順層變質巖坡穩定性評價與生態治理方案

祝威, 陳旭勇*, 康欽容, 董杰華

(1.武漢工程大學土木與建筑工程學院, 武漢 430073; 2.武漢工程大學資源與安全工程學院, 武漢 430073)

鄂西北山區廣泛出露以板巖、片巖和千枚巖為主的軟變質巖區,因受復雜地質構造和高溫高壓變質作用影響,其巖體往往板(片)化嚴重,各項異性特征明顯,且巖性軟弱,抗風化能力差,遇水易泥化、弱化和崩解,當受切坡建房、道路修筑等人類工程活動以及降雨影響時,極易產生滑崩地質災害,是地質災害多發區和重災區,據統計,至2019年僅十堰市已查明各類地質災害隱患點約5 188處,其中滑坡和崩塌災害占比高達83.9%,威脅人口有20余萬,資產近百億[1],因此,開展變質巖地區滑崩地質災害防治工程研究具有重要的實際意義。

通過文獻檢索,目前中外學者對鄂西北變質巖區有關地質災害防治工程方面的研究資料極少。邵勇等[2]研究了十堰鄧坪滑坡的微觀特性、物理特性、力學和水理特性,得出了全巖礦物與含量以及物理力學參數,同時提出了相關防治措施建議。李志剛[3]研究了十堰市堵河流域變質巖工程特性、地質災害類型、形態規模特征、變形破壞模式、影響因素及其致災作用,揭示了變質巖工程特性與地質災害之間的成生關系。另外,周大華等[4]在現場調查的基礎上,研究了鄂西北地區公路片巖邊坡變形破壞模式及失穩機制,提出了相應的治理措施?？禋J容等[5]采用極限平衡法和數值模擬分析了某高速公路順層滑坡穩定性,并根據滑坡特征與穩定性計算結果,提出了采取以放坡法、排水法、支擋法為主,并輔以錨固法、注漿法的綜合治理措施建議。蔣先念等[6]研究了三峽庫區典型順斜向巖質滑坡的變形破壞特征及失穩機制,提出了搬遷避讓、工程治理、專業監測的綜合防治對策。在以往地質災害治理實踐中,人們往往只注重對地質災害體安全隱患的消除,而對治理后的生態環境綠化和可視效果重視不夠,工程治理后往往留下與周邊自然生態環境極不協調的“工程痕跡”。隨著中國生態文明建設的不斷深入,地質災害的治理理念也必將由傳統單純的“工程治理”逐漸向融合自然環境的“生態治理”方向轉變。

基于此,現以竹山縣某中心幼兒園北側三用塘順層變質巖不穩定斜坡為研究對象,通過現場勘測與變形破壞特征分析,深入揭示順層變質巖坡可能的破壞模式、影響因素及成因機理,并對其穩定性進行分析計算,同時提出將地質災害防治與生態環境綠化、美化有機融合的生態治理方案,進而達到探索和推進地質災害生態治理新模式的目的。

1 自然地理概況

1.1 氣象與水文

本區地處亞熱帶濕潤季風區,冷暖多變,年均氣溫10.2～15.6 ℃,極端最低氣溫-9.9 ℃,極端最高氣溫43.4 ℃。年均降水量905.2 mm,降雨一般集中在5—9月,占全年降雨量65.2%。年均相對濕度73%,無霜期154～250 d。區內河流縱橫交錯且落差大,地表水網發育。境內最大河流為堵河,流量隨季節變化大,其他河流均屬堵河干流水系。

1.2 地形地貌

本區地處大巴山與武當山之間,屬構造侵蝕、剝蝕中-低山地貌,地形起伏大,溝谷發育,山地面積約占總面積的87%,地形坡度一般35°～60°,局部陡峻,地表自然植被茂密。

1.3 地層巖性

區內地層結構簡單,主要由第四系和古生界寒武系竹山組地層組成。其中第四系零星分布于山體斜坡或沖溝地帶,以粉質黏土、碎石土為主,結構松散,力學強度低;寒武系竹山組廣泛分布,巖性主要為板巖、片巖和千枚巖變質巖系,地表出露巖體多呈強風化～中風化,屬易滑崩巖組。

