多级滑面滑坡的成因机理与治理方案研究

王振勇, 毛立军, 李小智

(甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司, 兰州 730030)

山地滑坡是阻断山区公路畅通的主要地质灾害,给社会经济和人民财产安全造成巨大损失。随着工程建设的不断增长,山区堆积体滑坡在滑坡灾害中的比例持续增加,且多发生在第四系松散堆积层与基岩之间,形成岩土二元结构,在降雨、地震、人为扰动等作用下,坡体原有的平衡状态易被打破,逐渐发展并形成滑坡[1-5]。

长期以来,学界和工程界[6-10]对堆积体滑坡的形成机制、稳定性分析及工程治理方案等进行了大量研究,一致认为降雨条件是堆积体多级滑坡失稳滑动的主要诱发原因,坡体的地层岩性及地质构造则是滑坡体形成的物质基础。但对多级滑面的形成机制、受力关系、稳定性状态的判定,因地域性仍存在较大差异。

本文以某临河堆积体滑坡为例,基于地质勘察资料、坡体裂缝发育情况,分析该滑坡的成因机理及变形过程,针对滑坡发展阶段采用传递系数法确定了各级滑坡的稳定性状态[11]及下滑力,并根据各级滑面间下滑力的传递关系及下滑力大小采取经济合理的治理设计方案。

1 工程概况

滑坡区位于某国道,以挖方路堑形式从河道南岸山前斜坡穿过,地形坡度40°～50°,边坡挖高13 m,坡脚及半坡多被厚度较大的崩坡积、坡洪积物覆盖;河道天然纵坡约4‰～5‰,河谷深切,滑坡前缘临河处为20 m～25 m的河槽陡坎,河槽呈深窄“U”型。滑坡体平面呈簸箕状,后缘形成明显的圈椅状地形,滑动方向NE26°与国道直交,滑坡体前后缘长约110 m、路线方向宽度70 m～100 m,面积8 460 m2,勘探揭示滑体厚度为7 m～15 m,方量约8.5万m3,属中层牵引式中型土质滑坡。滑坡状况见图1。

(a) 滑坡全貌

1.1 地层岩性

1.2 地质构造

滑坡区位于白龙江区域层下及其影响带,断层呈北西走向,是平行于白龙江延伸的逆冲断层,断层面北倾,倾角50°～60°,平行白龙江延伸,滑坡区出露宽度约40 m,断层破碎带物质为糜棱岩、碎裂岩及断层泥,挤压较紧密。断层带F造成岩体节理裂隙发育,风化程度高,是地下水的重要通道。地下水沿断层破碎带汇集形成软弱带,是该滑坡形成的重要原因。

2 滑坡稳定性分析

2.1 滑坡影响因素

1) 地形地貌

该滑坡体位于天然凹地形滑坡段河谷深切河岸段,前缘临河处为20 m～25 m的河槽陡坎,白龙江河槽呈深窄“U”型,水流对前缘坡体的长年冲蚀,使得坡体自下而上不断垮塌,日积月累形成牵引式滑坡,加之坡面水及地下水入渗,在岩土二元结构交界面附近汇集,致使该地带岩层遇水软化形成软弱结构面,在综合条件下出现牵引滑动破坏。

2) 滑坡体二元结构

该滑坡体上部为第四系全新统滑坡堆积物,以含块石碎石土、卵石土为主,固结程度较低,坡体自稳性差,下伏基岩为千枚岩,为堆积体二元结构滑坡。

国道以挖方形式从坡体中部通过,挖方高度超过10 m,加之长期超负荷的车辆荷载打破了原坡积山体的受力平衡,直接影响边坡的稳定性。

3) 连续降雨

2019年7月—9月期间连续降雨后,白龙江水长时间处于高水位,流速增大,冲刷力增强,滑坡前缘坡体岩土长时间浸泡。经历持续降雨后,雨水入渗坡体,不仅降低了土体抗剪强度,还增大了坡体自重;同时,该滑坡岩土交界面被各级滑面切割呈阶梯状,降雨后渗流作用强烈,进一步降低了坡体稳定性,导致了本次滑坡灾害的发生。

2.2 计算剖面

滑面整体呈折线型,采用极限平衡原理的传递系数法进行稳定性计算[12]。选取主滑断面1-1′为计算剖面,见图2。该滑坡存在多级滑面,根据各级滑面的成因、受力关系及剪出口位置进行单独或叠加计算。

图2 1-1′计算剖面

2.3 计算工况

根据《公路滑坡防治设计规范》(JTG/T 3334—2018)有关规定,滑坡治理保护对象为二级公路,危害程度严重,防治安全等级为Ⅱ级。滑坡设计工况及抗滑安全系数Ks为:

1) 工况1(正常工况):天然状态,Ks=1.2;

2) 工况2(非正常工况Ⅰ):暴雨作用,Ks=1.15;

