歷一帆 楊溢 葉志程 和東浩 左曉歡 胡欣月 吳旭敏

(昆明理工大學(xué)公共安全與應(yīng)急管理學(xué)院 昆明 650093)

0 引言

在兩次臺(tái)風(fēng)及強(qiáng)降雨的影響下，安徽省蕪湖市鳳凰山社區(qū)鐵山賓館33#住宅樓西側(cè)邊坡發(fā)生崩塌。崩塌體巖性為侏羅系上統(tǒng)大王山組(J3d)的強(qiáng)風(fēng)化粗面質(zhì)火山碎屑巖，主崩方向?yàn)?68°，崩塌體長(zhǎng)6 m、寬5 m、厚3 m，規(guī)模達(dá)45 m3，平面形態(tài)呈扇形展布。崩塌造成該段坡體上的擋墻發(fā)生傾斜，坡體邊緣樹(shù)木斜歪，嚴(yán)重威脅坡體上部鐵山賓館33#、34#住宅樓及坡體下部皖南醫(yī)學(xué)院職工住宅的生命財(cái)產(chǎn)安全，邊坡崩塌地質(zhì)災(zāi)害潛在的危害較大。皖南醫(yī)學(xué)院鐵山西側(cè)邊坡崩塌地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)位于皖南醫(yī)學(xué)院鐵山西側(cè)，行政區(qū)劃屬蕪湖市鏡湖區(qū)鳳凰山社區(qū)，中心地理坐標(biāo)為東經(jīng)118°21′58″、北緯31°20′32″?？辈閰^(qū)邊坡走向近南北向，長(zhǎng)度41 m，高度25.3 m，邊坡坡度69.2°，中間無(wú)留置平臺(tái)，治理區(qū)面積約650 m2。

根據(jù)對(duì)崩塌體的現(xiàn)場(chǎng)勘查，該邊坡是因?yàn)樵缙谌藶椴墒髌滦纬傻?，邊坡巖體長(zhǎng)期暴露受風(fēng)化剝蝕，導(dǎo)致巖體強(qiáng)度降低，在重力作用下向臨空面突然崩落。根據(jù)中華人民共和國(guó)地質(zhì)礦產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《滑坡防治工程勘查規(guī)范》(DZ/T 0218—2006)，皖南醫(yī)學(xué)院鐵山西側(cè)邊坡崩塌地質(zhì)災(zāi)害類(lèi)型為滑移式巖質(zhì)崩塌，地質(zhì)條件復(fù)雜程度為簡(jiǎn)單，規(guī)模為小型，危害等級(jí)為三級(jí)，危害對(duì)象為當(dāng)?shù)鼐用窈妥≌瑯?，受威脅人數(shù)約200人，潛在經(jīng)濟(jì)損失約1000萬(wàn)元。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查，目前崩塌體穩(wěn)定性較差，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，需通過(guò)加固得以提高，所以對(duì)于崩塌后的邊坡治理工作刻不容緩。

1 勘查區(qū)工程地質(zhì)概況

1.1 區(qū)域地質(zhì)條件

1.1.1 工程地質(zhì)巖組

勘查區(qū)巖石建造類(lèi)型屬火山巖建造，為較軟—較堅(jiān)硬塊狀火山碎屑巖巖組，巖性為侏羅系上統(tǒng)大王山組(J3d)的粗面質(zhì)火山碎屑巖，天然重度23.7～24.7 kN/m3，干抗壓強(qiáng)度為16.6～40.2 MPa，該地區(qū)地形地貌如圖1所示。

圖1 邊坡南側(cè)崩塌地形地貌

1.1.2 土體

中等壓縮性粘性土分布于整個(gè)勘查區(qū)，由第四系全新統(tǒng)殘坡積(Q4edl)的粉質(zhì)粘土組成，厚度0.5 m，可塑，稍濕，中等壓縮性，承載力特征值為150～180 kPa。

