盧家灣大橋堆積體滑坡穩(wěn)定性分析及處治措施研究

魏東旭 萬 利 劉傳利 鄭國勝

（山東省交通規(guī)劃設計院集團有限公司，山東濟南 250031）

0 引言

我國西南地區(qū)廣泛分布著堆積物滑坡體，其結構普遍松散，極易造成滑坡失穩(wěn)。國內外學者對堆積體滑坡開展了相關研究。王彥東等[1]利用現(xiàn)場沖刷試驗及原位監(jiān)測的手段，分析了九寨溝震后崩滑堆積體滲流響應特征及啟動機理，指出滑坡的啟動可以分為先期滲透、鏟刮滑流、快速堆積以及局部飽和侵蝕四個階段。張國帥等[2]通過開展堆積體入滲試驗，模擬了堆積體的起動過程，研究表明入滲條件下堆積體的結構穩(wěn)定性會明顯降低。Gray 等[3]通過試驗發(fā)現(xiàn)，堆積體失穩(wěn)過程中，堆積體形態(tài)會影響內部顆粒的接觸方式，進而改變堆積體的堆積穩(wěn)定性。周偉杰等[4]采用極限平衡法計算安全系數(shù)，分析不同降雨條件對于堆積體的影響規(guī)律，指出久雨對堆積體穩(wěn)定性影響較大，且有較弱滯后性。黃帆等[5]以四川大住鎮(zhèn)任河大橋滑坡滑帶土為研究對象，對其抗剪強度參數(shù)進行了反演，為獲取滑坡滑帶土的參數(shù)指標提供了新思路。李煥煥等[6]對重慶烏江東岸堆積體滑坡提出了抗滑群樁+擋墻支護的綜合治理措施。湛正剛等[7]針對RM 水電區(qū)RS 堆積體的綜合治理，確定了全削減載及減重反壓的綜合治理方案。向寶山等[8]以九綿高速五里坡隧道為依托，探究松散堆積體隧道的圍巖加固措施，提出采用加強超前小導管注漿及縮腳錨桿的治理方案。總結而言，對堆積滑坡體的穩(wěn)定性開展分析研究并選擇合理有效的加固治理措施，具有重要的工程意義。

盧家灣大橋場地上部為堆積體滑坡，下部存在基巖順層的情況，在查明場區(qū)地質背景和堆積體結構的基礎上，采用不平衡推力傳遞系數(shù)法和剛體極限平衡方法對滑坡體進行了穩(wěn)定性分析，并提出對盧家灣大橋上、下部進行分區(qū)治理的方案，為確保治理后坡體的穩(wěn)定，利用有限元軟件對加固方案模擬分析，并對坡體現(xiàn)場監(jiān)測，研究成果可為類似工程提供參考。

1 工程概況

盧家灣大橋位于云南昭通地區(qū)，屬預應力混凝土連續(xù)剛構橋，其中6#橋墩位于一山體邊坡中部，緊鄰陡坎（高約50 m）邊緣，右側為一不穩(wěn)定堆積體滑坡，下伏基巖順傾（見圖1）?；滤幍孛矊贅嬙烨治g深切峽谷，山體自然坡度20°～35°。巖層產(chǎn)狀為180°∠23°，與坡向近似一致，為典型的順層易滑地層，整個邊坡區(qū)域巖體產(chǎn)狀變化較大，巖體較破碎。

2020 年3 月初開始進行6#橋墩墩位平臺及施工便道開挖，開挖對原地貌改變較大，形成新的臨空面。期間經(jīng)歷長時間持續(xù)強降雨，雨水下滲至堆積體導致土體飽和，邊坡后緣和坡面出現(xiàn)裂縫并逐步加劇，截至2020 年4 月中旬邊坡后緣滑塌錯臺高度達1.5 m，邊坡坡面隆起明顯，后緣裂縫有繼續(xù)擴大趨勢，邊坡整體外移情況十分嚴重，滑坡堆積體已嚴重威脅橋梁施工及運營安全。

