多級滑面滑坡的成因機理與治理方案研究

王振勇, 毛立軍, 李小智

(甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院股份有限公司, 蘭州 730030)

山地滑坡是阻斷山區(qū)公路暢通的主要地質(zhì)災(zāi)害,給社會經(jīng)濟和人民財產(chǎn)安全造成巨大損失。隨著工程建設(shè)的不斷增長,山區(qū)堆積體滑坡在滑坡災(zāi)害中的比例持續(xù)增加,且多發(fā)生在第四系松散堆積層與基巖之間,形成巖土二元結(jié)構(gòu),在降雨、地震、人為擾動等作用下,坡體原有的平衡狀態(tài)易被打破,逐漸發(fā)展并形成滑坡[1-5]。

長期以來,學界和工程界[6-10]對堆積體滑坡的形成機制、穩(wěn)定性分析及工程治理方案等進行了大量研究,一致認為降雨條件是堆積體多級滑坡失穩(wěn)滑動的主要誘發(fā)原因,坡體的地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造則是滑坡體形成的物質(zhì)基礎(chǔ)。但對多級滑面的形成機制、受力關(guān)系、穩(wěn)定性狀態(tài)的判定,因地域性仍存在較大差異。

本文以某臨河堆積體滑坡為例,基于地質(zhì)勘察資料、坡體裂縫發(fā)育情況,分析該滑坡的成因機理及變形過程,針對滑坡發(fā)展階段采用傳遞系數(shù)法確定了各級滑坡的穩(wěn)定性狀態(tài)[11]及下滑力,并根據(jù)各級滑面間下滑力的傳遞關(guān)系及下滑力大小采取經(jīng)濟合理的治理設(shè)計方案。

1 工程概況

滑坡區(qū)位于某國道,以挖方路塹形式從河道南岸山前斜坡穿過,地形坡度40°～50°,邊坡挖高13 m,坡腳及半坡多被厚度較大的崩坡積、坡洪積物覆蓋;河道天然縱坡約4‰～5‰,河谷深切,滑坡前緣臨河處為20 m～25 m的河槽陡坎,河槽呈深窄“U”型?；麦w平面呈簸箕狀,后緣形成明顯的圈椅狀地形,滑動方向NE26°與國道直交,滑坡體前后緣長約110 m、路線方向?qū)挾?0 m～100 m,面積8 460 m2,勘探揭示滑體厚度為7 m～15 m,方量約8.5萬m3,屬中層牽引式中型土質(zhì)滑坡。滑坡狀況見圖1。

(a) 滑坡全貌

1.1 地層巖性

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

滑坡區(qū)位于白龍江區(qū)域?qū)酉录捌溆绊憥?斷層呈北西走向,是平行于白龍江延伸的逆沖斷層,斷層面北傾,傾角50°～60°,平行白龍江延伸,滑坡區(qū)出露寬度約40 m,斷層破碎帶物質(zhì)為糜棱巖、碎裂巖及斷層泥,擠壓較緊密。斷層帶F造成巖體節(jié)理裂隙發(fā)育,風化程度高,是地下水的重要通道。地下水沿斷層破碎帶匯集形成軟弱帶,是該滑坡形成的重要原因。

2 滑坡穩(wěn)定性分析

2.1 滑坡影響因素

1) 地形地貌

該滑坡體位于天然凹地形滑坡段河谷深切河岸段,前緣臨河處為20 m～25 m的河槽陡坎,白龍江河槽呈深窄“U”型,水流對前緣坡體的長年沖蝕,使得坡體自下而上不斷垮塌,日積月累形成牽引式滑坡,加之坡面水及地下水入滲,在巖土二元結(jié)構(gòu)交界面附近匯集,致使該地帶巖層遇水軟化形成軟弱結(jié)構(gòu)面,在綜合條件下出現(xiàn)牽引滑動破壞。

2) 滑坡體二元結(jié)構(gòu)

該滑坡體上部為第四系全新統(tǒng)滑坡堆積物,以含塊石碎石土、卵石土為主,固結(jié)程度較低,坡體自穩(wěn)性差,下伏基巖為千枚巖,為堆積體二元結(jié)構(gòu)滑坡。

