福建省龍巖市新羅區牽引式滑坡穩定性分析及治理措施

李鵬舉

(華北水利水電大學地球科學與工程學院, 鄭州 450046)

由于特定的地理環境和氣候條件,我國滑坡災害頻發,給人民的生命財產造成了巨大的損失。僅2019年全國就發生4 220起滑坡災害,占地質災害總數的68.27%;2020年發生4 810起,占61.35%;2021年發生2 335起,占48.93%[1]。隨著工程建設范圍的進一步拓展,滑坡災害強度和頻度會逐漸增加。牽引式滑坡在各類型滑坡中占有很大的比例,往往是在人工削坡或者降雨的條件下,滑坡前緣土體被掏空,下部先滑動,然后逐漸向上擴展,引起由下而上的滑動,以致坡面失穩[2-4]。

近些年已有較多對各類滑坡的發生機理、穩定性分析及相應治理措施的研究。宋冬日等[5]通過地質調查分析、巖土體力學分析及數值模擬等方法,提出了牽引式滑坡發生機理。梁小鵬等[6]在季節凍融作用誘發滑坡機制方面進行了較為深入的研究。孫立娟等[7]通過模型試驗研究了庫水復活型滑坡牽引滑動機理。對滑坡進行穩定性分析的方法有很多。例如,高馮等[8]使用了強度折減法和有限元分析軟件ABAQUS,對單面和雙面土體邊坡的穩定性進行了研究;張傳等[9]使用FLAC3D對牽引式滑坡支護方案的各類工況進行了穩定性分析;李效萌等[10]通過反演分析及折線滑動法計算了牽引式殘坡積土質滑坡的穩定性;袁從華等[11]從牽引式滑坡的主動支護和被動支護方面進行了有效支護的對比分析。目前,針對滑坡治理已有多種措施,包括各類措施相結合的綜合治理方法[12-14]。高丙麗等[15]使用有限元數值模擬手段對某景區巖質邊坡提出了清除塊體、排水、錨噴、避讓等多項綜合邊坡治理措施。李帥等[16]采用適當卸載、抗滑樁、錨索框架梁輔以排水措施治理順層牽引式路塹滑坡,兩個雨季后的變形趨穩,證明了治理措施可行有效。

依托福建省龍巖市新羅區江山鎮某建設項目場地滑坡工程,根據分析得出的滑坡成因,采用FLAC3D數值模擬軟件,運用強度折減法和傳遞系數法兩種計算方法相結合,對滑坡未開挖、開挖后天然工況和暴雨工況下的不同工程階段進行穩定性分析,提出針對性的滑坡治理措施,并進行可行性評價?？蛇M一步完善新羅區江山鎮境內中型淺-中層土質滑坡的形成機制,對滑坡早期識別和隱患風險防控具有一定的指導意義,同時可為其他斜坡體的破壞機理研究和綜合防治提供科學依據,為類似工程滑坡治理提供參考。

1 工程概況

滑坡位置處于福建省龍巖市新羅區江山鎮,滑坡區為自然山坡,平面面積約33 000 m2,主滑方向約為195°。未發生滑坡前,坡度為15°～35°,主要微地貌單元為山坡坡地地貌,坡面植被發育。該滑坡為中型淺-中層土質滑坡,坡面地層主要出露為粉質黏土、含碎石粉質黏土、碎石,下覆基巖為粉砂巖,侵入一條輝綠巖脈,輝綠巖脈最大揭露厚度約26.0 m,層底埋深為15.0～36.0 m。場地地表水不發育,地下水排泄條件較好,滑坡區匯水面積約195 000 m2。

該滑坡的左側邊界以西側滑動裂縫為界,界內土體多為粉質黏土、含碎石粉質黏土、碎石,土質較濕、較為松散,交界處滑面平整光滑,裂縫處可見明顯的滑動痕跡。邊界外側未見變形跡象,為人工開挖邊坡,微地貌為山脊?；碌挠覀冗吔缫詵|側滑塌土體為界,界內土體多為粉質黏土、含碎石粉質黏土、碎石,土質松散,界外微地貌為山谷,邊界外側見植被覆蓋,未見變形跡象,有基巖出露。

