滑坡考虑抗剪洞加固的抗滑稳定分析

姬永尚

（新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000）

在建水利枢纽工程位于新疆维吾尔自治区南疆山区，是一项具有生态、防洪、灌溉、发电等综合利用任务的水利工程， 是河流山区河段的控制性水利枢纽工程，属大（2）型Ⅱ等工程［1］。

大坝下游， 距坝轴线直线距离约780m处右岸岸坡中部分布一古滑坡。 前期勘察针对古滑坡开展了专题研究，根据勘察试验成果，结合规范和工程经验选取物理力学参数进行计算，结果表明，在天然工况下和Ⅷ度地震工况下古滑坡处于稳定状态； 考虑降雨影响时，稳定性系数有所降低，在滑带土完全饱和后部分计算剖面的安全系数低于1.10， 不能满足规范要求。 设计提出采用抗剪洞加固方案。

1 滑坡基本特征

该古滑坡体是一个典型受结构面控制的顺坡型滑坡，为结构面组合滑坡，即底滑面为顺片理面的缓倾角软弱结构面，上游边界为倾向NE向的陡倾角断层，后缘切割面为倾向NW的陡倾角断层，下游边界为凹岸临空面。 滑坡体分布高程2090～2410m，地表面积约28.5万m2，滑体最大厚度约108m，平均厚度约45.7m，体积约1302万m3，为特大型深层岩质滑坡［2］。滑坡轴线长约550m，前缘宽约610m、中部宽约575m、后缘宽约380m，在平面展布上整体呈扁平的舌形，轴线方向相对较短，垂直轴线方向较宽［2］（图1）。

图1 滑坡平面示意图

滑体从地表向滑面，主要分4个层次，即①粉土层、②块裂结构的松动岩体及大块石、③完整、连续岩体、④滑坡角砾。 其中，滑坡角砾层与滑带土直接接触，厚度1.6～22.5m，平均10.4m， 母岩为二云母石英片岩，原岩结构基本被破坏，层状结构不明显，呈碎块石状，棱角状，大小石块与挤压碎末、细粒混杂， 结构密实。 滑坡角砾层天然状态下湿密度为2.23～2.29g/cm3，干密度为2.15～2.19g/cm3，渗透系数4.6×10-4～2.5×10-3cm/s，饱和状态下C值18.5～26.1kPa，ψ值37.0°～38.5°。

滑面（带）主要受两组结构面控制，即顺层软弱结构面和NE走向陡倾结构面。 两组结构面组合形成以顺层面为主的阶梯形滑面形态（图2）。滑带土厚度一般0.5m左右，岩性为含砾低液限黏土夹黏土质砾。深灰～灰绿色，以碎石、泥质为主，挤压紧密，弱胶结，人工开挖极为困难，多夹滑坡角砾及大块石透镜体。根据室内试验结果， 滑带土天然状态下湿密度为2.20～2.30g/cm3，干密度为1.98～2.08g/cm3，渗透系数0.2×10-6～5.2×10-6cm/s。天然状态下C值25.8～58.3kPa，平均为39.7kPa，ψ值31.5°～34.0°，平均为32.8°；饱和状态下C值21.5～52.6kPa， 平均为34.5kPa，ψ值30.5°～32.5°，平均为31.4°。 根据原位试验结果，天然状态C值27.7 ～103.1kPa， 平 均60.2kPa， 小 值 平 均 值 为45.6kPa，ψ值26.0°～30.0°，平均27.7°，小值平均值为26.3kPa；饱和状态C值38.5～39.2kPa，平均值38.9kPa，ψ值23.0°～24.0°，平均值23.5°。

图2 滑坡轴线地质剖面图

滑床岩性为二云母石英片岩，岩体节理裂隙不发育，风化轻微，新鲜完整。 根据室内岩块试验结果： 岩样天然密度2.71～2.79g/cm3， 饱和密度2.72～2.80g/cm3； 自然吸水率0.18%～0.24%， 饱和吸水率0.21%～0.27%；单轴干抗压强度53.8～65.7MPa，饱和抗压强度37.4～46.3MPa；干抗剪强度C值1.6～2.7MPa，ψ值45.5°～46.0°， 饱和抗剪强度C值1.1～1.6MPa，ψ值43.0°～44.5°。

