地质灾害治理设计内容
1.崩塌、滑坡、泥石流灾害防治
中国是崩塌、滑坡、泥石流灾害十分严重的国家之一,在全国,除了上海及个别省区外,均不同程度地受到崩塌、滑坡、泥石流的危害。斜贯中国中部的川滇山地、鄂西山地、秦岭、黄土高原、燕山山地、辽东山地等是受灾最为严重的地区,西部和西北部的阿尔泰山、天山、祁连山、青藏高原部分地区,也是崩塌、滑坡、泥石流灾害的多发、易发地区。已有资料表明,崩塌、滑坡、泥石流是我国常见地质灾害中分布最为广泛、影响最大的灾种,全国共发育特大型崩塌51处、滑坡140处、泥石流149处;大型崩塌3000多处、滑坡2000多处、泥石流2000多处;中小型崩塌、滑坡、泥石流达40多万处。全国有350多个县的上万个村庄、100多个大型工厂、55座大型矿山、3000km以上的铁路受崩塌、滑坡、泥石流的严重危害。
作为地质灾害的主要灾种,崩塌、滑坡、泥石流具有突发性强,分布范围广,具有一定的隐蔽性,每年都造成巨大的经济损失和人员伤亡,已成为国民经济建设及社会发展的严重制约因素。据统计,因崩塌、滑坡或泥石流灾害造成的损失约占常见地质灾害损失的70%~80%。国土资源部2008年发布的《全国地质灾害防治“十一五”规划》中划分的16个地质灾害重点防治区中,除珠江三角洲地面沉降地面塌陷重点防治区、长江三角洲地面沉降重点防治区、华北平原地面沉降重点防治区以外,其余13个重点防治区均要求对崩塌、滑坡或泥石流灾害进行重点防治。
根据我国地质灾害发育特点,以及地质灾害防治工作重点,本着教学为生产服务的宗旨,本教材在安排地质灾害治理设计案例时,拟以崩塌、滑坡、泥石流灾害的防治案例作为学生实训的基本要求,要求学生通过本课程的学习,能运用所学的地质灾害防治基本理论、方法、手段,进行崩塌、滑坡、泥石流灾害的治理工程设计。
2.其他地质灾害防治
我国地质灾害发育具有地区之间的差异性,表现为地势阶梯特征明显:第一阶梯(海拔4000m以上),冻融、泥流等灾害发育;第二阶梯(海拔为1000~2000m)与第一阶梯过渡地带,以崩塌、滑坡、泥石流等灾害为主;东部广大平原、盆地为第三阶梯,地面沉降、地面塌陷、淤积等灾害为主。
考虑到我国地质灾害发育的上述地域性差异,有的学生毕业后可能在非滑坡、泥石流高发区工作,因此,在安排地质灾害治理技术实习时,可作如下调整:
1)针对我国第一阶梯地质灾害发育特点,冻融灾害属于特殊土灾害问题,特殊土灾害在《地基处理》课程的教学中,对各种地基处理方法的设计进行了较详尽的介绍,可供参考。
2)针对我国第二阶梯的地质灾害发育特点,即以地面沉降、塌陷、淤积等灾害为主,由于地面沉降灾害的防治重在预防、治理难度大、且效果并不明显,实际工作中对于地面沉降的治理任务较少,因此,为适应第二阶梯广大地域的地质灾害防治工作需要,有必要考虑的实训主要是地面塌陷的治理。各院校在安排实训时,可以根据实际需要,另行考虑是否增加地面塌陷治理设计的实训。
1、滑坡产生的原因
大坝的临水面与背水面坝坡均有发生滑坡的可能,因其所处位置不同,产生滑坡的原因也不同,现分述如下。
(1)临水面滑坡的主要原因
①坝脚滩地迎流顶冲坍塌,崩岸逼近坝脚,坝脚失稳引起滑坡。
②水位消退时,坝身饱水,容重增加,在渗流作用下,使堤坡滑动力加大,抗滑力减小。坝坡失去平衡而滑坡。
③汛期风浪冲毁护坡,浸蚀坝身引起的局部滑坡。
(2)背水面滑坡的主要原因
