恩施新塘高坎子二次滑坡稳定性分析与工程防治方案优选

周海清, 肖 前, 彭 岳, 李 灿, 邱 琼

(1. 重庆科技学院, 重庆 401331; 2. 中建隧道建设有限公司, 重庆 401147; 3. 中国空气动力研究与发展中心, 四川 绵阳 621000)

滑坡的诱发因素主要是地震[1]、降雨[2]和人类工程活动[3],湖北省恩施地区地处鄂西南山区,区内年均降水量1 100 mm,6、7月为降雨高峰期,多连续大雨与大暴雨,导致滑坡地质灾害频繁发生[4-7].鄂西南山区地壳呈间歇性抬升,强烈的地壳作用孕育了潜在的滑坡,根据陈君等[8]的调查发现鄂西南山区主要地质灾害计274处,主要分布在清江及支流沿岸.戴强等[5]通过对恩施地区地理概况、水文地质条件、降雨情况及人为因素的分析,探讨了恩施地区频发滑坡的原因.鄂西南山区绝大多数滑坡由降雨诱发,处于变形发展阶段或不稳定状态的滑坡高达98%.杉树槽滑坡是较为典型的降雨诱发滑坡[9],该滑坡为降雨诱发的典型顺层基岩滑坡;大仁烟村滑坡为典型的阶地型降雨滑坡[10].

新塘乡下塘坝村高坎子斜坡在经受连续几日的强降雨后,于2016年7月21日发生滑坡,当日下午前部滑体已整体滑移,后缘裂缝由初始的毫米级迅速增大到数十厘米,中部裂缝增大到数十米,且房屋开始垮塌,该滑坡变形速度较快.通过对后缘裂缝的监测,22、23日裂缝变形量分别为0～2 mm和0～1 mm,监测数据反映滑坡后缘变形速度趋缓.

滑坡造成近100人受灾,多处房屋倒塌或严重变形,滑坡区公路破坏,发生断裂沉陷,农田大面积损毁,造成经济损失1 200万元[11].

1 滑坡概况

滑坡位于清江“水布垭”库区右岸的高陡悬崖顶部,近南北向冲沟东侧斜坡地段.滑坡平面示意图如图1所示,该图上方为正南方.该滑坡为土体滑坡,滑体的后续运动方式为土体呈塑性流直接坠入清江和经左侧深切沟谷呈泥石流注入清江.滑坡平面形态近似撮箕形,左侧边界为近南北走向深切沟谷,右侧边界为近东西走向陡崖;前缘处于北西向山梁下部基岩与第4系接触带,后缘以北西向山梁上部连续的弧形裂缝为界.

滑坡平均纵长约350 m,平均横长约500 m,面积约18万m2,平均厚度20 m,体积320万m3.主滑方向约310°,后缘高程765 m,前缘高程575 m,高差190 m.滑体为第4系黄色粉质黏土,含碎石、块石, 滑带为第4系与基岩接触带,厚度0.2～0.5 m,物质构成为第4系粉质黏土、含碎石、块石,滑床为大冶组中层、厚层灰岩,岩层顶面具有一定起伏.

图1 滑坡平面分布
Fig.1 Landslide plane distribution

滑坡分为前部和中后部2个区段,大致以中部缓坡平台为界,前部区段滑体已滑移进入清江,表面残留土层厚度一般为0～3 m,局部8 m,中后部土体开裂、错台变形严重,后缘裂缝基本贯通,产生大型土体滑坡的可能性较大.因此,非常有必要对该滑坡中后部进行稳定性分析,并据此提出有效的防治措施.

2 中后部滑坡变形特征

中后部滑体显推移式特征,裂缝较为发育,主要变形破坏特征表现为房屋倾倒、道路损毁及农田裂缝发育.靠近滑坡后缘位置,拉张裂缝较为发育,裂缝总体走向为20°～40°,主要沿着沿向4～11房屋坐落的低矮山脊展布,拉裂缝宽10～100 cm不等,可见深度0.5～1.5 m.同时由于后部滑移变形,在坡体后缘位置形成一较大陡坎,陡坎贯穿滑坡后部部分农田,并使主要交通道路产生错断破坏并发育有多条拉裂缝,道路一侧的挡墙也出现了拉裂缝,8～12房屋处一条北偏东45°的道路上形成三十几条近于平行的裂缝,与道路走向近于垂直,延伸长度约为2 m;15～17房屋处一条北偏东70°的道路,主要变形破坏为拉断破坏,道路局部位置损毁严重.道路破坏示意图见图2.

