某填土邊坡蠕滑變形機(jī)制分析

某填土邊坡蠕滑變形機(jī)制分析

1成麻黃環(huán)網(wǎng)工程概況220kv鹽津大廈位于云南省鹽津縣艾田市，距鹽津縣約11公里。是云南省昭通北部供電工程的樞紐供電。與220kv大型能源站和220kv鎮(zhèn)雄能源站一起，形成了云南省通州北部供電220kv環(huán)網(wǎng)工程。這是一個(gè)重要的區(qū)域負(fù)荷供電樞紐。該工程于2004年11月動(dòng)工,2005年3月完成場(chǎng)地平整,挖填方量總計(jì)約為15.2萬(wàn)m3。2005年7月18～20日,經(jīng)過2d的強(qiáng)降雨后,場(chǎng)地北部填方邊坡向北部臨空方向發(fā)生蠕滑變形,導(dǎo)致變電所內(nèi)毛石擋土墻拉裂,最大位移達(dá)20cm,同時(shí)位于邊坡后緣的110kV構(gòu)架基礎(chǔ)下沉量達(dá)29cm。該邊坡變形直接威脅220kV鹽津變電所和110kV出線終端塔的安全,同時(shí)危及到坡體上10戶農(nóng)民的生命財(cái)產(chǎn)安全。2現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)環(huán)境條件2.1坡體斜坡體一般特性變電所所址地處滇東北高原烏蒙山區(qū),場(chǎng)地及其周圍為強(qiáng)烈侵蝕切割的中高山峽谷地貌,地形復(fù)雜,切割強(qiáng)烈,山高坡陡。變電所場(chǎng)地位于高山峽谷區(qū)的斜坡地帶。該斜坡總體為一傾向由NE向逐漸變化為正北向的斜坡體,場(chǎng)地依據(jù)坡體坡向大致可劃分為北東面、北面兩部分;北東面斜坡較平緩、開闊,坡向?yàn)镹30°～40°E,地形高差為20～25m,地形坡度約為8°～10°;北面斜坡坡度陡、高差大,具有兩側(cè)地勢(shì)稍高、中間低洼的特點(diǎn),坡向大致為N5°E,地形高差為35～40m,總體坡度為10°～15°,呈多級(jí)臺(tái)階狀地形,臺(tái)階高度多為1.0～3.0m,正是該斜坡發(fā)生了蠕滑變形(圖1和圖2)。2.2工地土及基巖場(chǎng)地現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)主要布置了13個(gè)鉆孔和4個(gè)探井。勘測(cè)表明:場(chǎng)地巖土層主要由第四系松散堆積層和下伏基巖組成。第四系松散堆積層按成因可劃分為(圖3):(1)人工填土,淺黃-灰黃色,物質(zhì)組成較單一,以粉質(zhì)粘土為主,土質(zhì)結(jié)構(gòu)疏松,主要分布于變電所場(chǎng)地填方區(qū);(2)耕植土,包括旱地耕植土和水田耕植土;旱地耕植土為灰黃色,主要為粉質(zhì)粘土,結(jié)構(gòu)疏松;水田耕植土為灰色,主要為粘土,土質(zhì)均勻、細(xì)膩,土層狀態(tài)為很濕、軟塑;(3)粉質(zhì)粘土,為褐黃-灰黃色,廣泛分布于場(chǎng)地上部,土質(zhì)不均勻,大部分地段含10%～15%泥巖、泥質(zhì)粉砂巖角礫和碎石。以稍濕、硬塑-堅(jiān)硬狀態(tài)為主,局部為可塑狀態(tài),厚度變化大,為3.1～16.2m?；鶐r為上三疊統(tǒng)-下侏羅統(tǒng)香溪群一套粘土巖-碎屑巖巖性組合,根據(jù)巖性特點(diǎn)可劃分為全—強(qiáng)風(fēng)化泥巖和中—微風(fēng)化細(xì)砂巖。