高陡順向巖質(zhì)人工邊坡治理研究

郭志明

（武漢工程大學環(huán)境與城市建設學院，湖北武漢430074）

高陡順向巖質(zhì)人工邊坡治理研究

郭志明

（武漢工程大學環(huán)境與城市建設學院，湖北武漢430074）

在工程地質(zhì)評價基礎上，應用數(shù)學力學模擬方法進行切坡穩(wěn)定性定量評價.結合切坡特點，對深層結構面采用推力傳遞系數(shù)法進行穩(wěn)定性計算，基本荷載僅考慮巖體自重，組合荷載包括重力、靜水（滲水）壓力和地震力的組合作用.該切坡是由破碎巖體的塊狀多次多向塊體滑移與深層層面滑移結合的破壞模式.考慮局部滑移與整體滑動的危險，暴雨與風化作用下，邊坡變形破壞可能進一步發(fā)育，提出預應力錨索＋地梁的措施進行治理是合適的.

錨固技術；人工高邊坡；巖體；順向坡；穩(wěn)定性系數(shù)；應用研究

0 引 言

峽口碼頭高切坡位于香溪河左岸、高嵐河大橋以南的碼頭一帶，系香溪河左岸斜坡，高切坡主要由三疊系嘉陵江組灰?guī)r、巴東組泥灰?guī)r、侏羅系香溪組長石石英砂巖、粉砂巖組成.高切坡現(xiàn)場調(diào)查坡長120 m，切坡面積5 600 m2.峽口碼頭高切坡坡高一般10～30 m，最高38 m，主要為層狀巖體組成的巖質(zhì)順向人工邊坡.

切坡治理前裂隙較發(fā)育，據(jù)統(tǒng)計有兩組裂隙延伸長、密度較大：

①組60～80°∠50°，裂隙面較平直光滑，延展性較好，隙寬1～3 mm，無充填物，密度3條／m.裂隙走向與切坡走向夾角40～60°，傾向坡內(nèi).

②組170～200°∠45°，裂隙面較光滑，延展性稍差，隙寬1～3 mm，密度2條／m.裂隙走向與切坡走向夾角50～80°，傾向坡外.

第①組裂隙組延伸較長，裂面較為平整光滑，在剖面上第①組裂隙切割第②組裂隙.兩組裂隙隙寬小、無充填及夾泥現(xiàn)象，即無膠結的硬性結構面，當高切坡開挖切穿粉砂巖層面時，層面和裂面組合的塊體多順層產(chǎn)生滑移，尤其切穿至較軟的泥質(zhì)粉砂巖時，則會產(chǎn)生較大規(guī)模的滑移［1］.

峽口碼頭一帶原系香溪河左岸斜坡，斜坡的走向近南北、傾向西.在自然狀態(tài)下，臨河斜坡坡頂高程800 m左右，香溪河底高程117～120 m，自然狀態(tài)下斜坡坡度30～45°，在臨高嵐河出口地帶達50°以上.峽口鎮(zhèn)碼頭規(guī)劃在狹長的斜坡地帶，地面高程177～188 m.香溪河是調(diào)查區(qū)最大的地表水系，流域面積約3 000 km2，多年平均流量65.5 m3／s，歷史最大洪峰流量3 920 m3／s（1975年7月3日），最枯流量7.73 m3／s，平均坡降14.2‰，屬于由降雨補給的山溪性河流，集流時間短、匯流快，致使洪水暴漲暴落，一次洪水過程2～3天，漲洪歷時僅幾小時，洪峰流量持續(xù)時間一般在1天以內(nèi).大洪水期間，河流兩岸洪澇災害較為嚴重.

組成高切坡巖性為中層～厚層長石石英砂巖、泥質(zhì)粉砂巖，巖層產(chǎn)狀280～285°∠35～43°，層面傾向與切坡坡面傾向基本一致，為順層面坡.

