王有昌

(國家林業(yè)和草原局昆明勘察設計院, 昆明 650031)

隨著瀾滄江上游河段梯級水電站陸續(xù)開發(fā)建設和正常蓄水運營,庫區(qū)公路路塹開挖引發(fā)了較多滑坡、崩塌等地質災害問題,庫岸再造致使岸坡坍塌變形,影響公路路基穩(wěn)定和運營安全。因此,研究庫區(qū)公路滑坡的成因機制和變形機理非常關鍵,而成功有效的治理措施和經(jīng)驗對保障庫區(qū)公路路基穩(wěn)定和運營安全至關重要。

眾多學者對滑坡的成因機制、變形機理、治理措施、數(shù)值模擬、監(jiān)測與預警等開展了大量研究,取得了較多成果。殷躍平等[1]、成永剛等[2]對滑坡的識別與機理分析、滑坡勘察與穩(wěn)定性評價、防治工程設計理論與實踐等進行了深入研究。王浩等[3-4]對滑坡孕育過程進行數(shù)值仿真反演分析,揭示滑坡形成的復雜力學機制,開展施工動態(tài)模擬預測及過程優(yōu)化控制。許泰等[5]、吳冠仲[6]、丁恒[7]對滑坡影響因素、形成原因、變形機理進行研究,評價滑坡其穩(wěn)定性。申永江等[8]、肖世國和何洪[9]、葉四橋和潘新恩[10]和鄒盛堂和戴自航[11]提出了不同的雙排樁計算模型,通過三維數(shù)值分析軟件對雙排樁的滑坡加載方式和受力體系進行研究,分析樁身內力及變形。于洋等[12]、李松林等[13]和顧中華[14]對雙排樁結構設計參數(shù)進行分析,建立無連梁和有連梁雙排抗滑樁有限差分模型,研究不同錨固深度組合時對雙排抗滑樁變形、內力和抗滑力的影響規(guī)律,討論雙排剛架圓截面抗滑樁的計算方法。李松林等[15]、江強強等[16]和朱權威等[17]、李厚芝等[18]研究了庫區(qū)滑坡成因機制、變形機理,分析庫岸滑坡在不同水位波動、降雨強度及其聯(lián)合作用下的變形演化特征和穩(wěn)定性變化規(guī)律,提出滑坡治理對策。

現(xiàn)依托瀾滄江黃登水電站庫區(qū)沿江公路K243滑坡實例工程,對滑坡成因機制及治理措施進行研究,運用GEO5軟件建立K243滑坡計算分析模型,對抗滑樁變形、抗剪與抗彎承載力進行分析,評價滑坡治理整體穩(wěn)定性,對庫區(qū)公路滑坡分析與治理具有重要意義。

1 工程實例

1.1 滑坡概況

瀾滄江沿江公路K243+200～K243+450段位于維西縣維登鄉(xiāng)以南約4 km,距黃登水電站壩址約75 km,公路沿庫區(qū)左岸岸坡展布,黃登水電站正常蓄水水位為1 619.00 m,K243位于庫尾,回水水位按1 622.00 m考慮。沿江公路從古滑坡前緣部位通過,因路塹邊坡開挖形成連續(xù)、坡高大于20 m的臨空面,2011年7月中旬,K243+240～K243+390段邊坡發(fā)生變形坍塌,清方后路塹仍持續(xù)滑坍,邊坡變形加劇,古滑坡中前部位發(fā)生整體滑移,形成滑坡。K243滑坡由古滑坡及新生工程滑坡組成,滑坡全貌如圖1所示。

圖1 K243滑坡全貌

古滑坡后緣壁呈“圈椅”狀,后緣壁坎高為50～70 m,水平滑移距離為50～100 m;滑坡后緣高程約1 803 m,前緣剪出口高程約1 584 m,地面落差約219 m;滑坡體平面周長為1 102 m,平均寬度為335 m,平均厚度為21 m,滑體最大厚度為27.1 m,屬深層滑坡;滑坡體積為189.65×104m3,屬巨型滑坡。古滑坡兩側基本以基巖為界,中后部存在多處臺地,古滑坡周界不清晰、變形痕跡不顯著,近期無活動痕跡。

