重慶市萬(wàn)州區(qū)萬(wàn)元紙廠滑坡穩(wěn)定性分析與處置

王小委，周福川，黃 霞

(重慶交通大學(xué)，重慶 400074)

1 前言

萬(wàn)元紙廠位于重慶市萬(wàn)州區(qū)五橋江南新區(qū)，該廠滑坡是重慶市三期地質(zhì)災(zāi)害防治工程非應(yīng)急搶險(xiǎn)項(xiàng)目之一。該滑坡整體呈緩長(zhǎng)條形斜坡，屬于堆積地貌，呈兩級(jí)臺(tái)階狀。監(jiān)測(cè)表明滑坡體變形現(xiàn)象明顯，民房、公路以及滑體其它部分均存在變形現(xiàn)象，并且在大氣降雨，河流水位的變化，沖溝的侵蝕和人類工程活動(dòng)的共同影響和作用下，滑坡變形有加劇的趨勢(shì)。考慮到該滑坡可能會(huì)對(duì)周圍居民以及萬(wàn)元紙廠造成威脅，因此，有必要對(duì)其穩(wěn)定性加以分析并采取相應(yīng)的整治手段，確保人民生命、財(cái)產(chǎn)安全。

2 滑坡區(qū)自然地理和地質(zhì)條件

2.1 地理位置和氣候條件

萬(wàn)元紙廠滑坡位于萬(wàn)州區(qū)，上距三峽庫(kù)區(qū)尾重慶333km，下距庫(kù)首宜昌市327km，地理坐標(biāo)范圍：X=3410828～3411463，Y=539301～39899。滑坡所在區(qū)域?qū)賮啛釒瘽駳夂騾^(qū)，氣候溫和，雨量充沛，雨熱同步，多年平均氣溫在18℃左右，最低氣溫-3.7℃，最高氣溫42.1℃，相對(duì)濕度80%，具有四季分明、垂直分帶顯著的特點(diǎn)。區(qū)內(nèi)常年雨日140天左右，年均降雨量1191.3mm，降雨主要集中在5-9月份，并以暴雨居多，日降雨量可達(dá)100mm以上。

2.2 地形地貌

滑坡區(qū)及周邊分布的地貌單元有構(gòu)造剝蝕丘陵及山麓斜坡堆積坡積裙。沖溝發(fā)育，滑坡前側(cè)為長(zhǎng)江侵蝕岸坡，與下側(cè)長(zhǎng)江相距約500～1200m。區(qū)內(nèi)地形沿江方向平緩，縱向上呈多級(jí)臺(tái)階狀，至滑坡區(qū)南側(cè)后緣為東西走向的脊?fàn)钛泳d低山。滑坡整體呈寬緩長(zhǎng)條形斜坡，屬于堆積地貌，斜坡坡向320°～330°，坡角5°～42°，呈兩級(jí)緩臺(tái)狀，分布高程在250～380m之間，如圖1所示。

2.3 地層巖性

2.4 水文地質(zhì)條件

水文地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，滑坡區(qū)地下水按水理性質(zhì)、水力特性、賦存條件可劃分為松散巖類孔隙水和風(fēng)化基巖裂隙水兩類。

(1)松散巖類孔隙水：賦存于第四系堆積層中，主要受降雨及地表水體補(bǔ)給，季節(jié)性影響比較大。

圖1 萬(wàn)元紙廠滑坡全貌

圖2 滑面巖土體

(2)風(fēng)化基巖裂隙水：賦存于基巖強(qiáng)風(fēng)化帶裂隙中，主要在基巖露頭區(qū)接受大氣降雨或上部松散巖類孔隙水滲入補(bǔ)給。

2.5 地質(zhì)構(gòu)造及地震

滑坡區(qū)地處川東褶皺束萬(wàn)縣復(fù)向斜東段近軸部，北臨鐵鋒山背斜，南靠方斗山背斜，未發(fā)現(xiàn)明顯的斷裂構(gòu)造。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2001)及1:400萬(wàn)《中國(guó)地震動(dòng)峰值加速度區(qū)劃圖》(2001)，地震動(dòng)峰值加速度取為0.05g，抗震設(shè)防烈度6度。

