福建省龍巖市新羅區(qū)牽引式滑坡穩(wěn)定性分析及治理措施

李鵬舉

(華北水利水電大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院, 鄭州 450046)

由于特定的地理環(huán)境和氣候條件,我國(guó)滑坡災(zāi)害頻發(fā),給人民的生命財(cái)產(chǎn)造成了巨大的損失。僅2019年全國(guó)就發(fā)生4 220起滑坡災(zāi)害,占地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的68.27%;2020年發(fā)生4 810起,占61.35%;2021年發(fā)生2 335起,占48.93%[1]。隨著工程建設(shè)范圍的進(jìn)一步拓展,滑坡災(zāi)害強(qiáng)度和頻度會(huì)逐漸增加。牽引式滑坡在各類型滑坡中占有很大的比例,往往是在人工削坡或者降雨的條件下,滑坡前緣土體被掏空,下部先滑動(dòng),然后逐漸向上擴(kuò)展,引起由下而上的滑動(dòng),以致坡面失穩(wěn)[2-4]。

近些年已有較多對(duì)各類滑坡的發(fā)生機(jī)理、穩(wěn)定性分析及相應(yīng)治理措施的研究。宋冬日等[5]通過(guò)地質(zhì)調(diào)查分析、巖土體力學(xué)分析及數(shù)值模擬等方法,提出了牽引式滑坡發(fā)生機(jī)理。梁小鵬等[6]在季節(jié)凍融作用誘發(fā)滑坡機(jī)制方面進(jìn)行了較為深入的研究。孫立娟等[7]通過(guò)模型試驗(yàn)研究了庫(kù)水復(fù)活型滑坡?tīng)恳瑒?dòng)機(jī)理。對(duì)滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析的方法有很多。例如,高馮等[8]使用了強(qiáng)度折減法和有限元分析軟件ABAQUS,對(duì)單面和雙面土體邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究;張傳等[9]使用FLAC3D對(duì)牽引式滑坡支護(hù)方案的各類工況進(jìn)行了穩(wěn)定性分析;李效萌等[10]通過(guò)反演分析及折線滑動(dòng)法計(jì)算了牽引式殘坡積土質(zhì)滑坡的穩(wěn)定性;袁從華等[11]從牽引式滑坡的主動(dòng)支護(hù)和被動(dòng)支護(hù)方面進(jìn)行了有效支護(hù)的對(duì)比分析。目前,針對(duì)滑坡治理已有多種措施,包括各類措施相結(jié)合的綜合治理方法[12-14]。高丙麗等[15]使用有限元數(shù)值模擬手段對(duì)某景區(qū)巖質(zhì)邊坡提出了清除塊體、排水、錨噴、避讓等多項(xiàng)綜合邊坡治理措施。李帥等[16]采用適當(dāng)卸載、抗滑樁、錨索框架梁輔以排水措施治理順層牽引式路塹滑坡,兩個(gè)雨季后的變形趨穩(wěn),證明了治理措施可行有效。

依托福建省龍巖市新羅區(qū)江山鎮(zhèn)某建設(shè)項(xiàng)目場(chǎng)地滑坡工程,根據(jù)分析得出的滑坡成因,采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件,運(yùn)用強(qiáng)度折減法和傳遞系數(shù)法兩種計(jì)算方法相結(jié)合,對(duì)滑坡未開(kāi)挖、開(kāi)挖后天然工況和暴雨工況下的不同工程階段進(jìn)行穩(wěn)定性分析,提出針對(duì)性的滑坡治理措施,并進(jìn)行可行性評(píng)價(jià)。可進(jìn)一步完善新羅區(qū)江山鎮(zhèn)境內(nèi)中型淺-中層土質(zhì)滑坡的形成機(jī)制,對(duì)滑坡早期識(shí)別和隱患風(fēng)險(xiǎn)防控具有一定的指導(dǎo)意義,同時(shí)可為其他斜坡體的破壞機(jī)理研究和綜合防治提供科學(xué)依據(jù),為類似工程滑坡治理提供參考。