1.4 地質構造

本區位于秦嶺緯向構造帶以東,武當山背斜南緣,區域構造作用強烈,斷裂構造發育。擬治理區附近較大的斷裂為竹山斷裂和竹坪-九華斷裂。受區域構造擠壓揉皺影響,巖體節理裂隙發育,抗風化能力弱,構造板理、片理化嚴重。區內地震動峰值加速度0.10g(g為重力加速度),地震基本烈度Ⅶ度。

2 斜坡體基本特征

2.1 形態與規模

三用塘不穩定斜坡平面上總體呈南北向長條形展布,走向長125 m,傾向斜長50 m,剖面形態下陡上緩,分布高程+446～+473,總體坡向265°。坡腳位置因早期建房切坡,形成了一個長125 m,高3～18 m的人工切坡面,切坡坡度70°～80°,局部近直立。不穩定斜坡面積4 300 m2,潛在崩塌體厚度3～8 m,體積約2.15×104m3。斜坡體形態特征如圖1所示。

圖1 不穩定斜坡形態Fig.1 Shape of unstable slope

2.2 工程與水文地質

三用塘斜坡體為巖質不穩定斜坡,基巖裸露,地層巖性為寒武系竹山組(∈1O1∧Z)泥質板巖,灰黃色,板狀構造,板理面產狀238°∠60°。根據板理面與坡面的組合關系,該不穩定斜坡為順向坡,對斜坡巖體的整體穩定性構成不利影響。斜坡出露巖體呈強風化～中風化狀,其中強風化層厚2～5 m,中風化層厚5～18 m,巖體強風化后錘擊聲啞,無回彈,遇水易軟化崩解,力學強度低,巖體基本質量等級為Ⅴ類,屬軟巖類巖體。受區域地質構造影響,斜坡巖體節理裂隙發育,主控節理裂隙2組:L1產狀134°∠83°,3～4 條/m,延伸5～8 m,閉合～微張,泥質充填;L2產狀142°∠35°,4～5 條/m,延伸4～12 m,閉合～微張,泥質充填。受斜坡地層巖性及結構面控制,該不穩定斜坡工程地質特性總體較差。斜坡地層巖性特征如圖2所示。

圖2 地層巖性特征Fig.2 Characteristic of formation lithology

斜坡體地下水類型為基巖裂隙水,主要賦存于基巖地層的節理裂隙中,富水性相對較弱,坡體內無地下水出露,地下水來源為大氣降雨入滲補給,水文地質條件簡單。

2.3 變形破壞特征

因早期建房切坡等原因,三用塘不穩定斜坡自2011年以來曾發生多次大小不等的斜坡滑崩變形破壞,并造成學校食堂、停車場等建筑物損毀,幸免未造成人員傷亡。同時在斜坡體后緣引發多條拉張變形裂縫。特別是近年來,受極端降雨、干濕等氣候條件影響,該斜坡體不穩定程度有逐漸加劇趨勢。斜坡體近期變形破壞并造成校舍損毀情況如圖3所示,早期變形破壞情況如圖4和圖5所示。

圖3 近期變形破壞Fig.3 Recent deformation and failure of slope

圖4 平移式滑崩破壞Fig.4 Failure mode of plane sliping

圖5 不穩定塊體崩塌破壞Fig.5 Failure mode of unstable block collapse

3 破壞模式與成因分析

3.1 變形破壞模式

根據現場勘測,三用塘斜坡體主要存在以下兩種變形破壞模式[7]:一是沿優勢不利順層板理結構面發生平面滑移式滑崩破壞,以整體滑動為主,該破壞類型往往規模較大,具有整體性破壞特點;二是受巖體主控結構面與巖坡面控制發生不穩定塊體崩塌與落石破壞,該破壞類型一般規模不大,多以滾動和跳動運動方式向下滾落,一旦成災,往往造成嚴重的人身傷害。平移式滑崩如圖4所示,不穩定塊體崩塌如圖5所示。

