鎮(zhèn)江市某巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及其治理措施研究

周俊雄,魏繼紅,劉 剛,施 威

(1.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 211100; 2.江蘇南京地質(zhì)工程勘察院,江蘇 南京 210000)

巖質(zhì)邊坡往往結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜,破壞模式多樣,造成很大危害[1]。影響巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的因素有很多,其中以自身結(jié)構(gòu)面發(fā)育及組合情況為主要因素。節(jié)理裂隙的發(fā)育會(huì)造成巖塊的切割,從而產(chǎn)生不同大小的巖塊,節(jié)理裂隙不斷的發(fā)展,貫穿至巖體內(nèi)部后,巖體結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度無法抵抗坡面破碎塊體的下滑力,隨后塊體沿著結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑動(dòng)。此外,降水亦是影響巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的一大因素。當(dāng)降水不斷匯集在坡面后,順著裂隙下滲至巖體內(nèi)部,造成結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)弱化,隨之會(huì)有泥質(zhì)等軟弱充填物進(jìn)入,巖體的抗剪強(qiáng)度不斷降低,為滑坡的形成提供了有利條件。同時(shí)，坡腳開挖、人工爆破等工程活動(dòng)及地震作用也會(huì)對(duì)巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性造成影響[2]。

邊坡穩(wěn)定性分析是地質(zhì)災(zāi)害防治工作中一項(xiàng)極其重要的工作,其評(píng)價(jià)結(jié)果直接關(guān)系到人民群眾的生命及財(cái)產(chǎn)安全[3-5]。對(duì)于邊坡穩(wěn)定性的分析主要采用極限平衡法和數(shù)值分析法。1955年Alan[6]提出了極限平衡法,經(jīng)過不斷改進(jìn)其逐漸成為邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中一項(xiàng)快捷有效的研究方法。該方法通過靜力平衡原理計(jì)算出穩(wěn)定性系數(shù),即以抗滑力與下滑力的比值來評(píng)價(jià)邊坡的穩(wěn)定性。在數(shù)值模擬分析方面,也有眾多學(xué)者展開了研究，如劉楚喬等[7]總結(jié)了目前邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測及評(píng)價(jià)的主要方法及工程應(yīng)用,提出了存在的不足并為今后的發(fā)展提出了展望；邵龍?zhí)兜萚8]在有限元應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上,更有效地搜尋了巖質(zhì)邊坡的可能滑動(dòng)面；戚國慶等[9]利用Picard迭代法模擬了巖質(zhì)邊坡降雨入滲的過程并分析了其飽和區(qū)、水壓力等的變化、分布；林杭等[10]運(yùn)用FLAC3D模擬了層狀巖質(zhì)邊坡的破壞模式,研究了結(jié)構(gòu)面傾角對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響程度；劉運(yùn)思等[11]等分析了巖溶地區(qū)巖溶的有無、位置及范圍與巖質(zhì)高陡邊坡的穩(wěn)定性的關(guān)聯(lián)程度；譚鑫等[12]等在塊體理論的基礎(chǔ)上,運(yùn)用FLAC3D從結(jié)構(gòu)面影響巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性方面展開研究,模擬其失穩(wěn)的破壞方式,分析其失穩(wěn)機(jī)理；楊長衛(wèi)等[13]在彈性波動(dòng)理論和概化地質(zhì)分析模型的基礎(chǔ)上,研究了SV波作用下的巖質(zhì)邊坡地震穩(wěn)定性,提出了更為合理有效的時(shí)頻分析方法,并考慮幅值、頻率及持時(shí)3個(gè)變量對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響程度,預(yù)測了滑坡發(fā)生的時(shí)間及規(guī)模大?。涣哼匸14]運(yùn)用FLAC3D在強(qiáng)度折減法的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了巖質(zhì)邊坡在不同庫水位下的穩(wěn)定性的數(shù)值分析,并總結(jié)出一定的規(guī)律；張登項(xiàng)等[15]對(duì)巖質(zhì)邊坡中順層邊坡潰屈破壞模式進(jìn)行了研究,分析了其破壞特征并總結(jié)出崩塌滑坡形成的前提條件； 唐旭等[16]、王智德等[17]、徐樹煥等[18]等運(yùn)用數(shù)值模擬法評(píng)價(jià)了在爆破荷載下巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性。

以鎮(zhèn)江市某巖質(zhì)邊坡作為研究對(duì)象,在地質(zhì)勘察的基礎(chǔ)上利用極限平衡法和數(shù)值模擬法,針對(duì)不同工況進(jìn)行模擬,對(duì)比分析其治理加固前后的邊坡穩(wěn)定性,從而驗(yàn)證治理措施的有效程度,為類似滑坡地質(zhì)災(zāi)害防治工程提供了借鑒。

