公路邊坡及坡頂電塔應急搶險工程監測方案研究

孟繁賀,胡衛軍,韋超俊

(廣西交通設計集團有限公司,廣西 南寧 530029)

0 引言

提前感知與防范,是防治公路地質災害的最有效手段。邊坡的失穩破壞,往往需要經歷蠕變、勻速運動、加速運動至破壞的發展過程[1-3],在這個過程中,位移變形是其最明顯的特征,只要獲取公路邊坡的位移變形信息,就可以采取有效措施避免邊坡失穩的發生。監測是提前感知與防范的有效手段之一,也是評價邊坡施工及服役階段安全性、穩定性的重要途徑,其可為相關工程的預測預報、治理方案的確定、實施及治理效果的評價提供可靠的資料和科學依據[4-5]。而對于邊坡治理,滑動面深度只能通過深部位移測出,只有已知滑動面深度后,方能準確地計算滑坡推力,針對性地采取卸載、抗滑樁等措施,因此合理的監測方案對于邊坡災害處治具有重要意義[6-7]。

1 工程概況

1.1 工程背景

某高速公路主線推薦線長56.578 km,支線推薦線長5.758 km。項目主線采用六車道高速公路,設計速度為100 km/h,路基寬33.5 m;其中某路段邊坡場地屬丘陵地貌,地形起伏較大,自然斜坡坡度約為15°～40°。根據工點勘察及地質調繪揭示,邊坡表層覆蓋第四系坡殘積粉質黏土,粉質黏土為硬塑狀,厚度約為1.0～4.6 m;下伏基巖主要由三疊系中統百逢組(T2b)地層組成,巖性為泥巖和泥質粉砂巖,其中泥巖為全風化狀態,呈堅硬土狀,厚度一般為1.0～3.5 m,局部達13.0 m;泥質粉砂巖呈薄-中厚層構造,強-中風化為主,其中強風化層巖質較軟,巖體破碎,厚度約為5.2～26.0 m,其下中風化層巖體相對較完整,埋藏深。邊坡巖層產狀為332°/SW∠51°。

1.2 災害情況

該路段由原先隧道改為明挖放坡擴建方案,在施工過程中,監測工作同步開展,深部位移測斜孔CX2-1在18 m深度出現明顯拐點,半月后的連續兩天,坡頂電塔基座靜力水準測點差異沉降分別為1.91 mm和0.29 mm,電塔呈現向路基主線方向的傾斜,并發出第一次橙色警戒預警,邊坡預警風險等級調整為橙色警戒級。20 d后,由地表與深部位移測點監測數據可知邊坡進入中加速變形狀態,再次觸發橙色警戒。施工單位在接到橙色預警后,采取了在邊坡第三級平臺設置3排鋼管樁以及第六級平臺設置3排錨筋樁的補強加固措施,監測點布置如圖1所示。

圖1 監測點平面布置圖

兩個月后,邊坡主監測斷面3個深部位移測斜孔2-CX1、2-CX2、2-CX3變形速率分別增大至12.84 mm/d、14.80 mm/d、19.60 mm/d,邊坡進入高速變形階段,深部累積位移-時間曲線切線角達到83°,觸發紅色臨滑警報。而后邊坡變形持續發展,在小里程端一二級坡面發生局部垮塌。

險情發生后,現場對邊坡進行坡腳反壓工作,反壓設計高度為37 m至第三級平臺。另在坡頂設置3排錨筋樁進行加固,并配合混凝土錨碇+鋼絲繩張緊以限制樁頂及電塔變形。邊坡局部塌方第一階段搶險工作結束后,各地表監測點水平位移速率和深層水平位移測點速率發展趨勢總體呈現下降收斂趨勢,坡體錨索軸力維持在工作允許范圍內。

2 監測內容及成果分析

2.1 監測內容

針對工程的實際情況,制定監測任務如下:

