施工诱发边坡失稳变形机制及应急治理对策_许锐.pdf

第 45 卷 第 3 期 煤田地质与勘探 Vol. 45 No.3 2017 年 6 月 COAL GEOLOGY 2. Xi’an Exploration Engineering Co. Ltd., Shaanxi Geology and Mineral Bureau, Xi’an 710016, China Abstract Based on the investigation of engineering geological hazard of an unstable slope along Xiangxi avenue, the topography and geomorphology, ation lithology, rock mass structure, original design scheme and con- struction process were studied in detail so as to analyze the slope deation mechanism. A geological FLAC3D model of the unstable slope was described by engineering geological profile, and then the process of retrogressive landslide due to top-down construction of lattice retaining wall was analyzed in the paper. The slope evolvement sketch of mechanism from deation to failure was described. The results show that the slope deation was controlled by engineering geological conditions and the change of mechanics equilibrium condition due to slope excavation, caused slope deation and instability; because of overbreak, the damage of lower supporting rock under structural deadweight led to the lattice retaining wall subsidence, slope deation, and retrogressive land- slide; the retrogressive sliding may cause the distortion and shearing slide plane in the slope, and when the sliding plane cut through, the slope would fall; slope reinforcement based on the analysis of deation mechanism fo- cuses on supporting the lattice retaining wall and controlling the distortion of potential shearing exit; the monitored deation curve indicates that the slope is stable after urgent treatment. Keywords slope engineering; retrogressive landslide; top-down construction; deation mechanism; urgent treatment 陕南北靠秦岭、南倚巴山，汉江自西向东穿流而过。安康所在的秦巴山地由陇山余脉、秦岭和巴 ChaoXing 108 煤田地质与勘探 第 45 卷 山组成，为中生代末以来全面隆起的主要由变质杂 岩组成的褶皱山地。区域内以中山地貌为主体，高 峰林立，断陷盆地星散于群山之中，汉江谷地贯 穿于秦岭、巴山之间，地形地貌及地质条件较为 复杂[1-2]。