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        湘南地區(qū)煤系地層邊坡失穩(wěn)分析及其治理研究

        2018-01-04 03:27:16鄭一晨張可能
        城市勘測(cè) 2017年6期
        關(guān)鍵詞:炭質(zhì)煤系郴州

        鄭一晨,張可能

        (1.廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,廣東 廣州 510060;2.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院地質(zhì)工程系,湖南 長(zhǎng)沙 410083)

        湘南地區(qū)煤系地層邊坡失穩(wěn)分析及其治理研究

        鄭一晨1*,張可能2

        (1.廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,廣東 廣州 510060;2.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院地質(zhì)工程系,湖南 長(zhǎng)沙 410083)

        郴州城市發(fā)展建設(shè)過(guò)程中煤系土滑坡地質(zhì)災(zāi)害一直是最為常見,一般發(fā)生在第四系坡積物覆蓋的山坡地段,以炭質(zhì)泥巖、炭質(zhì)頁(yè)巖等煤系土為主?;麦w形態(tài)完整,呈舌狀、長(zhǎng)條狀、扇狀或不規(guī)則狀;剖面呈階梯狀,邊界輪廓清晰;滑坡后壁具明顯的圈椅形態(tài)。本文結(jié)合具體工程案例主要對(duì)煤系土邊坡主要破壞類型進(jìn)行歸納描述,并對(duì)煤系土邊坡失穩(wěn)特征、失穩(wěn)機(jī)理、誘發(fā)因素展開研究,提出有效治理措施,滑坡趨勢(shì)得到有效控制。

        煤系地層;滑坡;郴州地區(qū)

        1 前 言

        隨著廣大工程地質(zhì)工作者通過(guò)長(zhǎng)期工程實(shí)踐認(rèn)識(shí)研究,循序漸進(jìn)地對(duì)邊坡變形機(jī)理及其失穩(wěn)因素過(guò)程分析,進(jìn)而不斷細(xì)化具體邊坡破壞類型分類劃分[1,2]。每次邊坡破壞過(guò)程中都能反映出三要素:邊坡破壞類型,破壞巖土體的滑動(dòng)速度,破壞規(guī)模范圍。綜合三要素全面體現(xiàn)了邊坡漸進(jìn)性破壞全過(guò)程及危害體現(xiàn)。本文考慮郴州地區(qū)煤系土特殊工程性狀,總結(jié)在自然與人為因素作用下郴州地區(qū)煤系土邊坡破壞形式主要表現(xiàn)為坡面沖蝕、泥石流、傾倒破壞(坍塌)及滑坡[3]。

        郴州城市發(fā)展建設(shè)過(guò)程中煤系土滑坡地質(zhì)災(zāi)害一直是最為常見,依據(jù)2014年郴州市國(guó)土部門統(tǒng)計(jì)調(diào)查顯示,滑坡災(zāi)害隱患點(diǎn)數(shù)量(1 020處)高占郴州市地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)總數(shù)(1 132處)的82.8%(如圖1所示)?;聟^(qū)別于崩塌通常以深層破壞的形式出現(xiàn)?;瑒?dòng)面往往深入到坡體內(nèi)部,甚至延伸到坡腳以下,且滑動(dòng)速度比崩塌緩慢,不同滑坡滑速各異主要取決于滑動(dòng)面本身的物理力學(xué)特性。

        圖1 2014年郴州市邊坡地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)類型統(tǒng)計(jì)

        郴州地區(qū)滑坡一般發(fā)生在第四系坡積物覆蓋的山坡地段,以炭質(zhì)泥巖為主。滑坡造成破壞損失嚴(yán)重。郴州地區(qū)煤系土邊坡巖土體在自身重力作用下,沿著巖土軟弱面,緩慢蠕動(dòng)下滑,經(jīng)歷從蠕變階段到破壞階段再發(fā)展到自穩(wěn)平衡階段。在特殊的地形地貌地質(zhì)條件下,煤系土滑坡周界常見為橫跨式,延伸較長(zhǎng),發(fā)生于巖土軟弱交界面處(如圖2、圖3所示)。