1 邊坡破壞模式分析

峽口碼頭是人工開挖形成的工程巖體.從其結構面與產(chǎn)狀來看，因為節(jié)理與裂隙發(fā)育與水的侵蝕，開挖之后，不同傾向及傾角的分割面切割，形成局部巖塊上陡下緩或順層結構面的復雜組合.坡體原有平衡體系被破壞，原始地應力場擾動加大，巖體應力進行重新分布，在臨空面附近的應力場發(fā)生較大，卸荷作用、以及開挖出現(xiàn)的裂隙在風化與雨水侵蝕作用在巖體內(nèi)部調(diào)整轉移，大小不同的結構面各向異性作用，使巖體質(zhì)量劣化，形成多層塊體滑移與切腳形成的深層滑移的復雜局面.從滑動面的抗剪強度與結構面的成因和力學特性來看，張性、壓性與扭性斷裂面復雜組合的共同作用導致本切坡的結構面穩(wěn)定性極其復雜.中層～厚層長石石英砂巖、泥質(zhì)粉砂巖，與延伸較長的第①組裂隙組以及傾向坡外的第②組裂隙，巖層與裂面組合的結構面組合形成硬性結構面不穩(wěn)定的塊體，當開挖切穿粉砂巖層面時，形成本切坡層面和裂面組合的塊體.從該高切坡的地質(zhì)結構和已變形破壞形式來說，高切坡已經(jīng)或將會發(fā)生多次多向的塊狀滑移，可能進一步發(fā)育為深層整體滑移的變形模式［2－5］.

2 穩(wěn)定性計算

高切坡穩(wěn)定性評價，是在工程地質(zhì)評價基礎上，應用數(shù)學力學等模擬方法進行定量評價其穩(wěn)定性.潛在滑面的確定、選定計算剖面、擬定計算工況和方案，確定計算參數(shù)是穩(wěn)定性評價的基本內(nèi)容.

2.1 計算方法

穩(wěn)定性計算方法很多，常見的有剩余推力法和Sarma法.剩余推力法在計算滑坡推力和穩(wěn)定性時，在主滑面進行條塊分割，不計算側向摩擦力和滑體自身擠壓力，滑面或破裂面分別按整體折線滑動，計算滑坡推力與阻力，求解穩(wěn)定性系數(shù).Sarma法是Sarma博士提出的［6］，其假設巖土體是沿一個理想的平面圓弧進行滑動破壞模式，并在工程中廣泛應用，它是考慮滑體強度的邊坡極限平衡分析方法.本切坡先破壞成多塊相對滑動的塊體，因切坡開挖切腳，已經(jīng)或將要發(fā)生多次巖塊滑移，可能存在多層多個滑動面，并可發(fā)育為深層滑移.對深層結構面采用推力傳遞系數(shù)法進行計算，基本荷載僅考慮巖體自重，組合荷載包括重力、靜水（滲水）壓力和地震力的組合作用.其穩(wěn)定性系數(shù)計算［6－9］公式為：

式（1）（2）（3）中：Pi為第i塊滑體剩余推力；Wi為垂直荷載，包括土條自重和其上部的建筑荷載，其中，自重可將其分為兩部分，地下水位以上用濕容重計算，設為Wi1，地下水位以下用飽和容重計算，設為Wi2；Ui為剪切面上的孔隙水壓力的合力，與剪切面正交；PDi為第i條塊的動水壓力；φ′i、φ′為剪切面抗剪強度（有效應力指標）；Li為土條底面長度；αi為土條底面傾角；K為安全系數(shù).求解安全系數(shù)K的條件是Pn＝0；βi為第i條塊所作用動水壓力與滑動面之間的夾角.

2.2 計算工況及安全系數(shù)

考慮高切坡區(qū)域可能遇到的各類情況，特別是最危險的情況，由于區(qū)內(nèi)基本地震烈度為6度，可不考慮地震的影響，故綜合確定以下兩種計算工況：工況一，天然（自重）狀態(tài)；工況二，自重＋暴雨.本高切坡的安全等級為二級，根據(jù)《建筑邊坡工程技術規(guī)范》規(guī)定，采用折線滑動法計算，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)取1.30.

2.3 典型剖面的選擇與潛在滑面的確定

在現(xiàn)場調(diào)查和工程地質(zhì)資料［2］分析基礎上，選取代表性工程地質(zhì)剖面進行穩(wěn)定性評價.（見圖1～3）.

