锚拉抗滑桩在滑坡治理中的应用

锚拉抗滑桩在滑坡治理中的应用

抗滑桩技术是一项历史悠久、成熟的技术。它在国内外许多重要工程中得到了成功应用，结果表明了其应用价值和安全性。输电线路工程跨越地貌单元广,遭遇地质灾害的可能性更大,由于铁塔所在场地的特殊性,地质灾害的发生通常具有类比连续性、易发性、小规模性等特点,同时,山区地段输电线路,施工机具设备等进场受到较大的制约性,因此,须采取针对性措施对铁塔一定范围内受地质灾害威胁的地段进行治理。本文针对四川山区滑坡的特征,以四川东滨—石棉220kV线路N20号塔位滑坡治理为例,对滑坡形成的陡峻边坡中采取半坡锚拉抗滑桩的方式对滑坡进行治理以确保塔位的安全,对于该类地区输电线路地质灾害治理设计经验的总结和推广具有积极意义。1大悬索坡体及坡体东石220kV线路于2004年设计,2005年投运,至今已运行近8年。2013年7-9月期间石棉地区多地发生强降雨气候,受暴雨影响,该线路N20号铁塔下坡侧发生了大面积的滑坡,滑坡后缘陡坎距塔位最近仅5m,对输电线路安全运行构成威胁。N20号塔位于山顶缓坡平台边缘,整体上呈微凹槽状,下坡侧整体上呈45°斜坡下倾,为河谷所切割,上坡侧坡度较缓,延伸至山顶,整个坡体自河谷坡脚至山顶平台高差约180m。斜坡中部为213省道横穿,坡脚至河谷陡倾。滑坡平面形态呈锲形条带状,后缘呈圈椅状。该滑坡纵向长约72m,横向宽25~28m,滑坡面呈契形条带状,滑坡前缘、后缘高程约为1950m、2005m,相对高差50~55m,滑坡体平面面积2356m2滑坡区滑坡体及滑坡面的主要成因分析经现场踏勘调查和地质钻探,N20号塔位下坡侧滑坡的形成是受地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质条件、水文气象以及人类工程活动影响等因素共同作用的结果。以下根据各种影响因素对滑坡成因进行分述。首先,陡峭的地形、覆盖层松散碎块石堆积体以及下伏的强风化软质岩体是滑坡形成的内在条件。滑坡体原始地面坡度普遍在45°左右,尤其是在上坡侧坡度逐渐增大,最大达到55°左右;坡面覆盖层以松散含粘性土碎块石为主,厚度一般2~5m,该地层在雨水冲刷、渗入条件下力学性能急剧降低,极易垮塌;坡体岩性为千枚岩,该岩体产状陡倾,节理裂隙发育,强风化层厚度一般大于5m,且基岩面由西向东逐渐下倾,在滑坡中部向东部已鲜见露头,该岩体强风化层抗剪切能力较差。其次,人类工程活动即公路开挖形成临空面是滑坡形成的起始条件。213省道横切斜坡中部,也即滑坡前缘,在该道路修建过程中,大面积开挖坡脚,由于深厚坡面松散堆积体及碎裂岩体受到扰动,在开挖之后形成的临空面最高达到8m,一般高度为3~5m,由于松散堆积体在水流冲刷之下抗剪强度急剧减弱,堆积体极易垮塌。最后,暴雨长时间侵袭坡体是该滑坡大面积垮塌滑移的诱发因素。2013年7月石棉地区发生强暴雨,降雨强度达到20年一遇,时间延续长,密度大。同时,根据调查了解,原始斜坡中部发育一条隐形冲沟,致使坡面呈微凹形态,因此,上坡侧雨水大多汇入坡体中部冲沟,部分沿坡面向下冲刷,部分沿覆盖层孔隙下渗,一方面导致坡体土层重度增大,另一方面则致使土层抗剪切能力降低,同时还造成坡内渗流动水压力增加。