南京市西山河堤防滑坡機理分析與治理方案

唐 波，陳 勇，張莉萍，曹凱波，邱德俊

(南京市水利規劃設計院有限責任公司，江蘇南京 210022)

水利工程實踐表明，堤防滑坡不僅會造成一定的經濟損失，還會威脅到相關建筑物的正常運行及安全，甚至危及相關人員的生命安全。堤防滑坡作為常見地質災害之一，其嚴重性應引起相關研究人員的足夠重視［1］。

目前，針對堤防滑坡的防治手段主要從以下兩方面考慮:一是從治理角度考慮，阻斷滑坡繼續惡性發展;二是從預防角度考慮，對堤防進行相關安全監測，建立堤防破壞預報系統，減少不必要的災害損失。

本文以南京市西山河堤防滑坡為研究對象，依據其工程特點進行邊坡穩定性的定性及定量分析，并反演堤防臨界破壞時的土體力學強度參數。在此基礎上，提出科學有效的邊坡綜合治理方案。

1 滑坡基本特征

1.1 地形條件

西山河位于南京市高淳區，是一條人工開挖的泄洪河道，河道從高淳區境內的古柏鎮韓村向西北延伸，在西山閘入石臼湖，全長8 km。西山河左岸為農田，無人工堤防;右岸人工堤防高約6 m，寬4～5 m，迎水坡坡比一般為1∶2，局部坡度達1∶1.5。堤后分布民房、水塘及農田等。場地地貌由崗地及河谷地貌單元組成。

1.2 地質條件

滑坡區內地下水及地表水豐富。地下水以第四系松散堆積物中的孔隙水為主;地表水受大氣降水影響，水位年變幅1～3 m。

地基土層上部主要為河道開挖時堆填的粉質粘土夾粘土，一般厚度2～5 m，下部主要為可塑—軟塑狀粉質粘土及粘土。表面覆蓋層厚10 m左右，下伏基巖為粉砂質泥巖。其典型地層剖面如圖1所示。

圖1 西山河右岸堤防典型滑坡地質剖面圖Fig.1 The geological profile of typical landslide in the right bank dyke of Xishan River

1.3 滑坡概況

根據《水利水電工程邊坡設計規范》(SL386—2007)表3.2.2，南京市西山河堤防為 4 級堤防，滑坡影響后果較嚴重，相應邊坡工程安全等級為4級。

西山河兩岸堤防幾乎年年發生蠕動、裂縫、塌方以及滑坡等險情。2013年汛期，西山河右岸堤防岸坡再次相繼發生兩處滑坡，險情引起水利主管部門高度重視。2014年7月，西山河右岸堤防再度出現滑坡險情，該滑坡邊界清楚，在外觀上呈圈椅狀，順水流方向長55 m，垂直水流方向斜坡長15 m，中部滑體厚度3～4 m?；嘞蚝拥劳埔萍s5～10 m，已嚴重阻水。

2 滑坡成因機理分析

大多數滑坡是由外部因素和內部因素共同作用的結果，針對南京市西山河堤防滑坡情況，其內部因素主要為復雜多變的地質條件，外部因素主要為降雨及人類活動。

2.1 內部因素分析

根據工程經驗，高淳地區多數粘性土邊坡產生滑動的原因與膨脹土有關。本工程地質勘察時進行了土的自由膨脹率試驗與礦物成分檢測試驗(見表1)，試驗結果表明該場地土具有一般粘性土所具有的遇水膨脹性，但尚不屬于膨脹性土范疇。

分散性土的塑性指數在7～20范圍［2］。為分析本工程場地土分散性，主要進行了現場碎塊試驗。因土塊無分散性膠粒的反應，土塊水解后在量杯底部以細粒狀平堆，水色是清的，或稍渾濁后很快又變清，依據《水利水電天然建筑材料勘察規程》(SL251—2000)附錄A判別:本場地土屬于非分散性土。故本滑坡工程仍按一般粘性土滑坡考慮。

滑坡工程實踐和室內試驗研究都證實了土的破壞主要是由于剪切所引起，為了更準確地反映破壞時實際工況，應用了多種試驗條件(包括天然狀態、飽和狀態下直剪、反復剪等等)對各土層進行剪切指標測定。結果(見表2)表明:飽和狀態下堤身填土層(土樣①)剪切指標較小;粉質粘土層(土樣②)剪切指標本身較小。

表1 土樣礦物成分及自由膨脹率試驗成果表Table 1 The test results of soil mineral composition and free expansive rate

表2 不同條件下土的抗剪強度指標匯總表Table 2 The summary of soil shear strength indexes in different conditions

