削方減載治理工程設計應注意的幾個問題

李愛軍,羅順林

(湖北省地質局 武漢水文地質工程地質大隊,湖北 武漢 430051)

削方減載治理工程設計應注意的幾個問題

李愛軍,羅順林

(湖北省地質局 武漢水文地質工程地質大隊,湖北 武漢 430051)

削方減載是防治地質災害的一種常用工程手段,在總結前人工程經驗的基礎上,對削方減載的適用條件、地質勘查要點、設計遵循原則、削方部位及削方量設計、驗算方法、動態設計要求等方面進行了論述,探討削方減載治理工程設計中應注意的幾個問題,并提出有關建議,為地質災害防治工程設計提供參考與借鑒。

地質災害;削方減載;地質勘查;防治工程設計

削方減載是通過開挖的方式減少地質災害體的荷重、以提高地質災害體穩定性的一種工程措施。它既可以作為地質災害搶險工程的應急處理措施,也可作為地質災害防治工程的最終治理措施;既可以作為地質災害的主要治理措施,也可作為輔助措施,和其他方案的組合共同發揮作用。其原理并不復雜,但在實際應用中若不因地制宜,考慮其適用條件,正確把握概念設計方向,開展針對性的地質勘查工作,合理確定削方部位和削方量,正確進行設計驗算,可能造成治理工程效果不佳或防治失敗,達不到治理和根除地質災害隱患的目的。因此,在削方減載設計中,對以上這些關鍵性環節的控制與把握尤為重要。

1 適用條件分析

削方減載主要應用于滑坡、崩塌(危巖體)和不穩定斜坡等地質災害的防治,可采取整體清除災害體,或對災害體局部清除整形,或削填結合,或配合抗滑樁、擋土墻等支擋結構組合使用。受地質災害體的形成機制、地形地貌、環境條件及經濟合理性的影響,削方減載有其自身特點和適用范圍。滑床上陡下緩,滑坡后緣及兩側地層相對穩定,不至因減載開挖而引起滑坡向后緣和兩側發展,以及滑面為圓弧形或滑體后部厚度大于前緣甚多且整體性較好的滑坡或不穩定斜坡,采用削方減載進行治理效果較好,但以下幾種情況一般不宜采用削方減載治理措施[1-2]:

(1) 滑體土由易飽水的粘性土組成,形成類似泥石流狀土體的塑流型滑坡,其既有滑坡特征,也兼有泥石流特點,不宜采用削方減載。

(2) 由具膨脹性質的特殊性巖土構成滑體、滑帶土的滑坡,因膨脹巖土收縮易產生裂縫,遇水膨脹軟化,抗剪強度降低,削方處理時越削越滑,削方減載只能作為應急措施,不宜作為最終的治理工程措施。

(3) 削方后使原災害體條件惡化或復活,經表層削方后可能產生深部滑動的災害體,或削方后在災害體周邊形成新的暴露面,引起原災害體周邊產生新的次生災害,治理費用較高時,不宜采用削方減載治理。

(4) 坡體地下水發育,削方后地下水難以截流、引流的災害體。

(5) 滑面平緩或呈上緩下陡形態,削方治理效果不理想,對穩定性系數提高不大的災害體。

(6) 削方坡頂或兩側有重要建(構)筑物,削方后對相鄰建筑物有不利影響的災害體。

(7) 削方量大,土石方在治理工程附近無合適的堆填場地,土石外運距離太遠,運輸費過高,治理工程性價比差的災害體。

(8) 削方后嚴重破壞當地居民賴以生存的土地及環境,造成大量居民和重要工程設施搬遷,對環境破壞影響大、難以恢復的災害體。

2 地質勘查要點

對于削方減載治理工程,應開展針對性的地質勘查工作,以滿足設計需要。對地質災害體的勘查宜分階段進行,各階段的勘查深度不同,針對性也不一樣。在地質災害調查及可行性論證階段,一般對削方減載方案開展少量針對性的勘查工作,為治理工程設計方案比選提供地質依據。在初步設計階段,削方減載作為推薦方案時,可結合地質災害體的勘查,對削方區進行初步勘查,為設計提供地質參數。在施工圖設計階段,除應對地質災害體進行詳細勘查外,還應根據削方方案對削方區及其影響區域進行詳細勘查。在施工階段,當工程地質條件復雜,詳勘階段難以查清;或因削方開挖發現土質、土層結構與勘查資料不符或有較大差異時,可進行專門的補充勘查。對于規模小、地質條件簡單、治理方案明確、治理工期短的災害體,也可根據實際情況簡化勘查程序或一次性勘查到位[3]。

