唐 波，陳 勇，張莉萍，曹凱波，邱德俊

(南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，江蘇南京 210022)

水利工程實(shí)踐表明，堤防滑坡不僅會(huì)造成一定的經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)威脅到相關(guān)建筑物的正常運(yùn)行及安全，甚至危及相關(guān)人員的生命安全。堤防滑坡作為常見地質(zhì)災(zāi)害之一，其嚴(yán)重性應(yīng)引起相關(guān)研究人員的足夠重視［1］。

目前，針對(duì)堤防滑坡的防治手段主要從以下兩方面考慮:一是從治理角度考慮，阻斷滑坡繼續(xù)惡性發(fā)展;二是從預(yù)防角度考慮，對(duì)堤防進(jìn)行相關(guān)安全監(jiān)測，建立堤防破壞預(yù)報(bào)系統(tǒng)，減少不必要的災(zāi)害損失。

本文以南京市西山河堤防滑坡為研究對(duì)象，依據(jù)其工程特點(diǎn)進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性的定性及定量分析，并反演堤防臨界破壞時(shí)的土體力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，提出科學(xué)有效的邊坡綜合治理方案。

1 滑坡基本特征

1.1 地形條件

西山河位于南京市高淳區(qū)，是一條人工開挖的泄洪河道，河道從高淳區(qū)境內(nèi)的古柏鎮(zhèn)韓村向西北延伸，在西山閘入石臼湖，全長8 km。西山河左岸為農(nóng)田，無人工堤防;右岸人工堤防高約6 m，寬4～5 m，迎水坡坡比一般為1∶2，局部坡度達(dá)1∶1.5。堤后分布民房、水塘及農(nóng)田等。場地地貌由崗地及河谷地貌單元組成。

1.2 地質(zhì)條件

滑坡區(qū)內(nèi)地下水及地表水豐富。地下水以第四系松散堆積物中的孔隙水為主;地表水受大氣降水影響，水位年變幅1～3 m。

地基土層上部主要為河道開挖時(shí)堆填的粉質(zhì)粘土夾粘土，一般厚度2～5 m，下部主要為可塑—軟塑狀粉質(zhì)粘土及粘土。表面覆蓋層厚10 m左右，下伏基巖為粉砂質(zhì)泥巖。其典型地層剖面如圖1所示。

圖1 西山河右岸堤防典型滑坡地質(zhì)剖面圖Fig.1 The geological profile of typical landslide in the right bank dyke of Xishan River

1.3 滑坡概況

根據(jù)《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL386—2007)表3.2.2，南京市西山河堤防為 4 級(jí)堤防，滑坡影響后果較嚴(yán)重，相應(yīng)邊坡工程安全等級(jí)為4級(jí)。

西山河兩岸堤防幾乎年年發(fā)生蠕動(dòng)、裂縫、塌方以及滑坡等險(xiǎn)情。2013年汛期，西山河右岸堤防岸坡再次相繼發(fā)生兩處滑坡，險(xiǎn)情引起水利主管部門高度重視。2014年7月，西山河右岸堤防再度出現(xiàn)滑坡險(xiǎn)情，該滑坡邊界清楚，在外觀上呈圈椅狀，順?biāo)鞣较蜷L55 m，垂直水流方向斜坡長15 m，中部滑體厚度3～4 m?；嘞蚝拥劳埔萍s5～10 m，已嚴(yán)重阻水。

2 滑坡成因機(jī)理分析

大多數(shù)滑坡是由外部因素和內(nèi)部因素共同作用的結(jié)果，針對(duì)南京市西山河堤防滑坡情況，其內(nèi)部因素主要為復(fù)雜多變的地質(zhì)條件，外部因素主要為降雨及人類活動(dòng)。

2.1 內(nèi)部因素分析

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，高淳地區(qū)多數(shù)粘性土邊坡產(chǎn)生滑動(dòng)的原因與膨脹土有關(guān)。本工程地質(zhì)勘察時(shí)進(jìn)行了土的自由膨脹率試驗(yàn)與礦物成分檢測試驗(yàn)(見表1)，試驗(yàn)結(jié)果表明該場地土具有一般粘性土所具有的遇水膨脹性，但尚不屬于膨脹性土范疇。

