福建省龙岩市新罗区牵引式滑坡稳定性分析及治理措施

李鹏举

(华北水利水电大学地球科学与工程学院, 郑州 450046)

由于特定的地理环境和气候条件,我国滑坡灾害频发,给人民的生命财产造成了巨大的损失。仅2019年全国就发生4 220起滑坡灾害,占地质灾害总数的68.27%;2020年发生4 810起,占61.35%;2021年发生2 335起,占48.93%[1]。随着工程建设范围的进一步拓展,滑坡灾害强度和频度会逐渐增加。牵引式滑坡在各类型滑坡中占有很大的比例,往往是在人工削坡或者降雨的条件下,滑坡前缘土体被掏空,下部先滑动,然后逐渐向上扩展,引起由下而上的滑动,以致坡面失稳[2-4]。

近些年已有较多对各类滑坡的发生机理、稳定性分析及相应治理措施的研究。宋冬日等[5]通过地质调查分析、岩土体力学分析及数值模拟等方法,提出了牵引式滑坡发生机理。梁小鹏等[6]在季节冻融作用诱发滑坡机制方面进行了较为深入的研究。孙立娟等[7]通过模型试验研究了库水复活型滑坡牵引滑动机理。对滑坡进行稳定性分析的方法有很多。例如,高冯等[8]使用了强度折减法和有限元分析软件ABAQUS,对单面和双面土体边坡的稳定性进行了研究;张传等[9]使用FLAC3D对牵引式滑坡支护方案的各类工况进行了稳定性分析;李效萌等[10]通过反演分析及折线滑动法计算了牵引式残坡积土质滑坡的稳定性;袁从华等[11]从牵引式滑坡的主动支护和被动支护方面进行了有效支护的对比分析。目前,针对滑坡治理已有多种措施,包括各类措施相结合的综合治理方法[12-14]。高丙丽等[15]使用有限元数值模拟手段对某景区岩质边坡提出了清除块体、排水、锚喷、避让等多项综合边坡治理措施。李帅等[16]采用适当卸载、抗滑桩、锚索框架梁辅以排水措施治理顺层牵引式路堑滑坡,两个雨季后的变形趋稳,证明了治理措施可行有效。

依托福建省龙岩市新罗区江山镇某建设项目场地滑坡工程,根据分析得出的滑坡成因,采用FLAC3D数值模拟软件,运用强度折减法和传递系数法两种计算方法相结合,对滑坡未开挖、开挖后天然工况和暴雨工况下的不同工程阶段进行稳定性分析,提出针对性的滑坡治理措施,并进行可行性评价。可进一步完善新罗区江山镇境内中型浅-中层土质滑坡的形成机制,对滑坡早期识别和隐患风险防控具有一定的指导意义,同时可为其他斜坡体的破坏机理研究和综合防治提供科学依据,为类似工程滑坡治理提供参考。

1 工程概况

滑坡位置处于福建省龙岩市新罗区江山镇,滑坡区为自然山坡,平面面积约33 000 m2,主滑方向约为195°。未发生滑坡前,坡度为15°～35°,主要微地貌单元为山坡坡地地貌,坡面植被发育。该滑坡为中型浅-中层土质滑坡,坡面地层主要出露为粉质黏土、含碎石粉质黏土、碎石,下覆基岩为粉砂岩,侵入一条辉绿岩脉,辉绿岩脉最大揭露厚度约26.0 m,层底埋深为15.0～36.0 m。场地地表水不发育,地下水排泄条件较好,滑坡区汇水面积约195 000 m2。

该滑坡的左侧边界以西侧滑动裂缝为界,界内土体多为粉质黏土、含碎石粉质黏土、碎石,土质较湿、较为松散,交界处滑面平整光滑,裂缝处可见明显的滑动痕迹。边界外侧未见变形迹象,为人工开挖边坡,微地貌为山脊。滑坡的右侧边界以东侧滑塌土体为界,界内土体多为粉质黏土、含碎石粉质黏土、碎石,土质松散,界外微地貌为山谷,边界外侧见植被覆盖,未见变形迹象,有基岩出露。

