臺風觸發(fā)土質(zhì)滑坡破壞特征及其聯(lián)合支檔穩(wěn)定性分析

唐 軍，洪 偉

(浙江省第十一地質(zhì)大隊，浙江 溫州 325006)

0 前 言

2015年8月8日，第13號臺風“蘇迪羅”從福建省莆田市沿海登陸，登陸時近中心最大風力13級，受其影響，溫州南部地區(qū)遭遇百年一遇的強降雨，降雨量最大達到755.5 mm[1]。受臺風降雨影響，溫州南部平陽、泰順、文成3縣共發(fā)生185處地質(zhì)災害，地質(zhì)災害類型主要為滑坡、崩塌和泥石流[1]，其中滑坡占比最大(約占87.6%)，且以中小型滑坡為主(規(guī)模為20～20 000 m3，大部分小于5 000 m3)。臺風所造成的嚴重地質(zhì)災害已廣泛地引起了各國政府和學者們的深切關注。據(jù)不完全統(tǒng)計，自2006年以來，我國因臺風引發(fā)的山體滑坡、泥石流等地質(zhì)災害造成的直接經(jīng)濟損失可達150億元，嚴重地影響地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展。迄今為止，眾多專家學者們對臺風自身特點，包括其形成、演化、發(fā)展、登陸、行進路線、消亡和預測預報以及臺風對其他事物的影響破壞，如將臺風作為一種荷載，考慮其對工程建筑物的影響等方面都已有了較系統(tǒng)的研究[2-7]。然而，就臺風引發(fā)斜坡地質(zhì)災害、臺風對斜坡穩(wěn)定性的影響等方面的相關研究偏少[5]，尤其是探索臺風引發(fā)斜坡地質(zhì)災害成因機理方面的研究則更少。深入開展該領域的研究可以更加科學地防臺減災，特別是臺風引發(fā)的滑坡、泥石流等次生地質(zhì)災害方面具有重要的理論價值和實際意義，能更加有效地減少臺風對國家和人民所帶來的損失。

本文以浙江省溫州市泰順縣筱村鎮(zhèn)里垟村天橋自然村后山不穩(wěn)定斜坡為例，通過詳細的工程地質(zhì)調(diào)查、巖土體結(jié)構(gòu)以及工程性質(zhì)穩(wěn)定性分析等手段，對不穩(wěn)定性斜坡的變形破壞特征進行了詳細探究；在此基礎上，設計了抗滑樁+錨索的聯(lián)合支檔錨固措施，并對該不穩(wěn)定斜坡的典型剖面建立PLAXIS3D有限元計算模型，分析支檔前后斜坡的穩(wěn)定情況。旨在為此類臺風觸發(fā)的土質(zhì)邊坡的災前預防、災后治理提供理論支撐和科學指導的作用。

1 研究區(qū)工程地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

研究區(qū)位于泰順縣東北部山區(qū)，行政上隸屬泰順縣筱村鎮(zhèn)里垟村，距泰順縣城直線距離約20 km，公路距離約40 km，工作區(qū)緊挨文泰公路，交通便利(見圖1)。研究區(qū)地貌類型屬于浙東南侵蝕剝蝕丘陵區(qū)，地形起伏小，場區(qū)所在斜坡整體呈東北高西南低，斜坡坡向258°，共分兩級斜坡，中間發(fā)育緩坡平臺，斜坡地形呈上下陡中間緩，坡腳與后山斜坡最高點相對高差約241.1 m。山體自然斜坡較陡，呈上陡下緩趨勢，坡度以25°～35°為主，局部達45°，平均坡度約32°，坡腳地帶因開挖形成陡坎狀，臺坎一般寬3～4 m，高2～3 m，坡度近直立。見圖2所示。

圖1 研究區(qū)及其周邊地形衛(wèi)星圖

圖2 滑坡區(qū)域地形地貌圖

1.2 巖土體工程地質(zhì)特性

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查及鉆孔揭露，研究區(qū)巖土體從成因類型和風化程度等可分6個工程地質(zhì)層，由上到下分別如下。