分散性土的塑性指數(shù)在7～20范圍［2］。為分析本工程場地土分散性，主要進(jìn)行了現(xiàn)場碎塊試驗(yàn)。因土塊無分散性膠粒的反應(yīng)，土塊水解后在量杯底部以細(xì)粒狀平堆，水色是清的，或稍渾濁后很快又變清，依據(jù)《水利水電天然建筑材料勘察規(guī)程》(SL251—2000)附錄A判別:本場地土屬于非分散性土。故本滑坡工程仍按一般粘性土滑坡考慮。

滑坡工程實(shí)踐和室內(nèi)試驗(yàn)研究都證實(shí)了土的破壞主要是由于剪切所引起，為了更準(zhǔn)確地反映破壞時(shí)實(shí)際工況，應(yīng)用了多種試驗(yàn)條件(包括天然狀態(tài)、飽和狀態(tài)下直剪、反復(fù)剪等等)對(duì)各土層進(jìn)行剪切指標(biāo)測定。結(jié)果(見表2)表明:飽和狀態(tài)下堤身填土層(土樣①)剪切指標(biāo)較小;粉質(zhì)粘土層(土樣②)剪切指標(biāo)本身較小。

表1 土樣礦物成分及自由膨脹率試驗(yàn)成果表Table 1 The test results of soil mineral composition and free expansive rate

表2 不同條件下土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)匯總表Table 2 The summary of soil shear strength indexes in different conditions

2.2 外部因素分析

2.2.1 雨水作用

2013年夏天，持續(xù)的干旱后，在6月11日—25日遭遇連續(xù)的陰雨天氣，其中18日、25日降雨達(dá)到暴雨級(jí)別，18日雨量最大，達(dá)到了119.3 mm。自21日開始，西山河右岸堤防出現(xiàn)滑坡前兆，至25日發(fā)生多處堤防裂縫，2處滑坡。促使西山河堤防滑坡的重要外部因素是水的作用，由于地下水補(bǔ)給，助長了土體裂隙張開和向深部發(fā)展，減小了粘聚力，降低了土體強(qiáng)度。河水猛漲浸泡坡腳，既軟化坡腳，又在流水和波浪作用下，淘刷坡腳，增加了坡體不穩(wěn)定因素，易形成牽引式滑坡。

2.2.2 人類活動(dòng)

除了雨水作用外，人為因素也是導(dǎo)致滑坡的重要因素。本次堤防滑坡主要集中于右岸堤防的韓村段，現(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn)堤頂?shù)缆菲茐膰?yán)重，經(jīng)水利站工作人員介紹，該路段經(jīng)常性有載荷汽車通行，汽車荷載與震動(dòng)可能增加了滑坡體后緣的壓力，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的負(fù)面影響，堤后方大量民房分布及耕地，生產(chǎn)、生活用水的自然排放以及耕地澆灌引起的地下水位抬升也是邊坡失穩(wěn)的不利因素。

3 穩(wěn)定性分析及參數(shù)反演

3.1 穩(wěn)定性分析方法

基于對(duì)邊坡巖土的成因、巖土特征、坡度、自然條件、人為活動(dòng)等多種因素的綜合分析，本工程邊坡屬上部為人工堆積層、中部為原坡土層、底部為殘坡積土共同組成的相對(duì)較陡的土質(zhì)邊坡［3－4］。由于邊坡穩(wěn)定與否直接關(guān)系到西山河防洪安全和堤頂?shù)缆钒踩葐栴}，分析導(dǎo)致滑坡的主要影響因素，是設(shè)計(jì)相應(yīng)治理方案的主要參考依據(jù)。常見穩(wěn)定性分析方法分為定性分析與定量分析兩大類，定性分析多用工程地質(zhì)類比法，定量分析多用典型地質(zhì)剖面作為穩(wěn)定性驗(yàn)算剖面，采用圓弧滑動(dòng)法進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算軟件為理正巖土軟件6.0 版。

3.2 定性分析

滑坡區(qū)的勘察資料反映，滑體主要由堤身填土(粉質(zhì)粘土、粘土)及原狀粘性土組成?；伦冃螜C(jī)制主要表現(xiàn)為:河水長期浸沒坡腳，迎水坡側(cè)土體抗剪強(qiáng)度降低;坡面裸露，堤頂雨水經(jīng)過坡面直接滲入堤身，加大堤身滑坡的可能;后緣堤頂?shù)缆菲嚭奢d，加大邊坡失穩(wěn)可能性;堤后方大量民房分布，生產(chǎn)生活用水的自然排放是邊坡穩(wěn)定的負(fù)面因素。