新生工程滑坡后緣壁呈“圈椅”狀,后緣壁坎高為2～3 m,后緣裂縫寬度為30～40 cm,前緣面狀滲水,坡體坍塌嚴重;滑坡后緣高程約1 698 m,前緣剪出口高程約1 621 m,地面高差約76 m;滑坡體平面周長為504 m,平均寬度為155 m,平均厚度為11 m,最大厚度為16.2 m,屬中層滑坡;滑坡體積為16.67×104m3,屬中型滑坡。新生工程滑坡兩側基本以變形土體為界,周界清晰,變形特征明顯、痕跡顯著,為近期活動滑坡,其現(xiàn)狀變形特征如圖2和圖3所示。

圖2 新生工程滑坡后緣特征

圖3 新生工程滑坡前緣特征

1.2 滑坡地質環(huán)境特征

1.2.1 地形地貌

滑坡區(qū)位于云貴高原西部、瀾滄江上游地帶的橫斷山脈南段,地處滇西北縱谷山原地貌單元,屬瀾滄江高山峽谷深切割地貌,構造侵蝕強烈,地形起伏大,岸坡上緩下陡。

1.2.2 地質構造

滑坡區(qū)位于青藏、滇緬、印尼巨型“歹”字形構造體系東支中段偏北與三江南北向經(jīng)向構造體系復合部位,以北西向構造帶與南北向構造帶為主體的區(qū)域構造基本骨架。滑坡區(qū)附近無明顯斷裂構造。

1.2.3 地層巖性

地層巖性以第四系覆蓋層和侏羅系砂泥巖地層組成?；w物質為褐灰色、黃灰色混碎石粉質黏土、碎石土、碎塊石層,碎石成分以砂巖、砂泥巖為主;滑帶為黃灰、紫灰色含礫粉質黏土?；仓饕獮辄S灰色、灰色的碎石土和紫紅色、紫灰色的全-強風化砂泥巖組成。

1.2.4 地震及區(qū)域穩(wěn)定性

滑坡區(qū)地震基本烈度為7度,地震動峰值加速度為0.10g(g為重力加速度),地震動反應譜特征周期為0.45 s。滑坡區(qū)域地殼穩(wěn)定性分區(qū)為Ⅲ區(qū),屬次穩(wěn)定區(qū)。

1.3 水文地質條件

滑坡區(qū)地下水屬第四系松散孔隙水、基巖裂隙水?？紫端植加诘谒南禌_洪積、坡殘積層及滑坡堆積層中,主要接受大氣降水、地表水補給,水量隨季節(jié)變化大;基巖裂隙水主要賦存于侏羅系上統(tǒng)壩注路組砂泥巖地層中,以大氣降水補給為主。滑坡區(qū)中前部有多處泉點出露,穩(wěn)定水位埋深為9.0～27.0 m,水位高差極大。

2 滑坡成因機制及變形破壞模式

2.1 滑坡成因機制

滑坡形成機制包括地質環(huán)境因素和誘發(fā)因素兩個方面,地質環(huán)境因素包括地形地貌、巖土性質、地質構造、水文地質等;誘發(fā)因素包括持續(xù)強降雨及水流作用、地震、人類活動等。

2.1.1 地質環(huán)境因素

滑坡地貌上屬于瀾滄江高山峽谷岸坡地貌,岸坡陡峻,斜坡整體平衡狀態(tài)脆弱,瀾滄江長期沖刷,創(chuàng)造了臨空面和滑動空間,也提供了滑動勢能。地層巖性以第四系覆蓋層和侏羅系砂泥巖地層組成,覆蓋層結構松散,基巖風化強烈、巖性破碎,傾向河谷拉張卸荷裂隙十分發(fā)育,為滑坡形成創(chuàng)造了物質和結構條件。受瀾滄江深大斷裂影響,加劇了基巖地層破碎程度,局部小斷裂、揉皺構造發(fā)育,為地下水滲透和運動創(chuàng)造了條件。地下水長期向下徑流、侵蝕,軟化巖土體,使其力學性質降低,是滑坡形成的重要條件。

