高路堑边坡滑坡机理及治理措施研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 21 日 作者简介：宋楠（1997），女，汉族，内蒙古鄂尔多斯人，大学本科，职称：助理工程师，研究方向为铁路运输管理与工程技术。-16-高路堑边坡滑坡机理及治理措施研究 宋 楠 国能新朔铁路有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000 摘要：摘要：我国拥有数量庞大的人工边坡，随着边坡高度和角度的增大，边坡失稳问题日趋严重。本文以大准铁路某高路堑边坡抢险工程为依托，现场勘测调查结合水文地质资料，分析得出导致滑坡的原因为水对边坡岩体的破坏，主要诱因为强降雨。在此基础上提出以钢管桩群、锚杆、主动防护网、截排水为主的治理方案，并在加固后进行了边坡位移监测及数值模拟分析。结果表明：边坡经过治理之后稳定性明显提升，满足工程需求，且可为同类型边坡治理提供借鉴。关键词：关键词：高路堑边坡；滑坡；治理措施；位移监测；数值模拟 中图分类号：中图分类号：U213.1+3 采用合理的措施来防治边坡灾害具有重要意义，常有的边坡滑坡防治措施有；削方减载、截排水、挡土墙、片石护坡、锚索、抗滑桩及微型桩等1-4。边坡是否稳定需要就行稳定性分析，根据稳定性分析结果判断对边坡采取何种稳定措施。随着针对边坡稳定性进行了深入研究，现阶段已经取得大量成果。郑颖人等5运用有限元分析软件，采用强度折减法分析边坡滑动面，并计算得到了边坡稳定性系数。张均锋等2基于传统二维边坡稳定性分析方法，推导出适用于三维复杂条件下边坡的稳定性分析方法并进行了验证评价。郑宏3在对滑体进行了详细的受力分析，对应力计算公式进行了修正处理，导出了新的三维边坡稳定性分析方法。王根龙等4利用强度折减法结合极限平衡法，以虚功率方程推导出上限法计算滑坡稳定性系数。颜可珍等5采用一种结合模糊数学和突变理论的新方法，进行边坡稳定性综合评价实现多准则评价决策；薛聪聪等6利用模糊数学等数学理论方法，结合传统极限平衡法进行边坡稳定性分析。以大准铁路高路堑边坡滑坡灾害抢险工程为依托，通过对边坡稳定性的分析，提出了适合的滑坡防治措施方案，并采用数值模拟方法评估了滑坡防治措施，为这样的高路堑边坡滑坡灾害治理工程提供了参考。1 工程概况 大准铁路是连接山西大同市和内蒙古准格尔旗的煤炭运输铁路，主要处于内蒙古西部和山西北部地区。沿线地貌类型多样，以冲洪积平原盆地、中低土石山区、河谷阶地、黄土丘陵为主，从地势较为平坦的丰镇平原开始，经凉城岱海盆地南缘至下脑亥的剥烛中低土石山区，从和林县的新店子沿浑河河谷进去黄土丘陵区，直到贫河口跨过黄河到达准格尔旗。平均海拔高度在 12001500m 之间。沿线水土流失现象普遍存在，水烛、风烛、重力侵蚀等类型共存。黄河、浑河两岸属低中山地，地形起伏大，相对高差多在百米以上，地面切割悬殊，地势险要，沟谷纵横，多呈“V”字型，岸坡两岸易形成临空陡崖。陡崖倾角 6090，顶部呈直立的悬崖，局部呈反倾斜之势，陡崖高度大多在 30m 以上，经常发生小型崩塌和零星落石现象，部分铁路线位正好位于陡崖崩塌危害范围之内。薛家湾地区天然边坡坡度相对略缓些，大多在 3050，坡高 30m70m 不等，发育少量的黄土崩塌，岩体崩塌很少见。大准铁路沿线深路堑很常见，最大开挖深度可达 40m，边坡最高 60 多米，坡率一般为 10.511.5，堑坡坡度在 3463之间。2 工程地质特征 2.1 岩性 黄河、浑河两岸的地层主要为石炭系砂岩，底部为含褐铁矿高岭石粘土岩（软岩层）；奥陶、寒武系灰岩、白云质灰岩，斜坡表覆第四系全新统冲风积层新黄土；岩性特点是硬质岩为主，中部夹软岩，位置规律。薛家湾地区的地层主要为二叠系砂岩与页岩互层，局部夹泥岩；石炭系砂岩、炭质页岩、高岭石粘土岩、铁矿及煤层。岩性特点是硬质岩与软质岩互层。2.2 地质构造 中国科技期刊数据库 工业 A-17-构造单元位于阴山东西复杂构造带的南缘，因受华夏构造系的干扰，呈北东东向构造形迹。