3) 工况3(非正常工况Ⅱ):天然状态+地震作用,Ks=1.10。滑坡稳定性状态通过稳定系数Fs分级,见表1。

表1 滑坡稳定状态划分

2.4 力学参数的确定

1) 土体重度:取原状土进行室内土工试验,确定土体重度,结果见表2。

表2 滑坡(1-1′断面)岩土参数

2) 安全系数:从图2计算剖面分析,划分滑面区段,根据现场裂缝情况、滑坡发展阶段以及牵引式滑坡各级滑面间的受力关系确定。

(1) ①区滑面:滑坡体临河,最先出现破坏,并牵引后部坡体,天然工况下处于欠稳定状态,安全系数介于1.00～1.05之间,暴雨工况下处于不稳定状态,稳定系数小于1.00。

(2) ①+②区滑面:①区在变形发展过程中牵引中部②区变形滑动,两滑体叠加后可从①区坡脚整体剪出。其稳定状态应稍高于①区,天然工况下稳定系数应介于1.05～1.10之间,暴雨工况下应处于不稳定状态,稳定系数在1.00左右。

(3) ①+②+③区滑面:①+②区加剧失稳牵引道路所处的③区,三滑体叠加后可从①区坡脚整体剪出。其稳定状态应稍高于①+②区,正常工况下处于基本稳定状态,稳定系数应在1.10左右,暴雨工况下处于欠稳定状态,稳定系数在1.00左右。

(4) ①+②+③+④区滑面:①+②+③区失稳后道路失去支撑,产生沉陷和外移,牵引区,四滑体叠加后可从①区坡脚整体剪出。现场情况显示①区滑体挤压挡土墙,使之开裂变形,同时边沟也出现挤压破坏,但④区由于挖方路堑的存在与①+②+③区联系较弱,认为①+②+③+④区整体剪出时,其稳定状态应接近或稍弱于①+②+③区,一般工况下应处于基本稳定状态,暴雨工况下处于不稳定状态。

(5) ④区滑面:该区滑体位于路基上部,路堑开挖使该区滑体路堑处厚度较薄,与下方其他滑体间联系减弱,存在较大可能从路堑坡脚单独剪出,当考虑从路堑坡脚剪出时,由于坡脚没有发现滑坡前缘贯通滑面,认为④区单独剪出时,稳定状态好于①+②+③+④区,一般工况下处于基本稳定状态,暴雨工况下处于不稳定状态。

3) 滑带土抗剪强度:折线型滑坡滑面牵引段与抗滑段滑带土抗剪强度变化不大,采用直剪试验的残余强度,反算主要针对变化大且较难确定的主滑段。主滑断抗剪强度反算时,粘聚力选用直剪试验的残余强度反算内摩擦角,结果见表2,各级滑坡体稳定性计算结果见表3。

表3 多种工况下稳定性计算结果

2.5 计算结果及分析

滑坡整体滑面①+②+③+④区在正常工况(天然状态)处于基本稳定状态,非正常工况Ⅰ(暴雨或连续降雨)处于不稳定状态,非正常工况Ⅱ(地震)处于欠稳定状态;滑坡前部①区易受江水冲蚀,在正常工况(天然状态)处于欠稳定状态,非正常工况Ⅰ(暴雨或连续降雨)和非正常工况Ⅱ(地震)处于不稳定状态;后部④区受牵引,在正常工况(天然状态)处于基本稳定状态,非正常工况Ⅰ(暴雨或连续降雨)处于不稳定状态,非正常工况Ⅱ(地震)处于基本稳定状态。计算结果与滑坡目前的稳定状态相符。

各级滑坡中,最大下滑力为①+②+③+④区综合下滑力,暴雨工况下为865.41 kN, 路堑开挖使④区与①+②+③区联系减弱,④区滑体相对独立,其潜在剪出口位于路堑挖方坡脚。因此,可将整体滑坡分为④区与①+②+③区2个相对独立的滑体进行分别治理。④区与①+②+③区最不利工况均为暴雨工况,下滑力分别为294.62 kN、560.06 kN。

3 滑坡治理方案

3.1 治理思路

将滑坡分为④区、①+②+③区,并分别治理。

1) ④区:该区滑坡体下滑力294.62 kN,滑床以上厚度4.5 m～8.5 m,位于国道路基左上方,属于滑坡后缘,坡体陡峭。该滑体治理的总体要求:一是确保路基稳定,二是防止滑坡后缘以上坡体继续失稳滑塌,即尽量减少对上部坡体的扰动。据此,制定以下治理思路:

(1) 在路堑坡脚设置路堑挡墙,加固滑坡坡脚,减轻滑体对路基的挤压,同时拦挡滑塌体;(2) 在上挡墙顶部设置锚索框架,锚固滑坡体;(3) 在滑坡后缘设置一道截水沟拦截上游坡面汇水,滑坡体为碎石土,透水性较好,因此不再设置坡体排水措施。

