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1、 滑坡工程治理优化设计与信息化施工秦四清(中国科学院地质所工程地质力学开放研究实验室, 北京, 100029)提要 本文提出了当前滑坡工程治理存在的问题及治理的技术路线, 论述了滑坡工程治理的技术方法及优化设计思想, 提出了滑坡加固的几种新方法, 强调对滑坡治理要进行优化设计, 开展信息化施工。关键词 滑坡 工程治理 优化设计 信息化施工一、 问题的提出滑坡是仅次于地震和洪水的一种严重的地质灾害。我国因 70% 地域为山区, 滑坡灾害发生频繁, 是世界上滑坡危害比较严重的国家之一。 当今, 随着山区的开发建设及铁路建 设高速发展, 滑坡灾害更为突出。 如:1981 年雨季, 特大暴雨造成四川发
2、生滑坡 6 万余处, 波及 90 余县, 造成巨大经济损失。1989 年, 澜沧江漫湾电站在建设过程中发生了较大规模的坍塌 (约 1016 万 m 3 ) , 致使工程停工。1994 年 4 月, 四川武隆县兴顺乡鸡冠岭发生了 400 万 m 3 巨大的山体崩塌, 致使乌江 船只沉没, 人员伤亡, 兴隆煤矿埋于其下, 并且断航数月。 目前正在治理的长江链子崖危岩体, 其 T 8 - T 12 缝段体积达 200 多万 m 3 , 一旦崩塌, 将可能产生断航的严重后果, 治理 中已耗资 4380 万元。滑坡防治研究应以防为主, 对不稳定边坡, 应在实地工程地质勘察、试验的基础上, 进行考虑地质、
3、 岩土体结构、 参数的敏感性分析与经济技术分析, 确定易突破关键部位与结 构, 做到重点部位重点治理, 据此制订优化合理的治理方案, 选择高水平的施工力量施工, 防患于未然。鉴于工程地质发展水平及治理经验的不足, 在滑坡稳定性评价及治理措施上, 有许多 问题尚待解决。如有的工程技术人员因稳定性评价或计算方法不合理及力学参数选择不当,使本不该治理或仅需简单的加固措施就能保持稳定的边坡, 得到了 “感冒动手术”式的花 费太高的工程加固; 有的因对地质原型认识不清或方案选择失误, 造成了滑坡治理失败; 更值得提出的是: 在治理方案设计上, 很多单位和设计人员, 没有进行方案比较、方案论证、方案优化,
4、 设计方案不是最优方案, 造成了很大的不必要的浪费。 对这些问题应引起足够重视。 应大力提倡优化设计、 开展信息化施工、 进行动态设计、 设计反馈, 开发新的加固 措施与施工技术, 把滑坡工程治理提高到一个新的高度。 本项研究受中国科学院 “百人计划”基金支持二、 滑坡治理技术路线滑坡治理技术路线框图见图 1 示。图 1 滑坡治理技术路线框图F ig11 Techn ica l route of lan dsl ide trea tm en t三、 滑坡工程地质勘察1、 滑坡控制要素滑坡的发生受内、 外因素的影响。 内在因素是滑坡产生的根本原因。 主要有: 岩土性 质、 岩土结构、 地应力等;
5、 外在因素有地下水、 降雨、 爆破震动、 人类工程活动等。 内外 因素的相互作用是极其复杂的, 并且可以互相转化。 在其发生和发展的某一阶段, 存在着主导因素即控制变量的主导作用。 找到了或发现了某一阶段的控制变量, 就可有的放矢地进行人为控制。(1)地层岩性: 注意软土、 软岩、 软弱夹层等。 我国主要易滑地层及其分布地区见表1。表 1 我国主要易滑地层及分布地区Tab11 Sl id in g- pron ed stra ta an d d istr ibut ion zon e in Ch ina流域为主)(2) 地质构造: 从岩体工程地质观点上来看, 不同岩体结构发生滑坡的可能性不同,
6、体结构对滑直线的发生具有控制作用, 岩体结构与滑坡的关系见表 2。岩表 2 岩体结构与滑坡的关系Tab12 Rockm a ss struc ture an d lan dsl ide育时, 同散体结构岩体结构滑坡块状结构不存在弱面, 不易滑动层状结构当层面和斜坡的方向一致, 倾角缓于斜坡坡角时, 易滑动; 当层面和斜坡的 方向一致, 倾角与坡角相近时, 易发生滑移2弯曲变形; 当层面和斜坡方向不 一致, 注意倾倒变形的可能碎裂结构如有顺坡向的断层或节理发育, 易沿断层或节理滑坡。 无断层或节理发散体结构易发生圆弧型滑动岩土类型地层岩性主要分布粘性土冲积、 湖积和残积粘土, 杂色粘土, 膨胀性
