巫山縣繞城公路肖家灣滑坡穩定性分析及處治

2019-04-16 01:07:10符紅

中外公路 2019年3期

符紅

(重慶交通大學土木工程學院，重慶市 400074)

1 滑坡概況及環境

1.1 滑坡概況

2016年6月27日，重慶市巫山縣肖家灣滑坡的變形，導致滑坡后部的房屋發生變形，前部抗滑樁平臺出現裂縫，抗滑樁板墻變形劇烈。這不僅影響S103改線繞城路二期三標段K2+680～K2+740段工程的建設進度，而且直接威脅當地村民的生命財產安全。

肖家灣滑坡位于巫山縣巫峽鎮白泉村二社，平面上呈“貝殼”狀，縱長114～181 m，橫寬110～225 m，面積2.5×104m2，滑體平均厚度約15 m，滑坡體積約37.5×104m3，主滑方向約NE51°，滑坡類型為中型土質滑坡。

1.2 滑坡地質環境

據巫山氣象站資料顯示，巫山縣氣候溫和，日照充足，無霜期長，雨量充沛，四季分明，屬亞熱帶暖溫季風濕潤氣候區，多年平均氣溫16.2 ℃，歷年平均降水量達1 049.3 mm。該滑坡區地貌形態屬構造剝蝕丘陵斜坡地貌，地形總體呈南北向長條狀嶺脊展布。斜坡最高點位于南西側平緩地帶，高程約465 m，最低點為北東側溝谷底部，高程約300 m，相對高差165 m。斜坡整體坡度約35°，斜坡中部為S103改線繞城路二期三標段K2+680～K2+740段工程，公路內側為高切坡，坡高約25 m，坡度達到70°。

根據鉆孔探測資料顯示，滑坡區地層巖性主要為第四系全新人工堆積層、殘坡積層、滑坡堆積層、基巖為三疊系中統巴東組二段泥灰巖。滑坡區在地質構造上，位于巫山向斜北西翼，巖層產狀為SE163°∠35°。巖體破碎，出露泥灰巖巖體中裂隙發育。滑坡區地下水為松散堆積層孔隙水和網狀基巖裂隙水，接受大氣降水補給，沿各類孔隙入滲徑流，增加滑體重度，降低抗剪強度。滑體厚度較大，碎石土間充填粉質黏土，故暴雨工況下滑體按1/2飽水考慮。

1.3 滑坡變形特征

滑坡后緣至鄉村公路外側變形處，發育有多條橫向裂縫，裂縫平行于道路呈線性分布；兩側以微地貌沖溝為界；前緣至斜坡中部開挖切割斜坡形成的邊坡處，分布高程382～400 m，邊坡高度5～25 m，形成臨空面。在1980年，該滑坡初見變形。滑坡中部養殖場及后緣陡坡出現裂縫，松散巖土體受暴雨影響發生溜滑，養殖場內多處堡坎下錯拉裂。2016年6月27日，滑坡后緣發現拉張及下錯裂縫，局部見土體溜滑現象；滑坡左前緣邊坡處發育裂縫，滑坡右側邊界可見滑面及擦痕，滑面傾角約30°，前緣沿表層松散層孔隙水裂縫溢出，排泄于地表。

2016年6月28—30日遭受強降雨影響，滑坡中部設立的樁板墻由于樁前開挖發生外傾，樁板墻錯位，樁與板之間拉裂，裂縫長3～8 m，寬度1～2 cm，下部樁板墻有鼓脹現象，樁局部錯斷，樁失效。滑坡前緣因工程開挖切割坡體，在廢棄的養殖場及斜坡中后部發育有多條裂縫，表層土體溜滑堆積于坡腳。

2 滑坡穩定性分析

2.1 計算模型及方法

肖家灣滑坡，屬中層土質滑坡，滑面為折線形，防治工程等級為Ⅱ級，不涉及水位變化，根據重慶市地方標準，暴雨工況下滑體按1/2飽水考慮。滑坡治理前總體平面布置圖如圖1所示。

圖1 肖家灣滑坡治理前總體平面布置圖

肖家灣滑坡主要采用傳遞系數法對1-1′、2-2′、3-3′剖面在天然工況Ⅰ和暴雨工況Ⅱ(工況Ⅰ：自重+地面荷載，穩定性安全系數1.2；工況Ⅱ：自重+地面荷載+暴雨，穩定性安全系數1.15。)下進行穩定性計算，計算時取滑坡的單位寬度為1.0 m，簡化為二維問題進行計算。

