某滑坡分析与治理方案设计

刘晓朋

(中铁工程设计咨询集团有限公司济南设计院,山东济南 250022)

1 工程概述

该滑坡位于韶关西南方向十几公里处,京珠高速公路粤境南段某处左侧。该边坡曾经发生两次变形,在第一次边坡开挖后,上部三、四级边坡有大量地下水渗出,挖至第三级边坡的上半部时,于当日夜大雨过程中,发生了浅层滑坡。其边坡设计为：边坡坡率为1∶0.5～1∶1.25；第一至三级边坡高度10.0 m,坡顶留2.0 m分级平台和截水沟,第四级边坡最高约15 m,坡顶设截水天沟；第一级边坡采用M7.5浆砌片石护面墙加固,以上各级边坡采用M7.5浆砌片石护坡防护。变形后变更设计为：采用锚索抗滑桩辅以坡面防护和排水的综合工程措施,第一级支挡工程为沿坡脚设抗滑桩排,桩间设挡土板；第二级支挡于半坡(第三级平台)设锚索抗滑桩及桩前挡土板,分七级边坡。

第二次边坡变形发生在半坡抗滑桩及锚索的施工过程中,半坡抗滑桩施工期间桩井护壁出现开裂、外鼓现象,原有滑坡裂缝刷方掩盖后,重新出现且不断发展。桩上锚索施工时,锚索孔渗水,六级边坡出现后缘圈椅状裂缝,下错180 mm,张开600 mm,平台出现长6.0 m、宽22～40 mm的裂缝,且随着锚索钻孔北移,钻孔流水量不断增大,边坡变形向北加剧发展。于是停止锚索施工,在停止锚索施工后开始补充勘测,直至地面变形趋于稳定。

2 边坡工程地质条件

2.1 自然斜坡地形地貌

边坡区为低山丘陵剥蚀地貌,山顶高程约153 m,山脊走向北东向,自然斜坡由北向南缓倾10°～25°,线路以NW67°方向横切斜坡通过,该段线路设计路面高程约为94 m,距自然斜坡坡顶最大高差约58 m。

2.2 地层岩性

边坡场地内地层分布有：

①第四系坡积层(Qdl),多分布于边坡区的东侧,其组成受自然斜坡上岩性控制。为砂岩、砂页岩、炭质灰岩坡积土,褐黄色、灰黑色,稍湿,硬塑,含部分砂岩碎块。

②石炭系中上层白云岩(C2+3),分布于边坡区F2断层以东,岩石呈灰白—浅灰色,厚层状,岩芯较完整,坚硬。节理裂隙较发育,裂隙表面紫红色,有铁、锰质及少量方解石充填。按风化程度可分为全风化、强风化、弱风化、微风化四层。

2.3 地质构造

区域逆断层斜穿该路段,断裂带宽20 m左右,产状160°∠68°,与路线呈44°交角。断层F1：断层面向NW倾斜,西盘(上盘)向上运动,属挤压性质逆冲断层,估计断层长度270 m左右，根据探槽确定断层产状为335°∠60°；断层F2：断层面向NW倾斜,西盘(上盘)向上运动属挤压性质逆冲断层,估计断层长度310 m左右，产状为349°∠63°,工程物探成果亦表明断层F2倾向NW。断层F3：断层面近于直立,偏向NW倾斜,西盘(上盘)向下运动,属张性正断层,估计断层长度200 m左右。

根据以上断裂构造在边坡区的分布特征,对边坡有影响的构造应力是近北西向的挤压应力,在此挤压应力的作下,生成了NE向F1、F2向山陡倾60°左右压性断层、F3张性断层。在此构造应力场的作用下,形成的构造裂面较贯通、长大、延展性好,相互间的空间交错组合构成了山体的构造格局,控制了边坡变形体的空间形态和变形破坏的性质,也控制了地下水的储存、补给和排泄。由此构造应力场推测,与向山陡倾的F1、F2压性断层同组的另一组向临空缓倾的构造断裂可能存在或隐伏在边坡体中,构成滑动的依附带。

2.4 地下水分布

边坡区内类似向斜的储水盆地构成了边坡岩体的储水构造。地下水丰富,地下水的主要来源为基岩张节理裂隙水与断层带水。由电测深视电阻率断面图的分析结果可知,除顺线路方向+220～290左侧20～35 m间一长约70 m的相对阻水条带(其视电阻率明显低于周边的部位)外,从现地面至地下30 m范围内,顺线路方向+220～330间和垂直线路方向线路左侧10～75 m间的区域内为地下水富集区,这与桩坑开挖过程中31号～47号抗滑桩涌水一致。

