高速公路滑坡對上方鐵塔的影響及處治分析

肖 崗， 沈 樂， 向 波， 劉自強， 何云勇

(1.四川省公路規(guī)劃勘察設計研究院有限公司，四川成都 610041；2.四川省天晟源環(huán)保股份有限公司，四川成都 610000)

近年來，四川省高速公路建設不斷向川西高山峽谷區(qū)延伸，如阿壩州地區(qū)的汶川至馬爾康高速公路、馬爾康至久治高速公路、汶川至九寨溝高速公路。受“5·12”汶川大地震的影響，在阿壩州雜谷腦河流域兩岸山體上形成了大量斜坡崩坡積堆積體，走廊帶內的高速公路不可避免的切削山體斜坡，從而誘發(fā)滑坡，威脅斜坡上部其它基礎設施安全運營，如高壓鐵塔、水利工程等。針對此類滑坡危及高壓鐵塔安全運營，已有學者開展了相關工程實踐和研究，取得了一些有價值的成果[1-7]。本文在已有研究成果基礎上，以四川省汶川至馬爾康高速公路某路塹邊坡開挖誘發(fā)滑坡為例，對滑坡成因及穩(wěn)定性進行深入分析，提出滑坡處治方案，提高滑坡上方高壓鐵塔的安全性，研究成果可供同地區(qū)類似工程處治設計提供參考。

1 滑坡概況

四川省汶川至馬爾康高速公路理縣樸頭鄉(xiāng)段路線順雜谷腦河谷展布，其中K121+455～K121+555段以半填半挖的形式通過，公路左幅填方高度為9.5m，右幅挖方高度為9m，路基開挖后右側將形成最大高度約40m高邊坡，挖方邊坡長100m。路基開挖后，開挖邊坡主要由崩積、崩坡積塊碎石組成，松散—稍密，局部架空，穩(wěn)定性差，開挖后易滑塌，形成潛在的不穩(wěn)定斜坡體，斜坡上部基巖裸露地段，巖體主要由雜谷腦組變質砂巖夾板巖、千枚巖組成，巖體破碎，完整性差，裂隙較發(fā)育。據調查巖層產狀與坡向相反，對邊坡穩(wěn)定有利，L2、L3為外傾結構面，L2與L3、L4、L5結構面交點落于投影弧外側，結構面組合交線與邊坡呈順向坡組合，對斜坡的穩(wěn)定影響較大，斜坡巖體易崩塌與掉塊?！?·12”地震時崩塌落石次生災害發(fā)育，存在變形松動巖體，調查期間遇余震及大風、暴雨時偶有崩塌落石發(fā)生，巖體穩(wěn)定性也較差，若遇強震，仍有可能發(fā)生大面積崩塌、落石。

高速公路建設期的雨季某日突降大暴雨，K121+455～K121+555段右側坡體表層滑塌，形成滑坡，導致坡上高壓輸電線鐵塔基礎漏空，鐵塔向外傾斜，如圖1所示，滑坡后壁鐵塔下滑明顯，形成高2～3m錯臺，坡表較為凌亂，植被破壞嚴重。據調查發(fā)現，后緣以上邊坡為基巖，滑動范圍未繼續(xù)向坡體以上以及邊坡深部發(fā)展，為淺表牽引式拉裂滑移破壞模式。

圖1 高速公路路塹滑坡現場

2 滑坡成因分析

滑坡的形成和發(fā)展是各種自然因素疊加的結果，主要原因有：

(1)受“5·12”汶川大地震的影響，在阿壩州雜谷腦河流域兩岸山體上崩塌、落石等次生災害較發(fā)育，在山體形成大量斜坡坡表、坡腳堆積崩積及崩坡積堆積體，對高速公路路基開挖邊坡穩(wěn)定性影響較大。汶川至馬爾康K121+455～K121+555段堆積體斜坡坡度30°～40°，植被稀疏，由塊碎石構成，結構松散，呈松散—稍密狀，堆積物厚度較大，厚度5～30m，路線從堆積體前緣通過；堆積體下部為雜谷腦組(T2Z)、上部為侏倭組(T3zh)地層，巖性為變質砂巖與板巖互層，受構造影響強烈，坡面巖體風化、卸荷裂隙發(fā)育，巖體破碎，巖體多被切割成塊狀，部分巖體松動變形。斜坡區(qū)分布大量崩坡積松散堆積物，為滑坡的形成提供了物源基礎。