①坝身渗水饱和而引起的滑坡。通常在设计水位以下,坝身的渗水是稳定的,然而,在汛期洪水位超过设计水位或接近设计水位时,坝身的抗滑稳定性降低或达到最低值。再加上其他一些原因,最终导致坡。
②在遭遇暴雨或长期降雨而引起的滑坡。汛期水位较高,坝身的安全系数降低,如遭遇暴雨或长时间连续降雨,坝身饱水程度进一步加大,特别是对于已产生了纵向裂缝(沉降缝)的坝段,雨水沿裂缝很容易地渗透到大坝的深部,裂缝附近的土体因浸水而软化,强度降低,最终导致滑坡。
③坝脚失去支撑而引起的滑坡。平时不注意坝脚保护,更有甚者,在坝脚下挖塘,或未将紧靠坝脚的水塘及时回填等,这种地方是大坝的薄弱地段,坝脚下的水塘就是将来滑坡的出口。
2、大坝滑坡的预兆
汛期堤防出现了下列情况时,必须引起注意。
(1)坝顶与坝坡出现纵向裂缝
汛期一旦发现坝顶或坝坡出现了与坝轴线平行而较长的纵向裂缝时,必须引起高度警惕,仔细观察,并做必要的测试,如缝长、缝宽、缝深,缝的走向以及缝隙两侧的高差等,必要时要连续数日进行测试并做详细记录。出现下列情况时,发生滑坡的可能性很大。
①裂缝左右两侧出现明显的高差,其中位于离坝顶中心远的一侧低,而靠近坝中心的一侧高。
②裂缝开度继续增大。
③裂缝的尾部走向出现了明显的向下弯曲的趋势。
④从发现第一条裂缝起,在几天之内与该裂缝平行的方向相继出现数道裂缝。
⑤发现裂缝两侧土体明显湿润,甚至发现裂缝中渗水。
(2)坝脚处地面变形异常
滑坡发生之前,滑动体沿着滑动面已经产生移动,在滑动体的出口处,滑动体与非滑动体相对变形突然增大,使出口处地面变形出现异常。
①坝脚下或坝脚下某一范围隆起。可以在坝脚或离坝脚一定距离处打一排或两排木桩,测这些木桩的高程或水平位移来判断坝脚处隆起和水平位移量。
②坝脚下某一范围内明显潮湿,变软发泡。
3、临水面滑坡的抢护方法
(1)临水面滑坡抢护的基本原则
抢护的基本原则是:尽量增加抗滑力,尽快减小下滑力。具体地说,“上部削坡,下部固坡”,先固脚,后削坡。
(2)临水面滑坡抢护的基本方法
汛期临水面水位较高,采用的抢护方法,必须考虑水下施工问题。
①增加抗滑力的方法
a、做土石戗台。在滑坡阻滑体部分做土石戗台,滑坡阻滑体部位一时难以精确划定,最简单的办法是,戗台从坝脚往上做,分二级,第一级厚度1.5~2.0m,第二级厚度1.0~1.5m。采用本抢护方案的基本条件是:坝脚前未出现坍塌险情,坝脚前滩地是稳定的。
b、做石撑。当做土石戗台有困难时,比如滑坡段较长,土石料紧缺时,应做石撑临时稳定滑坡。该法适用于滑坡段较长,水位较高。采用此法的基本条件与做土石戗台的基本条件相同。石撑宽度4~6m,坡比1:5,撑顶高度不宜高于滑坡体的中点高度,石撑底脚边线应超出滑坡下口3m以远。石撑的间隔不宜大于10m。
c、坝脚压重,保证滑动体稳定,制止滑动进一步发展。滑坡是由于坍塌而引起的,那么,首先要制止坍塌的继续发展,最简单的办法是堤脚抛石块、石笼、编织袋装土石等抗冲压重材料,在极短的时间内制止崩岸与坍塌进一步发展。
②背水坡贴坡补强
当临水面水位较高,风浪大,做土石戗台、石撑等有困难时,应在背水坡及时贴坡补强。贴坡的厚度应视临水面滑坡的严重程度而定,一般应大于滑坡的厚度,贴坡的坡度应比背水坡的设计坡度略缓—些。贴坡材料应选用透水的材料,如沙、沙壤土等。如没有透水材料,必须做好贴坡与原堤坡间的反滤层,以保证堤身在渗透条件不被破坏。背水坡贴坡的长度要超过滑坡两端各3m以上。
4、背水面滑坡的抢护方法
(1)险情说明