圖1 工程地質(zhì)1－1剖面圖Fig.1 Sectional drawing for the 1－1 engineering geological section

圖2 工程地質(zhì)2－2剖面圖Fig.2 Sectional drawing for the 2－2 engineering geological section

圖3 工程地質(zhì)3－3剖面圖Fig.3 Sectional drawing for the 3－3 engineering geological section

在以上模型與參數(shù)給出的情況下，利用折線滑動法對潛在滑面進行穩(wěn)定性計算，計算結論是：順層滑動面，剖面1－1（見圖1），在天然狀態(tài)下，穩(wěn)定性系數(shù)為1.22；在暴雨狀態(tài)下，穩(wěn)定性系數(shù)為1.013；低于安全系數(shù)1.30.

3 邊坡穩(wěn)定性評價

高切坡穩(wěn)定性定性分析與計算表明：峽口碼頭高切坡目前的整體穩(wěn)定性安全儲備不高.隨著風化作用的加強，結構面強度的降低，在強降雨的情況下，有可能發(fā)生失穩(wěn).

4 治理方案確定

高切坡治理應針對斜坡變形破壞的特點進行.在治理過程中采用分層次分段治理的原則.高邊坡防治的目標是采用防治工程輔以安全監(jiān)測，確保高邊坡在結構設計基準期50年內(nèi)不發(fā)生失穩(wěn).

該切坡是由破碎巖體的塊狀多次多向塊體滑移與深層層面滑移結合的破壞模式.局部滑移與整體滑動的危險，暴雨與風化作用下，邊坡變形破壞可能進一步發(fā)育，建議采取預應力錨索＋地梁的措施進行治理.

4.1 推力計算

4.1.1 計算剖面的選擇 高切坡主要有塊體滑移與深層滑移兩組破壞模式.多向的塊體滑移，因斷層、夾層、層理、片理、節(jié)理和裂隙導致巖體被復雜切割，高度的非均質(zhì)性，彈性與非彈性，各向異性與不連續(xù)性的不同塊體的變形.采用薄弱點的分析，對深層滑移選擇剖面進行推力計算.由于巖體具有多層滑動面（帶），應取推力最大的滑動面（帶）確定滑坡推力；擇平行于滑動方向的幾個具有代表性的斷面進行計算.根據(jù)不同剖面的推力設計相應的支護結構；當滑動面為折線形狀時，滑坡推力可按圓弧滑動采用傳遞系數(shù)法計算.

4.1.2 計算方法 按工程巖體特點，分析采用傳遞系數(shù)法（推力傳遞法）計算滑坡推力［6，9］，如公式（4）.

式（4）中：Fi為第i條間推力（k N／m）；k為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；Wi1為第i個條塊地下水位線以上土體天然重量（k N／m）；Wi2為第i個條塊地下水位線以下土體飽和重量（k N／m）；ΔPi為第i個條塊土體兩側靜水壓力的合力；Pwi為第i個條塊土體底部孔隙水壓力；φi為第i個條塊所在滑動面上的內(nèi)摩擦角（°）；αi為條塊滑動底面傾角（°）；ci為條塊滑動底面處巖土體內(nèi)聚力（kPa）；Li為條塊滑動底面長度（m）；ψi－1為傳遞系數(shù)，由公式（5）計算：

當最后一條塊剩余下滑力Fn≤0時可判斷為滑坡（斜坡）穩(wěn)定，當Fn＞0時則滑坡不穩(wěn)定.

此Fn值可作為設計支擋工程結構所承受的推力.傳遞系數(shù)法適用于折線滑動面情況的穩(wěn)定性驗算.滑坡推力的計算指標宜根據(jù)試驗、經(jīng)驗數(shù)據(jù)和反算結果綜合分析確定.

4.2 計算結果

典型剖面計算模型及條分見圖2.典型剖面剩余推力520 k N／m.

4.3 治理方案確定

根據(jù)滑坡的結構特征及坡面分析，本切坡是多向塊體多次滑移與深層滑移作用.選擇分坡面系統(tǒng)治理，本高切坡治理采用預應力錨索及地梁相結合的措施.

4.3.1 預應力錨索總錨固力確定 對于邊坡錨固，在邊坡穩(wěn)定性分析基礎上，錨索預應力（抗滑力）的計算，應根據(jù)滑坡的下滑力確定錨固力［7－9］，預應力錨索承擔每延米520 k N的剩余推力.