2.1.2 誘發(fā)因素

持續(xù)降雨或強降雨,使斜坡內動水壓力激增,巖土體重量增加,抗滑力降低,是滑坡發(fā)生的主要誘發(fā)因素?；聟^(qū)處于強震區(qū),地震能顯著增加斜坡巖土體的下滑力,是滑坡發(fā)生偶然性、突發(fā)性的誘發(fā)因素。沿江公路從古滑坡體上通過,路塹開挖極為不利;地表開荒、植被破壞,進村道路施工及礦區(qū)堆載,也是滑坡變形的誘發(fā)因素。

2.2 滑坡變形破壞模式

瀾滄江峽谷岸坡的地形地貌、地層巖性和地質構造為古滑坡形成創(chuàng)造了勢能、物質和結構條件。瀾滄江河谷深切,江水沖刷,形成超高臨空面,為坡體滑動提供了空間;地表水和地下水長期作用,沿風化殼下滲,導致巖土體軟化,且重量增加,加之暴雨、地震等多方面的影響,逐步形成軟弱帶,致使古滑坡孕育演化形成,因此古滑坡體屬于牽引推動復合型滑坡?；裸@探勘察揭示了古滑坡特征。

沿江公路通過古滑坡體前緣,古滑坡水平滑移距離大,堆積體擾動強烈、結構松散,雖然古滑坡已經(jīng)趨于穩(wěn)定,但表層堆積體結構松散,開挖極易滑塌。路塹邊坡切腳開挖,坡腳支撐力嚴重削弱,在古滑坡體前部形成連續(xù)、高陡的臨空面,改變了坡體應力狀態(tài)和地下水滲透路徑,坡面大面積滲水、坍塌;在路塹開挖施工期間,滑坡區(qū)歷經(jīng)30年一遇的降雨量,持續(xù)降雨是滑坡形成的重要影響因素;在局部清方后持續(xù)滑坍,使巖土體進一步軟化,抗剪強度持續(xù)降低,導致邊坡失穩(wěn),沿最薄弱面形成貫通滑帶,最終形成新生工程滑坡,屬于牽引式滑坡。新生工程滑坡是多種因素共同作用形成的。

古滑坡前緣處于水庫回水區(qū),水庫蓄水后,滑坡體前緣將被淹沒,庫區(qū)水位調節(jié)、波浪侵蝕可能引起庫岸再造,將進一步改變坡體應力狀態(tài),使前緣抗滑力大幅降低,必將引起滑坡復活。

3 滑坡穩(wěn)定性與剩余下滑力分析

3.1 滑坡計算參數(shù)反演分析

3.1.1 滑坡參數(shù)反演分析模型

根據(jù)滑坡現(xiàn)狀變形特征、古滑坡變形行跡,以及鉆探揭露滑動面位置,結合滑坡主軸地質剖面,劃分條塊,通過分析和試算合理確定新生工程滑坡和古滑坡的計算模型,如圖4所示。

注:1～14為條塊N的編號圖4 滑面參數(shù)反演計算模型

3.1.2 滑坡計算參數(shù)反演

依據(jù)土工試驗、原位測試所確定的滑體重度、滑帶抗剪強度指標,結合經(jīng)驗數(shù)據(jù)類比,滑動面按折線形考慮,采用傳遞系數(shù)法進行參數(shù)反演分析,綜合確定滑體及滑帶不同工況下滑體重度和滑帶參數(shù)建議值,如表1所示。

表1 滑體及滑動面參數(shù)反演分析成果

3.2 滑坡穩(wěn)定性分析

滑坡穩(wěn)定狀態(tài)根據(jù)滑坡穩(wěn)定系數(shù)進行劃分,滑坡穩(wěn)定系數(shù)Fs<1.00,滑坡穩(wěn)定狀態(tài)為不穩(wěn)定;1.00≤Fs<1.05,為欠穩(wěn)定;1.05≤Fs<1.15,為基本穩(wěn)定;Fs≥1.15,為穩(wěn)定。滑坡穩(wěn)定性分析考慮正常工況(天然)、非正常工況Ⅰ(飽和)、非正常工況Ⅱ(地震)等三種工況,并考慮低水位和高水位(按回水水位1 622 m考慮),對滑坡進行多工況組合條件下的穩(wěn)定性分析評價。

