碎裂结构岩质边坡滑坡机理与防治.pdf

公路2 0 0 4 年 6 月第 6 期 H I G H WA Y J u n ． 2 0 0 4 N o ． 6 文章编号 O 4 5 1 一O 7 1 2 2 O O 4 O 6 一O O O 8 一O 5 中图分类号 U 4 1 8 ． 5 文献标识码 B 碎裂结构岩质边坡滑坡机理与防治 全 凤文 云南祥临公路建设指挥部临沧市6 7 7 0 0 0 摘要 介绍碎裂结构岩质路堑边坡滑坡的水文地质特性 、 滑坡特征、 形成因素分析及稳定性评价， 结合工程实 例探讨拉压分散型锚索治理滑坡的防治措施。 关键词 碎裂结构岩质边坡；滑坡；分析 ；防治 滑坡因危害性大， 产生原因复杂， 防治困难， 越 来越被工程界人士关注。高等级公路建设中滑坡已 成为建设投资控制、 营运安全和养护成本控制的中 心问题。 如何认识、 分析、 评价和判断滑坡的危害， 采 取有效措施进行防护， 保持边坡稳定， 已成为控制建 设投资的重要因素。 碎裂结构岩质滑坡较堆积层、 残积层、 膨胀土、 粘性土以及古滑坡复活等滑坡易被忽视， 其坡面岩 石出露， 地勘钻探岩质较好。 但直到坡面形成一段时 间后， 经应力场及变形场的变化， 能量才突然释放， 产生较大规模滑坡， 具有突发性和大规模性， 给治理 带来相当大的困难。 但此类型滑坡如果能早发现、 早 防治， 往往防护工程量较小， 工程投资不大， 尤其采 用拉压分散型预应力锚索治理 ， 更能体现防治该类 型滑坡的优势。 1 水文地质特性 经过大量滑坡的地形、 地貌、 地质和水文资料分 析统计， 碎裂结构岩质边坡滑坡有以下特性。 1 坡面沿纵横方向地形起伏变化大， 残坡积层 薄， 有岩石出露， 坡面上多生长灌木林， 植被差。 2 岩石类型多为各种岩石的构造影响带、 破碎 带、 蚀变带或风化破碎岩体。 3 岩体失去完整性， 松散、 破碎， 多为碎石或碎 块状的碎裂结构。 4 节理裂隙发育， 多短小无规则分布， 岩块间 存在咬合力。 5 存在软弱夹层， 软弱夹层的厚度多不大， 有 收稿日期 2 0 0 4 一O 2 2 5 的不利结构面软弱夹层仅为 2 ～3 c m厚。 6 岩块的抗剪强度与软弱面的抗剪强度差值 很大， 因此软弱结构面对边坡的稳定性有着决定性 的影响， 而位置与滑坡面位置往往是相吻合的。 7 在组成边坡的土石体中， 渗透性差异较大的 接触面上， 易产生滑动， 而同一坡面上， 差异面越多、 滑动面也往往就愈多。 8 往往潜在滑面并非是构造成因的结构面， 而 是不同岩性单元之间的不协调界面。 2 滑坡特征 碎裂结构岩质边坡滑坡与其他类型滑坡相比， 有其独有的特征。 1 往往存在多级剪出口。 2 滑坡发生的力学性质先为牵引式， 后转为推 移式。 3 滑坡规模较大， 一般为中深层滑坡。 4 蠕动变形不明显， 具有突发性。 5 滑坡一旦发生， 积蓄的能量释放以后， 处于 极限平衡阶段， 若无外界不利因素影响， 能在极限平 衡状态下稳定较长时间。 6 滑坡一旦发生， 其周界较为明显， 在边坡上 缘一定范围内， 有较为明显可判断的环形滑坡周界 裂缝存在。如祥临公路 K1 5 2 9 6 0 ～K1 5 3 1 5 3 滑坡 。 7 滑坡产生往往先是挫动， 能量释放后处于极限 平衡状态， 不会产生大规模的一次性滑移， 因此， 在这 个期间， 抓住机会处治滑坡， 产生费用能减少一些。 维普资讯 2 0 0 4 年第 6 期 全风文 碎裂结构岩质边坡滑坡机理与防治 3 滑坡成因分析 从严格意义上来说， 无论是人工边坡还是天然 边坡， 都是不稳定的， 从地质历史的角度来看， 人类 是无法阻止边坡的夷平过程的。 