國道以挖方形式從坡體中部通過,挖方高度超過10 m,加之長期超負荷的車輛荷載打破了原坡積山體的受力平衡,直接影響邊坡的穩(wěn)定性。

3) 連續(xù)降雨

2019年7月—9月期間連續(xù)降雨后,白龍江水長時間處于高水位,流速增大,沖刷力增強,滑坡前緣坡體巖土長時間浸泡。經(jīng)歷持續(xù)降雨后,雨水入滲坡體,不僅降低了土體抗剪強度,還增大了坡體自重;同時,該滑坡巖土交界面被各級滑面切割呈階梯狀,降雨后滲流作用強烈,進一步降低了坡體穩(wěn)定性,導致了本次滑坡災(zāi)害的發(fā)生。

2.2 計算剖面

滑面整體呈折線型,采用極限平衡原理的傳遞系數(shù)法進行穩(wěn)定性計算[12]。選取主滑斷面1-1′為計算剖面,見圖2。該滑坡存在多級滑面,根據(jù)各級滑面的成因、受力關(guān)系及剪出口位置進行單獨或疊加計算。

圖2 1-1′計算剖面

2.3 計算工況

根據(jù)《公路滑坡防治設(shè)計規(guī)范》(JTG/T 3334—2018)有關(guān)規(guī)定,滑坡治理保護對象為二級公路,危害程度嚴重,防治安全等級為Ⅱ級。滑坡設(shè)計工況及抗滑安全系數(shù)Ks為:

1) 工況1(正常工況):天然狀態(tài),Ks=1.2;

2) 工況2(非正常工況Ⅰ):暴雨作用,Ks=1.15;

3) 工況3(非正常工況Ⅱ):天然狀態(tài)+地震作用,Ks=1.10?；路€(wěn)定性狀態(tài)通過穩(wěn)定系數(shù)Fs分級,見表1。

表1 滑坡穩(wěn)定狀態(tài)劃分

2.4 力學參數(shù)的確定

1) 土體重度:取原狀土進行室內(nèi)土工試驗,確定土體重度,結(jié)果見表2。

表2 滑坡(1-1′斷面)巖土參數(shù)

2) 安全系數(shù):從圖2計算剖面分析,劃分滑面區(qū)段,根據(jù)現(xiàn)場裂縫情況、滑坡發(fā)展階段以及牽引式滑坡各級滑面間的受力關(guān)系確定。

(1) ①區(qū)滑面:滑坡體臨河,最先出現(xiàn)破壞,并牽引后部坡體,天然工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài),安全系數(shù)介于1.00～1.05之間,暴雨工況下處于不穩(wěn)定狀態(tài),穩(wěn)定系數(shù)小于1.00。

(2) ①+②區(qū)滑面:①區(qū)在變形發(fā)展過程中牽引中部②區(qū)變形滑動,兩滑體疊加后可從①區(qū)坡腳整體剪出。其穩(wěn)定狀態(tài)應(yīng)稍高于①區(qū),天然工況下穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)介于1.05～1.10之間,暴雨工況下應(yīng)處于不穩(wěn)定狀態(tài),穩(wěn)定系數(shù)在1.00左右。

(3) ①+②+③區(qū)滑面:①+②區(qū)加劇失穩(wěn)牽引道路所處的③區(qū),三滑體疊加后可從①區(qū)坡腳整體剪出。其穩(wěn)定狀態(tài)應(yīng)稍高于①+②區(qū),正常工況下處于基本穩(wěn)定狀態(tài),穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)在1.10左右,暴雨工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài),穩(wěn)定系數(shù)在1.00左右。

(4) ①+②+③+④區(qū)滑面:①+②+③區(qū)失穩(wěn)后道路失去支撐,產(chǎn)生沉陷和外移,牽引區(qū),四滑體疊加后可從①區(qū)坡腳整體剪出?，F(xiàn)場情況顯示①區(qū)滑體擠壓擋土墻,使之開裂變形,同時邊溝也出現(xiàn)擠壓破壞,但④區(qū)由于挖方路塹的存在與①+②+③區(qū)聯(lián)系較弱,認為①+②+③+④區(qū)整體剪出時,其穩(wěn)定狀態(tài)應(yīng)接近或稍弱于①+②+③區(qū),一般工況下應(yīng)處于基本穩(wěn)定狀態(tài),暴雨工況下處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

(5) ④區(qū)滑面:該區(qū)滑體位于路基上部,路塹開挖使該區(qū)滑體路塹處厚度較薄,與下方其他滑體間聯(lián)系減弱,存在較大可能從路塹坡腳單獨剪出,當考慮從路塹坡腳剪出時,由于坡腳沒有發(fā)現(xiàn)滑坡前緣貫通滑面,認為④區(qū)單獨剪出時,穩(wěn)定狀態(tài)好于①+②+③+④區(qū),一般工況下處于基本穩(wěn)定狀態(tài),暴雨工況下處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

