某填土边坡蠕滑变形机制分析

某填土边坡蠕滑变形机制分析

1成麻黄环网工程概况220kv盐津大厦位于云南省盐津县艾田市，距盐津县约11公里。是云南省昭通北部供电工程的枢纽供电。与220kv大型能源站和220kv镇雄能源站一起，形成了云南省通州北部供电220kv环网工程。这是一个重要的区域负荷供电枢纽。该工程于2004年11月动工,2005年3月完成场地平整,挖填方量总计约为15.2万m3。2005年7月18～20日,经过2d的强降雨后,场地北部填方边坡向北部临空方向发生蠕滑变形,导致变电所内毛石挡土墙拉裂,最大位移达20cm,同时位于边坡后缘的110kV构架基础下沉量达29cm。该边坡变形直接威胁220kV盐津变电所和110kV出线终端塔的安全,同时危及到坡体上10户农民的生命财产安全。2现场地质环境条件2.1坡体斜坡体一般特性变电所所址地处滇东北高原乌蒙山区,场地及其周围为强烈侵蚀切割的中高山峡谷地貌,地形复杂,切割强烈,山高坡陡。变电所场地位于高山峡谷区的斜坡地带。该斜坡总体为一倾向由NE向逐渐变化为正北向的斜坡体,场地依据坡体坡向大致可划分为北东面、北面两部分;北东面斜坡较平缓、开阔,坡向为N30°～40°E,地形高差为20～25m,地形坡度约为8°～10°;北面斜坡坡度陡、高差大,具有两侧地势稍高、中间低洼的特点,坡向大致为N5°E,地形高差为35～40m,总体坡度为10°～15°,呈多级台阶状地形,台阶高度多为1.0～3.0m,正是该斜坡发生了蠕滑变形(图1和图2)。2.2工地土及基岩场地现场勘测主要布置了13个钻孔和4个探井。勘测表明:场地岩土层主要由第四系松散堆积层和下伏基岩组成。第四系松散堆积层按成因可划分为(图3):(1)人工填土,浅黄-灰黄色,物质组成较单一,以粉质粘土为主,土质结构疏松,主要分布于变电所场地填方区;(2)耕植土,包括旱地耕植土和水田耕植土;旱地耕植土为灰黄色,主要为粉质粘土,结构疏松;水田耕植土为灰色,主要为粘土,土质均匀、细腻,土层状态为很湿、软塑;(3)粉质粘土,为褐黄-灰黄色,广泛分布于场地上部,土质不均匀,大部分地段含10%～15%泥岩、泥质粉砂岩角砾和碎石。以稍湿、硬塑-坚硬状态为主,局部为可塑状态,厚度变化大,为3.1～16.2m。基岩为上三叠统-下侏罗统香溪群一套粘土岩-碎屑岩岩性组合,根据岩性特点可划分为全—强风化泥岩和中—微风化细砂岩。全—强风化泥岩呈紫红色,岩质软弱,以土状为主,局部为碎石状,具有遇水软化成泥且强度迅速降低的特点。钻探成果表明,全—强风化泥岩仅分布在边坡凹地形,边坡前缘未见到此泥岩分布(图3)。2.3两组节理发育变电所所在区域上地处一轴向近EW的向斜南翼,场地基岩产状为340°～10°∠14°～25°,一般为350°～5°∠15°～20°。基岩中主要发育有两组节理,一组节理走向30°～50°,倾角陡立,一般>80°,节理面起伏、粗糙,一般无充填,中等风化,间距为0.2～0.7m;另一组节理走向为140°～165°,倾角陡立,一般>74°,节理面平直、光滑,一般无充填,少数为泥质充填,充填物厚度<1mm,中等风化,间距一般为0.3～0.8m。通过对两组节理相互交切关系的现场调查,上述两组节理应为一组共轭破裂面。2.4城市山下堆积物结构内第四系堆积物结构场地内地下水主要为第四系孔隙水。由于下伏全—强风化泥岩和中—微风化细砂岩渗透性低,而第四系堆积物结构松散、孔隙发育,接受大气降雨和农田灌溉补给,因而在全—强风化泥岩和中—微风化细砂岩上部的松散堆层中形成上层滞水,径流方向总体顺坡向,具迳流途径短、排泄迅速的特点。据钻孔和探井揭露,地下水位埋深为1～3m。2.5盐津地区时间地震分析场地及周围的新构造运动表现为地壳抬升、河流下切强烈,在地貌上表现为大关河干流阶地不发育,河谷多为“V”字型,支沟坡降大。从区域地震构造来看,场地位于NE向的华蓥山—莲峰断裂和NW向的荥经—马边—盐津断裂带的交汇部位,历史上地震频繁发生。最近一次地震为2006年7月22日09:10发生的MS=5.1盐津地震,极震区烈度为Ⅵ度。根据盐津5.1级地震烈度等值线,该次地震对220kV盐津变电所场地的影响烈度小于Ⅵ度。现场实地调查结果亦表明,该次地震对场地未造成任何宏观变形破坏迹象。3拉张裂缝—边坡变形特征从边坡宏观变形迹象来看,主要表现为:在边坡后部发生挡土墙拉张和沉降变形、110kV构架基础下沉,在边坡前缘陡坎出现小规模坍塌和基岩块体崩塌。边坡位于场地北面,具有两侧地势稍高、中间较低的凹形地貌特征(图1、2)。由于边坡后部东南侧变电所场地平整进行填方,致使变电所内挡土墙出现拉张和沉降变形(图4a),最大错距5～8cm,同时110kV构架基础下沉,边坡后缘出现贯通性拉张裂缝,该裂缝在变电所场地内走向由近EW向逐渐转为NE向,呈弧状,长约50m,最大宽度20mm,构成了边坡蠕滑变形的后缘边界。