高土质边坡蠕变状态下加固设计方法研究及应用

邵鹏哲，李金龙，袁超燚，罗 浩，郑付刚

(1.雅砻江流域水电开发有限公司，四川 成都 610051；2.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 工程概况

锦屏水电站某营地于2018年2月开始施工，在场地平整(后边坡切角)开挖过程中，边坡出现变形。最早于2018年3月10日发现变形裂缝，裂缝分布范围为开挖后坡开口线至以上约120 m距离范围(水平距离)、高度50 m左右。在坡脚开口线、坡脚上部公路及路边挡墙、1 673 m高程中部坡面及1 695 m高程上部坡面(民房区)均出现了由于边坡蠕变产生的张拉裂缝，裂缝共10余条，延伸长度5～10 m，宽度1～10 mm(见图1)。

图1 边坡坡脚开挖后裂缝分布

考虑到边坡蠕变具有一定的时效性，为避免进一步开挖扰动边坡，确保边坡上部受影响居民的人身安全，消除营地施工期及后期入住后的安全风险，需及时对边坡进行加固处理。

综合工程地质调查、测绘和钻探资料揭示，边坡场地主要由滑坡堆积、崩坡积、冲积的块碎石、卵砾石土构成，其主要有7种地层，分别是碎砾石土、块碎石砂土、粉砂质黏土、碎石土、卵砾石夹砂、砾石砂土、变质砂岩，覆盖层深度约30.2～44.0 m。

2 治理前边坡稳定计算分析

2.1 边坡失稳模式与计算断面

2.1.1 变形体边界条件综合分析

裂缝形成原因系由于场平开挖进一步切削坡脚，坡脚处形成了高约10余米的陡坡，致使坡体下部失去支撑，发生向临空变形，从而引发后部原处于稳定状态的斜坡产生变形，变形模式为牵引式逐级破坏，在高出场地平台约10 m、30 m、50 m处形成了地表裂缝。从现场查看结果分析，裂缝为浅表层裂缝。

2.1.2 滑移模式

根据变形体基本地形、地质条件、目前的变形迹象分析坡体结构，确定变形体主要存在的失稳模式有以下几种。

滑移模式①：变形土体以高程1 695 m左右的后缘顺河向拉裂缝为后缘，在营地开挖坡脚附近高程1 639 m左右剪出，为弧形滑面，高差约56 m。此模式为变形体整体稳定的控制性滑移模式，对应变形体方量约35 万m3。

滑移模式②：变形体以高程1 673 m左右的中部裂缝为后缘，开挖坡脚附近高程1 639 m左右剪出，为弧形滑面，高差约34 m。此模式控制变形体中下部的稳定。

滑移模式③：变形体以公路裂缝(1 644～1 652 m高程)为后缘，开挖坡脚附近高程1 639 m左右剪出，为弧形滑面，高差约4～14 m。此模式控制变形体下部的局部稳定。

根据测斜数据显示：边坡在深度16 m处存在错动，与滑移模式①深度对应。在变形体范围内，选取1个代表性剖面进行二维平面极限平衡稳定分析，主要滑移模式见图2。

图2 典型剖面主要滑移模式

2.2 稳定分析方法

根据《建筑边坡工程技术规范》(GB50330-2013)[1]第5.2.4条、《水电工程移民安置区工程地质勘察规程》(NB/T35085-2016)[2]条文说明中第8.2.3条，以及《滑坡防治工程设计与施工技术规范》(DZ/T0219-2006)[3]第5.3.1条规定相关要求，边坡稳定分析计算方法采用简化毕肖普法(Bishop)[4]，使用Slide软件进行边坡稳定性计算。

2.3 土体物理力学参数

结合勘探揭示的土体性状、试验成果和工程经验，场地土体的物理力学参数取值见表1。

表1 场地土体物理力学参数

2.4 计算工况及荷载组合

边坡稳定分析考虑了三种工况：

(1)持久工况，荷载为自重+地下水压力。由于地下水位埋深较大，一般为35.4～46.8 m，而滑面都在20 m以内，因此计算中未计入地下水压力影响。

(2)短暂工况，荷载为自重+暴雨。暴雨工况下滑面取其相应的饱和参数，同时考虑5.5 m高滑面以上土体容重为饱和容重。

(3)偶然工况，荷载为自重+地震作用。本场地区基本烈度为Ⅷ度，地震加速度为0.2 g。计算时同时考虑地震效应折减，效应折减系数取0.25，地震状况与降雨状况不进行叠加。

2.5 稳定分析结果

计算结果表明，典型剖面最危险滑移模式为滑移模式③，稳定安全系数持久工况0.908，暴雨工况仅为0.778；其次为滑移模式②，稳定安全系数持久工况0.926，暴雨工况为0.819。以上均不满足安全系数要求，需采取加固措施。

3 边坡加固设计方法

3.1 设计标准与安全系数

综合《建筑边坡工程技术规范》(GB50330-2013)、《滑坡防治工程设计与施工技术规范》(DZ/T0219-2006)和《水电工程移民安置区工程地质勘察规程》(NB/T35085-2016)等规范要求，结合本工程实际情况，考虑边坡高度与失稳模式，将营地后边坡进行分区，分别制定设计标准。

