垣澠高速滑坡的成因分析及處治研究

盧 歡 劉 暢 李 微

(1.中交通力建設(shè)股份有限公司 西安 710000； 2.長安大學(xué)公路學(xué)院 西安 710000)

滑坡是一種常見的地質(zhì)災(zāi)害，其破壞性僅次于地震，而范圍和頻率卻遠遠大于地震，因此，研究滑坡的誘發(fā)機制具有重要意義[1]。我國滑坡地質(zhì)災(zāi)害分布廣泛，大部分失穩(wěn)破壞不是一個突然、瞬間發(fā)生的整體破壞，而是一個局部破壞發(fā)展直至貫通的漸進破壞過程[2]，滑帶的性質(zhì)對于滑坡穩(wěn)定具有控制作用?；瑤窃趦?nèi)外動力作用下經(jīng)過地質(zhì)歷史長期演化而形成的，直接影響著滑坡的發(fā)育、發(fā)生、復(fù)活和解體[3]。但在特定的地質(zhì)條件下滑坡能否產(chǎn)生，還需要一些誘發(fā)因素[4-6]，如降雨、開挖邊坡、地震等[7-8]。在誘發(fā)因素作用下，巖土體自身原本的穩(wěn)定平衡受到擾動甚至破壞，產(chǎn)生軟弱層面，導(dǎo)致整體滑坡變形破壞的產(chǎn)生。

本文對(垣曲-澠池)高速K14+700-K14+870段右側(cè)滑坡進行研究，從巖土特征、坡面開挖、降雨等3個方面分析滑坡產(chǎn)生原因，并提出針對性的處治措施，為同地區(qū)的滑坡防治工作提供借鑒。

1 概況

垣澠高速起于運城市垣曲縣華峰鄉(xiāng)車家溝村，銜接聞喜東鎮(zhèn)至垣曲蒲掌高速公路后，路線由北向南布設(shè)，途經(jīng)王茅鎮(zhèn)、古城鎮(zhèn)、曹家?guī)X，經(jīng)黃河大橋進入河南省三門峽市澠池縣境內(nèi)?；麦w影響路線里程范圍為K14+700-K14+870。滑坡體照片見圖1、圖2。

圖1 滑坡體全貌

圖2 滑坡體鼓張裂隙

1.1 地形地貌

滑坡地處山前斜坡地貌單元區(qū)，位于溝梁頂位置，地形起伏變化較大，自然坡度15°～30°，路塹開挖邊線斜切溝梁，與山梁走向呈大角度相交，交角呈65°。整體地面標高介于330.91～378.62 m，相對高差47.71 m。

1.2 水文地質(zhì)條件

1) 黃土孔隙裂隙水?；聟^(qū)黃土層地下水量極小，以上層滯水為主，水量受地表大氣降水的影響較大，補給來源主要為大氣降水，水量較小，一般無穩(wěn)定水位。

2) 基巖裂隙水。主要賦存在第三系泥巖-砂巖層的節(jié)理、裂隙中。賦水性與巖體節(jié)理、裂隙的大小、密度以及連通性等密切相關(guān)，分布不均勻，主要取決于節(jié)理裂隙發(fā)育程度。

1.3 地層

滑坡場區(qū)地層巖性上部覆蓋層主要為第四系上更新統(tǒng)(Q3al)新黃土，第四系中更新統(tǒng)(Q2pl)老黃土、卵石，下伏基巖為下第三系(E2)砂巖及泥巖。

1.4 滑坡地質(zhì)特征

1) 滑坡形態(tài)。滑坡前緣剪出口特征較明顯，剪出面位于第三系砂巖及泥巖中，基本沿開挖邊坡坡腳剪出；滑坡后緣位于第四系上更新統(tǒng)新黃土中；中部受滑坡滑動的影響，形成拉裂平臺，滑坡體后緣張拉裂縫照片見圖3。由于滑坡的前移及下錯，致使滑坡體支離破碎，滑坡的滑動在前緣形成鼓丘狀地形，可見明顯的縱向鼓張裂隙，滑坡體前緣剪出口照片見圖4。裂縫彎曲，其走向與滑坡滑動方向基本一致；滑坡的兩側(cè)邊界較為明顯，滑坡體部分明顯低于外圍，可見較為清晰的滑坡側(cè)壁，滑坡范圍內(nèi)目前鼓張變形明顯，滑體前緣垂直裂隙發(fā)育。

