湖北省巴东县黄土坡滑坡深部变形防治方案探讨.PDF

第16卷 第1期 2005年3月 中国地质灾害与防治学报 The Chinese Journal of Geological Hazard and Control Vol.16 No.1 Mar.2005 湖北省巴东县黄土坡滑坡深部变形防治方案探讨 江鸿彬 湖北省地质灾害防治中心,湖北 宜昌 443002 摘要文章根据几年来从事黄土坡滑坡区的勘查、 可研及现场工程管理的认识,从滑坡分布特征、 物质构成、 稳定研究、 变形特征等方面对滑坡进行研究。针对该滑坡厚度巨大,滑体强度高,近期深部变形较明显的实情,作者以库仑定律 为基础,提出采用岩土加固治理滑坡区深部滑移的初步治理方案。 关键词探讨;岩土加固;滑体;库仑定律 文章编号1003280352005012053204中图分类号P642122文献标识码B 收稿日期2004202205;修回日期2004207225 作者简介江鸿彬1967 , 男,长期从事地质灾害的调查、 勘 查、 监测以及防治工程设计、 监理、 管理工作. 1 引言 黄土坡滑坡区位于长江南岸湖北省巴东县新城 黄土坡小区,平面呈蝶状向北展布,属巨型岩土混合 滑坡,目前居三峡水库区滑坡之首。随着三峡水库蓄 水水位不断升高,因库水侵蚀、 浮托作用,前缘阻滑力 下降,自135m蓄水以来,临江崩滑堆积体与基岩接 触面开始产生明显蠕滑。若该滑坡一旦产生大规模 滑移破坏,将直接危及其上5410 4m2 房屋和118余 万人的生命财产安全,预计可能造成的直接经济损失 为1112亿元。因此,已将其纳入国务院批准的 三峡 库区地质灾害防治总体规划 。 黄土坡滑坡区治理工程分两阶段实施,第一阶 段,通过对崩滑堆积体前缘水位变动带的防护,限制 库岸再造向岸坡内发展,保护库岸稳定,并辅以滑坡 区排水措施,提高坡体的整体稳定性。治理工程主要 采取以护坡桩浅部支挡和锚杆格构砌石护坡为主,同 时辅以三道沟填筑工程、 地表排水与监测工程等综合 治理措施,现已实施。 第二阶段,对滑坡区深部滑移进行治理,保证滑 坡区整体稳定。由于该滑坡区滑体厚度巨大,且多为 碎石块石土、 碎散裂岩,滑体不均一,碎块石含量 高、 大,强度较高,采用目前较成熟抗滑支挡工程进行 治理,因厚度大、 挖攫困难、 受地下水影响等特点,给 滑坡的治理带来挑战。为解决以上矛盾,本人结合近 年来从事该滑坡勘查、 可研及现场工程管理的体会和 认识,抛出对其深部变形防治的初步方案之拙见,供 探讨和参考。 2 滑坡特点研究 211 分布特征 黄土坡滑坡区发育于三叠系巴东组第二段、 第三 段,以泥岩、 泥质粉砂岩、 泥灰岩为主的易滑地层中, 是一个多期次形成结构复杂、 由古滑坡体及崩滑堆积 体组成的复合岩土混合地质灾害体。其以三道沟为 界,西、 东前缘临江分布 Ⅰ、 Ⅱ 号崩滑堆积体,与其上 园艺场、 变电站两古滑坡构成。Ⅰ 号崩滑堆积体面积 321510 4m2 ,体积22551510 4m3 ,平均厚6914m ,最 厚95127m;Ⅱ 号崩滑堆积体面积321610 4m2 ,体积 19921210 4m3 ,平均厚61111m ,最厚91184m ,分布高 程在250～260m以下。园艺场滑坡分布于三道沟西 侧,滑体面积为321610 4m2 ,体积13521910 4m3 ,其 前缘超覆于 Ⅰ号临江崩滑堆积体之上,平均厚 4115m ,最厚86164m;变电站滑坡分布于三道沟以东, 滑体面积381110 4m2 ,体积13331510 4m3 ,其前缘 超覆于 Ⅱ 号临江崩滑堆积体之上,平均厚35m ,最厚 58m ,分 布 高 程180～600m。该 滑 坡 区 总 面 积 11358km 2 ,体积69341110 4m3 。 212 物质构成 滑坡区滑体物质主要包括块石土、 碎石土、 粉质 粘土夹碎块石、 散裂岩、 碎裂岩及块裂岩等,呈紫 红、 黄褐、 绿灰、 灰黄、 棕红色,表层大多为块石土或碎 石土,一般紫红色碎石土,重度20～2315kNΠm 3 ,其它 颜色碎石土重度差异较大,一般在1617～2018kNΠm 3 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 之间;孔隙比最小值为01481 ,最大值达11041 ,但大 多数在016～0185 ,属中密-稍密类。临江崩滑堆积 体在空间上分布有多层不连续软弱夹层,其物质为粉 质粘土夹碎石或角砾、 砾砂 , 属可塑-坚硬类土,直 剪试验内摩擦角为8～18,粘聚力c为33～ 124kPa。园艺场滑坡滑带物质为粉质粘土夹角砾、 碎 石,为中-高塑性土,直剪试验 φ值为15,c值为 33kPa。