基于松散堆积体边坡变形特征的锚固工程布置与治理效果研究

李佳武, 唐军峰, 肖 鹏, 王 亮

(中国水电顾问集团 中南勘测设计研究院,湖南 长沙 410014)

基于松散堆积体边坡变形特征的锚固工程布置与治理效果研究

李佳武, 唐军峰, 肖 鹏, 王 亮

(中国水电顾问集团 中南勘测设计研究院,湖南 长沙 410014)

红层松散堆积体边坡是红层地区特殊的边坡形式。向家坝水电站库区广泛分布红层松散堆积体边坡,大部分处于基本稳定、临界稳定状态,研究其稳定性及加固措施和治理效果具有重要的工程意义。以绥江新县城红层堆积体变形边坡为例,基于现场勘察、数值分析研究边坡的变形特征,探讨边坡的锚固工程布置,分别采用数值计算方法和现场监测数据,对治理后堆积体边坡的稳定性进行评价。

松散堆积体;边坡;变形特征;锚固工程

向家坝水电站库区多为侏罗系红层,库区大部分滑坡即发生在红层地区。在库区移民安置工程建设过程中,松散红层开挖边坡已多处出现变形和滑塌现象。由于红层岩体的特殊性质,其崩解风化后形成的松散堆积物亦有其特殊性。部分库区移民安置工程建设实践表明,松散红层挖方边坡比红层岩质边坡和一般土质边坡更易产生滑坡灾害。

本文以绥江县城新址C区红层松散堆积体边坡为研究对象,在对现场进行详细勘察的基础上,采用有限元方法,研究红层松散堆积体边坡的塑性区、变形等力学特征,分析其在自然状态、开挖状态未支护以及进行开挖支护状态下的稳定性。在以上分析研究的基础上,基于边坡的变形特征,讨论工程治理措施与布置,研究治理后的红层松散堆积体边坡的稳定性,包括治理后的边坡塑性区、总位移以及边坡的安全系数。作为验证,分析边坡变形的相关监测数据,为边坡治理效果检验提供依据。

1 堆积体边坡变形特征

场区内地形地貌为构造侵蚀中山斜坡地形,自然坡度12°～20°,局部35°以上。地面高程430～640 m,相对高差约210 m。

堆积体主要为第四系崩坡积层(Qcodl),包括粉质粘土,块石、碎石、角砾、碎裂岩体和孤石等。其中,粉质粘土一般呈硬塑—可塑状,局部呈软塑状;块、碎石成分主要为砂岩和泥岩;孤石成分主要为砂岩。下伏基岩为紫红色粉砂质泥岩、灰紫色粉砂岩,埋深较大,达20～55 m。

现场调查发现,在高程约560 m处出现居民房屋墙体多处开裂、倾斜及地面沉降等现象(照片1),在高程约480～490 m处的地面出现裂缝、变形(照片2)。据当地居民介绍,房屋变形从2008年汶川地震后开始,逐年加剧。

调查研究结果表明,自然状态下,边坡处于稳定—基本稳定状态,但稳定性安全储备不高;暴雨时,边坡局部处于稳定—欠稳定状态,稳定性较差,部分地区几乎已处于边坡稳定的临界状态。边坡的变形已威胁到当地农户的生命财产及以后的新县城建设。

2 边坡变形的数值计算与分析

本次研究工作以现场实际地形为研究对象,分析了其最大剪应变、位移等力学特性,并研究了边坡稳定性。

计算过程分3阶段进行:①研究自然状态下,红层松散堆积体边坡的变形、塑性区分布,分析边坡的可能滑动失稳位置、范围、深度、稳定性和变形趋势;②根据工程需要,研究开挖后未支护情况下边坡可能的滑动失稳位置、范围、深度、稳定性和变形趋势,以分析探讨对边坡进行工程加固的必要性以及加固方法、加固位置和深度、加固形式等;③在以上研究的基础上,分析的加固措施实施后边坡的稳定性,评价边坡的工程加固效果。

照片1 房屋墙体开裂、错位Photo 1 Cracking and dislocation of wall

照片2 田坎开裂、错位Photo 2 Cracking and dislocation of raised path through fields

本次选取的典型计算剖面见图1所示,岩土体计算参数根据试验资料并参考同类工程经验确定。

图1 计算剖面Fig.1 Calculating profile

表1 边坡岩土体计算参数

2.1 自然状态下的红层松散堆积体边坡

计算得到的最大剪应变云图见图2所示,由图2可知,天然状态下,最大剪应变出现在边坡中部,高程处于512～560 m之间,该部位的塑性区即将贯通,具有向边坡高程518 m平台剪出的趋势。计算得到的塑性区厚度达21 m,宽度119 m左右。由于堆积体厚度较大,塑性区主要出现于松散红层堆积体内,没有贯穿至堆积体与基岩交界面。