        圖2 滑坡(郴州市同心橋安置小區(qū)邊坡失穩(wěn))

        圖3 滑坡(駱仙嶺駱仙西路C區(qū)滑坡)

        表1統(tǒng)計(jì)列舉了近幾年郴州地區(qū)煤系土邊坡發(fā)生的重大滑坡事故狀況。根據(jù)表1可以看出,同坡度傾向順層邊坡及炭質(zhì)泥巖往往是煤系土邊坡滑動(dòng)失穩(wěn)的內(nèi)在因素。在連續(xù)性降雨下、風(fēng)化干濕循環(huán)作用及人工超開挖邊坡等外界擾動(dòng)作用下最終導(dǎo)致邊坡滑動(dòng)失穩(wěn)破壞。

        郴州地區(qū)(2010~2014)年煤系土滑坡案例統(tǒng)計(jì)表 表1

        2 煤系土邊坡失穩(wěn)特征分析

        郴州城市發(fā)展建設(shè)過(guò)程中煤系土滑坡地質(zhì)災(zāi)害一般發(fā)生在第四系坡積物覆蓋的山坡地段,以炭質(zhì)泥巖、炭質(zhì)頁(yè)巖等煤系土為主?;麦w形態(tài)完整,呈舌狀、長(zhǎng)條狀、扇狀或不規(guī)則狀;剖面呈階梯狀,邊界輪廓清晰;滑坡后壁具明顯的圈椅形態(tài)。

        郴州地區(qū)典型煤系邊坡大多為巖土混合邊坡,即下部巖層,上部土層,或者巖層與土層互層。地層分布類型從上至下可描述為:

        (1)坡面表層為第四系坡積粉質(zhì)黏土及第四系坡積碎石土,往往系泥巖、砂頁(yè)巖風(fēng)化坡殘積物,表層含有少量植物根系;

        (2)二疊系全風(fēng)化頁(yè)巖,褐黃色,灰色~灰黑色,且原巖結(jié)構(gòu)構(gòu)造基本破壞;

        (3)二疊系中風(fēng)化頁(yè)巖,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖質(zhì)較硬,巖體較完整;

        (4)石炭系中風(fēng)化灰?guī)r及石炭系中風(fēng)化炭質(zhì)灰?guī)r,薄—中厚層狀構(gòu)造,節(jié)理裂隙較發(fā)育,巖質(zhì)較硬,為邊坡穩(wěn)定基巖(煤系地層典型地質(zhì)坡面如圖4所示)。

        圖4郴州地區(qū)煤系土邊坡典型地質(zhì)

        煤系土邊坡滑動(dòng)特征大致分為a牽引式滑坡,b推移式滑坡,c整體滑坡(如圖5所示)。

        其中以牽引式滑坡最為頻發(fā),隨著切坡開挖造成邊坡應(yīng)力重分布,邊坡幾何形狀變異,坡腳易出現(xiàn)應(yīng)力集中,在外營(yíng)力作用(雨水風(fēng)化干濕循環(huán))下,煤系土體迅速軟化,抗剪強(qiáng)度劇減,開挖邊坡坡頂線附近形成張力帶,產(chǎn)生拉張裂縫,而坡腳應(yīng)力集中,產(chǎn)生剪切破壞現(xiàn)象,最終發(fā)展至滑坡體從坡腳位置剪出。而在流變破壞損傷后僅剩殘余強(qiáng)度的巖土體無(wú)法再支撐上部土體而向后產(chǎn)生牽引作用,在無(wú)人工有效支護(hù)治理措施下,滑坡體將逐級(jí)向上部牽引擴(kuò)張,不斷惡性循環(huán),破壞范圍進(jìn)一步擴(kuò)展形成整體破壞。以郴州市駱仙嶺人防辦A區(qū)滑坡為例(如圖6所示),因場(chǎng)地整平切坡,曾多次發(fā)生滑動(dòng),在場(chǎng)地北側(cè)形成高度約 3 m~14 m高的高陡邊坡,坡面呈現(xiàn)出大量張拉裂縫及多級(jí)沉降臺(tái)階錯(cuò)亂分布。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)失穩(wěn)特征判斷其為典型性牽引式滑坡群。

