某高填方機場跑道滑坡機理分析

張登武

（中國市政工程西北設計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引 言

受特殊地理及地質(zhì)條件限制，西南地區(qū)的機場建設大多都需要對場地進行不同程度的低填高挖，有的填方高度甚至超過100 m，因此在工程完工后形成了大量高填方邊坡。高填方不僅會引起跑道的較大沉降變形和局部邊坡變形破壞，還會引起跑道及外側(cè)土面區(qū)斜坡的整體變形和失穩(wěn)。研究表明：高填方誘發(fā)的跑道及外側(cè)土面區(qū)滑坡與填方高度、填料壓實度、下覆基巖傾斜角度等多種因素有關[1-4]。西南地區(qū)某機場場坪、跑道由半填半挖而成，在建設期間及建成后發(fā)生了多處填方體滑坡。本文以一處具有代表性的滑坡為例，通過對滑坡區(qū)工程地質(zhì)條件、滑坡特征及滑坡穩(wěn)定性的分析，研究基底松散覆蓋層斜坡區(qū)高填方跑道誘發(fā)滑坡的機理。

1 滑坡體工程概況

該機場建筑在地質(zhì)環(huán)境條件比較差的緩傾順向斜坡地帶，跑道填筑體邊坡最高達百米。機場建設以來多次出現(xiàn)不同程度的滑坡、沉降變形等病害。相關單位采取工程措施對其進行了防治，但由于地質(zhì)條件復雜且填筑體體積巨大，自2009年起該邊坡頂面出現(xiàn)明顯的張拉裂縫和下錯現(xiàn)象，坡腳前緣擋墻被推擠變形并開裂。隨著變形的積累，邊坡產(chǎn)生劇烈滑動導致整體失穩(wěn)破壞，并覆蓋于坡腳前緣的老滑坡之上，使老滑坡復活?；瑒雍蟮倪吰氯鐖D1所示。為了防止邊坡滑動范圍向后緣進一步擴大，應急搶修工程及時啟動。初期搶險工程實施了3排鋼管樁、一級錨桿噴射混凝土護坡、一級錨桿框架護坡工程，但坡體變形仍持續(xù)發(fā)展，為此又在滑坡后緣增設了數(shù)排錨索墩和錨索地梁，使坡體變形量減小，呈基本穩(wěn)定狀態(tài)，并隨即開展永久治理工程的實施。實施應急搶險工程后的邊坡如圖2所示。

圖2 實施搶險工程后的邊坡

再次進入雨季后，坡體又出現(xiàn)較大變形，并呈現(xiàn)出持續(xù)加快的態(tài)勢。隨之后緣約30 m寬的填方體再次下錯變形，繼續(xù)產(chǎn)生大規(guī)模的整體滑動，應急搶險工程大部分被破壞，正在開挖施工的抗滑樁被不同程度地推移5～50 m。

2 滑坡體工程地質(zhì)概況

2.1 地形地貌

滑坡區(qū)原場地地形、地質(zhì)條件復雜，填方體基底位于緩傾順向坡上。為侵蝕、剝蝕的中山丘陵、山區(qū)峽谷地貌，具有山高谷深、盆地交錯分布的特點，地勢由西北向東南傾斜，高差懸殊。機場跑道所在區(qū)段為一條形山脊，山體西北側(cè)斜坡較陡，因砂巖與泥巖差異風化，地表呈階坎狀；東南側(cè)斜坡地勢較為平緩，坡度約8°～10°，坡體沖溝發(fā)育，坡面零散分布有大小水塘。跑道位于條形山脊東南側(cè)斜坡地段，東側(cè)邊坡為填方，設計坡度25°～26°。

2.2 地層巖性

根據(jù)地勘資料，斜坡上覆人工填土、第四系松散滑坡堆積層及殘坡積層厚度較大，其下伏炭質(zhì)泥巖和泥質(zhì)砂巖。炭質(zhì)泥巖強風化層巖芯主要為碎塊狀和土狀；中風化層巖芯大多呈碎塊狀和短柱狀，錘擊不易破碎，失水后龜裂崩解現(xiàn)象較為明顯，幾乎分布于整個滑坡區(qū)。泥質(zhì)砂巖強風化層巖芯呈碎塊狀或砂狀，滑坡區(qū)內(nèi)均有分布；中風化層夾薄層黑色煤線，巖芯完整，裂隙不發(fā)育，多呈長柱狀，少量呈碎塊狀或短柱狀，且與泥巖呈互層狀產(chǎn)出。

