公路边坡及坡顶电塔应急抢险工程监测方案研究

孟繁贺,胡卫军,韦超俊

(广西交通设计集团有限公司,广西 南宁 530029)

0 引言

提前感知与防范,是防治公路地质灾害的最有效手段。边坡的失稳破坏,往往需要经历蠕变、匀速运动、加速运动至破坏的发展过程[1-3],在这个过程中,位移变形是其最明显的特征,只要获取公路边坡的位移变形信息,就可以采取有效措施避免边坡失稳的发生。监测是提前感知与防范的有效手段之一,也是评价边坡施工及服役阶段安全性、稳定性的重要途径,其可为相关工程的预测预报、治理方案的确定、实施及治理效果的评价提供可靠的资料和科学依据[4-5]。而对于边坡治理,滑动面深度只能通过深部位移测出,只有已知滑动面深度后,方能准确地计算滑坡推力,针对性地采取卸载、抗滑桩等措施,因此合理的监测方案对于边坡灾害处治具有重要意义[6-7]。

1 工程概况

1.1 工程背景

某高速公路主线推荐线长56.578 km,支线推荐线长5.758 km。项目主线采用六车道高速公路,设计速度为100 km/h,路基宽33.5 m;其中某路段边坡场地属丘陵地貌,地形起伏较大,自然斜坡坡度约为15°～40°。根据工点勘察及地质调绘揭示,边坡表层覆盖第四系坡残积粉质黏土,粉质黏土为硬塑状,厚度约为1.0～4.6 m;下伏基岩主要由三叠系中统百逢组(T2b)地层组成,岩性为泥岩和泥质粉砂岩,其中泥岩为全风化状态,呈坚硬土状,厚度一般为1.0～3.5 m,局部达13.0 m;泥质粉砂岩呈薄-中厚层构造,强-中风化为主,其中强风化层岩质较软,岩体破碎,厚度约为5.2～26.0 m,其下中风化层岩体相对较完整,埋藏深。边坡岩层产状为332°/SW∠51°。

1.2 灾害情况

该路段由原先隧道改为明挖放坡扩建方案,在施工过程中,监测工作同步开展,深部位移测斜孔CX2-1在18 m深度出现明显拐点,半月后的连续两天,坡顶电塔基座静力水准测点差异沉降分别为1.91 mm和0.29 mm,电塔呈现向路基主线方向的倾斜,并发出第一次橙色警戒预警,边坡预警风险等级调整为橙色警戒级。20 d后,由地表与深部位移测点监测数据可知边坡进入中加速变形状态,再次触发橙色警戒。施工单位在接到橙色预警后,采取了在边坡第三级平台设置3排钢管桩以及第六级平台设置3排锚筋桩的补强加固措施,监测点布置如图1所示。

图1 监测点平面布置图

两个月后,边坡主监测断面3个深部位移测斜孔2-CX1、2-CX2、2-CX3变形速率分别增大至12.84 mm/d、14.80 mm/d、19.60 mm/d,边坡进入高速变形阶段,深部累积位移-时间曲线切线角达到83°,触发红色临滑警报。而后边坡变形持续发展,在小里程端一二级坡面发生局部垮塌。

险情发生后,现场对边坡进行坡脚反压工作,反压设计高度为37 m至第三级平台。另在坡顶设置3排锚筋桩进行加固,并配合混凝土锚碇+钢丝绳张紧以限制桩顶及电塔变形。边坡局部塌方第一阶段抢险工作结束后,各地表监测点水平位移速率和深层水平位移测点速率发展趋势总体呈现下降收敛趋势,坡体锚索轴力维持在工作允许范围内。

2 监测内容及成果分析

2.1 监测内容

针对工程的实际情况,制定监测任务如下:

(1)对边坡进行地表位移与深部位移监测,获取边坡地表与深部的变形速度、变形范围与滑动面深度。

(2)对边坡进行锚索应力监测,掌握锚索的长期工作性能状态和预应力损失情况。

(3)对边坡区域进行降雨量、温度湿度、风向等气象环境因素监测,在降雨集中时间段加强监测,当边坡出现位移时,分析坡体位移与降雨量的影响关系。

(4)对坡顶高压电塔基础沉降和水平位移进行监测,对塔身倾斜量和总倾斜率进行监测,掌握电塔基础的不均匀沉降量、水平位移以及塔基塔身倾斜情况,保障电塔的安全稳定。

针对工程的进度情况与监测目的,监测工作分为两阶段,第一监测阶段采用全自动化方式进行监测,监测内容与方法如表1所示。

表1 第一阶段监测内容与方法一览表

第二监测阶段在第一监测阶段基础上新增内容为:

(1)增设边坡第四级平台主断面深部位移测点。

(2)加密坡面地表位移监测点。

(3)在坡顶塔脚锚筋桩埋设钢筋计进行锚筋桩受力监测。

(4)坡顶增设气象站对边坡现场降雨、温度湿度、风力风向等环境变化进行监测。

新增地表位移监测点采用全站仪人工监测方式,新增深部位移测点、锚筋桩受力及气象站为自动化监测方式。监测内容与方法如表2所示。

表2 第二阶段监测内容与方法一览表

2.2 成果分析

将各测斜孔峰值面累积位移-时间曲线与位移速率-时间曲线进行整合,并结合现场工况与滑坡变形状态,绘制出边坡深部位移变形阶段分析图(如下页图2所示)。

(a)峰值累积位移-时间曲线

2.2.1 边坡塌方前施工期

该阶段为边坡塌方抢险前10 d内,各孔累积位移和速率曲线总体上随时间呈一定斜率发展。2021-06-14,各孔变形速率增大至12.84～19.60 mm/d,边坡处于高速变形状态,发出第一次红色临滑警报。该阶段峰值深度的平均位移速率为5.08～6.20 mm/d,阶段累积位移量为45.72～55.81 mm,变形发展至2021-06-18达到最大速率19.90～30.26 mm/d,该日峰值位移量占阶段累积位移量的37%～54%,边坡深部位移处于临滑加速阶段。在该加速阶段通过对比3个测斜孔监测数据,结合各孔所处位置可知,边坡深部位移速率与累积位移量呈现出从靠坡底向坡顶递减的趋势,初步符合牵引式滑坡“前大后小”的变形特征。