3) 滑帶土抗剪強度:折線型滑坡滑面牽引段與抗滑段滑帶土抗剪強度變化不大,采用直剪試驗的殘余強度,反算主要針對變化大且較難確定的主滑段。主滑斷抗剪強度反算時,粘聚力選用直剪試驗的殘余強度反算內(nèi)摩擦角,結(jié)果見表2,各級滑坡體穩(wěn)定性計算結(jié)果見表3。

表3 多種工況下穩(wěn)定性計算結(jié)果

2.5 計算結(jié)果及分析

滑坡整體滑面①+②+③+④區(qū)在正常工況(天然狀態(tài))處于基本穩(wěn)定狀態(tài),非正常工況Ⅰ(暴雨或連續(xù)降雨)處于不穩(wěn)定狀態(tài),非正常工況Ⅱ(地震)處于欠穩(wěn)定狀態(tài);滑坡前部①區(qū)易受江水沖蝕,在正常工況(天然狀態(tài))處于欠穩(wěn)定狀態(tài),非正常工況Ⅰ(暴雨或連續(xù)降雨)和非正常工況Ⅱ(地震)處于不穩(wěn)定狀態(tài);后部④區(qū)受牽引,在正常工況(天然狀態(tài))處于基本穩(wěn)定狀態(tài),非正常工況Ⅰ(暴雨或連續(xù)降雨)處于不穩(wěn)定狀態(tài),非正常工況Ⅱ(地震)處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。計算結(jié)果與滑坡目前的穩(wěn)定狀態(tài)相符。

各級滑坡中,最大下滑力為①+②+③+④區(qū)綜合下滑力,暴雨工況下為865.41 kN, 路塹開挖使④區(qū)與①+②+③區(qū)聯(lián)系減弱,④區(qū)滑體相對獨立,其潛在剪出口位于路塹挖方坡腳。因此,可將整體滑坡分為④區(qū)與①+②+③區(qū)2個相對獨立的滑體進行分別治理。④區(qū)與①+②+③區(qū)最不利工況均為暴雨工況,下滑力分別為294.62 kN、560.06 kN。

3 滑坡治理方案

3.1 治理思路

將滑坡分為④區(qū)、①+②+③區(qū),并分別治理。

1) ④區(qū):該區(qū)滑坡體下滑力294.62 kN,滑床以上厚度4.5 m～8.5 m,位于國道路基左上方,屬于滑坡后緣,坡體陡峭。該滑體治理的總體要求:一是確保路基穩(wěn)定,二是防止滑坡后緣以上坡體繼續(xù)失穩(wěn)滑塌,即盡量減少對上部坡體的擾動。據(jù)此,制定以下治理思路:

(1) 在路塹坡腳設(shè)置路塹擋墻,加固滑坡坡腳,減輕滑體對路基的擠壓,同時攔擋滑塌體;(2) 在上擋墻頂部設(shè)置錨索框架,錨固滑坡體;(3) 在滑坡后緣設(shè)置一道截水溝攔截上游坡面匯水,滑坡體為碎石土,透水性較好,因此不再設(shè)置坡體排水措施。

2) ①+②+③區(qū):④區(qū)滑體單獨治理后,滑坡最大下滑力降至①+②+③區(qū)的560.06 kN,該下滑力在圓形抗滑樁承受范圍內(nèi),考慮到下滑力仍然較大,在樁體設(shè)置錨索改善受力條件和樁頂位移。同時考慮到河流沖刷,在樁前設(shè)置防沖刷鐵絲網(wǎng)石籠。

3.2 治理工程分項設(shè)計

滑坡綜合治理工程方案見圖3。

(a) 治理縱斷面設(shè)計(1-1′剖面)

具體治理方案為:

1) ④區(qū)

(1) 路塹擋墻支擋

挖除路基左側(cè)損毀的護面墻并修筑C20現(xiàn)澆混凝土上擋墻。該地區(qū)標準凍深1.3 m,上擋墻沿路線方向設(shè)置長度90 m,墻高6.0 m,頂寬1.5 m,埋深2 m,面坡坡率為0.4,背坡坡率為0.25,底坡坡率為0.1∶1,基底承載力要求不小于300 kPa。

(2) 錨索框架錨固滑坡體

修整上擋墻墻后邊坡,坡率1∶1.25～1∶1.5,采用12 m高錨索框架加固處治,沿④區(qū)邊坡坡腳自下而上設(shè)置4排錨索,豎向間距3.5 m,縱向間距3 m,錨索與水平面夾角25°,單根錨索長30 m～35 m,其中錨固段10 m,錨固于C2灰?guī)r中,設(shè)置長度90 m,見圖3(b)。

