基于松散堆積體邊坡變形特征的錨固工程布置與治理效果研究

李佳武, 唐軍峰, 肖 鵬, 王 亮

(中國水電顧問集團(tuán) 中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,湖南 長(zhǎng)沙 410014)

基于松散堆積體邊坡變形特征的錨固工程布置與治理效果研究

李佳武, 唐軍峰, 肖 鵬, 王 亮

(中國水電顧問集團(tuán) 中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,湖南 長(zhǎng)沙 410014)

紅層松散堆積體邊坡是紅層地區(qū)特殊的邊坡形式。向家壩水電站庫區(qū)廣泛分布紅層松散堆積體邊坡,大部分處于基本穩(wěn)定、臨界穩(wěn)定狀態(tài),研究其穩(wěn)定性及加固措施和治理效果具有重要的工程意義。以綏江新縣城紅層堆積體變形邊坡為例,基于現(xiàn)場(chǎng)勘察、數(shù)值分析研究邊坡的變形特征,探討邊坡的錨固工程布置,分別采用數(shù)值計(jì)算方法和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)治理后堆積體邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

松散堆積體;邊坡;變形特征;錨固工程

向家壩水電站庫區(qū)多為侏羅系紅層,庫區(qū)大部分滑坡即發(fā)生在紅層地區(qū)。在庫區(qū)移民安置工程建設(shè)過程中,松散紅層開挖邊坡已多處出現(xiàn)變形和滑塌現(xiàn)象。由于紅層巖體的特殊性質(zhì),其崩解風(fēng)化后形成的松散堆積物亦有其特殊性。部分庫區(qū)移民安置工程建設(shè)實(shí)踐表明,松散紅層挖方邊坡比紅層巖質(zhì)邊坡和一般土質(zhì)邊坡更易產(chǎn)生滑坡災(zāi)害。

本文以綏江縣城新址C區(qū)紅層松散堆積體邊坡為研究對(duì)象,在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行詳細(xì)勘察的基礎(chǔ)上,采用有限元方法,研究紅層松散堆積體邊坡的塑性區(qū)、變形等力學(xué)特征,分析其在自然狀態(tài)、開挖狀態(tài)未支護(hù)以及進(jìn)行開挖支護(hù)狀態(tài)下的穩(wěn)定性。在以上分析研究的基礎(chǔ)上,基于邊坡的變形特征,討論工程治理措施與布置,研究治理后的紅層松散堆積體邊坡的穩(wěn)定性,包括治理后的邊坡塑性區(qū)、總位移以及邊坡的安全系數(shù)。作為驗(yàn)證,分析邊坡變形的相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),為邊坡治理效果檢驗(yàn)提供依據(jù)。

1 堆積體邊坡變形特征

場(chǎng)區(qū)內(nèi)地形地貌為構(gòu)造侵蝕中山斜坡地形,自然坡度12°～20°,局部35°以上。地面高程430～640 m,相對(duì)高差約210 m。

堆積體主要為第四系崩坡積層(Qcodl),包括粉質(zhì)粘土,塊石、碎石、角礫、碎裂巖體和孤石等。其中,粉質(zhì)粘土一般呈硬塑—可塑狀,局部呈軟塑狀;塊、碎石成分主要為砂巖和泥巖;孤石成分主要為砂巖。下伏基巖為紫紅色粉砂質(zhì)泥巖、灰紫色粉砂巖,埋深較大,達(dá)20～55 m。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn),在高程約560 m處出現(xiàn)居民房屋墻體多處開裂、傾斜及地面沉降等現(xiàn)象(照片1),在高程約480～490 m處的地面出現(xiàn)裂縫、變形(照片2)。據(jù)當(dāng)?shù)鼐用窠榻B,房屋變形從2008年汶川地震后開始,逐年加劇。

