G344国道嵩县阎沟垴滑坡应急勘查防治措施研究

2022-03-30郭山峰

地下水 2022年1期

田飞，郭山峰，曹磊

(河南省地质矿产勘查开发局第五地质勘查院，河南郑州 450001)

1 滑坡变形特征

2017年10月初，“G344国道在嵩县闫沟村K83段公路发生滑坡，涉及公路长度130 m，滑体分布在斜坡坡面上，近椭圆形，宽125 m、长100 m，滑动方向125°。自从滑坡体初次滑动至应急勘查前，一直不稳定，在滑坡体北部段，沿后缘竖直裂缝继续往下滑动，垂直位移和水平位移变化均较大。截止2017年10月30日，滑坡体在平面上为椭圆形，长轴124.0 m，长轴方向为37.0°，短轴75.0 m，面积7354.0 m2。滑坡体滑坡变形严重区标高541～570 m，高差29 m，在后缘原为水平路面上的裂缝垂直下移3.25 m，水平扩张距离1.37 m，滑向为125.0°；前缘呈阶梯的坡面上分布多条拉张裂缝，在滑坡体两侧可见明显的开裂与土体鼓胀变形。滑坡体厚度14～29 m，平均厚度21.5 m，体积158 111 m3。滑坡体现状仍处于不稳定状态，为剧烈变形状态，平均滑移速率为2～3 cm/d。

2 应急勘查工作部署

应急勘查工作前期为资料收集，并在完成资料初步分析基础上，进行地形测绘、地质和工程地质测量、工程地质钻探、岩土样采集分析等各专业开展勘查工作，通过前期调查对阎沟垴滑坡形成条件进行现场研判。

2.1 地形测绘

2.2 地质钻孔

根据应急勘查需要，对滑坡布置一主三辅地质剖面线，3个主控孔，2个一般孔，3个工程地质验证孔，单孔深度为20～40 m。控制孔主要布置在滑坡体中部，一般地质孔布置在滑坡的上下游滑床区，补充工程地质钻孔布置在滑坡后缘。

2.3 水工环地质调查

工程地质、环境地质、地质灾害调查点主要调查地形地貌特征，地层时代、岩性、结构、裂隙发育特征以及构造裂隙、软弱夹层、岩性接触界面等各结构面组合特征及第四系地层时代、成因类型、岩性、结构等。

2.4 地质剖面测量

2.5 标准贯入试验

标准贯入试验与钻探同步进行，对ZK1～ZK5钻孔上部土层分别每孔各做标准贯入试验1组，并对ZK4孔下部泥岩做标准贯入试验1组。根据标准贯入试验N63.5可确定土层的状态和承载力标准值。

2.6 岩、土、水取样及室内试验

2.6.1 土样采集与试验

土样全部采集原状土，采集的样品迅速密封避光保存，单组样品采集量必须满足试验室要求。根据测试结果，区内第四系岩性基本为粉质粘土，可塑，均为中等压缩性粘性土。

表1 标贯试验一览表

2.6.2 岩样采集与试验

岩样采集为ZK2、ZK4、ZK5钻孔岩芯岩石，岩性为泥岩、粉砂岩、粉砂质泥岩，柱状，单组长度20～30 cm。采集岩样为了解应急勘查区岩体的天然抗压强度及饱和抗压强度，为评价滑坡体稳定性提供基本依据。

2.6.3 水样采集与试验

试验项目采用生活饮用水标准进行水质简分析，另加水体对钢筋混凝土侵蚀性指标分析。分析指标包括现场的水温、pH值、浑浊度、色、臭、味、肉眼可见物指标，试验室测试指标包括pH值、总硬度、总碱度、硫酸根、侵蚀二氧化碳等31项指标。

表2 区内土体物理力学性质简表

表3 区内岩体物理力学性质及承载力特征值简表

3 滑坡形成机理分析

在资料搜集、岩土工程应急勘查基础上，确定滑坡的边界范围，滑坡大小及类型。综合分析以上资料，阎沟垴滑坡为中深层滑坡，属于推移式，主要由于道路高填方路基加载沿垂向剪切破坏面及破碎带连通层面滑动所致。造成阎沟垴滑坡形成的主要因素之一是滑坡体上部高达10余米的填方路基荷载，使滑坡体已有的受力平衡体系被打破，下滑力起到了主导作用。阎沟垴滑坡地下水补给较为充足，含水的粉砂岩层及岩体破碎带软化顶底板及两侧接触的泥岩或砂质泥岩围岩，形成薄弱结构面，使滑坡的稳定性急剧变差，易沿薄弱结构面滑动。