当坝背水坡发生严重散浸,没有及时处理,时间拖久,则在散浸坝段的坝顶或内肩、内坡,发生向坝脚下挫的弧形裂缝,随着土壤结构被破坏,内坡就整块的向下滑动,形成滑动部分下挫,坡脚土壤上鼓的险象。有时仅是独坡滑动,有时也会推动坡脚土层一起滑动。
(2)原因分析
背水侧脱坡与散浸有联带关系,散浸严重的坝段,坝坡浸水饱和,土的抗剪强度降低,坝坡稳定破坏,兼坝脚基础虚软,又临水塘湖沼,阻滑力减弱,当它不能支持堤坡滑动土体时,就产生脱坡。
(3)抢护原则
产生背水侧脱坡的主要原因是渗水降低了坝坡土体的抗剪强度。所以抢护原则是首先消除已滑动的坝坡中的渗水,部分恢复滑动土体的抗剪强度,使坝坡稳定,再进行还坡加固。
(4)抢护方法
抢护脱坡的基本方法是开沟导渗,填塘固基,加土还坡,外帮截渗。同时结合具体情况,因地制宜,分别用不同方法加以处理。
在这里应当指出,有些地方采用打桩方法抢救脱坡,是不妥当的。它不但不能抵抗滑坡土体所产生的巨大推力,反而容易促使滑坡发展。现将几种常用效果显著的抢救方法列述如下:
①透水土撑
应用范围:若脱坡坝段,范围较大,可沿脱坡坝段做若干透水性土撑。具体尺寸可根据具体情况而定。
施工方法:
a、在筑土撑部位,将脱坡松土削成斜坡后挖沟,在沟内放置滤水材料,如砂石、砖渣等。
b、若坝基不好,土撑坡脚要抛石或用袋土固脚,但应注意不要将沟内渗水阻塞。
c、土撑宽度要看水情、险情与取土难易而定。一般宽度5~8米,坡比1:5,撑顶高度一般在洪水位以下0.5-1.0米。
d、填土要打碎,夯实。
②透水压浸台
应用范围:
大坝断面不足,脱坡严重,附近有土可取,缺乏砂石之处。
施工方法:
a、做法与透水土撑相同。但在布置上透水压浸台是全面修筑,而透水土撑是分段修筑。
b、同散浸透水压浸台的施工方法。
③外帮
背水脱坡严重,范围又较广,在坝后抢筑透水压浸台、开沟导渗等工程,需要时间。如临水侧坝脚有滩,在抢护背水坡的同时,可在临水侧加做粘土外帮,以减少渗水,缓和险情,便于争取时间,完成内坡抢护工作。
(一)植物防护的原理
植物防护技术是利用植物涵水固土的原理稳定表层岩土,美化生态环境的一种新技术,是综合岩土工程、恢复生态学、植物学、土壤肥料学等多学科于一体的复合工程技术。它是通过种植草、灌木、树,或铺设工厂生产的绿化植生带等加固表层岩土体、防止岩石风化、减轻地表水入渗和冲刷,达到防止表层崩塌或滑坡的目的。适用于浅层崩塌或滑坡的防治以及治理工程实施后的环境恢复和美化。
植物防护技术具有力学锚固效应、水文效应和生态效应等多方面的作用。
1.植物的锚固效应
(1)深根的锚固作用
植物的垂直根系穿过坡体浅层的松散风化层,锚固到深处较稳定的岩土层上,起到锚固作用。小灌木、豆科植物在地下0.75~1.50m深处有明显的土壤加固作用,树木根系的锚固作用可影响到地下更深的岩土层。试验表明,根的直径越细,其抗拉强度越高,直径2~5mm的各种类型的根,其抗拉强度为8~80MPa。
(2)浅根的加筋作用
在基质及土体中盘根错节的根系,使基质及土体在其延伸范围内成为土与草根的复合材料,草根可视为三维加筋材料。
2.植物的水文效应
(1)降低坡体孔隙水压力
降雨是诱发崩塌、滑坡失稳的重要因素之一。植物通过吸收和蒸腾坡体内的水分,可降低土体的孔隙水压力、增加土体内聚力、提高土体的抗剪强度,有利于坡体的稳定。
(2)截留降雨、削弱溅蚀、控制水土流失
一部分降雨在到达坡面之前被植物截留,可以削弱雨水溅蚀坡面土体的动能,防止片蚀、沟蚀的出现,从而控制水土流失的发展。通常情况下,土体流失量随植被覆盖率的增加而锐减。
