地质力学学报  2014, Vol. 20 Issue (3): 243-253
引用本文
孙萍, 吴树仁. 香港工程边坡防治进展概述[J]. 地质力学学报, 2014, 20(3): 243-253.
SUN Ping, WU Shu-ren. SUMMARY ON THE PREVENTION PROGRESS OF ENGINEERING SLOPE IN HONG KONG[J]. Journal of Geomechanics, 2014, 20(3): 243-253.
香港工程边坡防治进展概述
孙萍1,2 , 吴树仁1,2     
1. 国土资源部新构造运动与地质灾害重点实验室, 北京 100081;
2. 中国地质科学院地质力学研究所, 北京 100081
摘要:受特殊的丘陵地形、强风化岩石以及季节性强降雨的影响, 香港滑坡时有发生。根据香港土木工程拓展署(CEDD)土力工程处(Geotechnical Engineering Office, GEO)的相关资料, 梳理了香港工程边坡防治进展的历史进程和关键防治技术, 对我国大陆相关工程边坡防治具有一定的参考价值。
关键词香港    降雨    工程边坡    防治技术    
SUMMARY ON THE PREVENTION PROGRESS OF ENGINEERING SLOPE IN HONG KONG
SUN Ping1,2 , WU Shu-ren1,2     
1. Key Laboratory of Neotectonic Movement and Geohazard, Ministry of Land and Resources, Beijing 100081, China;
2. Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081, China
Abstract: Due to the special hilly terrain, strongly weathered rock and the seasonal rainfall, landslide occurs frequently in Hong Kong. According to the relevant data collected from Hong Kong civil Engineering development board (CEDD), the GEO Geotechnical Engineering Office (GEO), the historical process and the key prevention and control technology of engineering slope in Hong Kong are summarized in this paper, which will be valuable to the relevant prevention and control of slope engineering in mainland China.
Key words: Hong Kong    rainfall    engineering slope    prevention and control technology    
0 引言

香港是一个面积约为1100 km2的小岛,仅有15%的陆地被开发。1950年以来,随着经济的迅速发展,人类工程活动也日益增多,受香港特殊地形限制,政府除了在海港两岸积极填海造地外,主要通过大力改造市区内和附近的山坡来获得更多可利用的空间,因此,由人类工程活动导致的边坡也日益增多。特殊的丘陵地形、强风化岩石以及季节性强降雨是导致香港滑坡发生的重要因素。20世纪60年代,香港在斜坡的设计和建造方面几乎没有明确的政策,仅仅是根据以往的经验进行施工,从而导致很多工程边坡不符合规范,在强降雨的作用下极易发生滑坡。

1977年以来,减缓香港老旧工程边坡风险一直是香港特别行政区政府所关注的重要内容之一,具体防治方案主要根据香港特别行政区政府制订的滑坡防治措施计划(Landslip Preventive Measures,简称LPM)实施。2010年开始,LPM被Landslip Prevention and Mitigation Programme(LPMitP)代替,防治目标也从人工斜坡扩展为自然斜坡和人工斜坡[1~3]

1 早期的防治工程

20世纪60年代晚期和20世纪70年代,香港出现了大量的滑坡事故。1966年6月12日,由暴雨导致的多处滑坡对人类居所和道路交通造成了严重的威胁,据统计,滑坡造成64人死亡和48人失踪,超过6000人直接受到滑坡的影响。1972年6月18日,香港秀茂坪滑坡发生,最终导致71人死亡、60人受伤(见图 1a);同年发生的香港宝珊道滑坡也造成了67人死亡、20人受伤(见图 1b)。一系列滑坡事件的发生,促使香港特别行政区政府逐渐重视起斜坡的安全性问题,香港建筑物管理条例办公室(Buildings Ordinance Office,简称BOO)成立了专门的土木工程单元,主要对斜坡和建筑物的风险进行有效防控。1973年,BOO对潜在不稳定斜坡区域开展了初始的研究工作。研究工作包括2个阶段:一是可行性研究阶段,主要通过目测对香港岛和九龙潜在的滑坡风险区域进行定位、编目和调查,该阶段的工作于1974年基本完成;第二阶段主要是香港特别行政区的政府部门,如土木工程处、高速公路处及水工工程处等,对第一阶段调查的潜在危险性斜坡进行详细的设计研究。

