削方减载治理工程设计应注意的几个问题

李爱军,罗顺林

(湖北省地质局 武汉水文地质工程地质大队,湖北 武汉 430051)

削方减载治理工程设计应注意的几个问题

李爱军,罗顺林

(湖北省地质局 武汉水文地质工程地质大队,湖北 武汉 430051)

削方减载是防治地质灾害的一种常用工程手段,在总结前人工程经验的基础上,对削方减载的适用条件、地质勘查要点、设计遵循原则、削方部位及削方量设计、验算方法、动态设计要求等方面进行了论述,探讨削方减载治理工程设计中应注意的几个问题,并提出有关建议,为地质灾害防治工程设计提供参考与借鉴。

地质灾害;削方减载;地质勘查;防治工程设计

削方减载是通过开挖的方式减少地质灾害体的荷重、以提高地质灾害体稳定性的一种工程措施。它既可以作为地质灾害抢险工程的应急处理措施,也可作为地质灾害防治工程的最终治理措施;既可以作为地质灾害的主要治理措施,也可作为辅助措施,和其他方案的组合共同发挥作用。其原理并不复杂,但在实际应用中若不因地制宜,考虑其适用条件,正确把握概念设计方向,开展针对性的地质勘查工作,合理确定削方部位和削方量,正确进行设计验算,可能造成治理工程效果不佳或防治失败,达不到治理和根除地质灾害隐患的目的。因此,在削方减载设计中,对以上这些关键性环节的控制与把握尤为重要。

1 适用条件分析

削方减载主要应用于滑坡、崩塌(危岩体)和不稳定斜坡等地质灾害的防治,可采取整体清除灾害体,或对灾害体局部清除整形,或削填结合,或配合抗滑桩、挡土墙等支挡结构组合使用。受地质灾害体的形成机制、地形地貌、环境条件及经济合理性的影响,削方减载有其自身特点和适用范围。滑床上陡下缓,滑坡后缘及两侧地层相对稳定,不至因减载开挖而引起滑坡向后缘和两侧发展,以及滑面为圆弧形或滑体后部厚度大于前缘甚多且整体性较好的滑坡或不稳定斜坡,采用削方减载进行治理效果较好,但以下几种情况一般不宜采用削方减载治理措施[1-2]:

(1) 滑体土由易饱水的粘性土组成,形成类似泥石流状土体的塑流型滑坡,其既有滑坡特征,也兼有泥石流特点,不宜采用削方减载。

(2) 由具膨胀性质的特殊性岩土构成滑体、滑带土的滑坡,因膨胀岩土收缩易产生裂缝,遇水膨胀软化,抗剪强度降低,削方处理时越削越滑,削方减载只能作为应急措施,不宜作为最终的治理工程措施。

(3) 削方后使原灾害体条件恶化或复活,经表层削方后可能产生深部滑动的灾害体,或削方后在灾害体周边形成新的暴露面,引起原灾害体周边产生新的次生灾害,治理费用较高时,不宜采用削方减载治理。

(4) 坡体地下水发育,削方后地下水难以截流、引流的灾害体。

(5) 滑面平缓或呈上缓下陡形态,削方治理效果不理想,对稳定性系数提高不大的灾害体。

(6) 削方坡顶或两侧有重要建(构)筑物,削方后对相邻建筑物有不利影响的灾害体。

(7) 削方量大,土石方在治理工程附近无合适的堆填场地,土石外运距离太远,运输费过高,治理工程性价比差的灾害体。

(8) 削方后严重破坏当地居民赖以生存的土地及环境,造成大量居民和重要工程设施搬迁,对环境破坏影响大、难以恢复的灾害体。

2 地质勘查要点

对于削方减载治理工程,应开展针对性的地质勘查工作,以满足设计需要。对地质灾害体的勘查宜分阶段进行,各阶段的勘查深度不同,针对性也不一样。在地质灾害调查及可行性论证阶段,一般对削方减载方案开展少量针对性的勘查工作,为治理工程设计方案比选提供地质依据。在初步设计阶段,削方减载作为推荐方案时,可结合地质灾害体的勘查,对削方区进行初步勘查,为设计提供地质参数。在施工图设计阶段,除应对地质灾害体进行详细勘查外,还应根据削方方案对削方区及其影响区域进行详细勘查。在施工阶段,当工程地质条件复杂,详勘阶段难以查清;或因削方开挖发现土质、土层结构与勘查资料不符或有较大差异时,可进行专门的补充勘查。对于规模小、地质条件简单、治理方案明确、治理工期短的灾害体,也可根据实际情况简化勘查程序或一次性勘查到位[3]。