地下水的富水区的形成与岩性、地质构造格局密切相关,小里程方向有F3正断层,使原在炭质灰岩之上的砂岩、页岩风化的亚黏土与炭质灰岩接触形成小里程方向的阻水边界,大里程方向主要由F1和F2逆断层使原在炭质灰岩上层的白云岩及其风化形成的亚黏土与炭质灰岩接触形成大里程方向阻水带,在F3与F1之间为炭质灰岩(夹有页岩、泥岩)和灰岩,张节理发育,构成良好的蓄水构造,加之溶洞发育,形成边坡特有的富水区分布特征。

滑坡平面示意如图1所示。

图1 滑坡总平面

3 滑坡原因分析

3.1 滑坡的性质

滑坡主要发生在F1与F3断层之间,滑体为破碎岩体,滑动带位于破碎岩石中,推测依附于压性构造面。该边坡体产生的滑坡为破碎岩石滑坡，滑坡区内包括浅层滑坡和潜在深层滑坡。

(1) 浅层滑动

以现排水天沟山侧为后界,中线范围在+230～330间,与富水区分布范围接近一致。目前,变形范围主要是在31号～47号抗滑桩山侧60 m范围内。滑体厚度3～8 m,主滑断面厚8 m,滑动距离60 mm；在施工过程中,边坡上部出现10条新裂缝,38号桩移动64 mm,以后逐渐减小。根据测斜孔监测,只有ZK3号、ZK6号两个监测孔测出深7～8 m间有位移,其他各监测孔(包括38号桩监测孔)所测量结果均在系统误差范围内。可见历次发生的滑坡变形,主要为浅层滑动。

(2) 深层滑动

深层滑动为潜在滑坡,滑坡宽度沿线路方向199 m,纵长度沿主滑方向约95 m,滑坡轴线位于B-B′横断面位置；主滑方向垂直线路走向,变形区小里程方向周界沿着F3断层发育而成；后界沿着L02裂缝；通过L03裂缝最上面的端点；经53号抗滑桩直至+384处,成为大里程方向的边界线。其滑坡厚度在主滑坡断面后部约23.0 m,中部约17.0 m,前部约14.0 m,滑坡的体积约18万m3。

勘察期间,浅层滑坡处于滑动后由半坡抗滑桩阻挡的相对稳定阶段。深层滑坡还没有形成滑动,处于挤压状态,潜在很大的滑动能量。随边坡继续开挖有滑动危险。

3.2 滑动原因分析

该区岩层的总体走向大致为NW,倾向SW,倾角20°～34°，顺向坡倾斜。山坡自然坡度15°左右,即岩层倾角略大于自然坡度。这种岩层层面与山坡自然坡度的关系对山坡的稳定性是不利的。另外，由于边坡开挖,改变了自然坡体的平衡状态,特别是坡脚部位的开挖,使坡脚原有支撑丧失,稳定性降低,导致滑坡的发生。目前边坡尚未开挖到位,随着边坡的进一步开挖,将使滑坡的稳定度进一步降低。

在雨季,特别在持续降雨时,坡体表面降水入渗进入坡体,不仅对滑体形成水压力荷载,而且沿裂缝和土体孔隙下渗补给地下水,导致地下水活动加剧,使土的抗剪强度降低,影响坡体的稳定。本滑坡滑床岩体裂隙发育、破碎,风化程度高,为地下水活动提供了有利空间。地下水活动使土体含水量增加,降低了坡体的稳定性。

4 滑坡治理工程设计

4.1 滑坡稳定性极限平衡法分析

以B-B′纵断面为计算断面,见图2。

图2 B-B′纵断面(里程+280处)

滑坡稳定性计算采用考虑渗透力的剩余推力法,采用垂直条分的方法将滑坡离散化为若干数量的块体；然后采用以下的假设条件,建立一种特定类型滑坡体的简化物理模型。其假设条件如下：(1)滑坡体的地下水为潜水,滑坡体透水物质为均质的连续介质；(2)每个条块内地下水的渗流方向与滑动面近似平行；(3)由降雨产生的入渗水瞬时补给到潜水面；(4)滑动带相对厚度很小,为弱透水层,假定地下水流向与潜在滑动面一致,流网中等势面与潜在滑动面近垂直,则只要确定了斜坡堆积体中饱和带的厚度,就可以直接确定地下水的水头并由饱和带的厚度变化确定水力梯度,计算渗透力。