2.2 外部因素分析

2.2.1 雨水作用

2013年夏天，持續的干旱后，在6月11日—25日遭遇連續的陰雨天氣，其中18日、25日降雨達到暴雨級別，18日雨量最大，達到了119.3 mm。自21日開始，西山河右岸堤防出現滑坡前兆，至25日發生多處堤防裂縫，2處滑坡。促使西山河堤防滑坡的重要外部因素是水的作用，由于地下水補給，助長了土體裂隙張開和向深部發展，減小了粘聚力，降低了土體強度。河水猛漲浸泡坡腳，既軟化坡腳，又在流水和波浪作用下，淘刷坡腳，增加了坡體不穩定因素，易形成牽引式滑坡。

2.2.2 人類活動

除了雨水作用外，人為因素也是導致滑坡的重要因素。本次堤防滑坡主要集中于右岸堤防的韓村段，現場勘察發現堤頂道路破壞嚴重，經水利站工作人員介紹，該路段經常性有載荷汽車通行，汽車荷載與震動可能增加了滑坡體后緣的壓力，對邊坡的穩定性產生一定的負面影響，堤后方大量民房分布及耕地，生產、生活用水的自然排放以及耕地澆灌引起的地下水位抬升也是邊坡失穩的不利因素。

3 穩定性分析及參數反演

3.1 穩定性分析方法

基于對邊坡巖土的成因、巖土特征、坡度、自然條件、人為活動等多種因素的綜合分析，本工程邊坡屬上部為人工堆積層、中部為原坡土層、底部為殘坡積土共同組成的相對較陡的土質邊坡［3－4］。由于邊坡穩定與否直接關系到西山河防洪安全和堤頂道路安全等問題，分析導致滑坡的主要影響因素，是設計相應治理方案的主要參考依據。常見穩定性分析方法分為定性分析與定量分析兩大類，定性分析多用工程地質類比法，定量分析多用典型地質剖面作為穩定性驗算剖面，采用圓弧滑動法進行分析計算，計算軟件為理正巖土軟件6.0 版。

3.2 定性分析

滑坡區的勘察資料反映，滑體主要由堤身填土(粉質粘土、粘土)及原狀粘性土組成。滑坡變形機制主要表現為:河水長期浸沒坡腳，迎水坡側土體抗剪強度降低;坡面裸露，堤頂雨水經過坡面直接滲入堤身，加大堤身滑坡的可能;后緣堤頂道路汽車荷載，加大邊坡失穩可能性;堤后方大量民房分布，生產生活用水的自然排放是邊坡穩定的負面因素。

綜上所述，邊坡穩定存在較多不利因素。從該河段前幾次滑坡與治理情況分析，該河道右岸邊坡仍存在產生滑坡的隱患。

3.3 定量分析

穩定分析計算基于理正巖土邊坡穩定分析軟件，結合地質資料，根據滑坡斷面來建立計算模型(圖2)。滑坡邊界條件及參數考慮如下:

(1)采用通常認為的土質邊坡滑動模式(即假定滑面為圓弧滑動面)，瑞典條分法，并根據現場滑坡特征指定剪出、入口范圍(使滑動破壞情況盡可能與前期滑坡特征類似)。

(2)考慮暴雨引起上部土體增重對邊坡的穩定影響，堤頂地下水位取值13.50 m(據工程經驗按埋深1 m考慮)，河水位取西山河正常洪水位9.5 m。

(3)現場勘察發現，并經水利站工作人員介紹，堤頂經常有載荷汽車通行，計算時考慮汽車荷載(本次取值按汽-10級取值，荷載強度15.528 kPa)。

(4)場地屬基本烈度6度區，邊坡穩定性計算不考慮地震工況。

利用地勘報告提供的常規條件下固快指標、飽和狀態下慢剪及殘余剪指標進行穩定分析計算，兩處邊坡穩定性安全系數均大于1，邊坡穩定;而現實邊坡已經失穩，所以工程邊坡失穩除上述因素及邊界條件外，還應考慮以下綜合因素對土體力學指標的折減:

(1)坡面上部填土層系當年河道開挖直接人工堆填而成，欠碾壓密實，本身力學指標不高，在雨水作用下飽和、變軟。

(2)坡腳土體經河水長期浸泡，土體力學指標有所下降。本次穩定分析，按照《水利水電工程邊坡設計規范》(SL386—2007)5.2.6條款，運用強度折減法對地質資料提供的力學指標(平均值)進行強度折減(c、tgφ同時折減，ψ為折減系數)，算至邊坡穩定分析安全系數接近1.00的極限狀態。