1 工程概況

滑坡位置處于福建省龍巖市新羅區(qū)江山鎮(zhèn),滑坡區(qū)為自然山坡,平面面積約33 000 m2,主滑方向約為195°。未發(fā)生滑坡前,坡度為15°～35°,主要微地貌單元為山坡坡地地貌,坡面植被發(fā)育。該滑坡為中型淺-中層土質(zhì)滑坡,坡面地層主要出露為粉質(zhì)黏土、含碎石粉質(zhì)黏土、碎石,下覆基巖為粉砂巖,侵入一條輝綠巖脈,輝綠巖脈最大揭露厚度約26.0 m,層底埋深為15.0～36.0 m。場(chǎng)地地表水不發(fā)育,地下水排泄條件較好,滑坡區(qū)匯水面積約195 000 m2。

該滑坡的左側(cè)邊界以西側(cè)滑動(dòng)裂縫為界,界內(nèi)土體多為粉質(zhì)黏土、含碎石粉質(zhì)黏土、碎石,土質(zhì)較濕、較為松散,交界處滑面平整光滑,裂縫處可見(jiàn)明顯的滑動(dòng)痕跡。邊界外側(cè)未見(jiàn)變形跡象,為人工開(kāi)挖邊坡,微地貌為山脊?；碌挠覀?cè)邊界以東側(cè)滑塌土體為界,界內(nèi)土體多為粉質(zhì)黏土、含碎石粉質(zhì)黏土、碎石,土質(zhì)松散,界外微地貌為山谷,邊界外側(cè)見(jiàn)植被覆蓋,未見(jiàn)變形跡象,有基巖出露。

2 滑坡特征及成因分析

2.1 滑坡特征

滑坡平面形態(tài)呈扇形,滑面主軸方向及附近呈直線型,后緣及側(cè)緣附近呈近圓弧形。滑坡從上至下可分為3段:第1段為坡頂至第1條坡間排水溝,坡度為25°～35°,坡面植被發(fā)育,坡面出露地層主要為粉質(zhì)黏土、含碎石粉質(zhì)黏土;第2段為坡間排水溝至已開(kāi)挖坡頂,坡度為16°～20°,坡面出露地層主要為粉質(zhì)黏土、含碎石粉質(zhì)黏土、碎石;第3段為已開(kāi)挖坡頂至坡腳,該段坡高為20.0～40.0 m,坡度為40°～50°,坡面出露地層主要為粉質(zhì)黏土、含碎石粉質(zhì)黏土、碎石。

滑坡后緣高程約770.0 m,呈圈椅狀,有17條橫向拉張裂縫,主要集中在滑體的中上部位?；虑熬壐叱碳s680.0 m,以工程建設(shè)場(chǎng)地的坡腳為南側(cè)邊界?，F(xiàn)場(chǎng)滑坡前緣土體被剪切破壞,已經(jīng)部分?jǐn)D出,坡腳有地下水滲出,前緣坡體沒(méi)有發(fā)育鼓脹裂縫。滑坡主軸斜長(zhǎng)約160.0 m,前緣寬約295.0 m,后緣寬約65.0 m,滑坡體內(nèi)竹林呈醉林狀。

2.2 滑坡成因分析

影響滑坡的成因要素較多,主要包括地層巖性、地形地貌、降雨作用、人為干擾等方面。該滑坡前緣坡腳土體被剪切破壞,現(xiàn)場(chǎng)位移較為明顯,已經(jīng)部分?jǐn)D出,滑坡破壞模式為牽引式土層滑面滑坡,滑坡剪出口為人工開(kāi)挖坡腳?，F(xiàn)從以下幾個(gè)方面簡(jiǎn)要分析該滑坡成因。

(1)地層巖性方面。坡面出露松散地層主要有粉質(zhì)黏土、含碎石粉質(zhì)黏土和碎石,分布在坡體的中下部。這些地層的強(qiáng)度較低,滲透性好,特別是在降雨的條件下坡體重度增大,地層強(qiáng)度會(huì)進(jìn)一步降低,導(dǎo)致坡體穩(wěn)定性減弱。

(2)地形地貌方面?；缕麦w總體北高南低,從上到下第1段坡度為25°～35°,第2段坡度為16°～20°,第3段坡高為20.0～40.0 m,坡度為40°～50°。第3段坡體高且陡,出露多為松散地層,對(duì)邊坡的穩(wěn)定性造成了不利的影響。

