某山區(qū)公路滑坡分析及治理策略分析

汪軍輝,丁 晨,陳進(jìn)舉

( 1.杭州市規(guī)劃和自然資源局 臨安分局，浙江 杭州 311300；2.核工業(yè)西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 杭州分院，浙江 杭州 310013;3.成都理工大學(xué)，四川 成都 610059)

高速公路作為現(xiàn)代化公路運(yùn)輸通道，對(duì)地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有著重要作用。我國(guó)地域遼闊，廣泛分布著山地、丘陵地帶，特殊的地形地貌極易發(fā)生滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)公路的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)造成嚴(yán)重的影響[1-3]。因此開展對(duì)山區(qū)公路的滑坡分析，并提出有效的防治策略顯得尤為重要。國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者從不同的學(xué)科角度針對(duì)山區(qū)公路滑坡進(jìn)行了多維度的研究，其中基于土力學(xué)和地質(zhì)學(xué)角度的公路滑坡穩(wěn)定性成為研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)[4-6]。目前比較成熟的方法分為兩類：一種是從靜力學(xué)角度出發(fā)，以滑坡應(yīng)力狀態(tài)、形成條件、滑帶土特性作為變量進(jìn)行山區(qū)公路的現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)和防治工作[7-8]，但該方式未考慮到滑帶土粘聚力、內(nèi)摩擦角以及工程活動(dòng)的影響，導(dǎo)致取值存在較大不確定性[9]；另一種是綜合運(yùn)用數(shù)值模擬、極限平衡法實(shí)現(xiàn)對(duì)滑坡的定量分析[10-11]。比較成熟的有限元分析法、邊界單元法、不連續(xù)變形分析方法等，實(shí)現(xiàn)了對(duì)滑坡幾何不規(guī)則和物質(zhì)組成不均勻的精度分析，但該類方法嚴(yán)格來講還未實(shí)現(xiàn)完全定量分析[12-14]。

本文在相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，以某一工程實(shí)例為對(duì)象，在對(duì)山區(qū)高速公路地質(zhì)狀況、結(jié)構(gòu)參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)采集的基礎(chǔ)上，結(jié)合傳遞系數(shù)法和FLAC 3D數(shù)值模擬進(jìn)行隧道滑坡的穩(wěn)定性分析，通過建立山區(qū)高速的滑坡有限元模型，計(jì)算滑坡穩(wěn)定系數(shù)來確定公路穩(wěn)定狀態(tài)，并提出合理的滑坡治理策略。

1 滑坡工程地質(zhì)概況

1.1 工程背景

平鎮(zhèn)高速起于陜西平利縣東側(cè)沖河口，終點(diǎn)位于陜渝交界的雞心嶺隧道，由主線和廣佛立交連接線組成，途徑平利縣、廣佛鎮(zhèn)、曾家鎮(zhèn)、鐘寶鎮(zhèn)等，全長(zhǎng)85.29 km，是陜西省高速公路網(wǎng)絡(luò)的主要組成部分。

高速公路設(shè)計(jì)帶位于長(zhǎng)江漢江流域，主要流經(jīng)水系為漢江的支流。公路處于典型疾風(fēng)氣候區(qū)域，冬季平均氣溫5 ℃，降水量18 mm，夏季平均氣溫28 ℃，平均降水量200 mm。研究區(qū)位于安康秦嶺大巴山北麓，海拔在400～3 000 m之間，境內(nèi)以中、低山為主，整體呈現(xiàn)出南高北低地勢(shì)特點(diǎn)。受地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造控制，嶺脊多北西走向。線路設(shè)計(jì)帶出露地層以元古界、古生界變質(zhì)地層為主，在各級(jí)水系兩側(cè)山體滑坡分布著部分新生界地層。公路設(shè)計(jì)段附近主要為輝綠巖、輝長(zhǎng)巖，存在少量侵入巖。由于地形地貌、巖性的差異，地下水分布不均，在河谷地帶及構(gòu)造裂隙發(fā)育段，存在較為豐富的地下水，在裂隙較少層狀基巖區(qū)，地下水貧乏。