計算結(jié)果顯示,④區(qū)邊坡采用10 m錨固段錨索框架加固后,暴雨工況(控制性工況)取1.15的安全系數(shù)后,剩余下滑力為-12.547 kN,穩(wěn)定性系數(shù)為1.253,滿足設(shè)計要求。

2) ①+②+③區(qū)

(1) 錨索抗滑樁支擋

在路基右側(cè)河道岸坡坡腳設(shè)置一道懸臂式圓形錨索樁板墻,抗滑樁布設(shè)方向同河道走向,抗滑樁中心線距路基中心線距離為49 m～61 m?？够瑯吨睆?.0 m,懸臂端7 m～10 m,第1、第32號樁長16 m,第2、第31號樁長18 m,第3、第30號樁長20 m,其他均為22 m,共計680 m/32根,抗滑樁中心間距4 m。樁頂設(shè)置冠梁連接,樁間布設(shè)擋土板,板高7 m～10 m(冠梁底至樁前地面以下1 m)。為改善樁體受力條件,控制樁頂變形,所有抗滑樁均設(shè)置錨索,其中第1、2、31、32號樁每根設(shè)置2束,其他各樁均設(shè)置3束,各束錨索間距3 m,最上一束錨索距離樁頂2 m,錨索長35 m(其中錨固段長10 m),錨固于穩(wěn)定巖層。為防河流沖、掏蝕刷樁前土體,于樁前設(shè)置一排防沖刷石籠,設(shè)置高度3.5 m,埋深3 m,見圖3(b)。

抗滑樁樁端深入S1千枚巖中,巖性屬于硬質(zhì)巖,但地處斷層影響帶范圍內(nèi),巖體破碎。因此,樁端按鉸接考慮,采用“m法”[13-15],按滑坡推力工況、浸水地區(qū)庫倫土壓力一般工況及浸水地區(qū)庫倫土壓力地震工況下對樁板墻進行結(jié)構(gòu)配筋計算,結(jié)果見表4。

表4 抗滑樁配筋結(jié)果

4 滑坡治理效果

設(shè)計采用墻頂、樁頂鉆孔預埋觀測鋼筋以及坡體埋設(shè)混凝土觀測墩的方式進行位移監(jiān)測,觀測時間為202006—202109,歷時15個月,已處于穩(wěn)定狀態(tài),現(xiàn)場環(huán)境影響小,滑坡治理效果好。滑坡位移監(jiān)測結(jié)果見圖4。

圖4 滑坡位移監(jiān)測結(jié)果

從圖4可知,滑坡治理4個月后,樁頂及坡體位移已趨于穩(wěn)定,經(jīng)歷2個雨季后位移并沒有明顯增加,表明治理后滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài),治理方案可行。

5 結(jié)論

通過對該公路滑坡的變形破壞特征及影響因素進行分析,并制定了滑坡治理方案,得出如下結(jié)論:

1) 該牽引式多級滑坡整體現(xiàn)狀處于基本穩(wěn)定狀態(tài),在暴雨或連續(xù)降雨條件下處于不穩(wěn)定狀態(tài);前緣次級滑坡受江水沖蝕,在正常工況處于欠穩(wěn)定狀態(tài),在暴雨或連續(xù)降雨工況處于不穩(wěn)定狀態(tài);后部坡體受前緣滑坡牽引,現(xiàn)狀處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

2) 各級滑坡中,最大下滑力為①+②+③+④區(qū)暴雨工況下的綜合下滑力865.41 kN,④區(qū)滑體相對獨立,其潛在剪出口位于路塹挖方坡腳,將整體滑坡分為④區(qū)與①+②+③區(qū)2個相對獨立的滑體后,④區(qū)與①+②+③區(qū)最不利工況均為暴雨工況,下滑力分別為294.62 kN、560.06 kN。

3) ①+②+③區(qū)滑坡下滑力較大,采取抗滑樁支擋;④區(qū)滑坡下滑力較小,采用預應(yīng)力錨索加固。

4) 滑坡治理4個月后樁頂位移趨于穩(wěn)定,經(jīng)歷2個雨季后位移并沒有明顯增加,滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5) 在滑坡后緣設(shè)置截水溝,攔截上游坡面地表匯水;該滑坡為透水性好的碎石土且?guī)r層結(jié)構(gòu)排水通暢,不再設(shè)置坡體內(nèi)部排水設(shè)施。