調(diào)查研究結(jié)果表明,自然狀態(tài)下,邊坡處于穩(wěn)定—基本穩(wěn)定狀態(tài),但穩(wěn)定性安全儲(chǔ)備不高;暴雨時(shí),邊坡局部處于穩(wěn)定—欠穩(wěn)定狀態(tài),穩(wěn)定性較差,部分地區(qū)幾乎已處于邊坡穩(wěn)定的臨界狀態(tài)。邊坡的變形已威脅到當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶的生命財(cái)產(chǎn)及以后的新縣城建設(shè)。

2 邊坡變形的數(shù)值計(jì)算與分析

本次研究工作以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地形為研究對(duì)象,分析了其最大剪應(yīng)變、位移等力學(xué)特性,并研究了邊坡穩(wěn)定性。

計(jì)算過程分3階段進(jìn)行:①研究自然狀態(tài)下,紅層松散堆積體邊坡的變形、塑性區(qū)分布,分析邊坡的可能滑動(dòng)失穩(wěn)位置、范圍、深度、穩(wěn)定性和變形趨勢(shì);②根據(jù)工程需要,研究開挖后未支護(hù)情況下邊坡可能的滑動(dòng)失穩(wěn)位置、范圍、深度、穩(wěn)定性和變形趨勢(shì),以分析探討對(duì)邊坡進(jìn)行工程加固的必要性以及加固方法、加固位置和深度、加固形式等;③在以上研究的基礎(chǔ)上,分析的加固措施實(shí)施后邊坡的穩(wěn)定性,評(píng)價(jià)邊坡的工程加固效果。

照片1 房屋墻體開裂、錯(cuò)位Photo 1 Cracking and dislocation of wall

照片2 田坎開裂、錯(cuò)位Photo 2 Cracking and dislocation of raised path through fields

本次選取的典型計(jì)算剖面見圖1所示,巖土體計(jì)算參數(shù)根據(jù)試驗(yàn)資料并參考同類工程經(jīng)驗(yàn)確定。

圖1 計(jì)算剖面Fig.1 Calculating profile

表1 邊坡巖土體計(jì)算參數(shù)

2.1 自然狀態(tài)下的紅層松散堆積體邊坡

計(jì)算得到的最大剪應(yīng)變?cè)茍D見圖2所示,由圖2可知,天然狀態(tài)下,最大剪應(yīng)變出現(xiàn)在邊坡中部,高程處于512～560 m之間,該部位的塑性區(qū)即將貫通,具有向邊坡高程518 m平臺(tái)剪出的趨勢(shì)。計(jì)算得到的塑性區(qū)厚度達(dá)21 m,寬度119 m左右。由于堆積體厚度較大,塑性區(qū)主要出現(xiàn)于松散紅層堆積體內(nèi),沒有貫穿至堆積體與基巖交界面。

該松散堆積體紅層邊坡的安全系數(shù)為1.05(圖2),說明邊坡處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)[1]。

計(jì)算得到天然狀態(tài)下紅層松散堆積體邊坡的變形矢量見圖3所示,對(duì)比圖2、圖3可知,最大變形與最大剪應(yīng)變出現(xiàn)的部位一致,有從518 m高程滑出的趨勢(shì)。

2.2 擬開挖但尚未進(jìn)行支護(hù)的堆積體邊坡

因工程布置需要,擬對(duì)該邊坡512 m高程以下進(jìn)行開挖,在未進(jìn)行支護(hù)條件下的堆積體邊坡最大剪應(yīng)變?cè)茍D見圖4所示。由該圖可知,與天然狀態(tài)相比,擬開挖后的邊坡最大剪應(yīng)變不僅出現(xiàn)在高程512～560 m之間,還出現(xiàn)在高程551～486 m之間,兩個(gè)部位的塑性區(qū)即將貫通,均具有向坡腳一側(cè)滑出的趨勢(shì)。其中,高程490 m附近塑性區(qū)厚度約14 m,寬度約為53 m(圖4)。由于厚度較大,兩處的塑性區(qū)均出現(xiàn)于堆積體內(nèi)部,沒有延伸至堆積體與基巖的交界面。