全—強(qiáng)風(fēng)化泥巖呈紫紅色,巖質(zhì)軟弱,以土狀為主,局部為碎石狀,具有遇水軟化成泥且強(qiáng)度迅速降低的特點(diǎn)。鉆探成果表明,全—強(qiáng)風(fēng)化泥巖僅分布在邊坡凹地形,邊坡前緣未見到此泥巖分布(圖3)。2.3兩組節(jié)理發(fā)育變電所所在區(qū)域上地處一軸向近EW的向斜南翼,場(chǎng)地基巖產(chǎn)狀為340°～10°∠14°～25°,一般為350°～5°∠15°～20°?；鶐r中主要發(fā)育有兩組節(jié)理,一組節(jié)理走向30°～50°,傾角陡立,一般>80°,節(jié)理面起伏、粗糙,一般無(wú)充填,中等風(fēng)化,間距為0.2～0.7m;另一組節(jié)理走向?yàn)?40°～165°,傾角陡立,一般>74°,節(jié)理面平直、光滑,一般無(wú)充填,少數(shù)為泥質(zhì)充填,充填物厚度<1mm,中等風(fēng)化,間距一般為0.3～0.8m。通過對(duì)兩組節(jié)理相互交切關(guān)系的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,上述兩組節(jié)理應(yīng)為一組共軛破裂面。2.4城市山下堆積物結(jié)構(gòu)內(nèi)第四系堆積物結(jié)構(gòu)場(chǎng)地內(nèi)地下水主要為第四系孔隙水。由于下伏全—強(qiáng)風(fēng)化泥巖和中—微風(fēng)化細(xì)砂巖滲透性低,而第四系堆積物結(jié)構(gòu)松散、孔隙發(fā)育,接受大氣降雨和農(nóng)田灌溉補(bǔ)給,因而在全—強(qiáng)風(fēng)化泥巖和中—微風(fēng)化細(xì)砂巖上部的松散堆層中形成上層滯水,徑流方向總體順坡向,具逕流途徑短、排泄迅速的特點(diǎn)。據(jù)鉆孔和探井揭露,地下水位埋深為1～3m。2.5鹽津地區(qū)時(shí)間地震分析場(chǎng)地及周圍的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為地殼抬升、河流下切強(qiáng)烈,在地貌上表現(xiàn)為大關(guān)河干流階地不發(fā)育,河谷多為“V”字型,支溝坡降大。從區(qū)域地震構(gòu)造來看,場(chǎng)地位于NE向的華鎣山—蓮峰斷裂和NW向的滎經(jīng)—馬邊—鹽津斷裂帶的交匯部位,歷史上地震頻繁發(fā)生。最近一次地震為2006年7月22日09:10發(fā)生的MS=5.1鹽津地震,極震區(qū)烈度為Ⅵ度。根據(jù)鹽津5.1級(jí)地震烈度等值線,該次地震對(duì)220kV鹽津變電所場(chǎng)地的影響烈度小于Ⅵ度?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)查結(jié)果亦表明,該次地震對(duì)場(chǎng)地未造成任何宏觀變形破壞跡象。3拉張裂縫—邊坡變形特征從邊坡宏觀變形跡象來看,主要表現(xiàn)為:在邊坡后部發(fā)生擋土墻拉張和沉降變形、110kV構(gòu)架基礎(chǔ)下沉,在邊坡前緣陡坎出現(xiàn)小規(guī)模坍塌和基巖塊體崩塌。邊坡位于場(chǎng)地北面,具有兩側(cè)地勢(shì)稍高、中間較低的凹形地貌特征(圖1、2)。