7、裂隙粘土四川盆地、 中南地区、 西南地区长江中下游黄土类黄土黄土高原 (以黄河中游各种碎石土坡积、 洪积、 堆积及混合堆积的亚粘土夹碎石角砾山区和丘陵软弱夹层各种砂岩、 砾岩、 灰岩及变质岩夹有页岩、 泥岩、 泥灰岩等 软弱岩层西南、 西北各省变质岩类泥岩、 页岩、 千枚岩、 片岩、 板岩、 煤系等西南、西北、东南各省(3)(4) (5) 层覆盖; (6)地形地貌: 临空面; 边界条件水文地质条件: 降雨; 地表水; 地下水人类工程活动: 破坏坡脚支撑; 斜坡顶部加载; 破坏坡体的排水系统和表不合理开采地震与震动: 往往对临近失稳的斜坡构成诱发因素。21 滑坡勘察方法(1) 遥感方法(2) 工
8、程地质勘察测绘: 测绘比例尺根据滑坡规模在 1500 12000 之间选择,于滑坡治理设计的测绘比例尺为 1200 1500。勘察要点: 滑坡原因; 滑坡要素; 变形破坏标志; 滑面位置、深度与倾角;地表水、 地下水; 设定基准勘探线; 当地治理经验;(3) 勘探方法: 勘探方法主要有表层剥离; 槽探; 井探; 硐探; 钻探;物探。 根据滑坡规模与特点选择合理的方法。用(4) 岩体工程地质力学分析: 按下述步骤进行: 区域地质及地貌形态特征调查分析;岩体结构特征分析; 滑坡模式判定。31 滑坡破坏方式与滑动面的主要形式典型的滑坡破坏型式有: 圆弧破坏; 平面破坏; 顺层破坏; 覆盖层破坏; 楔
9、体破坏; 倾倒破坏; 顺层2弯曲破坏; 复合破坏四、 滑面岩土抗剪强度的确定11 试验仪器测定法: 主要有: 现场大型直剪; 滑面重合剪; 重塑土多次直剪; 环剪试验; 三轴切面剪。21 工程类比法: 利用已有同类工程的经验类比值确定参数, 这对缺乏实测数据的边坡 工程, 亦是一种较好的定参方法。31 逆算法: 逆算法根据滑坡处于极限平衡状态时力的平衡条件反算滑动面的抗剪强度指标。 逆算方法主要有:综合 C 法; 综合 法; 综合 C、 法;联立方程法。41 综合法: 根据试验法、 类比法或逆算法结果综合确定参数取值。五、 滑坡稳定性分析11 模糊综合评判法21 层次分析31 神经网络法41
10、概率分析法51 极限平衡法:传递系数法;Sa rm a 法; B ishop 法; F e llen iu s 法; J an b u 法;楔形体法; 平面滑动;61 数值分析: 有限元; 离散元; 边界元; 动力学稳定性分析; 突变理论分析; 渗流分析;六、 滑坡治理措施与方案优化在滑坡治理工程中, 设计是核心, 监测是手段, 施工是保证。 一个加固治理方案设计是否合理, 决定了滑坡治理工程的成败。 怎样判断设计方案是否合理呢? 笔者认为有两条 标准: 第一是能保证加固后滑坡的稳定及周围环境的安全; 第二是工程造价最低。 这两条 标准表面看来是相互矛盾的, 实际并不冲突。 举例来说, 对一个
11、滑坡工程, 不同的设计人 员完全可以拿出不同的设计方案, 但这些方案中, 有的工程安全性得不到保证, 应予否定;有的工程安全性可以得到保证, 但造价太高不是最优方案。这时应进行方案比较、论证,中择取最佳方案或重新设计。11 常用滑坡治理工程措施 (表 3)从表 3 常用滑坡治理工程措施Tab13 En g in eer in g m ea surem en ts of lan dsl ide trea tm en t21 排水工程(1)(2) (3)地表排水: 截水沟; 排水沟;地下排水: 浅层排水、 盲沟等; 深层排水; 截水;立体排水系统31 抗滑工程( 1) 抗滑挡墙: 加筋挡墙; 锚定
12、板挡墙; 预应力锚索 挡墙; 锚杆挡墙; (2) 抗滑桩: 大截面排式抗滑单桩; 抗滑链; 钢管桩; 承台式抗滑桩; 抗拱墙; 桩基挡墙; 椅式挡墙; 排架式抗滑桩; 抗滑刚架桩; 板桩抗滑桩; 锚固桩;图 2 土钉加固示意图F ig12 So il na il re in f orcem en t d iagram41 锚固工程: 锚杆;51 土质改良: 注浆;61 新的加固方法锚索; 土钉墙; 喷锚支护;微型桩;( 1) 土钉加固技术: 土钉 (图 2) 是由被加固土体、锚固于岩土体中的土钉群和面板组排水工程抗滑工程土质改良减重、 反压其它工程地表排水地下排水地表截水沟树 枝状排水沟、 夯
13、实、 植被、 锚喷、 灌浆盲沟、 截水渗沟、 地下隧洞、垂直钻 孔、水平钻孔、集 水井、 地下截水、 立体排水重力挡墙、加筋 挡墙、 抗滑桩、 锚拉桩、 锚杆 锚索、 土钉墙、 喷锚支护、抗滑 键、 抗滑明硐注浆 微型喷灌桩 焙烧法 电渗法 振动固结 化学加固削方减荷 反压加载河岸防护 排气工程成以此抵挡土压力或其他附加荷载, 从而保持岩土体的稳定。土钉支护是近年发展起来用于岩土体开挖和边坡稳定的一种新的加固技术。 由于经济 可靠, 且施工快速简便, 已在大量工程中得到应用。(2) 微型喷灌桩+ 抗滑桩 (锚杆锚索) : 牵引段及主滑段尾部用微型喷灌桩处理, 提 高 土体的强度及滑动段的抗剪强