由表2可知,新生工程滑坡位于蓄水位以上,低水位和高水位狀態(tài)下時穩(wěn)定性系數(shù)一致;天然狀態(tài)下滑坡為基本穩(wěn)定狀態(tài),天然+地震狀態(tài)下為欠穩(wěn)定狀態(tài),飽和狀態(tài)下為不穩(wěn)定狀態(tài)。而古滑坡前緣位于正常蓄水位以下,高水位工況下滑坡的穩(wěn)定性分析比低水位工況下要低;天然狀態(tài)下,在低水位、高水位或地震作用時滑坡穩(wěn)定系數(shù)為1.053～1.199,滑坡處于基本穩(wěn)定至穩(wěn)定狀態(tài);飽和狀態(tài)下,低水位時為基本穩(wěn)定,高水位或地震作用時為不穩(wěn)定。

表2 滑坡主剖面穩(wěn)定性計算成果

3.3 滑坡推力計算

3.3.1 滑坡剩余下滑力分析

根據(jù)《公路滑坡防治設計規(guī)范》,滑坡防治工程設計穩(wěn)定安全系數(shù)Ks,新生工程滑坡在正常工況時Ks取1.20,非正常工況Ⅰ時Ks取1.15,非正常工況Ⅱ時Ks取1.10;古滑坡在正常工況時Ks取1.25,非正常工況Ⅰ時Ks取1.15,非正常工況Ⅱ時Ks取1.10。根據(jù)滑坡變形行跡和穩(wěn)定性分析,綜合黃登水電站正常運行時庫區(qū)公路路基穩(wěn)定,考慮最不利條件高水位工況,新生工程滑坡和古滑坡的滑坡推力按正常工況、非正常工況Ⅰ、非正常工況Ⅱ進行計算。

由圖5、圖6可知,新生工程滑坡的剩余下滑力在非正常工況Ⅱ(飽和+地震+高水位)條件下的剩余下滑力最大,正常工況條件下剩余下滑力最小,故考慮非正常工況Ⅱ為最不利設計工況,古滑坡的剩余下滑力也基本一致。新生工程滑坡的剩余下滑力曲線正常工況下低于其他工況,其中條塊5在非正常工況Ⅱ下的最大剩余下滑力為2 393.62 kN,大于其他工況的2 335.91 kN、1 591.36 kN。古滑坡各工況條件下的剩余下滑力曲線基本一致,條塊4的剩余下滑力最大,條塊6以后逐漸降低趨于平緩。

圖5 新生工程滑坡不同工況下的剩余下滑力

圖6 古滑坡不同工況下的剩余下滑力

3.3.2 滑坡設計推力確定

根據(jù)滑坡防治工程設計穩(wěn)定安全系數(shù)下的滑坡剩余下滑力分析,確定新生工程滑坡及古滑坡設置支擋工程部位的最大水平設計推力T。K243滑坡治理考慮多排樁分級支擋,其中第1排抗滑樁位于新生工程滑坡的第3條塊,設計推力T1-1=1 761 kN,而位于古滑坡第8條塊,設計推力T1-2=2 678 kN,樁前剩余抗力781 kN。第2排樁設計推力分段計算,并考慮填土反壓填方荷載,第2排抗滑樁位于新生工程滑坡前緣外,填土后設計推力T2-1=510 kN,古滑坡第11條塊設計推力T2-2=305 kN,填土主動土壓力為1 132 kN。

4 滑坡治理設計與穩(wěn)定性分析

4.1 滑坡治理原則

K243滑坡新生工程滑坡為中型滑坡,古滑坡為巨型滑坡,公路以路塹型式通過滑坡前部,新生工程滑坡危害程度為嚴重,古滑坡危害程度為特嚴重;沿江公路等級為三級公路,且位于黃登水電站庫區(qū),滑坡防治安全等級按Ⅱ級考慮。沿江公路從古滑坡前緣部位通過,不具備路線改移繞避條件,對滑坡進行綜合治理。滑坡治理按永久性防護工程考慮,本著安全可靠、技術可行、經(jīng)濟合理、動態(tài)設計的原則,充分考慮黃登水電站庫區(qū)水位變化對滑坡穩(wěn)定性的影響,確保庫區(qū)沿江公路路基整體穩(wěn)定。