圖3 滑坡體后緣張拉裂隙

圖4 滑坡體前緣剪出口

根據(jù)滑坡邊界特征、形態(tài)(鼓脹裂隙)特征及受力變形特征綜合判定，該滑坡的類型為牽引式滑坡。

2) 滑帶(面)、滑床巖土特征?；瑒訋е饕獛r土層為第三系砂巖、泥巖，為順層滑動，砂巖：灰白～黃褐色，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，質(zhì)軟，成巖差，含水率高，巖芯呈砂土狀，手捏即碎，局部泥質(zhì)膠結(jié)，見鐵、錳質(zhì)侵染。剪出口剪出巖體鏡面、擦痕現(xiàn)象明顯，多處為砂巖與泥巖接觸面。

滑床絕大部分由第三系泥巖構(gòu)成，后緣為新黃土、老黃土?；残螒B(tài)從橫向看，微呈波狀起伏，縱向上呈折線型，與地表形態(tài)趨于一致，前緣剪出口高程330～338 m，后緣高程378.6 m。

2 滑坡成因分析

經(jīng)地質(zhì)資料與現(xiàn)場調(diào)查比對分析研究，可判定為工程活動誘發(fā)潛在的牽引式滑坡。造成邊坡失穩(wěn)的因素有以下4點。

1) 地形地貌因素。滑坡處于山前斜坡地貌單元區(qū)，因修建公路切割山丘，形成一不穩(wěn)定深挖路塹高邊坡，路塹開挖深度達40 m以上。放坡坡度25°～35°，具備臨空條件和較大高差，為滑坡的產(chǎn)生提供了最基本的地形條件。

2) 地層因素。滑坡的地層、巖性、地質(zhì)構(gòu)造特征形成了滑坡的物質(zhì)基礎(chǔ)和地質(zhì)環(huán)境，決定了滑坡的穩(wěn)定性狀。上覆黃土，下伏泥巖-砂巖是易滑坡地層。本滑坡上層為新、老黃土，下層為卵石，透水性相對較好?；瑤е饕獮榈谌瞪皫r，含水量高，遇水易軟化且持水性能強，使其抗剪強度降低，易于形成潛在滑動面，且滑坡巖層順坡，容易產(chǎn)生順層滑坡；滑床主要為第三系泥巖，透水性差，形成一個相對阻水面，即中下部飽水后先沿砂泥巖結(jié)構(gòu)面向臨空方向滑動，引起斜坡上部土體承受拉應(yīng)力，進而產(chǎn)生拉張裂縫，反復(fù)灌水，抗剪強度降低，最終順著最大剪應(yīng)力面產(chǎn)生變形滑動，形成統(tǒng)一的滑動面。

3) 水文地質(zhì)因素。由于道路施工路塹開挖，形成了臨空面，破壞了山體的自然平衡狀態(tài)。組成滑坡土體主要為黃土，適縫5月底連續(xù)降雨，大氣降水沿疏松土層孔隙及黃土中裂隙不斷入滲，改變了斜坡的水文地質(zhì)條件。一方面增加了斜坡土體的重量，同時產(chǎn)生靜水壓力或動水壓力，在坡體中下部第三系砂巖層形成飽水帶，使砂巖喪失原有強度，抗剪強度降低[9]，最終因抗剪強度小于剪應(yīng)力而發(fā)生變形，順結(jié)構(gòu)面滑動。此時滑坡體后部處于拉應(yīng)力狀態(tài)，當拉應(yīng)力超過后緣坡體的抗拉強度時，便產(chǎn)生拉裂。坡面表現(xiàn)為斷續(xù)的拉張裂縫，為地表水進一步滲入提供了條件?？梢娊涤晔钦T發(fā)滑坡的主要因素。