图2 道路破坏Fig.2 Road damage

3 稳定性分析

依据滑坡物质形态及其变形破坏特征,新塘滑坡分为前部滑坡和中后部滑坡 ,整个坡滑体土结构松散,渗透性较强,而滑带土渗透性较弱,强度较低.其中前部滑坡目前已发生整体滑动,但滑面以上堆积层结构松散,强度较低,后缘处发育多处拉张裂缝,其后缘陡坎前缘临空的地形在一定条件,尤其降雨条件下极可能再次发生滑动,安全稳定系数可能小于1.中后部滑坡后缘产生较大位移形成了后缘陡坎,该区域滑坡中部发育多处拉张裂缝产生一定位移,在滑坡前缘平台处形成阻滑带,导致滑动面未能贯通,一定程度上阻止了滑坡的进一步破坏,在阻滑带发育多处鼓张裂缝,在降雨条件下,滑坡的稳定性较差,安全稳定系数极有可能小于1,随时可能发生滑动.

3.1 计算方法

根据室内资料分析和野外现场勘探结果,新塘滑坡滑动面均呈折线形,对于滑动面为折线形的堆积层滑坡宜用传递系数法进行稳定性评价[12-13],其稳定系数计算见式(1),计算过程考虑动水压力,不考虑地震力的作用.滑坡剖面计算分块示意图如图3所示.

(1)

式中:Fs为稳定系数;Ri为第i块滑动面的抗滑力,kN;ψj为第i块滑动面剩余下滑力传递至i+1块的传递系数;Ti为第i块滑动面上的滑动分力,kN.

3.2 计算工况及参数

由于恩施地区地震设防烈度小于6度,因此不考虑地震对滑坡稳定性的影响.鉴于强降雨期间滑坡变形破坏迹象明显,整体处于欠稳定状态,局部处于不稳定状态,降雨条件下极易产生整体失稳.由此可知滑坡为典型的降雨型滑坡,滑坡的整体稳定性与降雨强度密切相关,故本次稳定性验算考虑以下2种工况.

工况1: 考虑滑体自重.

工况2: 同时考虑滑体自重和50 a一遇暴雨.

整个滑坡体上,基本载荷主要为滑体自重,在具体计算中,对于地下水位面以上的滑体取天然重度,地下水位面以下的滑体取浮重度.工程地质勘查表明,滑体土主要为渗透性较强的碎石土,降雨入渗能在滑坡体内形成稳定的渗流场.因此,计算时除了要考虑孔隙水压力对滑面产生的浮托力外,还应考虑降雨在滑体内产生的渗透压力对滑体稳定性的影响,在具体计算中主要通过抬升地下水位线增大滑体内的渗透压力,以及滑体的重度来得以体现,由于暴雨期间地下水位线难以精准确定,故本次稳定性计算对滑体内地下水位的估算主要通过地表宏观变形分析结合滑坡区的水文地质条件,以及观测地下水位线进行综合确定.主要计算参数见表1.

表1 主要岩土计算参数Table 1 Main geotechnical calculation parameters

注: 括号内数据为饱和工况下的参数.

3.3 计算结果及分析

利用前述建立的滑坡稳定性计算方法、计算工况及确定的稳定性计算参数,利用传递系数法计算得中后部在工况1时稳定性系数为1.262,滑坡整体处于稳定状态.在工况2时滑坡稳定性系数为0.991,滑坡整体处于不稳定状态, 其稳定性系数远小于设计工况下的稳定性安全储备系数1.150.在工况2期间的地表变形多系滑坡蠕滑或强烈变形所致,各典型计算剖面的稳定性系数变化不大,滑坡体在遭遇强降雨之后,各计算剖面段附近的地表变形破坏迹象明显,变形破坏程度大体相当,主滑剖面段的破坏程度较两侧稍强烈,与该工况下的稳定性计算结果基本吻合.

虽然工况1下中后部滑坡处于稳定状态,但是一旦遭受强降雨,滑坡极有可能再次滑动,进一步危及村民的财产安全,因此,有必要在滑坡治理中采取一定的抗滑支挡措施.

4 工程防治方案优选

新塘滑坡治理工程应根据滑坡形态特征、滑体厚度及滑坡推力曲线等特点,选择安全可靠、经济合理、技术可行、施工方便的各种整治方案[14].

中后部滑坡变形明显,规模大,在降雨条件下失稳可能性极大,宜采用抗滑桩支挡等有效手段进行支挡;而前部滑坡由于大部体积已经滑动,因此主要采取挡墙以挡为主的方法.

同时根据稳定性系数计算结果分析可知, 降雨是诱发滑坡发生的关键因素, 其对滑坡整体稳定性影响较大. 由滑坡敏感性分析成果可知滑带土抗剪强度对滑坡稳定性影响较大,而降雨又是引起滑带土抗剪强度降低的关键因素. 因此,在滑坡治理设计中应注重地表排水工程及地下排水工程的布置, 以防止雨水下渗及雨水对坡面的冲刷作用.

为了对滑坡进行综合防治,进行防治方案设计与比选.