(3)降雨作用方面。降雨是造成滑坡的一大主要因素,降雨導(dǎo)致了坡體表面徑流,會(huì)對(duì)坡表松散土體造成沖刷運(yùn)移,沖蝕作用嚴(yán)重時(shí)可能引發(fā)崩塌或泥石流。降雨的入滲會(huì)使坡體內(nèi)部孔隙水壓力增大,土體重度增大,下滑力增大,抗滑力相對(duì)減小,有效應(yīng)力減小,坡體內(nèi)部的地下水還會(huì)造成潛蝕,不利于坡體的穩(wěn)定。

(4)人為干擾方面。該場(chǎng)地前緣坡腳開(kāi)挖削坡后,坡體的穩(wěn)定性受到了擾動(dòng),并且開(kāi)挖后沒(méi)有及時(shí)進(jìn)行有效支護(hù),滑坡穩(wěn)定性狀態(tài)從基本穩(wěn)定降低到欠穩(wěn)定甚至不穩(wěn)定,又受到連續(xù)的幾次降雨作用,最終發(fā)生了滑坡。

3 滑坡治理措施設(shè)計(jì)

3.1 滑坡治理原則

由于占地紅線及其他有關(guān)條件的限制,滑坡體不能采用分級(jí)削坡減載加錨拉的方式進(jìn)行治理,因此,本滑體采用抗滑樁加預(yù)應(yīng)力錨索分段支擋滑坡體的型式進(jìn)行治理。因滑坡體厚度大(10～22 m),采用其他現(xiàn)有治理方式難以達(dá)到有效目的,若采用沖鉆孔樁,樁徑小,滿足不了抗滑要求,因此,抗滑樁采用人工挖孔的方式,以使樁徑、樁長(zhǎng)達(dá)到抗滑要求。以工程穩(wěn)定安全為出發(fā)點(diǎn),從滑坡的工程地質(zhì)條件、施工簡(jiǎn)便程度以及節(jié)省工程資金等方面考慮,通過(guò)綜合計(jì)算和分析,確定滑坡分段支護(hù),滑坡體由上至下采用抗滑樁加預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行加固。

抗滑樁加預(yù)應(yīng)力錨索滑坡治理是應(yīng)對(duì)滑坡問(wèn)題的一種有效方法。首先利用抗滑樁來(lái)加強(qiáng)邊坡的穩(wěn)定性,通過(guò)將抗滑樁深入滑床以下,可以形成有效的錨固作用,從而增加邊坡的抗滑能力。同時(shí),為了進(jìn)一步確保邊坡的穩(wěn)定,采用預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行支護(hù)。預(yù)應(yīng)力錨索可以在滑體上部施加錨固力,以提高抗滑樁的抗滑能力,并發(fā)揮主動(dòng)支護(hù)的作用。

3.2 滑坡綜合治理措施

具體綜合治理措施如下,治理完成后的全景如圖1所示。

圖1 滑坡治理完成后全景圖

(1)抗滑樁。根據(jù)滑坡最大位移分布位置,布設(shè)4排方樁,長(zhǎng)為22 m,尺寸為2.5 m×3.5 m,樁芯混凝土和護(hù)壁混凝土強(qiáng)度等級(jí)分別為C35、C20,護(hù)壁厚為0.25 m。

(2)樁間擋土板。采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樁間擋土板,防止同排兩個(gè)樁間土體擠出。

(3)預(yù)應(yīng)力錨索。預(yù)應(yīng)力錨索在坡腳位置布設(shè)兩排,滑坡中部分別布設(shè)一排,錨固端頭為強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化巖層。錨索長(zhǎng)為37～43 m,錨固段長(zhǎng)度為22 m,錨索軸向設(shè)計(jì)拉力為780 kN,孔徑為150 mm,錨索傾角斜向下20°～25°,錨固漿體固結(jié)強(qiáng)度≥40 MPa。

(4)排水工程。坡體的降雨入滲及沖刷是導(dǎo)致滑坡發(fā)生的重要因素,故設(shè)置坡頂截水溝、坡間排水溝和坡側(cè)邊溝。每排抗滑樁間設(shè)置一排仰斜式排水孔,排出坡體內(nèi)部水。

(5)坡面噴護(hù)。對(duì)開(kāi)挖裸露的坡面采用C20混凝土進(jìn)行噴護(hù),厚度為100 mm。

滑坡治理施工是一個(gè)復(fù)雜的階段,在治理過(guò)程中需要注意動(dòng)態(tài)觀察和實(shí)時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù),確保治理效果最佳。此外,施工過(guò)程中要采取必要的安全措施,確保施工過(guò)程不會(huì)觸發(fā)新的滑動(dòng)面。治理完成后還需要進(jìn)行長(zhǎng)期的位移監(jiān)測(cè),以確保邊坡的穩(wěn)定性。