3 滑坡體穩(wěn)定性分析

取該滑坡典型斷面進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算分析，滑坡斷面圖如圖3所示。根據(jù)勘察結(jié)果，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)資料結(jié)合經(jīng)驗(yàn)類比、反演分析法等，確定了滑坡體、滑帶和滑床等物理力學(xué)參數(shù)的穩(wěn)定性分析建議值，列于表1。

圖3 滑坡穩(wěn)定性計(jì)算剖面圖

名稱狀態(tài)彈性模量/MPa泊松比重度/(g/cm3)粘聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)滑體,粉質(zhì)粘土夾塊碎石松散6.00E+000.26 20.57 23.34 13.40 滑帶,粉質(zhì)粘土夾塊碎石松散5.00E+000.30 19.00 20.46 10.40 滑床,中等風(fēng)化砂巖稍密2.20E+030.21 24.60 860.00 33.00

計(jì)算時(shí)采用如下三種工況：

工況一：天然工況(自重)；

工況二：暴雨工況(自重+暴雨)；

工況三：地震工況(自重+地震力)。

3.1 采用傳遞系數(shù)法計(jì)算滑坡穩(wěn)定性系數(shù)

按上述三種荷載組合形式及計(jì)算參數(shù)，采用DZ/T 0218—2006《滑坡防治工程勘查規(guī)范》提供的傳遞系數(shù)法計(jì)算公式計(jì)算[1]，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 滑坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

分析表2可見(jiàn)：滑坡在地震力作用下，穩(wěn)定性最差，易于發(fā)生滑動(dòng)，在天然狀態(tài)下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，只有極個(gè)別塊體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。但是實(shí)際勘察發(fā)現(xiàn)，滑坡體在自然狀態(tài)下有多處失穩(wěn)，居民房屋開(kāi)裂、道路損毀、管道彎曲變形現(xiàn)象。可見(jiàn)，采用傳遞系數(shù)法計(jì)算滑坡的穩(wěn)定性有局限性，不能完全反映坡體實(shí)際情況。

3.2 采用有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算滑坡穩(wěn)定性系數(shù)

3.2.1 有限元強(qiáng)度折減法原理

所謂強(qiáng)度折減法，就是通過(guò)逐漸降低巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)(粘聚力和內(nèi)摩擦角)直到邊(滑)坡達(dá)到極限破壞狀態(tài)為止，其初始強(qiáng)度與極限平衡時(shí)的強(qiáng)度比值定義為邊(滑)坡的穩(wěn)定性系數(shù)[2,3]。在強(qiáng)度折減計(jì)算過(guò)程中，將巖土體粘聚力和內(nèi)摩擦角按如下公式進(jìn)行折減：

(1)

式中，c、φ分別為坡體材料的粘聚力和內(nèi)摩擦角；c′、φ′分別為強(qiáng)度折減后的粘聚力和內(nèi)摩擦角。

必須指出的是，針對(duì)上述兩個(gè)參數(shù)c和φ的折減比例至今并無(wú)定論，仍處于研究階段[4,5]，在此我們采用1∶1的折減方式(現(xiàn)階段通用的折減辦法)。

3.2.2 有限元強(qiáng)度折減法中滑坡穩(wěn)定性判斷依據(jù)

采用有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算分析滑坡穩(wěn)定性的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是如何根據(jù)計(jì)算結(jié)果來(lái)判斷滑坡是否處于破壞狀態(tài)，后勤工程學(xué)院的鄭穎人院士在這方面做了較多工作[6,7,8]，總結(jié)滑坡失穩(wěn)判斷準(zhǔn)則主要有以下3種：

1)采用力和位移作為滑坡失穩(wěn)的判斷依據(jù)，收斂時(shí)滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，不收斂時(shí)處于失穩(wěn)狀態(tài)。

2)采用等效塑性應(yīng)變或廣義塑性應(yīng)變的分布情況作為滑坡失穩(wěn)的判斷依據(jù)，當(dāng)應(yīng)變區(qū)域從坡腳到坡頂貫通時(shí)滑坡處于失穩(wěn)狀態(tài)。

3)根據(jù)滑坡坡體上的特征點(diǎn)位移與折減系數(shù)的關(guān)系曲線，將位移曲線出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度折減系數(shù)作為滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)。