3.植物的生态效应
密集的植物根系呈网状分布于土壤中,其分泌出的具有胶结作用的分解产物有助于防止坡体岩石的风化剥落。同时,根茎的腐烂分解为土壤微生物增加了碳、氮和其他生物养分,有助于生态环境的恢复。
不同植物对坡面的防护效果也不同。草本植物属于水平根型,主根不发达,侧根或不定根相对发达,并向四周扩展,根系多分布于土壤表层,即主根扎入土体不深,故其护坡作用主要表现为增强坡面的抗冲刷性能。木本植物属于垂直根型,主根发达,可扎入土体深层,其力学作用相当于以主根为轴向、侧根为分支的全长粘结型锚杆,故其固坡效果十分显著。
此外,植物的固坡作用效果还取决于边坡类型(主要是边坡岩土体结构特征)与所选植物的匹配关系。二者匹配良好,则植物的固坡作用显著;反之,则固坡作用微弱。
(二)植物种类选型设计
1.选型原则
科学地选择适宜于边坡的植物种类是建立坡面植物群落的重要工作之一。不同的植物具有各自不同的基因特性,因而表现出对环境条件的不同适应性,护坡植物种类的选择应遵循以下原则:
1)适应当地的气候条件;
2)适应当地的土壤条件(水分、pH值、土壤性质等);
3)具有较强的抗逆性(抗旱性、抗热性、抗寒性、抗病虫害等);
4)生长快、根系发达;
5)种子易得、成本合理。
2.选择依据
(1)气候条件
光照、气温、湿度、降水、风等气候条件都影响植物的生长发育,但在选择边坡植物时,主要应考虑的气候因素是气温和降水。
(2)土壤条件
土壤的厚度、成分、肥力、结构、酸碱性、盐碱性等与植物的生长发育密切相关,决定着植物能否正常生长,其中尤为重要的因素是土壤的肥力、结构、pH值等。
(3)种植目的
用于崩塌或滑坡防护的植被,主要目的是固土护坡、防止水毁及美化环境。因此,要求植物的根系深并能快速地覆盖地表。
3.植物种类的气候区划类型
我国各大地区常用的护坡植物见表2-26。
表2-26 我国各大地区主要可用的护坡草坪植物
气候区划是在气候分类的基础上,将不同气候类型的地域分布加以区分,寻找不同气候类型分布的范围和分区界线。植物生长要求的生态条件很多,从气候因子来看主要是热量,包括年平均气温、最冷月气温、最热月气温、温差、无霜期;其次是水分,按年降水量进行度量,草坪草的气候区划就是以上述气候生态条件作为基础,按照草坪草对气候生态因子的要求,选择最适草种。
(三)典型的植物护坡技术设计
1.铺草皮护坡
铺草皮是较常用的一种护坡绿化技术,是将培育的生长优良健壮的草坪,用平板或起草坪机铲起,运至需要绿化的坡面,按照一定大小、规格重新铺植,使坡面迅速形成草坪的护坡绿化技术,草皮应选择根系发达,茎矮叶盛的耐旱草种,如白茅草、假俭草、绊根草等。
铺草皮护坡具有成坪时间短、护坡见效快、施工季节限制少和前期管理难度大的特点。
(1)适用条件
根据铺草皮护坡在国内不同地区、不同类型边坡的应用经验,初步确定其适用条件包括以下方面。
1)应用地区:各地区均可应用,但在干旱、半干旱地区应保证养护用水的持续供给。
2)崩塌或滑坡体所处边坡状况:各类土质边坡均可应用,强风化岩质边坡也可应用。其坡率一般不超过1∶1,局部不陡于1∶0.75,坡高一般不超过10m。由于铺草皮只是起表面防护作用,因此边坡自身必须稳定。
3)施工季节:春季、夏季和秋季均可施工,一般以春秋两季最为适宜。
(2)铺草皮护坡的施工方法
铺草皮护坡的施工工序为:平整坡面→准备草皮→铺草皮→前期养护。