①滑坡堆積層(Qdel)為含碎石粉質(zhì)黏土，堆積厚一般2.0～5.0 m，堆積于滑坡前方。

②棄渣(Qml)為含碎石粉質(zhì)黏土，碎石含量15%～30%，粒徑5～30 cm，厚度0.5～2.0 m，主要分布在斜坡上部公路路基下方，呈條帶狀。

③坡洪積(Qdl-pl)為碎石土，粒徑5～60 cm，局部達1.5 m，主要堆積于坡腳及溝道下游兩岸平緩地帶。

④殘坡積(Qel-dl)為含碎石粉質(zhì)黏土，碎石含量約3%，粒徑2～20 cm，分布于整個斜坡，斜坡上部厚0.5～1.0 m，地形較緩處和近坡腳處厚1.0～2.4 m。

⑤-1(K1g)全風化粉砂巖，該層受區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造影響，厚度大，總體上呈上下薄中間厚趨勢。

⑤-2(K1g)強風化粉砂巖，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，在場區(qū)斜坡中上部埋深較淺，斜坡中下部該層埋深較深。

⑤-3(K1g)中風化粉砂巖，發(fā)育兩組豎向節(jié)理①5°∠84°②110°∠80°，巖層產(chǎn)狀75°∠8°，受侵入巖脈影響，巖層產(chǎn)狀稍有變化。

⑥-1(J3z)中風化凝灰?guī)r，巖體較完整，在場區(qū)西側(cè)高程約400 m處大面積出露。

典型鉆孔揭露的巖土體見圖3所示。

圖3 典型鉆孔揭露的巖土體

1.3 區(qū)域構(gòu)造

研究區(qū)大地構(gòu)造單元隸屬華南褶皺系浙東南褶皺帶溫州-臨海拗陷和黃巖-象山和泰順-溫州斷拗之西部。受NW向平陽-松陽、NE向泰順-黃巖基底大斷裂活動影響，地表NW、NE向斷裂、侵入巖帶發(fā)育，構(gòu)成了區(qū)域構(gòu)造格架。

通過調(diào)查和查閱區(qū)域地質(zhì)資料發(fā)現(xiàn)，區(qū)域內(nèi)下白堊統(tǒng)館頭組粉砂巖覆蓋于上侏羅祝村組凝灰?guī)r之上，呈不整合接觸，接觸帶大致以公路為界。此外，勘查區(qū)內(nèi)沿溝道G1發(fā)育一條侵入巖脈，寬5～15 m，走向80°，巖性為霏細斑巖，受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造和巖脈侵入影響，巖脈兩側(cè)巖層產(chǎn)狀略有差異，分別為75°∠8°與90°∠12°，并且節(jié)理裂隙發(fā)育，共發(fā)育兩組豎向節(jié)理①5°∠84°②110°∠80°。

1.4 水文、氣象條件

泰順縣屬于亞熱帶海洋型季風氣候區(qū)，四季分明，雨量充沛，氣候溫和，年平均氣溫16℃，極端最高氣溫37℃，極端最低氣溫-10.5℃。高山云霧彌漫，低山丘陵濕潤。常有旱、風、澇、寒等自然災害。泰順縣雨量充沛，年平均降水量約2047.5 mm，最多達2 536.1 mm，最少為1 282.8 mm。

研究區(qū)內(nèi)分布主沖溝(G1)一條，G1長約497 m，主溝中游發(fā)育一條支溝(G2)，G2長約270 m，主要受大氣降雨控制，溝道內(nèi)平時無流水，雨季時水量較大；場區(qū)西側(cè)150 m處為莒江溪，寬10～20 m，深2～5 m，調(diào)查時水深1～2 m，G1沖溝雨水沿溝道匯入莒江溪，最后流入珊溪水庫。

