某高速公路古滑坡路段穩(wěn)定性分析及防治措施研究

李曉峰 盧波 李明智 李世明

摘要：高速公路穿越古滑坡路段時(shí)可能誘發(fā)古滑坡復(fù)活，已是山區(qū)高速公路建設(shè)急需解決的難題。文章以廣西某古滑坡為研究對(duì)象，通過巖體力學(xué)試驗(yàn)及數(shù)值模擬探討了古滑坡的整體穩(wěn)定性，并提出防治措施。結(jié)果表明：該古滑坡變形破壞主要是巖體沿軟弱夾層的順層滑動(dòng)；在正常工況時(shí)，古滑坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，而在非正常工況時(shí)（如水位驟降或暴雨），古滑坡存在漸近性破壞風(fēng)險(xiǎn)；抗滑樁和防排水相結(jié)合的措施可有效提高邊坡的穩(wěn)定性。研究成果對(duì)同類邊坡的防治及預(yù)警具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：古滑坡；穩(wěn)定性；FLAC 3D；邊坡防治

中圖分類號(hào)：U416.1+63 A 11 038 4

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，在高速公路建設(shè)過程中不可避免地穿越古滑坡地段。古滑坡年代久遠(yuǎn)，上覆植被或松散巖體，不易被事先探知，在工程建設(shè)中常被“激活”［1-3］。因此，預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)古滑坡的穩(wěn)定性，及時(shí)采取有效的預(yù)防措施具有重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)古滑坡的研究多集中在其形態(tài)特征、成因機(jī)理和分布規(guī)律等方面。王子忠等［4］通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和試驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)紅層斜坡巖體在緩傾角10°～20°的條件下，變形破壞以滑移-拉裂為主。黃井武等［5］通過數(shù)值模擬探討了水位變動(dòng)對(duì)古滑坡變形及穩(wěn)定性的影響，指出庫(kù)岸古滑坡隨著水位上升向庫(kù)區(qū)發(fā)生變形且逐漸增大，坡腳和滑動(dòng)帶塑性區(qū)不斷發(fā)展。蘇武彪等［6］通過對(duì)比分析原始邊坡的穩(wěn)定性和開挖后邊坡的整體穩(wěn)定性，認(rèn)為古滑坡在自然狀態(tài)下處于穩(wěn)定狀態(tài)。張明紅等［7］通過對(duì)大麗鐵路梅子澗古滑坡的地質(zhì)特征、形成機(jī)制及穩(wěn)定性進(jìn)行分析，提出了繞開該古滑坡的工程對(duì)策，保障了鐵路安全暢通。游昆駿等［8］運(yùn)用有限差分法對(duì)皖南山區(qū)陽(yáng)臺(tái)古滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行了模擬，提出對(duì)于該類滑坡的治理措施主要應(yīng)控制其變形部位，同時(shí)疏通截排水系統(tǒng)。呂小永［9］采用有限元強(qiáng)度折減法對(duì)某大型古滑坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，提出綜合位移突變和塑性區(qū)貫通的失穩(wěn)判據(jù)是一種有效的古滑坡滑面確定方法。覃富皓［10］在深入調(diào)查古滑坡類型、形狀、成因和地下水流的基礎(chǔ)上提出了一些治理古滑坡的方法。N.Jiang等［11］通過對(duì)丹巴古滑坡災(zāi)害的動(dòng)力演化機(jī)制進(jìn)行分析，提出加強(qiáng)排水是治理古滑坡的首要措施。綜上所述，系統(tǒng)地對(duì)古滑坡穩(wěn)定性綜合性評(píng)價(jià)及有效防治措施的研究鮮有報(bào)道，亟須開展相關(guān)研究。

基于此，本文以廣西某高速公路古滑坡地帶為背景，在調(diào)查該古滑坡的地質(zhì)條件、特征等基礎(chǔ)上，采用FLAC 3D軟件進(jìn)行古滑坡在正常工況和非正常工況條件下的穩(wěn)定性計(jì)算，進(jìn)而提出有效的防治措施。研究結(jié)果可為該類古滑坡的防治提供科學(xué)的理論參考。