图 1 秀茂坪滑坡和宝珊道滑坡[3] Figure 1 The San Mau Ping landslide and the Po Shan landslide

1976年,香港秀茂坪一个高为35 m的路堤再次发生灾难性滑坡事故,滑坡直接造成18人死亡、24人受伤。滑坡发生后,香港特别行政区政府立即组织了包括当地专家和国际专家在内的调查小组对该滑坡进行详细研究,并对香港的斜坡安全问题提出了建议。调查研究表明,此次事故主要是由于路堤填土没有被充分压密导致。考虑到该问题的普遍性,香港特别行政区政府随后对2351个填土斜坡进行了识别和研究,其中670个斜坡被认为可能对公众造成中等危险和高危险。随后,由地下水位升高、地表土饱和、挡土墙破坏等引起的滑坡问题也引起了香港特别行政区政府的关注。1977年,超过8000处人工斜坡、天然斜坡和挡土墙被识别和注册。

考虑到潜在不稳定斜坡可能造成的巨大风险,香港岩土工程控制办公室(Geotechnical Control Office,简称GCO)和岩土工程控制公司(Geotechnical Control Branch,简称GCB)于1977年相继成立,主要负责香港斜坡的调查、设计、施工、监测和维修等一系列工作,其中GCO工作区域主要为政府管辖的斜坡,而GCB则侧重于私人管辖的斜坡。自此,香港斜坡安全有了新的历史转折点。1983年,上述2个部门合并;1991年正式命名为土力工程处(Geotechnical Engineering Office,简称GEO)。

GCO成立后,针对香港斜坡的独特性成立了一套综合的斜坡安全管理系统,其中一个重要的系统为斜坡预防措施计划(Landslip Preventive Measures Programme,简称LPM)。早期,在LPM计划下,GCO每年大约对25个斜坡进行维修,花费3000×104~7000×104 HKD。对于松散填土斜坡,其工程措施主要为动力夯实和挤密砂桩[4];对于不合格的削土切坡,工程措施主要为减缓坡面坡度。

2 20世纪80年代的防治工程

20世纪80年代早期,香港岩土工程控制办公室(GCO)通过大量工作对需要优先治理的工程斜坡和挡土墙进行了筛选,以便加快斜坡防治措施计划。一方面,主要通过对已破坏的砌体挡土墙实例(见图 2)的结构性能进行剖析研究,从而得出合理的防治措施和方案[5];另一方面,主要通过已有斜坡和滑坡进行综合分析,得出较为简单的半经验斜坡稳定性评估指南[6]

图 2 典型砌石墙破坏 Figure 2 A typical damage of masonry wall

1982年暴雨导致的滑坡引起27人死亡,滑坡主要发生在棚户区(见图 3)。与1972年和1976年滑坡灾害相比,伤亡人数明显降低,而且多为孤立事件,几乎没有发生大的滑坡灾害。由此可见,香港特别行政区政府实施的斜坡防治措施计划取得了较好的效果。据统计,20世纪80年代,香港特别行政区政府每年投入经费大约为6200×104 HKD(见图 4),每年大约治理30处斜坡。

图 3 棚户区滑坡 Figure 3 Landslides in shantytowns

图 4 香港滑坡导致的人员伤亡情况 Figure 4 The casualties induced by landslides in Hong Kong
3 20世纪90年代的防治工程

20世纪90年代初期,由滑坡导致的人员伤亡事件明显下降,滑坡对建筑物的影响也明显降低(见图 4),同时,公众对LPM的期望也逐渐增大。随着政府在斜坡安全方面投入的加大,灾难性滑坡事故也越来越少。