1 工程概況

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地貌類型屬于低山丘陵區(qū),由數(shù)座山峰連綿組成,地形起伏變化較大。由于修建道路時(shí)對(duì)沿線邊坡進(jìn)行了不同程度的切坡開挖,導(dǎo)致多處形成了陡坡,從而大大降低了坡體的穩(wěn)定性,為滑坡地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生埋下了隱患。

1.2 滑坡特征

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及勘查報(bào)告,坡體以龍?zhí)督M的煤層及炭質(zhì)頁巖為主,上部區(qū)域存在5～10 m厚的人工填土。坡體上部的泥巖等軟質(zhì)巖在長期的自重作用下,表部巖層因蠕動(dòng)變形而向臨空一側(cè)發(fā)生彎曲、折裂,最終形成了撓曲變形。同時(shí)該區(qū)域存在多處因滑坡體下滑失去側(cè)向支撐而形成的牽引式張裂縫。

坡體下部為出露的龍?zhí)督M煤層及炭質(zhì)頁巖,巖質(zhì)較軟,在降水及上部匯水沖刷下,形成較明顯的沖溝;同時(shí)由于龍?zhí)督M與薛家村組呈斷層接觸,接觸處巖石破碎嚴(yán)重,巖體質(zhì)量較差,也形成了較大沖溝。

1.3 邊坡穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)

該區(qū)域的地下水類型主要為松散巖類孔隙水,主要分布在上部填土,受季節(jié)影響明顯。以大氣降水為重要補(bǔ)給源,以地表泄流、大氣蒸發(fā)、地下滲流為主要排泄途徑。故對(duì)于該邊坡而言,降水易由坡頂雜填土下滲至巖塊節(jié)理裂隙中,從而降低巖體抗剪強(qiáng)度,導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)并發(fā)生滑坡。

該區(qū)域影響邊坡穩(wěn)定性的工程活動(dòng)主要為礦山開采,改變了原始地形地貌。此外,礦山開采產(chǎn)生了大量的礦物堆積,為滑坡體提供了物質(zhì)資源,增加了滑動(dòng)的可能性。

通過現(xiàn)場勘查及報(bào)告分析發(fā)現(xiàn),該邊坡的滑坡類型為楔形滑動(dòng),坡面處巖塊因多組結(jié)構(gòu)面組合而形成楔形體,楔形體與坡體發(fā)生分離,隨后存在沿著組合交線方向發(fā)生滑動(dòng)的可能。該邊坡在長期的地質(zhì)作用之下,加上人工開挖和降水等因素,楔形體接近失穩(wěn),可能沿著軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑動(dòng)[19]。

2 治理前邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

2.1 穩(wěn)定性分析方法及計(jì)算模型

研究區(qū)東側(cè)山體坡度總體較陡,一般為45°～60°,局部超過70°近直立,故選取東側(cè)二區(qū)一典型坡面作為分析對(duì)象(見圖1、圖2),通過極限平衡法和有限元法對(duì)該邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。該邊坡所在區(qū)域抗震設(shè)防烈度為7度,設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g。根據(jù)《滑坡防治工程勘查規(guī)范》[20]及《滑坡防治設(shè)計(jì)規(guī)范》[21],確定該項(xiàng)目防治工程等級(jí)為一級(jí),并選取設(shè)計(jì)穩(wěn)定性系數(shù)為1.35。

圖1 研究區(qū)分區(qū)示意圖Fig.1 Diagram of research area partition

圖2 研究區(qū)14-14′剖面圖Fig.2 Profile map of 14-14' of research area

研究分別對(duì)該邊坡進(jìn)行了天然、暴雨及地震3種工況下的穩(wěn)定性計(jì)算,并根據(jù)現(xiàn)場勘察報(bào)告、試驗(yàn)數(shù)據(jù)及經(jīng)驗(yàn)取值得出所需巖土體基本物理力學(xué)參數(shù)，如表1所列。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical mechanics parameters of rock mass

2.2 邊坡極限平衡法計(jì)算分析

運(yùn)用極限平衡法對(duì)該邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析,其中采用了簡化Bishop法、修正Janbu法和普通條分法(Spencer法)進(jìn)行計(jì)算和校核。治理前極限平衡法計(jì)算結(jié)果如表2所列。由表2可知，天然狀況下該邊坡的平均穩(wěn)定性系數(shù)為0.92,處于欠穩(wěn)定狀態(tài);在暴雨及地震工況下,平均穩(wěn)定性系數(shù)降到了0.66和0.88,可見降水和地震因素都在一定程度上影響了該邊坡的穩(wěn)定性,使得該邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