4 滑坡穩(wěn)定性分析及治理措施可行性研究

依據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330—2013),該滑坡的危害對(duì)象等級(jí)為三級(jí),地質(zhì)條件復(fù)雜程度為復(fù)雜,滑坡治理安全等級(jí)為一級(jí),滑坡穩(wěn)定性狀態(tài)劃分見(jiàn)表1?；路€(wěn)定安全系數(shù)Fs一般工況下取1.35,暴雨工況下取1.15。

表1 滑坡穩(wěn)定性狀態(tài)劃分

4.1 穩(wěn)定性分析研究對(duì)象及物理力學(xué)參數(shù)選取

巖土體物理力學(xué)參數(shù)參考勘察報(bào)告,并根據(jù)當(dāng)?shù)貧v史數(shù)據(jù)、工程經(jīng)驗(yàn)綜合確定,見(jiàn)表2。

表2 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)滑坡體工程地質(zhì)條件,計(jì)算分析的合理性和剖面選取的典型性及代表性,結(jié)合勘察剖面線的布置,綜合選擇主滑方向195°剖面線為計(jì)算剖面,剖面圖如圖2所示。

圖2 主滑線方向剖面圖

4.2 強(qiáng)度折減法穩(wěn)定性計(jì)算分析

使用Rhino 6.0對(duì)選取的主滑線方向剖面進(jìn)行建模,模型尺寸與實(shí)際地形一致,寬314.0 m,高163.0 m,厚6.0 m,模型為假三維模型。物理參數(shù)與實(shí)際地層參數(shù)與表2一致,采用FLAC3D 6.0數(shù)值模擬強(qiáng)度折減法,摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行求解。模型的邊界條件設(shè)置為:底面和底面四周為靜態(tài)邊界,固定水平方向、豎直方向的速度和位移為0,坡面為自由運(yùn)動(dòng)變形邊界,盡可能接近實(shí)際滑坡的天然邊界條件。

對(duì)未開(kāi)挖、開(kāi)挖后以及治理后的滑坡在天然工況及暴雨工況下進(jìn)行數(shù)值模擬穩(wěn)定性計(jì)算,得到的穩(wěn)定性系數(shù)見(jiàn)表3,滑坡最大位移及剪應(yīng)變?cè)隽恳?jiàn)表4。基于FLAC3D的滑坡治理措施的數(shù)值模擬計(jì)算如圖3、圖4所示。

表3 強(qiáng)度折減法滑坡穩(wěn)定性系數(shù)Fs

表4 強(qiáng)度折減法滑坡最大位移及最大剪應(yīng)變?cè)隽?/p>

圖3 滑坡治理措施的數(shù)值模擬模型

圖4 滑坡治理措施的數(shù)值計(jì)算結(jié)果

由數(shù)值計(jì)算結(jié)果及表3可知,滑坡體在未進(jìn)行開(kāi)挖的狀態(tài)下,天然工況下滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.089,暴雨工況下為1.059,兩種工況均處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。在開(kāi)挖后,天然工況下穩(wěn)定性系數(shù)為1.025,處于欠穩(wěn)定狀態(tài),暴雨工況下穩(wěn)定性系數(shù)為0.96,處于不穩(wěn)定狀態(tài)。主要原因是坡腳開(kāi)挖導(dǎo)致應(yīng)力平衡被破壞,降雨最終誘發(fā)了滑坡。在完成滑坡治理后,滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)顯著增大,天然工況與暴雨工況下穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.385和1.270,滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

由數(shù)值計(jì)算結(jié)果及表4可知,對(duì)比未開(kāi)挖坡體,開(kāi)挖后的最大位移均比未開(kāi)挖要大,天然工況最大位移達(dá)到0.63 m,比未開(kāi)挖時(shí)的最大位移0.30 m增大了0.33 m,暴雨工況下最大位移達(dá)到1.87 m,相對(duì)未開(kāi)挖時(shí)的0.56 m增大了1.11 m,且位移主要集中在坡腳處。最大剪應(yīng)變?cè)隽恳?guī)律也類似,天然工況最大值為0.22,暴雨工況下最大值為0.34,增大明顯,也主要集中在坡腳位置,在坡面上分布數(shù)值較小,這表明在坡腳位置首先開(kāi)始塑性變形,是最先發(fā)生剪切破壞的位置。