擬開挖尚未支護(hù)的堆積體邊坡安全系數(shù)較未開挖前有所降低,為1.0(圖4),處于安全臨界狀態(tài),極易滑動(dòng)失穩(wěn),因此,必須采取措施對(duì)開挖后的邊坡進(jìn)行支擋加固。

邊坡擬開挖后尚未進(jìn)行支護(hù)的總位移矢量圖見圖5所示,從位移矢量圖可以明顯看出堆積體邊坡的兩處有明顯的下滑趨勢(shì)。

3 基于塑性區(qū)、變形等力學(xué)特征的邊坡加固工程布置探討

當(dāng)紅層松散堆積體邊坡已經(jīng)出現(xiàn)明顯的變形跡象或者已經(jīng)進(jìn)入加速蠕滑變形階段時(shí),必須采取措施加固邊坡,降低下滑力,增強(qiáng)抗滑能力,改善堆積體邊坡的穩(wěn)定性。

向家壩庫區(qū)紅層松散堆積體邊坡的加固工程,主要包括削坡減壓、擋土墻、抗滑樁以及抗滑樁+預(yù)應(yīng)力錨索,以及坡面、坡體內(nèi)的截排水工程等綜合治理手段。

圖2 最大剪應(yīng)變分布圖Fig.2 Distribution map of maximum shear strain

圖3 變形矢量圖Fig.3 Deformation vector

圖4 開挖后的最大剪應(yīng)變?cè)茍DFig.4 Cloud chart of maximum shear strain after the excavation

圖5 開挖后的總位移矢量圖Fig.5 The total displacement vector diagram after the excavation

其中,抗滑樁工程在紅層松散堆積體邊坡綜合治理過程中占有重要地位。

以上計(jì)算得到塑性區(qū)和位移矢量分布圖表明,邊坡塑性區(qū)和較大變形主要出現(xiàn)在邊坡的中部和中下部。其中,邊坡中部出現(xiàn)的塑性區(qū)范圍較大,相應(yīng)的方量也較大;中下部的塑性區(qū)及變形主要由于工程開挖施工的影響,導(dǎo)致該部位堆積體邊坡失穩(wěn),易出現(xiàn)較大的變形。計(jì)算與分析結(jié)果表明,這兩個(gè)部位也是該邊坡治理過程中需要進(jìn)行加固的重點(diǎn)部位。

由于堆積體邊坡厚度較大(平均40 m左右),最大塑性區(qū)的貫通并沒有延伸至堆積體與基巖的交界面部位。同樣考慮到堆積體厚度較大,可采用抗滑樁以及抗滑樁+錨索的加固措施,輔以坡面坡體排水、錨桿格構(gòu)梁護(hù)坡等工程措施。對(duì)邊坡上部,可以采用漿砌石人字網(wǎng)護(hù)坡。當(dāng)進(jìn)行抗滑樁支擋結(jié)構(gòu)時(shí),抗滑樁需深入基巖一定深度,考慮入巖深度大于1/4～1/3樁長(zhǎng)。

考慮工程投資和施工難度以及支護(hù)措施的重點(diǎn),擬對(duì)邊坡中部采用雙排旋挖樁施工,樁徑1.6 m,排距5.0 m,同排樁的樁中心間距5.0 m;對(duì)于邊坡下部的抗滑樁,擬采用混凝土抗滑樁+預(yù)應(yīng)力錨索,樁截面尺寸3.0 m×4.5 m,樁中心間距7.0 m。錨索采用2排,布置于樁頂附近,錨索端頭深入基巖10 m,施加預(yù)應(yīng)力為500 kN。另外,邊坡放坡坡比1∶1.75、1∶3.00,中間預(yù)留馬道,馬道寬度2.0 m[2]。