此外，局部地段分布有人工填土，主要為建筑垃圾、粉質(zhì)粘土回填，雜色，松散，含較多的碎石，厚度0.3～0.8 m，工程地質(zhì)條件較差，承載力特征值為100～110 kPa。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

勘查區(qū)無(wú)斷層分布，但在勘查區(qū)外的東部分布有灣里-浮山斷層(F1)。灣里-浮山斷層(F1)為逆斷層，長(zhǎng)34 km，走向9°，傾向279°，傾角68°，順著斷層帶巖石有破碎痕跡，可以明顯看到斷層角的礫巖。

1.3 巖體

勘查區(qū)巖石建造類(lèi)型屬火山巖建造，為較軟—較堅(jiān)硬塊狀火山碎屑巖巖組，巖性為侏羅系上統(tǒng)大王山組(J3d)的粗面質(zhì)火山碎屑巖，天然重度23.7～24.7 kN/m3，干抗壓強(qiáng)度為16.6～40.2 MPa。

經(jīng)勘探研究，該處邊坡地層巖性為侏羅系上統(tǒng)大王山組(J3d)的粗面質(zhì)火山碎屑巖，巖體為較軟—較堅(jiān)硬，風(fēng)化后巖體強(qiáng)度明顯降低，暴露坡面的為中風(fēng)化，局部強(qiáng)風(fēng)化，巖體結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度差，節(jié)理、裂隙較發(fā)育，巖體較破碎。崩落邊坡分層大概為粉質(zhì)黃色粘土、強(qiáng)風(fēng)化火山碎屑巖和中風(fēng)化火山碎屑巖。采用工程地質(zhì)類(lèi)比法、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)類(lèi)比法、對(duì)各剖面反算法等，把試驗(yàn)數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際水文工程地質(zhì)條件充分結(jié)合，適當(dāng)折減，綜合確定各層巖土的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 主要地層及其巖體物理力學(xué)參數(shù)

1.4 崩塌地質(zhì)災(zāi)害的特征

皖南醫(yī)學(xué)院鐵山西側(cè)邊坡走向近南北向，長(zhǎng)度41 m，高度25.3 m，邊坡坡度69.2°，中間無(wú)留置平臺(tái)。本次崩塌事故在鳳凰山社區(qū)鐵山賓館33#住宅樓西側(cè)邊坡發(fā)生。崩塌體巖性為侏羅系上統(tǒng)大王山組(J3d)的強(qiáng)風(fēng)化粗面質(zhì)火山碎屑巖，主崩方向?yàn)?68°，崩塌體長(zhǎng)6 m、寬5 m、厚3 m，規(guī)模達(dá)45 m3，平面形態(tài)呈扇形展布。崩塌造成該段坡體上的擋墻發(fā)生傾斜，坡體邊緣樹(shù)木斜歪，嚴(yán)重威脅坡體上部鐵山賓館33#、34#住宅樓及坡體下部皖南醫(yī)學(xué)院職工住宅的生命財(cái)產(chǎn)安全，邊坡崩塌地質(zhì)災(zāi)害潛在的危害較大。

2 基于瑞典法的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

2.1 方法介紹

瑞典法又稱Fellenius法，它是一種假定的力系平衡，所以也是近似的計(jì)算方法[1]。它的特點(diǎn)為計(jì)算出的安全系數(shù)較小，所以工程界常用它作為較核[2]，本文也將瑞典法作為模擬結(jié)果的參照進(jìn)行研究。

其計(jì)算公式如下：

相應(yīng)的滑坡推力為：

計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2。

圖2 瑞典法計(jì)算簡(jiǎn)圖

2.2 穩(wěn)定性計(jì)算與結(jié)果評(píng)述

崩塌穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)按《滑坡防治工程勘查規(guī)范》(GB/T 32864—2016)[3]確定(見(jiàn)表2)，邊坡滑面劃分和計(jì)算成果匯總見(jiàn)圖3和表3。

表2 滑坡穩(wěn)定狀態(tài)劃分

圖3 邊坡滑面劃分示意(單位：m)