14、度, 减少滑坡推力。 主滑段前缘用抗滑桩 ( 或锚杆与锚 索) 加固 (图 3)。( 3) 短锚杆+ 长锚索: 短锚杆防止局部倾倒崩塌, 长锚索控制整体滑移 (图 4)。 这样 可充分发探各自的特点与作用, 达到降低工程造价之目的。图 3 微型喷灌桩 + 抗滑桩加固示意图F ig13 M icro- spray p ile an d an t i- sl id in g p ile d iagram图 4 短锚杆+ 长锚索加固示意图F ig14 D iagram show in g re in f orcem en t by shor t bo lts an d lon g bo lt rop
15、e s71 优化设计方法(1) 设计思想: “最优化设计”是在现代化计算机广泛应用的基础上发展起来的一项新技术。是根据最优化原理和方法综合各方面的因素,方式, 在计算机上进行的半自动或自动设计, 以选出在现有工程条件下的最好设计方案的 一种现代设计方法。 其设计原则是最优设计; 设计手段是电子计算机及计算程序; 设计方法是采用最优化数学方法。实践证明, 利用优化设计方法和计算机, 可使设计周期大大缩短, 设计效率大大提高。 已有资料表明, 优化设计方法可比传统设计方 法节约 5% 10% 的资金。在保证稳定性的前 提下, 通过方案优化选择, 方案具体布置细节 优化, 最大限度地降低工程造价。设
16、计思想见 图 5。在设计过程中, 要特别重视因素敏感性分析,以人机配合的方式或用“自动搜索”的图 5 优化设计思想F ig15 Though t f or op t im a l de s ign以便抓住滑坡主要控制因素, 有的放矢重点治理。 如通过敏感性分析发现水是主要诱发因素, 则在治理方案设计时, 应重点放在对水的治理上。此外, 通过勘察确定突破性关键部位也是很重要的, 这样可使治理方案 更具针对性, 降低工程造价。(2) 设计过程: 滑坡加固方案的选择是 个最优决策问题。滑坡加固方案受技术、经 济、地质条件、施工条件、工程目的等因素 的制约, 因此, 应首先根据地质条件、施工 条件、
17、工程目的等因素设计加固的几种方 案, 并给出各方案的经济、技术等指标, 设 计过程如下 (图 6) :图 6 优化设计过程框图F ig16 Fram e f or op t im a l de s ign proce ss七、 边坡工程监测技术与信息化施工11 监测系统的设计原则( 1) 3R 原则: 即精度、 坚固性、 可靠性; (2) 多层次监测原则; (3) 重点监测关键区 的原则; (4) 方便实用原则; (5) 经济合理原则。21 信息化施工技术(1) 信息采集: 信息采集系统是通过设置于加固结构体系及与其相互作用的岩土体和 相邻建筑物中 (或周围环境) 的监测系统进行工作的, 以便
18、获取如下信息: 加固结构的 变形; 加固结构的内力; 岩土体变形; 锚索锚杆变形与应力; 相邻建筑变形。(2) 信息处理与反馈: 采集到的数据应及时进行初步整理, 并清绘各种测试曲线以便 随时分析与掌握加固结构的工作状态, 对测试失误原因进行分析, 及时改进与修正。 信息的反馈主要通过计算机, 输入初步整理的数据, 用预测程序进行系统分析。 根据处理过的信息, 定期发布监测简报, 若发现异常现象预示潜在危险时应发布应急预报, 并应迅速通报设计施工部门进行研究, 对出现的各种情况作出决策, 采取有效的措施, 并不断完善与优化下一步设计与施工。 信息化施工技术框图见图 7 示。(3) 信息施工技术
19、内容: 其内容可归纳为以下几点: 对加固结构体系设计方案全过程 进行反演和过程优化; 预测各因素对加固体系的影响及其权重和后果分析; 作出施工 方案可行性和可靠性评估; 随施工过程作出风险评估和失控分析; 提供决策依据, 并提出采取的措施。八、 边坡工程加固实例11 沈阳抚顺输油管线边坡加固沈阳抚顺输油管线途经一人工开挖边坡, 坡高 23 m , 加固前, 边坡局部已开始崩塌。若边坡破坏, 输油管线破裂, 将造成直接经济损失数 10 亿元。该边坡岩性为花岗岩残积土,图 7 信息化施工技术框图F ig17 Techn ica l d iagram of in f orm a t ion ba s
