三峡库区土质高切坡变形破坏模式及防护措施研究

彭正华,周宁,卞学军,吴海松,武先助

(1.湖北省地质环境总站,湖北武汉 430034;2.巴东县库区地质灾害防治中心,湖北巴东 444300)

三峡库区土质高切坡变形破坏模式及防护措施研究

彭正华1,周宁1,卞学军1,吴海松2,武先助2

(1.湖北省地质环境总站,湖北武汉 430034;2.巴东县库区地质灾害防治中心,湖北巴东 444300)

根据三峡库区土质高切坡的特性及分布,结合对库区高切坡勘查、设计的认识,总结归类了两类土质高切坡的变形破坏模式,一类是沿土体内圆弧滑面变形破坏,一类是沿土岩接触面滑移破坏。根据不同的变形破坏模式,提出了相应的防护措施,对于三峡库区土质高切坡的工程防护具有较好的指导作用,有利于更好地防灾减灾。

三峡库区;土质高切坡;变形破坏模式;防护措施

0 引言

随着三峡库区移民迁建工程的实施,城镇建设、公路切坡、采矿等人类工程活动形成众多高切坡,其中土质高切坡分布较为广泛,潜在威胁巨大。根据三峡库区土质高切坡分布特征,归纳总结土质高切坡变形破坏模式,结合近年来三峡库区高切坡勘察、设计、治理方面的经验,针对土质高切坡的变形破坏模式,提出具体的工程治理措施,对三峡库区土质高切坡的工程防护具有较好的指导作用,有利于更好地防灾减灾。

1 三峡库区土质高切坡特征

三峡库区土质高切坡的物质主要由松散沉积物构成,因松散沉积物成因不同,出露分布最多的是残坡积碎块石土和冲洪积砂卵砾石土,其次是崩坡积碎块石土和滑坡堆积碎块石土[1]。

1.1 残坡积松散碎块石土[Qel+dl]

第四系残坡积层土主要分布于冲沟中和山体斜坡上,在斜坡坡脚地带多形成坡积裙。

在碳酸盐岩出露区,岩性多为棕黄色、褐黄色、褐灰色碎块石土,碎块石成分以灰岩、白云岩、炭质灰岩为主,块径一般在3～8 cm,大者15～30 cm,岩块多呈弱或微风化,棱角状。土为粘土、粉质粘土,具弱膨胀性,可塑—硬塑状,土体充填于碎块石构成的骨架中,土石比多在5∶5～7∶3之间。碎块石土结构松散,降雨入渗性能良好,渗透系数最高可达7.17 m/d,一般为3～5 m/d。

在碎屑岩出露区,岩性多为棕红色、黄红色、灰褐色碎块石土,碎块石成分以砂岩、粉细砂岩、页岩为特点,块径一般在1～5 cm,大者10～20 cm,岩块多呈强或全风化状态,次棱角状。土以粉质粘土、粉质砂土为主,多为可塑状,土石比多在6∶4～8∶2之间。碎块石土结构松散,降雨入渗性能良好,渗透系数最高可达5.35 m/d,一般为2～4 m/d。

残坡积碎块石土在平面上的物质组成从山顶到斜坡坡脚与冲沟中,沉积厚度逐渐增大,碎块石含量也逐渐增多,在斜坡坡脚与冲沟中的碎块石土在剖面上往往具双层结构特点。

1.2 冲洪积松散砂卵砾石土[Qal+pl]

在长江干流及其较大支流的河床、河漫滩和基座阶地上大量出露,其次是分布于支流河谷的次级季节性冲沟中,在冲沟沟口常以洪积扇为特点。物质组成为砾石、砂、粉土和粉质粘土。多数具二元结构,其下部往往为卵、砾石层或粉、细砂层。卵砾石成份为灰岩、砂岩、燧石、页岩等,砾径1～5 cm。河流两岸的磨圆度较好,季节性冲沟和沟口地带的磨圆度较差,上部为粉、细砂层或粘性土类。物质的分选性好,其厚度和分布面积的总体规律为大型河谷地区高于小型河谷地带,小型河谷地带又大于季节性冲沟地带,河谷或冲沟的宽缓地段又大于狭窄地段。

1.3 崩坡积松散碎块石土[Qcol+dl]

多在山体斜坡中下部及坡脚地带零星分布,由块石、巨石、碎石及粉质粘土混杂堆积组成。在剖面上往往具双层结构特点,即上部为块径数米至十几厘米的巨石、块石构成,巨、块石之间架空空间多为几至十几厘米,下部为坡积碎石土。物质的分选性差,巨、块、碎石成分复杂,与斜坡上部高处的岩性组成直接相对应,即崩塌体物源为碎屑岩时,它就是碎屑岩,随崩塌体物源变化而变化。此类土体结构松散—稍密,透水性强,土石比多在2∶8～4∶6之间。