本区主要构造运动方式为升降运动，水平运动次之。沿线受地质构造影响较弱，无控制线路方案的断裂带。2.3 水文地质条件 大准铁路通过地区属中温带亚干旱气候区，大陆性气候明显，温差变化大，降雨量多集中在七、八月份，年平均降雨量410.7mm；土壤最大冻结深度1.41m。沿线各河沟均为季节性河流，河水暴涨暴落，历时短，携沙量大，造成上游冲蚀、下游淤积的河流特点。3 滑坡原因及机理分析 3.1 滑坡发生成因 该段坡体发生过古滑坡，坡体较为破碎，稳定性较差，为滑坡的产生提供了不利的地质条件。边坡体表层破碎岩石含量较高，透水性较好，而坡体内部的炭质泥岩隔水性较好，通过破碎的通道地表水渗透到岩层内部，水蚀作用引起岩体强度降低，导致边坡稳定性逐步降低。7 月份降雨量达到巅峰，累计降水量高达 70 mm，在短时间内边坡积存大量自由水，且排水条件不利，造成岩体力学参数 c、的下降。由此推断滑坡的诱因是强降雨。3.2 滑坡发生机理 路堑边坡性质为为顺层破碎岩石边坡，主滑坡体的组成成分为老滑坡体崩积物的风化产物，其强度较低，在外部因素（降雨）的持续影响下，坡体内地下水位上升，不断的冲刷侵蚀坡体，使下滑力不断降低。该边坡产生滑坡的机理为破碎泥岩、粘性膨胀土等老滑坡体崩积物依附底部泥岩层产生滑动，滑动模式为剪切拉裂滑移。边坡体主体分为两部分，坡体上部为老滑体形成的堆积层，主要为风化的岩土体混合物，坡体下部为完整泥岩基层。滑体形成过程可分为四个阶段，第一阶段为雨水渗入边坡，坡体开始产生裂隙，坡体表层与基岩层产生松动。第二阶段为边坡内裂隙不断发育，边坡前缘形成牵引段。第三阶段为前端牵引段拉力逐步增大致使后端地表出现拉裂缝。第四阶段为滑体依附完整的泥岩层移动形成滑坡。4 滑坡加固措施 经过前期地质勘测和实地踏勘，现已确定滑坡性质。在此基础上提出了滑坡体加固措施，加固具体的工程措施为；（1）恢复滑坡体损毁水沟同时在老变形体后缘陡壁下方及滑坡体中上部陡壁后方设置两道截水沟，第一道截水沟设置于滑坡体前缘，靠山侧陡坎位置布设 2排仰斜排水孔，间距 1.5m，排距 1m。主要作用是消除积水对边坡的影响。（2）滑坡体前中后位置布设3排钢管桩（微型桩）群，第一排桩群位于滑坡前缘，第二排桩群位于滑坡中部陡坎后方平台，第三排桩群位于距滑坡体后缘 15m处，每排桩群斜距约 35m，桩径 20cm，桩间距 0.8m，排距 0.6m，桩长 20m。（3）钢管桩施工完成后在其顶部设置冠梁，冠梁采用 C30 钢筋混凝土浇筑，钢管伸入冠梁长度 50cm。每排冠梁全长 60 米，每隔 15 米设一条缝宽 20-30 毫米的冠梁共同伸缩缝，内填亚麻沥青。冠梁宽度 3m，高度2m，冠梁施工完成后加设锚索，锚索水平间距3m。每排桩群布设 21 孔锚索，锚索长度 28m，其中锚固段长度均为 10m，锚索倾角 10，锚索孔径 150mm，每孔锚索由 8 根 15.2mm 钢绞线组成。（4）钢管桩施工完成后在其顶部设置冠梁每排钢管顶部冠梁上设置 2 排高 5m 的钢轨桩，钢轨桩之间挂设主动防护网，桩间距 0.5m，防止坡面可能掉落的块石。（5）此外对老变形体后缘陡壁危岩采用锚杆主动防护网包裹，锚杆长度 4.5m。在边坡坡脚位置设置长度为 100m 的被动式防护网，消除落石影响。5 加固效果评价 边坡稳定状态一般采用边坡稳定性系数Fs进行评价判定11-15。现运用 FLAC3D 数值模拟软件，采用强度折减法构建计算模式，对该边坡进行边坡稳定性分析，以验证加固措施效果。5.1 模型的建立 按照该边坡工程地质条件建立三维地质模型用于分析计算见图。左边界自坡脚向左 60m，右边界自坡脚向右 50m。底部自坡脚向下 50m，顶部自坡脚向上 200m。对模型左右两侧实施水平方向约束，模型底部设定为固定条件，将模型上部设定为自由边界。5.2 坡体稳定性计算与分析 自然状态下经过强度折减法计算得到边坡安全系数低至 0.98，边坡的水平方向位移和最大剪应变速率中国科技期刊数据库 工业 A-18-集中于滑体中部，滑坡体中部及后缘位移较大，表明滑坡体后缘产生了拉裂变形，边坡的稳定性较差。