3 滑坡穩(wěn)定性分析

該填方跑道邊坡產(chǎn)生劇烈滑動后，滑帶土降低為殘余強度，加之雨季地下水補給充分，據(jù)現(xiàn)場地表及深孔位移監(jiān)測結(jié)果顯示，后緣坡體仍以平均5～8 mm的位移在變形。裸露的圈椅狀滑坡后壁附近松弛裂隙及地表裂縫逐漸增大，滑坡后壁變形已開始向后部牽引發(fā)展，有再次產(chǎn)生較大滑動變形的可能。這將導致坡腳前緣的老滑坡再次被推動，進而牽引尚未滑動的后部填方體。因此，針對該滑動邊坡及其基底老滑坡穩(wěn)定性的定性及定量分析對研究滑坡機理及治理工程很有必要。

3.1 計算方法

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查、鉆探資料，滑動邊坡及基底老滑坡的滑體主要由人工填土、強-中風化泥巖、砂巖組成，滑動面沿基巖頂面成折線形，因此穩(wěn)定性計算采用折線形滑動面的傳遞系數(shù)法[5]。其計算公式見式（1）、式（2）。

研究區(qū)基本地震烈度為7°，在穩(wěn)定性計算中考慮地震力的影響。穩(wěn)定性計算只考慮水平方向地震力的影響，地震水平加速度產(chǎn)生的附加慣性力按“擬靜力法”計算，并且從安全角度出發(fā)，假定地震力作用于滑坡體的重心。其計算公式見式（3）、式（4）。

式中：Pi為作用于滑坡體重心的水平地震力；KH為水平向地震系數(shù)（地面水平地震加速度與重力加速度的比值）；CZ、ai分別為地震綜合影響系數(shù)和地震加速度分布系數(shù)。

3.2 計算工況

（1）工況Ⅰ：天然條件?？紤]滑動邊坡及基底滑坡在現(xiàn)階段自然地質(zhì)條件下不受外界環(huán)境因素干擾時滑坡體的穩(wěn)定狀況。

（2）工況Ⅱ：地震條件。在工況Ⅰ的基礎上，考慮水平地震力的影響，地震設防烈度為7°，水平地震系數(shù)取值為0.15。

（3）工況Ⅲ：暴雨條件。主要考慮滑坡體在遭遇暴雨時降雨下滲導致滑體容重增加，降低滑帶土體的強度指標（c、ψ值）。

3.3 計算剖面及計算參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場實地踏勘調(diào)查、鉆探、深孔位移監(jiān)測等資料，取滑坡主軸斷面進行穩(wěn)定性計算，計算參數(shù)結(jié)合極限平衡傳遞系數(shù)法反求的代表全斷面滑帶土的平均抗剪強度值、試驗資料、具有類似地質(zhì)條件的滑坡土體的強度指標值綜合確定，其取值見表1。

表1 穩(wěn)定性計算參數(shù)取值

3.4 穩(wěn)定性計算及結(jié)果分析

根據(jù)上述計算方法、參數(shù)和所取剖面進行穩(wěn)定性計算，計算所得該剖面在自然、地震和暴雨工況下的穩(wěn)定性系數(shù)見表2。

表2 穩(wěn)定性計算結(jié)果

自邊坡產(chǎn)生大的滑動變形后，為確定滑坡體的穩(wěn)定程度、滑動面的位置和預測坡體滑動的發(fā)展趨勢，需采用測斜儀對滑坡體進行深孔位移監(jiān)測。監(jiān)測孔位于跑道土面區(qū)邊緣，根據(jù)監(jiān)測曲線反映的情況，坡體仍處于滑動狀態(tài)，且隨著觀測時間的延長，坡體變形逐漸增大，最大變形量達15 mm。該變形趨勢與穩(wěn)定性計算結(jié)果基本吻合?，F(xiàn)場深孔位移監(jiān)測曲線如圖3所示。

圖3 深孔位移監(jiān)測曲線圖

4 填方體滑坡變形機理分析

4.1 地層結(jié)構(gòu)

該滑坡體地層主要為工程填筑土，在卸載挖方時挖出大量塊徑大于1 m的大塊石，其周圍碾壓密實度較小，具有一定的孔隙，為地下水的下滲提供了通道，同時也為后期填筑土形成高陡臨空面后的松弛變形提供了多條貫通的張開裂隙?？辈煦@探揭示：該填筑體滑坡滑床為中風化泥質(zhì)砂巖的單斜地層，這些孔隙和裂隙為地表水和地下水的下滲提供了較為暢通的渠道，且具備向同一個方向匯聚的條件。