在此条件下，开挖形成的大量结构复杂、 稳定性差的边坡，若不能全面考虑降雨或施工工序 等方面的影响， 则易出现不同规模的变形失稳现象， 严重影响工程建设和运营期间的安全[3-5]。因此，研 究边坡的变形破坏机制，准确地评价和预测其变形 破坏模式，选择合理的应急治理措施，对失稳边坡 治理设计具有重要意义[6-7]。 研究区位于安康市区东南部，南环干道与香溪 路交叉口，为某著名景区门户。原地形为天然坡体， 坡体成分以强风化千枚岩为主[8]。根据建筑规划设 计，待建的旅游客服中心工程不可避免的要对后部 山体的坡脚进行一定程度的开挖。在该边坡支护施 工过程中，坡顶出现平行挡墙的贯通性拉裂缝，坡 体与挡墙变形明显。如果边坡继续出现变形，将威 胁到坡脚拟建工程及施工人员的安全。针对目前坡 体失稳及支护结构失效的现状，考虑到我国近年来 逐渐出现的南旱北涝的气候趋势，陕南地区未来有 可能出现极端气候，为确保旅游客服中心建设工程 及坡顶与坡脚道路及周边居民的安全， 对已发生失稳 和存在安全隐患的高陡边坡及时进行综合治理刻不 容缓[9]。为了制定正确的应急治理措施，必须查明边 坡的地质结构条件、 变形破坏机制， 并预测可能的失 稳破坏模式。以此为基础，制定应急治理方案。 1 边坡工程地质条件 边坡位于安康市江南城区，南环干道和香溪大 道交会处， 场地西侧为江南变电站。 场地地形为一斜 坡， 南高北低， 东高西低， 相对高程 277.89303.82 m， 高差约为 26 m，平均坡度约 21。场区所处地貌单 元，属汉江南岸 2 级阶地后缘的基岩剥蚀区，原场 地地形、开挖范围及拐点见图 1。 图 1 原场地地形图 Fig.1 Terrain map of the original site 边坡主要由志留系区域变质千枚岩组成，岩层 产状为 21627030∠43，为反倾向层状岩质边 坡。按岩土工程地质分类，地层从上到下可分为 4 层①人工填土 Q4ml，物质成分以千枚岩碎渣为主， 含砖块和炉渣，局部为黏性土，结构疏松，均匀性 差，厚度 0.209.00 m；②全风化千枚岩 S，灰黄色， 呈土状， 结构疏松， 整个场地分布， 层厚 5.8017.90 m； ③强风化千枚岩 S，志留系区域变质岩，灰色，细 粒鳞片变晶结构，千枚状构造，极软岩，极破碎， 岩体基本质量等级 V 级。层厚 3.3016.90 m；④中 风化千枚岩 S，志留系区域变质岩，青灰色，细粒 鳞片变晶结构， 千枚状构造， 在薄的片理面上可见丝 绢光泽和微细的小皱纹，软岩，较完整，岩体基本质 量等级为 IV 级，本次钻探揭露厚度 1.9010.10 m。 研究区降雨充沛，降水量 1 050 mm/a，平均降 雨日数为 94 d/a。降雨集中在每年 69 月，7 月最 多。场地地势较高，钻探深度内未见地下潜水和承 压水。部分钻孔中有基岩裂隙水渗出，水量不大， 但对工程建设有不利影响。 2 边坡变形破坏特征 2.1 原支护设计方案 原边坡支护设计方案采用直立放坡后锚索格构 砼挡墙支护方案。其中格构间距为 3.0 m3.0 m， 锚索长度 1528 m 不等。开挖边坡坡体成分以强风 化千枚岩为主， 总长度为 276.86 m，高度 020.8 m， 原支护设计方案主要采用直立放坡后锚索格构砼 挡墙支护方案，开挖面倾向 39。其中格构截面为 0.6 m0.6 m，格构间距为 3.0 m3.0 m，格构间混凝 土挡墙厚 0.2 m，锚索长度 1528 m 不等。原设计方 案见图 2。 图 2 原设计方案 Fig.2 Original design scheme 根据相关规范，对于此类高边坡开挖施工，应 根据边坡的地质特征和可能发生的破坏等情况，采 取自上而下、分段跳槽、及时支护的逆作法进行施 工，严禁无序大开挖或一坡到顶的全断面开挖。根 ChaoXing 第 6 期 许锐等 施工诱发边坡失稳变形机制及应急治理对策 109 据工程的工程地质特性，在进行边坡开挖时，开挖 一段，支护一段，支护完成后，方可进行下一级或 下一段边坡的施工。 2.2 边坡变形特征 人工开挖边坡坡体成分以强风化千枚岩为主， 坡顶为厚度不均的人工填土及全风化千枚岩，工程 性质较差。在边坡支护结构施工中，BB1 段挡墙 顶部出现过局部跨方，原设计单位根据施工反馈对 BB1 段进行了设计变更，在开挖至 293.2 m 高程 处增设了约 6 m 宽度平台。