2 滑坡特征及成因分析

2.1 滑坡特征

滑坡平面形態呈扇形,滑面主軸方向及附近呈直線型,后緣及側緣附近呈近圓弧形?；聫纳现料驴煞譃?段:第1段為坡頂至第1條坡間排水溝,坡度為25°～35°,坡面植被發育,坡面出露地層主要為粉質黏土、含碎石粉質黏土;第2段為坡間排水溝至已開挖坡頂,坡度為16°～20°,坡面出露地層主要為粉質黏土、含碎石粉質黏土、碎石;第3段為已開挖坡頂至坡腳,該段坡高為20.0～40.0 m,坡度為40°～50°,坡面出露地層主要為粉質黏土、含碎石粉質黏土、碎石。

滑坡后緣高程約770.0 m,呈圈椅狀,有17條橫向拉張裂縫,主要集中在滑體的中上部位?；虑熬壐叱碳s680.0 m,以工程建設場地的坡腳為南側邊界?，F場滑坡前緣土體被剪切破壞,已經部分擠出,坡腳有地下水滲出,前緣坡體沒有發育鼓脹裂縫?；轮鬏S斜長約160.0 m,前緣寬約295.0 m,后緣寬約65.0 m,滑坡體內竹林呈醉林狀。

2.2 滑坡成因分析

影響滑坡的成因要素較多,主要包括地層巖性、地形地貌、降雨作用、人為干擾等方面。該滑坡前緣坡腳土體被剪切破壞,現場位移較為明顯,已經部分擠出,滑坡破壞模式為牽引式土層滑面滑坡,滑坡剪出口為人工開挖坡腳?，F從以下幾個方面簡要分析該滑坡成因。

(1)地層巖性方面。坡面出露松散地層主要有粉質黏土、含碎石粉質黏土和碎石,分布在坡體的中下部。這些地層的強度較低,滲透性好,特別是在降雨的條件下坡體重度增大,地層強度會進一步降低,導致坡體穩定性減弱。

(2)地形地貌方面?；缕麦w總體北高南低,從上到下第1段坡度為25°～35°,第2段坡度為16°～20°,第3段坡高為20.0～40.0 m,坡度為40°～50°。第3段坡體高且陡,出露多為松散地層,對邊坡的穩定性造成了不利的影響。

(3)降雨作用方面。降雨是造成滑坡的一大主要因素,降雨導致了坡體表面徑流,會對坡表松散土體造成沖刷運移,沖蝕作用嚴重時可能引發崩塌或泥石流。降雨的入滲會使坡體內部孔隙水壓力增大,土體重度增大,下滑力增大,抗滑力相對減小,有效應力減小,坡體內部的地下水還會造成潛蝕,不利于坡體的穩定。

(4)人為干擾方面。該場地前緣坡腳開挖削坡后,坡體的穩定性受到了擾動,并且開挖后沒有及時進行有效支護,滑坡穩定性狀態從基本穩定降低到欠穩定甚至不穩定,又受到連續的幾次降雨作用,最終發生了滑坡。

3 滑坡治理措施設計

3.1 滑坡治理原則

由于占地紅線及其他有關條件的限制,滑坡體不能采用分級削坡減載加錨拉的方式進行治理,因此,本滑體采用抗滑樁加預應力錨索分段支擋滑坡體的型式進行治理。因滑坡體厚度大(10～22 m),采用其他現有治理方式難以達到有效目的,若采用沖鉆孔樁,樁徑小,滿足不了抗滑要求,因此,抗滑樁采用人工挖孔的方式,以使樁徑、樁長達到抗滑要求。以工程穩定安全為出發點,從滑坡的工程地質條件、施工簡便程度以及節省工程資金等方面考慮,通過綜合計算和分析,確定滑坡分段支護,滑坡體由上至下采用抗滑樁加預應力錨索進行加固。