在地質災害勘查中,一般是以所治理的災害體為勘查對象,其勘查范圍控制在所治理的災害體周邊一定范圍內。若采用削方減載方案,由于削方后可能使原災害體周邊形成新的暴露面,產生新的次生災害,原針對災害體的勘查范圍可能不包括或僅包括局部削方后誘發的新災害體范圍。因此,以削方減載為主要的治理工程措施,其勘查對象主要為削方部位、輔助支擋工程以及削方后可能在地質災害體周邊形成的次生災害體,其勘查范圍應在原災害體勘查范圍的基礎上,結合削方影響區或可能引發次生災害的范圍上適當擴大。其勘查工作除按災害體的勘查要求外,還應包括如下幾方面:

(1) 對削方可能引發的新災害體的勘查。主要是災害體后緣和兩側部位,要結合原災害體勘察資料進行分析后確定,同時在勘查過程中也應根據揭露地質條件、施工影響的范圍實時調整。

(2) 對削方減載中采取的輔助治理工程措施部位的勘查,如擋土墻支護輔助工程部位等。

(3) 對于特殊性巖土的地質災害地區,還應針對特殊性巖土進行針對性的勘查。

(4) 對棄土場、回填地段的勘查。

(5) 對削方施工過程中揭露地質條件與原災害體勘查資料不一致部位的施工(補充)勘查。

3 設計原則[4]

概念設計是戰略,具體設計是戰術,只要戰略方向正確,再采取合理有效的戰術,治理工程才能獲得成功。總體方案設計的正確與否,是決定治理工程是否成功的關鍵環節。對于削方減載設計,要確保總體方案設計方向的正確性,一般要遵循以下原則:

(1) 堅持方案綜合比選的設計原則。在調查、可行性論證階段勘查的基礎上,論證削方減載治理方案的可行性。一般地質災害防治工程有多種可選擇的防治方案,且各有利弊,要對各種方案進行綜合比選。作為削方減載方案,也同樣有多種形式,設計中宜提出多種治理方案供比選。是全部削還是局部削,是削填結合還是只削不填,是以抗滑樁、擋土墻等支擋措施為主、以削為輔,還是以削為主、輔以排水、支擋和坡面防護工程。擬定多種治理方案后,經過經濟、技術、施工可行性等方面論證,綜合分析后確定最終削方方案。總體方案確定后,設計中還要堅持循序漸進的原則,從整體到細部逐步優化,達到設計方案最優的目的。

(2) 堅持安全可靠的設計原則。設計的削方工程應不至引發新的災害,不能只重視所治理災害體的穩定性,而忽視了引發的新災害體的穩定性,不能只重視總體穩定而忽視局部穩定。若削方后可能伴生新的災害,則應保證其能夠采取經濟、有效的手段予以治理;同時,施工工藝流程也應有相應的控制措施,有時工程設計方案本身沒有問題,但施工措施不合理可能引發新滑坡、新崩塌,地質環境惡化。對削方后的棄土回填、堆放應合理選擇地點,不至誘發新的災害或環境問題。

(3) 堅持經濟合理的設計原則。有的災害體坡表原有耕地、林地,種植有果樹及其他經濟價值較高的農作物,清苗賠償費用高,果田園地削方后有時難以土地復墾、恢復耕種,給當地居民的生產生活造成影響;有的災害體削方后的棄土在施工區附近無場地堆放,若外運費用較高,設計過程中應考慮以上因素,盡量能夠保留原有的經濟作物或將損失降到最小。同時使削方后的棄土能夠得到合理利用,可作為回填壓腳、路基填筑及造地土源,若不能充分利用,則應盡量降低削方量。要圍繞治理的工程目標進行設計,不要一味地追求高指標,高指標帶來的是治理效果良好,但隨之造價也將增高。對于應急工程,其主要目的是延緩地質災害的發生或暫時減輕災害體的危害程度;而對于治理工程,是最終消除地質災害體的危險性,兩者目標不同,所采取的治理措施和投入也應區別對待。