(1)對邊坡進行地表位移與深部位移監測,獲取邊坡地表與深部的變形速度、變形范圍與滑動面深度。

(2)對邊坡進行錨索應力監測,掌握錨索的長期工作性能狀態和預應力損失情況。

(3)對邊坡區域進行降雨量、溫度濕度、風向等氣象環境因素監測,在降雨集中時間段加強監測,當邊坡出現位移時,分析坡體位移與降雨量的影響關系。

(4)對坡頂高壓電塔基礎沉降和水平位移進行監測,對塔身傾斜量和總傾斜率進行監測,掌握電塔基礎的不均勻沉降量、水平位移以及塔基塔身傾斜情況,保障電塔的安全穩定。

針對工程的進度情況與監測目的,監測工作分為兩階段,第一監測階段采用全自動化方式進行監測,監測內容與方法如表1所示。

表1 第一階段監測內容與方法一覽表

第二監測階段在第一監測階段基礎上新增內容為:

(1)增設邊坡第四級平臺主斷面深部位移測點。

(2)加密坡面地表位移監測點。

(3)在坡頂塔腳錨筋樁埋設鋼筋計進行錨筋樁受力監測。

(4)坡頂增設氣象站對邊坡現場降雨、溫度濕度、風力風向等環境變化進行監測。

新增地表位移監測點采用全站儀人工監測方式,新增深部位移測點、錨筋樁受力及氣象站為自動化監測方式。監測內容與方法如表2所示。

表2 第二階段監測內容與方法一覽表

2.2 成果分析

將各測斜孔峰值面累積位移-時間曲線與位移速率-時間曲線進行整合,并結合現場工況與滑坡變形狀態,繪制出邊坡深部位移變形階段分析圖(如下頁圖2所示)。

(a)峰值累積位移-時間曲線

2.2.1 邊坡塌方前施工期

該階段為邊坡塌方搶險前10 d內,各孔累積位移和速率曲線總體上隨時間呈一定斜率發展。2021-06-14,各孔變形速率增大至12.84～19.60 mm/d,邊坡處于高速變形狀態,發出第一次紅色臨滑警報。該階段峰值深度的平均位移速率為5.08～6.20 mm/d,階段累積位移量為45.72～55.81 mm,變形發展至2021-06-18達到最大速率19.90～30.26 mm/d,該日峰值位移量占階段累積位移量的37%～54%,邊坡深部位移處于臨滑加速階段。在該加速階段通過對比3個測斜孔監測數據,結合各孔所處位置可知,邊坡深部位移速率與累積位移量呈現出從靠坡底向坡頂遞減的趨勢,初步符合牽引式滑坡“前大后小”的變形特征。

2.2.2 邊坡塌方影響期

該階段為2021-06-19邊坡小里程端一二級坡面出現局部垮塌當日至搶險施工開始前。該3 d內峰值深度的平均位移速率為18.27～60.13 mm/d,階段累積位移量為164.46～541.20 mm。由位移速率曲線和統計表可知,2021-06-19邊坡垮塌當天達到最大位移速率,為102.24～440.03 mm/d,該日位移量占本階段累積位移量的62.2%～81.3%。圖2中各孔累積位移曲線斜率陡增,數據點對應切線角>80°,邊坡處于滑動破壞階段。該階段各測斜孔的位移速率與階段累積位移將上一時段的“前大后小”規律進一步放大,從2-CX3至坡頂2-CX1的位移速率、階段累積位移比值約為3.3∶1.6∶1,從2-CX3、2-CX2至2-CX1呈現明顯階梯形,更有力地印證了本滑坡屬于牽引式滑坡。