据踏勘调查,在坡面中部探坑揭露,滑坡堆积层与原状土层接触地带有渗水现象,同时,在滑坡前缘滑坡堆积层几近呈饱和状态,以上现象充分说明滑坡体及滑坡面受雨水影响的程度。根据塔位滑坡形态和坡面特征,可将其分为四个区:滑坡堆积区,滑塌完全区,滑塌不完全区,潜在威胁区。(1)滑坡堆积区:该段边坡自坡脚(公路为界)至坡上高程1775m左右止,相对高差约25m,自然形态呈三角形,坡度30°~35°,为滑坡物质形成的堆积体。该区堆积体厚度2~8m,随高度增加厚度减小。(2)已滑塌区:该段边坡位于滑坡中段,高程1860~188m,相对高差约27m。坡体整体呈两翼状展布,向中间倾斜,坡度一般45°左右。该段坡体现在处于稳定状态,在不扰动坡脚的情况下,同时做好坡上部排水措施,该区边坡稳定。(3)未完全滑塌区:该段边坡位于滑坡上段,高程1887~1200m,至滑坡壁坎脚止,相对高差约13m。坡体整体上呈凹槽形,坡体表面为原斜坡滑塌堆积,厚度3~6m。该区从形态上看,由于堆积物质经前次滑动已扰动,滑动面深度3~5m,从坡脚探槽揭露显示,坡内有渗水流出。(4)潜在威胁区:该坡段为滑坡壁后缘坎脚至塔位平台一段,高程1296~1210m,相对高差最大约14m,整个坡体滑坡壁陡坎斜坡和自然坡面陡坡两部分组成。该坡体现在处于稳定状态,但由于坡面陡峻,且下部为滑壁切割成近于直立状,当滑塌不完全区发生进一步垮塌之后,滑壁将继续深切,从而导致该坡体高度增大,边坡应力逐渐下移集中,同时在下部垮塌体的带动下,坡脚支撑减少,最终可能致使新的滑坡形成,从而威胁塔位场地稳定。综上所述,该滑坡在公路开挖切割坡脚之后,坡面松散堆积体由下自上逐渐垮塌,通常是下部土体滑塌之后,上部土体失去支撑而向下滑塌,为典型的牵引式浅层滑坡,2013年暴雨期的大量水流加剧了滑体下滑动力,致使中下部坡面基本滑塌完全,上部形成圈椅状未完全滑塌区,在塔位至滑坡后缘顶部间形成10~12m的高陡边坡。由于未完全滑塌区主要由已滑移土层组成,预计在下一个暴雨期,堆积层将继续滑移,致使滑坡壁向下深切,滑坡后缘可能继续向潜在威胁区发展,从而直接威胁塔位场地。3滑塌变形发生的原因东石线N20号塔位下坡侧滑坡产生变形滑动的主要原因除本身所处的地质环境条件控制外,降雨、人工开挖坡脚则是其产生滑塌变形的主要诱发因素。由前所述,滑坡体主要由四个部分组成,其中未完全滑塌区和潜在威胁区对滑坡的稳定性及其对塔位场地的影响起控制作用,因此我们以下主要对该两部分边坡稳定性进行计算。3.1土层稳定性计算根据《滑坡防治工程勘查规范》的相关要求,采用基于极限平衡理论的传递系数法对该滑坡的整体稳定性进行定量分析计算;对于碎块石土层内部浅层稳定性定量评价则采用圆弧滑动法进行最不利滑面自动搜索。对可能在暴雨或地震工况下发生滑移失稳的边坡作为最不利工况,本次边坡稳定性计算采用理正岩土计算软件6.0版进行,计算模型为根据滑坡典型纵剖面线简化所得,对各种可能滑塌形式进行计算。