该松散堆积体红层边坡的安全系数为1.05(图2),说明边坡处于临界稳定状态[1]。

计算得到天然状态下红层松散堆积体边坡的变形矢量见图3所示,对比图2、图3可知,最大变形与最大剪应变出现的部位一致,有从518 m高程滑出的趋势。

2.2 拟开挖但尚未进行支护的堆积体边坡

因工程布置需要,拟对该边坡512 m高程以下进行开挖,在未进行支护条件下的堆积体边坡最大剪应变云图见图4所示。由该图可知,与天然状态相比,拟开挖后的边坡最大剪应变不仅出现在高程512～560 m之间,还出现在高程551～486 m之间,两个部位的塑性区即将贯通,均具有向坡脚一侧滑出的趋势。其中,高程490 m附近塑性区厚度约14 m,宽度约为53 m(图4)。由于厚度较大,两处的塑性区均出现于堆积体内部,没有延伸至堆积体与基岩的交界面。

拟开挖尚未支护的堆积体边坡安全系数较未开挖前有所降低,为1.0(图4),处于安全临界状态,极易滑动失稳,因此,必须采取措施对开挖后的边坡进行支挡加固。

边坡拟开挖后尚未进行支护的总位移矢量图见图5所示,从位移矢量图可以明显看出堆积体边坡的两处有明显的下滑趋势。

3 基于塑性区、变形等力学特征的边坡加固工程布置探讨

当红层松散堆积体边坡已经出现明显的变形迹象或者已经进入加速蠕滑变形阶段时,必须采取措施加固边坡,降低下滑力,增强抗滑能力,改善堆积体边坡的稳定性。

向家坝库区红层松散堆积体边坡的加固工程,主要包括削坡减压、挡土墙、抗滑桩以及抗滑桩+预应力锚索,以及坡面、坡体内的截排水工程等综合治理手段。

图2 最大剪应变分布图Fig.2 Distribution map of maximum shear strain

图3 变形矢量图Fig.3 Deformation vector

图4 开挖后的最大剪应变云图Fig.4 Cloud chart of maximum shear strain after the excavation

图5 开挖后的总位移矢量图Fig.5 The total displacement vector diagram after the excavation

其中,抗滑桩工程在红层松散堆积体边坡综合治理过程中占有重要地位。

以上计算得到塑性区和位移矢量分布图表明,边坡塑性区和较大变形主要出现在边坡的中部和中下部。其中,边坡中部出现的塑性区范围较大,相应的方量也较大;中下部的塑性区及变形主要由于工程开挖施工的影响,导致该部位堆积体边坡失稳,易出现较大的变形。计算与分析结果表明,这两个部位也是该边坡治理过程中需要进行加固的重点部位。

由于堆积体边坡厚度较大(平均40 m左右),最大塑性区的贯通并没有延伸至堆积体与基岩的交界面部位。同样考虑到堆积体厚度较大,可采用抗滑桩以及抗滑桩+锚索的加固措施,辅以坡面坡体排水、锚杆格构梁护坡等工程措施。对边坡上部,可以采用浆砌石人字网护坡。当进行抗滑桩支挡结构时,抗滑桩需深入基岩一定深度,考虑入岩深度大于1/4～1/3桩长。

考虑工程投资和施工难度以及支护措施的重点,拟对边坡中部采用双排旋挖桩施工,桩径1.6 m,排距5.0 m,同排桩的桩中心间距5.0 m;对于边坡下部的抗滑桩,拟采用混凝土抗滑桩+预应力锚索,桩截面尺寸3.0 m×4.5 m,桩中心间距7.0 m。锚索采用2排,布置于桩顶附近,锚索端头深入基岩10 m,施加预应力为500 kN。另外,边坡放坡坡比1∶1.75、1∶3.00,中间预留马道,马道宽度2.0 m[2]。

4 边坡加固效果评价

4.1 数值计算分析与评价

图6给出了边坡加固后的最大剪应变云图。由图6可知,与天然状态及开挖未进行支护状态下的情况相比,采用抗滑桩、锚索、削坡等综合措施治理后,边坡的稳定性有了很大提高,安全系数达到3.54,边坡的整体剪应变分布有较大调整,总体上剪应变量值变小,最大剪应变仅局部出现,边坡松散堆积体内未发现有较大贯穿性的塑性变形区。

图7给出了边坡加固后,当强度折减至3.54时的位移矢量图。由图7可知,综合治理后,边坡的最大变形出现于高程530～560 m,实际施工过程中,可以对该部位采用适当的削坡等工程处理措施,辅以坡面网格梁以及坡面、坡内截排水措施,降低变形风险。

加固后的边坡稳定性好,在其上部布置建筑物和构筑物能够满足设计和规范要求。

4.2 监测资料分析与评价

为研究绥江新县城红层松散堆积体高边坡在工程治理前后的变形情况,对该边坡进行了坡面和坡体内的监测布置,主要监测项目包括坡面变形观测、抗滑桩钢筋计监测和岩土体测斜孔变形监测等。