1.2 滑坡基本特征

根據(jù)資料記載，結(jié)合工程現(xiàn)狀，在K10+400～K10+900西側(cè)存在一個(gè)典型的古滑坡?；聨挥谇锖?xùn)|側(cè)，屬中低山地貌，兩側(cè)巖石聳立，中間低洼，構(gòu)成“U”型溝槽狀地貌?；抡w呈現(xiàn)一扇形，前緣高程為555～560 m，寬280 m，高程差約87～90 m，主緣長(zhǎng)320 m。后緣高程為642～650 m，整體坡度約20°，存在局部滑體薄弱，巖石出露現(xiàn)象，如圖1所示為滑坡斷面幾何結(jié)構(gòu)圖。

圖1 滑坡斷面幾何結(jié)構(gòu)圖

表1 斷面條分參數(shù)表Table 1 Parameters for broken noodles上斷面條塊編號(hào)滑面傾角/(°)滑面長(zhǎng)度/m下斷面條塊編號(hào)滑面傾角/(°)滑面長(zhǎng)度/m147.28.8131.28.6228.611.7230.922.5316.824.8326.52.648.67.6426.55.258.617.4526.523.268.617.4624.29.878.812.5716.22.5810.85.8816.220.4910.89.5916.28.21015.86.61111.412.21211.410.8

根據(jù)滑坡剖面主滑動(dòng)面形狀特征，判定滑坡主要為第四系地層沿下伏基巖的界面滑動(dòng)。滑坡體主要以粉質(zhì)粘土、碎石土物質(zhì)為主。粉質(zhì)粘土披覆在滑坡表層，厚度約1～3 m，滑坡內(nèi)分布廣泛的碎石土層，結(jié)構(gòu)致密，充填粉質(zhì)粘土。滑體最大厚度4～6 m，體積約2.6×105m3?；瑤б渣S褐色粉質(zhì)粘土為主，夾雜褐色碎石土，軟塑-可塑狀?；膊糠譃橹性沤玎y西群石英片巖，強(qiáng)-中風(fēng)化灰色，結(jié)晶粒度較純，可見云母、綠泥石等礦物。

2 滑坡穩(wěn)定性計(jì)算

2.1 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

傳遞系數(shù)法主要用于工民建、交通部門的滑坡穩(wěn)定性計(jì)算中，適用于任意形狀的滑裂面[15]。根據(jù)力的平衡條件，假設(shè)條間力與上一塊地面平行，逐條計(jì)算直到最后條塊推力為零。本文中研究的典型滑坡為折線圖，取單位寬度的主滑方向斷面進(jìn)行分條處理，在不考慮塊體間內(nèi)部應(yīng)力和變形條件下，假設(shè)條塊為剛體，建立塊體間穩(wěn)定系數(shù)公式為：

(1)

式中：Fs為安全系數(shù)；wi為第i塊滑體重力，kN/m；Ri為第i塊段的抗滑力，kN/m；Ti為滑動(dòng)分力，kN/m；Fi為第i塊段地震作用力，kN/m；ψi為摩擦角函數(shù)。

若計(jì)算某條塊滑坡推力為負(fù)值，則表明條塊穩(wěn)定，計(jì)算滑坡推力為：

Ei=kwisinαi+ψiEi-1wicosαi-ciLi

(2)

式中：Ei、Ei-1分別為第i塊、第i-1塊的剩余下滑力；k為安全系數(shù)，計(jì)算滑坡推力時(shí)常取安全系數(shù)k=1.25。

各條塊重度根據(jù)鉆孔實(shí)驗(yàn)成果取加權(quán)平均值。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)試塊稱重、工程經(jīng)驗(yàn)確定天然狀態(tài)下粉質(zhì)黏土容重γ=18.2～19.9 kN/m3、碎石土容重γ=19.5～20.1 kN/m3；飽和狀態(tài)下的粉質(zhì)黏土容重γ=18.7～20.6 kN/m3、碎石土容重γ=19.8～21.2 kN/m3。由條塊容重加權(quán)后的天然容重19.7 kN/m3，飽和容重20.2 kN/m3。

2.2 穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果

考慮滑坡體處于臨界狀態(tài)，天然狀態(tài)下的穩(wěn)定系數(shù)按照1.05～1.10選取，飽和狀態(tài)穩(wěn)定系數(shù)按照0.99～1.02選取。