20、ed con struc t ion该类土无水时较硬, 遇水时较软。原设计方案采用排桩+ 锚杆, 造价约 210 万元。 经充分研究讨论和方案优化, 加固方案采用土钉,钉长 1 4 m ,水平间距 112m , 垂直间距 115 m , 坡面、坡顶、坡脚喷射混凝土做防水处理。 为确保万无一 失, 输油管线用长 5 m 的地基梁处理。加固 造 价 80 万 元, 较 原 设 计 节 约 130 万元。加固设计方案见图 8 示。 施工完成 已近 2 a 时间, 加固后的边坡一直处于稳定状态, 证明设计方案合理、 可靠。21 老虎嘴滑坡岩土工程治理图 8 沈阳抚顺输管线边坡加固F ig.8Slope
21、 re in f orcem en t a lon gShen gyan g- Fushun O il P ipe l in e某建材厂处于山前地段, 因场地整平而开挖坡脚, 使其西北端老虎嘴山体多次产生滑动, 虽厂方多次进行了支挡处理, 但该滑体仍有明显的移动迹象, 并使滑体前的混凝土挡 墙被剪断。目前该滑坡体的范围已达 (20090) m 2 , 严重危机坡脚附近厂房的安全。该滑体地处老虎嘴向斜的核部地段,滑体后缘至前缘的高差约 50 m 。下伏基岩为褐黄色软质砂页岩, 为强风化岩层。上覆土层厚度 15 m 左右, 土层由粉质粘土和粘土含碎石、块石组成。滑坡呈多级台阶状, 后缘有多处张裂缝
22、, 滑体前缘具明显的推挤滑动迹象, 具体滑坡形态见图 9。按其受力状态划分, 滑坡属典型的牵引式滑坡。 根 据 该 滑 体 各 滑 段 的 不同特征, 以及引起滑坡的 各滑段的主导因素, 应采取图 9 滑体主滑线剖面及加固示意图F ig19 D iagram show in g m a in sl id in g sec t ion of sl id in g m a ss an d re in f orcem en t“对症下药”式的优化综合治 理。 治理的基本原则是:在主滑段前缘及抗滑段, 采用抗滑工程。 在牵引段及主滑段尾部, 主要是提高土体及滑动带上的力学强度及其自稳能力, 并做好排水
23、工作。滑体加固方案见图 9。与原准备单纯采用抗滑桩的方案比较, 节约经 费 90 余万元。参考文献秦四清等编著. 深基坑工程优化设计. 地震出版社, 1998李功伯, 谢建清等编著. 滑坡稳定性分析与工程治理. 1997金国强, 万凯军. 某建材厂老虎嘴滑坡岩土工程治理方法的探讨. 湖北省地质学会水工环学术年会交流论文, 1998123O p t im a l D e s ign an d In f orm a t ion Con struc t ionof L an d sl ide En g in eer in g Trea tm en tQ in S iq in g(En g in ee
24、r in g Geom echan ic s L abora tory, In st itute of Geo logy, CA S, Be ij in g,100029)A bstra c t E x ist in g p ro b lem s o f cu r ren t lan d slide t rea tm en t an d p ro ce ssin g tech n ica l ro u tea re p re sen ted in th e p ap e r. T ech n ica l m e tho d an d op t im a l de sign tho u gh t
25、 o f lan d slide t rea t2 m en t a re dea lt w ith an d n ew m e tho d s o f lan d slide re in fo rcem en t a re su gge sted. It is em 2 p h a sized th a t th e op t im a l de sign an d in fo rm a t io n - b a sed co n st ru c t io n a re im po r tan t to lan d slide t rea tm en t.Key W ord slan d slideen g in ee r in g t rea tm en top t im a l de sign in fo rm a t io n - b a sed co n st ru c t io n