綜上所述，邊坡穩(wěn)定存在較多不利因素。從該河段前幾次滑坡與治理情況分析，該河道右岸邊坡仍存在產(chǎn)生滑坡的隱患。

3.3 定量分析

穩(wěn)定分析計(jì)算基于理正巖土邊坡穩(wěn)定分析軟件，結(jié)合地質(zhì)資料，根據(jù)滑坡斷面來建立計(jì)算模型(圖2)?；逻吔鐥l件及參數(shù)考慮如下:

(1)采用通常認(rèn)為的土質(zhì)邊坡滑動(dòng)模式(即假定滑面為圓弧滑動(dòng)面)，瑞典條分法，并根據(jù)現(xiàn)場滑坡特征指定剪出、入口范圍(使滑動(dòng)破壞情況盡可能與前期滑坡特征類似)。

(2)考慮暴雨引起上部土體增重對(duì)邊坡的穩(wěn)定影響，堤頂?shù)叵滤蝗≈?3.50 m(據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)按埋深1 m考慮)，河水位取西山河正常洪水位9.5 m。

(3)現(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn)，并經(jīng)水利站工作人員介紹，堤頂經(jīng)常有載荷汽車通行，計(jì)算時(shí)考慮汽車荷載(本次取值按汽-10級(jí)取值，荷載強(qiáng)度15.528 kPa)。

(4)場地屬基本烈度6度區(qū)，邊坡穩(wěn)定性計(jì)算不考慮地震工況。

利用地勘報(bào)告提供的常規(guī)條件下固快指標(biāo)、飽和狀態(tài)下慢剪及殘余剪指標(biāo)進(jìn)行穩(wěn)定分析計(jì)算，兩處邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)均大于1，邊坡穩(wěn)定;而現(xiàn)實(shí)邊坡已經(jīng)失穩(wěn)，所以工程邊坡失穩(wěn)除上述因素及邊界條件外，還應(yīng)考慮以下綜合因素對(duì)土體力學(xué)指標(biāo)的折減:

(1)坡面上部填土層系當(dāng)年河道開挖直接人工堆填而成，欠碾壓密實(shí)，本身力學(xué)指標(biāo)不高，在雨水作用下飽和、變軟。

(2)坡腳土體經(jīng)河水長期浸泡，土體力學(xué)指標(biāo)有所下降。本次穩(wěn)定分析，按照《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL386—2007)5.2.6條款，運(yùn)用強(qiáng)度折減法對(duì)地質(zhì)資料提供的力學(xué)指標(biāo)(平均值)進(jìn)行強(qiáng)度折減(c、tgφ同時(shí)折減，ψ為折減系數(shù))，算至邊坡穩(wěn)定分析安全系數(shù)接近1.00的極限狀態(tài)。

邊坡穩(wěn)定分析計(jì)算參數(shù)取值見表3。其中，各土層的重度指標(biāo)未折減，均采用飽和狀態(tài)重度指標(biāo);對(duì)力學(xué)參數(shù)折減時(shí)(ψ為折減系數(shù))均以地質(zhì)報(bào)告提供的各土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)平均值為基準(zhǔn)。

(3)強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖取經(jīng)驗(yàn)值:γ=26 kN/m3，ck=80 kPa，φk=28o，基巖埋深相對(duì)較大，計(jì)算時(shí)未考慮巖石層強(qiáng)度折減。

圖2 典型斷面穩(wěn)定分析計(jì)算簡圖Fig.2 The sketch showing the stability analysis and calculation of typical cross-section

表3 穩(wěn)定分析計(jì)算參數(shù)取值表Table 3 Parameters selected in the stability analysis and calculation

3.4 抗剪強(qiáng)度參數(shù)確定

綜合考慮地質(zhì)報(bào)告提供的各土層力學(xué)指標(biāo)與穩(wěn)定分析強(qiáng)度折減后的指標(biāo)，本次綜合治理設(shè)計(jì)所需地質(zhì)條件參數(shù)選取指標(biāo)推薦值見表4。

表4 巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)推薦值表Table 4 Recommended values for the shear strength parameters of rock and soil mass