2.2.2 边坡塌方影响期

该阶段为2021-06-19边坡小里程端一二级坡面出现局部垮塌当日至抢险施工开始前。该3 d内峰值深度的平均位移速率为18.27～60.13 mm/d,阶段累积位移量为164.46～541.20 mm。由位移速率曲线和统计表可知,2021-06-19边坡垮塌当天达到最大位移速率,为102.24～440.03 mm/d,该日位移量占本阶段累积位移量的62.2%～81.3%。图2中各孔累积位移曲线斜率陡增,数据点对应切线角>80°,边坡处于滑动破坏阶段。该阶段各测斜孔的位移速率与阶段累积位移将上一时段的“前大后小”规律进一步放大,从2-CX3至坡顶2-CX1的位移速率、阶段累积位移比值约为3.3∶1.6∶1,从2-CX3、2-CX2至2-CX1呈现明显阶梯形,更有力地印证了本滑坡属于牵引式滑坡。

2.2.3 边坡抢险施工期

该阶段各测斜孔峰值深度的平均位移速率为4.84～15.00 mm/d,为上一阶段滑动破坏期间的0.25～0.28倍;最大速率为21.06～30.03 mm/d,降至滑动破坏期的0.07～0.21倍;10 d内阶段累积位移量为48.41～149.98 mm,降至上一时段3 d滑动破坏期累积位移量的0.28～0.31倍。以上数据表明,该时段边坡深部位移速率及位移量均较上一时段显著降低,2021-06-21开始抢险施工后累积位移-时间曲线由上一时段的近似垂直发展迅速转缓至小角度发展,位移速率-时间曲线由上一阶段峰值点骤降至边坡塌方前水平并随时间持续减小。表明坡底反压+坡顶电塔下锚筋桩施工的抢险施工措施对边坡深部位移产生显著治理效果,锚筋桩结构随完成度逐步遏止了滑动破坏趋势,反压体随反压高度增大对滑坡体在剪出口的挤出破坏起到良好的抵御效果。

2.2.4 处治效果观察期

2021-07-02坡底回填反压至37 m高度第三级平台位置,2021-08-13坡顶高压电塔成功拆迁完成,高风险隐患消除,此次边坡应急抢险工程圆满结束。该阶段内各孔峰值深度的平均位移速率为0.49～2.86 mm/d,为上一阶段施工期的0.10～0.33倍;最大速率为6.33～11.65 mm/d,为上一阶段的0.29～0.55倍。边坡处治施工完成后深部位移速率进一步减小,维持低速变形状态,在约40 d的时段内累积位移为20.11～117.07 mm。该阶段累积位移曲线、位移速率曲线整体保持近似水平发展,7月底由于降雨影响边坡深部位移出现轻微反应,曲线略微抬升。结合降雨量监测数据,在7月底出现较大降雨之前,现场已超半个月降雨总量未达到5 mm,边坡滑塌后坡面残留大量松散堆积体,大量降水入渗使不稳定土层发生较小位移。且坡底反压+坡顶电塔下锚筋桩为应急抢险处治措施,并非永久治理设计,本阶段边坡深部位移虽降至低速变形状态,但未完全收敛归零,边坡尚未达到稳定状态。

对于电塔基础静力水准沉降监测,在坡顶高压电塔四个塔脚分别布置静力水准沉降监测点,共包含1个基准点、4个沉降监测点,测得电塔基础累积沉降量-时间曲线如图3所示。

图3 电塔基础累积沉降量-时间曲线图

由图3监测成果可知,在边坡垮塌前电塔基础各测点平均沉降速率较低,均<1 mm/d。在边坡垮塌期间,电塔基础出现明显下沉,各测点平均沉降速率为-3.59～-12.88 mm/d,为边坡垮塌前的9.74～19.94倍,表明电塔基础沉降受边坡位移影响明显。自抢险施工后,电塔基础沉降大幅减弱,各测点沉降速率<-0.30 mm/d,沉降曲线减缓至近似水平发展,表明边坡应急抢险施工有效阻止了电塔的快速沉降,为之后电塔拆迁工作赢得了宝贵的安全准备时间。4个沉降测点中JL-03(D腿)的沉降量最小,JL-02(B腿)沉降量最大,即4个测点之间JL-02(B腿)与JL-03(D腿)的沉降差最大,结合测点分布位置,表明电塔主要朝路基方向倾斜。

3 结语

(1)在边坡垮塌前至应急抢险施工过程中,通过监测及数据分析,边坡地表、深部位移速率和累积位移量均呈明显的“前大后小”的规律,符合牵引式变形特征,因此该滑坡属牵引式滑坡。

(2)随着抢险施工的推进完成,边坡地表与深层位移速率均显著降低至低速变形状态,锚筋桩支挡结构逐渐发挥出对边坡地表和深部位移的控制调节作用,采用坡底反压+坡顶锚筋桩的抢险应急方案有效可行。

(3)边坡监测至应急抢险期结束,边坡地表与深层位移均处于低速变形状态,锚索应力与锚筋桩受力平稳波动,处于正常工作范围,边坡整体受力较稳定。