邓家坡小学滑坡治理.doc

秭归县邓家坡一号滑坡治理工程设计实例龚福洪1，苏爱军2(1长江委长江勘测规划设计研究院岩土工程总公司，武汉 430010， 2水利部长江勘测技术研究所，武汉 430011)摘 要：本文介绍了长江三峡库区秭归县邓家坡一号滑坡的环境地质条件和工程地质特征，综合运用地质宏观判断和数值计算对滑坡的稳定性进行了分析，从技术、经济和施工条件等方面对滑坡的治理方案进行了比较选择，并简要介绍了分项工程如锚索抗滑桩、格构锚固、排水洞、水平排水孔的设计方法和结构，总结了本工程的设计经验。关键词：滑坡治理，地质灾害，锚索抗滑桩，格构锚固，排水洞，排水孔0 引言秭归县邓家坡一号滑坡位于三峡库区长江支流童庄河的左岸，滑坡上建有小学、移民新村，还有茂盛的果园。1998年暴雨期间，该滑坡的第一级一度复活，预测这一级在三峡水库蓄水后或遇持续强降雨时将再次复活，复活区向上发展或持续强降雨有导致滑坡第二至第四级失稳的危险，对滑坡上的小学生及居民的人身财产安全构成了威胁，该滑坡必须立即予以治理。1 滑坡地质条件1.1 滑坡地质环境滑坡位于秭归向斜的东南冀，为单斜构造。滑坡周缘的基岩为侏罗系中-下统聂家山组（J1-2n）泥岩、粉砂岩与长石砂岩不等厚互层。滑坡区地震基本烈度为度。1.2 滑坡基本特征1.2.1形态本滑坡呈长条形，长730m，宽55110m，体积60104m3。滑坡两侧均发育有深切冲沟。该滑坡从 下往上分为四级次滑坡（图1），滑坡厚度一般为5.015.0m，第二、四级较厚，为15.025.0m，而且基岩面坡度陡，第一、三级前缘的基岩面坡度较缓。 1.2.2 物质组成滑坡物质大部分为碎块石土或扰动碎裂岩体。主滑带土厚2060cm，多为粘性土、砾质粘性土，具有连续的滑动面。1.2.3岩土物理力学性质经试验，滑带土的碎石含量15%24%，天然含水量13.3%22.6%，原状样快剪试验得滑带土的c=3050kPa、=15.521.5；饱和固结快剪试验得滑带土的c=2958kPa、=16.527.5；残余剪试验得滑带土的c=2036kPa、=1018.5。由于制样时往往从含砾石较少处切样，故值偏小。反演分析得滑带土的有效应力抗剪强度指标：c16kPa，23，采用该值作为设计参数。1.2.4 水文地质条件滑坡的后缘接近地形分水岭，滑坡两侧冲沟切割较深，滑坡地表排水条件较好。滑坡堆积体中赋存孔隙潜水，基岩裂隙水较贫乏。1998年5月29日10月29日及2000年10月11月地下水位观测成果表明：雨季滑坡中地下水位高于滑带，且在久（暴）雨时，地下水位大幅上升；旱季地下水贫乏，据试坑渗水及钻孔注水试验，滑坡区碎块石土的渗透系数为10-310-4 cm/s量级，属较强透水性，砾质土的渗透系数为10-6 cm/s量级，属极弱弱透水性。1.3 滑坡稳定性1.3.1 滑坡稳定性地质宏观判断本滑坡的第一级现状不稳定；第二、三、四级现代没有变形迹象，其后缘无堆积物加载，前缘和侧缘基本上不受侵蚀，地表、地下水排水条件较好，据此初步判断该滑坡的第二、三、四级在未来较长时间内仍能保持基本稳定或稳定状态。但是第二、四级的地形和基岩面坡度陡，安全储备低，第二级前缘将来受库岸再造的影响，而且该滑坡处于暴雨集中区，诱发滑坡失稳的条件仍然存在。1.3.2 滑坡稳定性计算与评价第一级滑坡将来几乎被水库全淹，因此只对滑坡的第二、三、四级进行稳定性计算。计算结果表明：图1 邓家坡一号滑坡纵剖面图1.第四系崩坡积物；2.第四系地滑堆积物；3.侏罗系中-下统聂家山组；4.碎块石夹土或扰动碎裂岩体；5.长石砂岩；6.粉砂岩；7.泥岩；8.岩层产状；9.钻孔及编号；10.探井及编号滑坡的第二级和第四级在旱季处于稳定或基本稳定状态，稳定系数为1.0391.162，在雨季接近极限平衡状态，稳定系数为1.0011.035，急需加固；滑坡的第三级在雨季也能保持稳定状态。2 滑坡治理工程方案比选2.1治理工程安全等级由于邓家坡一号滑坡的第二级上有小学和8户民房，而第四级上只有2户民房，第二级、第四级治理工程安全等级分别按二级、三级设计，滑坡稳定系数设计标准为：第二级：正常工况，K1.20；非常工况，K1.10；第四级：正常工况K=1.10，非常工况K=1.05。