但是， 我们可以通过 对过程的认识， 或对过程中可能发生的灾害性事件 进行超前预报， 采取有效防护措施， 达到减缓、 阻止 滑坡发生的目的。 3 ． 1 古滑坡复活 古滑坡因在 自然状态下处于平衡状态， 当路线 经过， 产生填挖 ， 使原来处于平衡状态的古滑坡失去 平衡而产生复活， 这种类型的滑坡， 在祥临公路沿线 较为常见。如 K 2 1 5 4 4 0 K2 1 5 5 9 4滑坡、 K1 9 5 7 5 5 ～K1 9 6 0 9 0滑坡 。 3 ． 2 边坡应力场及变形场突变 公路修建， 不可避免要产生对原始地貌进行开 挖及填方加载 ， 使其力学边界发生变化， 尤其高等级 公路因需满足路线等级的要求， 进行高填深挖和快 速施工， 使边坡应力场及变形场发生突变失稳， 这是 产生滑坡最主要的根本因素。 3 ． 3 水的作用 从地层岩性分析， 碎石土类不易产生滑坡， 粘性 土在受水影响后易产生滑坡， 基岩中页岩、 泥岩、 千 枚岩、 泥灰岩和云母片岩风化及遇水软化 ， 也易产生 滑坡 不同性质的土体受水作用的反应也是不一样 的。岩浆岩、 沉积岩中的砾岩和砂岩 ， 以及变质岩中 花岗片麻岩、 石英岩等， 几乎与水不起作用， 是抗水 的物质。它们在水的作用下抗剪强度不会发生很大 变化， 因而由这些岩石组成的边坡稳定性与水的关 系不密切。而各种页岩、 泥岩、 地表覆盖层和软弱夹 层都是亲水的， 由亲水性物质组成的边坡， 在雨季及 浸水后塑性增大， 抗剪强度显著降低， 极易产生滑 坡。 各种松散无粘结的砂性土层容易被潜蚀 ， 在地下 水压力的作用下 ， 结构和强度不断变化， 边坡稳定性 逐渐降低。 对于碎裂结构岩质边坡， 因其节理裂隙发育， 存 在软弱面， 水对此类边坡稳定的影响主要通过 3 种 方式实现， 即 动水压力、 浮力效应和潜在滑面介质 腐蚀引起的强度衰减。 3 ． 3 ． 1 降雨的影响 降水引起边坡渗流场变化， 是诱发滑坡最关键 的因素， 往往大规模滑坡发生在雨季或紧跟大雨之 后， 不少滑坡具有“ 大雨大滑、 小雨小滑、 无雨不滑” 的特点。 这是由于降雨使边坡土石含水逐渐饱和， 甚 至在隔水层上形成暂时的含水层。一方面增大了边 坡土石的容重和降低了边坡土体的内聚力； 另一方 面还产生了动水压力和静水压力， 使边坡稳定性急 剧降低而产生滑坡。 3 ． 3 ． 2 地表水的影响 地表水下渗， 增加了边坡土体的含水量， 由于碎 裂结构岩质边坡裂隙及软弱面的存在， 水渗入裂隙 及软弱面后形成渗流， 使层面间的摩擦力和内聚力 降低， 造成边坡失稳而下滑。 地表水中水流不断冲刷和切割岸坡， 使岸坡增 高变陡， 同时水位的上升、 下降与地下水补给关系的 变化， 使边坡平衡力发生变化， 弱化抗滑力因素， 使 下滑力占据主动而产生滑坡。 3 ． 3 ． 3 地下水的影响 地下水对边坡的影响往往为地下水对边坡固相 介质的弱化效应， 即地下水动态变化。 地下水通过化 学的、 水力学的方式， 促使岩石矿物成分显微结构发 生变化， 从而引起岩石强度发生连续衰减。 岩石强度 越低， 对含水量越敏感， 而且岩石的抗剪强度随着饱 水强度的降低而衰减。 由此， 裂隙及软弱面在地下水 作用下， 强度衰减速度较岩块快 ， 从而形成滑动面导 致滑坡。 3 ． 3 ． 4 饱水条件下潜在滑动面的 c 、 值影响 几乎所有边坡的潜在滑动面都是在饱水的条件 下转化为滑动面的。 对于任何形式的结构面， 水都会 对其强度产生显著影响， 这种影响包括 2 个方面 一 是长期的结构面腐蚀； 二是快速饱水。 对于碎裂结构岩质边坡 ， 结构裂隙发育， 软弱夹 层介质往往是不同岩性单元之间的不协调界面， 裂 隙结构不连续， 形成同一滑面的不同部位具有不同 的 c 、 值。 