3.1.1 营地与上部公路之间的边坡

营地与上部公路之间的边坡高度在4～14 m之间，按照《建筑边坡工程技术规范》要求选取(见表2)。

表2 营地与上部公路之间的边坡稳定安全系数取值

3.1.2 公路以上边坡

公路以上边坡，即中部、后缘裂缝到营地场平之间的边坡，高度超过15 m，最大高度50 m左右。按《滑坡防治工程设计与施工技术规范》和《水电工程移民安置区工程地质勘察规程》要求选取(见表3)。

表3 公路以上边坡稳定安全系数取值

3.2 加固设计方案

因削坡方案对边坡开挖扰动大，雨季会加剧边坡变形；抗滑桩方案投资大。综合对比后，遵循“固脚、强腰、锁头、排水”分层支护及全面治理的加固原则，将边坡分布下部(A区)、中部(B区)、上部(C区)选择“地表截排水+坡面框格梁(锚筋桩贴坡混凝土挡墙)锚索”加固方式。边坡治理范围根据工程范围区、边坡变形特征和地形特征综合确定。边坡治理方案平面布置及典型剖面加固方案示意见图3～4。

图3 加固设计方案平面布置示意

图4 典型剖面加固方案示意

3.2.1 地表截排水设计

变形体地表系统截排水工程措施主要是修建顶部截水沟及变形体范围内排水沟。

3.2.2 固脚(A区)

固脚区即开挖坡脚处，采用锚筋桩贴坡挡墙加锚索加固。典型部位(A2区)支护方案具体如下。

(1)锚索。贴坡混凝土，挡墙上布置3排750 kN无黏结预应力锚索，锚索长度35 m/45 m交错布置，水平间距3.0 m。由于边坡下部覆盖层较薄，为提高边坡抗滑力，锚索锚固段深度需入基岩，长度为7.5 m。

(2)锚筋桩。锚筋桩布置在挡墙底部，3C22焊接形成，高6.0 m，入土5.0 m，纵向间距2.0 m，布置2排。

(3)排水孔。Φ75排水花管间排距2.0 m，入土4.0 m，仰角10°，梅花型布置。

3.2.3 强腰(B区)

在公路内侧，利用已有的框格梁增设锚索进行加固。锚索布置由原有框格梁形式和所需提供的支护力综合确定。具体支护方案为：锚索为压力分散型无黏结预应力锚索[5]，利用原框格梁，在框格梁节点处布置2排750 kN锚索，长度30 m，水平间距6.0 m，锚固段长度7.5 m。

3.2.4 锁头(C区)

为了增加变形体整体稳定性以及有效控制后缘裂缝发展对当地居民生活的影响，上部采用框格梁加锚索的形式进行加固。具体支护方案如下。

(1)框格梁。3 m×3 m顺坡向，断面尺寸0.3 m×0.4 m(宽×高)，框格梁内回填种植土，撒播草种。

(2)锚索。锚索为压力分散型无黏结预应力锚索[5]，在框格梁节点布置两排750 kN锚索，其长度30 m，水平间距6.0 m，锚固段长度7.5 m。

3.2.5 植被恢复和绿化

支护工程实施后，恢复植被并播撒草籽绿化。其中，固脚区(A区)和锁头区(C区)受地形、所需加固力等因素影响，从上游到下游分为3个区域进行设计。

3.3 监测仪器布置

为掌握边坡的稳定状况和支护系统的工作状况，在发现边坡发生蠕变后及时布置了3个GNSS测点和1个测斜孔，测斜孔孔底布置1支渗压计以及6套锚索测力计(见图5)。

图5 监测仪器布置示意

4 治理后边坡稳定复核

4.1 稳定性计算分析

典型剖面3种滑移模式中，持久工况、短暂工况和偶然工况下最小稳定安全系数分别为1.252、1.132和1.084，都大于持久工况1.20、短暂工况1.05、偶然工况1.05的安全系数要求。其中，各工况最小稳定安全系数均在滑移模式①处(见图6～8)。

图6 滑移模式①持久工况

图7 滑移模式①短暂工况

图8 滑移模式①偶然工况

4.2 监测成果分析

4.2.1 GNSS监测

边坡GNSS变形监测成果表明，2018年10月底边坡坡脚挡墙施工完成，变形速率明显变缓；各测点河床方向(X)累计变形最大，经过治理，边坡变形已趋于稳定(见图9)。

图9 GNSS测点河床方向(X)监测数据曲线

4.2.2 锚索测力计

锚索张拉及补充张拉后，主要呈小幅度的松弛，目前已趋于稳定(见图10)。

图10 锚索测力计监测数据曲线

5 结 论

(1)该营地及后边坡场地主要由滑坡堆积、崩坡积、冲积的块碎石砂土、卵砾石土构成，由于边坡坡脚开挖，致使坡体下部失去支撑，发生向临空变形，致使边坡处于蠕变的不稳定状态。

(2)经实施“地表截排水+坡面框格梁(锚筋桩贴坡混凝土挡墙)锚索”的设计加固措施后，营地后边坡处于安全稳定状态。不同滑移模式在各种工况下，抗滑稳定安全系数均满足规范要求。

(3)边坡监测资料表明，在当前已实施加固措施下，边坡变形已趋于稳定，挡墙锚索锚固力变化平稳，边坡处于稳定状态。