如圖2 所示，滑坡堆積體表現(xiàn)為三個相對獨立的變形區(qū)。其中變形1 區(qū)滑坡堆積體厚度約 3～5 m，沿滑塌方向長約10 m，寬20～30 m，變形區(qū)后緣裂縫呈東西方向延伸，該區(qū)堆積體主要為黃色狀塊石及碎石土；變形2 區(qū)滑坡堆積體厚度約5～10 m，沿滑塌方向長約25～30 m，寬30～40 m，變形區(qū)后緣裂縫呈西南—東北方向延伸，該區(qū)堆積體主要為黃灰色粉質黏土、碎石土及塊石；變形3 區(qū)滑坡堆積體厚度約10～13 m，沿滑塌方向長約50 m，寬95 m，變形區(qū)后緣裂縫呈西南—東北方向延伸，該區(qū)堆積體組成構造與變形Ⅱ區(qū)一致，需要注意的是圖2 變形區(qū)分區(qū)不同于圖3。將滑坡地形圖按照圖3 所示進行劃分，變形Ⅰ區(qū)為主滑區(qū)，滑坡平面形態(tài)近似“圈椅”狀，最長貫通裂縫約120 m，寬10～30 cm，地面高程650～700 m，主滑方向NE177°，投影面積5.2×103m2，滑體厚度10.0～13.0 m，平均厚度11.0 m，體積約6.1×104m3，為一中型中層牽引式堆積體滑坡。

圖2 滑坡堆積體地貌圖（處治前）

圖3 路塹滑坡地形圖

2 應急處置措施

發(fā)現(xiàn)裂縫后，對該坡體開展了變形監(jiān)測。坡體地表位移監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，滑坡堆積體正在以3～6 mm/d 的速率發(fā)生變形，降雨會加劇滑坡堆積體進一步變形，需要對邊坡嵌頂裂縫及坡體內變形區(qū)進行注漿并用混凝土封堵。加快嵌頂外截水溝、邊溝、及邊坡體仰斜式排水管的施工進度，并對富水區(qū)加密仰斜排水孔，排出坡體內的地下水，避免因地表水下滲而進一步加劇滑坡堆積體變形，從而提高邊坡體自身穩(wěn)定性。暫停下部邊坡樁墩位置土石方工程的開挖，以防止滑坡堆積體進一步發(fā)生變形。

3 滑坡穩(wěn)定性及滑坡影響因素分析

3.1 滑坡堆積體穩(wěn)定性分析

由圖3 可知，上部滑坡體表現(xiàn)為三個相互關聯(lián)的變形區(qū)，I 區(qū)為主滑區(qū)，該區(qū)剩余下滑力最大，范圍包含滑區(qū)II 和滑區(qū)III，是控制該橋梁墩位穩(wěn)定性的主控因素。

以主滑區(qū)為對象進行穩(wěn)定性分析，采用傳遞系數(shù)法和較為嚴格的剛體極限平衡法計算滑坡的剩余下滑力。該滑坡為堆積體土質坡，滑帶面位于巖土分界面呈折線形，中等風化砂巖順傾，滑坡穩(wěn)定性計算采用傳遞系數(shù)法時將主滑區(qū)劃分為9 條塊（見圖4）。

圖4 主滑斷面穩(wěn)定性計算簡圖

表1 給出了主滑區(qū)巖土體的相關參數(shù)，表2 為剩余下滑力的計算結果。通過計算，主滑區(qū)I 在正常工況（天然）下穩(wěn)定系數(shù)為1.050，基本穩(wěn)定，剩余下滑力1121.8 kN/m；在非正常工況I（暴雨）下穩(wěn)定系數(shù)為0.972，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，剩余下滑力1254.3 kN/m。

表1 主滑斷面穩(wěn)定性計算表

表2 主滑斷面穩(wěn)定性計算結果

為使滑坡體的物理力學參數(shù)及剩余下滑力更符合工程實際，對剛體極限平衡方法——Morgensten-Price 法進行校核驗證?；麦w下部的橋梁主墩為重要結構物，正常工況（天然）下取安全系數(shù)Fst=1.30，非正常工況I（暴雨）下安全系數(shù)Fst=1.20。由試驗或者工程類比法選取c值，反算內摩擦角φ值。計算結果見表3。

表3 滑坡計算參數(shù)取值及計算結果

對比表2 和表3 可知，不平衡推力傳遞系數(shù)法和剛體極限平衡方法計算結果基本吻合。

3.2 滑坡影響因素

（1）降雨及地表水

降雨是滑坡變形發(fā)展加劇的主要影響因素。該邊坡所處地區(qū)常年降雨，滑坡的變形拉裂縫在雨后增大變寬，持續(xù)強降雨和地表水下滲導致地下水（松散巖類孔隙水）量增加，滑坡體飽和重度變大，加速滑面的形成并降低滑帶土抗剪強度，下滑力增大，產(chǎn)生變形滑移。