3.2 成因機理分析

根據現場調查分析,三用塘不穩定斜坡變形破壞成因機理可歸結為以下幾個方面[8-9]。

(1)地形因素。治理區地形相對高差大,自然坡度較陡,場區具備發生山體滑崩與落石地質災害有利的地形條件。

(2)地質因素。治理區板理面產狀與山體坡向構成順向坡,且受區域地質構造作用與不利外部環境因素長期影響,不穩定坡體原生與次生風化、卸荷地質結構面發育,特別是組成該斜坡巖體為軟巖類,其抗風化能力弱,遇水易軟化崩解,從而為孕育和產生滑崩地質災害創造了有利的地質條件。

(3)工程活動。三用塘不穩定斜坡體因早期建房對坡腳切坡開挖,且切坡后未及時采取有效的工程加固與坡面防護措施。對坡腳開挖后,不僅大大地削弱了坡腳反向壓力,增大了斜坡體下滑荷重,而且所揭露的巖坡面和地質結構面更加有利于切坡巖體的風化和卸荷,從而導致或加劇該不穩定性的變形和失穩破壞。

(4)根劈作用。擬治理不穩定斜坡基巖出露,巖性軟弱,且巖體結構面發育,斜坡自然植被茂盛。當植物根莖沿巖體結構面逐漸生長和變粗,必將導致斜坡巖體結構不斷遭到破壞以及各類節理裂隙面的不斷擴張和延伸,同時也更加有利于地表雨水下滲,進而加劇或引發不穩定塊體與落石地質災害的發生,甚至影響斜坡體的整體穩定性。

(5)降雨因素。大量實踐表明,降雨是誘發不穩定斜坡滑崩地質災害的關鍵性因素。三用塘不穩定斜坡位于鄂西北山區,不僅降雨集中,雨季時間長,而且組成該斜坡巖體為易風化、易吸水軟化的軟弱變質巖類,當雨水下滲風化巖體及結構面后,必將增大斜坡巖體自身下滑荷重,降低巖體及結構面力學強度參數,同時在各類結構面內部還會產生靜水和動水壓力,特別當遭遇持續強降雨時,極易引發斜坡體滑崩地質災害發生。

三用塘不穩定斜坡滑崩地質災害的孕育與發生顯然是上述多種因素長期綜合作用的結果,其中地形、地質因素是內因,建房切坡、植物根劈及降雨因素是誘因,主導因素為建房切坡與降雨。由于組成斜坡巖體特殊的工程地質特性,也使得該處地質災害發生具有明顯的漸進式破壞特點,即每次滑崩發生后,將會導致斜坡巖體進一步卸荷和內部原生節理裂隙面的臨空暴露,然后經后期巖體風化以及降雨、凍融等不利環境因素反復交互作用,又會進一步孕育和產生新的一輪斜坡巖體滑崩地質災害。順層巖坡漸進式變形破壞過程的本質就是斜坡巖體力學性狀與參數逐漸弱化的過程[10-12]。三用塘不穩定斜坡變形破壞的成因機理如圖6所示。

圖6 漸進式變形破壞成因機理Fig.6 Genetic mechanism of progressive failure

4 穩定性評價

根據不穩定斜坡體可能發生的破壞模式,采用理論計算分析并結合現場宏觀地質調查對其進行穩定性分析與綜合評價。

(1)計算標準。依據相關規范,三用塘不穩定斜坡安全等級為一級,安全系數取1.35。計算工況分別按天然(自重)和飽水(自重+地下水)兩種工況分別計算。

(2)計算參數。依據地質勘查成果資料及反演分析,綜合確定不穩定斜坡穩定性計算巖體物理力學參數,如表1所示。

表1 不穩定斜坡穩定性計算參數

(3)計算原理。如前所述,三用塘不穩定斜坡主要存在沿順層板理結構面發生平面滑移式滑崩和沿主控節理裂隙面發生不穩定塊體崩塌兩種變形破壞模式。

平面滑移式破壞安全系數K為

(1)

式(1)中:W為滑體重量,kN;A為滑面面積,m2;c為黏聚力,kN/m2;φ為內摩擦角,(°);β為滑面與水平線之間夾角,(°);U為揚壓力,kN;V為靜水壓力,kN;E為地震力系數。

