滑坡支護方案選擇分析及優化設計

劉軍

深圳市勘察研究院有限公司

摘要：滑坡的形成原因是多因素造成的，其中雨水是誘發滑坡的主要外因。本文結合滑坡治理工程，對其支護方案對比選擇并進行優化設計。

關鍵詞：滑坡支護；方案；選擇；設計

1 工程概況

1.1地質條件

某邊坡由于連日降雨，己經產生滑動，滑坡后緣張裂縫清晰可見，寬度為10-40 cm，如圖1所示。

圖1 滑坡后緣張裂縫

滑體位于山體斜坡地中下部，平均厚度12.5m，滑動，面如圖2所示。滑坡所處地形坡度20°- 40°滑坡高度約為60.5 m。該滑坡地層總體走向為NW，傾向為NE50°-60°。滑坡主要為上部松散堆積體產生滑動，邊坡原有的擋土墻支護結構己不能滿足工程需要，而且在滑坡下方有廠房和居民區，所以該滑坡必須重新支護。

圖2滑坡剖面示意圖

根據鉆探和現場地質調查，滑坡體地層由耕植土、薪土夾碎塊石組成，下伏基巖為灰巖夾泥質灰巖，自上而下依次為：①耕植土，褐黃色，由薪土夾碎石組成，厚度一般為0.5 m，分布在自然坡面表層，植物根系發育，結構疏松；②土，黃色，土體結構較松散，含大量泥巖風化殘塊，土程性質一般；③強風化石灰巖，灰色，薄至中厚層狀夾泥巖，細品結構，整體性較差，巖體基本質量等級為111、W類；④中風化白云巖，灰白色，薄至中厚層狀，隱品健品結構，巖體基本質量等級為11、111類；⑤弱風化砂巖，灰黃色，薄至中厚層狀，中粒砂狀結構，巖芯成柱狀，強度較好。

滑坡區內地下水類型主要為碳酸巖巖溶水，賦存于石灰巖及白云巖的巖體溶蝕裂隙中，水量受地形、巖性等因素的控制，區內地下水總體上由北向南徑流，在地勢低注部位以泉的形式出露地表。通過鉆孔進行水位觀測，在鉆探深度范圍內未揭穿地下水，說明地下水位埋藏很深，在支護設計中可以不考慮地下水的影響，該邊坡安全等級為二級。

1.2滑坡的成因及支護方案

根據現場勘察，產生滑坡的原因主要有兩個：一是滑坡由耕植土、II土、強風化巖體組成，這部分巖土體強度低，穩定性差；二是滑坡產生前該地區連續降雨多日，加之耕植土透水性較好，大量降水經地表滲入滑體中且未能及時排出，巖土體容重及下滑力顯著增加，導致產生滑動。滑坡先由上部巖土體松動下滑，然后帶動下部巖土體滑動，該滑坡類型為推移式滑坡，按滑坡體物質組成和滑坡與地質構造的關系又可稱為覆蓋層滑坡。

根據該滑坡的工程地質條件，擬采用預應力錨索框架梁及抗滑樁來支護，這兩種支護形式施工技術都比較成熟，在邊坡支護工程中得到了廣泛的應用。采用3套支護方案：方案1采用預應力錨索框架梁支護；方案2采用抗滑樁與預應力錨索框架梁聯合支護；方案3采用雙排抗滑樁支護。

圖3為支護方案示意圖，方案1為預應力錨索框架梁結構，將邊坡分為二級結構，中間設置4m寬平臺，其中預應力錨索錨固段為6m，錨固于弱風化砂巖中，錨固噸位為30 t，錨索為4束直徑為15.24 mm的鋼絞線，間距取4m，框架梁采用0.5mx0.5m矩形截面，彈性模量取19 GPa。方案2為抗滑樁與預應力錨索框架梁聯合支護方案，其中抗滑樁嵌入弱風化砂巖中7m，抗滑樁直徑為1.2m，彈性模量取31 GPa，抗滑樁與最下排預應力錨索錨頭距離為19.7 m錨索參數與方案1中相同。方案3為雙排抗滑樁支護方案，抗滑樁相隔10.2 m，嵌巖深度仍為7m，抗滑樁直徑也仍為1.2m。

圖3支護方案示意圖

2 支護方案比較分析

邊坡設計常采用極限平衡法，但是該方法不能得到邊坡的變形、穩定性系數、塑性區分布情況等結果，無法綜合判斷支護方案的優劣，且對該滑坡而言，滑坡下方有廠房及民居，因此邊坡的穩定性及位移均應滿足設計要求。目前數值模擬手段在邊坡穩定性評價中得到了廣泛應用，為了對比分析上述3種支護方案的支護效果，采用數值分析軟件FLAC3D計算出邊坡的位移、應力分布、剪應變增量等指標，來綜合分析各方案的優劣。該滑坡原始地形數值模型網格見圖4，滑坡巖土體物理力學參數見表1。

圖4原始地形數值模型網格

表1 滑坡巖土體物理力學參數

圖5為未支護時的邊坡位移計算結果，最大水平位移為873.970 mm最大沉降為614.940 mm，說明邊坡位移較大，穩定性系數計算結果為1.012，邊坡為臨界狀態，急需支護。計算結果與實際情況較吻合，這也說明了巖土體物理力學參數的取值是合理的。