3.2滑坡地层抗剪强度参数取值本次勘察设计参照本工程东滨—石棉220kV线路、洪一—大金坪—石棉220kV线路及其它水电站等工程地质报告中的相关岩土参数,结合地区工程经验,并通过恢复滑坡发生前的地形及降雨状态进行参数反演,其中反算剖面选取1-1’、2-2’剖面(图1、图2),综合确定滑坡堆积体、原状碎块石土层及强风化千枚岩等地层抗剪强度参数取值。通过以上两个剖面恢复原始地面进行反算,假定稳定性系数为0.95~1.0,计算得出坡体岩土层抗剪强度参数,并综合其它工程经验得出滑坡体各岩土层物理力学参数值见表1。3.3滑斜体稳定性的计算对该滑坡体进行稳定性计算,分别选取滑坡体未完全垮塌区和滑坡壁后侧边坡进行计算,见图3。3.3.1滑动法和折线形滑动法计算由于未完全垮塌体已经滑动,土层较松散,因此首先对该坡体进行定量计算,并分别采用折线形滑动和圆弧滑动法两种方法,计算成果见表2。由以上计算结果看,未完全垮塌区边坡在天然状态下处于基本稳定状态,但在暴雨期间,尤其是长期降雨状态下处于极不稳定状态,进而滑坡后缘陡壁临空面将可能继续向下深切发展。3.3.2整体稳定性计算结果滑坡堆积体下部为中密状碎块石土,下伏基岩,由于坡体整体较陡,水流渗入下部的可能性较大,上部的垮塌可能带动下部土体的滑动,因此以下对该部分边坡进行整体稳定性进行计算,计算成果见表3。由以上计算结果看,滑坡体下部边坡在天然状态下处于稳定状态,在暴雨期间,尤其是长期降雨状态下处于不稳定状态,可能形成蠕滑状态,或由浅层垮塌向深部发展的可能,由计算简图可知,其后缘拉裂面位于现在滑坡后缘陡壁坡脚处,从而导致滑坡后缘陡壁临空面继续向下深切发展,进而导致后壁边坡坡脚失去支撑。3.3.3滑壁后期边坡稳定性分析塔位场地的稳定性主要受滑坡壁后侧边坡的安全性制约,也是本次治理设计的重点地段,取剖面1-1’中滑壁后侧边坡分部进行稳定性核算。采用圆弧滑动法进行计算,对预测地面后滑壁后侧边坡整体稳定性进行验算,并计算滑壁坡脚土条块最大剩余推力,在计算剩余推力时取F由以上计算结果看,滑壁后侧边坡在暴雨状态下整体上处于基本稳定状态,其后缘拉裂面可能发生在塔位后侧,滑壁坡脚土条块剩余推力较大(不考虑前侧土体主动土压力作用),N20号塔位距离坡顶边缘约5m,因此,必须对该边坡进行治理。3.4暴雨工况分析通过前述章节对滑坡体及滑坡壁后侧边坡进行的局部及整体稳定性计算,N20号塔位滑坡稳定性主要受未完全滑塌区稳定性控制,该滑塌体在暴雨工况下将极容易发生进一步滑塌,由于该滑坡为牵引式滑坡,因此将对滑壁后侧边坡造成影响。从计算结果来看,(1)未完全垮塌体边坡处于不稳定状态,在暴雨工况下极有可能继续发生新的滑塌,其后缘拉裂面位于滑壁后缘坡脚处;(2)滑坡体至塔位后侧边坡在暴雨工况下整体上呈基本稳定状态,滑体剪出面为滑坡体中部基岩出露处,后缘拉裂面处于塔位场地中间;滑壁后侧边坡现状为稳定状态,应力集中在滑壁坡脚处,在暴雨工况下基本稳定,但当未完全垮塌体继续发展之后,其稳定性急剧降低,其后缘拉裂面在坡顶上侧约3m处。根据以上分析结果,本次治理方案将主要致力于稳固滑壁后侧边坡,而未完全滑体边坡后缘拉裂面为滑壁坡脚处,滑壁后侧边坡最大应力也集中在该地段,同时,该区土体松散,坡度陡峻,施工难度较大,人为清理也存在公路行人和车辆安全问题。因此,我们考虑在滑壁区范围内采取加固措施。