实施加固措施后，经过计算得到边坡稳定性系数为 1.30，加固后边坡水平位移云图及剪应变速率变化较为明显，反映出收加固措施的夹制作用边坡变形量显著减少，说明此种加固措施作用效果良好。6 位移监测 6.1 现场监测措施及数据分析 判断边坡滑坡体的具体变化情况，总结其位移变化规律，在现场设置位移监测点采集数据即可实现。现场的监测手段为：在滑体前后缘布置 6 个监测点，每个监测点布置一根观测桩，观测桩（混凝土填充）深 2m,内设一根长大于 1m 的钢筋，采用 KTS442R4LC型全站仪监测桩体位移。位移监测数据总采集 60 组监测数据，由数据绘制的位移变化曲线见图 1。通过对位移监测数据进行分析并结合现场勘查结果，可知滑坡体运动具有如下规律；（1）伴随着加固措施的实施，坡体位移逐渐减小并逐渐趋于稳定，边坡的变形得到了控制，加固措施效果较好。（2）滑坡体目前处于蠕滑阶段，坡体位移量逐渐减小，但当逢雨水天气，监测到坡体产生较大位移，说明降雨会加剧滑坡体移动，因此要做坡体的排水工作。（3）监测结果显示，滑体的位移具有明显的区域差异性，下部滑体的位移量明显大于上部滑体。滑体主要由下部滑体牵引上部滑体产生滑移，属牵引式滑坡。图 1 监测点位移随时间曲线 7 结束语 基于大准铁路某路堑边坡抢险工程为工程案例，分析了造成滑坡的原因与机理，得出了滑坡模式为剪切-拉裂-滑移，力学特性为牵引式。提出设置截水沟、钢管桩（微型桩）群、冠梁、钢轨桩、锚杆主动防护网的加固措施，并通过三维数值模拟和现场实施位移监测，加固措施有效降低了滑体滑移速度，为遭遇同类型问题的边坡治理提供了现实参考。参考文献 1赵海军,马凤山,李志清,等.喜马拉雅山区公路边坡崩滑灾害与防护措施破坏规律分析J.工程地质学报,2022,30(3):656-671.2陈钊,孙景楠,周子龙,等.基于多维联系云模型的公路边坡施工安全风险评估J/OL.安全与环境学报:1-102023-04-17.3陈钰.基于公路边坡生态修复技术理论与实践的研究分析J.交通节能与环保,2022,18(2):145-149.4叶咸,余相贵,尹淏,等.云南红层地区公路边坡植物防护措施探讨J.公路,2021,66(9):364-370.5郑颖人.切实加强滑坡全程预警预报研究J.水文地质工程地质,2010,37(06):2.6张均锋,丁桦.边坡稳定性分析的三维极限平衡法及应用J.岩石力学与工程学报,2005(3):365-370.7郑宏,周创兵.三维边坡稳定性的整体分析法及其工程应用J.中国科学(E 辑:技术科学),2009(1):23-28.8 王 根 龙,张 茂 省,苏 天 明,等.黄 土 崩 塌 破 坏 模 式 及 离 散 元 数 值 模 拟 分 析 J.工 程 地 质 学报,2011,19(4):541-549.9 颜 可 珍,廖 华 容.基 于 突 变 理 论 的 路 基 边 坡 冲 刷 稳 定 性 评 价 J.长 安 大 学 学 报(自 然 科 学版),2011,31(2):29-32+41.10薛聪聪,卢书强.基于模糊数学和极限平衡法的滑坡稳定性评价J.人民长江,2016,47(8):43-46,56.中国科技期刊数据库 工业 A-19-11 王 根 龙,张 茂 省,苏 天 明,等.黄 土 崩 塌 破 坏 模 式 及 离 散 元 数 值 模 拟 分 析 J.工 程 地 质 学报,2011,19(04):541-549.12 颜 可 珍,廖 华 容.基 于 突 变 理 论 的 路 基 边 坡 冲 刷 稳 定 性 评 价 J.长 安 大 学 学 报(自 然 科 学版),2011,31(02):29-32+41.13郑颖人.切实加强滑坡全程预警预报研究J.水文地质工程地质,2010,37(6):2.14李红旭,王衍汇,周海.高速铁路高陡碎裂岩质边坡稳定性评价J.铁道勘察,2022,48(5):46-51.15杜力.高速公路边坡稳定性影响因素及治理J.交通世界,2022(21):156-158.