如圖2所示，在滑體中取第i塊土條，假定第i-1塊土條傳來的推力Pi-1的方向平行于第i-1塊的底滑面，而第i塊土條傳送給第i+1塊土條的推力Pi平行于第i塊土條的底滑面，即假定每一分界上推力的方向平行于上一土條的底滑面，第i塊土條承受的各種作用力如圖2所示。

(1)求滑坡穩定性系數

(1)

抗滑力：

Ri=Nitanφi+cili

圖2 不平衡推力法

法向分力：

Ni=Wicosαi

滑動力：

Ti=Wisinαi

式中：FS為滑坡穩定系數；Ri為第i塊段的重力抗滑力(kN/m)；Ni為第i塊段滑面上的法向分力(kN/m)；Ti為第i條塊段的重力滑動分力(kN/m)；ci為第i塊段潛在滑帶的黏聚力(kPa)；li為第i塊段潛在滑帶的滑面長度(m)；Wi為第i塊段的重力(kN/m)；αi為第i塊段滑動面與水平面間的傾角(°)；φi為第i塊段潛在滑帶的內摩擦角(°)；

不平衡推力系數：

ψj=cos(αi-αi+1)-sin(αi-αi+1)tanφi+1

(2)

式中：ψj為不平衡推力系數；αi為第i塊段滑動面與水平面間的傾角(°)；αi+1為第i+1塊段滑動面與水平面間的傾角(°)；φi+1為第i+1塊段潛在滑帶的內摩擦角(°)。

由式(1)和式(2)可得圖2中邊坡的穩定性系數和各條塊的不平衡推力系數。

(3)

(4)

(2)求滑坡推力

滑坡推力的計算公式為：

Pi=Pi-1ψi-1+FsTi-Ri

(5)

(6)

將式(3)、(4)代入式(6)即可解得作用在各條塊邊界上的滑坡推力。如果最后一塊滑坡推力值為負值，說明該邊坡是穩定的。

2.2 參數取值

按滑動面呈折線形的特點，選用“分段推力傳遞法”進行穩定性驗算。根據肖家灣滑坡的地貌特征及滑體的結構特征，選擇能代表主滑方向的剖面為計算剖面，且不考慮側向摩擦阻力。此次計算重度參數采取試驗值(表1)。

2.3 計算結果分析

根據DZ/T 0218-2006《滑坡防治工程勘查規范》，滑坡穩定性狀態根據穩定系數分為4級，按表2確定。

表1 滑體(帶)土體參數試驗取值

表2 穩定狀態分級

注：FSt為邊坡穩定安全系數。

采用理正軟件對肖家灣滑坡1-1′、2-2′、3-3′剖面在天然工況Ⅰ和暴雨工況Ⅱ下進行穩定性計算，并對2-2′剖面恢復開挖前滑坡區進行穩定性驗算。計算結果見表3、4。

表3 3條剖面穩定性計算結果

表4 開挖滑坡前緣前2-2′穩定性驗算結果

經分析，上述穩定性計算結果與現場調查的結果相吻合。總體上，該滑坡在工況Ⅰ下，滑坡穩定系數為1.106～1.258，處于基本穩定～穩定狀態；在工況Ⅱ下，穩定系數為1.006～1.097，處于欠穩定～基本穩定狀態。開挖前滑坡在工況Ⅰ下，穩定系數為1.159，處于基本穩定狀態；在工況Ⅱ下，穩定系數為1.055，處于基本穩定狀態。故該滑坡在自然條件下處于基本穩定狀態，但在強降雨、地下水位上升等不利組合作用下，處于不穩定狀態，故應對其進行綜合治理。

3 滑坡處治方案比選

針對滑坡穩定性分析結果，提出兩種治理方案。

3.1 方案1：增設錨拉樁板式擋土墻+骨架護坡+錨索

對滑坡中上部繞城公路K2+650～K2+810段左側增設錨拉樁板式擋土墻，對現狀傾斜樁板墻端部設置錨索進行糾偏，采用碎石土換填或加筋土對墻后滑土體進行改良，以增加土體強度。加筋格柵長度應穿過第2滑面6 m且滿足邊坡穩定性要求，對墻頂上放緩坡后方格骨架植草護坡防護；對K3+140～K3+320段下邊坡坡腳增設4 m高仰斜式路塹擋土墻，墻頂按1∶1.5放緩坡后采用方格骨架植草防護。