图6 边坡加固后的最大剪应变云图Fig.6 Cloud chart of maximum shear strain after slope strengthening

图7 边坡加固后的位移矢量图(强度折减至安全系数FOS=3.54)Fig.7 Displacement vector map after slope strengthening

涉及到本断面的监测点包括抗滑桩A22,坡面测点TPC2-1,测斜孔IN9和IN10。其中,测斜孔IN10在施工前期未进行加固前,由于堆积体剪切变形量较大(超过100 mm)而破坏,该孔剪断点高程531 m,与数值计算(图2-图5)得到的塑性贯通区高程基本一致。

以下分别对各监测项目进行统计分析:

至2013年5月,绥江县城新址C区高边坡抗滑桩已浇筑完成,锚索施工正有序进行。抗滑桩钢筋计应力历时曲线见图8所示,由图8可知,抗滑桩钢筋计的应力值变化量均在20 MPa之内,且变化趋势趋于平稳。

图8 抗滑桩钢筋计应力历时曲线Fig.8 Stress history curve of reinforcement meter of anti-slide pile

图9给出了钻孔测斜仪在不同深度时的位移量历时曲线。由曲线图可知,该部位的堆积体厚度较大(达48 m),孔口累计变形量达70 mm,距离孔口埋深越大,变形量越小。最新的监测结果显示,近20 d时各部位变形量微小(<5 mm),说明堆积体边坡的变形得到了有效控制。

图10为边坡坡面观测点的位移历时曲线,观测结果显示,边坡的位移向河床偏下游方向发展,自建立观测点以来,最大变形量超过了80 mm。最新的观测资料显示,边坡变形曲线逐渐趋于平缓,说明边坡的变形得到有效控制,但尚需进一步观测论证。

5 结论

(1) 绥江县城新址C区红层松散堆积体高边坡,堆积体厚度相对较大,天然条件下边坡处于基本稳定状态,计算得到的安全系数较小,为1.05。因工程建设的需要,需对该边坡进行开挖,扰动了原有岩土体的稳定性,导致边坡坡面多处出现拉裂缝,局部出现小规模的滑塌现象,与计算结果相符,因此,必须对边坡进行支挡加固。

图9 钻孔测斜仪IN9不同深度的位移量历时曲线Fig.9 Displacement duration curve of borehole clinometer IN9 with different depth

图10 坡面点位移历时曲线Fig.10 Displacement-time curves of slope pastry

(2) 鉴于工程布置和边坡变形等特点,对边坡的支挡加固结构主要为采用抗滑桩+预应力锚索的形式,辅以坡面网格梁、截排水和削坡压脚等工程措施。

(3) 采用以上工程措施后的数值计算分析结果表明,边坡的稳定性有了很大的改善,坡体变形得到有效控制,变形和稳定性满足规范和设计的要求。现场的坡面、坡体内变形观测结果显示,变形量变化小,变形曲线趋于平稳,边坡变形得到了有效控制,说明对该边坡的治理是成功的,但仍需关注局部出现的变形较大的问题。

[1] 中华人民共和国国土资源部地质环境司.边坡防治工程勘查规范:DZ/T0218—2006[S].北京:中国标准出版社,2006.

[2] 中华人民共和国国土资源部地质环境司.滑坡防治工程设计与施工技术规范:DZ/T0219—2006[S].北京:中国标准出版社,2006.

(责任编辑：陈姣霞)

Anchorage Layout and Treatment Effect Based on Slope Deformation ofLoose Accumulation Body

LI Jiawu, TANG Junfeng, XIAO Peng, WANG Liang

(Mid-SouthDesignandResearchInstituteforHydroelectricProjects,Changsha,Hunan410014)

The red bed accumulation body slope is a particular type in red beds areas,which are widely distributed in the reservoir area at the Xiangjiaba Hydropower station,and most of them are in the state of stabilization or critical stabilization. This has very important engineering meaning in studing the stabilization and treatment of the red bed accumulation body slope. Based on the red bed accumulation body slope in the new city of Suijiang,Yunnan province,on the spot investigation and numerical analysis are carried out to analyse the deformation character of the slope,anchorage layout is discussed subsequently. Finally,numerical analysis method and in situ monitoring data analysis are used to evaluate the stabilization after treatment of the slope.

loose accumulation body; slope; deformation character; anchorage

2016-04-29;改回日期:2016-05-12

李佳武(1982-),男,工程师,水文地质与工程地质专业，从事地质工程勘察与设计工作。E-mail:624181904@qq.com

TV223.2+1

A

1671-1211(2016)03-0533-06

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.065

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160511.1536.004.html 数字出版日期:2016-05-11 15:36