1.4 滑坡堆积松散碎块石土[Qdel]

滑坡堆积多在山体斜坡中下部及坡脚地带零星分布,其物质组成与结构较为复杂,它与滑坡的成因和变形机制密切相关,通过对库区大量滑坡的归纳总结,其物质组成可分为碎块石土类、岩土混合类、散及碎裂岩类三种。滑坡堆积松散碎块石土类发育分布最多,它主要由前述的残坡积和崩坡积松散碎块石土在斜坡上沿岩土接触面或岩石的强、弱风化界面,经二次或三次滑移后形成,滑坡规模多为中、小型,其物质组成总体基本无变化,仅土体含量略有增加,但结构已经发生改变,故其地质特性也发生了较大变化。总体结构松散,孔隙发育,力学强度很低。

三峡库区松散沉积物的分布呈现以下几个特点:①基岩的风化程度越高,松散堆积物的分布面积和厚度就越大,反之则越小;②构造越发育,松散堆积物的分布面积和厚度就越大,反之则越小;③地貌的正地形区,松散堆积物的分布面积和厚度就越小,反之则越大;④地下水活动强烈区,松散堆积物的分布面积和厚度大,反之则越小。

2 土质高切坡的变形破坏模式

土质高切坡的变形破坏模型基本上可以分为两类:一类是沿土体内圆弧滑面变形破坏;一类是沿土岩接触面滑移破坏[2,3]。

2.1 土体内圆弧形滑移变形破坏模式

当第四系松散堆积物厚度较大时,后于坡体前部切坡,导致土质边坡抗滑力减小或消失,高切坡坡体在暴雨或久雨作用下,地表水入渗坡体,导致土体内抗剪强度降低,土体中的地下水在渗出的过程中,下渗潜水渗透运移产生冲蚀、潜蚀作用,将土体中部分粉粒、细小颗粒向临空方向携带,逐渐在坡体内部形成完整滑动面,坡体上即出现局部滑移或拉张裂缝,当下滑力大于抗滑阻力时,则坡体产生整体滑移(见图1)。据有关试验资料:粘性土质切坡破坏时的滑裂面近似圆弧面;砂性土的滑裂面近似一个平面,在横断面上为一条直线。

图1 土质高切坡圆弧滑动示意图Fig.1 Sketch map about arc sliding of soil high cut slope

2.2 上部土体沿土岩接触面滑移破坏模式

当土质高切坡下部基座为基岩时,坡体上第四系松散堆积物在暴雨或久雨情况下,地表水入渗坡体,土体中的地下水即沿土岩接触面向临空方向渗出。下渗潜水在沿土岩界面向临空方向渗透运移产生冲蚀、潜蚀作用,长期周而复始的进行,沿土岩界面逐步形成了不完整的滑动软弱带,随着滑动软弱带的逐步形成,其相对隔水作用逐渐增强,坡体上的饱水土体即向临空方向产生蠕动变形。此时,地下水在产生冲蚀、潜蚀的同时,将土体中部分粉粒、细小颗粒向临空方向携带,逐渐将软弱带连通并形成完整滑带,坡体上即出现局部滑移或细小的拉张裂缝并形成滑坡。当降雨量或降雨强度达到一定程度后,土体中含水量达到饱和时,土体受到地下水的动、静水压力作用,导致土体抗剪强度进一步降低,土体下滑力增加。当下滑力大于抗滑阻力时,上部土体则沿着土岩界面整体滑移(见图2)。

图2 土质切坡沿土岩接触面滑移破坏示意图Fig.2 Sketch map about sliding damage along soil-rock contacting surface

3 土质高切坡的工程防护措施

针对不同的破坏模式及主要诱发动力因素,其防护措施也不同,工程防护应结合工程实际情况进行,根据高切坡的变形破坏模式,土质高切坡的防护措施主要采用地表排水、削坡、抗滑支挡(抗滑桩、挡土墙)、格构锚杆支护、前缘压脚等防护措施。

3.1 地表排水

地表排水主要针对地表水大规模渗入坡体,导致坡体内地下水位升高和岩土体抗剪强度下降,从而降低坡体的稳定性。地表排水通常的做法是在高切坡坡顶设置截水沟,在坡脚设置排水沟。

地表排水工程布置时应综合考虑坡面原有的汇流条件和排水体系,将排水工程措施与原有的排水体系组成一套完整的排水系统,达到有效集流、安全排放的目的。坡体上部及两侧截水沟和排水沟,必需严格做好防水止水措施,以防水流沿沟体裂隙集中入渗。

