊坡上緣應變較大而下緣較小，在降雨條件下容易發(fā)生局部土體滑塌。

3)坡頂水平方向應變呈現(xiàn)負應變。在坡底，水平應變明顯小于坡頂水平應變，方向為正。與邊坡兩端不同的是，在邊坡中部，水平應變很小，甚至趨向于零。在這種情況下，極易發(fā)生中型淺層牽引滑坡。

4)根據(jù)本地質(zhì)災害的基本特征和變形破壞情況，結合計算模型，采用抗滑樁、抗滑擋墻、截排水等治理措施相結合進行防護，確保邊坡的安全穩(wěn)定。