2 滑坡特征及成因分析

2.1 滑坡特征

滑坡平面形态呈扇形,滑面主轴方向及附近呈直线型,后缘及侧缘附近呈近圆弧形。滑坡从上至下可分为3段:第1段为坡顶至第1条坡间排水沟,坡度为25°～35°,坡面植被发育,坡面出露地层主要为粉质黏土、含碎石粉质黏土;第2段为坡间排水沟至已开挖坡顶,坡度为16°～20°,坡面出露地层主要为粉质黏土、含碎石粉质黏土、碎石;第3段为已开挖坡顶至坡脚,该段坡高为20.0～40.0 m,坡度为40°～50°,坡面出露地层主要为粉质黏土、含碎石粉质黏土、碎石。

滑坡后缘高程约770.0 m,呈圈椅状,有17条横向拉张裂缝,主要集中在滑体的中上部位。滑坡前缘高程约680.0 m,以工程建设场地的坡脚为南侧边界。现场滑坡前缘土体被剪切破坏,已经部分挤出,坡脚有地下水渗出,前缘坡体没有发育鼓胀裂缝。滑坡主轴斜长约160.0 m,前缘宽约295.0 m,后缘宽约65.0 m,滑坡体内竹林呈醉林状。

2.2 滑坡成因分析

影响滑坡的成因要素较多,主要包括地层岩性、地形地貌、降雨作用、人为干扰等方面。该滑坡前缘坡脚土体被剪切破坏,现场位移较为明显,已经部分挤出,滑坡破坏模式为牵引式土层滑面滑坡,滑坡剪出口为人工开挖坡脚。现从以下几个方面简要分析该滑坡成因。

(1)地层岩性方面。坡面出露松散地层主要有粉质黏土、含碎石粉质黏土和碎石,分布在坡体的中下部。这些地层的强度较低,渗透性好,特别是在降雨的条件下坡体重度增大,地层强度会进一步降低,导致坡体稳定性减弱。

(2)地形地貌方面。滑坡坡体总体北高南低,从上到下第1段坡度为25°～35°,第2段坡度为16°～20°,第3段坡高为20.0～40.0 m,坡度为40°～50°。第3段坡体高且陡,出露多为松散地层,对边坡的稳定性造成了不利的影响。

(3)降雨作用方面。降雨是造成滑坡的一大主要因素,降雨导致了坡体表面径流,会对坡表松散土体造成冲刷运移,冲蚀作用严重时可能引发崩塌或泥石流。降雨的入渗会使坡体内部孔隙水压力增大,土体重度增大,下滑力增大,抗滑力相对减小,有效应力减小,坡体内部的地下水还会造成潜蚀,不利于坡体的稳定。

(4)人为干扰方面。该场地前缘坡脚开挖削坡后,坡体的稳定性受到了扰动,并且开挖后没有及时进行有效支护,滑坡稳定性状态从基本稳定降低到欠稳定甚至不稳定,又受到连续的几次降雨作用,最终发生了滑坡。

3 滑坡治理措施设计

3.1 滑坡治理原则

由于占地红线及其他有关条件的限制,滑坡体不能采用分级削坡减载加锚拉的方式进行治理,因此,本滑体采用抗滑桩加预应力锚索分段支挡滑坡体的型式进行治理。因滑坡体厚度大(10～22 m),采用其他现有治理方式难以达到有效目的,若采用冲钻孔桩,桩径小,满足不了抗滑要求,因此,抗滑桩采用人工挖孔的方式,以使桩径、桩长达到抗滑要求。以工程稳定安全为出发点,从滑坡的工程地质条件、施工简便程度以及节省工程资金等方面考虑,通过综合计算和分析,确定滑坡分段支护,滑坡体由上至下采用抗滑桩加预应力锚索进行加固。