不穩定塊體崩塌破壞采用赤平投影分析。

(4)計算結果。根據式(1)與表1計算參數,對擬治理不穩定斜坡在天然和飽水兩種工況條件下發生平面滑崩破壞進行理論分析,計算結果如表2所示。

表2 平面滑移式破壞穩定性計算結果

主剖面(2-2′剖面)平面滑移式破壞計算模型如圖7所示。

圖7 平面滑移式破壞計算模型(2-2′剖面)Fig.7 Computational mode of plane sliping(2-2/section)

由平面滑動計算結果可知:該不穩定斜坡在天然和飽水兩種工況條件下分別處于基本穩定和不穩定狀態。

對不穩定塊體崩塌采用赤平極射投影分析[13],主控節理裂隙兩組L1和L2,其中L1產狀134°∠83°, L2產狀142°∠35°,L1、L2與巖坡面組合赤平極射投影結果如圖8所示。

圖8 赤平極射投影分析Fig.8 Analysis of stereographic projection

由赤平投影分析可知:L1、L2兩組主控節理裂隙與巖坡面組合后,其交線傾角比巖坡面傾角緩,則有可能沿斜坡面發生不穩定塊體崩滑破壞。

(5)綜合評價。根據現場地質調查,三用塘不穩定斜坡前期已發生多次規模不等的以局部變形為主的滑崩破壞,自然條件下總體處于基本穩定～不穩定狀態,與理論分析計算結果較為吻合,其安全儲備不足。特別是當進一步遭受巖體風化、強降雨等不利環境因素反復作用時,隨時有可能發生更大規模的滑崩變形破壞,其發展趨勢為不穩定。

5 生態治理方案

5.1 防治目標

首先完全消除三用塘不穩定斜坡滑崩與落石地質災害安全隱患,同時考慮該斜坡位于學校及鄉鎮主干道可視范圍,故還應充分考慮治理區生態環境景觀,進而實現地質災害治理與生態環境綠化、美化有機融合的生態治理目的。

5.2 防治方案與布置

(1)防治方案。綜合考慮三用塘不穩定斜坡穩定性評價結果、危害對象以及周邊環境狀況等,按照技術可行、經濟合理、環境美觀的地質災害生態治理理念,最終確定削方整形、護腳墻、格構錨固、截排水溝、生態綠化及監測綜合防治方案[14-15]。

(2)防治方案布置。為減少下滑荷重,首先對不穩定斜坡體進行削方減載并在其中部設置一級卸載馬道;沿斜坡體坡腳位置布設一道混凝土護腳墻,用以對切坡體坡腳進行支擋;對削方整形后的坡體進行格構錨固;為防止雨水沖刷,在不穩定斜坡外圍及馬道平臺內側各布設一條截水溝,然后通過跌水溝將地表雨水引入市政管網;為綠化、美化環境,對格構框架、馬道平臺以及坡底進行生態綠化;為隨時掌控治理后斜坡體的穩定性,采用專業監測與人工巡視對斜坡體進行效果監測。防治方案平面布置如圖9所示,典型剖面布置如圖10所示。

圖9 防治方案平面布置Fig.9 Plane location of prevention engineering

圖10 防治方案剖面布置Fig.10 Section location of prevention engineering

5.3 防治措施設計

5.3.1 削方整形

削方整形前對可能影響施工安全的坡面浮土、松石及不穩定塊體自上而下進行人工清除,然后按1∶1.2坡率對斜坡體進行削方減載與坡面整形,同時在+459 m高程設置一道寬2 m馬道卸載平臺。削方整形不僅可有效降低邊坡坡度,減少不穩定斜坡滑崩體荷重,而且還可對凸凹不平的巖坡面進行修整,進而為削方后的巖坡面布設格構框架梁和生態綠化創造有利于的地形條件。

5.3.2 護腳墻

為保護坡腳并美化環境,沿切坡體坡腳位置布設一道DT1護腳墻。護腳墻采用C25現澆混凝土墻體結構型式,墻高2.8 m,頂寬1.0 m,墻胸坡比1∶0.2,墻背垂直,出露地面1.5 m,埋深1.3 m。為排泄墻后積水,墻體設一排φ100 mmPVC排水管,間距2 m。擋土墻每10～15 m設置一條伸縮縫,縫寬20 mm,分縫處采用瀝青止水。