但随后的施工阶段，边 坡支护工程主挡墙 BC 段总体变形明显，具体表 现为墙体鼓胀、墙体下沉、墙体拉裂缝明显图 3、 在墙体转折处墙体产生挤压破坏。由于坡体变形明 显，导致部分锚索失效，具体表现为锚头下垂、格 构结点砼被压碎、锚索被拉出图 4。坡顶道路出现 宽度约 3 cm 平行挡墙的贯通性拉裂缝。最终导致 BB1 段格构梁于 2014-03-14 日施工至约 281.2 m 高程时突然出现严重失稳下沉。 图 3 挡墙拉裂缝 Fig.3 Tension crack in the retaining wall 图 4 格构结点混凝土被压碎 Fig.4 Crushed concrete in the lattice nodes 边坡失稳后，立即停止施工，撤离相关人员， 并对坡脚进行了反压，坡顶和坡体裂缝进行了防水 处理，暂时减缓了坡体变形的速率图 2。但边坡失 稳破坏隐患仍然严峻， 亟需对其进行应急治理加固。 3 边坡变形破坏机制分析 3.1 边坡变形破坏机制分析 在影响边坡稳定性的诸因素中，不良的工程地 质条件和岩体结构条件是主要内因，在非地质因素 中，影响边坡稳定性的因素主要为大量降雨、不合 理设计或施工等[1]。 a. 地层岩性 施工开挖揭露边坡岩体主要为全 风化和强风化千枚岩，呈土状，结构疏松，极为破 碎。开挖暴露后，迅速风化碎裂，遇水泥化，工程 特性较差，极易垮塌。 b. 岩体结构 开挖边坡倾向 39，垂直开挖。坡 体主要由志留系区域变质岩千枚岩组成，岩层片理 面产状为 21627030∠43，为反倾向层状岩质 边坡，总体有利于坡体稳定。岩体局部位置节理裂 隙发育，闭合无充填，结合程度较好，发育较好的 节理有两组，产状分别为①33068∠；②185∠ 71。由优势结构面和坡面赤平投影分析可知，第 1 结构面与坡面几乎正交，第 2 结构面反倾坡内，均 不易形成以该组结构面为滑面的下滑楔形体，但在 极端条件下这两组结构面可能切割片理面形成小菱 形块体，构成潜在威胁。更为重要的是，这些小菱 形块体加速了岩体开挖后的风化碎裂的速度和程 度，极大地降低了岩土体的工程特性。 c. 施工质量 原施工方由于缺乏格构护坡的施 工经验，锚索现场检测多次不合格，混凝土浇筑质 量较差，局部格构板墙胀模较严重。并且上部格构 梁板内部砼结构破损，表面出现明显贯通裂缝。从 上往下逆作法施工中，上下格构板的接茬处理不规 范，连接未能满足规范要求。由于原方案的格构挡 墙设计自重过大，加之施工中超开挖现象严重，导 致格构梁下部支撑岩土体难以承担其自重，下沉压 垮下部岩土体，进而使得该段格构挡墙在施工高度 达 10 m 左右时突然出现严重失稳下沉， 导致上部已 锁定的锚座断裂，并拉拽剩余锚索裹挟墙后岩土体 形成局部牵引式滑动。 d. 地表水下渗 本场地地势较高，钻探深度内 未见地下潜水和承压水。部分钻孔中有基岩裂隙水 渗出，水量不大。坡顶公路排水管平行于开挖边坡 走向，紧贴格构挡墙。由于开挖后边坡变形较大， 排水管部分位置拉裂。坡体节理裂隙密集，排水管 水下渗速度快，地下水弱化了千枚岩的抗剪强度， 并增加了岩土体静水推力。边坡开挖改变了坡体原 来的力学平衡条件，前缘抗力相对降低，加之格构 梁下沉牵引坡体滑动，结构面进一步张开，更加剧 了地表水入渗和岩体变形。 ChaoXing 110 煤田地质与勘探 第 45 卷 由以上分析可知，目前边坡处于格构挡墙失稳 下沉引发的墙后坡体牵引式滑动阶段。随着坡体滑 移的发展，边坡在格构自重与岩土体推力作用下产 生较大变形， 将逐渐破坏并形成贯通的剪切滑动面。 当岩土体剪切滑动面从已施工的格构挡墙下部贯通 后，坡体将整体失稳。 3.2 边坡变形破坏机制的数值模拟 为从力学机制分析边坡变形产生的原因，在上 述分析的基础上，建立边坡 FLAC3D计算模型，分 析边坡施工变形失稳特征，锚索格构采用理想弹性 体材料，土体采用理想弹塑性 Mohr-Coulmb 材料。 图 5 为坡体完全失稳后 BB1 段剖面总位移云图， 模拟结果表明，开挖后坡体前缘抗力相对降低，由 于边坡浅表层岩体风化破碎，加之格构自重较大， 牵引其后岩土体产生较大位移，在这种应力状态下 极可能产生局部失稳。边坡开挖后坡体内部由于牵 引滑动出现拉应力及剪应力集中现象，并在格构下 部至坡脚的开挖面位置，应力达到最大值。随着牵 引式滑动继续发展，由于坡体浅表层岩体破碎，在 这种剪拉应力环境下，沿最大剪应力面逐渐贯通形 成潜在剪出口。