1 古滑坡區(qū)地質(zhì)條件

1.1 地形特征

研究勘察區(qū)屬于構(gòu)造剝蝕丘陵地貌，地形起伏較大，地面高程為320～675 m，最大高差約為355 m。地表覆蓋第四系殘坡積碎石土，多出露強(qiáng)風(fēng)化基巖。

1.2 地層巖性

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆探結(jié)合前期地質(zhì)調(diào)查顯示，場(chǎng)地地層組成如下：

（1）第四系沖洪積層（Qel+pl）：

卵石，紫紅色，粒徑一般為5～20 cm，局部＞40 cm，飽和。該層主要分布在坡腳大沖溝表層，于ZK6有揭示，厚度為6.60 m。

（2）第四系殘坡積層（Qel+dl）：

粉質(zhì)黏土：黃、黃褐色，硬塑狀，局部約含10%～35%的強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖碎石。該層主要分布于山體表層，厚0.80～5.10 m，土、石工程分級(jí)為Ⅱ級(jí)普通土。

（3）第四系滑坡堆積層（Qdel）：

滑帶土：為粉質(zhì)黏土夾礫石，局部為粉質(zhì)黏土，灰褐色或灰黃色，礫石粒徑為1～3 cm，厚0.60～8.00 m。土、石工程分級(jí)為Ⅲ級(jí)硬土，埋深深度為0～42 m。

2 古滑坡整體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

2.1 古滑坡特征

某高速公路古滑坡路段穩(wěn)定性分析及防治措施研究/李曉峰，盧 波，李明智，李世明

綜合判斷，古滑坡路段研究范圍約為1 000 000 m2，軸向距離約為1 200 m，水平距離約為1 200 m，高程分布為320～675 m，為巨型順層巖質(zhì)滑坡。古滑坡具體要素參數(shù)如下：

滑床參數(shù)：綜合地質(zhì)調(diào)查信息，滑坡坡面傾向角度約為290°，主滑方向?yàn)?90°。

堆積體：根據(jù)地表2#沖溝特征和Ⅱ區(qū)巖層力學(xué)性質(zhì)差異，將滑坡體分為Ⅱa、Ⅱb兩個(gè)亞區(qū)，并將其作為重點(diǎn)研究區(qū)域，如圖1所示。堆積體主要分布在山體中下部Ⅱa、Ⅱb、Ⅲ區(qū)。其中，Ⅱa區(qū)面積為170 000 m2，滑坡方量為5.1×106 m3；Ⅱb區(qū)面積為236 000 m2，滑坡方量為4.72×106 m3；Ⅲ區(qū)面積為269 000 m2，滑坡方量為5.38×106 m3。

滑坡類型：工程區(qū)巖層產(chǎn)狀為285°～321°，傾角為∠24°～∠38°；山體坡向?yàn)?90°，傾角為∠22°～∠38°，為順層巖質(zhì)滑坡。

2.2 計(jì)算剖面的選取

根據(jù)古滑坡產(chǎn)狀和巖層產(chǎn)狀，以間距100 m設(shè)置 1#～9#剖面，分析邊坡穩(wěn)定性，確定滑坡滑動(dòng)范圍。各剖面線與公路中心線的位置關(guān)系如表1所示。

2.3 滑帶土參數(shù)的確定

根據(jù)地質(zhì)鉆探報(bào)告，古滑帶土室內(nèi)試驗(yàn)的平均值如表2所示。

2.4 工后整體穩(wěn)定性計(jì)算

2.4.1 工后整體穩(wěn)定性分析

根據(jù)地質(zhì)鉆探報(bào)告，利用FLAC 3D軟件模擬古滑坡基巖和堆積體的力學(xué)參數(shù)如表3所示。中風(fēng)化層、強(qiáng)風(fēng)化層和堆積體混合散體的受力變形本構(gòu)關(guān)系采用m-c本構(gòu)模型。