2 滑坡的基本特征

不穩(wěn)定斜坡由兩個小滑坡(HP1、HP2)組成，分別位于斜坡中部水渠下方(HP1)和坡腳AB段(HP2)，見圖4所示。

圖4 滑坡照片圖

2.1 滑坡前緣

HP1位于斜坡中部引水渠下方，高程425～445 m，相對高差約20 m，滑坡前緣寬約13 m，平均厚約3.0 m，滑體方量約1 400 m3，滑向305°，平面上呈長條狀，見圖5。

HP2滑坡位于斜坡坡腳段，高程412～423 m，相對高差約11 m，滑坡前緣寬約52 m，平均厚約3.0 m，滑體方量約3 000 m3，滑向270°，平面上呈長條狀，見圖5。

圖5 滑坡平面位置圖

兩處滑坡前緣受人類活動影響劇烈，在滑坡啟動前，既有公路邊坡長約40 m，高3～4 m，坡度50°～60°，邊坡距公路7～8 m，未支護，見圖6(a)。

2.2 滑坡后緣

在山體斜坡中部(HP1滑坡后緣)高程約445 m處沿等高線修建一條引水渠，橫穿整個斜坡，引水渠寬約30 cm，深約25 cm。給HP1滑坡的觸發(fā)提供了條件，HP1滑坡在引水渠處形成拉裂縫，引水渠開裂滑體下挫，形成陡傾臨空面，高2～3 m，寬4～5 m，坡度60°～70°，滑體整體向下滑移距離約15～20 m，并堆積于前方,見圖6(b)。

(a)前緣邊坡

(b)坡中溝渠拉裂

整體上，兩處滑坡均在前緣失穩(wěn)牽引下后緣形成拉裂縫，并下挫呈形成4～6級陡坎，陡坎高度0.5～2.5 m，坡度60°～70°，長約5～10 m；受滑體滑移牽引影響，后緣形成拉裂縫，拉裂縫與等高線平行與滑向垂直，延伸長度一般5～10 m，最長達19 m，間距0.2～1.5 m，寬0.1～0.3 m，可見深度0.1～0.3 m，貫通性較差，主要分布于滑體后緣，為牽引式土質(zhì)滑坡，滑坡堆積于前方，小部分沖至公路。

3 邊坡穩(wěn)定性分析

如前所述，斜坡地形陡峭，第四系殘坡積層與全風化基巖層厚度大，土質(zhì)松散，遇水易軟化，在人類工程活動、降雨入滲等不利因素影響下，將會牽引后緣斜坡發(fā)生變形破壞，形成規(guī)模更大的滑坡，不穩(wěn)定斜坡的規(guī)模約60 000 m3。需要對此邊坡的穩(wěn)定性進行進一步分析，根據(jù)計算結(jié)果確定治理措施。

3.1 計算工況

研究中采用理正復雜土層土坡穩(wěn)定計算軟件，運用瑞典條分法和簡化畢肖普法進行計算。工況考慮為天然+暴雨工況(自重+下滲雨水軟化作用)、計算剖面見圖7所示。

圖7 典型剖面圖

3.2 計算參數(shù)的選擇

巖土體參數(shù)主要根據(jù)鉆探取樣測試值《泰順縣筱村鎮(zhèn)里垟村天橋自然村滑坡巖土測試實驗報告》[8]取值，同時參考鄰近工程《泰順縣九峰鄉(xiāng)九峰小學后山滑坡勘查暨治理設計》[9]報告中巖土體參數(shù)值，并與相關規(guī)范中巖土體推薦值進行比較，后做適當調(diào)整。見表1所示。

表1 邊坡巖土體物理參數(shù)表

3.3 穩(wěn)定性評價

通過建立模型計算可知，斜坡在天然工況下斜坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)(K=0.903)該剖面斜坡從現(xiàn)場地形上看，雖相對較緩，但邊坡較高、安全儲備低，且后緣引水渠處已發(fā)育大量裂縫，存在從坡腳公路下方剪出的可能；目前后緣引水渠處已發(fā)生滑坡HP1，沿引水渠兩側(cè)發(fā)育大量裂縫，在降雨等不利條件影響下，極有可能沿現(xiàn)有裂縫處發(fā)生整體下滑，從坡腳剪出，并牽引后緣發(fā)生更大規(guī)模的滑坡。

