段全江
(中交遠(yuǎn)洲交通科技集團(tuán)有限公司,河北 石家莊 050050)
在地質(zhì)條件復(fù)雜的山區(qū)修建高速公路,由于線型的限制,必然存在大量的邊坡工程。其中巖質(zhì)順層邊坡在工程斜坡中穩(wěn)定性較差,且容易發(fā)生變形破壞,常因開(kāi)挖不當(dāng)、處治不及時(shí)等發(fā)生順層滑動(dòng),勢(shì)必對(duì)工程安全和施工成本造成嚴(yán)重影響。
某高速K13+900—K14+068段左側(cè)在開(kāi)挖約5m時(shí),引起開(kāi)口線外約30m處的高壓線塔的變形。本文對(duì)該滑坡區(qū)的地質(zhì)條件、變形特征等進(jìn)行分析,提出相關(guān)處治方案,為后續(xù)該類(lèi)型邊坡的設(shè)計(jì)及施工提供參考。
場(chǎng)地屬構(gòu)造剝蝕丘陵地貌區(qū),地處山間溝谷斜坡,海拔314~450m,向西側(cè)偏南傾斜,原地面坡度25~30°,植被較為發(fā)育,覆蓋率較好。滑坡位于斜坡中上部,高程在385~420m。斜坡下部為在建高速開(kāi)挖堆填區(qū),局部坡度約40°,整體地形在剖面上呈階梯狀,施工區(qū)位于斜坡中下部。
場(chǎng)區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)烈,位于騰龍背斜的南東翼,該向斜核部為三疊系下統(tǒng)銅街子組(T1t)地層,為北西翼陡、南東翼緩的不對(duì)稱(chēng)向斜。根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2015)[3],工作區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.05g,地震反應(yīng)譜特征周期定為0.45s,地震基本烈度為Ⅵ度。
受褶皺構(gòu)造影響,場(chǎng)區(qū)附近次級(jí)褶曲較發(fā)育,路基區(qū)巖層產(chǎn)狀為:290~295°∠22~36°,隨著路線走向傾角逐漸變緩,貫通裂隙較發(fā)育,巖體較破碎。巖體發(fā)育有兩組近正交節(jié)理,L1:150~160°∠70~73°,延伸長(zhǎng)度大于4.0m,最大可達(dá)8m 左右,間距0.8~1.3m;L2:233~237°∠70~75°,延伸長(zhǎng)度大于3.0~6.0m,間距0.6~1.5m。裂隙面較為平直,微張-張開(kāi)狀,泥質(zhì)充填。
根據(jù)相關(guān)勘察設(shè)計(jì)資料,該段路基分布地層主要為第四系全系統(tǒng)填土(Q4me)、殘坡積碎石土(Q4el+dl)及三疊系下統(tǒng)銅街子組(T1t)。(1)填土:褐黃色、紫紅色,以粉質(zhì)黏土夾碎塊石為主,厚度約1~3m,結(jié)構(gòu)較松散,稍濕,碎塊石分選性較差,碎塊石成分主要為砂巖、泥灰?guī)r,粒徑最大可達(dá)1m,多呈次棱狀,塊石含量約占總量的30%~50%,主要分布于斜坡下方在建高速公路施工場(chǎng)地內(nèi);(2)碎石土:褐黃色,松散,稍濕,母巖成分主要由強(qiáng)~中風(fēng)化砂巖、泥灰?guī)r組成,充填粉質(zhì)黏土;(3)泥灰?guī)r:褐灰色為主,隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu),薄層及中厚層構(gòu)造,節(jié)理裂隙發(fā)育,裂隙面間有泥質(zhì)充填,該巖體具有飽水暴曬開(kāi)裂的特征;(4)砂巖:暗紫色,細(xì)粒結(jié)構(gòu),薄層狀構(gòu)造,夾薄層泥灰?guī)r,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖芯呈短柱狀和餅狀。巖體的節(jié)理裂隙及層面多由泥質(zhì)充填。