經(jīng)過計(jì)算，確定該滑坡不同狀態(tài)下的取值如表2所示。

表2 滑坡斷面穩(wěn)定性計(jì)算Table 2 Stability calculation of landslide section位置條塊號(hào)天然狀態(tài)飽和狀態(tài)流體重量/(kN·m-1)下滑力/(kN·m-1)穩(wěn)定系數(shù)滑坡推力/(kN·m-1)流體重量/(kN·m-1)下滑力/(kN·m-1)穩(wěn)定系數(shù)滑坡推力/(kN·m-1)1278.60203.460.745103288.40210.920.70111621 241.21594.280.8583021 286.42616.240.82234033 567.321 030.270.7249053 741.461 066.210.6711 0294891.52131.780.769867922.88136.410.7111 007上斷面51 629.81240.900.8548091 687.14249.380.78498761 995.97295.020.9187762 066.18305.400.83999671 777.07268.800.9507821 839.58278.260.8671 0368624.86116.021.016640646.84120.100.9328999288.5553.571.066512298.7055.460.9807781309.54159.891.36118317.24163.871.0992521 304.49669.911.221241 336.94686.570.9692393138.6961.451.23711142.1462.980.9822374257.28113.991.26515263.68116.831.00424751 300.20576.081.0772671 333.20590.701.050319下斷面6925.90379.550.992493949.40389.180.9485927240.3466.250.991495246.4467.930.94360582 060.62567.980.9856582 112.92582.400.9098699805.73222.090.984720826.18227.730.90097110626.46170.570.984764642.36174.900.8951 046111 197.76238.791.0147251 228.16244.860.9131 06312462.9592.301.045649474.7094.640.8701 244

根據(jù)式(1)和式(2)計(jì)算兩種狀態(tài)下的滑坡穩(wěn)定性和滑坡推力。天然狀態(tài)下滑坡的穩(wěn)定系數(shù)在1.045～1.066時(shí)表示滑坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，最終剩余下滑力為512～649 kN/m。飽和狀態(tài)下的穩(wěn)定系數(shù)取值在0.87～0.98間，表示滑坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。在穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.25時(shí)的滑坡推力為778～1 244 kN/m。

3 FLAC 3D模擬分析

3.1 滑坡幾何模型

根據(jù)滑坡區(qū)域地質(zhì)條件，地面線形態(tài)、滑形態(tài)，巖體差異，建立滑面的幾何結(jié)構(gòu)模型。首先利用CAD軟件建立平面模型，其中模型X軸向長(zhǎng)293 m，Y軸向高118 m，坡腳高程15.1 m。將模型導(dǎo)入到ANSYS中進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分和分析計(jì)算，由巖土特征采用彈塑性模型，根據(jù)位移邊界條件，在模型X向和Y向施加位移約束，上邊界為自由端面，如圖2為建立的滑坡有限元模型結(jié)構(gòu)。

圖2 滑坡模型網(wǎng)格劃分

本研究中選取兩種工況對(duì)滑坡整體模擬，其中工況1：天然狀態(tài)下的自重條件；工況2：飽和狀態(tài)下自重+暴雨。其中對(duì)暴雨情況下的模型全部概化為土體飽和狀態(tài)計(jì)算，表3中給出模型計(jì)算的詳細(xì)參數(shù)。

3.2 模擬結(jié)果分析

采用FISH語言編制強(qiáng)度折線系數(shù)，獲得滑坡安全系數(shù)為1.06。通過FLAC 3D軟件得到折線系數(shù)為1.06下模型的位移云圖和應(yīng)變?nèi)鐖D3所示。天然狀態(tài)下，位于滑坡表層的粉質(zhì)黏土對(duì)位移的影響作用最大，表層碎石土和粉質(zhì)黏土出現(xiàn)了明顯的滑動(dòng)。由剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D可以看出，滑坡表層處于臨界貫通狀態(tài)，表現(xiàn)出失穩(wěn)趨勢(shì)，剪應(yīng)變率在上下兩層出現(xiàn)一個(gè)較大應(yīng)變帶，第一層埋深較淺，形成明顯的滑動(dòng)帶，而第二層埋深較深，并未觀察到露出，未形成貫通，因此第二層作為潛在滑動(dòng)帶。

表3 模型計(jì)算參數(shù)Table 3 Calculation parameters for model巖性彈性模量/MPa剪切模量/MPa體積模量/MPa泊松比內(nèi)摩擦角/(°)粘聚力/kPa密度/(kg·m-3)天然飽和天然飽和天然飽和滑坡堆積體5.4×1041.68×1044.5×1040.3027.821.29.88.81.782.04