4 邊坡加固效果評(píng)價(jià)

4.1 數(shù)值計(jì)算分析與評(píng)價(jià)

圖6給出了邊坡加固后的最大剪應(yīng)變?cè)茍D。由圖6可知,與天然狀態(tài)及開挖未進(jìn)行支護(hù)狀態(tài)下的情況相比,采用抗滑樁、錨索、削坡等綜合措施治理后,邊坡的穩(wěn)定性有了很大提高,安全系數(shù)達(dá)到3.54,邊坡的整體剪應(yīng)變分布有較大調(diào)整,總體上剪應(yīng)變量值變小,最大剪應(yīng)變僅局部出現(xiàn),邊坡松散堆積體內(nèi)未發(fā)現(xiàn)有較大貫穿性的塑性變形區(qū)。

圖7給出了邊坡加固后,當(dāng)強(qiáng)度折減至3.54時(shí)的位移矢量圖。由圖7可知,綜合治理后,邊坡的最大變形出現(xiàn)于高程530～560 m,實(shí)際施工過程中,可以對(duì)該部位采用適當(dāng)?shù)南髌碌裙こ烫幚泶胧?輔以坡面網(wǎng)格梁以及坡面、坡內(nèi)截排水措施,降低變形風(fēng)險(xiǎn)。

加固后的邊坡穩(wěn)定性好,在其上部布置建筑物和構(gòu)筑物能夠滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。

4.2 監(jiān)測(cè)資料分析與評(píng)價(jià)

為研究綏江新縣城紅層松散堆積體高邊坡在工程治理前后的變形情況,對(duì)該邊坡進(jìn)行了坡面和坡體內(nèi)的監(jiān)測(cè)布置,主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括坡面變形觀測(cè)、抗滑樁鋼筋計(jì)監(jiān)測(cè)和巖土體測(cè)斜孔變形監(jiān)測(cè)等。

圖6 邊坡加固后的最大剪應(yīng)變?cè)茍DFig.6 Cloud chart of maximum shear strain after slope strengthening

圖7 邊坡加固后的位移矢量圖(強(qiáng)度折減至安全系數(shù)FOS=3.54)Fig.7 Displacement vector map after slope strengthening

涉及到本斷面的監(jiān)測(cè)點(diǎn)包括抗滑樁A22,坡面測(cè)點(diǎn)TPC2-1,測(cè)斜孔IN9和IN10。其中,測(cè)斜孔IN10在施工前期未進(jìn)行加固前,由于堆積體剪切變形量較大(超過100 mm)而破壞,該孔剪斷點(diǎn)高程531 m,與數(shù)值計(jì)算(圖2-圖5)得到的塑性貫通區(qū)高程基本一致。

以下分別對(duì)各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析:

至2013年5月,綏江縣城新址C區(qū)高邊坡抗滑樁已澆筑完成,錨索施工正有序進(jìn)行?？够瑯朵摻钣?jì)應(yīng)力歷時(shí)曲線見圖8所示,由圖8可知,抗滑樁鋼筋計(jì)的應(yīng)力值變化量均在20 MPa之內(nèi),且變化趨勢(shì)趨于平穩(wěn)。

圖8 抗滑樁鋼筋計(jì)應(yīng)力歷時(shí)曲線Fig.8 Stress history curve of reinforcement meter of anti-slide pile

圖9給出了鉆孔測(cè)斜儀在不同深度時(shí)的位移量歷時(shí)曲線。由曲線圖可知,該部位的堆積體厚度較大(達(dá)48 m),孔口累計(jì)變形量達(dá)70 mm,距離孔口埋深越大,變形量越小。最新的監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示,近20 d時(shí)各部位變形量微小(<5 mm),說明堆積體邊坡的變形得到了有效控制。