对于多级滑动面的较弱结构面， 因c 、 值 的因素造成抗滑力低的滑面先发生滑移。 4 滑坡稳定性评价 在确定滑坡防治方案前 ， 应对滑坡稳定性进行 分析评价， 确定滑坡推力及其他参数， 才能根据推力 确定有效的处治措施。传统的边坡稳定极限平衡分 析法， 对不同地质结构的边坡其分析方法也不同， 对 于碎裂结构岩的边坡 ， 不利结构面稳定性可采用下 列方式进行。 4 ． 1 三角形斜坡的稳定性 图 1中A B为设计路堑边坡、 A D为潜在的不 利倾斜结构面， 按平面问题分析 ， 岩体 A B C和 A B D 维普资讯 一 1 O一 公 路 2 0 0 4 年第 6 期 的稳定系数K 可表示为 K1 W 1 c o s ‘ r t a n c L 1 ／ w1 s i n a 1 K2 2 c o s ‘ r t a n c L 2 ／ w2 s i n a 2 W1 1 ／ 2 0 “ h L1 C O S Q W2 1 ／ 2 T h L2 C O S Q 式中 y为岩体的容重， k N／ m。 ； h为变形体高 度， r n ； L l ， L 为滑面长度， r n ； c ， 为结构面岩体内聚 力及内摩擦角； a 为结构面与水平面的夹角。 简化式 1 、 2 得 K1 K2 t a n ／ t a n a 4 c ／ O h s i n 2 a 3 图 1 三角形斜坡的稳定性 式 3 表明， 在同一层状结构面的情况下， 当变 形体h相同， 而其他条件不变时， 平顶坡 B C和斜顶 坡 B D 对应的 2 个坡面呈三角形的斜坡 A B c和 A B D ， 其稳定性是相同的。因此， 研究不同形态岩 体边坡的稳定性 ， 可以通过研究平顶坡岩体的稳定 来解决 。 4 ． 2 极限平衡分析边坡稳定系数 对图 1中的平顶岩体 AB C， 当处于极限平衡状 态时K1 ， 可求得变形体高度 h 。 已知路堑边坡坡 比为 1 m， 岩体的稳定系数 K 为 图 2 K[ WS c o s a t a n p - - T c o s 8 a T s i n O a t a n 4 - c L S ] ／ WS s i n a ； 式 中 为岩体重力， W1 ／ 2 T h L c o s a ， k N； L为滑面长度， IT I ； a 为结构面与水平面夹角； c 、 为 结构面岩体内聚力及内摩擦角； 为锚索与水平面 夹角； S为锚索沿路线长度方向的间距， IT I ； T为 间距内锚索总力， k N。 单位n l 图 2 某断面锚索布置示意 5 滑坡防治 对滑坡充分认识及稳定性评价后， 如何采取有 效措施对边坡进行防治， 是控制建设投资、 确保工程 安全的关键所在。 处治滑坡的原则， 应根据滑坡的特点、 稳定性情 况 ， 采取以“ 防” 为主， “ 防” 和“ 治” 结合的方式。对勘 察时就探明的设计无法绕避的滑坡， 应以“ 防” 为主， 这样可以花较少的资金防止滑坡产生。对已产生挫 动， 处于极限平衡状态的滑坡， 应采取有效的治理措 施， 确保滑坡不再产生， 以避免引发更大规模的滑 坡， 扩大投资规模。 “ 防” 和“ 治” 较有效的方法有以下 几种 。 5 ． 1 防排水 防水工作是防止和治理滑坡的基本工作 ， “ 公路 病害在于水， 养好公路先排水” ， 这是几十年来公路 建设者总结的经验 ， 说明了公路安全排水的重要。 防 止滑坡的治水方式主要有以下几种方式。 1 修筑边坡环向截水沟， 主要是把边坡外的地 表水截断， 不流入边坡， 冲刷及侵蚀边坡。 2 修筑坡面急流槽及碎落台排水沟， 主要是将 坡面水集中， 通过碎落台边沟排入截水沟， 送出边坡 外， 以减少雨水对边坡的侵蚀。 3 在坡面有泉眼的地方打疏干孔， 以利排出坡 面渗水 ， 减小渗水压力。 