1992年5月,香港碧瑶湾发生一起大的滑坡事故,体积巨大的松散堆积体沿着沟谷冲向碧瑶湾(见图 5),造成2人死亡、5人受伤,紧急疏散1500人。此次滑坡事故使政府意识到早期(1977/1978年)的斜坡注册目录并不完整,1977年以前和新形成的很多斜坡都没有包括在内。因此,GEO快速启动了香港地形特征系统调查工程(Systematic Inspection of Features in the Territory,简称SIFT),重点通过航片解译对未注册登记的大规模的斜坡进行重新编目。1994年,GEO开始了为期4年的香港人工边坡调查与编录。截至1998年,总共对54000处斜坡进行了编录。

图 5 碧瑶湾滑坡 Figure 5 The Baguio bay landslide

1993年,香港观龙楼一处建筑下面砌石墙倒塌(见图 6),造成5人死亡、3人严重受伤、临时疏散3900余人的边坡灾害事故。此次边坡事故引起了相当大一部分公众的不满,鉴于此,香港特别行政区政府聘请著名的岩土工程专家Morgenstern N R教授对该起边坡事故进行了细致研究,并针对香港边坡安全问题提出见解。随后,香港特别行政区政府充分采纳了他的建议,主要包括:启动系统的滑坡调查计划,以便为斜坡安全研究提供更为全面的方法;成立边坡安全技术审查委员会,提高边坡风险防治的技术质量。

图 6 观龙楼塌方 Figure 6 The Kwun Lung Lau collapse

1997年,系统的滑坡调查计划全面启动,通过大量调查,不仅提高了人们对于滑坡启动机理的认识,同时也给工程边坡的施工和防治技术提供了可靠的依据。

4 1995—2000年的LPM五年加速计划

20世纪90年代中后期,一些之前设计的边坡发生了破坏,这些工程边坡主要是根据极限平衡方法求得的容许安全系数将边坡控制在一定的坡度范围进行边坡设计。边坡破坏事故凸显了以往边坡设计方法中存在的弱点和不确定性。其中,最为典型的是1997年发生的呈祥道边坡事故(见图 7)[7]和1999年发生的石峡尾滑坡(见图 8)[8]

图 7 呈祥道边坡事故 Figure 7 The Ching Cheung Road slope

图 8 石峡尾滑坡 Figure 8 The Shek Kip Mei landslide

以上2起滑坡事故暴露了以往边坡设计中斜坡调查和评估方面的缺陷,因此,在实际的边坡工程中使用土钉支护、护土结构、加固填土技术和坡脚支护等设计方法已尤为重要。20世纪90年代中期以来,土钉技术在边坡稳定方面得到了广泛应用。1995—2000年间,大约每年有160处斜坡通过土钉加固等技术得到改善,相比之前每年改善50处斜坡高出3倍还多;用于治理斜坡的年度支出经费也比之前增长了7倍,大约每年6×108 HKD。在LPM计划的大力实施下,794处可能对人居、交通要道和人行道造成威胁的不合格斜坡得到了优先改善。

GEO在5年加速计划中通过对不合格人工边坡实施定量风险评估(Quantitative Risk Assessment,简称QRA),香港总的滑坡风险相比1977年降低了50%[9]

5 2000—2010年的LPM十年扩展计划

1998年完成新的斜坡编录后,在大约54000处较大的人工边坡中,65%的人工边坡被认为不合格。作为香港特别行政区政府提高斜坡安全的一个长远战略,LPM在完成五年加速计划后即刻实施了十年扩展计划。该计划的主要目的是对新编录斜坡中的不合格人工边坡进行处理,其中每年大约包括250处政府管理的斜坡以及300处私人管理的人工边坡。通过十年计划,每年治理的斜坡数量由原来的794处提高到了2920处(见图 9);同时,平均每年用于斜坡研究和治理方面的财政支出达到了9.5×108 HKD(见图 10)。