表3 穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果匯總

3 基于Midas-GTS/NX的邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 強(qiáng)度折減法基本原理

有限元強(qiáng)度折減法(SRM) 的基本原理是將邊坡的粘聚力C、折減系數(shù)F和內(nèi)摩擦角φ進(jìn)行計(jì)算和研究，得到新的一組C1和φ1，即經(jīng)過(guò)折減后的巖土體物理力學(xué)參數(shù)為[4]:

C1=C/F

φ1=arctanφ/F

然后將C1和φ1作為新的巖土體物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)輸入，再進(jìn)行試算，若一直計(jì)算到不收斂則該不收斂階段視為巖土體發(fā)生破壞[4]。

3.2 邊坡計(jì)算模型

根據(jù)反復(fù)的現(xiàn)場(chǎng)勘探和觀察整個(gè)坡體的剖面圖，選擇了具有代表性、危險(xiǎn)度較高的剖面作為分析對(duì)象，在AutoCAD中標(biāo)好高程導(dǎo)入到Midas-GTS/NX中，建立3個(gè)不同材料的巖土層，形成與原邊坡1∶1比例的模型進(jìn)行分析，利用的建模原理為強(qiáng)度折減法，通過(guò)模擬分析得出滑坡的應(yīng)力、應(yīng)變以及位移量，通過(guò)分析云圖可得到邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)及危險(xiǎn)地區(qū)的潛在滑動(dòng)面。

模型以2D的形式直觀的模擬了巖土層的分布情況，破壞判別模式選用莫爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則，建立了一個(gè)有723個(gè)節(jié)點(diǎn)，769個(gè)單元，高25.26 m，長(zhǎng)41 m的2D邊坡模型[5]。邊坡模型共分為3層分別為：粉質(zhì)黃色粘土、強(qiáng)風(fēng)化火山碎屑巖和中風(fēng)化火山碎屑巖，網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖4。

圖4 網(wǎng)格劃分

3.3 不同工況下邊坡穩(wěn)定性分析

3.3.1 自然工況

把設(shè)置好屬性的模型在自然工況下計(jì)算得出的安全系數(shù)為1.273，由此可知在自然工況下邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。觀察云圖中x、y方向上的應(yīng)力應(yīng)變和位移程度可知x方向上的位移主要發(fā)生在A段到B段的連接處(圖5)，而y方向上的位移主要集中在A段上部(圖6)，在自然狀態(tài)下邊坡沒(méi)有出現(xiàn)明顯的剪應(yīng)變集中區(qū)(圖7)，塑性狀態(tài)見(jiàn)圖8[6]。

圖5 自然工況下x方向位移量

圖6 自然工況下y方向位移量

圖7 自然工況下最大剪應(yīng)力

圖8 自然工況下塑性變形

3.3.2 降雨工況

因蕪湖地區(qū)常年夏季有陰雨天氣，所以降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響成為本次研究的重點(diǎn)，根據(jù)當(dāng)?shù)靥鞖?、水文資料，本次模擬一場(chǎng)為時(shí)3 d、降雨量為0.105 m3/h的降雨工況，把3 d分為10個(gè)時(shí)程，每個(gè)時(shí)程7.2 h，來(lái)分析暴雨工況下邊坡的降雨后應(yīng)力安全系數(shù)為1.029，已經(jīng)是欠穩(wěn)定狀態(tài)[7]。邊坡下巖土體飽和度在第3時(shí)程開(kāi)始發(fā)生明顯變化，具體見(jiàn)圖9—11。通過(guò)觀察降雨后應(yīng)力的最大剪應(yīng)力圖(圖12)可知，崩落面出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，與勘探時(shí)所得結(jié)論一致。