4.2 滑坡治理措施

K243滑坡綜合考慮采取多排抗滑樁分級支擋,經(jīng)多方案計算分析論證,采用雙排剛架抗滑樁、錨索樁板墻、填土反壓、混凝土擋墻、漿砌片石護坡、植物防護和截排水等措施進行綜合治理,滑坡治理平面布置和主剖面設計如圖7和圖8所示。

圖7 滑坡治理工程布置平面

圖8 滑坡治理主剖面設計斷面

4.2.1 路基右側治理措施

在沿江公路路基右側布設樁徑D=1.8 m的雙排圓形截面抗滑樁,樁間距為5～6 m,前后排樁間距5 m呈品字型布置,樁頂設冠梁縱橫向連接,形成雙排剛架抗滑樁,前排樁頂至護坡間設現(xiàn)澆擋土板;冠梁1 m處設6×15.24型預應力錨索,鎖定荷載為600kN;坡腳設高度3.5 m的C25混凝土擋土墻,墻頂至抗滑樁間采用30 cm厚的M10漿砌片石護坡,預留泄水孔。小里程方向設置2.0×2.5 m錨索抗滑樁,大里程方向布設高4 m的C20片石砼抗滑擋墻。坡面上設置仰斜排水孔,長度為10～20 m,孔間距為4 m。對坡面采用喬灌草混合植物防護。對坡面裂縫用黏土進行封閉,沿通村路設多條排水溝截排地表水。

4.2.2 路基下方治理措施

在路基左側下方老路內側布設2.0×3.0 m錨索抗滑樁,樁間距為5～6 m,距樁頂1 m、4 m處設兩排6×15.24型預應力錨索,設置樁后預制擋土板。板后填土反壓形成路堤,第一級邊坡坡率為1∶1.5,高度為9.1 m,第二級坡率為1∶2,高為8 m,邊坡間設置2 m寬平臺,1 622 m高程以下采用透水性材料填筑。

4.3 滑坡治理設計分析

結合K243滑坡治理主剖面設計,運用GEO5軟件中抗滑樁設計模塊進行計算分析,建立雙排圓截面抗滑樁和錨索抗滑樁模型,根據(jù)其所受荷載,分析其變形、抗剪承載力、抗彎承載力和嵌固端巖土體的承載力,并進行配筋校核;錨索施加在抗滑樁上,推力通過作用在抗滑樁上錨索傳遞到穩(wěn)定地層中,計算模型如圖9所示。

圖9 滑坡計算模型3D視圖

4.3.1 雙排剛架抗滑樁計算分析

新生工程滑坡雙排樁按設計推力值進行驗算,由驗算結果圖10和圖11可知,前排樁剪力最大值為735.82 kN/m,彎矩最大值為2 494.73 kN·m/m,位移最大值為38.18 mm;后排樁剪力最大值為743.18 kN/m,彎矩最大值為2 575.22 kN·m/m,位移最大值為38.53 mm,滑面處結構位移為9.1 mm。古滑坡按設計推力值適當折減進行驗算,前排樁剪力最大值為878.57 kN/m,彎矩最大值為4 360.15 kN·m/m;后排樁剪力最大值為519.48 kN/m,彎矩最大值為2 292.65 kN·m/m,滑面處結構位移為3.2 mm。

圖10 前排樁內力

圖11 后排樁內力

4.3.2 錨索抗滑樁計算分析

新生工程滑坡錨索抗滑樁按設計推力值進行驗算,設計時考慮樁后主動土壓力,而古滑坡分段設計推力值較小。由驗算結果圖12可知,樁身剪力最大值為1 204.98 kN/m,彎矩最大值為6 606.15 kN·m/m,位移最大值為27.7 mm,滑面處結構位移為8.9 mm。

圖12 錨索抗滑樁內力

4.4 滑坡治理穩(wěn)定性分析

K243滑坡治理穩(wěn)定性分析考慮施工前、錨索樁板墻+填土反壓、雙排抗滑樁、樁前路塹開挖4 m、路塹全部開挖完成等5個不同施工過程,在高水位條件下按正常工況、非正常工況Ⅰ、非正常工況Ⅱ等三種工況,對滑坡治理施工前后整體穩(wěn)定性評價。圖13為新生工程滑坡穩(wěn)定性計算簡圖。