图 9 治理斜坡数量情况 Figure 9 Number of governance slope

图 10 治理斜坡财政支出 Figure 10 Fiscal spending of governance slope

2010年,LPM十年扩展计划圆满完成,总共对3100处政府斜坡和3300处私人斜坡进行了研究和改善。

6 香港工程边坡防治关键技术

资料显示,香港约有60000处人工边坡和自然斜坡。前文已述及,自香港特别行政区政府1976年实施滑坡防治措施计划(LPM)以来,多处不合格边坡已经通过各种先进的设计方法和施工技术得以改善。近年来,在工程边坡防治中应用的技术方法主要包括土钉支护、挡土墙、规范措施、地表排水、景观美化和生物工程等。下文重点介绍土钉支护技术以及地面排水措施。

6.1 土钉支护

20世纪90年代以来,土钉支护技术在边坡防治工程中得到了广泛应用。在过去的十年,香港土力工程处(GEO)通过与研究机构和相关技术人员进行合作研究,取得了一系列有关土钉设计及施工的理论方法和实践经验。

6.1.1 稳定性分析方法

通常,在边坡设计的稳定性计算中多用极限平衡法。然而,该方法对于土钉支护系统的真实应变行为却难以解释。因此,在土钉支护设计中需要采用应力-应变分析方法来评价设计方法的合理性(见图 11a)[10]

图 11 土钉稳定性计算方法 Figure 11 Soil nailing stability calculation method

土钉的倾角对于荷载传递有着重要影响,因此,在边坡设计中如果加大土钉的倾角则会降低土钉的有效性。倾角大的土钉产生的轴向压力对于边坡的稳定性十分不利[11]。土钉之间力的相互作用机理通过极限平衡法难以揭示,2008年,香港科技大学利用先进的土工离心机技术对不同钉头尺寸和不同倾角的土钉进行了物理模型试验研究,取得了较好的成果(见图 11b)。同时,通过开展一系列现场试验也对土钉支护设计方法进行了验证和改善(见图 11c)。

6.1.2 抗拔承载力

土钉的抗拔承载力是土钉支护设计中的一个重要参数。目前,关于土钉抗拔承载力估算的方法并不统一,在工程设计中也有不同的标准和规范。

香港GEO通过参考本地和海外其他国家如美国、日本、英国、法国等在边坡设计中使用的方法,对土钉设计中抗拔承载力的估算进行了总结和分析[12];同时,GEO在当地约900处建筑工地收集了现场拉拔试验数据,数据分析结果显示,现场试验中得到的土钉抗拔承载力值通常比有效应力法计算的数值高出数倍,二者之间的差异主要与实际工程边坡中存在的土拱效应、土的膨胀性能、土的吸力、钻孔表面的粗糙度等多种因素相关。

通过以上研究分析,香港目前在边坡工程中更倾向于采用有效应力法。然而,为了避免较大覆盖层压力作用下土拱效应带来的负面影响,香港岩土指南Geoguide 7中建议在估算土钉的抗拔承载力时将最大的覆盖层压力控制在300 kPa。

6.1.3 耐久性

在土钉支护设计系统中,耐久性是不可忽视的一个方面,土钉的长期性能取决于抵抗周边土体的腐蚀能力。为了更好地了解土钉的耐久性,Shiu和Cheung统计分析了不同国家的研究成果,其中也包括对香港土的化学特性及腐蚀性评估方面的研究[13]。同时,通过挖掘不同时期施工的土钉发现,即便是使用热浸镀锌法处理过的土钉,仍会发生局部腐蚀现象,尤其是水泥浆里存在孔隙时更容易被腐蚀(见图 12)。

图 12 土钉局部腐蚀现象 Figure 12 Local corrosion in soil nailing

2008年,GEO开展了提高土钉抗腐蚀性能研究,总共划分了3个防腐标准。第一级:最小镀锌层为610 g/m2的热浸镀锌加上波纹状的塑料护皮;第二级:最小镀锌层为610 g/m2的热浸镀锌加上2 mm厚的外包钢;第三级:最小镀锌层为610 g/m2的热浸镀锌。根据土的基本物理性质和化学性质,土钉的抗腐蚀性打分标准分为非侵蚀、轻度侵蚀、侵蚀和高度侵蚀4类。