表2 治理前極限平衡法計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of limit equilibrium method before treatment

2.3 邊坡強(qiáng)度折減法計(jì)算分析

建立計(jì)算模型(見圖3),將邊坡及頂部雜填土視為理想彈塑性材料,并依據(jù)摩爾庫倫強(qiáng)度屈服準(zhǔn)則判別巖土體是否失穩(wěn)。

圖3 治理前邊坡數(shù)值模擬模型Fig.3 Simulation model of slope value before treatment

研究分別展開天然、暴雨及地震3種工況下的穩(wěn)定性分析,邊坡計(jì)算X方向位移云圖如圖4所示,塑性區(qū)分布如圖5所示,3種工況下的穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.020、0.803和1.012。其中降水因素對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響最大,其穩(wěn)定性系數(shù)小于1,而地震外動(dòng)力對(duì)于該邊坡的穩(wěn)定性影響較小,與天然工況的穩(wěn)定性系數(shù)相比差別較小。

圖4 治理前邊坡水平位移云圖Fig.4 Nephgram of slope horizontal displacement before treatment

從圖4可以看出,暴雨工況在降水的沖刷下,巖質(zhì)頁巖遇水崩解,強(qiáng)度急劇降低,坡體位移明顯增大,最大位移量約 43.97 cm;地震工況下坡體水平向最大位移為26.70 cm,位于坡底處,該處以黑色炭質(zhì)頁巖及煤層為主,其質(zhì)地較軟、工程性質(zhì)較低而形成大型沖溝。

從圖5可以看出,該邊坡主要呈現(xiàn)從坡頂?shù)狡碌椎募羟兴苄詤^(qū),貫通整個(gè)滑動(dòng)面。剪出口位于坡底,該處為坡腳出露的煤層及炭質(zhì)頁巖。在暴雨工況下,巖體遇水抗剪強(qiáng)度降低,導(dǎo)致邊坡塑性區(qū)分布比例增大,且在坡頂出現(xiàn)小區(qū)域拉張應(yīng)力區(qū),這主要是因?yàn)樯细搽s填土的壓實(shí)度不夠、結(jié)構(gòu)松散、工程地質(zhì)性質(zhì)較差,且未布置相應(yīng)的截排水設(shè)施,從而在降水匯水后無法承受荷載產(chǎn)生滑塌,導(dǎo)致該邊坡的穩(wěn)定性大大降低。在地震工況中,在地震外動(dòng)力的作用下,塑性區(qū)面積也小幅擴(kuò)大,主要集中在坡底受水平力處。

3 邊坡加固措施

根據(jù)邊坡加固前的穩(wěn)定性分析結(jié)果,邊坡在暴雨、地震、天然工況下均處于不穩(wěn)定狀態(tài),由此需要對(duì)邊坡進(jìn)行加固治理。根據(jù)勘察資料并結(jié)合該區(qū)域地層分布、滑坡特征及場地條件,對(duì)該邊坡采取削坡、錨桿格構(gòu)加固的措施,對(duì)臺(tái)階坡面采用掛網(wǎng)客土噴播綠化,而平臺(tái)采用普通噴播綠化;同時(shí)每級(jí)平臺(tái)設(shè)置排水溝等截排水設(shè)施,減小降水對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

進(jìn)行削坡處理后,每級(jí)平臺(tái)寬度為4 m,平臺(tái)削坡比例為1∶1。在坡面布置預(yù)應(yīng)力錨桿,錨桿孔直徑130 mm,水平向下傾斜25°,錨桿長度11 m,材料為PSB930Φ25鋼筋,錨桿豎向間距為3.0 m,水平間距為3.0 m。治理后邊坡設(shè)計(jì)剖面圖如圖6所示。