4.2 地質(zhì)構(gòu)造

滑坡區(qū)段為略帶凹槽形的單斜地層結(jié)構(gòu)，其泥巖頂面的基巖裂隙地下水匯集下滲流經(jīng)路徑順暢。另外，該段地層中貫通發(fā)育一組與邊坡滑動方向大致平行的張性節(jié)理，也為跑道地表雨水及基巖裂隙水直接進入滑體提供了地下通道。

4.3 高填方體自身的作用

一方面，機場修建時僅對跑道區(qū)斜坡表層已經(jīng)風化破碎的巖土體進行了清除（包括部分老滑坡體），對于填方基底地層和老滑坡等因素的影響估計不足，只在填筑坡體中增設了數(shù)排阻滑鍵以及在坡腳設置了擋墻。填方體大部分高達數(shù)十米，大量填方體的自重作用于不穩(wěn)定地層之上，導致填方體地基承載力不足，從而使基底失穩(wěn)變形，進一步引起上部的填方體滑動變形。另一方面，原填方邊坡采用自然放坡的邊坡形式，坡面從上至下未采取任何支擋防護措施。該填方體體積巨大，在內(nèi)外荷載的擾動下產(chǎn)生內(nèi)部滑移、沉降等，很容易達到極限平衡狀態(tài)，以致加速失穩(wěn)而產(chǎn)生滑動破壞。

4.4 水的作用

項目區(qū)降雨較多，雨季集中降雨現(xiàn)象尤為嚴重，為地下水提供了充足的補給來源。降雨后跑道西側(cè)圍界一側(cè)的地表水流如圖4所示?；滤谕撩鎱^(qū)及后側(cè)機場場坪為降雨提供了較大的匯水面積。地表積水除部分經(jīng)排水系統(tǒng)排除外，其余沿邊坡土體結(jié)構(gòu)孔隙下滲至坡體內(nèi)部，再向水位較低的臨空面方向滲流。

圖4 降雨時西側(cè)圍界一側(cè)的地表水

當出現(xiàn)強降雨時，從地表流入和下滲進入填筑體裂隙的地下水在短時間內(nèi)無法全部排除，隨著水量逐漸積累，在土體裂隙中形成一定的靜水位。這樣一方面不但浸潤邊坡土體，使其強度參數(shù)降低，形成軟弱滑動帶；另一方面，較高的靜水位還使得坡體內(nèi)孔隙水壓力和靜水壓力增加，導致邊坡體的下滑推力在短時間內(nèi)增大，使原本處于較穩(wěn)定狀態(tài)的邊坡體穩(wěn)定性降低，接近極限平衡狀態(tài)直至最后產(chǎn)生劇烈滑動。邊坡滑動區(qū)的3個位移監(jiān)測點的監(jiān)測結(jié)果也與此較為吻合，降雨與邊坡滑動變形的映射關系如圖5所示。

圖5 降雨與邊坡滑動變形的映射圖

4.5 老滑坡體的影響

填方體前部老滑坡處于緩慢蠕動狀態(tài)，使填方邊坡坡腳前緣產(chǎn)生張拉裂縫和松弛帶，對上部高填筑體的滑動產(chǎn)生牽引作用。

5 結(jié) 語

（1）該滑坡為一大型填筑體沿基巖頂面滑動的大型推動-牽引復合式堆積層滑坡，滑體主要物質(zhì)為工程填筑土。該跑道填筑體滑坡的形成是自然地質(zhì)、地形、氣象等因素綜合作用的結(jié)果。

（2）厚度較大的松散填筑體為滑坡的形成提供了不利的物質(zhì)基礎，豐沛的大氣降水及地下水造成坡體中入滲的水流量增大，增加了坡體的重量，降低了填筑體的物理、力學強度指標，水對邊坡的滑動起到了“推波助瀾”的作用。

（3）對跑道填筑體邊坡勘察設計時沒有充分考慮到場地的自然、地質(zhì)環(huán)境所造成的不利影響。填方基底、坡體加固、老滑坡影響等因素的共同作用，促使坡體變形發(fā)展，最后導致坡體產(chǎn)生劇烈滑動。

（4）填筑體邊坡施工時局部填料粒徑偏大，壓實度不足，導致邊坡巖土體整體強度不足，同時為地表、地下水滲透提供通道，促使坡體變形發(fā)展。