地表排水工程的设计一般参照《滑坡防治工程设计与施工技术规范》(DZ/T0219—2006)要求的暴雨强度及重现期进行。地表排水工程水力设计,应首先对排水系统各主、支沟段控制的汇流面积进行分割计算,并根据设计降雨强度分别计算各主、支沟段汇流量和输水量。在此基础上,确定排水沟断面和过流能力。

排(截)水沟断面形状有矩形、梯形、复合型、U形等形状。无论采用何种排(截)水沟形式,应注意排(截)水沟的集流条件,沟边不得超过地表。当自然纵坡>1∶20时,在相应的陡坡段应设置跌水坎和消能池。

3.2 削坡

土质高切坡削坡措施的目的包括两类:一是进行削坡减载,这种情况下削坡的部位一般在不稳定斜坡的中上部,削坡之后以减小上部斜坡的自重,从而减小斜坡的下滑力,提高斜坡的稳定性。削坡减载的部位和减载的体积应通过斜坡稳定性计算进行校核。二是通过削坡降低土质高切坡的坡率,改善坡体形态,从而提高坡体的整体稳定性。土质边坡的坡率容许值见表1[4]。

表1 土质边坡容许坡率值Table 1 Allowing value of soil slope

削坡后的稳定验算应注意坡面形态和入渗率的改变,并注意潜在滑面破损区和后缘拉剪区的应力变形的有效改善情况。由于削坡清除了坡面复盖,降雨入渗率加大,因此,在削坡减载工程设计的同时应对坡面保护进行相应的设计。当削坡高度较大时,应沿坡面设置马道和坡面排水系统,一般对土质高切坡而言,每10 m设置马道一级,马道宽2.0～3.0 m,横向排水沟可沿马道设置,纵向排水沟可每50～100 m设置一道。坡面排水应组成有效排水系统排至域外,并与原有排水沟衔接。

3.3 抗滑支挡

土质高切坡的抗滑支挡一般针对高切坡存在的滑移稳定性问题,当切坡整体稳定系数偏低,低于规范要求的安全系数时,采用主动支挡措施进行防护,抗滑支挡措施一般包括抗滑桩和挡土墙等。

(1)抗滑桩 抗滑桩的设计主要参照的规范:①《铁路路基支挡结构设计规范》(TB10025—2001);②《建筑地基基础设计规范》;③《混凝土结构设计规范》(GB50010—2002);④《滑坡防治工程设计与施工技术规范》(DZ/T0219—2006)。

抗滑桩一般设置在坡体中下部,采用悬臂式设计,桩间距宜为5～10 m,桩截面一般采用矩形设计,桩的截面尺寸应根据滑坡推力的大小、桩间距以及嵌固段地基的横向容许抗压强度等因素确定。桩体的嵌固段应嵌入滑床,嵌固段长度一般为桩长的1/3～2/5。

抗滑桩设计验算应包括以下几个方面:①不稳定斜坡的稳定性及推力计算;②抗滑桩桩体抗弯强度计算;③抗滑桩桩体抗剪强度计算;④抗滑桩桩顶位移计算;⑤嵌固段最大容许侧向压力验算;⑥抗滑桩桩体配筋计算。

(2)挡土墙 挡土墙设计主要参照的规范:①《建筑边坡工程技术规范》(GB50330—2002);②《砌体结构设计规范》;③《滑坡防治工程设计与施工技术规范》(DZ/T0219—2006)。

挡土墙一般设置在坡体下部,采用重力式抗滑挡墙进行设计(见图3)。抗滑挡土墙的截面布置根据滑坡范围、推力的大小,滑面位置和形状以及地基条件等因素确定。重力式挡墙的基础埋置深度,应根据地基稳定性、地基承载力、冻结深度、水流冲刷情况和岩石风化程度等因素确定,在土质地基中,基础最小埋置深度一般≥1.0～2.0 m,在岩质地基中,基础埋置深度一般≥0.5 m。

图3 白米洞土质高切坡防护工程剖面布置图Fig.3 Distributingmap of protective engineering profile about BaimiDong soil high cut slope

挡土墙设计应进行的验算包括:①不稳定斜坡的稳定性及推力计算;②挡土墙设置处的主动土压力计算;③挡土墙抗滑移验算(抗滑稳定性Ks>1.3);④挡土墙抗倾覆验算(抗倾覆稳定性Ks>1.5);⑤挡土墙地基压力验算。

3.4 格构锚杆支护

格构锚固技术是利用浆砌块石、现浇钢筋混凝土或预制预应力混凝土进行坡面防护,并利用锚杆或锚索固定的一种综合防护措施。格构锚杆支护也是土质高切坡防护中常用的一种工程措施,其目的一方面是对切坡坡面进行保护,同时还可以结合坡体安全裕度不够的情况下采用适当的锚杆来提高坡体的整体稳定性。格构锚杆(索)一般布置在高切坡坡面,主要针对斜坡稳定性及下滑力进行设计,锚杆(索)锚固段必须进入潜在滑移面以下的稳定岩体,一般锚固段长度为5～10 m。格构一般采用浆砌石格构或钢筋混凝土格构,锚杆一般采用全长粘结性锚杆,锚杆一般设置在格构交点处。