對1-1′剖面，由于道路放坡從頂部碎石路邊緣按1∶0.5放坡開挖至429.07 m高程，坡面采用錨索格梁進行支護，標高429.07 m以下沿滑動面按臺階開挖至416.29 m高程，道路之間填方路堤采用加筋土防護。道路外側采用錨索樁板墻進行支擋，樁截面2 m×3 m，樁長34 m，樁間距6 m，樁身設置2排錨索，第1、2排錨索長分別為40、37 m，錨固段長均為10 m，錨索采用8束φ21.6 mm鋼絞線制作。滑坡前緣S103道路內側邊坡采用4 m高仰斜式路塹擋土墻，墻頂按1∶1.5放緩坡后采用方格骨架植草防護。

對2-2′剖面，繞城公路路基內側采用8 m一級，1∶1.5放緩邊坡，坡面采用錨桿格梁進行支護。對道路內側既有樁板墻加錨索扶正處理，共設置3排錨索，第1～3排錨索長分別為47、44、41 m，錨固段長均為10 m，錨索采用8束φ15.2 mm鋼絞線制作。樁板墻上部填方路堤采用加筋土防護。道路外側采用錨索樁板墻進行支擋，樁截面3 m×4 m，樁長34 m，樁間距6 m，樁身設置3排錨索，第1～3排錨索長分別為41、37、32 m，錨固段長均為10 m，錨索采用10束φ21.6 mm鋼絞線制作。滑坡前緣繞城公路內側邊坡采用4 m高仰斜式路塹擋土墻，墻頂按1∶1.5放緩坡后采用方格骨架植草防護。

對3-3′剖面，繞城公路路基內側采用8 m一級，1∶1.5放緩邊坡，坡面采用錨桿格梁進行支護，對道路內側既有樁板墻加錨索扶正處理，共設置3排錨索，第1～3排錨索長分別為55、51、47 m，錨固段長均為10 m，錨索采用8束φ15.2 mm鋼絞線制作。道路外側采用錨索樁板墻進行支擋，樁截面2 m×3 m，樁長34 m，樁間距6 m，樁身設置2排錨索，第1、2排錨索長分別為47、42 m，錨固段長均為10 m，錨索采用8束φ21.6 mm鋼絞線制作。滑坡前緣繞城公路內側邊坡采用4 m高仰斜式路塹擋土墻，墻頂按1∶1.5放緩坡后采用方格骨架植草防護。

3.2 方案2：抗滑樁+骨架護坡+抗滑擋土墻+截排水

采用方案2對滑坡治理后，滑坡前緣剪出口增設樁板或擋土墻設計圖見圖3，滑坡后緣削方減載后綠化防護設計見圖4，滑坡中后部抗滑樁+格柵反包土工袋式加筋土擋土墻綜合治理設計圖見圖5。

圖3 滑坡前緣剪出口增設樁板式擋土墻設計圖(單位：m)

圖4 滑坡后緣削方減載后綠化防護設計圖

方案2與方案1不同之處在于方案2是對已實施樁板墻糾偏加固的滑坡進行綜合治理。方案2具體治理措施如下：

(1)沿著繞城公路K2+655～K2+805段右側增設2 m×3 m抗滑樁，已實施1.5 m×2 m樁板墻的這段抗滑樁間距5 m，此區間外滑坡范圍內增設抗滑樁間距6 m，樁頂距離對應繞城公路路基設計標高4 m，在已實施樁板墻段新增抗滑樁樁頂實施系梁對已建樁板墻進行支擋加固，起到同時對滑坡治理和樁板墻加固的效果。

圖5 滑坡中后部抗滑樁+格柵反包土工袋式加筋土擋土墻綜合治理設計圖(單位：m)

(2)對于K2+655～K2+805西側上方繞城公路，由于地形較陡，為保證上邊坡路堤的穩定性，采用沿滑面2挖臺階后反包式加筋土擋墻支擋，開挖土方運至取土場，考慮運距5 km。