        圖5煤系土邊坡滑動(dòng)特征

        圖6 駱仙嶺A區(qū)大型牽引式滑坡

        3 煤系土邊坡失穩(wěn)誘因

        3.1 持續(xù)性暴雨與地下水環(huán)境

        降雨豐富且爆發(fā)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)是郴州地區(qū)煤系土滑坡災(zāi)害頻發(fā)高發(fā)的重要因素之一。如2012年受第12號(hào)臺(tái)風(fēng)“潭美”影響,湖南省降雨明顯劇增,且暴雨中心位于郴州地區(qū),平均降雨量達(dá) 84.3 mm,引起郴州市蘇仙區(qū)、資興市、北湖區(qū)等縣(市、區(qū)) 9 000余起邊(滑)坡地質(zhì)災(zāi)害,轉(zhuǎn)移群眾達(dá)2萬(wàn)人。由暴雨產(chǎn)生的徑流沖刷破壞邊坡坡面植被,持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)高強(qiáng)度降雨及暴雨使坡體含水量劇增,巖土體自重加大,而煤系土受干燥—浸水活化作用影響較大,水和外力作用下極易形成軟弱帶,大多由煤系巖層和風(fēng)化物構(gòu)成,造成應(yīng)力變異,巖體蠕動(dòng)變形。裂隙水補(bǔ)給致使其靜水壓力和空隙水壓力加大[4~7],下滑力增加同時(shí)抗剪強(qiáng)度劇減抗滑力下降。雨水入滲通過(guò)一系列化學(xué)物理作用使滑坡坡面已有張拉裂縫擴(kuò)大變形,加劇了邊坡蠕變失穩(wěn)過(guò)程。

        3.2 地層巖性

        煤系土具有巖層軟硬不均、層間膠結(jié)較差、結(jié)構(gòu)松散、開挖后風(fēng)化速度較快且遇水易軟化、性能極不穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)易破壞而喪失強(qiáng)度等特點(diǎn),其結(jié)構(gòu)面軟弱致使巖土體整體強(qiáng)度降低,并增強(qiáng)其土體流變性,加深了巖土體的不均勻性、和非連續(xù)性。郴州地區(qū)煤系土開挖邊坡在切方過(guò)程中,隨著切削表層第四系殘坡積層(粉質(zhì)黏土厚約 1 m~3 m)后,致使坡體內(nèi)炭質(zhì)頁(yè)巖、炭質(zhì)泥巖等巖層暴露,多于坡腳處堆積。強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)泥巖一般沉積成因,泥質(zhì)結(jié)構(gòu),薄厚層狀構(gòu)造,平均厚度約 10 m左右,透水性強(qiáng)。地層往下漸變?yōu)橹酗L(fēng)化炭質(zhì)泥巖,隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu),中厚層構(gòu)造,揭露平均厚度約 5 m左右,碳酸鹽礦物膠結(jié),節(jié)理裂隙發(fā)育,巖質(zhì)較硬,巖體較完整,相對(duì)不透水層。炭質(zhì)頁(yè)巖及炭質(zhì)泥巖隨地表強(qiáng)風(fēng)化程度往坡體深部漸變風(fēng)化,無(wú)明顯分界面。在風(fēng)化干濕循環(huán)外界作用下,不斷加劇坡體深部侵蝕,巖體強(qiáng)度不斷降低,形成軟弱結(jié)構(gòu)面為滑坡提供了有利條件[8]。

        3.3 邊坡開挖及施工時(shí)序工藝

        邊坡在外界條件的共同作用下(如人工開挖、降雨等),失穩(wěn)是一個(gè)由局部失穩(wěn)、整體失穩(wěn)、最終發(fā)展為滑坡的漸變過(guò)程,在此過(guò)程中邊坡控制因素也是“動(dòng)態(tài)”漸變的。郴州地區(qū)絕大多數(shù)自穩(wěn)狀態(tài)下煤系土邊坡破壞原因與人工開挖密切相關(guān),開挖切方后邊坡的原應(yīng)力狀態(tài)改變,應(yīng)力再次分布后于坡腳位置集中,在降雨等外營(yíng)力作用下坡體蠕變滑移,不斷產(chǎn)生坡體裂縫且加劇,由局部坍塌破壞最終發(fā)展至最終滑坡失穩(wěn)。