圖13 新生工程滑坡穩(wěn)定性計算

由圖14可知,新生工程滑坡非正常工況Ⅰ時,在錨索抗滑樁+填土反壓施工完成后穩(wěn)定系數(shù)為1.08,雙排抗滑樁施工完成后為1.22,路塹開挖完成后達到1.28,治理完成后滑坡穩(wěn)定系數(shù)提高約32.0%;滑坡施工完成后整體穩(wěn)定性正常工況時為1.33,非正常工況Ⅱ時為1.19,滑坡穩(wěn)定系數(shù)提高分別為30.8%、23.2%,均滿足滑坡設計穩(wěn)定系數(shù)。而古滑坡施工完成后在正常工況、非正常工況Ⅰ、非正常工況Ⅱ下穩(wěn)定系數(shù)分別為1.29、1.20和1.12,滑坡穩(wěn)定性提高比例分別為15.6%、15.8%和13.1%。綜合分析認為,K243滑坡治理穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求,新生工程滑坡在不同施工過程穩(wěn)定性提高較快,而古滑坡相對平緩。

注:1為施工前;2為錨索樁板墻+填土反應;3為雙排抗滑樁;4為樁前路塹開挖4 m;5為路塹全部開挖完成圖14 新生工程滑坡不同施工過程的穩(wěn)定性系數(shù)

5 滑坡治理效果評價

K243滑坡是瀾滄江沿江公路規(guī)模和治理投資較大的典型滑坡,治理施工自2012年6月開始,至2014年12月底竣工,圖15為滑坡治理竣工后全景效果。

圖15 滑坡治理竣工后全景(2014年12月)

根據(jù)施工過程滑坡變形監(jiān)測,在下部錨索樁板墻與回填反壓實施后,有效地抑制了新生工程滑坡變形;路基右側雙排抗滑樁施工完成,坡體抗力逐漸提高,地表位移減小逐漸趨于穩(wěn)定。2017年11月28日黃登水電站導流洞下閘蓄水,2018年8月17日水庫蓄水至正常蓄水位1 619.00 m,雙排剛架抗滑樁與錨索抗滑樁受力穩(wěn)定正常,路面穩(wěn)定;2022年1月,經(jīng)現(xiàn)場排查滑坡整體無變形跡象,圖16為庫區(qū)蓄水運營后滑坡全景。因此,沿江公路K243滑坡治理是成功的,對新生工程滑坡重點治理的同時兼顧古滑坡治理,有效保障沿江公路運營安全,積累了較為可靠的成功經(jīng)驗。

圖16 庫區(qū)正常蓄水運營后滑坡全景(2022年1月)

6 結論

通過對庫區(qū)公路K243滑坡的成因機制及治理措施的研究,得出以下結論。

1)K243滑坡由古滑坡及新生工程滑坡組成,古滑坡堆積體結構松散、地下水豐富,路塹開挖切腳,形成連續(xù)高陡臨空面,改變了坡體應力狀態(tài)和地下水滲透路徑,坡體變形失穩(wěn)沿薄弱面整體貫通,進而牽引形成新生工程滑坡。

2)通過滑坡多工況組合條件下的穩(wěn)定性分析和滑坡推力計算,確定多排抗滑樁分級支擋,采用雙排剛架抗滑樁、錨索抗滑樁、填土反壓、混凝土擋土墻、植物防護及截排水等措施進行綜合治理。

3)建立抗滑樁計算模型分析抗滑樁位移及內力,新生工程滑坡后排樁剪力和彎矩均大于前排樁,后排樁樁頂位移大于前排樁;而古滑坡前排樁的剪力及位移均大于后排樁。樁頂位移為27.7～38.53 mm,均小于50 mm,滿足允許值要求。

4)滑坡整治不同施工過程中,新生工程滑坡治理后穩(wěn)定性系數(shù)提高了23.2%～32.0%,古滑坡穩(wěn)定性系數(shù)提高了13.1%～15.8%。K243滑坡歷經(jīng)8年多的實踐檢驗,滑坡治理效果顯著。