抗滑樁加預應力錨索滑坡治理是應對滑坡問題的一種有效方法。首先利用抗滑樁來加強邊坡的穩定性,通過將抗滑樁深入滑床以下,可以形成有效的錨固作用,從而增加邊坡的抗滑能力。同時,為了進一步確保邊坡的穩定,采用預應力錨索進行支護。預應力錨索可以在滑體上部施加錨固力,以提高抗滑樁的抗滑能力,并發揮主動支護的作用。

3.2 滑坡綜合治理措施

具體綜合治理措施如下,治理完成后的全景如圖1所示。

圖1 滑坡治理完成后全景圖

(1)抗滑樁。根據滑坡最大位移分布位置,布設4排方樁,長為22 m,尺寸為2.5 m×3.5 m,樁芯混凝土和護壁混凝土強度等級分別為C35、C20,護壁厚為0.25 m。

(2)樁間擋土板。采用現澆鋼筋混凝土樁間擋土板,防止同排兩個樁間土體擠出。

(3)預應力錨索。預應力錨索在坡腳位置布設兩排,滑坡中部分別布設一排,錨固端頭為強風化、中風化巖層。錨索長為37～43 m,錨固段長度為22 m,錨索軸向設計拉力為780 kN,孔徑為150 mm,錨索傾角斜向下20°～25°,錨固漿體固結強度≥40 MPa。

(4)排水工程。坡體的降雨入滲及沖刷是導致滑坡發生的重要因素,故設置坡頂截水溝、坡間排水溝和坡側邊溝。每排抗滑樁間設置一排仰斜式排水孔,排出坡體內部水。

(5)坡面噴護。對開挖裸露的坡面采用C20混凝土進行噴護,厚度為100 mm。

滑坡治理施工是一個復雜的階段,在治理過程中需要注意動態觀察和實時調整設計參數,確保治理效果最佳。此外,施工過程中要采取必要的安全措施,確保施工過程不會觸發新的滑動面。治理完成后還需要進行長期的位移監測,以確保邊坡的穩定性。

4 滑坡穩定性分析及治理措施可行性研究

依據《建筑邊坡工程技術規范》(GB 50330—2013),該滑坡的危害對象等級為三級,地質條件復雜程度為復雜,滑坡治理安全等級為一級,滑坡穩定性狀態劃分見表1?；路€定安全系數Fs一般工況下取1.35,暴雨工況下取1.15。

表1 滑坡穩定性狀態劃分

4.1 穩定性分析研究對象及物理力學參數選取

巖土體物理力學參數參考勘察報告,并根據當地歷史數據、工程經驗綜合確定,見表2。

表2 巖土體物理力學參數

根據滑坡體工程地質條件,計算分析的合理性和剖面選取的典型性及代表性,結合勘察剖面線的布置,綜合選擇主滑方向195°剖面線為計算剖面,剖面圖如圖2所示。

圖2 主滑線方向剖面圖

4.2 強度折減法穩定性計算分析

使用Rhino 6.0對選取的主滑線方向剖面進行建模,模型尺寸與實際地形一致,寬314.0 m,高163.0 m,厚6.0 m,模型為假三維模型。物理參數與實際地層參數與表2一致,采用FLAC3D 6.0數值模擬強度折減法,摩爾-庫侖本構關系進行求解。模型的邊界條件設置為:底面和底面四周為靜態邊界,固定水平方向、豎直方向的速度和位移為0,坡面為自由運動變形邊界,盡可能接近實際滑坡的天然邊界條件。

對未開挖、開挖后以及治理后的滑坡在天然工況及暴雨工況下進行數值模擬穩定性計算,得到的穩定性系數見表3,滑坡最大位移及剪應變增量見表4?；贔LAC3D的滑坡治理措施的數值模擬計算如圖3、圖4所示。

表3 強度折減法滑坡穩定性系數Fs

表4 強度折減法滑坡最大位移及最大剪應變增量

圖3 滑坡治理措施的數值模擬模型

圖4 滑坡治理措施的數值計算結果

由數值計算結果及表3可知,滑坡體在未進行開挖的狀態下,天然工況下滑坡的穩定性系數為1.089,暴雨工況下為1.059,兩種工況均處于基本穩定狀態。在開挖后,天然工況下穩定性系數為1.025,處于欠穩定狀態,暴雨工況下穩定性系數為0.96,處于不穩定狀態。主要原因是坡腳開挖導致應力平衡被破壞,降雨最終誘發了滑坡。在完成滑坡治理后,滑坡的穩定性系數顯著增大,天然工況與暴雨工況下穩定性系數分別為1.385和1.270,滑坡處于穩定狀態。