2.2 滑坡剩余下滑力计算主滑方向滑坡剩余下滑力计算成果示于图2。由滑坡剩余下滑力计算成果可知，滑坡第二级中部的设计荷载为1792.7kN/延m，两侧缘下降到481.2 kN/延m; 滑坡第四级中部的设计荷载为1602.5kN/延m，两侧缘下降到197.5 kN/延m。2.3 治理工程方案比选邓家坡一号滑坡的治理拟从治水、库岸防护和抗滑支挡三方面着手。治理方案的确定从各方案的技术性能、施工条件、造价等方面全面比较后择优选择。 由于邓家坡一号滑坡天然地表排水条件较好，故该滑坡不需设地表截、排水工程。由于地下水位长期观测时间不长，所得1998年暴雨期地下水位也许并不是滑坡体内最高地下水位。图2 滑坡剩余下滑力曲线（a） 第二级滑坡 （b） 第四级滑坡为了在特大暴雨时尽量使地下水位不高于1998年暴雨期地下水位，考虑适当布置地下排水工程。在地下水较丰富、施工条件较好的第二级布置一个排水洞，其投资为38.3万元。在地下水不甚丰富，施工条件较差的第四级前缘布置6个水平排水孔， 6个孔的投资4.0万元。滑坡第四级前缘只适合布置悬臂式抗滑桩或锚索抗滑桩。设桩位置的选择依据滑坡剩余下滑力曲线、基岩面形态和地形条件，同时考虑桩前嵌固段抗力岩体的支撑能力。由图2可知，前缘地带滑坡剩余下滑力最小的位置在滑坡的前缘，在此处设桩，桩承受的滑坡推力最小、桩最短，但此处桩前抗力岩体的宽度太小，对桩起不了嵌固作用，于是将设桩位置后移20m到一堡坎前。在堡坎前设桩，桩前抗力岩体的宽度有20m余，对桩可以起嵌固作用，而且此处滑坡剩余下滑力也比较小。桩设在堡坎下还可以减少桩长及相应的挖井、护壁工程量，也有利于锚索的施工。悬臂桩方案需布置9根截面2.23.2m的桩，桩顶部4m设钢筋混凝土挡土板，该方案投资208.6万元。锚索抗滑桩方案需布置9根截面2.23.0m的桩，其中7根桩的顶部各设一束承载力1300kN的预应力锚索，桩顶部4m设钢筋混凝土挡土板，该方案投资184.8万元，比悬臂桩节省12.9%，因此第四级的支挡结构选择锚索抗滑桩。滑坡第二级的支挡结构的布置位置也依据滑坡剩余下滑力曲线、基岩面形态和地形条件。由图2可知，滑坡的前缘地带滑坡剩余下滑力都比较大而且比较均匀，前缘基岩面太陡，不利于设桩，设桩位置应后移2030m。设桩位置移动后，正好此处有一坡角4045、坡高2024m的道路边坡，边坡上分布有一定承载力的滑移松动岩体或块石，此处既可以设置锚索抗滑桩，也可以利用此边坡设置格构锚固系统。当采用锚索桩方案时，需布置9根截面23.2m的锚索桩，每根桩顶设2束承载力为1000kN的预应力锚索，另在滑坡两侧布置2根截面23.2m的悬臂桩、3根截面1.52.5m的悬臂桩。抗滑桩的桩顶设连系梁，该方案投资414.6万元。当采用格构锚固方案时，中部需设1300kN级锚索60根，两侧需设600kN级锚索各30根，对应格构梁的截面尺寸分别为600800mm和500700mm，格构中间作浆砌块石护面。该方案投资为292.9万元，比锚索桩方案节省41.5%。滑坡第二级采用锚索桩和格构锚固技术上都可行，都具有结构受力明确、技术成熟、对滑坡扰动小的优越性。格构锚固还具有坡面保护功能、能施加预应力主动发挥阻滑力，而且外表美观，地面施工条件较好、投资省等优越性。因此，滑坡的第二级选择格构锚固方案。经过技术经济和施工条件比较，邓家坡一号滑坡最终治理方案为：第四级：锚索抗滑桩+排水孔；第三级：监测；第二级：格构锚固+排水洞；第一级：放弃。2.4 滑坡监测在邓家坡一号滑坡的第二、三、四级布置了监测工作，监测设施兼顾了施工期安全监测和长期监测，监测项目有地下水渗压计、锚索测力计、土压力计以及人工巡视监测等。3 分项工程设计3.1锚索抗滑桩第四级滑坡中部的锚索抗滑桩的中心距6.0m，桩芯砼强度等级C25，桩截面尺寸2.23.0m，桩长21.5m，桩顶设一束锚索，锚索预加力T0=958kN。锚索抗滑桩的结构内力采用弹性支点法1 计算，计算图示及计算结果示于图3：弹性支点法将锚索作为一弹性支点，滑面以下的岩土用一系列弹簧即Winkle模型代替，桩身作为一弹性支承的地基梁。