5.3.3 格構錨固

為解決易風化順層變質巖斜坡穩定性與坡面生態綠化問題,對削方整形后的坡面采用格構錨固進行坡體加固與坡面防護,即利用錨桿的錨拉、銷釘效應與格構框架梁的框箍效應對順層巖坡進行加固[16],同時在格構梁骨架內采用植生袋對坡面進行生態防護,進而限制順層巖坡與不穩定塊體的持續風化、松弛等漸進式不穩定變形趨勢的發展。

格構錨固框架梁采用C25現澆鋼筋混凝土結構,間距2.5 m,梁高0.4 m,梁寬0.3 m,受力鋼筋HRB400,箍筋HPB300;錨桿采用HRB400鋼筋布設于框架梁交叉點位置,M30水泥砂漿全長粘結,入射角15°。

1)錨桿參數計算

錨桿鋼筋截面積As的計算公式為

(2)

式(2)中:Htk為錨桿所受水平拉力標準值,kN;α為錨桿傾角,取15°;fy為錨鋼筋抗拉強度設計值,kPa;Kb為錨桿桿體抗拉安全系數,取2.0。

錨桿錨固段長度按式(3)和式(4)分別計算,然后取其大值。

(3)

(4)

式中:la為錨固段長度,m;d為桿徑,m;D為錨固段鉆孔直徑,取10 cm;n為錨桿根數,取1;K為錨桿抗拔安全系數,取2.4;Nak為相應于作用的標準組合時錨桿所受軸向拉力(kN);frbk為地層與錨固體黏結強度,取180 kPa;fb為砂漿與桿體黏結強度,取2.4 mPa。

根據計算,錨桿軸向拉力設計值P為174.7 kN,錨桿采用1根φ32HRB400鋼筋,長度7 m和9 m交叉布設,M30水泥砂漿灌漿。

2)格構梁內力計算

首先按Winkler彈性地基梁對格構縱、橫梁進行內力計算,基床系數取80 000 kPa/m,然后考慮格構橫梁因受植生袋順坡向均布荷載作用,再按連續梁對其進行內力計算,由計算可知,均布荷載q為13.2 kN/m。以橫梁內力計算為例,其計算模型分別如圖11和圖12所示。

圖11 彈性地基梁模型Fig.11 Elastic foundation beam model

圖12 連續梁模型Fig.12 Continuous beam model

根據計算結果,格構橫梁按彈性地基梁計算上、下部最大彎距分別為21.2 kN/m和52.8 kN/m,最大剪力為115.2 kN;按連續梁計算支座、跨中最大彎距分別為10.7 kN/m和5.9 kN/m,最大剪力為25.5 kN。據此,配3φ16HRB400+3φ20HRB400受力鋼筋,4φ14HRB400構造鋼筋,箍筋φ8HPB300@150。同理,可得格構縱梁配筋。

5.3.4 截排水溝

根據三用塘不穩定斜坡各治理區域承雨面積大小、降雨強度和匯流情況,經水力計算,在治理區外圍和護腳墻前各布設一道矩形截排水溝PS1和PS3,其中PS1斷面寬×高0.4 m×0.5 m,PS3斷面寬×高0.5 m×0.6 m,壁厚0.25 m,底厚0.3 m,C25現澆混凝土結構;在馬道平臺內側,利用格構底梁和護面墻構造一道磚砌體結構截排水溝PS2。PS1、PS2截排水溝攔截地表水后通過布設于不穩定斜坡體兩側的跌水溝DS1和DS2引排至坡腳消力池XL1和XL2,然后由PS3排水溝引至市政管網。PS2結構斷面如圖13所示。

圖13 PS2排水溝結構Fig.13 Structure of PS2 drainage ditch

5.3.5 生態綠化

綜合考慮三用塘不穩定斜坡生態環境破壞特征、周邊環境狀況及所采取的治理工程措施等,生態綠化采用“格構骨架植生袋植草+植生槽客土植草+孤植景觀灌木+下垂藤本植物”立面綠化方案,植物選擇原則是以地被植物、攀緣植物和低矮景觀樹木為主。