变电站滑坡上段滑带土以棕红色亚粘土为 主,天然状态下的峰值抗剪强度φ值为1715,c值 为1916kPa ;下段滑带土多为棕红、 灰黄色粉质粘土夹 角砾及碎块石,天然状态下的峰值抗剪强度φ值为 1615 。滑坡区下伏基岩为三叠系巴东组第二段 T 2b2紫红色泥岩夹粉砂岩,第三段下亚段 T 2b 31 深灰色中厚-厚层泥灰岩、 灰岩夹钙质泥岩、 灰黄色 中厚-厚层泥质灰岩与白云质灰岩互层,上亚段 T 2b 32 浅灰绿、 黄绿、 浅灰色中厚层泥灰岩夹泥质 白云岩。 213 稳定研究 经采用NACP岩土边坡工程稳定性有限元计算 程序,按理想塑性模型与Mohr2coulomb屈服准则,对 黄土坡滑坡进行了非线性弹-塑性二维有限元数值 模拟分析计算,并按弹塑性力学理论,采用美国Itasca 顾问有限公司开发的FLAC3D计算程序进行了模拟 分析计算。计算结果表明黄土坡滑坡区目前在天然 状态下处于基本稳定状态;在水库各阶段蓄水及运行 条件下,水位以下部分坡体总位移量便达到513m和 10m左右,最大剪应变增量集中带主要出露在Ⅰ、 Ⅱ 号临江崩滑堆积体中部及近三道沟侧水下坡体,尤其 是水库从175m水位下降到145m水位过程,临江崩 滑堆积体与基岩接触带古滑动带是潜在失稳的控 制性层位,处于库水位下的坡体将沿崩滑堆积体与基 岩的接触带产生失稳破坏,破坏形式将以牵引式为 主。 随后,根据勘察进行的岩土物理力学性质试验数 据、 实测的地质剖面和水库各阶段蓄水不同工况,用 传统的极限平衡之传递系数法对滑坡区各剖面稳定 性进行分析计算,结果表明天然状态下,安全系数为 1103～1123 ,坡整体处于基本稳定状态。但在水库 135m、175m蓄水运行后,三道沟两侧临江崩滑堆积体 及部分滑体不稳定,安全系数为0193～1105间,当水 位缓降30m工况下,安全系数仅019～0198 ,135m、 175m蓄水叠加地震情况仅0179～0192 ,且以三道沟 西侧安全系数最低,比东侧约低5 ～10 。 214 变形特征 2003年4月～2004年6月,分布于滑坡区的22 个大地形变、GPS位移监测点,8个深层钻孔倾斜仪、 地下水位监测孔,2处滑带平硐短基线监测,蓄水前, 滑坡区滑体基本稳定,各监测点基本无变形迹象。自 2003年6月蓄水后至9月,Ⅰ 号临江崩滑堆积体中、 后缘地表,以及 Ⅰ、 Ⅱ 号临江崩滑堆积体19～70m深 部多层软弱带位移量逐月增大。其中以 Ⅰ 号临江崩 滑堆积体三道沟西侧累计位移最大,深部达9118～ 17125mm ,崩滑堆积体与基岩间位移24mm。10～12 月呈现位移量逐渐减少的变形趋势。当2003年11 月库水位抬升至139m后,2004年1～3月 Ⅰ 号临江崩 滑堆积体深部位移又有一个加速的过程。3月后趋 缓,崩滑堆积体与基岩间累计位移增至2004206230的 46mm ,三道沟西侧深部累计位移达16126～31104mm。 Ⅱ 号临江崩滑堆积体及园艺场、 变电站滑坡地表位移 不十分明显,深部仅局部有3125～614mm微量蠕动。 通过位移监测表明,水库蓄水对黄土坡滑坡区的影响 十分明显,尤其是对 Ⅰ 号临江崩滑堆积体的影响更为 直接,并体现深部位移大于地表的特点。这种表现与 以上滑坡区稳定性分析计算结果较吻合。 3 防治方案论证 从滑坡成因上分析,相当一部分滑坡的产生主要 是由于滑体岩土含水量增加,致使滑体内动水压力增 大,滑体岩土抗剪强度降低,而促使滑体沿软弱带 面滑移变形。滑体在自重应力及附加应力建筑荷 载、 动水压力、 库水作用等作用下,以滑带面岩土 体剪切破坏的形式表现,而各条块之间是连续的,即 使存在转动或相对运动,最终仍以滑体、 滑带面岩 土体的剪切破坏为表现形式。因此,在滑坡治理时首 先想到的是排水,尽可能减少地表、 地下水对滑体的 影响,然后采取工程措施,提高阻滑力。对于受库水 影响的黄土坡滑坡区,因前缘受库水位的侵蚀、 浮托 作用,而使滑坡前缘岩土力学强度降低以牵引式滑移 破坏,显然排水工程不能完全满足防治目的。因此, 滑坡区治理的重点应为提高前缘岩土力学性质及阻 滑力。解决以上问题一般有两种途径①通过抗滑 桩、 挡土墙、 锚杆索等工程,利用工程本身的强度提 高滑坡阻滑力;② 就是采取工程措施提高滑体及滑带 面岩土体力学强度,提高滑坡阻滑力。 45 中国地质灾害与防治学报 ZHONGG UO DIZHIZAIHAI Y U FANGZHI XUEBAO2005年 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 从进度、 技术、 经济角度看,采用常规的抗滑支挡 工程治理厚度巨大的黄土坡滑坡难度较大,而从提高 滑体及滑带面岩土体力学性质入手,显得直接、 简 便和高效。