6.1.4 土钉加固

为了克服金属加固带来的腐蚀以及空间限制,一些创新性的非金属材料、不锈钢以及延展性较高的钢线在土钉工程中得到了尝试,野外试验表明这些加固材料可以在土钉施工中代替金属条。

碳纤维加固具有较高的抗腐蚀能力,而且这种材料(见图 13a)较轻,易于安装,尤其是对于狭窄的空间及难以触及的空间更为适用。与金属加固材料相比,这种碳纤维材料具有更高的抗拉强度,但其易碎性及低弯曲性能也应引起重视。不锈钢合金材料也是土钉加固的一种较好的材料,这种材料的优点是具有较好的抗腐蚀能力,然而其延展性却相对较差。除了常用的不锈钢条外,经过高屈服变形的钢条和不锈钢钢条的混合材料(见图 13b)也是土钉加固工程中一种较为理想的材料。通常,在预应力地锚中多使用延展性较高的钢线(见图 13c),由于这种材料延展性好,因此在有限的施工空间更为适用。值得注意的是,由于钢线易于被腐蚀,在施工过程中必须提供较好的防腐蚀措施。

图 13 土钉加固材料 Figure 13 Soil nail reinforcement material
6.1.5 无损检测(非破坏性试验Non-destructive testing)

为了控制土钉的施工安装质量,自从2001年以来,香港GEO已经开展了各种不同的非破坏性试验方法的研究(见图 14),如超声波探伤、充电法、电磁感应法、电阻力法、磁力测定法和时域反射法(TDR)等。试验结果表明,时域反射法在施工过程中是最为经济实用且易于施工的方法[14]

图 14 现场非破坏性试验 Figure 14 Non-destructive test on site
6.2 地表排水

2006年,香港GEO开始对如何改善边坡阶梯形排水沟的水力设计方案展开研究,此项研究工作主要包括对当地和海外相关设计方法的综合分析以及现场试验研究[15]。研究表明,在所有的设计方法中,1994年Chanson[16]提出的方法是最为全面且适用于香港当地条件的一种方法。由于香港边坡的阶梯形排水沟通常比较陡,因此,排水沟必须具有很高的排泄能力。在改进的设计方法中,假定了一个具有高排泄能力的滑行水流条件,且这种假设的合理性也在一系列现场试验中得到证实(见图 15)。随后,在GEO技术规范TGN 27中也公布了这种方法。同时,GEO对1984—2009年间香港极端降雨条件下所测得的实时数据也进行了综合研究,并得出了一套新的与地表排水水力设计相关的降雨强度-持时-频率曲线[17]

图 15 现场排水试验 Figure 15 The site drainage test

目前,香港在边坡地表排水系统的设计中已经提出了一系列估算地表径流的方法,如推理法、时间-面积法、单元水位线法、流量计法和统计方法等。尽管在目前的边坡水力设计中有多种方法,然而这些方法在有些情况下并不能得到很好的实践与应用。GEO开展的滑坡系统调查结果表明,不完善的地表排水措施是导致滑坡发生的一个关键因素。

除了上述边坡防治技术外,GEO对所有新边坡和改造过的政府边坡都进行了大量的美化工程,用以改善边坡外观及美化环境(见图 16);同时,也通过培训、举办会议等措施鼓励私人斜坡业主美化斜坡。

图 16 边坡美化前后对比 Figure 16 Comparison of slopes before and after beautified
7 结语

在过去的大约30年以来,香港特别行政区政府通过实施斜坡防治措施计划LPMP,在边坡防治的理论和实践方面进行了大量系统的调查与研究工作,大大降低了边坡风险,对边坡工程的设计与施工具有很好的参考价值。

致谢:

文中内容主要根据香港土木工程拓展署(CEDD)土力工程处(Geotechnical Engineering Office,GEO)公开发表的相关论文、会议PPT等资料整理,在此表示感谢。

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