（2）地質構造及物質組成

該滑坡所處區(qū)域屬單向斜坡地形，物質組成屬碎石土、碎塊石土夾含碎石粉質黏土等復合型邊坡，其中粉質黏土屬相對隔水層，大氣降水在碎塊石土與含碎石粉質黏土界面和基巖面處徑流匯集，具備軟化滑帶土的基本條件，加劇滑坡體向下滑移。

（3）人類工程活動

人類施工活動對滑坡起誘發(fā)作用。盧家塆大橋6#橋墩平臺在開挖過程中形成臨空面，為滑坡的產(chǎn)生提供了必要條件。工程建設改變了原斜坡的應力條件及水文地質條件，同時邊坡坡腳開挖前未進行坡體預加固，開挖后防護不及時、坡體排水工程嚴重滯后，巖土體抗剪強度大幅度衰減，誘發(fā)了坡體失穩(wěn)。

4 滑坡治理方案

4.1 治理方案驗算

經(jīng)綜合分析，擬采用抗滑樁+錨桿的支護方案對該滑坡進行治理，并對孤石所在位置進行錨桿加固。為驗算該治理方案，基于極限平衡分析軟件建立了二維分析模型，分析計算天然工況與暴雨工況下的安全系數(shù)，并考慮地震力對安全系數(shù)的影響（該地區(qū)抗震設防烈度為7 度，設計基本地震加速度為0.1g）。滑坡驗算參數(shù)取值及驗算結果見表4。

表4 滑坡驗算參數(shù)取值及驗算結果表

根據(jù)驗算結果，天然工況下邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.216，較治理前的穩(wěn)定系數(shù)1.050 提高了15.8%；暴雨工況下邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.207，較治理前的穩(wěn)定系數(shù)0.972 提高了24.2%。在地震力作用下，天然工況與暴雨工況的穩(wěn)定系數(shù)分別為1.009 與1.002，均小于無地震作用力時的邊坡穩(wěn)定系數(shù)，表明地震作用力對邊坡穩(wěn)定性有一定影響，在進行邊坡治理時要充分考慮該地區(qū)的抗震設防烈度。

同時建立分析模型（見圖5），圖5（a）為模型圖，由三個土體部分構成，包括巖石、碎石土以及主滑面土。圖5（b）為網(wǎng)格圖，網(wǎng)格設置很細（Fine），由4446 個單元、36903 個節(jié)點組成。利用有限元分析軟件對該治理方案天然工況進行分析，研究抗滑樁的受力及邊坡穩(wěn)定性變化。土體采用摩爾-庫侖模型，滑坡計算的后緣以滑坡I 區(qū)后緣裂縫為準。在后緣裂縫處設置軟弱結構面并添加正負界面單元；錨索采用點對點單元模擬，考慮到孤石斜臥覆蓋著陡坡上，采用線荷載單元進行模擬，線荷載值為370.4 kN/m，因軟件輸入數(shù)值量綱為kN/m/m，故輸入52.92 kN/m/m；抗滑樁采用板單元模擬。相關參數(shù)見表5。

表5 天然工況相關參數(shù)

圖5 邊坡治理有限元分析模型

通過對加固后的邊坡穩(wěn)定性進行模擬分析，發(fā)現(xiàn)滑坡安全系數(shù)較加固前提高，加固前安全系數(shù)約為1.073，經(jīng)過抗滑樁治理后，安全系數(shù)為1.2，提高了邊坡穩(wěn)定性。有限元軟件中指定EA、EI 值為平面外方向上單位寬度的剛度，故從滑樁內力分析（見圖6）中可以看出抗滑樁軸力、剪力及彎矩的絕對值最大值分別是1657 kN/m、1613 kN/m 及9248 kN·m/m，樁體受力充分，起到了抗滑加固作用，為橋梁工程施工安全提供保障。其中無線荷載情況下的安全系數(shù)比有線荷載下的安全系數(shù)低0.015，表明孤石對邊坡穩(wěn)定性有一定的影響，但在進行錨桿加固后影響不大，因此在滑坡治理過程中保留孤石，不作進一步處理。