(3)對原樁板擋土墻墻后滑體土采用加筋土進行換填改良，對墻頂上部邊坡放緩后采用方格骨架植草進行防護，以減小作用于樁板墻上的土壓力。

(4)對K3+140～K3+320段下邊坡坡腳增設5 m高抗滑擋土墻，墻頂按1∶1.5放緩坡后采用方格骨架植草防護。

3.3 兩種方案對比

兩種方案優缺點對比如表5所示。

表5 方案優缺點對比

兩套治理方案均可解決滑坡造成的危害，且施工工藝、施工難度相差不大，但從經濟效益上看，方案2更經濟，故推薦方案2為治理方案。

目前滑坡后緣已對斜坡及樁板墻進行卸荷反壓，表層巖土體溜滑，滑坡中部及中后部土體溜滑，滑坡前緣開挖切割坡體，局部出現溜滑及加劇裂縫變形，整體上肖家灣滑坡現狀處于基本穩定狀態。

3.4 滑面1和滑面2的穩定性驗算

采用條分法對方案2的典型斷面2-2′剖面進行計算，計算內容包括上邊坡沿折線滑面2的穩定性驗算、上邊坡沿折線滑面1的穩定性驗算、下邊坡沿折線滑面2滑動穩定性驗算，巖土體參數見表6。

3.4.1 上邊坡沿折線滑面2穩定性驗算

(1)滑面2計算簡圖如圖6所示。

(2)計算公式見式(7)。

公式(7)中：Ei為第i個條塊滑體的剩余下滑力(kN/m)，方向指向下滑方向并平行于第i個條塊滑面，Ei≤0，在給定的安全系數下，不會發生滑動，Ei>0，在給定的安全系數下，會發生滑動；Wi為第i個條塊滑體的重量(kN/m)；Px為第i個條塊滑體上作用的水平外荷載總值(kN/m)，正、負號確定：方向向左為正，反之為負；Py為第i個條塊滑體上作用的豎直外荷載總值(kN/m)，正、負號確定：方向向下為正，反之為負；Di為第i個條塊滑體中動力水頭產生的下滑力(kN/m)，作用方向為滑體滑動方向；Si為第i個條塊滑體中動力水頭在滑床上產生的浮托力(kN/m)；Fvi為第i個條塊豎向地震力(kN)；Pd為第i個條塊中錨固力抗拔力(kN)和材料抗拉力(kN)中的較小值；λ為法向力發揮系數；θji為水平面與錨桿i的夾角(°)，順時針為正；Esi為作用在第i個條塊滑體的地震力(kN/m)，作用方向為滑體滑動方向；Ei-1為第i-1個條塊滑體的剩余下滑力(kN/m)，平行于第i-1個條塊滑面，Ei-1<0時，取Ei-1=0；αi、αi-1分別為第i、i-1個條塊滑面的傾角(°)；Fi為第i個條塊滑體的滑面抗滑力(kN)；ci為第i個條塊所在滑面上的單位黏聚力(kPa)；li為第i個條塊所在滑面的長度(m)；K為抗滑計算時，考慮所需要的安全系數。

表6 巖土體的參數值

圖6 滑面2的計算簡圖(上邊坡)

(7)

(3)計算結果。

滑面2剩余下滑力曲線圖如圖7所示。

圖7 滑面2的剩余下滑力曲線圖

上邊坡沿滑面2的計算結果見表7。

表7 上邊坡沿滑面2的計算結果

3.4.2 上邊坡沿折線滑面1穩定性驗算

(1)計算簡圖如圖8所示。

圖8 滑面1的計算簡圖(上邊坡)

(2)計算公式采用式(7)。

(3)計算結果。

滑面1剩余下滑力曲線圖如圖9所示。

上邊坡沿滑面1的計算結果見表8。

3.4.3 下邊坡沿滑面2滑動穩定性驗算

(1)滑面2計算簡圖如圖10所示。

(2)計算公式。

根據JTG D30-2004《公路路基設計規范》第3.6.7條規定：

圖9 滑面1的剩余下滑力曲線圖

表8 上邊坡沿滑面1的計算結果

圖10 滑面2的計算簡圖(下邊坡)

(8)

(9)

式中：WQi為第i土條的重力(kN)與外加豎向荷載之和，自重力的計算，在地下水位以上取天然重度，在地下水位以下取飽和重度；αi-1、αi為第i土條底滑面的傾角，從水平面開始，順時針為負，逆時針為正；Ei-1為第i-1土條傳遞給第i土條的下滑力；ci、φi為第i土條底的黏聚力(kPa)和內摩擦角(°)；li為第i土條底滑面的長度(m)。

采用式(8)、(9)對各土條逐條計算，直到第n土條的剩余推力為零，由此確定穩定安全系數Fs。

(3)計算結果。

下邊坡沿滑面2的計算結果見表9。