4 整治方案

根據(jù)對(duì)地質(zhì)資料和現(xiàn)場調(diào)查資料的分析，綜合本工程堤防等級(jí)、邊坡級(jí)別，以及現(xiàn)場地形條件、施工技術(shù)、投資等因素［5］，本工程主要整治方案擬從下部土體抗滑、坡內(nèi)排水、坡面保護(hù)等方面考慮(由于本工程規(guī)模不大、投資經(jīng)費(fèi)有限，抗滑樁暫不考慮)。整治方案主要設(shè)計(jì)內(nèi)容如下(設(shè)計(jì)剖面如圖3所示)。

圖3 滑坡治理設(shè)計(jì)斷面圖Fig.3 The designed cross-section in landslide control engineering

(1)懸臂式擋墻:采用懸臂式擋土墻，擋墻高1.5 m，底板高程8.30 m;混凝土強(qiáng)度等級(jí)C25，縱向受拉鋼筋應(yīng)采用Ⅱ級(jí)以上的帶肋鋼筋，直徑14 mm，鋼筋籠的混凝土保護(hù)層采用35 mm?？辈靾?bào)告顯示，滑坡河底分布偏軟的粉質(zhì)粘土，同時(shí)考慮到河底土層長期受河水浸泡而偏軟，故本次設(shè)計(jì)考慮對(duì)擋墻地基均進(jìn)行木樁處理;擋墻前按基坑開挖線回填塊石固基與防沖。

(2)混凝土護(hù)坡:擋墻內(nèi)側(cè)在▽9.80～▽12.00 m高程沿岸坡新建C20素砼現(xiàn)澆護(hù)坡。素混凝土等級(jí)C20，厚度100 mm，其下碎石墊層100 mm及土工布(300 g/m2);護(hù)坡上、下均設(shè)300 mm×500 mm素混凝土縱格梗。

(3)草皮護(hù)坡:混凝土護(hù)坡往上，高程▽12.00 m至堤頂采用草皮護(hù)坡(播撒草籽)。

(4)排水設(shè)計(jì):在懸臂式擋土墻墻身▽8.80 m處設(shè)排水孔，墻內(nèi)通常布置土工膜包碎石排水系統(tǒng);混凝土護(hù)坡設(shè)Φ50PVC排水管(墊層側(cè)包裹土工布)。另據(jù)業(yè)主單位介紹，西山河右岸擬新建4級(jí)公路，道路設(shè)計(jì)時(shí)考慮路面排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

按《水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL379—2007)，結(jié)合本工程規(guī)模及實(shí)際情況，經(jīng)運(yùn)行期、施工期等工況分析、計(jì)算，擋土墻設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求;按《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》(386—2007)，經(jīng)復(fù)核計(jì)算岸坡的整體穩(wěn)定亦滿足規(guī)范要求。設(shè)計(jì)方案可行。

5 結(jié)論

(1)滑坡的形成是外因和內(nèi)因共同作用的結(jié)果，研究滑坡失穩(wěn)機(jī)制是進(jìn)行滑坡治理設(shè)計(jì)的前提，分析時(shí)應(yīng)充分考慮相關(guān)因素，工程實(shí)踐證明，基于這些考慮方能經(jīng)濟(jì)而有效進(jìn)行滑坡治理。

(2)滑坡土體的力學(xué)參數(shù)選定是進(jìn)行滑坡分析和治理設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，通過參數(shù)反演能提高治理方案設(shè)計(jì)的可靠性。

(3)諸如水庫庫岸、堤防等涉水邊坡工程，治水是治理滑坡很重要的一環(huán)，做好坡體的截水、排水至關(guān)重要。

［1］ 唐波，陳勇，羅海東，等.南京市胥河茅東段堤防滑坡原因分析及治理方案探討［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2012，20(增刊):43 －46.

［2］ 樊恒輝，孔令偉.分散性土研究［M］.北京:中國水利水電出版社，2012:10－49.

［3］ 唐波，董小卓，黃天增，等.高淳區(qū)石臼湖西山河段堤防應(yīng)急處理工程設(shè)計(jì)報(bào)告［R］.南京:南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，2014.

［4］ 中華人民共和國水利部.水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范:SL 386—2007［S］.北京:中國水利水電出版社，2007.

［5］ 中華人民共和國水利部.水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范:SL 379—2007［S］.北京:中國水利水電出版社，2007.