（a）垂直向位移云圖 （b）水平向位移云圖

圖5未支護時邊坡位移計算結果（單位：mm）

3種支護方案中，抗滑樁較容易施工，對環境的影響較小，但造價略高；預應力錨索框架梁施工時不易操作，且對環境影響大，需要坡面清理等工序，會破壞原有的綠化，但和抗滑樁相比，其工期略短，造價略低。因此方案1的特點是造價低，難施工，工期長，對環境影響大；方案3的特點是造價高，易施工，工期短，對環境影響小；方案2位于兩者之間。經過概算，方案1，2，3的造價分別為228萬元、235萬元和265萬元，從造價的角度來說方案1最佳，方案3最差。

圖6為3種支護方案水平位移計算結果，其中方案1最大水平位移為18.046 mm，發生較大位移部位主要位于滑體上部；方案2最大水平位移為23.242 mm，發生較大位移部位主要位于滑體的中上部；方案3最大水平位移為37.667 mm，發生較大位移部位主要位于滑體下部。從最大水平位移情況來看，方案1最小，方案3最大，說明采用預應力錨索框架梁支護結構要優于其他兩種形式，其中方案2比方案1最大水平位移增大了28.79%，方案3比方案1最大水平位移增大了108.73%。

（a）方案1

（b）方案2

（c）方案3

圖6支護方案水平位移計算結果（單位：mm）

為了更好地對比這3種方案的計算結果，將邊坡穩定性系數、最大沉降、最大剪應變增量也列入比較，結果見表2。

從表2可以看出，各項指標均顯示方案3支護效果最差。方案2與方案1相比，穩定性系數減小了3.80%最大沉降減小了1.13%最大剪應變增量增大了2.82%，可見方案1和方案2相差不大，因此這兩種支護方案均可采用。由于抗滑樁的結構穩定性要強于預應力錨索框架梁，即錨索隨著時間的推移會出現預應力損失和失效的現象，而且滑坡下方為一條公路和一家木材廠，更需注重支護結構的耐久性；而從造價來看，方案2只是略大于方案1，所以綜合比較宜采用方案2進行支護加固。

表2 支護方案計算結果

3 支護方案優化設計

根據比選結果，對方案2采用的聯合支護形式進行優化設計。優化設計主要考慮抗滑樁的位置，設計了4種方案，見圖3（d），其中方案b與方案2相同。方案a，c，d中抗滑樁與最下排預應力錨索錨頭距離分別30.9m，9.6m和1.0m。通過計算分析這4種方案以確定抗滑樁的最佳位置。

圖7為方案a，c，d水平位移計算結果，由圖6（b）和圖7可以看出，方案a，b，c，d最大水平位移分別為32.676 mm，23.242 mm，14.012 mm、11.991 mm。從最大水平位移來看，方案d最優，但是從最大水平位移發生部位來看，方案a，b，c均位于滑坡中上部，而方案d則位于滑坡的下部，這是由于滑體下部無任何支護結構所致。雖然方案d最大水平位移值最小，但是這種支護方案存在安全隱患，抗滑樁距錨索太近，滑體下部容易再次滑動。為了詳細比較這4種方案，對邊坡穩定性系數、最大沉降、最大剪應變增量計算結果（表3）做進一步的分析，從表3可以看出，方案c穩定性系數最大，且剪應變增量最小，雖然方案d的最大水平位移及沉降均最小，但其穩定性系數為1.353，比方案c要小12.03 %，綜合考慮，認為方案c為最佳方案，其穩定性系數比方案1還提高了4.41%。因此最終確定抗滑樁與最下排錨索錨頭距離在10m左右為最佳。

表3 優化方案計算結果

4 方案實施效果

經過方案的對比及優化，該滑坡選擇方案c進行了支護，圖8為邊坡支護完成后的水平位移的部分監測記錄，監測儀器為XB338型滑動式測斜儀，根據支護后邊坡的變形特征，將監測點的位置設于滑體中部即變形較大部位（參見圖7（b）方案c的計算結果）。la后邊坡最大水平位移為10.285 mm。

說明支護效果良好，優化設計是成功的。與數值模擬結果相比，目前監測結果略小于模擬結果，因為數值模擬結果為變形的最終結果，而監測結果為中間狀態，可以看出數值模擬結果與實測結果比較吻合。

（a）方案a

（b）方案b

（c）方案c

圖7優化方案水平位移計算結果（單位：mm）

圖8邊坡支護完成后位移

5 結論

a.通過比選，抗滑樁結合預應力錨索框架梁支護方案為最佳方案，能夠提供較大的安全系數，有效地控制滑坡位移。

b.抗滑樁與預應力錨索框架梁間距越近，滑坡的最大水平位移越小，但從邊坡的穩定性系數來看，存在一個最佳間距，大于或小于最佳間距穩定性系數均呈減小趨勢，該滑坡最佳間距為10m左右。

c.在比選支護結構時，不能單純地分析滑坡的位移，位移小并不代表支護效果佳，應當綜合分析滑坡的穩定性系數、剪應變增量等因素。