        而往往由于工期緊張等原因,邊坡支護(hù)施工過(guò)程中沒有依據(jù)分層開挖分層支護(hù)及分段治理原則,而是簡(jiǎn)單的采取一律一挖到底,如坡面錨桿(索)及注漿施工完成后未及時(shí)施工格構(gòu)梁骨架,支護(hù)結(jié)構(gòu)零散作用卻未形成有效整體效應(yīng),從而引發(fā)邊坡局部失穩(wěn)發(fā)展至滑坡;施工未考慮降雨含水率增大對(duì)煤系土產(chǎn)生的特殊影響,常于雨季施工而無(wú)任何針對(duì)暴雨采取的輔助排水措施,導(dǎo)致邊坡滑塌。

        4 郴州市同心橋邊(滑)坡治理工程案例

        4.1 工程概況

        郴州市同心橋村安置小區(qū)臨同心路以西,四周山地環(huán)繞。按規(guī)劃設(shè)計(jì)要求整平場(chǎng)地后,形成約 240 m左右長(zhǎng)、10 m~20 m左右高的切方邊坡,場(chǎng)地中間分臺(tái)階整平。該邊坡地處區(qū)域?yàn)橹衼啛釒Ъ撅L(fēng)性濕潤(rùn)氣候,場(chǎng)地地下水主要補(bǔ)給來(lái)源為鄰近區(qū)巖溶裂隙水和大氣降水。場(chǎng)地附近無(wú)地表水系分布,山澗溝谷常年無(wú)水。

        4.2 工程特點(diǎn)及邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)原則

        場(chǎng)地地層揭露為厚層煤系土層(炭質(zhì)泥巖、炭質(zhì)頁(yè)巖),如圖7、圖8所示。坡體開挖后加速風(fēng)化劇烈,恰逢暴雨季節(jié),坡體開挖已經(jīng)處于極限平衡狀態(tài),急需立即對(duì)其進(jìn)行邊坡支護(hù)。

        經(jīng)過(guò)方案綜合比對(duì),最后確定采用“放坡+錨桿+人字形骨架+矮擋墻”的支護(hù)方案,并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形情況,將場(chǎng)地分為六段進(jìn)行治理,支護(hù)形式如表2所示。

        圖7 (巖土界面)深厚層炭質(zhì)泥巖

        圖8 巖體破碎

        同心橋邊坡分段支護(hù)方案 表2

        4.3 邊坡失穩(wěn)發(fā)展過(guò)程

        2012年10月21日?qǐng)龅刂胁砍霈F(xiàn)開裂,該裂縫原為2012年8月17日坡體失穩(wěn)周界(當(dāng)時(shí)裂縫是閉合的,而現(xiàn)在是展開的),該處開裂的原因是由于坡腳圍墻處土體超開挖,坡體抗滑力不足所致,2013年3月1日,場(chǎng)地南段截水溝及人字形骨架還未完成施工,2013年3月28于南段與東面交界位置發(fā)生垮塌(如圖9所示),場(chǎng)地截水溝約8處開裂,裂縫最寬約 10 cm(如圖10所示)。

        圖9 坡面垮塌

        圖10 坡面裂縫

        2013年6月9日在隨著以一挖到底的方式下進(jìn)行大規(guī)模開挖后,導(dǎo)致原本就分布多條裂縫的區(qū)域(南段與東面交界處)出現(xiàn)滑坡,滑坡后壁高差約 50 cm,滑坡體從二級(jí)坡面上剪出,現(xiàn)場(chǎng)可見明顯剪出口,滑坡范圍寬約 15 m~20 m,長(zhǎng)約 10 m~15 m,高差約 7 m~9 m(如圖11、圖12所示)。