抗滑桩加预应力锚索滑坡治理是应对滑坡问题的一种有效方法。首先利用抗滑桩来加强边坡的稳定性,通过将抗滑桩深入滑床以下,可以形成有效的锚固作用,从而增加边坡的抗滑能力。同时,为了进一步确保边坡的稳定,采用预应力锚索进行支护。预应力锚索可以在滑体上部施加锚固力,以提高抗滑桩的抗滑能力,并发挥主动支护的作用。

3.2 滑坡综合治理措施

具体综合治理措施如下,治理完成后的全景如图1所示。

图1 滑坡治理完成后全景图

(1)抗滑桩。根据滑坡最大位移分布位置,布设4排方桩,长为22 m,尺寸为2.5 m×3.5 m,桩芯混凝土和护壁混凝土强度等级分别为C35、C20,护壁厚为0.25 m。

(2)桩间挡土板。采用现浇钢筋混凝土桩间挡土板,防止同排两个桩间土体挤出。

(3)预应力锚索。预应力锚索在坡脚位置布设两排,滑坡中部分别布设一排,锚固端头为强风化、中风化岩层。锚索长为37～43 m,锚固段长度为22 m,锚索轴向设计拉力为780 kN,孔径为150 mm,锚索倾角斜向下20°～25°,锚固浆体固结强度≥40 MPa。

(4)排水工程。坡体的降雨入渗及冲刷是导致滑坡发生的重要因素,故设置坡顶截水沟、坡间排水沟和坡侧边沟。每排抗滑桩间设置一排仰斜式排水孔,排出坡体内部水。

(5)坡面喷护。对开挖裸露的坡面采用C20混凝土进行喷护,厚度为100 mm。

滑坡治理施工是一个复杂的阶段,在治理过程中需要注意动态观察和实时调整设计参数,确保治理效果最佳。此外,施工过程中要采取必要的安全措施,确保施工过程不会触发新的滑动面。治理完成后还需要进行长期的位移监测,以确保边坡的稳定性。

4 滑坡稳定性分析及治理措施可行性研究

依据《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330—2013),该滑坡的危害对象等级为三级,地质条件复杂程度为复杂,滑坡治理安全等级为一级,滑坡稳定性状态划分见表1。滑坡稳定安全系数Fs一般工况下取1.35,暴雨工况下取1.15。

表1 滑坡稳定性状态划分

4.1 稳定性分析研究对象及物理力学参数选取

岩土体物理力学参数参考勘察报告,并根据当地历史数据、工程经验综合确定,见表2。

表2 岩土体物理力学参数

根据滑坡体工程地质条件,计算分析的合理性和剖面选取的典型性及代表性,结合勘察剖面线的布置,综合选择主滑方向195°剖面线为计算剖面,剖面图如图2所示。

图2 主滑线方向剖面图

4.2 强度折减法稳定性计算分析

使用Rhino 6.0对选取的主滑线方向剖面进行建模,模型尺寸与实际地形一致,宽314.0 m,高163.0 m,厚6.0 m,模型为假三维模型。物理参数与实际地层参数与表2一致,采用FLAC3D 6.0数值模拟强度折减法,摩尔-库仑本构关系进行求解。模型的边界条件设置为:底面和底面四周为静态边界,固定水平方向、竖直方向的速度和位移为0,坡面为自由运动变形边界,尽可能接近实际滑坡的天然边界条件。

对未开挖、开挖后以及治理后的滑坡在天然工况及暴雨工况下进行数值模拟稳定性计算,得到的稳定性系数见表3,滑坡最大位移及剪应变增量见表4。基于FLAC3D的滑坡治理措施的数值模拟计算如图3、图4所示。

表3 强度折减法滑坡稳定性系数Fs

表4 强度折减法滑坡最大位移及最大剪应变增量

图3 滑坡治理措施的数值模拟模型

图4 滑坡治理措施的数值计算结果

由数值计算结果及表3可知,滑坡体在未进行开挖的状态下,天然工况下滑坡的稳定性系数为1.089,暴雨工况下为1.059,两种工况均处于基本稳定状态。在开挖后,天然工况下稳定性系数为1.025,处于欠稳定状态,暴雨工况下稳定性系数为0.96,处于不稳定状态。主要原因是坡脚开挖导致应力平衡被破坏,降雨最终诱发了滑坡。在完成滑坡治理后,滑坡的稳定性系数显著增大,天然工况与暴雨工况下稳定性系数分别为1.385和1.270,滑坡处于稳定状态。