同时，滑坡体及上游地下水埋深浅，水位较高，可见水位与路基挡墙墙趾相平，水的扬压力一定程度上推动了滑坡的启动。综合以上多种因素，在2017年8-9月的持续降雨后，阎沟垴滑坡受力极限平衡被打破，于10月初发生滑移。

阎沟垴滑坡下伏岩体主要为泥岩、砂质泥岩层，与单层厚约0.5～2 m粉砂岩互层，底部有两层疑似滑动面的破碎带。前缘剪出口位置与挡墙根下18 m滑动面基本吻合，已发生了滑动，滑面目前已明显贯通。挡墙根下27～28 m滑动面前缘无明显变形迹象，但处于极限受力平衡状态，在后缘流域的雨季地表水不断渗入后，充沛地下水作用下，发生突发性滑移，造成上游路基不断垮塌，导致浅部公路防护工程遭到破坏失效。

4 滑坡稳定性计算评价

4.1 计算剖面和计算方法

根据钻探资料，选择与滑坡滑动方向基本一致且能反映滑坡变形严重的1-1＇、2-2＇、3-3＇剖面作为主滑线剖面计算滑坡稳定性。同时根据现状滑坡体特征，采用极限平衡法中的传递系数隐式解法进行滑坡隐患稳定性分析。计算公式及简图见式(1)及图1。

Pn=0

Pi=Pi-1ψi-1+Ti-Ri/Fs

ψi-1=cos(θi-1-θi)-sin(θi-1-θi)tanφi/Fs

(1)

Ti=(Gi+Gbi)sinθi+Qicosθi

Ri=cili+[(Gi+Gbi)cosθi-Qisinθi-Ui]tanφi

图1 传递系数隐式解法简图

式中：Pi为第i计算条块上的剩余推力；ψi为传递系数；Ti为第i计算条块滑体下滑力(kN/m)；Ri为第i计算条块滑体抗滑力(kN/m)；Fs为滑坡稳定性系数；Gi为第i计算条块上的垂直力；Gbi为第i计算条块上的水平力；ci为第i计算条块滑动面上岩土体的粘结强度标准值(kPa)；φi为第i计算条块滑带土的内摩擦角标准值(°)；li为第i计算条块滑动面长度(m);θi为第i计算条块底面倾角(°)；Qi为第i计算条块所受地震力(kN/m)。

4.2 工程防治等级与计算工况

按照滑坡体危害对象、危害人数及可能经济损失、施工难度、工程投资综合确定该滑坡为Ⅰ级工程防治。主要计算天然状态、自重+暴雨、自重+暴雨+地震3种工况下滑坡的稳定性。

4.3 计算结果及综合评价

经过对滑坡的稳定性计算，在天然工况+车辆荷载下，3条剖面稳定性系数分别为1、1.11、0.98。因此，基本稳定的是2-2＇剖面，另外2条剖面均不稳定，计算结果与现场调查滑坡的变形特征和变形速率基本一致。暴雨工况下，3条剖面稳定性系数分别为0.93、0.92、0.86，均为不稳定状态。地震工况下，3条剖面稳定性系数分别为0.82、0.80、0.61，均为不稳定状态。经过访问、勘探、计算综合分析显示，在天然状态下滑坡基本处于不稳定状态，在暴雨或地震工况下，该滑坡发生滑动的概率很大，及时采取工程防治措施很迫切。

5 滑坡防治工程方案

5.1 防治原则

以因灾设防、重点突出、经济合理的基本原则，对K83～K83+300段滑坡提出防治措施方案。

5.2 防治工程设计参数

依据规范有关规定本滑坡工程防治等级Ⅰ级，滑坡防治工程按“自重+暴雨+地震”工况设计，安全系数取1.15。

依据本次分析结果，建议治理滑坡体的参数取值如表3。

对于承载力的取值按式(2)：

fak=ψr×frk

(2)

式中:fak为岩石地基承载力特征值(KPa)；frk为岩石单轴抗压强度标准值(饱和)(KPa)；ψr为折减系数，完整岩石取值0.5，较完整岩石取值0.2～0.5，对较破碎岩体取0.1～0.2。这里对中风化岩体取0.2。