2.2.3 邊坡搶險施工期

該階段各測斜孔峰值深度的平均位移速率為4.84～15.00 mm/d,為上一階段滑動破壞期間的0.25～0.28倍;最大速率為21.06～30.03 mm/d,降至滑動破壞期的0.07～0.21倍;10 d內階段累積位移量為48.41～149.98 mm,降至上一時段3 d滑動破壞期累積位移量的0.28～0.31倍。以上數據表明,該時段邊坡深部位移速率及位移量均較上一時段顯著降低,2021-06-21開始搶險施工后累積位移-時間曲線由上一時段的近似垂直發展迅速轉緩至小角度發展,位移速率-時間曲線由上一階段峰值點驟降至邊坡塌方前水平并隨時間持續減小。表明坡底反壓+坡頂電塔下錨筋樁施工的搶險施工措施對邊坡深部位移產生顯著治理效果,錨筋樁結構隨完成度逐步遏止了滑動破壞趨勢,反壓體隨反壓高度增大對滑坡體在剪出口的擠出破壞起到良好的抵御效果。

2.2.4 處治效果觀察期

2021-07-02坡底回填反壓至37 m高度第三級平臺位置,2021-08-13坡頂高壓電塔成功拆遷完成,高風險隱患消除,此次邊坡應急搶險工程圓滿結束。該階段內各孔峰值深度的平均位移速率為0.49～2.86 mm/d,為上一階段施工期的0.10～0.33倍;最大速率為6.33～11.65 mm/d,為上一階段的0.29～0.55倍。邊坡處治施工完成后深部位移速率進一步減小,維持低速變形狀態,在約40 d的時段內累積位移為20.11～117.07 mm。該階段累積位移曲線、位移速率曲線整體保持近似水平發展,7月底由于降雨影響邊坡深部位移出現輕微反應,曲線略微抬升。結合降雨量監測數據,在7月底出現較大降雨之前,現場已超半個月降雨總量未達到5 mm,邊坡滑塌后坡面殘留大量松散堆積體,大量降水入滲使不穩定土層發生較小位移。且坡底反壓+坡頂電塔下錨筋樁為應急搶險處治措施,并非永久治理設計,本階段邊坡深部位移雖降至低速變形狀態,但未完全收斂歸零,邊坡尚未達到穩定狀態。

對于電塔基礎靜力水準沉降監測,在坡頂高壓電塔四個塔腳分別布置靜力水準沉降監測點,共包含1個基準點、4個沉降監測點,測得電塔基礎累積沉降量-時間曲線如圖3所示。

圖3 電塔基礎累積沉降量-時間曲線圖

由圖3監測成果可知,在邊坡垮塌前電塔基礎各測點平均沉降速率較低,均<1 mm/d。在邊坡垮塌期間,電塔基礎出現明顯下沉,各測點平均沉降速率為-3.59～-12.88 mm/d,為邊坡垮塌前的9.74～19.94倍,表明電塔基礎沉降受邊坡位移影響明顯。自搶險施工后,電塔基礎沉降大幅減弱,各測點沉降速率<-0.30 mm/d,沉降曲線減緩至近似水平發展,表明邊坡應急搶險施工有效阻止了電塔的快速沉降,為之后電塔拆遷工作贏得了寶貴的安全準備時間。4個沉降測點中JL-03(D腿)的沉降量最小,JL-02(B腿)沉降量最大,即4個測點之間JL-02(B腿)與JL-03(D腿)的沉降差最大,結合測點分布位置,表明電塔主要朝路基方向傾斜。

3 結語

(1)在邊坡垮塌前至應急搶險施工過程中,通過監測及數據分析,邊坡地表、深部位移速率和累積位移量均呈明顯的“前大后小”的規律,符合牽引式變形特征,因此該滑坡屬牽引式滑坡。

(2)隨著搶險施工的推進完成,邊坡地表與深層位移速率均顯著降低至低速變形狀態,錨筋樁支擋結構逐漸發揮出對邊坡地表和深部位移的控制調節作用,采用坡底反壓+坡頂錨筋樁的搶險應急方案有效可行。

(3)邊坡監測至應急搶險期結束,邊坡地表與深層位移均處于低速變形狀態,錨索應力與錨筋樁受力平穩波動,處于正常工作范圍,邊坡整體受力較穩定。