4 聯(lián)合支檔的有限元模擬分析

4.1 聯(lián)合支檔前坡體穩(wěn)定性分析

以圖7剖面為例，先對未支護前的邊坡進行PLAXIS3D建模分析(如圖8所示)，地層自坡腳起，從左往右分別為棄渣、全風化粉砂巖、強風化粉砂巖、中風化凝灰?guī)r、中風化粉砂巖。模型尺寸的長為200 m，厚為5 m，高為120 m。計算參數(shù)選取見表1。建模及計算過程參見PLAXIS3D相關教程[10]。

圖8 計算模型

從未支護前的位移云(見圖9)可知，邊坡未支護前最大位移達-12.9 m，邊坡安全系數(shù)為0.903。邊坡處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，和現(xiàn)場調(diào)查的已經(jīng)出現(xiàn)大量發(fā)育裂縫的狀態(tài)較為一致，且計算結(jié)果與理正計算結(jié)果完全一致。

圖9 未支護前的位移云圖

4.2 聯(lián)合支檔后坡體穩(wěn)定性分析

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和穩(wěn)定性分析結(jié)果，對該邊坡進行如下治理：一共分為8臺，上6臺為1∶1放坡支護，下2臺為1∶2.5放坡支護，坡腳設置1排抗滑樁，抗滑樁的尺寸為2.5 m×2 m×18 m，1∶1坡面段設置削坡支護。3道12、15、18 m；2道9、20、22 m錨桿，水平間距3 m，錨桿采用2根HRB400直徑25 mm鋼筋。模型網(wǎng)格尺寸如圖10所示。

圖10 支護后的網(wǎng)格圖

圖11為聯(lián)合支檔后邊坡及其支檔結(jié)構(gòu)變形受力情況。從圖中可見，支護后的邊坡最水平位移為125 mm，發(fā)生在邊坡土釘支護位置，邊坡此時的安全系數(shù)為1.71；抗滑樁最大變形在樁頂位置，最大水平位移為60 mm；土釘所受的最大軸力為305 kN，最大軸力位置為最下排土釘?shù)奈恢?。均滿足設計要求，該支護方式可行。

(a)邊坡位移云圖

總體上，通過坡腳設置抗滑樁有效地控制了坡腳的變形，土坡的支擋錨桿的軸力較大區(qū)分布在土坡腰部位置，符合邊坡支擋的“強腰固腳”的機理。

5 結(jié) 語

本文通過對天橋自然村后山不穩(wěn)定斜坡詳細的工程地質(zhì)調(diào)查、巖土體結(jié)構(gòu)，獲得了臺風觸發(fā)滑坡的基本特征；在此基礎上，提出了抗滑樁+錨索的聯(lián)合支檔錨固措施，并對該不穩(wěn)定斜坡的典型剖面建立PLAXIS3D有限元計算模型，分析不穩(wěn)定斜坡——聯(lián)合支檔體系的受力情況。結(jié)論如下。

1)不穩(wěn)定斜坡共分兩處小滑坡組成，滑體方量2 700～3 000 m3，滑向270°～305°，平面上為長條狀，均為牽引式土質(zhì)滑坡。

2)兩處滑坡后緣斜坡地形整體較陡峭，第四系與全風化覆蓋層厚，斜坡表面拉裂縫發(fā)育，拉裂縫與等高線平行與滑向垂直，在強降雨等其他不利條件影響下，存在再次發(fā)生滑坡的可能。

3)通過聯(lián)合支擋的方式，邊坡加固前的安全系數(shù)為0.903，加固后的安全系數(shù)為1.71。邊坡加固前的變形為12.9 m失穩(wěn)破壞，加固后的變形量為125 mm。通過聯(lián)合支擋的方式使得由臺風觸發(fā)的該土質(zhì)滑坡變形得到有效控制。

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