由數值計算結果及表4可知,對比未開挖坡體,開挖后的最大位移均比未開挖要大,天然工況最大位移達到0.63 m,比未開挖時的最大位移0.30 m增大了0.33 m,暴雨工況下最大位移達到1.87 m,相對未開挖時的0.56 m增大了1.11 m,且位移主要集中在坡腳處。最大剪應變增量規律也類似,天然工況最大值為0.22,暴雨工況下最大值為0.34,增大明顯,也主要集中在坡腳位置,在坡面上分布數值較小,這表明在坡腳位置首先開始塑性變形,是最先發生剪切破壞的位置。

4.3 傳遞系數法穩定性計算分析

采用傳遞系數法對滑坡的穩定性進行對比驗證計算結果見表5。

表5 傳遞系數法滑坡穩定性系數Fs

由表5可知,未開挖時滑坡天然工況下的穩定性系數為1.181,暴雨工況下為1.072,兩種工況均處于基本穩定狀態。開挖后的天然工況與暴雨工況下穩定性系數分別為0.950和0.855,均處于不穩定狀態;在完成滑坡治理后,天然工況下的穩定性系數為1.436,暴雨工況下為1.292,滑坡的總抗滑力顯著增大,滑坡處于穩定狀態。

對比采用FLAC3D 6.0數值模擬強度折減法和傳遞系數法兩種方法的計算結果,各個工況下的穩定性狀態是基本一致的,但是穩定性系數有一定的差別。這是因為傳遞系數法是先假定滑坡的滑動面,然后坡體整體滑動進行穩定性計算,沒有考慮坡體的局部滑動;而強度折減法可以通過局部的位移云圖和最大剪應變增量云圖確定邊坡的局部滑動面,可能發生下部的局部滑動進一步帶動整體滑動,發生牽引式滑坡。

4.4 治理方案可行性分析

滑坡治理方案計算結果表明,對比未支護狀態,滑坡的最大位移明顯減小,并且產生的位置后移到滑坡后緣,在暴雨工況下,最大位移從1.87 m減小到0.33 m,最大剪應變增量從0.33減小到0.11,塑性變形區域明顯減小,總抗滑力明顯增大,穩定性系數也相應增大。強度折減法和傳遞系數法兩種計算方法在天然工況與暴雨工況下的穩定性系數均大于滑坡穩定安全系數,滑坡處于穩定狀態?？梢哉J為治理效果顯著,滿足工程安全要求,方案可行。

綜上所述,遵循抗滑樁加預應力錨索滑坡治理型式,可以有效解決該滑坡問題,并確保治理效果持久穩定、安全可靠。

5 結論

通過對該場地滑坡各類工況下的穩定性分析和治理措施的可行性研究,得到以下結論。

(1)該滑坡成因主要是前緣坡腳巖體較為松散、強度低、坡度較大,被開挖后坡體的穩定性受到了擾動,且未及時進行有效支護,又受數次降雨的影響,最終形成了滑坡。

(2)采用FLAC3D數值模擬軟件強度折減法和傳遞系數法兩種計算方法,對滑坡未開挖、開挖后以及滑坡治理后的天然工況和暴雨工況進行穩定性分析模擬計算。結果表明:滑坡在滑動前的未開挖天然工況及暴雨工況下均處于基本穩定狀態;由于坡腳開挖擾動,在暴雨工況下,滑坡處于不穩定狀態,最大剪應變增量主要集中在坡腳位置,可能首先從坡腳位置處剪切破壞,數值分析計算結果與實際工況相一致?；轮卫砗?計算分析得到邊坡在兩種工況下均處于穩定狀態。兩種方法都得到了支護方案可行的結論,可為類似工程滑坡治理提供參考。