设计中，强风化粘土岩的弹性抗力系数的比例系数k取100MN/m3，中等风化岩层的k取300MN/m3，滑坡推力按梯形分布，桩底支承条件按“自由端”。计算得锚索拉力1300kN，桩身最大弯矩30318.4kNm、距桩顶15.3m，最大剪力7804 kN、距桩顶13.5m。 图3 锚索抗滑桩结构内力图抗滑桩的配筋按受弯构件进行设计。纵向主要受力钢筋的设计根据弯矩图（M图）。由于在桩长范围内弯矩变化很大，为了接省钢筋，主要受力钢筋在其充分利用点以外延伸一ld长度后截断。混凝土结构设计规范规定，ld的长度视剪力设计值V的大小而定：当V0.07fcbh0时，ld1.2 la;当V0.07fcbh0时, ld1.2 la +h0。式中：fc-混凝土的轴心抗压强度设计值； b-桩的截面宽度； h0-桩的有效截面高度； la-纵向钢筋的最小锚固长度。抗滑桩的箍筋的设计根据剪力图（V图）。当V0.07fcbh0时，按构造要求（满足最小配箍率）配箍；当V0.07fcbh0时,按公式Vcs=0.07fcbh0+1.5fyv设计,同时应满足最小配箍率的要求。式中：Vcs-斜截面的抗剪能力； fyv-箍筋抗拉强度设计值； Asv1-单肢箍筋的截面积；n-同一个截面内箍筋的肢数；s-箍筋的肢数。抗滑桩的代表性配筋图如图4所示：本工程采用的预应力锚索的结构如图5所示，锚索由9股强度标准值1860MPa的75钢绞线组成，其承载力设计值1300kN。内锚固段钢绞线绑扎成枣核壮，粘结材料为M30水泥沙浆。锚索自由段防腐措施为在锚索表面涂锚索专用润滑油后缠三层浸油塑料布，锚索与孔壁之间的空隙灌注沙浆。锚夹具采用按国家标准生产的HVM锚具。外锚头保护为现浇混凝土墩。 图4 抗滑桩配筋图 图5 预应力锚索结构图3.2 格构锚固第二级滑坡的格构锚固工程，格构框架平面的倾角45，格构梁的横向间距4m，纵向间距5m。中部设1300kN级锚索60根，两侧设600kN级锚索各30根，对应格构梁的截面尺寸分别为600800mm和500700mm。锚索的倾角20，施工时锚索按1.1倍设计拉力值锁定。锚索数量确定的依据是锚索拉力设计值的水平分力滑坡剩余下滑力的水平分力。格构梁的结构内力采用交叉条形基础结构内力的计算方法2 计算，即将格构梁视为交叉条形基础，锚索预应力垂直于格构平面的分力作为集中荷载。以滑坡中部格构梁的设计计算为例，设计步骤如下：(1) 分解锚索拉力。将锚索拉力分解为垂直和平行于格构平面的分力，分解得Tx=549.4 kN，Ty=1178.2kN。（2）分配Ty到纵、横梁。根据纵、横梁的相对刚度将Ty分配给纵横梁，其结果为：Ty纵=523.6kN，Ty横=654.6kN。（3）分别计算纵、横梁的结构内力。将纵、横梁视作弹性地基上的梁，Ty纵或Ty横作为集中荷载，分别计算纵横梁的结构内力。以纵梁的内力计算为例，取4跨进行计算，计算图示及计算结果如图6所示。计算中地基的弹性抗力系数的比例系数取120MN/m3，计算得纵梁的最大正弯矩266.1kN，位于梁交叉点处;最大反弯矩106.6kN，位于跨中；最大剪力287.5KN，位于交叉点处。（4）根据TxTy纵校核格构沿斜坡面的抗滑稳定性（为摩擦系数）。（5）根据Ty/基底面积fa校核格构梁的地基承载力（fa为地基承载力特征值）。（6）配筋设计。格构梁按抗弯构件进行配筋设计，方法同前面的抗滑桩。滑坡中部格构梁交点处配筋图如图7所示：图6 滑坡中部格构梁内力图图7 滑坡中部格构交叉点处配筋图图格构锚固系统的预应力锚索的结构同锚索抗滑桩的锚索。3.3 排水洞与排水孔第二级滑坡的排水洞深60m，平面形态呈“L”形，基本上顺着滑动面掘进，进入滑体的中部后在洞顶每隔3m打2个垂直排水孔，洞边墙每隔2m打2个辅助排水孔，以形成疏干帷幕。第四级滑坡前缘布置6个水平排水孔，孔距6m，仰角8，孔深穿过滑动面。排水洞和排水孔采用类比法设计，二者的结构图分别见图8和图9。 图8 排水洞结构图 图9 水平排水孔结构图 4 几点经验邓家坡一号滑坡治理工程于2003年8月竣工，被评为优良工程。经过水库139m蓄水运行一年多的考验，本工程已发挥保护邓家坡一号滑坡二、三、