場(chǎng)區(qū)屬中亞熱帶高原濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,年平均氣溫18.1℃,平均蒸發(fā)量1 147.2mm,多年年均降水量1 038mm。斜坡坡面無(wú)穩(wěn)定水系發(fā)育,整體坡度較陡,利于排水;在斜坡下部西側(cè)發(fā)育一季節(jié)性沖溝,沖溝溪流內(nèi)未見(jiàn)常年流水,僅在雨季天降暴雨時(shí)有暫時(shí)性流水,且相對(duì)高差約50m,對(duì)滑坡穩(wěn)定性影響較小。
工程區(qū)場(chǎng)地地下水主要有第四系松散層孔隙水、基巖裂隙水兩種類(lèi)型。松散堆積層孔隙潛水主要賦存于第四系松散堆積層中,以潛水為主,主要接受大氣降水補(bǔ)給,滑坡區(qū)未見(jiàn)地下泉水出露?;鶐r裂隙水主要賦存于基巖裂隙中,以大氣降水補(bǔ)給為主,由于基巖裂隙分布不均勻,無(wú)統(tǒng)一水力聯(lián)系,在接受大氣降水和地表水補(bǔ)給后,表現(xiàn)出滲流各向異性的特點(diǎn),運(yùn)移帶有局限性。基巖裂隙水的存在可降低巖體的抗剪強(qiáng)度,加快巖石風(fēng)化,降低巖體的穩(wěn)定性。
根據(jù)相關(guān)資料,區(qū)內(nèi)水化學(xué)類(lèi)型為HCO3--SO42--Ca2+型水,pH=7.95,屬弱堿性水,水對(duì)混凝土及鋼結(jié)構(gòu)腐蝕性等級(jí)為微腐蝕性。
K13+900—K14+068 段路基左側(cè),該段路基邊坡最大高度約33.3m(對(duì)應(yīng)樁號(hào)K14+020),共四級(jí)邊坡,每10m 高設(shè)置一處2m 寬的邊坡平臺(tái)(平臺(tái)處設(shè)置平臺(tái)截水溝),坡率均為1∶1,防護(hù)形式:K13+920—K14+000 左側(cè),一級(jí)邊坡框架錨桿,第二級(jí)邊坡掛鐵絲網(wǎng)噴播植草,第三級(jí)邊坡噴播植草。K14+000—K14+060 左側(cè),一、二級(jí)邊坡框架錨桿,第三級(jí)邊坡掛鐵絲網(wǎng)噴播植草,第四級(jí)邊坡噴播植草。
2020 年 4 月 1 日 開(kāi) 挖 ,5 日 在 開(kāi) 挖 至 約 5m 時(shí) , 6日18:00 許邊坡出現(xiàn)裂縫,19:30 左右裂縫進(jìn)一步發(fā)展,天色已晚且光線極差,第一次現(xiàn)場(chǎng)勘察未能登上山頂;23:00左右登上山頂后發(fā)現(xiàn),鐵塔因基礎(chǔ)沉降已出現(xiàn)變形(220KV國(guó)網(wǎng)69號(hào)鐵塔正對(duì)路線樁號(hào)是K14+020)。塔基距坡頂截水溝的水平距離約為20m,路基邊坡開(kāi)挖高度約3~5m,順層滑動(dòng)導(dǎo)致塔基失穩(wěn)?;w后緣裂縫高約1.2~1.5m,寬度0.8~1.2m,滑體長(zhǎng)度約25~35m。施工隨即停止,若該電力鐵塔一旦垮塌,極有可能影響縣城區(qū)域內(nèi)電網(wǎng)正常運(yùn)行,出現(xiàn)大面積停電,造成惡劣的社會(huì)影響。
滑動(dòng)面為軟弱夾層及其與節(jié)理面組成貫通而形成。在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查中發(fā)現(xiàn),滑動(dòng)面厚度約為0.5~1.1cm 泥質(zhì)夾層,充填于裂隙及層面間。該層含水量較高,透水性低,在前緣開(kāi)挖后失去支撐,從而發(fā)生順層滑動(dòng)。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,坡體上裂隙密布,已經(jīng)基本解體,在平面上呈近似三角形狀,后緣為裂隙面L1 與巖層面的交匯地帶?;螺S長(zhǎng)約45m,前緣最寬處約35m,平均寬度約24m,滑體厚度約2m,主滑方向?yàn)?90°,滑坡方量約0.22×104m3,為小型牽引式順層巖質(zhì)滑坡。
場(chǎng)區(qū)所在斜坡區(qū)域?yàn)閹r質(zhì)順向斜坡,在建高速公路仍需下挖約26m,施工過(guò)程中的震動(dòng)或雨季的連續(xù)降雨會(huì)使得坡體進(jìn)一步發(fā)生滑移;同時(shí)電力公司由于應(yīng)急需要,將臨時(shí)鐵塔仍放置在此坡體上方。若不及時(shí)對(duì)此順層斜坡進(jìn)行處置,必然會(huì)再次影響鐵塔運(yùn)行及公路施工工期。