由于削方整形后的斜坡為巖質坡面,不僅相對高差和坡度較大,而且無植物賴以成活的土壤,保水性差,若直接覆種植土易遭受雨水沖刷,坡面長期生態綠化效果難以保證,因此,對削方整形后的格構錨固區采用PE纖維網植生袋客土植草綠化模式,植生袋規格60 cm×40 cm,袋內混裝種植土、復合肥及草籽,草籽選用黑麥草、高羊茅、百喜草混植,以達到與周邊生態環境有機融合。

為提升治理區生態綠化整體視覺環境,在馬道平臺和坡腳護腳墻前及墻頂部分別構造植生槽。其中墻前植生槽ZSC1利用PS3排水溝與DT1護腳墻構造;墻頂植生槽ZSC2通過在護腳墻頂部設置封邊墻并利用下坡段格構底梁構造;馬道平臺植生槽ZSC3采用下坡段格構頂梁與上坡段格構底梁構造。植生槽寬0.8～1.2 m,槽內客填40～90 cm種植土植草后孤植4 m間距常綠女貞等景觀灌木,同時在墻頂植生槽內條植野迎春、凌霄下垂藤本植物。護腳墻前、墻后以及馬道平臺植生槽結構分別如圖14和圖15所示。

圖14 護腳墻植生槽結構Fig.14 Structure of parapet wall vegetative groove

圖15 馬道平臺植生槽結構Fig.15 Structure of packway vegetative groove

5.3.6 監測工程

為隨時掌控治理后斜坡體變形發展趨勢與治理效果,確保治理工程安全穩定,采用專業和人工巡視監測方案對已實施的護腳墻、格構錨固等支護結構及斜坡體開展效果監測。根據斜坡體周邊環境條件與危害對象等,共布設三條監測剖面,9個變形監測點,2個基準點。監測平面布置如圖9所示。

6 治理效果評價

三用塘不穩定斜坡治理方案實施后,并經歷近兩個水文年的治理效果監測,各監測數據均在控制范圍內,表明治理后坡體處于穩定狀態。由此可見,該方案不僅完全消除了滑崩地質災害安全隱患,有效保護了全校300余名師生和2 000萬元資產安全,而且取得了良好的生態綠化與景觀效果,極大地改善了校園周邊視覺環境,達到了地質災害生態治理的目的。生態治理效果如圖16所示。

圖16 生態治理效果Fig.16 Ecological governance effectiveness

7 結論

(1)通過現場調查與勘測,查明了三用塘不穩定順層變質巖坡所處的地質環境背景、工程與水文地質條件、變形破壞特征以及危害對象。

(2)根據地層巖性、地質構造以及變形破壞特征,判明了該斜坡存在兩種變形破壞模式:一是沿優勢不利順層板理結構面發生平面滑移式滑崩破壞;二是受巖體主控結構面與巖坡面控制發生不穩定塊體崩塌與落石破壞,指出了影響其穩定性的主導因素為建房切坡與降雨,其次為地形、地質因素和植物根劈,同時深入剖析了順層變質巖坡漸進式變形破壞的成因機理。

(3)采用宏觀地質調查、赤平投影及極限平衡多種分析方法對不穩定斜坡的穩定性進行了分析計算與綜合評價,評價結果表明,該斜坡體處于不穩定狀態,有可能發生更大規模的滑崩破壞。

(4)根據穩定性評價結果、危害對象以及周邊環境狀況等,按照地質災害治理與生態修復并重的生態治理理念,提出了削方整形、護腳墻、格構錨固、截排水溝、生態綠化與監測等綜合防治措施。

(5)通過對本生態治理方案實施后的效果監測表明:三用塘不穩定斜坡滑崩地質災害安全問題不僅得到了根治,而且坡面植被長勢茂盛,長期綠化效果好,極大地改善了周邊可視環境,有機地將邊坡加固和生態綠化融合起來。

(6)本地質災害防治與生態綠化、環境美化融為一體的生態治理模式以及各類植生槽的構造方式對其他同類不穩定斜坡滑崩地質災害的治理具有可借鑒意義。