(4) 堅持治理方案與環境保護相協調的設計原則。削方方案設計要堅持因地制宜,針對具體對象進行調查研究,不能生搬硬套現成原則、概念來處理問題,因地制宜的削方治理工程設計不僅能保障安全,也能夠降低造價、節約成本,獲得更好的經濟效益。削方工程對地質環境影響較大,可能帶來植被破壞、環境污染、水土流失等負面影響,有些地方當地群眾賴以生存的土地遭清除、水源遭斷流,有些地方自然景觀被破壞,還有的地方水利設施、交通設施可能受到影響;因此要將綠色、環保、和諧的理念貫穿設計始終,將治理工程帶來的負面影響降到最低,使削方治理工程與周圍的環境很好地融為一體,彰顯治理工程的科學性、藝術性和人文思想。

4 削方部位及削方量的確定[5]

合理確定削方部位及削方量是削方設計中的重要環節。削方部位及削方量的確定應同步進行,協調一致。

削方減載部位應根據地質災害體的類型、巖土物質組成與性質、地形形態、水文地質條件、結構面特征、穩定狀況、破壞模式等條件,結合削方減載的方式進行確定。削方部位一般選擇在滑坡、崩塌體的中、后部或主滑段。削方部位應選取代表性地質斷面進行試驗計算,通過計算下滑力與阻滑力來確定,根據推力曲線進行控制,在確定的推力區進行削方,不能在抗滑段進行削方。削方部位要依據地形條件順勢而為,若災害體后緣靠近坡體頂部,可由坡頂向下一并削方,由于削方后的坡角一般小于原始地形坡角,不會引發后緣坡體失穩;若災害體后緣位于滑坡體的中部,在后緣部位進行削方后,削方后的坡角一般大于原始地形坡角,可能造成后緣坡體上方產生淺層滑坡,這種情況在削方坡體后緣削方是不合理的,只能考慮其他削方部位(中后緣的地形凸起部位),采取其他治理工程措施或對后緣邊坡進行防治[6]。削方部位要盡量避開果園等經濟作物、重要建(構)筑物、道路工程、排水工程等地段,既可選擇一個部位,也可選擇多個部位進行削方;同時要考慮施工的方便性。有些部位是不能進行削方的,例如滑移線路是彎曲型的滑坡,不能在彎曲隆起部位進行削方[1],巖層結構面變化大,削方后致使深部巖層形成順向坡,可能發生順層滑動、潰曲破壞的部位。削方后使新坡面暴露出原來已存在軟弱結構面,且破壞了原有穩定狀態,可能造成沿軟弱結構面產生滑動的部位。

削方量的大小應根據災害體防治工程安全系數確定。削方量與穩定性增高有著相關關系,一般來說削方量越大,穩定性越高;但要考慮方案的性價比,要以穩定性驗算為依據,確定最合理削方量,既滿足設計要求又要經濟合理[7]。若削方能夠得到有效利用,削填平衡是最為理想的選擇,既降低了抗滑力,又增加了阻滑力,此時削方量是最小的,應經過反復的試算和對比,最終確定削方量。設計時應避免進入減重就一定能增加穩定性的誤區,若削方部位和方式不合理,有些削方并不能增加穩定系數;若采用不同的削方方式或削方部位,削方所取得的效果截然不同。下面對兩個典型滑面形態削方部位及削方量進行分析探討。

(1) 滑面為單一平面的滑坡(圖1)。為了增加滑體ABC的穩定性,采取了削方減載的治理措施,治理時按方案a的削方減載方式對BCD部位進行了削方處理,其削方前及削方后滑坡的穩定系數*本文公式中,k1為削方前滑坡體穩定系數;ka、kb、kc為削方后滑坡體穩定系數;φ為滑面的內摩擦角(°);c為滑面的粘聚力(kPa);θ為滑面的傾角(°);γ為滑體的重度(kN/m3);V為滑體的體積(m3);l為滑面長度(m)。如下:

圖1 單一滑面的滑坡削方減載示意圖Fig.1 The landslide with single slip surface scaling schematic diagram

故k1=ka。

可見采用削方減載方案a,削方前和削方后災害體的穩定系數相等,災害體的穩定性并未提高。分析其癥結所在,主要是削方部位和削方方式不正確,這樣的減載方式既降低下滑力,又同步使抗滑力下降。減載最好的方式是既降低下滑力,又能增加抗滑力。若增加不了抗滑力,也應在降低下滑力的基礎上,保持下滑力不變,或者使抗滑力相比下滑力減少所占的比例要低。

上述滑坡若采用圖1中削方減載方案b的削方方式,即沿BB′C或BB′D′C進行削方,削方時降低滑體h高度,才能使滑體下滑力較抗滑力減少所占的比例高,從而提高滑坡的穩定系數。

沿BB′C削方時:

沿BB′D′C削方時:

可見沿BB′C削方與BB′D′C削方其穩定系數相等。

與削方前或削方減載方案a的穩定系數相比,因lB′E′k1及kb>ka。

上述滑坡若采用圖1中減重方案c的削方方式,沿ABB′進行削方時,使滑體前緣坡面的坡率減小,有利于滑體局部穩定性;同時,整體上降低了滑體重量,提高了滑坡整體穩定系數。

沿ABB′削方時:

與削方前或削方減載方案a的穩定系數相比,因lB′E′k1及kc>ka。

(2) 圓弧形滑動的滑坡(圖2)[8]。圓弧形滑動的滑坡為提高穩定系數,擬采取削方減載方式進行治理,在減載重量相同的條件下,分別采用了三種削方減載方案,但獲得的效果并不相同。假設該滑坡削方減載后抗滑力矩不變,減載方案A與減載方案B相比,由于減載方案A的卸荷體重心較減載方案B更加遠離滑弧圓心,其卸荷的合力力臂大于減載方案B,使得其減少的滑動力矩要大,故減載方案A優于減載方案B。若減載方案B向減載方案C演變,雖然減載重量相同,但減載部位位于坡腳處,在坡腳附近進行挖土,將造成滑動力減少不多,抗滑力減少卻很大,不但不能增加滑體的穩定系數,還可能使穩定系數降低,這種方案得不償失。

圖2 圓弧形滑動的滑坡削方減載示意圖Fig.2 The landslide with circular slip scaling schematic diagram

以上列舉的削方減重方案還未考慮地下水的條件及其他因素,若有地下滲流等不利因素影響,情況將更加復雜,有時確定的削方方案不但不能提高滑坡穩定系數,還可能降低滑坡穩定系數;因此,在選擇削方部位時,要綜合分析,慎重對待。

5 治理效果計算分析[9]

削方減載設計中對原災害體整體穩定性的計算,是對減載后災害體穩定性的一次驗算復核過程,而不是重新建立模型、采用新的方法再次進行計算。對削方減載后災害體整體穩定性進行驗算復核,其計算方法、工況以及計算斷面應與原勘查設計形成一致,而不能重新采用其他方法或新的設計工況、重新擬定計算斷面進行計算,否則,兩者無可比較性,其穩定性的提高沒有比較的基礎。對其穩定性的復核,還可結合現場實際情況,擬定施工階段或其他組合情況作為校核工況進行驗算。對削方減載后削方部位的邊坡局部穩定性及原災害體周邊產生新的次生災害體穩定性計算,其工況也應保持一致,計算方法根據情況而定,若條件近似,宜與災害體整體穩定性計算采用相同的計算方法。

由于削方卸荷后應力條件的改變,清除坡面復蓋,改變降水入滲條件(短期內又難以全面恢復),或削方回填造成地表排水環境改變,均可能造成災害體巖土參數的變化。在削方減載后災害體整體穩定性驗算復核中,若采用原地質災害體勘查成果提供的相關參數進行驗算復核,則可能存在安全風險,建議根據實際情況結合地區經驗對原勘查提供的相關計算參數進行核查后取值。