表4 稳定性计算工况荷载组合

表5 岩土体参数设计

5.3 防治工程方案

该斜坡失稳滑动，威胁坡顶公路的安全，结合区内地貌、地质结构和变形破坏特征，采取抗滑桩+路基开挖回填+挡土墙+排水涵洞+排水渠+变形监测进行综合工程防治。

5.3.1 抗滑桩工程

1)抗滑桩布置

以滑坡范围为基础，综合考虑滑坡地质特征及滑坡稳定性计算成果，选定在Ⅰ-Ⅰ’，Ⅱ-Ⅱ’剖面第8个剖面处布置第一排14根抗滑桩，在第11个剖面处布置第二排11根抗滑桩，共25根。滑坡推力需要综合考虑该剖面剩余下滑力、滑动面以上桩前抗滑力以及滑动面以下的地基弹性抗力，计算出第一排滑坡推力为516 KN/m，第二排滑坡推力为289 KN/m。

2)桩型设计

根据滑动面埋藏条件及滑坡剩余推力的大小，第一排选取统一型号为A的抗滑桩。A型桩桩径为2 m×3 m，纵向为3 m，横向为2 m，总桩长为33 m，为全埋式桩，桩顶距坡面5 m，嵌入滑动面深度13 m，滑动面上部桩身长20 m，桩间距均为6 m。第二排选取统一型号为B的抗滑桩，B型桩桩径1.5 m×2 m，纵向为2 m，横向为1.5 m，总桩长33 m，为全埋式桩，桩顶距坡面5 m，嵌入滑动面深度13 m，滑动面上部桩身长20 m，桩间距均为5 m。

3)结构设计

(1)设计依据

依据《混凝土结构设计规范GB50010-2002》进行设计。

(2)A型桩结构设计

①基本参数

桩长：h=33 m，其中悬臂段h1=20 m，锚固段h2=13 m。

②抗滑桩边界条件

桩底边界条件：铰接端。

③桩体受力计算

计算桩体受力使用“m”法，使用三角形分布计算推力分布。抗滑桩内力计算结果如下：

最大剪力：Qmax=7887.036 kN;

最大弯矩：Mmax=46 388.723 kN·m;

最大位移：s=129 mm

④抗滑桩结构设计

I、纵筋计算

由于抗滑桩为受弯构件，设计70 mm厚钢筋保护层；计算根据钢筋混凝土矩形截面受弯构件正截面配筋方式，结构重要系数、永久荷载分项系数均取1.0。

主筋配筋：纵筋采用7540HRB400级螺纹钢筋。主筋中的15根钢筋，单根钢筋长33 m，为通长配置；剩余60根钢筋，每根钢筋长20 m，每三根为一束，在桩顶面下10 m处截断。

II、构造钢筋

在桩两侧各采用716HRB400级螺纹钢(架立筋)，受压侧采用1240HRB335级螺纹钢(构造筋)。

III、箍筋配筋

首先进行斜截面抗剪强度计算，由计算结果确定矩形截面抗滑桩箍筋的配置：

箍筋配筋：采用16@140HRB335钢筋，肢数为六肢。

3)B型桩结构设计

①基本参数

桩长：h=33 m，其中悬臂段h1=20 m，锚固段h2=13 m。

②抗滑桩边界条件

桩底边界条件：铰接端。

③桩体受力计算

计算桩体受力使用“m”法，使用三角形分布计算推力分布。抗滑桩内力计算结果如下：

最大剪力：Qmax=2 616.582 kN；

最大弯矩：Mmax=20 613.572 kN·m；

最大位移：s=196 mm

④抗滑桩结构设计

I、纵筋计算

由于抗滑桩为受弯构件，设计70 mm厚钢筋保护层；计算根据钢筋混凝土矩形截面受弯构件正截面配筋方式，结构重要系数、永久荷载分项系数均取1.0。

主筋配筋：纵筋采用2440HRB400级螺纹钢筋。主筋中的6根钢筋，单根钢筋长33 m，为通长配置；剩余18根钢筋，每根钢筋长20 m，每三根为一束，在桩顶面以下10 m处截断。

II、构造钢筋

在桩两侧各采用516HRB400级螺纹钢(架立筋)，受压侧采用640HRB400级螺纹钢(构造筋)。

III、箍筋配筋

首先进行斜截面抗剪强度计算，由计算结果确定矩形截面抗滑桩箍筋的配置：

箍筋配筋：采用16@300HRB335钢筋，肢数为四肢。

4)桩间挡板设计

为防止土体从桩间挤出，在抗滑桩间设置钢筋混凝土预制挡板，挡板宽为桩间距6 m，高5 m，厚度≥30 cm，埋置深度为自桩顶至下部5 m。

5.3.2 公路路基滑坡段卸荷减载

公路路基滑坡段全长约130 m，涉及路基需开挖卸荷减载平面投影面积约4 096.55 m2，其中路基近水平段平面投影面积约2 298.57 m2，平均开挖深度约13.5 m；路基外边坡平面投影面积约1 797.98 m2，平均开挖深度约9.5 m。开挖参考基准为原公路护坡基础底部基准面。