在地质灾害勘查中,一般是以所治理的灾害体为勘查对象,其勘查范围控制在所治理的灾害体周边一定范围内。若采用削方减载方案,由于削方后可能使原灾害体周边形成新的暴露面,产生新的次生灾害,原针对灾害体的勘查范围可能不包括或仅包括局部削方后诱发的新灾害体范围。因此,以削方减载为主要的治理工程措施,其勘查对象主要为削方部位、辅助支挡工程以及削方后可能在地质灾害体周边形成的次生灾害体,其勘查范围应在原灾害体勘查范围的基础上,结合削方影响区或可能引发次生灾害的范围上适当扩大。其勘查工作除按灾害体的勘查要求外,还应包括如下几方面:

(1) 对削方可能引发的新灾害体的勘查。主要是灾害体后缘和两侧部位,要结合原灾害体勘察资料进行分析后确定,同时在勘查过程中也应根据揭露地质条件、施工影响的范围实时调整。

(2) 对削方减载中采取的辅助治理工程措施部位的勘查,如挡土墙支护辅助工程部位等。

(3) 对于特殊性岩土的地质灾害地区,还应针对特殊性岩土进行针对性的勘查。

(4) 对弃土场、回填地段的勘查。

(5) 对削方施工过程中揭露地质条件与原灾害体勘查资料不一致部位的施工(补充)勘查。

3 设计原则[4]

概念设计是战略,具体设计是战术,只要战略方向正确,再采取合理有效的战术,治理工程才能获得成功。总体方案设计的正确与否,是决定治理工程是否成功的关键环节。对于削方减载设计,要确保总体方案设计方向的正确性,一般要遵循以下原则:

(1) 坚持方案综合比选的设计原则。在调查、可行性论证阶段勘查的基础上,论证削方减载治理方案的可行性。一般地质灾害防治工程有多种可选择的防治方案,且各有利弊,要对各种方案进行综合比选。作为削方减载方案,也同样有多种形式,设计中宜提出多种治理方案供比选。是全部削还是局部削,是削填结合还是只削不填,是以抗滑桩、挡土墙等支挡措施为主、以削为辅,还是以削为主、辅以排水、支挡和坡面防护工程。拟定多种治理方案后,经过经济、技术、施工可行性等方面论证,综合分析后确定最终削方方案。总体方案确定后,设计中还要坚持循序渐进的原则,从整体到细部逐步优化,达到设计方案最优的目的。

(2) 坚持安全可靠的设计原则。设计的削方工程应不至引发新的灾害,不能只重视所治理灾害体的稳定性,而忽视了引发的新灾害体的稳定性,不能只重视总体稳定而忽视局部稳定。若削方后可能伴生新的灾害,则应保证其能够采取经济、有效的手段予以治理;同时,施工工艺流程也应有相应的控制措施,有时工程设计方案本身没有问题,但施工措施不合理可能引发新滑坡、新崩塌,地质环境恶化。对削方后的弃土回填、堆放应合理选择地点,不至诱发新的灾害或环境问题。

(3) 坚持经济合理的设计原则。有的灾害体坡表原有耕地、林地,种植有果树及其他经济价值较高的农作物,清苗赔偿费用高,果田园地削方后有时难以土地复垦、恢复耕种,给当地居民的生产生活造成影响;有的灾害体削方后的弃土在施工区附近无场地堆放,若外运费用较高,设计过程中应考虑以上因素,尽量能够保留原有的经济作物或将损失降到最小。同时使削方后的弃土能够得到合理利用,可作为回填压脚、路基填筑及造地土源,若不能充分利用,则应尽量降低削方量。要围绕治理的工程目标进行设计,不要一味地追求高指标,高指标带来的是治理效果良好,但随之造价也将增高。对于应急工程,其主要目的是延缓地质灾害的发生或暂时减轻灾害体的危害程度;而对于治理工程,是最终消除地质灾害体的危险性,两者目标不同,所采取的治理措施和投入也应区别对待。