4.3 傳遞系數(shù)法穩(wěn)定性計(jì)算分析

采用傳遞系數(shù)法對(duì)滑坡的穩(wěn)定性進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 傳遞系數(shù)法滑坡穩(wěn)定性系數(shù)Fs

由表5可知,未開(kāi)挖時(shí)滑坡天然工況下的穩(wěn)定性系數(shù)為1.181,暴雨工況下為1.072,兩種工況均處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。開(kāi)挖后的天然工況與暴雨工況下穩(wěn)定性系數(shù)分別為0.950和0.855,均處于不穩(wěn)定狀態(tài);在完成滑坡治理后,天然工況下的穩(wěn)定性系數(shù)為1.436,暴雨工況下為1.292,滑坡的總抗滑力顯著增大,滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

對(duì)比采用FLAC3D 6.0數(shù)值模擬強(qiáng)度折減法和傳遞系數(shù)法兩種方法的計(jì)算結(jié)果,各個(gè)工況下的穩(wěn)定性狀態(tài)是基本一致的,但是穩(wěn)定性系數(shù)有一定的差別。這是因?yàn)閭鬟f系數(shù)法是先假定滑坡的滑動(dòng)面,然后坡體整體滑動(dòng)進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算,沒(méi)有考慮坡體的局部滑動(dòng);而強(qiáng)度折減法可以通過(guò)局部的位移云圖和最大剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D確定邊坡的局部滑動(dòng)面,可能發(fā)生下部的局部滑動(dòng)進(jìn)一步帶動(dòng)整體滑動(dòng),發(fā)生牽引式滑坡。

4.4 治理方案可行性分析

滑坡治理方案計(jì)算結(jié)果表明,對(duì)比未支護(hù)狀態(tài),滑坡的最大位移明顯減小,并且產(chǎn)生的位置后移到滑坡后緣,在暴雨工況下,最大位移從1.87 m減小到0.33 m,最大剪應(yīng)變?cè)隽繌?.33減小到0.11,塑性變形區(qū)域明顯減小,總抗滑力明顯增大,穩(wěn)定性系數(shù)也相應(yīng)增大。強(qiáng)度折減法和傳遞系數(shù)法兩種計(jì)算方法在天然工況與暴雨工況下的穩(wěn)定性系數(shù)均大于滑坡穩(wěn)定安全系數(shù),滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)?？梢哉J(rèn)為治理效果顯著,滿足工程安全要求,方案可行。

綜上所述,遵循抗滑樁加預(yù)應(yīng)力錨索滑坡治理型式,可以有效解決該滑坡問(wèn)題,并確保治理效果持久穩(wěn)定、安全可靠。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)該場(chǎng)地滑坡各類工況下的穩(wěn)定性分析和治理措施的可行性研究,得到以下結(jié)論。

(1)該滑坡成因主要是前緣坡腳巖體較為松散、強(qiáng)度低、坡度較大,被開(kāi)挖后坡體的穩(wěn)定性受到了擾動(dòng),且未及時(shí)進(jìn)行有效支護(hù),又受數(shù)次降雨的影響,最終形成了滑坡。

(2)采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件強(qiáng)度折減法和傳遞系數(shù)法兩種計(jì)算方法,對(duì)滑坡未開(kāi)挖、開(kāi)挖后以及滑坡治理后的天然工況和暴雨工況進(jìn)行穩(wěn)定性分析模擬計(jì)算。結(jié)果表明:滑坡在滑動(dòng)前的未開(kāi)挖天然工況及暴雨工況下均處于基本穩(wěn)定狀態(tài);由于坡腳開(kāi)挖擾動(dòng),在暴雨工況下,滑坡處于不穩(wěn)定狀態(tài),最大剪應(yīng)變?cè)隽恐饕性谄履_位置,可能首先從坡腳位置處剪切破壞,數(shù)值分析計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工況相一致?；轮卫砗?計(jì)算分析得到邊坡在兩種工況下均處于穩(wěn)定狀態(tài)。兩種方法都得到了支護(hù)方案可行的結(jié)論,可為類似工程滑坡治理提供參考。