如图 6 剪应变云图所示，由格构挡 墙后部坡体及坡脚附近碎裂岩体中的最大剪应力面 组成的潜在滑面逐渐贯通，在一定条件下将产生整 体失稳破坏。 图 5 总位移云图 单位m Fig.5 Contour of displacement 图 6 剪应变云图 Fig.6 Contour of shear strain increment 4 应急治理对策 由上述分析可见， 边坡的治理[6-9]重点应放在以 下 4 个方面 a. 原格构梁挡墙自重较大，下部岩土体无法支 撑其自重而被压垮破碎，导致挡墙处坡体变形，带 动其后坡体变形，形成牵引式滑动。因此防治重点 应为原格构梁挡墙下部提供有效支撑，防止其继续 下沉变形。 b. 随着牵引式滑动发展，边坡可能逐渐破坏并 形成贯通的剪切滑动面，从已施工的格构挡墙下部 贯通剪出，造成边坡整体失稳。因此抗滑支护设计 是该应急治理的又一重点。 c. 坡顶汇水下渗是影响边坡稳定性的关键因 素，也是应急治理的中心环节。 d. 地形与地质条件及边坡变形与破坏程度在空 间上变化较大，应遵循安全经济原则进行分段治理。 据此，制定以下应急治理对策图 7。 图 7 应急治理措施及监测点位布置示意图 Fig.7 Layout sketch of reinforcement and extensometers ① 已有裂缝进行防水处理，并建立完善的截、 疏、排水体系，防止地表水沿裂隙入渗坡体，将已 进入坡体的地表水快速排出。 ② BC 段原格构梁下部每隔 6 m 布置一根 截面 2 m2.5 m 的锚索抗滑桩，桩底嵌入弱风化 千枚岩不小于 5 m， 桩间设置 300 mm 厚的钢筋混凝 土板墙。抗滑桩与桩间板墙顶部以截面 2.5 m1 m 的连梁连接，并以连梁支撑原格构梁挡墙。抗滑 桩开挖应从设计桩位的坡前反压土顶部开始向下 开挖，除桩孔开挖外，整个施工过程严禁挖除坡 前反压土体。 ③ 重新张拉原格构梁上的锚索， 防止原格构挡 墙从抗滑桩顶以上失稳倾覆。 ④ 鉴于原格构梁挡墙及锚索质量较差， 特对其 进行补充加固。在原格构相邻两梁之间，架设由 2 根加肋槽钢组成的钢构横梁，横梁与原有格构柱相 交处重新布置锚索。 治理措施实施后，监测结果图 8表明，加固后 边坡基本没有增加变形量，边坡变形得到了有效的 控制，目前边坡稳定性较好。 ChaoXing 第 6 期 许锐等 施工诱发边坡失稳变形机制及应急治理对策 111 图 8 边坡变形监测曲线 Fig.8 Monitored slope deation curves by multipoint extensometers 5 结 论 a. 地层岩性、地形地貌、水文地质、风化作 用等因素为开挖后的坡体变形与局部失稳提供了 客观条件，不合理设计和施工更进一步诱发了灾 害隐患。 b. 边坡开挖改变了坡体原来的力学平衡条件， 加之原格构挡墙在自重作用下的严重失稳下沉，造 成锚索拉拽墙后岩土体形成局部牵引式滑动，同时 坡顶汇水下渗加剧了边坡变形与破坏程度。 c. 基于破坏机制分析的应急治理思路认为，必 须为原格构梁挡墙下部提供有效支撑，控制潜在滑 动面变形，并做好坡体排水工作。 d. 对同类牵引式滑动边坡的设计中，必须重视 岩土勘察工作，准确预测灾害隐患，研究其变形破 坏机制，遵循安全经济原则制定分段治理方案，确 保施工质量。 参考文献 [1] 石玲， 张永双， 石菊松. 三峡引水工程秦巴段主要地质灾害及 其工程影响[J]. 工程地质学报，2009，172212–219. SHI Ling，ZHANG Yongshuang，SHI Jusong. Surface geo- hazards at Qinling-Daba mountain and impact on three gorges water diversion project[J]. Journal of Engineering Geology， 2009，172212–219. [2] 姬怡微，李永红，向茂西，等. 陕西秦岭南麓 316 国道沿线地 质灾害防治对策研究[J]. 灾害学，2015，302199–204. JI Yiwei， LI Yonghong， XIANG Maoxi， et al. Control measures on geological disasters along No. 316 national road in the south of Qinling mountains in Shaanxi[J]. Journal of Catastrophology， 2015，302199–204． [3] 黄润秋，赵建军，巨能攀，等. 