(2)滑坡區(qū)坡度較陡，坡度為30°～40°，上部為陡坎，下部邊坡的臨空面較大，在地形上為滑坡提供了活動空間。

(3)降雨是主要的激發(fā)因素。邊坡區(qū)降水量集中在5—9月，占全年降水量的69%，5—9月是降水高峰期，每年雨季開始和臨近結束有兩次大的降水過程。2016年5月24日起，理縣強降雨。如此大的降雨量使得地表水入滲，加載斜坡，降低土體的力學強度，從而誘發(fā)邊坡進一步發(fā)生牽引式滑塌。

3 滑坡設計計算分析

3.1 滑坡定性分析

汶川至馬爾康高速公路K121+455～K121+555段挖方路基沿雜谷腦河左岸展布，雜谷腦河左岸斜坡坡度一般30°～60°不等，植被稀疏，主要為低矮灌木，斜坡大部基巖裸露，由三迭系中統(tǒng)雜谷腦組變質變質砂巖夾板巖、千枚巖組成。受“5·12”汶川大地震影響，斜坡巖體裂隙發(fā)育，完整性較差，巖體多被切割成塊狀，局部斜坡崩塌落石較發(fā)育，崩塌距路基較近，對路基有較大影響。崩塌物堆積于斜坡坡腳處的塊碎石松散，淺層穩(wěn)定性較差，易垮塌和滾落，堆積坡體現狀條件下整體較穩(wěn)定。

由于堆積體多為碎石土，透水性較好，利于地表水下滲，雨季集中降雨使得大量地表水下滲，降低了土體的抗剪強度。同時，使得邊坡土體達到飽和狀態(tài)，特別是淺表層，增加了坡體荷載，高速公路路基開挖使得邊坡前緣臨空面加大，降低了抗滑力，從而導致局部段落發(fā)生多次淺表層牽引式滑坡。

綜上所述，高速公路K121+455～K121+555段為大型崩坡積堆積體，坡體主要由碎石土組成，堆積體整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，但淺層穩(wěn)定性差，開挖擾動易失穩(wěn)。該段受降雨影響已發(fā)生淺層滑坡，滑坡高度不大，未發(fā)現繼續(xù)向后緣及兩側擴大滑移范圍的跡象。邊坡破壞模式為淺層牽引式滑移破壞模式，應根據滑坡穩(wěn)定性計算結果，提出該處滑坡的處治方案，確?；律戏礁邏狠旊娋€鐵塔的安全性。

3.2 滑坡推力計算

鑒于該堆積體整體穩(wěn)定，但淺表層穩(wěn)定性較差，特別是前緣滑塌較為嚴重，有向深部發(fā)展的趨勢。經綜合分析，前緣是控制滑坡穩(wěn)定的關鍵，因此定量計算重點針對前緣潛在失穩(wěn)部分選取不利面，開展邊坡在天然、地震和暴雨工況下的穩(wěn)定性驗算及下滑推力計算。

假定該邊坡潛在滑面為折線型，采用JTGD30-2004《公路路基設計規(guī)范》推薦的公式對滑坡的穩(wěn)定性進行計算，因滑坡區(qū)沒有地下水的賦存條件且區(qū)內抗震設防烈度為Ⅶ度，故不考慮地下水的動靜水壓力的影響。

根據滑坡體上的鉆孔勘探成果，滑體內物質主要由碎石土組成，石質成份以板巖及變質砂巖為主，少量千枚巖，結構以松散—稍密狀為主。在鉆孔內未見明顯的軟弱夾層，根據地表形態(tài)及巖土界面分析，潛在滑坡的滑動帶位于碎石土內部，主要受滑體斜坡坡度及臨空面的控制，在坡度較陡段產生進一步的牽引式滑移破壞，于坡腳處剪出。

滑坡計算參數結合地勘資料、地區(qū)經驗值和該段邊坡淺表層已滑移失穩(wěn)部分進行反算，并考慮不同深度的密實程度適當調整取值。如表1所示，天然狀態(tài)下根據堆積體物質成分的組成，粗、巨礫的含量及原巖來源，堆積體綜合采用天然狀態(tài)下的容重取21kN/m3，暴雨狀態(tài)下的容重取22kN/m3，目前邊坡淺表層滑坡處于極限平衡狀態(tài)，穩(wěn)定性系數取1.05進行反算。暴雨工況下的c、φ值再利用天然工況反算得到的c、φ值進行適當折減。

表1 滑坡計算參數

滑坡穩(wěn)定性系數Kf為式(1)。

(1)