(a) 合位移云圖

根據(jù)強(qiáng)度折線系數(shù)獲得飽和狀態(tài)下的滑坡安全系數(shù)設(shè)為0.92。圖4為安全系數(shù)0.92時(shí)，飽和狀態(tài)下(自重+暴雨)滑坡模型的位移云圖和應(yīng)變?cè)茍D。飽和狀態(tài)下，滑坡表層碎石土和粉質(zhì)黏土的位移水平數(shù)量級(jí)達(dá)到十米級(jí)。表層碎石土和粉質(zhì)黏土出現(xiàn)了明顯的滑動(dòng)。暴雨作用下，滑坡變形更大，穩(wěn)定性更強(qiáng)。通過剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D可以看出，滑坡表層和中下部處于臨界貫通區(qū)，由于覆土范圍原因，云圖顏色并不顯著，左側(cè)數(shù)值范圍較大，表明結(jié)構(gòu)出現(xiàn)失穩(wěn)。

(a) 合位移云圖

3.3 算法的結(jié)果比較

從上述傳遞系數(shù)法以及基于FLAC法計(jì)算獲得的滑坡狀態(tài)可以看出，采用傳遞系數(shù)法計(jì)算獲得的天然狀態(tài)下平均穩(wěn)定系數(shù)為1.055，通過FLAC 3D模擬獲得的滑坡穩(wěn)定系數(shù)為1.06。飽和狀態(tài)下，傳遞系數(shù)法獲得的滑坡平均穩(wěn)定系數(shù)為0.895，F(xiàn)LAC 3D計(jì)算得到的滑坡穩(wěn)定系數(shù)為0.92，如表4所示。比較可以看出，兩種算法獲得的滑坡穩(wěn)定系數(shù)基本一致，誤差較小，因此，可通過兩種方法的相互驗(yàn)證來提高計(jì)算結(jié)果精度。傳遞系數(shù)法更多的是手動(dòng)計(jì)算，操作簡(jiǎn)單，但計(jì)算量較大，而FLAC 3D擺脫了幾何形狀、邊界條件的限制，算法較準(zhǔn)確地表征出滑坡失穩(wěn)的狀態(tài)，直觀地找到最易出現(xiàn)屈服破壞的位置，能較好地指導(dǎo)實(shí)際施工對(duì)失穩(wěn)滑坡的防治，但算法在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，要保證結(jié)果精度，則需要消耗較長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間。

表4 兩種算法的滑坡穩(wěn)定性系數(shù)Table 4 Landslide stability coefficients of two algorithms工況兩種算法的穩(wěn)定系數(shù)傳遞系數(shù)法數(shù)值模擬法天然工況1.0550.895飽和工況1.0600.920

4 滑坡防治措施

根據(jù)對(duì)滑坡的穩(wěn)定性分析，暴雨工況下，滑坡處于不穩(wěn)定態(tài)，為保證高速公路的穩(wěn)定施工，對(duì)工程區(qū)分別采取削坡和普通抗滑樁處理。

4.1 削坡處理

針對(duì)滑坡表層覆土較淺，出現(xiàn)明顯滑動(dòng)特征，最簡(jiǎn)單的處理方式即削坡清理表層土。圖5為削坡清理表層土的網(wǎng)格化模型。

圖5 削坡清理表層模型

圖6給出了天然狀態(tài)下，強(qiáng)度折減系數(shù)為1.47時(shí)，經(jīng)過削坡處理的滑坡位移云圖和剪應(yīng)變?cè)茍D。可以看出，天然狀態(tài)下的滑坡表層最大位移量?jī)H0.08 m，滑坡表層對(duì)位移貢獻(xiàn)率較小，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，但存在的表層位移可能引起山體滑坡。整個(gè)滑坡剪應(yīng)變率幾乎為0，剪應(yīng)變?cè)隽空w較小，滑坡穩(wěn)定。經(jīng)治理后的滑坡天然狀態(tài)安全系數(shù)為1.47。

(a) 合位移云圖

圖7給出飽和狀態(tài)，強(qiáng)度折減系數(shù)為1.35時(shí)，經(jīng)削坡處理的滑坡位移云圖和剪應(yīng)變?cè)茍D。飽和狀態(tài)下的滑坡表層最大位移為0.09 m，滑坡基本穩(wěn)定狀態(tài)，但可能會(huì)造成上一級(jí)滑坡?；录魬?yīng)變率幾乎為0，剪應(yīng)變?cè)隽空w較小。削坡治理后，經(jīng)過強(qiáng)度折減下的安全系數(shù)為1.35。可以看出，滑坡處理后的滑坡安全系數(shù)遠(yuǎn)大于規(guī)范值，因此，采用削坡方式處理，能夠滿足安全儲(chǔ)備要求。