提高滑体及滑带面岩土力学性质主要 手段有加固、 灌浆、 焙烧等,因受岩土物理力学特性和 库水的影响,原位岩土加固显得更加适应该滑坡的治 理。且根据目前现场锚杆施工中,实际单根锚杆注浆 量为设计理论量的2～318倍的现象,充分证明该滑 坡区岩土具有较好的可注性。 岩土加固用于滑坡治理早有先例。1988年原重 庆市制药五厂发生大规模滑移变形,裂缝最宽50cm , 长12～35m ,最长达70m。该滑坡表层1～2166m深为 粒径20～130mm的松散人工砾卵石填土,其下为 0115～2119m厚残坡积粉质粘土,再向下为强风化泥 岩。主要形成原因为表层土体力学强度低,透水性 强,在大气降雨及工业废水作用下致使表层8～12m 厚土体滑移。经论证分析,于滑体中部柠檬酸车间 北、 南段外墙布设203根 300mm的钻孔灌注桩,桩 间距1m ,桩端伸入滑床2～3m。经施工期间监测,随 着桩的施工,滑坡变形速度逐步减缓,最终稳定。另 在达-成铁路施工中,在治理金堂滑坡时,也采用了 7排112m间距的旋喷桩加固滑带土体,使其力学强 度增加,滑坡稳定。意大利的Lizzi早在1983年将密 集的小直径钻孔灌注桩用于滑坡治理。 4 设计方法 411 基本原理 岩土加固是指用人工或机械方法挖出或充填加 固区内部分不良岩土体,人为填入强度高、 力学性质 好的天然或人工复合材料,用以改善加固区岩土体整 体力学性质,提高整体强度和稳定性的工程措施。其 根据施工方法分为人工挖填加固及机械加固。人工 挖填加固根据其规模分为大面积挖填加固和局部挖 填加固;机械加固根据其工法不同分为振冲加固、 高 压旋喷加固、 深层搅拌加固及钻孔灌注加固等。其中 机械加固因工作效率高、 工期短、 对滑坡扰动小而更 适应该滑坡的治理。 因此,通过人为岩土加固的方法,原位加固滑坡 某个条块,使该条块及滑带面岩土体力学强度大幅 提高,形成一岩土加固带,并以加固后的岩土体综合 抗剪强度参与滑坡稳定性及推力计算,通过调整加固 带宽度使滑坡在设计工况下,达到设计安全标准,整 体稳定。 412 基本设计方法 [1,2] 41211 加固带岩土物理力学性质的确定 经Aboshi等人研究,加固带复合岩土体力学强 度主要受被加固土体的不排水抗剪强度、 加固体的抗 剪强度及加固率影响,具体见式 1 Ssp 1 -MCuMSpcosα1 式中Ssp 加固带复合体的抗剪强度; M 面积加固率; Cu 被加固土体的不排水抗剪强度; Sp 加固体的抗剪强度; α 滑面与水平面的夹角。 其中Cu在滑坡勘察过程中已查明;Sp根据国内 外大量试验及工程实测,可采用类比或试验获取。在 实际工程中,因工法和被加固岩土体不同,其固结体 的力学强度也不尽相同,参考表1。 在Cu和Sp已知的前提下,根据地区经验、 类似 工程或试验,可以确定一个能达到和可以实现的加固 带复合体综合抗剪强度Ssp目标值一般砂类土C取 250～350kPa , φ取 25～35;粘性土取300～400kPa ,φ 取20～30。 表1 岩土加固体力学强度统计表 Table 1 The mechanical strength of geotechnical reinforced bodies 工程名称加固方法 固结体力学强度 CkPaφ 备注 达成铁路金堂滑坡高压旋喷34140112粘性土 工程地质手册高压旋喷700～100020～30粘性土 工程地质手册高压旋喷400～50030～40砂类土 奉节库岸高压旋喷300～6002611～28101碎石土 链子崖危岩加固现浇阻滑键7203612砼与灰岩接触面 55 第1期江鸿彬湖北省巴东县黄土坡滑坡深部变形防治方案探讨 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 41212 加固带宽度计算 全面分析滑坡纵剖面,按前述规范推荐公式分别 计算滑坡在天然状态及设计工况下的稳定性和滑坡 推力,根据滑面形态和推力曲线选择适当的部位布设 加固带条块,将确定的Ssp目标值带入该条块参与滑 坡稳定性及推力计算,调整此条块宽度反复试算,直 至满足设计工况下设计安全标准止,此时该条块的宽 度即为需加固带的宽度。 41213 加固率的计算 因滑体带土体、 加固体、 加固带复合体的抗剪 强度均已确定,所以根据1式加固率已经可以计算, 然而1式中的加固率仅为二维平面概念。为了更加 适应滑坡治理设计的需要,首先假定各微分加固带在 滑坡破坏时为不同深度的水平剪切破坏α 0 , 于 是将式1进一步概化为式 2 , τ sp 1 -MτsMτp 2 然后又根据库仑定律τCσtanφ引入滑体深度 值,将加固率的计算变为三维空间立体问题,详见式 3。