当切坡稳定性好,但切坡前缘表层失稳,出现坍滑时,可采用浆砌块石格构护坡,并用锚杆固定;当切坡稳定性较差,且不稳定斜坡体厚度不大时,可用现浇钢筋混凝土格构+锚杆(索)进行防护,锚杆(索)须穿过滑动面或潜在滑动面对坡体阻滑;当切坡稳定性较差,且不稳定斜坡体厚度较大,下滑力较大时,可采用混凝土格构+预应力锚索进行防护,预应力锚索须穿过滑动面或潜在滑动面对坡体阻滑(见图4)。

图4 云盘土质高切坡防护工程剖面布置图Fig.4 Distributingmap of protective engineering profile about Yunpan soil high cut slope

格构锚杆防护可与美化环境相结合,利用框格护坡,并在框格之间种植花草达到美化环境的目的。同时,应与市政规划、建设相结合,在防护工程前沿,可规划为道路、广场或其他建设用地,在护坡工程体内,可预留管网通道等。

格构锚杆(索)设计主要参照的规范:①《建筑边坡工程技术规范》(GB50330—2002);②《混凝土结构设计规范》(GB50010—2002);③《滑坡防治工程设计与施工技术规范》(DZ/T0219—2006)。

格构锚杆(索)设计应进行的验算包括:①锚杆轴向拉力标准值和设计值计算;②锚杆(索)截面面积计算;③锚杆锚固体与地层的锚固长度计算校核;④锚杆钢筋与锚固砂浆间的锚固长度计算校核;⑤格构内力计算(弯矩、剪力)。

3.5 前缘压脚

高切坡坡体存在滑移问题,稳定系数小于规范要求的安全系数,且坡体前部阻滑段存在压脚的地形条件下,可采用前缘压脚的措施对高切坡进行防护。前缘压脚的主要目的是通过在前缘阻滑段加载,增加坡体前部的抗滑力,从而提高坡体的整体稳定性,前缘压脚在有些情况下是一种行之有效的防护措施。

前缘压脚的部位应选择在抗滑段,材料一般采用块石或块石土,压脚的方量一般结合坡体稳定系数计算以及规范要求的安全系数进行综合计算和复核确定。

4 结语

在土质高切坡的防护设计和工程治理中,应针对三峡库区土质高切坡性状及分布特征,结合土质高切坡变形破坏模式进行分析研究,从而进行工程防护,并有针对性地选择具体的防护工程措施,这样才能较好地解决土质高切坡存在的工程地质问题。

[1] 罗元华,伍法权.三峡水库区岩土体高切坡的基本特点和防灾方法[J].中国地质灾害与防治学报,2004,15(增刊):115-118.

[2] 张倬元,王士天,王兰生.工程地质分析原理[M].第二版.北京:地质出版社,1994:315-320.

[3] 殷跃平.三峡库区边坡结构及失稳模式研究[J].工程地质学报,2005,13(2):145-154.

[4] 常士骠,张苏民,项勃.工程地质手册[S].北京:中国建筑工业出版社,2007:867-886.

(责任编辑:潘 潇)

Reseach on Warped Model of Soil High Cut Slope and Its Protection Measures in Three Gorges Reservoir

PENG Zhenghua1,ZHOU Ning1,B IAN Xuejun1,WU Haisong2,WU Xianzhu2
(1.Hubei Geological Enviro ment Station,Wuhan,Hubei430034;2.Badong County GeologicalD isaster Control Centre,Badong,Hubei444300)

according to the characteristics and distribution of soil high cut slope in the Three Gorges reservoir,combined with exploration and design knowledge of this area’s high cut slope,the authors sum up two types ofwarped model of soil high cut slope,which one is warping along the arc in soil body,another is sliding damage along soil-rock contacting surface.Moreover,this paper makes appropriate protective measures based on the different warped models which has a good guidence to prevent and mitigate disaster.

The Three Gorges reservoir;soil high cut slope;warped model;protective measure

P642.15

A

1671-1211(2010)04-0379-04

2010-04-20;改回日期:2010-05-06

国务院三峡建委办公室科研项目“巴东组泥灰岩特性及变形破坏机制研究”(编号:2008SXG04-2)。

彭正华(1968-),男,高级工程师,岩土工程专业,从事地质灾害防治工程勘察、设计及研究工作。E-mail:pengzhenghua@sohu.com