圖6 治理后邊坡設(shè)計(jì)剖面圖Fig.6 Profile map of slope design after treatment

4 治理后邊坡穩(wěn)定性分析

4.1 邊坡極限平衡法計(jì)算分析

對(duì)治理后的邊坡同樣進(jìn)行極限平衡法計(jì)算分析,各種工況下的穩(wěn)定性系數(shù)如表3所列。由表3可知天然、暴雨和地震工況下邊坡平均穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.49、1.40和1.43,均處于穩(wěn)定狀態(tài)。由于錨桿穿過潛在滑動(dòng)面后,使得該邊坡成為一個(gè)整體,巖土體強(qiáng)度得到較大提高,穩(wěn)定性也有了顯著提升。其中暴雨工況下,由于在坡頂布置截水溝并在每級(jí)臺(tái)階增設(shè)排水溝,使得降水能夠及時(shí)排出,從而降低了上覆雜填土層發(fā)生滑動(dòng)的可能,同時(shí)也不會(huì)有大量雨水下滲至巖體的節(jié)理裂隙中,增加楔形體的下滑力,楔形體也趨于穩(wěn)定。分析結(jié)果表明,削坡降坡后錨桿格構(gòu)加固的方式有良好的治理效果。

表3 治理后極限平衡法計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation results of limit equilibrium method after treatment

4.2 邊坡強(qiáng)度折減法計(jì)算分析

對(duì)治理加固后的邊坡進(jìn)行有限元強(qiáng)度折減法分析計(jì)算,所得坡體X向位移云圖如圖7所示,治理前后穩(wěn)定性系數(shù)對(duì)比如表4所列。

圖7 治理后水平位移云圖Fig.7 Nephogram of horizontal displacement after treatment

表4 治理前后穩(wěn)定性系數(shù)對(duì)比Table 4 Comparison of stability coefficient before and after treatment

由圖7可見，支護(hù)后的坡體沿X方向位移量主要集中于坡底巖體深部,并向坡體后方擴(kuò)散分布,這是因?yàn)樵谄旅嫔鲜┘渝^桿格構(gòu)后,對(duì)坡腳處的深部巖體產(chǎn)生了擠壓作用。此外在上覆雜填土層與下伏巖層接觸處存在少量位移量,坡面錨桿處也有小幅度位移的波動(dòng),其中暴雨工況下邊坡第一級(jí)臺(tái)階平臺(tái)也有小范圍位移的波動(dòng)。圖7中天然工況、暴雨及地震工況下的穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.660、1.580及1.652,均大于設(shè)計(jì)穩(wěn)定性系數(shù)1.35,邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。3種工況下的最大位移量分別為3.394 cm、6.649 cm及3.902 cm,相比支護(hù)前坡體的水平位移量均有大幅降低,表明在錨桿支護(hù)的作用下,該邊坡的穩(wěn)定性得到較大提升,治理措施達(dá)到了預(yù)期效果。

5 結(jié)論

以鎮(zhèn)江市某巖質(zhì)邊坡為研究對(duì)象,分別用極限平衡法和數(shù)值分析法對(duì)該邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià),在得出坡體X方向位移量、塑性分布圖及穩(wěn)定性系數(shù)后,對(duì)兩種方法的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析,得出以下結(jié)論:

(1) 該巖質(zhì)邊坡為典型的楔形體滑坡,在道路修建及礦山開挖的影響下,邊坡形成高陡邊坡,最終在坡腳形成臨空面,存在滑坡地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的隱患。該巖質(zhì)邊坡的潛在滑動(dòng)面類似圓弧形,剪出口位于坡底處。

(2) 治理前用極限平衡法計(jì)算出3種工況下的穩(wěn)定性系數(shù)分別為0.92、0.66和0.88,數(shù)值分析得出的穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.020、0.803和1.012;天然工況下該邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài),地震工況下坡體最大水平位移量為26.70 cm,在降水的影響下,最大位移量增加到了43.97 cm,邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài),且坡體塑性區(qū)貫通,邊坡存在滑動(dòng)的可能,需進(jìn)行加固治理。

(3) 加固后用極限平衡法計(jì)算出3種工況下的穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.49、1.40和1.43,數(shù)值分析得出的穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.660、1.580及1.652,邊坡的穩(wěn)定性都大幅提升,均大于設(shè)計(jì)穩(wěn)定性系數(shù)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,加固治理后3種工況下該邊坡的坡向最大位移量均大幅減小,由此說明削坡降坡、錨桿格構(gòu)加固及增設(shè)截排水溝等治理措施切實(shí)有效,很大程度地提高了邊坡的穩(wěn)定性,降低了邊坡發(fā)生滑坡的可能。

(4) 根據(jù)兩種計(jì)算方法所得結(jié)果可以看出,極限平衡法和數(shù)值分析所計(jì)算出的穩(wěn)定性系數(shù)基本吻合,但有限元強(qiáng)度折減法所得出的穩(wěn)定性系數(shù)比極限平衡法偏大,相比較為保守的極限平衡法,有限元法能夠更真實(shí)地模擬邊坡發(fā)生滑坡的過程。