(4) 坚持治理方案与环境保护相协调的设计原则。削方方案设计要坚持因地制宜,针对具体对象进行调查研究,不能生搬硬套现成原则、概念来处理问题,因地制宜的削方治理工程设计不仅能保障安全,也能够降低造价、节约成本,获得更好的经济效益。削方工程对地质环境影响较大,可能带来植被破坏、环境污染、水土流失等负面影响,有些地方当地群众赖以生存的土地遭清除、水源遭断流,有些地方自然景观被破坏,还有的地方水利设施、交通设施可能受到影响;因此要将绿色、环保、和谐的理念贯穿设计始终,将治理工程带来的负面影响降到最低,使削方治理工程与周围的环境很好地融为一体,彰显治理工程的科学性、艺术性和人文思想。

4 削方部位及削方量的确定[5]

合理确定削方部位及削方量是削方设计中的重要环节。削方部位及削方量的确定应同步进行,协调一致。

削方减载部位应根据地质灾害体的类型、岩土物质组成与性质、地形形态、水文地质条件、结构面特征、稳定状况、破坏模式等条件,结合削方减载的方式进行确定。削方部位一般选择在滑坡、崩塌体的中、后部或主滑段。削方部位应选取代表性地质断面进行试验计算,通过计算下滑力与阻滑力来确定,根据推力曲线进行控制,在确定的推力区进行削方,不能在抗滑段进行削方。削方部位要依据地形条件顺势而为,若灾害体后缘靠近坡体顶部,可由坡顶向下一并削方,由于削方后的坡角一般小于原始地形坡角,不会引发后缘坡体失稳;若灾害体后缘位于滑坡体的中部,在后缘部位进行削方后,削方后的坡角一般大于原始地形坡角,可能造成后缘坡体上方产生浅层滑坡,这种情况在削方坡体后缘削方是不合理的,只能考虑其他削方部位(中后缘的地形凸起部位),采取其他治理工程措施或对后缘边坡进行防治[6]。削方部位要尽量避开果园等经济作物、重要建(构)筑物、道路工程、排水工程等地段,既可选择一个部位,也可选择多个部位进行削方;同时要考虑施工的方便性。有些部位是不能进行削方的,例如滑移线路是弯曲型的滑坡,不能在弯曲隆起部位进行削方[1],岩层结构面变化大,削方后致使深部岩层形成顺向坡,可能发生顺层滑动、溃曲破坏的部位。削方后使新坡面暴露出原来已存在软弱结构面,且破坏了原有稳定状态,可能造成沿软弱结构面产生滑动的部位。

削方量的大小应根据灾害体防治工程安全系数确定。削方量与稳定性增高有着相关关系,一般来说削方量越大,稳定性越高;但要考虑方案的性价比,要以稳定性验算为依据,确定最合理削方量,既满足设计要求又要经济合理[7]。若削方能够得到有效利用,削填平衡是最为理想的选择,既降低了抗滑力,又增加了阻滑力,此时削方量是最小的,应经过反复的试算和对比,最终确定削方量。设计时应避免进入减重就一定能增加稳定性的误区,若削方部位和方式不合理,有些削方并不能增加稳定系数;若采用不同的削方方式或削方部位,削方所取得的效果截然不同。下面对两个典型滑面形态削方部位及削方量进行分析探讨。

(1) 滑面为单一平面的滑坡(图1)。为了增加滑体ABC的稳定性,采取了削方减载的治理措施,治理时按方案a的削方减载方式对BCD部位进行了削方处理,其削方前及削方后滑坡的稳定系数*本文公式中,k1为削方前滑坡体稳定系数;ka、kb、kc为削方后滑坡体稳定系数;φ为滑面的内摩擦角(°);c为滑面的粘聚力(kPa);θ为滑面的倾角(°);γ为滑体的重度(kN/m3);V为滑体的体积(m3);l为滑面长度(m)。如下:

图1 单一滑面的滑坡削方减载示意图Fig.1 The landslide with single slip surface scaling schematic diagram

故k1=ka。

可见采用削方减载方案a,削方前和削方后灾害体的稳定系数相等,灾害体的稳定性并未提高。分析其症结所在,主要是削方部位和削方方式不正确,这样的减载方式既降低下滑力,又同步使抗滑力下降。减载最好的方式是既降低下滑力,又能增加抗滑力。若增加不了抗滑力,也应在降低下滑力的基础上,保持下滑力不变,或者使抗滑力相比下滑力减少所占的比例要低。

上述滑坡若采用图1中削方减载方案b的削方方式,即沿BB′C或BB′D′C进行削方,削方时降低滑体h高度,才能使滑体下滑力较抗滑力减少所占的比例高,从而提高滑坡的稳定系数。

沿BB′C削方时:

沿BB′D′C削方时:

可见沿BB′C削方与BB′D′C削方其稳定系数相等。

与削方前或削方减载方案a的稳定系数相比,因lB′E′k1及kb>ka。

上述滑坡若采用图1中减重方案c的削方方式,沿ABB′进行削方时,使滑体前缘坡面的坡率减小,有利于滑体局部稳定性;同时,整体上降低了滑体重量,提高了滑坡整体稳定系数。

沿ABB′削方时:

与削方前或削方减载方案a的稳定系数相比,因lB′E′k1及kc>ka。

(2) 圆弧形滑动的滑坡(图2)[8]。圆弧形滑动的滑坡为提高稳定系数,拟采取削方减载方式进行治理,在减载重量相同的条件下,分别采用了三种削方减载方案,但获得的效果并不相同。假设该滑坡削方减载后抗滑力矩不变,减载方案A与减载方案B相比,由于减载方案A的卸荷体重心较减载方案B更加远离滑弧圆心,其卸荷的合力力臂大于减载方案B,使得其减少的滑动力矩要大,故减载方案A优于减载方案B。若减载方案B向减载方案C演变,虽然减载重量相同,但减载部位位于坡脚处,在坡脚附近进行挖土,将造成滑动力减少不多,抗滑力减少却很大,不但不能增加滑体的稳定系数,还可能使稳定系数降低,这种方案得不偿失。

图2 圆弧形滑动的滑坡削方减载示意图Fig.2 The landslide with circular slip scaling schematic diagram

以上列举的削方减重方案还未考虑地下水的条件及其他因素,若有地下渗流等不利因素影响,情况将更加复杂,有时确定的削方方案不但不能提高滑坡稳定系数,还可能降低滑坡稳定系数;因此,在选择削方部位时,要综合分析,慎重对待。

5 治理效果计算分析[9]

削方减载设计中对原灾害体整体稳定性的计算,是对减载后灾害体稳定性的一次验算复核过程,而不是重新建立模型、采用新的方法再次进行计算。对削方减载后灾害体整体稳定性进行验算复核,其计算方法、工况以及计算断面应与原勘查设计形成一致,而不能重新采用其他方法或新的设计工况、重新拟定计算断面进行计算,否则,两者无可比较性,其稳定性的提高没有比较的基础。对其稳定性的复核,还可结合现场实际情况,拟定施工阶段或其他组合情况作为校核工况进行验算。对削方减载后削方部位的边坡局部稳定性及原灾害体周边产生新的次生灾害体稳定性计算,其工况也应保持一致,计算方法根据情况而定,若条件近似,宜与灾害体整体稳定性计算采用相同的计算方法。

由于削方卸荷后应力条件的改变,清除坡面复盖,改变降水入渗条件(短期内又难以全面恢复),或削方回填造成地表排水环境改变,均可能造成灾害体岩土参数的变化。在削方减载后灾害体整体稳定性验算复核中,若采用原地质灾害体勘查成果提供的相关参数进行验算复核,则可能存在安全风险,建议根据实际情况结合地区经验对原勘查提供的相关计算参数进行核查后取值。