考慮到準(zhǔn)則1)和3)在操作上較2)復(fù)雜，本文以準(zhǔn)則2)作為判斷滑坡失穩(wěn)的依據(jù)，以期對(duì)萬(wàn)元紙廠滑坡的穩(wěn)定性作出更為客觀的評(píng)價(jià)。

3.2.3 有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算滑坡穩(wěn)定性系數(shù)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程

滑坡有限元計(jì)算模型的建立。采用大型有限元軟件ANSYS對(duì)該滑坡進(jìn)行計(jì)算分析，有限元模型如圖4所示：

圖4 滑坡有限元分析模型

滑坡穩(wěn)定性計(jì)算分析。用有限元強(qiáng)度折減法分別對(duì)滑坡在自重和地震力作用下的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。其中，在進(jìn)行地震作用下的穩(wěn)定性分析時(shí)，采用SL386—2007《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦的擬靜力法沿滑坡的臨坡面方向施加一水平方向力，力的大小按式(2)進(jìn)行求解[9]。

Q=CiCzKhW

(2)

式中：Ci為重要性系數(shù)，此處取為1.0；Cz為綜合影響系數(shù)，取為0.25；Kh為地震峰值加速度，取為0.10g，W為滑塊重力。

研究該滑坡穩(wěn)定性問(wèn)題時(shí)，將巖土體設(shè)為理想彈塑性體，本構(gòu)模型選用等面積的D-P圓準(zhǔn)則[10]。其中，在重力場(chǎng)作用下采用等效塑性應(yīng)變的分布情況作為失穩(wěn)判斷依據(jù)求得該斷面滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.03，此時(shí)滑坡等效塑性應(yīng)變?cè)茍D如圖5所示。同理，在地震力作用下，根據(jù)滑坡等效塑性應(yīng)變?cè)茍D(如圖6)，可取滑坡在地震力作用下的穩(wěn)定性系數(shù)為0.82。根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定，確定該斷面滑坡的設(shè)計(jì)安全系數(shù)為1.15，即在采用各項(xiàng)工程措施之后，滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)應(yīng)綜合考慮不低于1.15，滑坡穩(wěn)定狀態(tài)分類見(jiàn)表3。可見(jiàn)在地震等因素誘發(fā)下，滑坡將發(fā)生滑動(dòng)，影響周圍人群的生命財(cái)產(chǎn)安全，因此必須對(duì)該段滑坡進(jìn)行治理。

圖5 自重作用下滑坡等效塑性應(yīng)變?cè)茍D

圖6 地震作用下滑坡等效塑性應(yīng)變?cè)茍D

穩(wěn)定系數(shù)Fs穩(wěn)定狀態(tài)穩(wěn)定系數(shù)Fs穩(wěn)定狀態(tài)<1.0不穩(wěn)定≥1.05～1.15基本穩(wěn)定≥1.00～1.05欠穩(wěn)定≥1.15穩(wěn)定

4 滑坡治理方案

在有限元模擬分析萬(wàn)元紙廠滑坡穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，提出截排水和支擋相結(jié)合的治理措施。

4.1 截排水措施

在滑坡后緣、側(cè)界和中部各設(shè)置一道矩形截水溝，斷面尺寸定為20cm×20cm；依據(jù)排水溝過(guò)流量計(jì)算公式(3)，計(jì)算過(guò)流量，并依此確定排水溝尺寸。設(shè)置方式為：在滑坡中部通長(zhǎng)修筑一道，斷面尺寸20cm×20cm。

(3)

截排水溝修筑完畢后，夯實(shí)滑坡后緣已出現(xiàn)的裂縫，修整滑坡坡面。

4.2 支擋措施

在滑坡前緣砌筑塊石擋墻，墻角呈楔形入土10m，墻高20m，上部寬度4m；滑坡前緣坡面采用錨桿格構(gòu)加固，各排錨桿長(zhǎng)度由上至下分別為18m、15m和12m，間距2m，格構(gòu)梁斷面尺寸30cm×20cm，采用混凝土現(xiàn)澆，布置如圖7所示：

圖7 滑坡治理的支擋結(jié)構(gòu)布置圖

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