4.1 方案Ⅰ

该方案采取两排抗滑桩+挡墙+裂缝回填+地表截排水+监测的综合治理措施,具体如下.

1) 抗滑桩工程.考虑到新塘滑坡属于大型滑坡,且滑坡前缘存在冲沟,根据抗滑桩支挡工程布置原则,同时结合新塘滑坡实际工程地质条件,拟在合适位置分段设置两排抗滑桩.具体参数见表2,抗滑桩设置位置见图4.

表2 方案Ⅰ抗滑桩设计参数Table 2 Scheme Ⅰ anti-slide pile design parameters

2) 挡墙工程.根据挡墙支挡工程布置原则,结合滑坡实际工程地质条件及滑坡剩余下滑力曲线,在前部前缘距离清江约35 m处设置一排挡土墙,防止雨水冲刷将泥土带入清江;在滑坡前部后缘平台处设置一排挡土墙,用来阻挡滑坡前缘的变形.设计参数见表3,挡墙设计剖面图见图5.

图4 抗滑桩设计剖面Fig.4 Anti-slide pile design profile

图5 挡墙设计剖面Fig.5 Profile of retaining wall design

表3 挡墙参数Table 3 Retaining wall parameters

注: 该挡墙布置在前部滑坡前缘,主要作用是防止流水侵蚀坡脚,均采用直立重力式挡墙.

3) 截排水工程.根据滑坡区边界特点及滑坡实际的工程地质条件,在滑坡后缘、中后部设置截水沟,沿滑坡区自然冲沟设置排水沟.特别加强滑坡体内截排水沟的设计,以拦截滑坡区外的地表水,排泄滑坡区内的地表水,排水沟出口与截水沟相连,与原有排水系统相连,从而构成一套完整的地表截排水系统.

4) 裂缝回填工程.针对滑坡中后部的拉裂缝,采用回填工程处理.回填土选用渗透性差的黏土,每回填0.5 m进行一次人工压实处理.并对回填区的坡形进行修正,使其与原地形契合.坡形修正完毕后,种植具有一定固土作用的植被.

4.2 方案Ⅱ

该方案采取削坡压脚+抗滑桩+挡墙+地表截排水的综合治理措施,具体如下.

1) 削坡压脚工程.削方减载工程主要是对滑坡中部边坡不稳定体、破坏严重及坡度较陡部分进行削方处理,考虑该处为农田,应在保护农田耕种的基础上对坡体进行削坡.同时为更好地对坡体起到防治作用,将削坡的土方压在坡体剪出口,增大阻抗滑力,提高坡体稳定性.

2) 抗滑桩支挡工程.由于对现有农田进行整治之后滑坡的剩余下滑力还很大,并不能达到对滑坡治理的目标,根据抗滑桩支挡工程布置原则,结合新塘滑坡实际工程地质条件及滑坡剩余下滑力曲线,拟在合适位置设置一排抗滑桩阻挡坡体下滑,设计参数见表4,抗滑桩设置位置见图6.

表4 方案Ⅱ抗滑桩设计参数Table 4 SchemeⅡanti-slide pile design parameters

图6 方案Ⅱ设计剖面Fig.6 Profile of scheme Ⅱ design

方案Ⅱ的挡墙工程与地表截排水工程同方案 Ⅰ.

4.3 方案比选

针对2种治理方案进行多方面比选,如表5所示,方案Ⅰ比方案Ⅱ多投资1 500万元.从施工来看,方案Ⅰ双排抗滑桩施工难度较大,施工工期较长,成本过高;方案Ⅱ施工难度较小,工期较短,成本较低.方案Ⅱ采用的单排抗滑桩、削坡压脚和截排水措施对当地居民的生命财产不会造成较大的影响,保护修整现有农田,且当地居民也愿意积极配合防治工程的实施.

表5 方案对比Table 5 Scheme comparison

通过上述分析,结合新塘滑坡的具体情况,综合考虑新塘滑坡防治工程的技术合理性、有效性,以及该处施工条件和施工难易程度及工艺要求,推荐新塘滑坡防治工程采用方案Ⅱ.

5 结 论

1) 通过传递系数法定量分析,发现中后部滑坡在天然状况下处于稳定状态,在50年一遇暴雨工况下,稳定性系数为0.991,不满足稳定性要求,有可能发生整体失稳,需要对其采取防治措施.

2) 新塘滑坡中后部滑坡变形明显,规模大,宜采用抗滑桩支挡等有效手段进行支挡,前部滑坡由于大部体积已经滑动,因此主要采取挡墙以挡为主的方法.

3) 针对新塘滑坡提出2套治理方案,方案Ⅰ为抗滑桩与挡墙及截排水方案,方案Ⅱ为削坡整平、抗滑桩与挡墙及截排水方案.从费用预算、施工难度和适用性综合比选最终推荐方案Ⅱ.