圖10為邊坡坡面觀測(cè)點(diǎn)的位移歷時(shí)曲線,觀測(cè)結(jié)果顯示,邊坡的位移向河床偏下游方向發(fā)展,自建立觀測(cè)點(diǎn)以來,最大變形量超過了80 mm。最新的觀測(cè)資料顯示,邊坡變形曲線逐漸趨于平緩,說明邊坡的變形得到有效控制,但尚需進(jìn)一步觀測(cè)論證。

5 結(jié)論

(1) 綏江縣城新址C區(qū)紅層松散堆積體高邊坡,堆積體厚度相對(duì)較大,天然條件下邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài),計(jì)算得到的安全系數(shù)較小,為1.05。因工程建設(shè)的需要,需對(duì)該邊坡進(jìn)行開挖,擾動(dòng)了原有巖土體的穩(wěn)定性,導(dǎo)致邊坡坡面多處出現(xiàn)拉裂縫,局部出現(xiàn)小規(guī)模的滑塌現(xiàn)象,與計(jì)算結(jié)果相符,因此,必須對(duì)邊坡進(jìn)行支擋加固。

圖9 鉆孔測(cè)斜儀IN9不同深度的位移量歷時(shí)曲線Fig.9 Displacement duration curve of borehole clinometer IN9 with different depth

圖10 坡面點(diǎn)位移歷時(shí)曲線Fig.10 Displacement-time curves of slope pastry

(2) 鑒于工程布置和邊坡變形等特點(diǎn),對(duì)邊坡的支擋加固結(jié)構(gòu)主要為采用抗滑樁+預(yù)應(yīng)力錨索的形式,輔以坡面網(wǎng)格梁、截排水和削坡壓腳等工程措施。

(3) 采用以上工程措施后的數(shù)值計(jì)算分析結(jié)果表明,邊坡的穩(wěn)定性有了很大的改善,坡體變形得到有效控制,變形和穩(wěn)定性滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)的要求?，F(xiàn)場(chǎng)的坡面、坡體內(nèi)變形觀測(cè)結(jié)果顯示,變形量變化小,變形曲線趨于平穩(wěn),邊坡變形得到了有效控制,說明對(duì)該邊坡的治理是成功的,但仍需關(guān)注局部出現(xiàn)的變形較大的問題。

[1] 中華人民共和國國土資源部地質(zhì)環(huán)境司.邊坡防治工程勘查規(guī)范:DZ/T0218—2006[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2006.

[2] 中華人民共和國國土資源部地質(zhì)環(huán)境司.滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范:DZ/T0219—2006[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2006.

(責(zé)任編輯：陳姣霞)

Anchorage Layout and Treatment Effect Based on Slope Deformation ofLoose Accumulation Body

LI Jiawu, TANG Junfeng, XIAO Peng, WANG Liang

(Mid-SouthDesignandResearchInstituteforHydroelectricProjects,Changsha,Hunan410014)

The red bed accumulation body slope is a particular type in red beds areas,which are widely distributed in the reservoir area at the Xiangjiaba Hydropower station,and most of them are in the state of stabilization or critical stabilization. This has very important engineering meaning in studing the stabilization and treatment of the red bed accumulation body slope. Based on the red bed accumulation body slope in the new city of Suijiang,Yunnan province,on the spot investigation and numerical analysis are carried out to analyse the deformation character of the slope,anchorage layout is discussed subsequently. Finally,numerical analysis method and in situ monitoring data analysis are used to evaluate the stabilization after treatment of the slope.

loose accumulation body; slope; deformation character; anchorage

2016-04-29;改回日期:2016-05-12

李佳武(1982-),男,工程師,水文地質(zhì)與工程地質(zhì)專業(yè)，從事地質(zhì)工程勘察與設(shè)計(jì)工作。E-mail:624181904@qq.com

TV223.2+1

A

1671-1211(2016)03-0533-06

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.065

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160511.1536.004.html 數(shù)字出版日期:2016-05-11 15:36