由数值计算结果及表4可知,对比未开挖坡体,开挖后的最大位移均比未开挖要大,天然工况最大位移达到0.63 m,比未开挖时的最大位移0.30 m增大了0.33 m,暴雨工况下最大位移达到1.87 m,相对未开挖时的0.56 m增大了1.11 m,且位移主要集中在坡脚处。最大剪应变增量规律也类似,天然工况最大值为0.22,暴雨工况下最大值为0.34,增大明显,也主要集中在坡脚位置,在坡面上分布数值较小,这表明在坡脚位置首先开始塑性变形,是最先发生剪切破坏的位置。

4.3 传递系数法稳定性计算分析

采用传递系数法对滑坡的稳定性进行对比验证计算结果见表5。

表5 传递系数法滑坡稳定性系数Fs

由表5可知,未开挖时滑坡天然工况下的稳定性系数为1.181,暴雨工况下为1.072,两种工况均处于基本稳定状态。开挖后的天然工况与暴雨工况下稳定性系数分别为0.950和0.855,均处于不稳定状态;在完成滑坡治理后,天然工况下的稳定性系数为1.436,暴雨工况下为1.292,滑坡的总抗滑力显著增大,滑坡处于稳定状态。

对比采用FLAC3D 6.0数值模拟强度折减法和传递系数法两种方法的计算结果,各个工况下的稳定性状态是基本一致的,但是稳定性系数有一定的差别。这是因为传递系数法是先假定滑坡的滑动面,然后坡体整体滑动进行稳定性计算,没有考虑坡体的局部滑动;而强度折减法可以通过局部的位移云图和最大剪应变增量云图确定边坡的局部滑动面,可能发生下部的局部滑动进一步带动整体滑动,发生牵引式滑坡。

4.4 治理方案可行性分析

滑坡治理方案计算结果表明,对比未支护状态,滑坡的最大位移明显减小,并且产生的位置后移到滑坡后缘,在暴雨工况下,最大位移从1.87 m减小到0.33 m,最大剪应变增量从0.33减小到0.11,塑性变形区域明显减小,总抗滑力明显增大,稳定性系数也相应增大。强度折减法和传递系数法两种计算方法在天然工况与暴雨工况下的稳定性系数均大于滑坡稳定安全系数,滑坡处于稳定状态。可以认为治理效果显著,满足工程安全要求,方案可行。

综上所述,遵循抗滑桩加预应力锚索滑坡治理型式,可以有效解决该滑坡问题,并确保治理效果持久稳定、安全可靠。

5 结论

通过对该场地滑坡各类工况下的稳定性分析和治理措施的可行性研究,得到以下结论。

(1)该滑坡成因主要是前缘坡脚岩体较为松散、强度低、坡度较大,被开挖后坡体的稳定性受到了扰动,且未及时进行有效支护,又受数次降雨的影响,最终形成了滑坡。

(2)采用FLAC3D数值模拟软件强度折减法和传递系数法两种计算方法,对滑坡未开挖、开挖后以及滑坡治理后的天然工况和暴雨工况进行稳定性分析模拟计算。结果表明:滑坡在滑动前的未开挖天然工况及暴雨工况下均处于基本稳定状态;由于坡脚开挖扰动,在暴雨工况下,滑坡处于不稳定状态,最大剪应变增量主要集中在坡脚位置,可能首先从坡脚位置处剪切破坏,数值分析计算结果与实际工况相一致。滑坡治理后,计算分析得到边坡在两种工况下均处于稳定状态。两种方法都得到了支护方案可行的结论,可为类似工程滑坡治理提供参考。