5.3.3 挡土墙

根据公路滑坡段路基中心线往上边坡侧调整约14～18 m。同时依据公路8 m宽的设计要求，沿调整后公路中心基准线在滑坡侧外扩4 m，作为公路顶部边界。在沿顶部边界外水平投影约8 m左右，公路滑坡卸荷开挖面处设置挡土墙。

5.3.4 滑坡段公路路基重筑

对以设置挡土墙为界线的内侧底部开挖基准面进行修整，保持基准面平整，并形成5°～10°的倒坡。在构筑挡土墙的同时，进行内部分层回填压实。保持单层厚度均一，单层压实后的厚度<1 m为宜，单层碾压后仍保持5°～10°的倒坡。回填土为均一较稳定的土层，并分层碾压连续铺设，过程中路面不宜积水。在回填超过挡土墙高度段，外侧保留30°的夯实边坡。对回填后挡土墙上部仍有大于30°边坡段，进行局部刷坡，保持挡土墙顶至路基平台顶部以30°压实土边坡为最大边坡角。

挡土墙竣工后，对墙外开挖后的地面进行分层回填压实，以均一回填土进行均匀碾压，最终保持10°的顺坡。

5.3.5 重筑及削坡段边坡植草护坡

对于挡土墙内部重筑的土质路基边坡，及削坡后的路基土质边坡段，进行植草护坡。将边坡剔除杂石后，直接撒播草籽植草，表层覆盖25 g/cm2的无纺布，防止雨水冲刷。

5.3.6 排水涵洞

在路基转弯处，设置1道排水涵洞，穿越路基，将公路转弯以上边沟排水导入外侧公路路基以外。排水涵洞采用直径约1.2 m优质加筋预制混凝土涵管。涵管埋置深度约3 m，直接开挖路面埋设。管口对接处采用砂浆或泥青防渗。涵洞的进口与出口，设置5°以上的倾角，同时每根涵管的埋设倾向与倾角完全一致，并防止上下或左右错缝。

图2 综合工程防治方案设计平面图

5.3.7 排水渠

在滑坡体上方公路内侧自外排涵洞以下，至滑坡体南侧沿公路30 m处，构筑浆砌石排水渠，排水渠全长约215 m，设计内侧最大过水断面为0.8×0.8 m，排水渠开挖尺寸为宽1.4 m，深1.1 m，侧壁及底部使用0.3 m的浆砌石衬砌，选择未风化坚硬的石料，表层使用砂浆抹面。同时沿走向每隔10 m设置1道二毡三油沉伸缝。排水渠的末端与下游公路内侧简易排水沟相连，直至排到最近的泄水涵洞排泄。对下游公路内侧简易排水沟进行改造硬化。

在公路转弯处设置的排水涵管出口及下游，布置引水渠，将改道的水流引出公路转弯外侧路基以外沟谷缓坡处排泄。引水渠长29 m，设计内侧最大过水断面为0.8×0.8 m，引水渠开挖尺寸为宽1.4 m，深1.1 m，水渠侧壁及底部使用0.3 m的浆砌石衬砌，同时在底部坡降大于20°时，使用跌水台阶，台阶高0.3 m，选择未风化坚硬的石料，表层使用砂浆抹面。同时沿走向每隔10 m设置1道二毡三油沉伸缝。

另外，在引水渠的末端布置1处消力池，以减少引水渠排水对下游边坡冲蚀。消力池最小设置尺寸不低于2×2 m，基础埋于地下，埋深约1.5 m，底部靠近前缘打入两排长约1 m的木桩，1排6根，间距约30 cm，排间距约50 cm，消力池底部使用40 cm，侧壁使用30 cm厚的浆砌石衬砌，侧壁高与地面相平，内部抛石。

5.3.8 公路路基稳定性监测

在公路路基开挖重筑段，北部、中部及南部布置了3处监测点，由专业地形测量人员进行路基水平位移和垂向位移动态观测，测量水准点采用修建公路测量所留下的水准点。最初观测频率为每周1次，出现异常，加密至5日1次或1日1次；无异常变化情况，可适当放宽至半月1次或1月1次。总监测期为工程施工开始后，以5年为1个稳定观察期。