根據(jù)初步設(shè)計(jì)通過古滑坡體的道路現(xiàn)狀（平縱曲線和路基參數(shù)）為原型，模擬工后的道路模型參數(shù)如表4所示。

2.4.2 工后整體穩(wěn)定性計(jì)算

根據(jù)上述模型值，采用FLAC 3D軟件計(jì)算修建路塹或路堤時(shí)古滑坡深部滑面的穩(wěn)定性。穩(wěn)定安全系數(shù)判別要求如表5所示，計(jì)算結(jié)果如表6所示。

根據(jù)FLAC 3D軟件的計(jì)算結(jié)果，正常工況時(shí)古滑坡處于整體穩(wěn)定狀態(tài)；非正常工況Ⅰ時(shí)，路線通過古滑坡可能誘發(fā)3#、4#剖面路段發(fā)生局部失穩(wěn)，其他剖面穩(wěn)定系數(shù)大于判別要求值。為防止古滑坡局部失穩(wěn)造成深部的大規(guī)?；?，有必要對(duì)3#、4#剖面路段深部滑體進(jìn)行加固或者架設(shè)橋梁。

2.5 三維模擬結(jié)果

利用FLAC 3D軟件建立白石古滑坡三維模型如圖2所示。X向位移云圖如圖3所示，在整個(gè)堆積體范圍內(nèi)，最大滑移位移為1.94 mm，主要出現(xiàn)在2#沖溝兩側(cè)，向沖溝中心擠壓。Z向位移云圖如圖4所示，在整個(gè)堆積體范圍內(nèi)，最大位移為1.29 mm，主要出現(xiàn)在厚層堆積體上，未對(duì)古滑坡整體穩(wěn)定性造成影響。

3 防治措施

該滑坡古滑面位于中風(fēng)化層與堆積體交界面處，Ⅱa區(qū)的滑帶土主要成分為粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化砂巖，Ⅱb區(qū)的滑帶土主要成分為強(qiáng)風(fēng)化砂巖。根據(jù)古滑坡滑移層位和滑移主次原因，應(yīng)采取以下3種防治措施：（1）削弱地表滲水，提高坡面排水能力，制定地下排水方案；（2）降低滑體下滑力，提高滑體抗滑力；（3）采取保護(hù)路基的防護(hù)措施。

根據(jù)前文分析，公路路基邊坡基本穩(wěn)定，由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)面和堆積層滲水原因，公路邊坡采用格構(gòu)植被防護(hù)，維持坡面的完整性。而針對(duì)深部古滑面的不穩(wěn)定區(qū)域，采取排水防滲措施和抗滑加固措施。

3.1 防滲排水方案

水是誘發(fā)滑坡的主要因素之一［5］，地表防滲、坡面排水和地下排水工程都有利于提高滑坡滑動(dòng)面（帶）巖土強(qiáng)度、減少滑坡的下滑力，進(jìn)而提高滑坡穩(wěn)定性，是滑坡防治的有效工程措施。

（1）地表防滲的主要措施有：

①清除滑坡體上的地表水體，整平積水坑槽、洼地，當(dāng)必須保留這些坑槽、洼地時(shí)，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行防滲處理，并與擬建排水系統(tǒng)相連接；

②滑坡范圍的地表裂縫應(yīng)進(jìn)行封填夯實(shí)，封填前應(yīng)采用不透水材料覆蓋裂縫區(qū)域；

③當(dāng)截水溝、排水溝的沖刷強(qiáng)度超過土質(zhì)抗沖刷能力時(shí)，應(yīng)采用漿砌片（塊）石、混凝土預(yù)制塊等防護(hù)加固措施。當(dāng)排水溝通過裂縫時(shí)，應(yīng)采取防滲和防裂措施。