4 在边坡脚、 路基边缘设盲沟以排出坡面渗流 及地下水。 5 修筑路基边沟， 以排出路面积水， 不至于路 面集水渗入边坡 ， 影响边坡稳定。 5 ． 2 工程施工程序控制防护 对于已探明不稳定而路线又无法绕避的滑坡， 应根据其稳定性， 先处治滑坡， 再进行路基开挖， 并 维普资讯 2 0 0 4 年第 6 期 全凤文 碎裂结构岩质边坡滑坡机理与防治 遵照施工程序进行施工， 是防止滑坡的最经济手段。 1 禁止放大炮作业， 避免对滑坡产生不利 影响。 2 分台开挖 ， 逐台防护。 开挖一级台阶， 防护一 级坡面， 并经过一段时间使边坡能量释放后， 再开挖 下一级台阶， 进行下一台阶坡面的防护， 以避免因边 坡开挖， 或边坡开挖速度太快， 使边坡产生应力应变 突变而造成失稳。 5 ． 3 工程治理措施 对已产生挫动， 出现明显剪出口， 边坡上缘已出 现裂缝， 处于极限平衡的边坡， 应根据稳定性分析， 采取有效的治理措施。 常规的治理方式为“ 一清二挡三锚固” ， 对于碎 裂结构岩质边坡， 采取拉压分散型预应力锚索较为 有效、 经济。 预应力锚索主要有以下几种 1 纯拉力型预应力锚索； 2 纯压力型预应力 锚索； 3 拉力分散型预应力锚索； 4 压力分散型预 应力锚索； 5 拉压分散型预应力锚索。 拉压分散型锚索结构如图 3 所示。其结构能充 分发挥预应力锚索的抗拉强度， 减少锚索长度， 增加 碎裂结构岩边坡岩体间的咬合力。 单位 m m 囝 3 拉压分散型锚索结构 拉压分散型锚索是在 2 根无粘结钢绞线下部剥 除 1 ～3 m 的 P E套管， 变成拉力型锚固段， 在无粘 结段上部安装可移动挤压套和承载板 ， 变成压力型 锚固段， 在另外 2 根或 4根或 6 根无粘结钢绞线上 也按照上 2 根同样处治， 然后将它们编在一起。 编索 时， 无粘结段呈台阶状布置， 这样就可以形成拉压分 散型锚索。 拉压分散型锚索根据滑动面埋深和被加固岩土 体与水泥浆体都具有抗压而不抗拉之特性， 将锚固 力以拉一压一拉一压交互形式分散作用在不同深度 的岩体上， 可提供较大且均匀可靠的锚固力， 确保锚 固体不受破坏。 同时， 锚固段可形成水泥浆、 波纹管、 水泥浆、 聚 乙烯套管和涂层等 5 层防护的永久性锚索， 防腐性 能好 ， 这种锚索优于以往使用的拉力型或压力分散 型等其他锚索， 适合于碎裂结构岩质边坡的永久性 加固工程 。 在滑坡规模大， 推力计算显示无法用预应力锚 索单独治理时， 则配以抗滑桩、 抗滑挡墙进行支挡。 适当的情况下， 进行刷坡减载， 理顺边坡。当路线经 过滑坡下部的时候， 亦可采取反压护道的方式， 增加 滑坡的抗滑力以提高滑坡的阻滑安全系数。 6 工程实例 6 ． 1 滑坡工程概况 云南祥临公路 K2 4 5 4 6 0 K 2 4 5 5 5 0 右侧边 坡， 原设计为 2 级边坡， 坡率为 1 t 0 ． 5 ～1 t 0 ． 7 5 ， 每级坡高 1 0 m。 2 0 0 2 年 1 0月施工到达路基标高后 ， 边坡中后部产生了滑坡， 经刷坡减载， 边坡变为 4 级 3 台， 高 6 5 m。第 1 、 2 级坡率为 1 t 0 ． 7 5 ， 第 3 、 4 级 为 1 1 ． 0 。2 0 0 3 年 1 月边坡开挖成型后 ， 边坡后缘 又产生了裂缝， 第 1 级坡面左侧产生剪出口， 边坡坡 面中下部产生了一系列裂缝 ， 滑坡上部周界清楚。 滑坡平面形态呈不规则正方形， 主滑方向与路 维普资讯 2 0 0 4 年第 6 期 线中线垂直。 前后缘高差 8 0 r fi ， 滑体厚 5 ～1 5 r fi ， 平 均厚 1 2 r fi ， 体积 7 ． 6 8 万 r fi 。 ， 属中型滑坡。 滑坡力学性质先为牵引式， 后转为推移式， 滑动 面发育于强～弱风化界面， 且受节理面控制， 折线 形， 主滑段倾角 3 0 。 ～4 5 。 。 滑坡形成内因是边坡具备松散破碎花岗岩及其 风化物， 具备易滑的顺坡风化界面及节理裂隙， 具备 易滑的高陡临空面。 诱发因素是路基开挖切坡， 破坏 了山体原有的平衡状态。图4为赤平极射投影判别 图， 滑动面受① ②和③组节理控制。 坡向 6 1 。 N 边坡 坡度 5 3 。 1 o ． 7 5 l 1 o 。 3 7 。 3 5 0 。 4 0 。 W E 节理 3 3 。 40 。 2 2 0 。 6 9 S 稳定状况 不稳定 图 4 边坡稳定性赤平极射投影判别 滑坡挫动后， 尚未剧烈滑动， 处于极限平衡状 态， 稳定性较差。如不及时治理， 极有可能产生剧烈 滑动， 从坡脚及半坡剪出， 并有向后扩展的可能。 6 ． 2 滑坡治理措施 由于该滑坡主要受节理面及风化界面控制， 若 再采取放缓边坡， 让其 自稳， 则不利因素有 1 增大 坡高 现已为 6 5 m ， 加大了临空面； 2 刷坡工程量 大， 防护工程量也将增加； 3 削坡后边坡 自稳能力 仍较差， 仍需采取其他加固防护措施； 4 破坏生态 环境 。 根据滑坡力学性质， 可在滑坡下部设抗滑桩进 行支挡， 但该滑坡地形陡， 滑动面倾角大， 有多级剪 出口。同时， 抗滑桩施工周期长， 成孔施工安全难于 保障。 通过方案比较， 采用锚索框格梁、 边坡排水及护 坡相结合的治理方案， 施工周期短， 费用低。 预应力锚索类型选取拉压分散型， 其结构如图 3所示 。 6 ． 3 滑坡工程治理效果 预应力锚索框格梁、 地梁及排水和护坡工程实 施后， 能保证滑坡稳定、 路基安全及行车安全， 工程 设计效果良好。其稳定性效果评价见表 1 。 表 1 K 2 4 5 4 6 0 K 2 4 5 5 5 0 滑坡工程治理设计效果评价 滑坡水平下滑 滑坡水平抗 滑坡水平 工程抗滑力／ k N／ m 稳定系数 计算断面 剩余下滑力 K 丸| k N ／ m 滑力／ k N ／ m 预应力锚索框格梁 预应力锚索地梁 合计 k N ／ m K2 4 54 90 8 42 9 7 66 0 7 6 9 5 4 6 54 6 1 0 9 2 1 ． 0 4 K2 4 551 0 1 0 1 2 1 8 9 91 1 1 3 O 1 6 3 8 1 6 3 8 1 ． O5 7 结语 碎裂结构岩质边坡往往沿结构面产生变形或失 稳破坏。 对于高边坡， 除了在勘察设计阶段深入了解 岩体结构情况外， 在施工中还要严格按施工程序， 适 时进行动态设计与监测， 并搞好防排水等防护措施。 一 旦发现边坡开裂， 应及时通过滑坡计算分析 ， 采取 有效的治理措施。 拉压分散型锚索结构， 是治理该类 边坡滑坡的有效方法， 经多个滑坡试验， 该治理方法 经济、 施工方便、 安全且耐腐蚀性能好。 参考文献 [ 1 ] 刘慧． 高等级公路建设管理与技术大全[ M] ． 长春 长 春出版社． [ 2 ] 张敏． 现行道路与桥梁工程实用技术与标准规 范大 全[ M] ． 长春 长春出版社． [ 3 ] 徐则 民， 等． 路基边坡水岩相互作 用机理及病 害防 治[ M] ． 成都 西南交通大学出版社． [ 4 ] 陈静曦， 等． 沉积岩丘陵地区高速公路路堑边坡滑坡加 固与治理口] ． 公路， 2 0 0 3 ， 1 ． [ 5 ] 余景顺， 王春发． 预应力锚索治理不利结构面的岩石边 坡口] ． 公路 ， 2 0 0 3 ， 2 ． [ 6 ] 燕云群， 等． 压力分散型锚索与拉力型锚索的比较 再论新型锚索结构系列及工程应用[ M] ． 维普资讯