該邊坡在未開(kāi)挖之前,塔基已運(yùn)營(yíng)多年,未發(fā)生變形。開(kāi)挖約5m 左右,加之場(chǎng)區(qū)的雨水侵蝕,變形隨之產(chǎn)生。其破壞機(jī)理表現(xiàn)為:(1)初步階段:在重力及邊坡開(kāi)挖作用下,由層面及節(jié)理密集區(qū)組合形式的碎裂層狀結(jié)構(gòu)巖體,在坡體內(nèi)部發(fā)生位置變化,側(cè)向巖體約束力逐漸降低,加之雨水入滲軟化泥化夾層,巖體發(fā)生順層蠕滑;(2)滑移加速階段:軟弱結(jié)構(gòu)面與節(jié)理面密集帶貫通形成滑動(dòng)面,產(chǎn)生大量裂縫,發(fā)生滑移直至破壞。
據(jù)此,邊坡破壞模式為滑移-拉裂漸進(jìn)破壞,其主要控制因素為巖體結(jié)構(gòu)及層間軟弱面。同時(shí)開(kāi)挖形成臨空面,為滑動(dòng)提供了空間;陡傾結(jié)構(gòu)面與層面組合下將巖體切割成塊狀,降雨軟化泥化夾層,后緣裂隙中的水壓力作用下導(dǎo)致抗滑力不足,從而發(fā)生滑動(dòng)。
根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30—2015)[4]及《公路滑坡防治設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T 3334—2018)[5]中相關(guān)規(guī)定,該區(qū)地震基本烈度為Ⅵ度,故不需要考慮非正常工況Ⅱ(即地震工況),僅需要考慮正常工況及非正常工況Ⅰ。工況一:正常工況,自重+地表荷載+天然狀態(tài);工況二:非正常工況Ⅰ,自重+地表荷載+連續(xù)降雨或暴雨。
選擇對(duì)應(yīng)滑坡主滑方向的K14+020 工程地質(zhì)剖面進(jìn)行計(jì)算。通常情況下,滑帶的抗剪強(qiáng)度是根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)和反算結(jié)果綜合確定,但滑帶土一般很難取得原狀樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn),尤其是巖體的軟化夾層。本文根據(jù)相關(guān)手冊(cè)[6]和規(guī)范規(guī)程[4]及反算結(jié)果來(lái)確定滑帶土的參數(shù)。采用《工程地質(zhì)手冊(cè)》[6]中給出的方法進(jìn)行平面滑動(dòng)的計(jì)算。
將地形恢復(fù)至開(kāi)挖5m 后即將發(fā)生滑動(dòng)的情形進(jìn)行反算,其處于整體滑動(dòng)狀態(tài),根據(jù)《公路滑坡防治設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T 3334—2108)[5]的相關(guān)要求,此時(shí)反算穩(wěn)定系數(shù)處于0.95~1.00,本次反算穩(wěn)定性系數(shù)取F=0.99。邊坡未滑動(dòng)時(shí),潛在滑面應(yīng)考慮水壓力及滑面的揚(yáng)壓力。據(jù)勘察成果、滑坡穩(wěn)定性反演,并結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn),基巖容重取23.2kN/m3,軟弱結(jié)構(gòu)面參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 軟弱結(jié)構(gòu)面參數(shù)建議值
根據(jù)現(xiàn)行《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30—2105)[4]及《公路滑坡防治設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T 3334—2108)[5],開(kāi)挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高后,平面滑動(dòng)面采用傳遞系數(shù)法計(jì)算下滑推力。正常工況下的邊坡設(shè)計(jì)安全系數(shù)Fs 取1.25,剩余下滑推力為1 150.9kN/m;非正常工況下Fs取1.10,剩余下滑推力為959.2kN/m。