2 考虑抗剪洞加固的抗滑稳定分析

抗剪洞适用于滑动面较为明确的边坡加固处理，一般沿潜在滑动面走向水平布置，其基本原理是利用置换方式， 将力学性质较差的软弱夹层置换为抗剪强度高的混凝土或钢筋混凝土材料， 以提高边坡的稳定性。

在实际工程中， 一般可采用两种方法模拟抗剪洞对边坡的加固影响， 其一是根据软弱夹层与混凝土的抗剪强度参数按面积加权平均的方法， 获得滑面的综合强度参数， 其二是将混凝土作为一种特殊置换材料处理。 本次稳定分析对这两种处理方法分别进行讨论。

2.1 面积加权平均法

与结构面的连通率的定义类似， 考虑软弱夹层与抗剪洞联合作用下的潜在滑面的综合强度指标的计算公式为：

式中 ca， fa分别为滑面的综合抗剪强度指标；下标c与r分别为混凝土与潜在滑面的相应指标；k为混凝土置换率。

根据滑坡研究专题资料， 其抗剪强度参数的地质建议值为：

水上：φ=26.5°，c=40 kPa；

水下：φ=24.0°，c=20 kPa。

混凝土的抗剪强度指标为：f=1.1，c=1.5MPa。通过试算可知，当置换率k=0.04时，滑裂面的综合抗剪强度参数如表1，相应的计算结果如表2。 从计算结果可看出，当采用抗剪洞加固处理后，各剖面在不同工况条件下的安全系数有了较大提高，均满足规范要求。

表1 当置换率k=0.04时滑面的综合强度参数计算结果

表2 采用抗剪洞加固后的抗滑稳定分析成果

2.2 抗剪洞设计

根据面积加权平均法计算的结果， 进行抗剪洞设计。 根据规范规定，抗剪洞宜水平布置，且抗剪洞洞体在滑面上下盘坚硬岩体内的嵌固深度不应小于3.0m， 以避免潜在滑体沿混凝土与岩体接触面发生绕过洞体剪切滑动的可能。

根据本滑坡的基本情况， 并结合上述稳定分析成果，共布置3排抗剪洞，具体布置为：在高高程的滑裂面范围内布置2排抗剪洞，低高程的滑裂面范围内布置1排抗剪洞， 抗剪洞尺寸为5.0m×6.0m， 城门洞型，如图2。

2.3 置换材料法

这一方法的基本思想是抗剪洞作为一种材料，将软弱夹层置换为混凝土材料， 在高程2115，2170，2210m处布置3排抗剪洞（如图3）。

图3 采用抗剪洞加固的设计示意图

稳定分析考虑3个方面：①考虑滑裂面直接由抗剪洞内部剪出； ②考虑沿抗剪洞上部的滑坡角砾内部剪出； ③考虑沿抗剪洞下部的混凝土与基岩的接触面剪出。

表3列出了稳定分析采用各材料的物理力学参数取值情况， 其中滑坡角砾与滑床采用了地质建议值， 抗剪洞下部混凝土与基岩的接触面主要根据规范建议取值。

表3 稳定分析采用的各材料的物理力学参数

表4～表6列出了不同剪出滑动模式条件下，各计算剖面在不同工况条件下的抗滑稳定分析成果，图4～图6列出了部分计算简图。 从计算结果可看出，分别考虑直接剪切混凝土及沿抗剪洞顶部与底部剪出的滑动模式，各计算剖面在天然状况下的安全系数大于1.25， 考虑降雨影响时的安全系数大于1.10，考虑地震影响时的安全系数大于1.15，满足规范要求。

图4 2-2剖面考虑沿抗剪洞内部剪出的计算简图

图6 2-2剖面考虑沿抗剪洞底部剪出的计算简图

表4 考虑沿抗剪洞内部剪出的稳定分析成果

表5 考虑沿抗剪洞顶部剪出的稳定分析成果

表6 考虑沿抗剪洞底部剪出的稳定分析成果

图5 2-2剖面考虑沿抗剪洞顶部滑坡角砾剪出的计算简图

3 结语

针对滑带土完全饱和工况下， 滑坡部分计算剖面的安全系数低于规范要求， 本次结合前期勘察中已查明的滑体、滑面（带）及滑床等滑坡体结构特征，采用抗剪洞加固处理。 通过两种分析方法对抗剪洞加固效果进行计算分析，结果表明，采用置换材料法的稳定分析成果略大于面积加权平均法， 但相差不大，均大大提高了滑坡体稳定性系数，即采用抗剪洞加固处理措施对滑坡抗滑稳定是有效的。