        圖11 滑坡周界

        圖12 滑坡側(cè)邊擠出

        2013年7月14日?qǐng)龅貣|面二級(jí)坡體出現(xiàn)淺層滑動(dòng),坡面現(xiàn)大量裂縫,第二排抗滑樁頂上部有明顯的剪出口;南段與東面交界處區(qū)域滑坡變形繼續(xù)加劇,滑坡后壁高差最大約 2.2 m,滑坡剪出口錯(cuò)動(dòng)約 5 cm;由于施工時(shí)骨架嵌入土體深度不夠(約 150 mm),在連續(xù)降雨作用下,雨水在骨架中積滯不能有效排除,慢慢入滲坡體內(nèi)部加劇邊坡蠕滑變形。

        2013年9月9日?qǐng)龅谺C段后排抗滑樁發(fā)生嚴(yán)重傾斜破壞(傾斜約15°~20°),樁后坡面土體開裂加劇,逐級(jí)牽引發(fā)生更大變形破壞;主要原因?yàn)殡p排抗滑樁樁頂冠梁及雙排樁間板梁都未及時(shí)施工(樁錨桿及板梁錨索也未施工),雙排樁不能成為有效整體,受力不均勻,不能有效充分利用雙排樁土拱效應(yīng),導(dǎo)致炭質(zhì)泥巖從樁間位置擠出(如圖13、圖14所示);滑坡若不立即采取有效搶險(xiǎn)治理措施,坡體將會(huì)發(fā)展到整體滑動(dòng),十分危急。

        圖13 后排樁傾斜

        4.4 邊坡失穩(wěn)搶險(xiǎn)治理

        (1)固腳:立即完成雙排樁頂冠梁及樁間板梁搶險(xiǎn)施工,同時(shí)預(yù)留其間錨索、錨桿孔位,對(duì)于后排傾斜樁與前排樁間的板梁施工在預(yù)留板梁鋼筋之后直接整體灌注(原設(shè)計(jì)保留樁板梁間土體綠化),之后再進(jìn)行錨桿錨索施工。

        (2)對(duì)該段滑坡體采取進(jìn)一步的削坡卸載并對(duì)滑坡后緣既有陡坎進(jìn)行堆土反壓,反壓土體的高度須覆蓋至陡坎高度的2/3處,進(jìn)行雙液注漿加固。

        (3)排水:考慮到搶險(xiǎn)工期緊迫,將截水溝由原設(shè)計(jì)的漿砌片石砌筑改為素混凝土澆筑,并修復(fù)已開裂的排水溝及時(shí)填補(bǔ)坡體間大量張拉裂縫防治雨水滲入坡體加劇蠕滑變形。

        (4)炭質(zhì)泥巖滲透性好,為透水層,在修整坡面后在坡面整體覆蓋隔水性強(qiáng)的夯實(shí)粉質(zhì)黏土,坡體增設(shè)泄水孔,加強(qiáng)深部排水作用。

        截至2014年初,滑坡?lián)岆U(xiǎn)治理完成后,邊坡現(xiàn)已基本穩(wěn)定,滿足邊坡功能使用要求。

        5 結(jié) 語(yǔ)

        通過(guò)在對(duì)郴州地區(qū)地質(zhì)背景調(diào)查,氣象水文條件研究統(tǒng)計(jì)以及對(duì)煤系地層區(qū)域地質(zhì)特征分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合對(duì)典型性煤系土邊(滑)坡工程案例失穩(wěn)過(guò)程的分析研究,對(duì)煤系土邊坡主要破壞類型進(jìn)行歸納描述,并對(duì)煤系土邊坡失穩(wěn)特征、失穩(wěn)機(jī)理、誘發(fā)因素展開研究,得出如下結(jié)論:

        (1)綜合考慮郴州地區(qū)煤系土特殊物理力學(xué)性質(zhì),總結(jié)在自然與人為因素作用下郴州地區(qū)煤系土邊坡破壞形式主要表現(xiàn)為坡面沖蝕、泥石流、傾倒破壞(坍塌)及滑坡,其中以滑坡災(zāi)害最為頻繁嚴(yán)重。