汤屯高速公路顺层岩质边坡变 形机制分析及治理对策研究[J]. 岩石力学与工程学报，2007， 262239–246. HUANG Runqiu，ZHAO Jianjun，JU Nengpan，et al. Study on deation mechanism and control of bedding rock slope along Tangtun expressway[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics Engineering，2007，262239–246. [4] 董时俊. 降雨条件下灵台黄土滑坡变形机理分析[J]. 铁道工 程学报，2014，311044–48. DONG Shijun. Deation mechanism of Lingtai loess land- slide under rainfall condition[J]. Journal of Railway Engineering Society，2014，311044–48. [5] 殷跃平，刘传正，陈红旗，等. 2013 年 1 月 11 日云南镇雄 赵家沟特大滑坡灾害研究[J]. 工程地质学报，2013，211 6–15. YIN Yueping，LIU Chuanzheng，CHEN Hongqi，et al. Inves- tigation on catastrophic landslide of January 11，2013 at Zhao- jiagou，Zhenxiong County，Yunnan Province[J]. Journal of Engineering Geology，2013，2116–15. [6] 苗朝，沈军辉，杨佳丽，等. 雅砻江甲西滑坡倾倒弯曲–拉裂 形成机制研究[J]. 防灾减灾工程学报，2015，353411–417. MIAO Zhao，SHEN Junhui，YANG Jiali，et al. Research on bending and sliding deation failure mechanism of Jiaxi landslide of Yalong river[J]. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering，2015，353411–417. [7] 刘晓，唐辉明，胡新丽，等. 金鼓高速远程滑坡形成机制及动 力稳定性[J]. 岩石力学与工程学报， 2012， 3112 2527–2537. LIU Xiao，TANG Huiming，HU Xinli，et al. ation mechanism and dynamic stability of Jingu high-speed and long-run-out landslide[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics Engineering，2012，31122527–2537. [8] 于德海， 彭建兵. 陕南公路软弱变质岩边坡变形破坏特征的研 究[J]. 工程地质学报，2007，154559–563. YU Dehai，PENG Jianbing. Study on deation and failure property of the cutting slope in the southern Shaanxi Province[J]. Journal of Engineering Geology，2007，154559–563. [9] 许锐，郭璐，李寻昌，等. 延安地区黑沙蒿生长特征及护坡效 应研究[J]. 铁道工程学报，2015，32919–24. XU Rui，GUO Lu，LI Xunchang，et al. Research on the growth characteristics and slope protection of artemisia ordosica in Yan’an area[J]. Journal of Railway Engineering Society，2015，329 19–24. 责任编辑 张宏 ChaoXing