6 動態設計

動態設計對于削方減載治理工程是重要的,也是必要的。削方工程施工過程中通過對地質條件的再認識、應用監測結果進行檢驗校核,可對原設計方案進行補充完善和修正。一方面要加強地質條件的檢驗復核。由于地質災害體所處地質環境條件的復雜性,即使削方減載設計前進行了詳細的調查、測繪、勘探,在開挖施工過程中仍然可能會出現與原勘查結果不一致的情況。削方工程一般比較直觀,在施工過程中應及時觀測、描述開挖后所揭示的地質現狀,對比原地質勘查和設計資料,檢驗校核設計與施工參數。另一方面要加強災害體的監測工作。及時反饋監測信息,不能只重視勘察設計中災害體穩定性計算結果而忽視后期的監測結果。有些項目就是因為不重視監測數據,或監測數據反饋信息不及時、不迅速,治理過程中不能及時調整設計,本來可以避免的事故沒有得到及時處置,從而導致了地質災害的發生。削方施工過程中受氣象、施工工序等影響較大,通過監測可及時發現問題并調整設計和施工方案,指導后續施工。

7 結語

削方減載治理工程設計是一個循序漸進的過程,首先要正確做好概念設計(總體設計),在此基礎上,進一步細化局部和輔助工程設計,做到宏觀控制、局部補充完善,設計方案才能安全可靠、經濟合理,達到徹底根治地質災害的效果。

[1] 徐開祥,黃學斌,付小林,等.滑坡及危巖(崩塌)防治工程措施選擇與工程設置[J].中國地質災害與防治學報,2005,16(4):130-134.

[2] 馮棟棟,易萍華.滑坡治理措施淺析[J].山西建筑,2008,34(7):127-128.

[3] 中華人民共和國國土資源部.滑坡防治工程勘查規范:DZ/T 0218—2006[S].北京:中國標準出版社,2016.

[4] 劉傳正.論地質災害防治的科學理念[J].水文地質工程地質,2013,40(6):1-7.

[5] 三峽工程庫區地質災害防治工作指揮部.三峽庫區三期地質災害防治工程設計技術要求[R].宜昌:三峽工程庫區地質災害防治工作指揮部,2005.

[6] 劉廣潤,馬霄漢.湖北省三峽庫區二期地質災害防治工程概述[C]//王國耀,胡燦.湖北省三峽庫區地質災害防治工程論文集.武漢:湖北人民出版社,2002.

[7] 趙能浩,易慶林,胡大儒.基于數值模擬的滑坡削方回填治理效果分析[J].中國地質災害與防治學報,2015,26(1):31-36.

[8] 李廣信.注冊巖土工程師執業資格考核專業考試考題十講[M].北京:人民交通出版社,2014.

[9] 門玉明,王勇智,郝建斌,等.地質災害治理工程設計[M].北京:治金工業出版社,2011.

(責任編輯：陳姣霞 費雯麗)

Several Problems Needing Attention in Landslide Scaling Engineering Design

LI Aijun,LUO Shunlin

(TheInstituteofHydrogeologicandEngineeringGeologicalofWuhan,HubeiProvinceGeologicalSurvey,Wuhan,Hubei430051)

Landslide scaling is a common engineering method to prevent and control geological disasters.On the basis of summing up the previous engineering experience,the paper discusses some problems that should be paid attention to in landslide scaling engineering design,which are applicable conditions for landslide scaling,geological survey keys,design adherence principle,design of cutting part and cutting volume,checking method,dynamic design requirements and so on,and puts forward the relevant suggestions to provide reference for engineering design to prevent and control geological disasters.

geological disaster; landslide scaling; geological survey; control engineering design

P642; P694

A

1671-1211(2017)05-0593-05

2017-05-18;改回日期2017-09-04

李愛軍(1974-),男,高級工程師,水工環專業,從事巖土工程勘察工作。E-mail:850676349@qq.com

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.P.20170824.1748.032.html數字出版日期2017-08-24 17:48

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.05.018