式（6）中，α是錨索與滑動面相交處滑動面傾角，β是錨固角，φ是滑面摩擦角，F(xiàn)是滑坡推力設計值（k N），Pt是設計總錨固力（k N）；α＝41°，β＝20°，φ＝22°，F(xiàn)＝520 k N／m，計算得設計總錨固力Pt＝620.4 k N／m.如果預應力錨索間距為3 m× 3 m，縱向布置4個錨孔，則單根錨孔的錨固力Pt＝620.4×3／4＝465.3 k N，為了提高安全儲備，設計錨固力取1 000 k N.

4.3.2 鋼絞線根數(shù)

每孔錨索鋼絞線的根數(shù)n：

其中，F(xiàn)sl為安全系數(shù)，取1.7～2.0，高腐蝕地層取大值；Pu為錨固鋼材極限張拉荷載.峽口高切坡Fsl取1.9，Pu取220 kPa，計算得需要鋼絞線5.64根.預應力錨索間距為3 m×3 m，縱向布置4個錨孔，則每孔需要鋼絞線5.64×3／4＝4.23股，故取5股進行設計.

4.3.3 錨索錨固段長度計算 錨索錨固長度的計算需考慮錨索與砂漿的結合破壞、砂漿與孔壁的結合破壞、巖體的剪切破壞以及錨索的拉伸破壞等諸多形式：

Ⅰ.按水泥砂漿與錨索鋼材粘結強度確定錨固段長度：

為了確保安全，實施的可行性，錨桿錨固段長度式（8）～（10）進行計算，且取其中大值.按式（8）～（10）中各符號意義如下：

Fs2為錨固體拉拔安全系數(shù)，永久性錨固Fs2≥2.5，臨時性錨固Fs2≥1.5；lsa，la為錨固段長度（m）；D為錨固體直徑（mm）；ds為張拉鋼材外表直徑（mm）；d為單根錨桿鋼筋直徑（mm）；n為鋼筋（鋼絞線）根數(shù)（根）；τu為錨索張拉后與水泥砂漿的極限粘結應力；按砂漿標準抗壓強度fck的10%取值（k Pa）；τ為錨孔壁對砂漿的極限剪應力（k Pa）.

錨索相關參數(shù)取值為：Fs2取2.5，τu取值為1 400 k Pa，取值為800 k Pa，d＝15.2 mm，n＝5，D＝110 mm，帶入式（8）～（10）計算并取較大值得lsa＝7.8 m，設計錨固段長度取10 m［10］.

巖質(zhì)邊坡中錨固段長度應不小于3 m，峽口高切坡計算的錨固段長度確定是合理的.

4.3.4 錨孔孔徑及砂漿強度 鉆孔孔徑取為110 mm；砂漿強度取M30［11］.

4.3.5 錨索總長度

其中，Le為錨固段長度（m），L0為自由段長度（非錨固段，m），L1為張拉段長度（m），經(jīng)計算Le為10.0 m，張拉段L1取1.2 m，錨索自由段長度L0由錨索與滑動面和邊坡坡面的交點間距離而定，同時應考慮錨固段的起點應下離滑動面（或潛在滑面）一定距離，一般超出滑動面（或潛在滑面）不小于1 m，依據(jù)1－1′剖面布置錨索區(qū)潛在滑面深度，自由面長度在4～5 m，從而確定錨索的長度為20 m.

4.4 地梁內(nèi)力計算

以單向條形基礎，彈性地基，對單向條形基礎可采用winkler地基上梁法進行內(nèi)力計算.

鋼筋地梁與錨索復合結構是一種兼顧深層加固與淺層護坡的治理措施.地梁錨固是一種較新型可靠的邊坡加固技術，不需動用大型機械設備，可使坡體盡早穩(wěn)固.地梁首先起表層護坡作用，在地梁上加錨索，錨索錨于滑動面以下穩(wěn)定地層中，預應力錨索主動抗滑.具體的工程措施布置詳見圖4～圖7.

鋼筋混凝土地梁是索集中荷載通過基礎梁共同作用傳遞到地基上.計算了每個結點荷載后，地梁可以看作一個獨立的單向條形基礎，然后可以計算單向條形基礎受力后對荷載的傳遞作用.