滑坡發(fā)生后,針對(duì)開(kāi)挖揭露巖層及補(bǔ)勘成果,選取了3個(gè)比選方案:
方案一:順層清方。若采用該方案將減少運(yùn)營(yíng)期間的維護(hù)工作,但電力部門(mén)由于應(yīng)急保通的需要,將臨時(shí)塔基仍設(shè)置在該斜坡上,位于清方區(qū)域;同時(shí)該方案需一清到頂,需要設(shè)置約80萬(wàn)方的棄土場(chǎng),同時(shí)需要改遷110kV 的鐵塔,且對(duì)環(huán)境影響較大。該方案占地多,且需要與相關(guān)管理部門(mén)協(xié)調(diào),難度極大,故無(wú)法采用該方案。
方案二:錨索+格構(gòu)梁方案。該方案仍需要先對(duì)邊坡進(jìn)行開(kāi)挖,由于坡體為碎裂層狀結(jié)構(gòu),層面間多由泥質(zhì)充填,即使分段分級(jí)開(kāi)挖,也無(wú)法保證施工開(kāi)挖期間的穩(wěn)定性,可能對(duì)臨時(shí)鐵塔基礎(chǔ)再次造成危害。故不采用此方案。
方案三:抗滑樁+錨索+格構(gòu)梁方案。采用預(yù)加固的思路,先行設(shè)置支擋結(jié)構(gòu),再開(kāi)挖。共設(shè)抗滑樁20根,抗滑樁為矩形截面,樁徑為2.0m×2.5m,樁長(zhǎng)為24m,樁間距為6.0m,抗滑樁布置在左側(cè)邊溝外1.8m,樁長(zhǎng)24m??够瑯渡喜贾脙膳佩^索,第一排錨索布置于樁頂以下1m,錨索長(zhǎng)23~28m,第二排錨索布置于第一排錨索下2.5m,錨索長(zhǎng)21~25m??够瑯吨g設(shè)置擋土板。抗滑樁樁頂平臺(tái)4.0m(含抗滑樁寬度2.5m),樁頂平臺(tái)(已開(kāi)挖部分)以上邊坡坡率為1∶2,采用框架錨桿防護(hù),錨桿長(zhǎng)9m。本方案不增加占地,坡口線距離臨時(shí)鐵塔37.4m。
排水措施:在坡頂線以外設(shè)置截水溝,將坡體外部的水引入自然溝渠排走。施工中必須先把截水溝修筑完畢后,再開(kāi)挖邊坡。邊坡平臺(tái)設(shè)置平臺(tái)截水溝,坡面設(shè)置平臺(tái)截水溝急流槽,將坡面水體引入路基邊溝排出路基范圍。同時(shí)在抗滑樁中部設(shè)置一排長(zhǎng)度25m 傾角10°的仰斜式排水孔,以疏干潛在滑面的基巖裂隙水。
該處路基已于2021 年9 月施工完成,施工期間監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明,坡體處于穩(wěn)定狀態(tài),特別是新建的臨時(shí)鐵塔位置處的地基變形量均小于容許值。這表明對(duì)該滑坡的形成機(jī)理分析及所采取的治理方案是合理有效的。
本文通過(guò)對(duì)某高速K13+900-K14+068段施工期間左側(cè)順層邊坡滑動(dòng)的地質(zhì)環(huán)境、破壞特征等進(jìn)行了詳細(xì)分析,分析滑坡的形成機(jī)理及穩(wěn)定性,并給出了處治方案。順層滑坡不是瞬間發(fā)生的,通常是漸進(jìn)破壞的過(guò)程。對(duì)該滑坡的3個(gè)處置方案進(jìn)行了分析比選,根據(jù)實(shí)際情況,確定采用抗滑樁+錨索+格構(gòu)梁的處治方案。對(duì)于該類(lèi)層間有軟弱夾層的順層邊坡,開(kāi)挖后極易發(fā)生順層滑動(dòng),宜采用預(yù)加固的設(shè)計(jì)和施工理念,預(yù)加固一般以抗滑樁(錨索抗滑樁)為主,可避免滑坡災(zāi)害的發(fā)生。目前該邊坡已經(jīng)開(kāi)挖到設(shè)計(jì)標(biāo)高,坡體變形量在容許范圍內(nèi)。對(duì)于順層邊坡,如有條件,可進(jìn)行繞避;無(wú)法繞避時(shí),盡可能減少挖方高度。