4) 坡體人類工程活動。坡體人類工程活動主要表現(xiàn)在修建公路時，開挖坡腳，破壞了坡體原有的自然平衡狀態(tài)[10]。同時施工單位開挖時，未按設(shè)計文件要求逐級開挖逐級防護，而是一次性開挖到底，又未及時進行防護，破壞了巖體原有的應(yīng)力平衡。

因此，可以得出：此段挖方路基邊坡地質(zhì)條件極為復(fù)雜，基巖頂面起伏較大，沖溝發(fā)育，覆蓋的土層巖性不均一，上層滯水、基巖頂面也都有形成地下水的條件，地層巖性中砂泥巖抗風(fēng)化能力極差且具有膨脹性，這是本滑坡形成的先決物質(zhì)條件。邊坡開挖后長時間暴露，對坡面及出現(xiàn)的裂縫沒有及時封閉隔水，而第三系砂泥巖，呈半成巖狀態(tài)，新鮮狀態(tài)下，物理力學(xué)指標較好，但暴露在外時，會吸水并風(fēng)化成散體狀，物理力學(xué)指標迅速下降，當遇降水時，產(chǎn)生邊坡失穩(wěn)，形成崩塌或滑坡。本挖方段落因未能做到開挖一級，防護一級，致使坡面形成張拉裂縫，邊坡前緣形成了崩塌和坍塌，進而形成更陡峭的凌空面，加速邊坡失穩(wěn)。導(dǎo)致邊坡原有力學(xué)平衡破壞，產(chǎn)生蠕動。加之隨后恰逢降雨，更使滑坡發(fā)育加劇，造成了本次滑坡的產(chǎn)生。

3 穩(wěn)定性分析

3.1 計算參數(shù)選取

計算參數(shù)選取的合理性，是計算評價滑坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵，其中滑帶土抗剪強度指標的取值更是至關(guān)重要。本次采用室內(nèi)試驗、工程類比，以及反演3種方法綜合確定[10]。

3.1.1室內(nèi)試驗

1) 滑體容重。由于滑體內(nèi)含有較多的砂、泥巖碎塊石及卵石，巖體碎塊石平均含量30%左右。室內(nèi)測試滑體老黃土天然容重為18.82 kN/m3，飽和容重為19.6 kN/m3；砂巖塊體容重為19.3 kN/m3，飽和容重為20.2 kN/m3；泥巖塊體容重為21.4 kN/m3，飽和容重為22 kN/m3；按土石含量計算滑體天然容重為19.6 kN/m3，飽和容重為20.46 kN/m3。

2) 滑體土抗剪強度指標。根據(jù)滑體土試樣統(tǒng)計分析得參數(shù)標準值，天然快剪峰值：c=57. 6 kPa，φ=24.0°，天然抗剪殘余值：c=41.0 kPa，φ=17.5°。

3) 滑帶土抗剪強度指標。根據(jù)滑帶樣統(tǒng)計分析得參數(shù)標準值，直接剪切：c=16.8 kPa，φ=27.2°,抗剪殘余值：c=9.6 kPa，φ=22.2°。

3.1.2反演

反演分析是確定滑帶土抗剪強度參數(shù)的一種有效方法，根據(jù)滑坡的宏觀變形狀況假設(shè)滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)，再反算滑帶土抗剪強度參數(shù)。反算是滑坡穩(wěn)定性計算的逆過程，得到的參數(shù)更符合滑坡的變形情況，參數(shù)可以作為試驗數(shù)據(jù)選取的參考。

根據(jù)滑坡變形特征，恢復(fù)滑坡發(fā)生前的初始地面線，此時滑坡處于整體滑動狀態(tài)，取穩(wěn)定系數(shù)0.95～1.00，根據(jù)滑帶巖體土工試驗成果另結(jié)合經(jīng)驗給定滑動面的等效抗剪強度c值為9.6 kPa，反算滑動面等效φ值。在0.95～1.00之間給不同的穩(wěn)定系數(shù)反算，反算結(jié)果見表1。

表1 滑帶參數(shù)反算結(jié)果表

3.1.3綜合取值

根據(jù)以上2種方法得出的抗剪強度參數(shù)值，同時考慮土體中的碎塊石及地下水位變化對抗剪強度指標的影響，以宏觀地質(zhì)判斷為前提，以測試值為基礎(chǔ)，地區(qū)經(jīng)驗值為參考，并以反算值作為校核，綜合確定滑坡抗剪強度參數(shù)取值見表2。