（2）邊坡坡面應(yīng)設(shè)置截水溝、排水溝、跌水與急流槽：

①坡頂截水溝布設(shè)在潛在滑體后緣5 m以上的位置，填方邊坡上側(cè)的截水溝距填方坡腳的距離應(yīng)＞2 m，截水溝需進(jìn)行防滲處理；

②布設(shè)排水溝將截水溝、邊坡附近低洼處匯集的水引向邊坡范圍以外，排水溝需進(jìn)行防滲處理，混凝土強(qiáng)度等級(jí)≥C20；

③當(dāng)截、排水溝出水口處的坡面坡度＞10%、水頭差＞1.0 m時(shí)，設(shè)置跌水和急流槽將水流引出坡體或引入排水系統(tǒng)。

（3）地下排水可設(shè)置排水支撐滲溝、仰斜式排水孔、井點(diǎn)降水、排水隧洞：

①地下排水支撐滲溝可用于滑動(dòng)面（帶）埋深＜5.0 m的地段，滲溝基礎(chǔ)應(yīng)置于滑動(dòng)面（帶）以下的穩(wěn)定地層內(nèi)0.5 m以上，支撐滲溝宜順滑坡滑動(dòng)方向平行布置在滑坡表層有積水的濕地或地下水露頭處；

②仰斜式排水孔的布設(shè)方向需與滑坡的主滑方向一致，仰角≥6°，排水孔鉆孔直徑宜為75～150 mm，孔內(nèi)應(yīng)設(shè)置透水管；

③井點(diǎn)降水方式宜用于施工期臨時(shí)降低地下水位，也可用于引排滑坡內(nèi)埋藏較深、分布不均勻的地下水，排水隧洞可用于引排滑坡深層地下水。

3.2 深部古滑帶抗滑樁加固措施

由古滑坡整體穩(wěn)定性模擬計(jì)算結(jié)果可知，不使用橋梁時(shí)，3#、4#剖面在非正常工況Ⅰ下穩(wěn)定系數(shù)略小于要求值1.15，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。結(jié)合場(chǎng)地情況，為防止深部古滑坡復(fù)活，在出口處設(shè)置抗滑樁支擋。按穩(wěn)定系數(shù)1.13和1.11，計(jì)算求得3#、4#剖面樁位處的剩余下滑力分別為419 kN和1 619 kN。3#、4#剖面加固方式均為抗滑樁，分別按照500 kN、1 700 kN設(shè)計(jì)。樁位平面布置如圖5所示。

3#剖面設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)為25 m，持力層為強(qiáng)風(fēng)化層及中風(fēng)化層，樁徑設(shè)計(jì)為2 m，樁中心間距為5 m，共設(shè)樁20根，均布在3#剖面左側(cè)50 m至右側(cè)50 m范圍內(nèi)。4#剖面設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)為30 m，持力層為強(qiáng)風(fēng)化層及中風(fēng)化層，樁徑設(shè)計(jì)為3 m，樁中心間距為5 m，共設(shè)樁20根，均布在4#剖面左側(cè)50 m至右側(cè)50 m范圍內(nèi)。3#、4#剖面抗滑樁設(shè)計(jì)圖如圖6、圖7所示。

需要指出的是，本文提出的防治措施基于現(xiàn)有鉆探、物探等綜合勘察成果、數(shù)值報(bào)告和理論方法等，具有一定的科學(xué)性和適用性。但由于巖土特性的復(fù)雜性、技術(shù)的局限性及施工的不確定性，在施工過程中應(yīng)不斷實(shí)時(shí)評(píng)估工程的可行性，確保古滑坡的穩(wěn)定。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過理論計(jì)算，并結(jié)合工程實(shí)際，對(duì)某高速公路穿越古滑坡時(shí)的綜合穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，在此基礎(chǔ)上提出古滑坡治理防治措施，主要結(jié)論如下：

（1）通過對(duì)古滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，發(fā)現(xiàn)該古滑坡在正常工況時(shí)處于穩(wěn)定狀態(tài)，而在非正常工況，如暴雨情況下，路線通過古滑坡存在誘發(fā)某些滑面局部失穩(wěn)的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

（2）對(duì)于該類古滑坡的防治，除了重視軟質(zhì)巖可穩(wěn)性差易引起工程牽引滑塌的問題外，必須結(jié)合適宜的抗滑樁設(shè)計(jì)、防排水措施對(duì)其進(jìn)行綜合處治，提高其坡面排水和地下排水能力，達(dá)到增強(qiáng)堆積層和主滑面抗滑力的目的。

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收稿日期：2022-04-18