图3 滑坡条块渗透力分析示意

对斜坡堆积体进行条块划分时,可把等势面作为分界面(如图3所示),以分界面处的地下水水位作为水头(h1、h2),同时假定平均流动途径长度等于分界面在潜在滑动面上的直线距离(L12)。这样,在1、2分界面之间,条块内地下水水力梯度的绝对值为j=(h1-h2)/L12,而渗透力由下式计算

J=γwjVs=γwVs(h1-h2)/L12

式中J——条块所受到的渗透力,方向指向斜坡前缘,与潜在滑动面平行；

γw——水的容重；

Vs——条块的饱和面积(单宽体积),与饱和带的厚度成正比。

由滑体条块自重产生的有效抗滑力为

由条块自重和地下水渗透力组合形成的有效滑动力为

式中γ′——土体的浮容重；

γ——天然容重；

Vup——条块的包气带面积(忽略毛细吸力作用)；

αi——滑动面与水平面的夹角；

Li——条块底面长度；

K——滑坡稳定系数；

n——条块数。

力学强度指标及滑坡推力按表1采用。

4.2 主要工程措施

(1)横断面形态

半坡桩以上按现状,不作变更设计处理,桩外悬臂4.0 m,其下采用台阶式边坡,台阶高6.0 m,分四级,平台宽2.0 m,边坡率：一、二级取1∶1；三、四级取1∶1.25。

(2)地表水和地下水排除工程措施

地表排水：

在滑坡范围以外设截水天沟,断面为0.6 m×0.6 m,用M7-5浆砌片石砌筑,厚0.3 m截断山坡水向边坡区补给,具体位置和长度由现场具体确定；在每一级边坡平台上都设小型排水沟断面(0.4 m×0.4 m),把地表水迅速排出滑坡区以外。已建抗滑桩以上,按原拱型骨架坡面植草防护,已建抗滑桩外至碎落台间采用锚杆框架内设空心六棱块植草,减少地表水下渗。

地下排水：

勘察资料和锚索施工均揭示在线路左侧70 m范围为一地下水富集区,拟在该区内平行路线方向设置排水隧洞,洞顶置于深层滑动面以下。排水隧洞长约146 m,沿洞身20 m设检查井、渗井,共7个，井深约20 m,施工时根据现场揭露地质情况及地下水底面高程具体确定。检查井、渗井直径均为1.5 m,井间设渗管,间距5 m,钻孔直径150 mm,内放置软式透水管,直径100 mm,间隙中填砾砂。排水隧洞向小里程方向折线延长约60 m,引排地下水。排水隧洞应先于其他工程施工，另在一级边坡上渗水地段动态设置仰斜孔排水管,以疏干和排除富水区内排水隧洞未能拦截的部分地下水。

(3)抗滑桩加固

在二级平台上设置抗滑桩一排,共28根,如表2。

(4)锚杆框架防护

于一、二、三、四级边坡上设置锚杆框架。在排水隧洞地下排水和坡面植物防护尚未发挥作用时,煤系地层的力学指标低,易发生表层坍滑,设置锚杆框架防护是十分必要的。但由于地下水含部分硫酸根离子,为有效减缓其对锚杆的腐蚀作用,应采用大孔径锚孔,加厚钢筋外的水泥砂浆厚度,使锚杆处于低应力条件下,不易产生环状裂纹,地下水不易浸害钢筋,可延长锚杆寿命,锚杆灌浆又可加固坡面下部土体,增加整体性(特别是半坡桩前)。当排水隧洞、抗滑桩和坡面绿化防护工程完全起作用后,边坡体表层趋于自然稳定,锚杆框架的作用逐渐减小。

(5)全坡面采用植草防护

一至四级边坡采用空心六棱块植草,六棱块厚25 cm,采用C15号素混凝土制作,内填种植土、植草，已建抗滑桩上部仍采用拱型骨架内植草。已破坏的拱型骨架待下部工程竣工后再作修补,并夯填坡面裂缝。

5 结论及建议

通过地质勘察与力学分析,线路路基坡体前缘开挖边坡高陡临空,坡体前部牵引变形,在雨季降雨集中、强度大、地下水活动等多种不利因素共同作用下,引起了中后部松散堆积体失稳,坡体产生裂纹,产生滑动。由于滑坡体内部存在富水区,采用截水天沟、排水隧洞等地表和地下排水措施；根据滑坡推力计算结果,设置了抗滑桩；针对勘察地层岩性条件和表层坍滑现象设置锚索框架进行防护,并采用坡面立体植草防护。采用以上综合治理措施后,取得了良好的治理效果。

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