2) ①+②+③区:④区滑体单独治理后,滑坡最大下滑力降至①+②+③区的560.06 kN,该下滑力在圆形抗滑桩承受范围内,考虑到下滑力仍然较大,在桩体设置锚索改善受力条件和桩顶位移。同时考虑到河流冲刷,在桩前设置防冲刷铁丝网石笼。

3.2 治理工程分项设计

滑坡综合治理工程方案见图3。

(a) 治理纵断面设计(1-1′剖面)

具体治理方案为:

1) ④区

(1) 路堑挡墙支挡

挖除路基左侧损毁的护面墙并修筑C20现浇混凝土上挡墙。该地区标准冻深1.3 m,上挡墙沿路线方向设置长度90 m,墙高6.0 m,顶宽1.5 m,埋深2 m,面坡坡率为0.4,背坡坡率为0.25,底坡坡率为0.1∶1,基底承载力要求不小于300 kPa。

(2) 锚索框架锚固滑坡体

修整上挡墙墙后边坡,坡率1∶1.25～1∶1.5,采用12 m高锚索框架加固处治,沿④区边坡坡脚自下而上设置4排锚索,竖向间距3.5 m,纵向间距3 m,锚索与水平面夹角25°,单根锚索长30 m～35 m,其中锚固段10 m,锚固于C2灰岩中,设置长度90 m,见图3(b)。

计算结果显示,④区边坡采用10 m锚固段锚索框架加固后,暴雨工况(控制性工况)取1.15的安全系数后,剩余下滑力为-12.547 kN,稳定性系数为1.253,满足设计要求。

2) ①+②+③区

(1) 锚索抗滑桩支挡

在路基右侧河道岸坡坡脚设置一道悬臂式圆形锚索桩板墙,抗滑桩布设方向同河道走向,抗滑桩中心线距路基中心线距离为49 m～61 m。抗滑桩直径2.0 m,悬臂端7 m～10 m,第1、第32号桩长16 m,第2、第31号桩长18 m,第3、第30号桩长20 m,其他均为22 m,共计680 m/32根,抗滑桩中心间距4 m。桩顶设置冠梁连接,桩间布设挡土板,板高7 m～10 m(冠梁底至桩前地面以下1 m)。为改善桩体受力条件,控制桩顶变形,所有抗滑桩均设置锚索,其中第1、2、31、32号桩每根设置2束,其他各桩均设置3束,各束锚索间距3 m,最上一束锚索距离桩顶2 m,锚索长35 m(其中锚固段长10 m),锚固于稳定岩层。为防河流冲、掏蚀刷桩前土体,于桩前设置一排防冲刷石笼,设置高度3.5 m,埋深3 m,见图3(b)。

抗滑桩桩端深入S1千枚岩中,岩性属于硬质岩,但地处断层影响带范围内,岩体破碎。因此,桩端按铰接考虑,采用“m法”[13-15],按滑坡推力工况、浸水地区库伦土压力一般工况及浸水地区库伦土压力地震工况下对桩板墙进行结构配筋计算,结果见表4。

表4 抗滑桩配筋结果

4 滑坡治理效果

设计采用墙顶、桩顶钻孔预埋观测钢筋以及坡体埋设混凝土观测墩的方式进行位移监测,观测时间为202006—202109,历时15个月,已处于稳定状态,现场环境影响小,滑坡治理效果好。滑坡位移监测结果见图4。

图4 滑坡位移监测结果

从图4可知,滑坡治理4个月后,桩顶及坡体位移已趋于稳定,经历2个雨季后位移并没有明显增加,表明治理后滑坡处于稳定状态,治理方案可行。

5 结论

通过对该公路滑坡的变形破坏特征及影响因素进行分析,并制定了滑坡治理方案,得出如下结论:

1) 该牵引式多级滑坡整体现状处于基本稳定状态,在暴雨或连续降雨条件下处于不稳定状态;前缘次级滑坡受江水冲蚀,在正常工况处于欠稳定状态,在暴雨或连续降雨工况处于不稳定状态;后部坡体受前缘滑坡牵引,现状处于基本稳定状态。

2) 各级滑坡中,最大下滑力为①+②+③+④区暴雨工况下的综合下滑力865.41 kN,④区滑体相对独立,其潜在剪出口位于路堑挖方坡脚,将整体滑坡分为④区与①+②+③区2个相对独立的滑体后,④区与①+②+③区最不利工况均为暴雨工况,下滑力分别为294.62 kN、560.06 kN。

3) ①+②+③区滑坡下滑力较大,采取抗滑桩支挡;④区滑坡下滑力较小,采用预应力锚索加固。

4) 滑坡治理4个月后桩顶位移趋于稳定,经历2个雨季后位移并没有明显增加,滑坡处于稳定状态。

5) 在滑坡后缘设置截水沟,拦截上游坡面地表汇水;该滑坡为透水性好的碎石土且岩层结构排水通畅,不再设置坡体内部排水设施。