邊坡穩定分析計算參數取值見表3。其中，各土層的重度指標未折減，均采用飽和狀態重度指標;對力學參數折減時(ψ為折減系數)均以地質報告提供的各土體抗剪強度指標平均值為基準。

(3)強風化粉砂質泥巖取經驗值:γ=26 kN/m3，ck=80 kPa，φk=28o，基巖埋深相對較大，計算時未考慮巖石層強度折減。

圖2 典型斷面穩定分析計算簡圖Fig.2 The sketch showing the stability analysis and calculation of typical cross-section

表3 穩定分析計算參數取值表Table 3 Parameters selected in the stability analysis and calculation

3.4 抗剪強度參數確定

綜合考慮地質報告提供的各土層力學指標與穩定分析強度折減后的指標，本次綜合治理設計所需地質條件參數選取指標推薦值見表4。

表4 巖土體抗剪強度參數推薦值表Table 4 Recommended values for the shear strength parameters of rock and soil mass

4 整治方案

根據對地質資料和現場調查資料的分析，綜合本工程堤防等級、邊坡級別，以及現場地形條件、施工技術、投資等因素［5］，本工程主要整治方案擬從下部土體抗滑、坡內排水、坡面保護等方面考慮(由于本工程規模不大、投資經費有限，抗滑樁暫不考慮)。整治方案主要設計內容如下(設計剖面如圖3所示)。

圖3 滑坡治理設計斷面圖Fig.3 The designed cross-section in landslide control engineering

(1)懸臂式擋墻:采用懸臂式擋土墻，擋墻高1.5 m，底板高程8.30 m;混凝土強度等級C25，縱向受拉鋼筋應采用Ⅱ級以上的帶肋鋼筋，直徑14 mm，鋼筋籠的混凝土保護層采用35 mm。勘察報告顯示，滑坡河底分布偏軟的粉質粘土，同時考慮到河底土層長期受河水浸泡而偏軟，故本次設計考慮對擋墻地基均進行木樁處理;擋墻前按基坑開挖線回填塊石固基與防沖。

(2)混凝土護坡:擋墻內側在▽9.80～▽12.00 m高程沿岸坡新建C20素砼現澆護坡。素混凝土等級C20，厚度100 mm，其下碎石墊層100 mm及土工布(300 g/m2);護坡上、下均設300 mm×500 mm素混凝土縱格梗。

(3)草皮護坡:混凝土護坡往上，高程▽12.00 m至堤頂采用草皮護坡(播撒草籽)。

(4)排水設計:在懸臂式擋土墻墻身▽8.80 m處設排水孔，墻內通常布置土工膜包碎石排水系統;混凝土護坡設Φ50PVC排水管(墊層側包裹土工布)。另據業主單位介紹，西山河右岸擬新建4級公路，道路設計時考慮路面排水系統的設計。

按《水工擋土墻設計規范》(SL379—2007)，結合本工程規模及實際情況，經運行期、施工期等工況分析、計算，擋土墻設計滿足規范要求;按《水利水電工程邊坡設計規范》(386—2007)，經復核計算岸坡的整體穩定亦滿足規范要求。設計方案可行。

5 結論

(1)滑坡的形成是外因和內因共同作用的結果，研究滑坡失穩機制是進行滑坡治理設計的前提，分析時應充分考慮相關因素，工程實踐證明，基于這些考慮方能經濟而有效進行滑坡治理。

(2)滑坡土體的力學參數選定是進行滑坡分析和治理設計的關鍵，通過參數反演能提高治理方案設計的可靠性。

(3)諸如水庫庫岸、堤防等涉水邊坡工程，治水是治理滑坡很重要的一環，做好坡體的截水、排水至關重要。

［1］ 唐波，陳勇，羅海東，等.南京市胥河茅東段堤防滑坡原因分析及治理方案探討［J］.工程地質學報，2012，20(增刊):43 －46.

［2］ 樊恒輝，孔令偉.分散性土研究［M］.北京:中國水利水電出版社，2012:10－49.

［3］ 唐波，董小卓，黃天增，等.高淳區石臼湖西山河段堤防應急處理工程設計報告［R］.南京:南京市水利規劃設計院有限責任公司，2014.

［4］ 中華人民共和國水利部.水利水電工程邊坡設計規范:SL 386—2007［S］.北京:中國水利水電出版社，2007.

［5］ 中華人民共和國水利部.水工擋土墻設計規范:SL 379—2007［S］.北京:中國水利水電出版社，2007.