由于邊坡后部東南側(cè)變電所場(chǎng)地平整進(jìn)行填方,致使變電所內(nèi)擋土墻出現(xiàn)拉張和沉降變形(圖4a),最大錯(cuò)距5～8cm,同時(shí)110kV構(gòu)架基礎(chǔ)下沉,邊坡后緣出現(xiàn)貫通性拉張裂縫,該裂縫在變電所場(chǎng)地內(nèi)走向由近EW向逐漸轉(zhuǎn)為NE向,呈弧狀,長(zhǎng)約50m,最大寬度20mm,構(gòu)成了邊坡蠕滑變形的后緣邊界。同時(shí),所外擋墻也發(fā)生拉裂和差異沉降變形(圖4b),在邊坡前緣發(fā)生小規(guī)模的坍塌和基巖塊體崩塌。4邊界問題分析4.1影響邊坡變形的因素分析4.1.1覆蓋層變形特點(diǎn)場(chǎng)地平整時(shí),挖填方量總和約計(jì)15.2萬(wàn)m3。其中填方約為7.6萬(wàn)m3。邊坡后緣以拉張變形為主,變形明顯,前緣為小規(guī)模坍塌和基巖塊體崩塌,且上部覆蓋層厚度總體為前部薄、中后部相對(duì)較大的特點(diǎn),因此從總體上來說是由于變電所場(chǎng)地平整填方使坡體下滑力增大而造成的推移式蠕滑變形。4.1.2地下水的集中匯流性分析從地形地貌特征來看,坡體為兩側(cè)地勢(shì)稍高、中部略低的凹形地貌,容易形成地下水的集中匯流。坡體地形坡度約10°～15°,且前緣臨空條件好,地形坡向和巖層產(chǎn)狀一致2,為典型的順向坡結(jié)構(gòu)。4.1.3全—地層巖性與地質(zhì)結(jié)構(gòu)根據(jù)鉆探資料和地表調(diào)查,上部覆蓋層中含或混有碎塊石,結(jié)構(gòu)架空,滲透性高,在降雨和灌溉入滲條件下易于飽和,同時(shí)下伏基巖為全—強(qiáng)風(fēng)化紫紅色泥巖。通過對(duì)全—強(qiáng)風(fēng)化泥巖的X射線衍射分析表明:泥巖主要由石英(50%)、綠泥石(20%)、伊利石(10%)和赤鐵礦(10%)構(gòu)成。石英為風(fēng)化后的殘留礦物成分,綠泥石、伊利石和赤鐵礦均為風(fēng)化產(chǎn)物,而赤鐵礦的出現(xiàn)說明泥巖風(fēng)化過程為近地表的氧化環(huán)境,泥巖已經(jīng)完全風(fēng)化。紫紅色全—強(qiáng)風(fēng)化泥巖為典型的易滑地層,對(duì)其開展了一組原狀樣(圖5a)和重塑樣飽和直剪與反復(fù)直剪試驗(yàn),法向應(yīng)力分別為50、100、200和400kPa,剪切速率為0.02mm·min-1,每個(gè)試樣反復(fù)剪切4次。對(duì)于原狀樣,根據(jù)第一次的最大剪切強(qiáng)度和最后的穩(wěn)定強(qiáng)度,繪制剪應(yīng)力與法向應(yīng)力的關(guān)系(圖5b),可知全—強(qiáng)風(fēng)化泥巖的峰值抗剪強(qiáng)度參數(shù)為c′p=40.5kPa、?′p=28.1°,殘余抗剪強(qiáng)度參數(shù)為c′r=14.6kPa、?′r=21.5°。圖6為重塑樣反復(fù)剪得出的殘余抗剪強(qiáng)度線,其殘余抗剪強(qiáng)度參數(shù)為c′r=1.0kPa、?′r=21.7°。由此可以看出,原狀土與重塑土的殘余內(nèi)摩擦角基本一致,而粘聚力差別較大。這也充分說明了紫紅色全—強(qiáng)風(fēng)化泥巖遇水軟化、泥化和強(qiáng)度迅速降低得特點(diǎn)。在地層結(jié)構(gòu)上,下伏全—強(qiáng)風(fēng)化泥巖的產(chǎn)狀為350°～5°∠15°～20°,其傾向和坡體的坡向基本一致,且其傾角與坡體大致平行,因而易于產(chǎn)生上部松散堆積層順下伏全—強(qiáng)風(fēng)化泥巖層面滑動(dòng)。