1)平整坡面:清除坡面所有石块及其他一切杂物,翻耕20~30cm,若土质不良,则需改良,增施有机肥,耙平坡面,形成草皮生长床,铺草皮前应轻振1~2次坡面,将松软土层压实,并洒水润湿坡面。理想铺草皮的土壤应湿润而不是潮湿。
2)准备草皮:在草皮生产基地起草皮。起草皮前一天需浇水,这有利于起卷作业,同时也保证草皮卷中有足够的水分,不易破损,并防止在运输过程中失水。草皮切成30cm×30cm大小的方块,或30cm×200cm的长条形,草皮块厚度2~3cm。为保证土壤和草皮不破损,起出的草皮块放在用30cm×30cm的胶合板制成的托板上,装车运至施工现场。长条形的草皮块可卷成地毯卷,装车运输。
3)铺草皮:铺草皮时,把运来的草皮顺次平铺于坡面上,草皮块与块之间应保留5mm的间隙,以防止草皮块的运输途中失水干缩,遇水浸泡后出现边缘膨胀,块与块之间的间隙应填入细土。铺草皮时应避免过分地伸展和撕裂。在每块铺好的草皮4个角用尖桩固定。尖桩为木质或竹质,长20~30cm,粗1~2cm。钉尖桩时,应使尖桩与坡面垂直,尖桩露出草皮表面不超过2cm。待铺草皮告一段落后,用木锤把草皮全面拍一遍,以使草皮与坡面贴紧。在坡顶及坡边缘铺草皮时,草皮应嵌入坡体内,与坡缘衔接处应平顺,以防水流沿草皮与坡面的间隙渗入使草皮下滑。草皮应铺过坡顶肩部100cm或铺至天沟,坡脚应作砂浆抹面处理。
为节约草皮,利用草坪分孽和匍匐茎蔓延的特点,也可采用间铺法和条铺法。
间铺法:草皮块可切成正方形或长方形,铺装时按一定的间距排列,如棋盘式、铺块式等。此种方法铺草皮时,要在平整好的坡面上,按照草坪形状和厚度,在计划铺草皮的地方挖去土壤,然后镶入草皮,必须使草皮块铺下后与四周相平,经过一段时间后,草坪匍匐茎向四周蔓延直至完全接合,覆盖坡面。
条铺法:将草皮块切成6~12cm宽的长条,两块草皮条平行铺装,其间距为20~30cm。铺装时,在平整好的坡面上,按草皮的宽度和厚度在计划铺草皮的地方挖去土壤,然后镶入草皮,保持草皮与四周坡面相平。经过一段时间后,草皮即可覆盖坡面。
4)前期养护:①洒水:草皮从铺装到适应坡面环境健壮地生长期间,每天都要及时进行洒水,每次洒水量以保持土壤湿润为原则,每天的洒水次数视土壤湿度而定,直至出苗成坪。②防治病虫害:当草苗发生病害时,应及时使用杀菌剂防治病害,常用喷射药剂有代森锰锌、多菌灵、百菌清、福美霜等。在使用杀菌剂时,应掌握适宜的喷洒浓度。为防止抗药菌丝的产生,使用杀菌剂时,可以用几种效果相近的杀菌剂交替或复合使用。对于常发生的虫害如地老虎、蝼蛄、蛴螬、草地螟虫、粘虫等,可进行生物防治和药物防治相结合的综合防治方法,常用的杀虫剂是有机磷化合物杀虫剂。③追肥:为了保证草苗茁壮成长,有条件时可根据草皮生长需要及时追肥。
2.液压喷播植草护坡
液压喷播植草是将草种、木纤维、保水剂、粘合剂、肥料、染色剂等与水的混合物通过专用喷播机喷射到预定区域建植草坪的高效绿化技术。由于喷出的含有草种的黏性悬浊液具有很强的附着力和明显的颜色,喷射时不遗漏、不重复,可以均匀地将草种喷播到目的位置。在良好的保湿条件下,草种能迅速地生长发育成为新的草坪。因此,液压喷播植草是一种高速度、高质量和现代化的绿化技术,此项技术被广泛应用于公路、铁路和水利工程等边坡绿化工程。
(1)适用条件
根据液压喷播植草护坡在国内不同地区、不同类型边坡的应用经验,初步确定其适用条件如下:
1)应用地区。各地区均可应用,但在干旱、半干旱地区应保证养护用水的持续供给。