圖9 降雨工況下第1時(shí)程巖體飽和度

圖10 降雨工況下第3時(shí)程巖體飽和度

圖11 降雨工況下第10時(shí)程巖體飽和度

圖12 降雨工況下最大剪應(yīng)力圖

4 邊坡加固措施

4.1 加固措施的確定

根據(jù)反復(fù)的現(xiàn)場(chǎng)勘探、計(jì)算和數(shù)值模擬分析，初步確定該崩落邊坡需重點(diǎn)治理的滑面是A-A′，經(jīng)分析，邊坡上部的削坡減載可以提高邊坡的穩(wěn)定性程度，但由于邊坡坡體上部有民房且崩塌方量較大，采用削坡減載方案無(wú)法實(shí)施，因而本工程不宜采用削坡減載[8]。地表水的截排是有效的方案，尤其是對(duì)于已產(chǎn)生的崩塌地段，地表水的截排被證明往往對(duì)減緩下滑，提高崩塌體穩(wěn)定性具有一定的效果[9]。邊坡最后采用預(yù)應(yīng)力錨桿加固方法，清坡面危巖和浮石后，錨桿從上往下施打，錨桿坡面設(shè)置為5排，第1、2排錨桿長(zhǎng)度9.5 m，第3排錨桿長(zhǎng)度8 m、孔徑110 mm，第4排錨桿長(zhǎng)度7.5 m，第5排錨桿長(zhǎng)度6 m，孔徑均為110 mm；錨桿采用Φ28/Φ22鋼筋制作，接長(zhǎng)時(shí)采用焊接，單面焊不小于10倍主筋直徑，雙面焊不小于5倍主筋直徑，錨桿與水平線夾角下傾15°，水平間距1.5 m，垂直間距1.5 m[10]。

4.2 加固后降雨工況下穩(wěn)定性分析

降雨工況下3 d后的安全系數(shù)為1.029，是欠穩(wěn)定狀態(tài)，在Midas-GTS/NX中運(yùn)用錨建模助手對(duì)錨桿坡面進(jìn)行建模，模擬施工后在預(yù)應(yīng)力錨桿加固后的安全系數(shù)為1.238，是穩(wěn)定狀態(tài)。錨固前后的x方向位移量對(duì)比見(jiàn)圖13—14，有效塑性應(yīng)變對(duì)比圖見(jiàn)圖15—16，等效力對(duì)比圖見(jiàn)圖17—18。

圖13 錨固前x方向位移

圖14 錨固后x方向位移

圖15 錨固前塑性形變

圖16 錨固后塑性形變

圖17 錨固前等效應(yīng)力

圖18 錨固后等效應(yīng)力

5 結(jié)論

使用了瑞典法和Midas-GTS/NX數(shù)值模擬軟件對(duì)安徽省蕪湖市皖南醫(yī)學(xué)院鐵山西側(cè)的崩塌邊坡進(jìn)行分析和治理，得到了以下結(jié)論：

(1)自然工況下，采用瑞典法把邊坡分為3個(gè)滑面計(jì)算出A-A′為不穩(wěn)定狀態(tài)。用Midas-GTS/NX數(shù)值模擬軟件對(duì)整個(gè)崩落邊坡在自然工況進(jìn)行計(jì)算后得出的安全系數(shù)為1.273，為穩(wěn)定狀態(tài)。降雨工況下，用軟件模擬一場(chǎng)為時(shí)3 d、降雨量為0.105 m3/h的降雨工況，得出的安全系數(shù)為1.029，為欠穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)對(duì)于邊坡崩落面A-A′采用預(yù)應(yīng)力錨桿加固方法后，用軟件模擬同樣降雨工況后得出的安全系數(shù)為1.238，為穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)經(jīng)分析和模擬得知，采用預(yù)應(yīng)力錨桿加固方法可以有效治理類(lèi)似崩落邊坡。利用強(qiáng)度折減法對(duì)崩落邊坡進(jìn)行模擬和分析，可較為直觀的得出邊坡在自然工況、降雨工況和錨固后的穩(wěn)定性，也通過(guò)科學(xué)的方式驗(yàn)證了現(xiàn)場(chǎng)勘探和公式計(jì)算的合理性，研究結(jié)果可為類(lèi)似的崩落邊坡研究治理提供借鑒。