4.1.4地形條件在雨季和灌溉季節(jié),由于坡體上部為松散堆積層,滲透性高,而下伏全—強(qiáng)風(fēng)化泥巖透水性差,構(gòu)成了相對(duì)隔水層,易于在其上部形成飽水帶。由于地形地貌條件有利于地下水的集中匯流,從而形成高地下水位,對(duì)邊坡穩(wěn)定產(chǎn)生不利的動(dòng)、靜水壓力。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工作期間的調(diào)查,可見地下水從擋墻滲出(圖6a)。在坡體開挖的探井亦揭露,坡體地下水位埋深淺,一般1～3m(圖6b)。值得注意的是,場(chǎng)地西北側(cè)擋墻的變形破壞除與坡體變形有關(guān)外,還可能與填土內(nèi)地下水位較高有關(guān)?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明,擋墻排水孔往往不能起到應(yīng)有的排水作用,致使場(chǎng)地內(nèi)填土地下水位壅高,對(duì)擋土墻后背產(chǎn)生動(dòng)、靜水壓力。4.2變形破壞模式從宏觀變形現(xiàn)象分析,水平位移方向總體為北略偏東。從變形破壞發(fā)生的時(shí)間來看,先是靠近坡體后緣的毛石擋墻發(fā)生變形,然后是位于坡體中后部的場(chǎng)地外圍北西側(cè)擋墻發(fā)生變形,最終致使坡體前緣陡坎出現(xiàn)小規(guī)模坍塌和基巖塊體崩塌。因此,坡體前緣的變形破壞現(xiàn)象是由于后緣堆填加載致使坡體中后部發(fā)生擠壓變形,從而造成坡體前緣產(chǎn)生擠壓而發(fā)生協(xié)調(diào)性變形而造成的,因此,該邊坡的變形破壞模式總體上應(yīng)為推移式變形(圖7),即邊坡在后緣堆填加載的情況下,由于荷載較重導(dǎo)致剪應(yīng)力集中,從而使滑帶塑性變形,邊坡進(jìn)入蠕滑狀態(tài);后期由于強(qiáng)降雨導(dǎo)致滑帶遇水軟化和強(qiáng)度迅速降低(達(dá)到殘余強(qiáng)度),隨著蠕滑位移的增加和剪切應(yīng)力的集中,滑帶開始出現(xiàn)剪切破壞。一般紅層泥巖邊坡的破壞一般分為蠕滑、剪切和滑動(dòng)3個(gè)階段,此邊坡的變形破壞也基本符合這個(gè)破壞機(jī)制。邊坡發(fā)生蠕滑變形以后,迅速采取了加固措施,共布置了64根抗滑樁,使邊坡變形破壞得到控制和治理。5邊坡穩(wěn)定性分析通過以上分析表明:場(chǎng)地挖填方量較大,場(chǎng)地平整填方是造成坡體推移式蠕滑變形的外在因素。坡體地形坡度約10°～15°,且前緣臨空條件好,地形坡向和巖層產(chǎn)狀一致,因此構(gòu)成了不良的地形地貌條件。另外,紫紅色全—強(qiáng)風(fēng)化泥巖為典型的易滑地層,其具有遇水易軟化、抗剪強(qiáng)度迅速降低的特點(diǎn),構(gòu)成了不良的巖性條件。場(chǎng)地內(nèi)及邊坡四周的排水不暢構(gòu)成了不良的水文地質(zhì)條件。由此可見,在不利的內(nèi)在因素和外在因素的共同影響下,導(dǎo)致了該邊坡的變形破壞。從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況來看,加固后邊坡目前已處于穩(wěn)定狀態(tài)。但是建議對(duì)邊坡監(jiān)測(cè)至少進(jìn)行一個(gè)水文年。另外,現(xiàn)場(chǎng)的一些排水孔起不到應(yīng)有的排水效果,致使填土邊坡內(nèi)地下水從擋墻裂縫或圈梁與