式中：Rn=Nntanφn+cnLn；

Ψj為第i塊段的剩余下滑力傳遞至第i+1塊段時的傳遞系數(j=i)，即:Ψj=cos(αi-αi+1)-sin(αi-αi+1)tanφi+1；ci為第i條塊內聚力kPa；φi為第i條塊內摩擦角(°)；Li為第i條塊滑面長度m；αi為第i條塊滑面傾角(°)。

按傳遞系數法計算，下滑力計算為式(2)：

Pi=Pi-1·Ψ+Ks·Ti-Ri

(2)

式中：Pi為第i條塊的推力kN/m；Pi-1為第i條塊的剩余下滑力kN/m。

下滑力Ti：Ti=Wisinαi

抗滑力Ri：Ri=Wicosαi-Nitanβisin(αi-βi)tanφi+ciLi

Wi為第i條塊的重量kN/m；Ni為第i條塊滑動面的法向分力kN/m；βi為第i條塊水平傾角(°)。

經計算，潛在滑坡在天然工況下的穩(wěn)定系數為1.05～1.09，暴雨工況下的穩(wěn)定系數為1.03～1.04。各工況不利潛在滑面剩余下滑力計算值見表2。

表2 滑坡推力計算結果

3.3 滑坡處治設計

為確保垮塌邊坡整體安全和上方高壓鐵塔穩(wěn)定，設計采取應急處治和永久處治相結合的方式進行防護。

應急治理方案為：反壓滑塌坡體前緣、填補鐵塔漏空基礎，同時用纜繩固定鐵塔。

滑坡永久治理方案如圖2所示，先對塔基下方采用C20混凝土填補加固，漏空位置采用C20泵送混凝土進行填補。對坡面進行掛網噴漿封閉，坡口設置環(huán)形截水溝，避免地表水下滲。坡腳設錨拉抗滑樁，樁間掛擋土板?？够瑯俄敳捎?∶0.75放坡，其邊坡采用錨索框架梁加固。設計盡量提高抗滑樁頂標高以減小邊坡開挖量，但同時帶來了抗滑樁懸臂段過長的問題，因此在每根樁的樁頂設2根6束φ15.2mm的錨索，懸臂段長度達到15m及以上的樁的懸臂段中點設1根6束φ15.2mm錨索，以限制樁頂位移。每根錨索的設計拉力775kN，實際張拉至設計拉力的50%～70%，按400kN鎖定?？够瑯恫捎萌斯ね诳祝F澆C25鋼筋混凝土。樁長小于28m的，樁身截面采用2.0m×3.0m；樁長不小于28m的，樁身截面采用2.5m×3.5m。施工抗滑樁時，先跳槽施工鐵塔下方抗滑樁；施作樁體錨索時，待所有抗滑樁施工完畢后，施作樁頂兩束錨索，鐵塔下方抗滑樁樁頂錨索先實施，再開挖樁前土體施作樁身錨索。坡面采用框架錨索防護，錨索采用4束φ15.5mm，長20m，錨固段8m。

圖2 滑坡永久處治方案設計

為驗證該滑坡處治設計效果，對錨索樁板墻進行了現場監(jiān)測，如圖3所示，在錨索錨固段布設了錨索測力計，在抗滑樁樁身布設了鋼筋應變計、混凝土應變計，樁后布設了土壓力盒。圖4為該處滑坡處治施工完成后的照片，結合監(jiān)測數據，整個滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，保障了滑坡上方鐵塔安全運營。

圖3 滑坡現場監(jiān)測設計

圖4 滑坡處治完成現場

4 結束語

四川省高速公路建設不斷向川西高山峽谷區(qū)延伸，如阿壩州地區(qū)的汶川至馬爾康高速公路，受“5·12”汶川大地震的影響，在阿壩州雜谷腦河流域兩岸山體上形成了大量斜坡崩坡積堆積體，走廊帶內的高速公路不可避免的切削山體斜坡，從而誘發(fā)滑坡，威脅斜坡上部其它基礎設施安全運營，如高壓鐵塔、水利工程等。本文以四川省汶川至馬爾康高速公路某路塹邊坡開挖誘發(fā)滑坡為例，從堆積體物源、高速公路邊坡開挖形成臨空面和強降雨等方面分析了滑坡的成因，開展了滑坡穩(wěn)定性分析和下滑推力計算，給出了較為合理的滑坡處治設計方案，并對滑坡支護結構進行了監(jiān)測，提高了滑坡上方高壓鐵塔的安全性，研究成果可供同地區(qū)類似工程處治設計提供參考。