这样加固率就成为一个随滑体厚度不同而变化 的一个量,且与滑体厚度成正比,与加固体抗剪强度 成反比。 M τ sp-τpΠτp-τs [ Csp-Cs γsptansp-γstansh]Π [ Cp-Cs γptanp-γstansh]3 41214 布置及结构 在加固率、 加固带宽度已知的情况下,也就知道 对于不同厚度的滑体单位面积内需加固的面积,这样 就可以在先设定加固桩孔径的前提下,计算出不同 直径时的间距,最终根据实际确定最优布置。在确定 加固桩孔的布置时,间距应尽量不小于215倍直 径,且必须考虑滑坡体内地下水的排泄,不可因加固 体的设置而使滑坡体内地下水流不畅。因此,加固桩 孔的布置平面上可考虑分段交错布置或呈多种异 型组合形态,同时空间上亦可根据滑体厚度和稳定性 不同而采用不同的带宽和桩长分段布设。 根据上述设计方法,充分考虑并结合前期治理工 程,初步拟定于 Ⅰ、 Ⅱ 号临江崩滑堆积体前阶段防治 工程后缘,港务局平台至三道沟300m ,以及三道沟至 复合肥厂200m范围布设两个加固带,采用150mm直 径注浆孔相间600mm直径加固桩对带内滑体带进 行加固,桩孔端伸入基岩5～8m ,加固深约70～ 80m ,间距及排距3m ,分10～18排呈梅花相间布置, 2350个注浆孔布置于各排加固桩中间,与2350根加 固桩一同呈梅花布置。由此构成了以注浆加固带和 加固桩联合形成的加固体系。 以加固为目的的加固体、 加固桩不同于依靠桩体 刚度来抗滑的抗滑桩,其主要考虑的是加固带各截面 的抗剪强度以及各桩体组合后所构成的整体加固效 果,所以加固桩的结构设计不象钢筋混凝土抗滑桩, 仅需根据不同材料配比和施工工艺,达到不同深度设 计抗剪强度即可。设计时,可根据不同滑体深度段不 同的加固率采用改变注浆压力、 浆体配比、 水泥标号 和稠度等,以及改变不同深度的桩径、 桩体配筋率、 数 量等从深度上、 平面上分段设计,构成空间立体最优 布置,达到经济、 安全、 可行的要求。 413 方案实施建议 钻孔注浆加固具有施工机械化程度高,效率高, 对滑坡的扰动小,可多段面同时施工,在治理整体稳 定的同时,也将多层不连续软弱带、 潜在破坏面也一 并治理等特点。为满足设计的各加固桩和加固带的 抗剪强度,以及综合考虑施工环境条件和滑体、 滑带 面、 滑床的物理特性,对不同的岩土体,可采用不同 的工法进行施工。由于目前在我国将岩土加固用于 滑坡治理的实例还相对较少,可以类比和借鉴的经验 不多,建议先进行注浆加固,后施工加固桩,于各加固 区注浆孔中均匀选择部分孔进行取芯勘探试验,以确 定注浆技术参数。注浆加固施工完后,再通过部分加 固桩取芯施工检验注浆加固效果,并进一步检验预期 加固效果及参数。 5 结语 根据本人几年来从事黄土坡滑坡相关工作的认 识和体会,作者初步提出了采用岩土加固方法防治黄 土坡滑坡深层变形的基本思路和技术要求,并考虑与 前阶段治理工程构成一个完整的防治体系,供有关方 面论证决策第二阶段治理方案时参考。 参考文献 [1] 江鸿彬.钻孔灌注抗滑桩束群简化设计方法探讨[A]. 湖北工程地质环境地质五十年[C].湖北中国地质大学 出版社,19991120 - 124. [2] 江鸿彬,孙仁先,刘行架.岩土强度加固用于滑坡治理的 设计方法初探[J ].湖北地矿,2002 ,416151 - 153. 下转第60页 65 中国地质灾害与防治学报 ZHONGG UO DIZHIZAIHAI Y U FANGZHI XUEBAO2005年 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. Analysis on the induced factors of landslide in Dingnan County of Jiangxi Province BIAN Xiao2geng 1. China University of Geology , Wuhan 430074 , China ; 2. Institution of Environmental Geology of JiangXi Province , Nanchang 330012 , China AbstractLandslides distribute widely in Dinnan Countyof Jiangxi Province. From 1990 to 2002 , there were 283 landslides took place. The scale of the landslide is currently small , but the losing is large. Most landslides are induced by rainfall. Rainstorm