圖6 抗滑樁內力分析圖

圖7 為治理前后位移云圖。由于采用強度折減法分析，因此圖中所示位移不代表真實的邊坡位移。對比圖7（a）和圖7（b）可以看出，經(jīng)過抗滑樁及其他加固措施處治后滑坡堆積體位移范圍有所減小，邊坡土體實現(xiàn)了穩(wěn)定，初步表明治理方案可行。

圖7 邊坡位移云圖

4.2 治理方案的確定

根據(jù)有限元分析結果，結合現(xiàn)場的實際情況，綜合考慮施工擾動、橋梁加載及時間效應等因素對順向坡的影響，可知橋墩區(qū)順向坡安全儲備不足?，F(xiàn)狀邊坡較陡，堆積體結構松散，需減少對原有山體的擾動，降低上部堆積體因放緩邊坡而失穩(wěn)的風險。針對在坡腳位置存在的一塊8 m×7 m×2 m 的孤石，考慮爆破清除可能會引起上部邊坡失穩(wěn)，結合計算結果，選擇保留孤石對邊坡整體穩(wěn)定更為有利。

經(jīng)綜合分析，最終確定的滑坡治理設計方案如下：

（1）對孤石采用4 孔單點錨索加固，自上而下錨索長度分別為26 m、22 m，錨索應避開抗滑樁，孤石下部采用2 m 高路塹墻加固。

（2）孤石上部邊坡設置4 m 寬抗滑樁平臺，設置1 排矩形截面抗滑樁，抗滑樁截面尺寸2.5 m×3.5 m，樁長30 m（考慮坡體基巖順傾，確保樁體穿越下部順層潛在滑面，且于潛在滑面以下嵌巖深度不小于8 m），抗滑樁間距6.0 m，樁頭增設3 根6 束錨索，自上而下錨索長度分別為41 m、37 m、37 m；平臺內側設置2 排錨桿格梁。

（3）坡腳位置增設長20 m 的仰斜式泄水孔，孔內插設硬塑透水管（110 mm），內端頭用2 層無紡布包裹，排水孔仰角10°，間距5 m，梅花型布置，富水地段加密泄水孔。

典型斷面治理方案如圖8 所示。

圖8 典型斷面治理方案

5 滑坡監(jiān)測

為及時掌握滑坡動態(tài)，在臨時加固和永久治理過程中，分別在滑坡前后緣和外側布置位移監(jiān)測點，根據(jù)后期位移監(jiān)測結果，繪制地表位移監(jiān)測s-t曲線圖（見圖9）。2020 年3 月22 日—4 月30 日，期間未采取任何措施，滑坡發(fā)生較大位移，監(jiān)測點JC1、JC2數(shù)據(jù)顯示滑坡每周位移增量約21～42 mm；4 月30日應急措施實施后，地表累計位移曲線、拐點累計位移數(shù)據(jù)趨于減慢，滑坡每周位移增量約5～10 mm，說明應急處置措施的實施遏制了滑坡的進一步變形，應急處置措施得當。2020 年7 月20 日永久治理方案實施后，滑坡監(jiān)測點JC1、JC2 位移數(shù)據(jù)在8 月之后趨于收斂，之后幾個月坡體未產(chǎn)生變形，監(jiān)測點JC1 最終累計位移約180 mm 處，JC2 在累計位移150 mm 左右趨于穩(wěn)定，說明滑坡治理達到了預期效果，保證了大橋的安全。

圖9 地表位移監(jiān)測s-t 曲線

6 結論

（1）盧家灣大橋6#橋墩所處滑坡位于順層中等風化基巖上，滑體主要成分為結構松散的碎石土堆積體。采用傳遞系數(shù)法對滑坡穩(wěn)定性進行計算，得到天然工況下穩(wěn)定系數(shù)為1.050，暴雨工況下穩(wěn)定性系數(shù)為0.972，坡體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。同時采用剛體極限平衡法對該穩(wěn)定性分析結論進行了驗證。

（2）滑坡采用抗滑樁+錨索綜合治理方案。有限元數(shù)值模擬分析表明，治理后坡體天然工況下穩(wěn)定系數(shù)由治理前的1.073 提高至1.2，表明該治理方案可行，具備治理效果。

（3）滑坡監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，經(jīng)綜合治理后坡體位移迅速收斂并趨于穩(wěn)定，滑坡治理達到了預期效果，保證了大橋的安全。