(a) 合位移云圖

4.2 普通抗滑樁

根據(jù)地質(zhì)資料，滑坡采取削坡方式進(jìn)行維護(hù)是可能會(huì)誘發(fā)上一級(jí)滑坡[16]，因此，采用抗滑樁方式在滑坡中前部按梯形展布抗滑樁。共采用27根樁徑為3.0×2.0 m，樁長(zhǎng)20～25 m的抗滑樁結(jié)構(gòu)。實(shí)際施工中，首先平整場(chǎng)地，布設(shè)施工放線，錨索樁預(yù)留孔道，待樁體澆筑完成后進(jìn)行錨索施工，加固完成進(jìn)行截排水作業(yè)，最后平整坡面。

加工作業(yè)時(shí)，應(yīng)采取必要的臨時(shí)措施保證坡體穩(wěn)定性。采取隔一挖一的開挖方式，開挖過程中需分節(jié)施工鎖口及護(hù)臂，開挖深度每增加1 m時(shí)，需要做好該節(jié)護(hù)臂，以焊接的方式連接各節(jié)護(hù)臂縱向鋼筋。澆筑護(hù)臂混凝土中，隨時(shí)校驗(yàn)護(hù)臂的垂直度和凈空尺寸，避免護(hù)臂侵占抗滑樁截面，同時(shí)注意監(jiān)測(cè)周邊巖土層變化，根據(jù)開挖后滑動(dòng)面來調(diào)整樁長(zhǎng)。抗滑樁混凝土澆筑前首先要預(yù)埋鋼管來作為錨索鉆孔空島，混凝土澆筑中邊灌漿邊振搗。

錨固工程施工中，按照錨索成孔、安裝、注漿、外錨固端安裝、張拉錨索、封閉錨頭的施工順序。錨索加工長(zhǎng)度根據(jù)內(nèi)錨固段長(zhǎng)度、張拉工作長(zhǎng)度確定。錨索安裝后進(jìn)行注漿，注漿管管口壓力大于或等于0.5 MPa，漿體28 d后無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大于30 MPa，為保證孔內(nèi)砂漿飽滿，待初凝后進(jìn)行二次補(bǔ)漿。在注漿體強(qiáng)度達(dá)到80%設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)進(jìn)行錨索張拉作業(yè)，作業(yè)過程中應(yīng)逐根張拉至設(shè)計(jì)壓力110%，并持荷5 min，卸載至設(shè)計(jì)壓力鎖定。當(dāng)基礎(chǔ)、坡面開挖完成后，迅速執(zhí)行治理工程，避免長(zhǎng)時(shí)間暴露。

5 結(jié)論

以西南某一山地高速公路為背景，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)勘察的基礎(chǔ)上，采用傳遞系數(shù)法和FLAC 3D方法對(duì)滑坡狀態(tài)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，并有針對(duì)性地提出了滑坡治理方案，研究獲得的主要結(jié)論有：

a.傳遞系數(shù)法下，天然狀態(tài)下滑坡的穩(wěn)定系數(shù)為1.045～1.066，飽和狀態(tài)下的穩(wěn)定系數(shù)為0.87～0.98，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。FLAC 3D 數(shù)值模擬計(jì)算獲得天然狀態(tài)滑坡穩(wěn)定系數(shù)為1.06，飽和狀態(tài)滑坡穩(wěn)定系數(shù)為0.92。兩種算法獲得的滑坡穩(wěn)定系數(shù)基本一致，表明暴雨工況下滑坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，采取有效的治理措施。

b.針對(duì)滑坡不穩(wěn)定性，提出采用削坡法和布設(shè)抗滑樁法兩種防治方案。通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，削坡法經(jīng)濟(jì)有效，但易引起上級(jí)滑坡，造成二次災(zāi)害，布設(shè)抗滑樁法花費(fèi)高，工程量大，對(duì)滑坡穩(wěn)定性效果顯著，但實(shí)際施工中需要對(duì)抗滑樁參數(shù)進(jìn)行更深入研究。