表2 滑坡設(shè)計參數(shù)選用表

3.2 穩(wěn)定性分析

根據(jù)滑坡滑動面形態(tài)，按GB 50021-2001 《巖土工程勘察規(guī)范》(2009年版)條文說明中5.2.8的公式進行滑坡穩(wěn)定性系數(shù)計算，采用正常工況I(天然狀態(tài))和非正常工況II(飽水狀態(tài))2種狀況，同時以目前滑裂面及后期路基開挖至設(shè)計標高后的假設(shè)滑裂面2個斷面計算來評價該滑坡目前狀態(tài)下的穩(wěn)定性，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)計算結(jié)果見表3。

由表3可見，工況I(天然狀態(tài))下，主滑斷面滑坡穩(wěn)定系數(shù)Fs為1.131，滑坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；工況II(飽水狀態(tài))下主滑斷面滑坡穩(wěn)定系數(shù)Fs為1.039，滑坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

開挖至設(shè)計標高時考慮潛在滑面從邊坡坡腳剪出時，工況I(天然狀態(tài))下，主滑斷面穩(wěn)定系數(shù)Fs為0.888，滑坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)；工況II(飽水狀態(tài))下，主滑斷面滑坡穩(wěn)定系數(shù)Fs為0.817，滑坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

從穩(wěn)定性計算結(jié)果可以看出：

1) 滑坡在現(xiàn)狀條件下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但安全儲備不高，在持續(xù)暴雨條件下，滑坡仍存在繼續(xù)擴大范圍的可能。

2) 如按原設(shè)計文件繼續(xù)開挖至坡腳，滑坡將失去穩(wěn)定。一旦坡體失穩(wěn)滑動，會造成較大的生命財產(chǎn)安全損失。

4 滑坡處治措施

4.1 處置措施

滑坡處治方案具體為：一級邊坡設(shè)置片石混凝土仰斜式路塹墻，坡高6 m，一級平臺寬10 m；二級邊坡坡率采用1∶1.00，坡高6 m，采用拱形骨架+生態(tài)袋防護，二級平臺寬10 m；三級～九級邊坡坡率1∶1.00，坡高3 m，平臺均采用10 m；十級及以上邊坡坡率采用1∶1.25，坡高4 m，平臺寬2～4 m?；绿幚頂嗝媸疽鈭D見圖6。

圖6 滑坡處理斷面示意圖

4.2 處置后滑坡穩(wěn)定性計算

清方后殘余滑體已基本被全部清走，但考慮到路基開挖后，存在從路基設(shè)計標高處剪出的可能，故選取該剪出口作為潛在滑面計算滑坡穩(wěn)定性及剩余下滑力，結(jié)果見表4。

表4 治理后滑坡穩(wěn)定性系數(shù)表

由于清方后潛在滑面尚未達到安全系數(shù)的要求，在穩(wěn)定安全系數(shù)Ks取規(guī)范要求范圍中值的條件下仍存在剩余下滑力，故需設(shè)置擋土墻防護。選取主滑斷面工況I條件下，安全系數(shù)為1.25時的剩余下滑推力110.24 kN/m進行擋土墻設(shè)計。

5 結(jié)論

本項目段內(nèi)挖方路基范圍揭示巖質(zhì)多為下第三系砂巖、泥巖，均為半成巖，由于該層成巖時間較短，成巖作用差，開挖后長時間暴露于空氣中其物理力學(xué)指標迅速下降，極易造成邊坡失穩(wěn)，對于揭露該類地層的邊坡宜做到開挖一級，防護一級。

高邊坡開挖時要求按規(guī)范進行變形監(jiān)測，爭取在滑坡蠕動初期即進行有效措施進行處理，減小大規(guī)?；笤斐傻慕?jīng)濟損失。

對于邊坡開挖過程中產(chǎn)生的裂縫等問題，應(yīng)及時進行封堵，以防止雨水下滲，加劇邊坡失穩(wěn)進程。