2)崩塌或滑坡体所处边坡状况。各类土质边坡均可应用,土石混合边坡经处理后方可采用。其坡率一般为(1∶1.5)~(1∶2.0),当坡率超过1∶2.5时应结合其他方法使用。每级坡高一般不超过10m,同时要求边坡自身必须稳定。
3)施工季节。施工季节一般以春秋两季较为适宜,应尽量避免在暴雨季节施工。
(2)施工方法
液压喷播植草护坡的施工工序为:平整坡面→施工排水设施→喷播→盖无纺布→前期养护。
1)平整坡面。交验后的坡面,采用人工细致整平,消除所有的岩石、碎泥块、植物、垃圾。对于填土土质条件差,不利于草种生长的坡面采用回填改良客土,厚度为50~75mm,并用水润湿让坡面自然沉降至稳定。若pH值不适宜,尚需改良其酸碱度,土壤pH值的改良一般在播种前一个月进行,以增加改良效果。
2)施工排水设施。排水系统的设置是否完善和合理直接影响边坡植草的生长环境。对于长大边坡,坡顶、坡脚及平台均需设置排水沟,并应根据坡面水流量大小考虑是否设置坡面排水沟。一般坡面排水沟横向间距为40~50m。
3)喷播。按设计比例配置草种、木纤维、保水剂、粘合剂、肥料、染色剂及水的混合料,并通过喷播机均匀地喷播于坡面。建议配合比为每平方米用水4000mL,纤维200g,粘合剂(纤维素)3~6g,保水剂、复合肥及草种视具体情况而定。
4)盖无纺布。雨季施工,为使草种免受雨水冲失,并实现保温保湿,应加盖无纺布,促进草种的生长,也可采用稻草、秸秆编织席覆盖。
5)前期养护。主要包括①洒水:用高压喷雾器将养护水成雾状均匀地湿润坡面,注意控制好喷头与坡面的距离和移动速度,不要产生高压射流破坏坡面。养护期视坡面植被生长状况而定,一般不少于45天。②防治病虫害:定期喷广谱药剂,及时预防各种病虫害的发生。③追肥:为了保证草苗生长,应根据植物生长需要及时追肥。④及时补播:草种发芽后,应及时对稀疏或无草区进行补播。
上述介绍的两种典型植物护坡技术具有设计简单,可操作性强,成本低廉的特点,因而被广泛应用于我国各类边坡工程的坡面防护。除此之外,还有许多植物护坡技术,如植被混凝土绿化护坡、三维植被网护坡、挖沟植草护坡、骨架植被护坡、钢筋混凝土框架植草护坡、预应力锚索框架地梁植被护坡技术等。在此应说明的是,植物防护一般不作为滑坡稳定性计算因素参与设计,仅在表层土体滑塌和美化环境中加以考虑,并且多与格构、格栅等防护工程结合使用;在顺层滑坡、残积土滑坡中,采用植树等植物防护措施,需论证由于植物根系与水的作用加剧顺层或沿基岩顺坡滑动的可能性。
小 结
本章的学习重点是排水工程、重力式挡墙、削方减载、前缘回填压脚、植物防护的设计与施工,难点是锚杆锚索、抗滑桩的设计与施工。可用于崩塌与滑坡治理的工程措施很多,在实际工作中,应根据具体情况,选择其中的一种或几种工程措施组成多个设计方案,并经方案比选后再进行防治工程的施工。抗滑桩的施工成本相对较高,工期较长,且设计的难度也相对较大,对于中小型滑坡一般较少采用。
复习思考题
1.崩塌与滑坡的防治工程措施有哪些?
2.锚杆有哪些类型?锚杆用于加固边坡时应如何进行设计?
3.预应力锚索的破坏形式有哪些?锚索的预应力损失有哪几种?
4.预应力锚索的施工包括哪些工序?
5.抗滑桩的破坏形式有哪些?如何进行抗滑桩的抗剪和抗弯验算?
6.抗滑挡土墙与一般挡土墙有什么区别?
7.在重力挡土墙设计时应进行哪些验算?
8.如何布设用于滑坡治理的地表排水工程?地下排水工程主要有哪些?
9.如何进行削方减载和回填压脚的设计?
10.在崩塌与滑坡治理中如何进行植物防护工程设计?