        (2)郴州市東部、中南部地區(qū)多崇山峻嶺,河谷密布、地形切割強(qiáng)烈,大范圍分布炭質(zhì)頁(yè)巖,浮土松散層較厚,煤系土結(jié)構(gòu)性差,受擾動(dòng)后極易產(chǎn)生松動(dòng),易崩解,具有很強(qiáng)的活化性,經(jīng)過(guò)風(fēng)化干濕作用循環(huán)后成泥炭土,遇暴雨特別是連續(xù)性暴雨,易形成地表徑流,并迅速匯集,極易發(fā)滑坡災(zāi)害。

        (3)郴州地區(qū)典型煤系土邊坡大多為巖土混合邊坡,即下部巖層,上部土層,或者巖層與土層互層。同坡度傾向順層邊坡及炭質(zhì)泥巖往往是煤系土邊坡滑動(dòng)失穩(wěn)的內(nèi)在因素,在連續(xù)性降雨下、風(fēng)化干濕循環(huán)作用及人工超開挖邊坡等外界擾動(dòng)作用下最終導(dǎo)致邊坡滑動(dòng)失穩(wěn)破壞?;卤亟?jīng)三個(gè)階段即從初始醞釀階段(蠕動(dòng)變形階段)發(fā)展至突變階段最終演變至殘余變形或漸趨穩(wěn)定階段。

        (4)郴州地區(qū)煤系土邊坡失穩(wěn)誘因復(fù)雜多樣化,致使邊坡滑動(dòng)破壞的主要因素包括由季節(jié)性、突發(fā)性、連續(xù)性暴雨作用及引起的地下水環(huán)境變化有關(guān);煤系土特殊地層巖性即巖層軟硬不均、層間膠結(jié)較差、結(jié)構(gòu)松散、開挖后風(fēng)化速度較快且遇水易軟化、性能極不穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)易破壞而喪失強(qiáng)度等特點(diǎn)也是邊坡失穩(wěn)重要原因;絕大多數(shù)自穩(wěn)狀態(tài)下煤系土邊坡破壞原因與人工開挖密切相關(guān),其穩(wěn)定與否很大程度上取決于施工工藝選取及邊坡施工過(guò)程穩(wěn)定性保證。

        (5)本文以郴州地區(qū)典型煤系土邊(滑)坡治理工程為研究背景,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)持續(xù)跟蹤調(diào)查研究其實(shí)際動(dòng)態(tài)變化過(guò)程,研究郴州地區(qū)煤系地層邊坡的破壞模式、失穩(wěn)特征及誘發(fā)因素,表明煤系地層邊坡以牽引式滑坡為主,滑面位置多為巖土軟弱界面,開挖后在連續(xù)性暴雨下不斷蠕滑破壞。

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        SouthernHunanCoalBearingStrataSlopeFailureAnalysisandGovernanceResearch

        Zheng Yichen1,Zhang Keneng2

        (1.Guangzhou Urban Planning and Design Survey Research Institute,Guangzhou 510060,China; 2.Department of Geological Engineering,School of Geosciences and Info-Physics,Central South University,Changsha 410083,China)

        In the process of urban development and construction in Chenzhou,it is the most common and difficult geological disaster. Generally occurs in the sediments of Quaternary covered slopes in the area,carbonaceous mudstone and carbonaceous shale coal bearing soil. The complete form of the landslide,a tongue,strip and fan-shaped or irregular shape;profile ladder,contour clear;backscarp with obvious chair shape. In this paper,the main damage types of coal measure soil slope are summarized and described with the specific engineering cases,in addition,the instability characteristics,instability mechanism and inducing factors of the slope are studied,and the effective control measures are put forward.

        coal measure strata;landslide;Chenzhou region

        1672-8262(2017)06-155-06

        P642.22

        A

        2017—02—14

        鄭一晨(1990—),男,碩士,助理工程師,主要從事巖土工程勘察設(shè)計(jì)等技術(shù)工作。

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