is often happened and the precipitation is large from April to June every year. In these days , a great deal of landslides took place. Besides rainfall , the factors inducing landslide include geomorphy , type of rock and soil mass , geological structure , structural type of rock and soil mass , artificial slope , etc. Medium2low mountain and hill cover the main areas in this county , where has the characteristics of large gradient , main rock type of magmatic rock and metamorphic rock , rock masses are mostly crashed and easy to be weathered , large thickness of eluvial2declivous soils and strongly weathered zone , wide distribution of faults. The residents build houses by digging mountain slopes , thus a number of high and steep artificial slope have been ed. All of these are the reasons of a great deal of landslides having been taken placed in this county. Key wordsDingnan County of Jiangxi Province ; landslide ; ation factor ; condition analysis 上接第56页 Approach on the control plan for deation in depth of Huangtupo Landslide , Badong County in Hubei Province JIANG Hong2bin Hubei Center of Geological Hazards Control ,Y ichang 443002 ,China AbstractAccording to the investigation of the Huangtupo landslide area , the possibility of research for the prevention and control and the cognition of engineering management at the site in recent years , the paper studies on the distribution characteristic , material composition , stability and deation characteristic of the landslide. For the properties of large thickness , high strength of the landslide mass and the obvious deep deation in the recent days , based on the Coulomb Law , the author puts forward a primary control plan in this paper of adopting the rock and soil reinforcement to prevent the deep sliding of the landslide. Key wordsapproach; rock and soil reinforcement ; landslide mass; Coulomb Law 06 中国地质灾害与防治学报 ZHONGG UO DIZHIZAIHAI Y U FANGZHI XUEBAO2005年 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.