6 动态设计

动态设计对于削方减载治理工程是重要的,也是必要的。削方工程施工过程中通过对地质条件的再认识、应用监测结果进行检验校核,可对原设计方案进行补充完善和修正。一方面要加强地质条件的检验复核。由于地质灾害体所处地质环境条件的复杂性,即使削方减载设计前进行了详细的调查、测绘、勘探,在开挖施工过程中仍然可能会出现与原勘查结果不一致的情况。削方工程一般比较直观,在施工过程中应及时观测、描述开挖后所揭示的地质现状,对比原地质勘查和设计资料,检验校核设计与施工参数。另一方面要加强灾害体的监测工作。及时反馈监测信息,不能只重视勘察设计中灾害体稳定性计算结果而忽视后期的监测结果。有些项目就是因为不重视监测数据,或监测数据反馈信息不及时、不迅速,治理过程中不能及时调整设计,本来可以避免的事故没有得到及时处置,从而导致了地质灾害的发生。削方施工过程中受气象、施工工序等影响较大,通过监测可及时发现问题并调整设计和施工方案,指导后续施工。

7 结语

削方减载治理工程设计是一个循序渐进的过程,首先要正确做好概念设计(总体设计),在此基础上,进一步细化局部和辅助工程设计,做到宏观控制、局部补充完善,设计方案才能安全可靠、经济合理,达到彻底根治地质灾害的效果。

[1] 徐开祥,黄学斌,付小林,等.滑坡及危岩(崩塌)防治工程措施选择与工程设置[J].中国地质灾害与防治学报,2005,16(4):130-134.

[2] 冯栋栋,易萍华.滑坡治理措施浅析[J].山西建筑,2008,34(7):127-128.

[3] 中华人民共和国国土资源部.滑坡防治工程勘查规范:DZ/T 0218—2006[S].北京:中国标准出版社,2016.

[4] 刘传正.论地质灾害防治的科学理念[J].水文地质工程地质,2013,40(6):1-7.

[5] 三峡工程库区地质灾害防治工作指挥部.三峡库区三期地质灾害防治工程设计技术要求[R].宜昌:三峡工程库区地质灾害防治工作指挥部,2005.

[6] 刘广润,马霄汉.湖北省三峡库区二期地质灾害防治工程概述[C]//王国耀,胡灿.湖北省三峡库区地质灾害防治工程论文集.武汉:湖北人民出版社,2002.

[7] 赵能浩,易庆林,胡大儒.基于数值模拟的滑坡削方回填治理效果分析[J].中国地质灾害与防治学报,2015,26(1):31-36.

[8] 李广信.注册岩土工程师执业资格考核专业考试考题十讲[M].北京:人民交通出版社,2014.

[9] 门玉明,王勇智,郝建斌,等.地质灾害治理工程设计[M].北京:治金工业出版社,2011.

(责任编辑：陈姣霞 费雯丽)

Several Problems Needing Attention in Landslide Scaling Engineering Design

LI Aijun,LUO Shunlin

(TheInstituteofHydrogeologicandEngineeringGeologicalofWuhan,HubeiProvinceGeologicalSurvey,Wuhan,Hubei430051)

Landslide scaling is a common engineering method to prevent and control geological disasters.On the basis of summing up the previous engineering experience,the paper discusses some problems that should be paid attention to in landslide scaling engineering design,which are applicable conditions for landslide scaling,geological survey keys,design adherence principle,design of cutting part and cutting volume,checking method,dynamic design requirements and so on,and puts forward the relevant suggestions to provide reference for engineering design to prevent and control geological disasters.

geological disaster; landslide scaling; geological survey; control engineering design

P642; P694

A

1671-1211(2017)05-0593-05

2017-05-18;改回日期2017-09-04

李爱军(1974-),男,高级工程师,水工环专业,从事岩土工程勘察工作。E-mail:850676349@qq.com

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.P.20170824.1748.032.html数字出版日期2017-08-24 17:48

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.05.018