圖4 錨索地梁結構圖Fig.4 Structure chart of the prestressed anchor rope foundation beam

圖5 工程地質(zhì)1－1與2－2剖面錨索結構圖Fig.5 Structure chart of the prestressed anchor rope for 1－1 and 2－2 engineering geological section

圖6 工程地質(zhì)3－3剖面錨索結構圖Fig.6 Structure chart of the prestressed anchor rope for 3－3 engineering geological section

圖7 錨索布置立面圖Fig.7 Vertical view for distriction of the prestressed anchor ropes

梁中砼采用C25，縱筋為II級螺紋筋，箍筋為I級鋼筋.其中有關參數(shù)取值為：E＝3.0e7k Pa，k＝ 3e5k Pa，按winkler地基上梁法根據(jù)錨索荷載對地梁進行內(nèi)力計算和配筋［12］.

最大剪力：Vmax＝461.4 k N；錨索作用點處截面最大彎矩Mmax＝338.42 k N·m，跨中最大負彎矩｜Mmin｜＝21.12 k N·m.

峽口碼頭高切坡變形破壞的模式是，多次多向的塊體滑移，可能發(fā)育為深層滑移.治理措施選擇錨索地梁方案，綜合考慮了切坡的工程地質(zhì)特點和環(huán)境特點.

［1］ 郭志明.高陡邊坡加固技術及其應用研究——以聶家溝大橋高切坡為例［J］.武漢工程大學學報，2009，31（5）：37－40.

［2］ 長江水利委員會綜合勘探局.水利樞紐庫區(qū)興山縣遷建城鎮(zhèn)新址地質(zhì)論證報告［R］.武漢：長江水利委員會綜合勘探局，1997.

［3］ 郭志明.人工土質(zhì)邊坡加固技術及其應用研究——以三峽庫區(qū)湖北省巴東縣孔堡二組人工土質(zhì)邊坡為例［J］.北京：硅谷，2009（4）：85－86.

［4］ 郭志明.巖質(zhì)順向人工邊坡穩(wěn)定性分析和治理方案分析［J］.才智，2009（2），89－93.

［5］ 陳祖煜.土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性——原理方法程序［M］.北京：中國水利水電出版社，2003.

［6］ 潘別同.工程巖體強度估算方法［J］.地球科學，1985，1（1）：29－32.

［7］ 林韻梅.實驗巖體力學——模擬研究［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社.1983.

［8］ 中華人民共和國建設部.GB50330－2002建筑邊坡工程技術規(guī)范［S］.北京：中國建筑出版社，2004.

［9］ Shpiro A.statistical analysis of jointed rock data［J］.int J Rock Mech min sci and Geomech abstract，1991，28：375－383.

［10］ 中華人民共和國建設部.GB50010－2010混凝土結構設計規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2010.

［11］ 吳培明.混凝土結構（上）［M］.武漢：武漢工業(yè)大學出版社，2001.

［12］ 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.錨桿噴射混凝土支護技術規(guī)范GB50086－2001［S］.北京：中國冶金工業(yè)出版社，1986.

Research on control and treatment of hingly artificial bedding rock slope failure

GUO Zhi－ming
（School of Environmental and City Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430074，China）

On the basis of evaluation of geological engineering，the stability of the cutting slope was quantitatively evaluated using geological mathematics mechanics method.According to the characteristic of the slope，the stability of the deep structural plane is calculated by means of transmission coefficient：Considering the dead－weight of the rock mass as the basic load and the assembled operation of deadweight，hydrostatic pressure（exudation－pressure），seismic force as combined load.The mode of slope failure comsists of massive slippage in multiway on many occasions and bedding slip of deep surface.Considering the danger of local and whole failure，and the function of the rainstorm and efflorescence，the control and treatment of artificial rock slope should take prestressed anchor－rope and ground beam measure.

anchoring；artificial high rock slope；rock mass；bedding slope；stability coefficient

龔曉寧

TU432

A

10.3969／j.issn.1674－2869.2011.10.010

16742869（2011）10004207

20110817

郭志明（1965），男，湖北武穴人，博士研究生.研究方向：地質(zhì)災害防治技術與經(jīng)濟管理理論教學與研究.