4工程处理设计4.1治理目标分析针对N20号塔位下坡侧滑坡后缘已形成3~5m的滑坡壁,为新的临空面,滑坡壁下侧未完全垮塌区稳定性极差,当该区进一步滑塌之后,临空面高度将继续增大,其后侧陡坡将可能向坡上侧塔位方向发生新的垮塌,进而直接威胁塔位场地,故必须采取相应的工程治理措施才能保证塔基的安全。根据前面章节边坡稳定性分析表明,控制塔位安全的关键在于滑坡壁与塔腿之间边坡的稳定性。但本次滑坡所形成的滑壁临空面最大已经达到5m,且当未完全滑塌区堆积体进一步垮塌时,该临空面将继续向下深切,从而形成新的后壁高边坡。因此,本次治理工程目标为:假设未完全垮塌区已完全滑塌,即不考虑该区滑坡堆积体对后侧边坡的反压作用,对新的滑坡壁后侧边坡进行加固治理。治理范围为垂直滑坡方向向滑坡两侧边缘各延伸1m,宽度约30m。本次治理方案最后确定为:(1)在滑坡壁后缘采用锚拉抗滑桩措施,以防止边坡深层滑移的可能;(2)对滑壁后缘上部陡坡采用锚杆格构梁支护,以防治上部陡坡发生浅层滑塌的可能;(3)在塔位上坡侧修筑环形截水沟,以截断上坡侧地表水继续向滑坡体内冲刷。4.2管理方案的制定4.2.1桩身长度及锚索布置根据1-1’剖面图,滑壁后缘至塔位平台的边坡为1198.5~1210.5m,相对高差约12m,呈折线形下陡上缓,其中下部陡坡为滑坡壁切割形成,由于未完全垮塌区堆积层厚度约5m,故可对该段边坡按照人工开挖边坡考虑,坡脚高程1193.5m,最大相对高差约17m,塔基距离坡顶边缘约5m。在滑壁后缘沿近等高线方向向滑坡两侧边缘共布置抗滑桩7根,自西至东各桩编号分别为Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6、Z7,其中Z1号桩长12m,截面尺寸1.5×1.5m,Z2号桩长16m,截面尺寸1.5×1.5m,Z3、Z4、Z5、Z6号桩长20m,截面尺寸1.8×2.0m,Z7号桩长18m,截面尺寸1.8×2.0m,桩间距4.5m,两侧间距5m,桩顶高程统一为1202.5m,外露地面(按桩外坡侧起算)1~5m。桩体为矩形,采用C30砼浇筑,桩间采用厚30cm钢筋混凝土板连接,桩外露地面部分采用0~2束锚索锚固,锚索长度15~20m,倾角15°,自桩顶以下1m布置,间距3m,每束锚索施加预应力400~550kN。具体设计参数见表5-表7。4.2.2抗滑桩体边坡支护措施根据1-1’剖面图,滑壁后缘经锚拉抗滑桩支护之后,桩顶高程为1202.5m,至坡顶仍为高8m、坡度45°的陡坡,该边坡为土质边坡或碎裂岩体边坡,经前面章节对该段边坡进行稳定性计算时,稳定性系数较低,为防止坡体从抗滑桩桩顶以上剪出,考虑对其进行锚杆格构梁支护措施。该边坡高度8.2m,坡面纵向长8.8m,坡脚为桩顶平台,坡面横向宽度约26m,设置3排16列共46根锚杆,锚杆长度6m,倾角15°,全长粘结,锚固土层为稍—中密碎块石层,坡面铺设250mm×250mm格构梁,格构梁交点为锚杆锚固点,格构梁嵌入坡面,中间撒种草籽恢复植被。4.2.3截排水措施设计滑坡体塔位正下方,由于原坡面中间有一条隐形冲沟,其上坡侧水流大部分都汇入冲沟内,滑坡形成的诱发因素主要为暴雨侵袭,坡面形成汇流冲刷坡面松散土体,同时水流