同时,所外挡墙也发生拉裂和差异沉降变形(图4b),在边坡前缘发生小规模的坍塌和基岩块体崩塌。4边界问题分析4.1影响边坡变形的因素分析4.1.1覆盖层变形特点场地平整时,挖填方量总和约计15.2万m3。其中填方约为7.6万m3。边坡后缘以拉张变形为主,变形明显,前缘为小规模坍塌和基岩块体崩塌,且上部覆盖层厚度总体为前部薄、中后部相对较大的特点,因此从总体上来说是由于变电所场地平整填方使坡体下滑力增大而造成的推移式蠕滑变形。4.1.2地下水的集中汇流性分析从地形地貌特征来看,坡体为两侧地势稍高、中部略低的凹形地貌,容易形成地下水的集中汇流。坡体地形坡度约10°～15°,且前缘临空条件好,地形坡向和岩层产状一致2,为典型的顺向坡结构。4.1.3全—地层岩性与地质结构根据钻探资料和地表调查,上部覆盖层中含或混有碎块石,结构架空,渗透性高,在降雨和灌溉入渗条件下易于饱和,同时下伏基岩为全—强风化紫红色泥岩。通过对全—强风化泥岩的X射线衍射分析表明:泥岩主要由石英(50%)、绿泥石(20%)、伊利石(10%)和赤铁矿(10%)构成。石英为风化后的残留矿物成分,绿泥石、伊利石和赤铁矿均为风化产物,而赤铁矿的出现说明泥岩风化过程为近地表的氧化环境,泥岩已经完全风化。紫红色全—强风化泥岩为典型的易滑地层,对其开展了一组原状样(图5a)和重塑样饱和直剪与反复直剪试验,法向应力分别为50、100、200和400kPa,剪切速率为0.02mm·min-1,每个试样反复剪切4次。对于原状样,根据第一次的最大剪切强度和最后的稳定强度,绘制剪应力与法向应力的关系(图5b),可知全—强风化泥岩的峰值抗剪强度参数为c′p=40.5kPa、ϕ′p=28.1°,残余抗剪强度参数为c′r=14.6kPa、ϕ′r=21.5°。图6为重塑样反复剪得出的残余抗剪强度线,其残余抗剪强度参数为c′r=1.0kPa、ϕ′r=21.7°。由此可以看出,原状土与重塑土的残余内摩擦角基本一致,而粘聚力差别较大。这也充分说明了紫红色全—强风化泥岩遇水软化、泥化和强度迅速降低得特点。在地层结构上,下伏全—强风化泥岩的产状为350°～5°∠15°～20°,其倾向和坡体的坡向基本一致,且其倾角与坡体大致平行,因而易于产生上部松散堆积层顺下伏全—强风化泥岩层面滑动。4.1.4地形条件在雨季和灌溉季节,由于坡体上部为松散堆积层,渗透性高,而下伏全—强风化泥岩透水性差,构成了相对隔水层,易于在其上部形成饱水带。由于地形地貌条件有利于地下水的集中汇流,从而形成高地下水位,对边坡稳定产生不利的动、静水压力。据现场工作期间的调查,可见地下水从挡墙渗出(图6a)。在坡体开挖的探井亦揭露,坡体地下水位埋深浅,一般1～3m(图6b)。值得注意的是,场地西北侧挡墙的变形破坏除与坡体变形有关外,还可能与填土内地下水位较高有关。现场调查表明,挡墙排水孔往往不能起到应有的排水作用,致使场地内填土地下水位壅高,对挡土墙后背产生动、静水压力。4.2变形破坏模式从宏观变形现象分析,水平位移方向总体为北略偏东。从变形破坏发生的时间来看,先是靠近坡体后缘的毛石挡墙发生变形,然后是位于坡体中后部的场地外围北西侧挡墙发生变形,最终致使坡体前缘陡坎出现小规模坍塌和基岩块体崩塌。因此,坡体前缘的变形破坏现象是由于后缘堆填加载致使坡体中后部发生挤压变形,从而造成坡体前缘产生挤压而发生协调性变形而造成的,因此,该边坡的变形破坏模式总体上应为推移式变形(图7),即边坡在后缘堆填加载的情况下,由于荷载较重导致剪应力集中,从而使滑带塑性变形,边坡进入蠕滑状态;后期由于强降雨导致滑带遇水软化和强度迅速降低(达到残余强度),随着蠕滑位移的增加和剪切应力的集中,滑带开始出现剪切破坏。一般红层泥岩边坡的破坏一般分为蠕滑、剪切和滑动3个阶段,此边坡的变形破坏也基本符合这个破坏机制。边坡发生蠕滑变形以后,迅速采取了加固措施,共布置了64根抗滑桩,使边坡变形破坏得到控制和治理。5边坡稳定性分析通过以上分析表明:场地挖填方量较大,场地平整填方是造成坡体推移式蠕滑变形的外在因素。坡体地形坡度约10°～15°,且前缘临空条件好,地形坡向和岩层产状一致,因此构成了不良的地形地貌条件。另外,紫红色全—强风化泥岩为典型的易滑地层,其具有遇水易软化、抗剪强度迅速降低的特点,构成了不良的岩性条件。场地内及边坡四周的排水不畅构成了不良的水文地质条件。由此可见,在不利的内在因素和外在因素的共同影响下,导致了该边坡的变形破坏。从现场调查情况来看,加固后边坡目前已处于稳定状态。但是建议对边坡监测至少进行一个水文年。另外,现场的一些排水孔起不到应有的排水效果,致使填土边坡内地下水从挡墙裂缝或圈梁与