十巫高速路基滑坡成因分析及處治措施

劉新權(quán)，付 軍，張 澳，劉小清

(1.湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，武漢 430051；2.武漢理工大學(xué)，武漢 430063；3.湖北交投十巫(淅)高速公路有限公司,十堰 442000)

滑坡是一種比較常見的地質(zhì)災(zāi)害，往往會(huì)導(dǎo)致廠礦被摧毀、河流堵塞、影響公路的正常運(yùn)輸?shù)?，并?huì)伴隨有重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，對(duì)山區(qū)建設(shè)和交通設(shè)施危害很大。同時(shí)，由于滑坡產(chǎn)生的影響因素較多，滑坡的誘發(fā)機(jī)理也比較復(fù)雜，這導(dǎo)致對(duì)滑坡的預(yù)防和治理存在著一定的困難。陳祖煜[1]、張倬元[2]、王恭先[3,4]等通過綜合大量工程項(xiàng)目實(shí)際范例對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響因素進(jìn)行系統(tǒng)性的歸納總結(jié)。合理有效地治理滑坡具有重大意義，滑坡防治工程研究也日益成為國內(nèi)外工程研究中的熱點(diǎn)之一[5]。

論文結(jié)合湖北省某高速路段邊坡開挖產(chǎn)生的滑坡治理工程實(shí)例，從地質(zhì)狀況、坡面開挖、邊坡位移監(jiān)測等方面，結(jié)合穩(wěn)定性分析計(jì)算，綜合研究該滑坡形成的影響因素及變形破壞機(jī)制，并針對(duì)該邊坡提出合理處治措施，為同地區(qū)的邊坡治理工程提供參考。

1 工程概況

1.1 滑坡區(qū)地質(zhì)條件

湖北省某高速邊坡開挖路段K51+278～K51+560段位于十堰市竹山縣溢水鎮(zhèn)何家灣村。該段深切挖方邊坡全長282 m，路線走向?yàn)?28°，屬構(gòu)造剝蝕低山地貌區(qū)，路線順切山體斜坡中部，附近高差約242 m，斜坡下陡上緩，自然斜坡坡度為10°～40°，路線經(jīng)過地段地面標(biāo)高500～530 m。路段右側(cè)為5級(jí)路塹高邊坡，最大邊坡高度為40.79 m，最大中心挖深為26.1 m，典型斷面樁號(hào)YK51+421。

K51+291～K51+547段路基段屬構(gòu)造剝蝕低山地貌區(qū)，路線順切山體斜坡中部，斜坡下陡上緩，自然斜坡坡度為10°～40°，大地構(gòu)造單元上位于南秦嶺冒地槽褶皺帶之武當(dāng)山復(fù)背斜內(nèi)，結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀較紊亂，千枚理為最發(fā)育結(jié)構(gòu)面，大致產(chǎn)狀50°∠45°；實(shí)測發(fā)育兩組節(jié)理，產(chǎn)狀100°∠65°、300°∠70°。路基段鉆孔揭露地層為第四系全新統(tǒng)殘坡積碎石，下伏寒武系中下統(tǒng)絹云石英千枚巖。

1.2 工程水文氣象條件

區(qū)域內(nèi)未發(fā)現(xiàn)特殊性巖土發(fā)育，存在地下水，第四系松散層孔隙水和基巖裂隙水占大部分。大氣降水為主要的補(bǔ)給方式，水量隨季節(jié)變化較大，一般較貧乏。

2 滑坡狀況

2018年5月K51+421～K51+505段含碳千枚巖夾層經(jīng)卸載刷坡后基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，后期發(fā)未生垮塌病害，同年10月先后出現(xiàn)了后緣和中部裂縫，第三級(jí)邊坡錨桿防護(hù)出現(xiàn)裂縫，路基開挖至第一、二級(jí)邊坡時(shí)，裂縫寬度、范圍逐步擴(kuò)大，強(qiáng)風(fēng)化絹云母石英千枚巖層被推動(dòng)翹起，最后在路線中線部位出現(xiàn)翹起型推移開裂，翹起高度約1 m，長度約20 m?，F(xiàn)場測量結(jié)果表明，最遠(yuǎn)處后緣裂縫距主線約175 m，垮塌范圍沿路線方向約130～140 m，滑坡面積約20 000 m2，屬中型滑坡，開裂平面分布圖如圖1所示。

3 滑動(dòng)面確定與成因分析

3.1 地表與深層變形監(jiān)測情況

中科院武漢巖土力學(xué)研究所對(duì)K51+278～K51+560段邊坡開展了地表位移監(jiān)測，地表監(jiān)測單位先期在邊坡臺(tái)階處布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)17處(01～17號(hào)監(jiān)測點(diǎn))，形成監(jiān)測斷面5個(gè)，后期分批在下部邊坡碎落臺(tái)、各級(jí)平臺(tái)處補(bǔ)充和加密監(jiān)測點(diǎn)，同時(shí)對(duì)垮塌破壞的監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行恢復(fù)，最后監(jiān)測點(diǎn)總計(jì)31處，形成有效監(jiān)測斷面6個(gè)，對(duì)原有路塹邊坡形成全覆蓋并形成有效深層監(jiān)測。

3.2 滑坡面的確定

現(xiàn)場裂縫狀況表明后緣裂縫出現(xiàn)在K51+440處，距離路基中線175 m，路基中線翹起前緣段為K51+430～K51+450處，故選取K51+440作為滑坡驗(yàn)算的典型斷面?；略O(shè)計(jì)中選取累計(jì)變形量最大和核心區(qū)域監(jiān)測斷面4和監(jiān)測斷面5，對(duì)X、Y向的累計(jì)位移量進(jìn)行合成，并根據(jù)監(jiān)測點(diǎn)的原始布點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行圖示；如圖2所示。裂縫基本在主線右側(cè)呈弧狀規(guī)則分布并基本判定滑坡主方向?yàn)榇怪庇谥骶€方向，可取路基的橫斷面作為計(jì)算斷面。對(duì)LC01、LC02、LC03三處深層位移的累計(jì)水平位移進(jìn)行分析：LC01測斜孔的位移突變點(diǎn)在17.0 m深度附近，LC02測斜孔的位移突變點(diǎn)在21.0 m深度附近，LC03測斜孔的位移突變點(diǎn)在8.0 m深度附近。根據(jù)深層位移監(jiān)測結(jié)果，結(jié)合原設(shè)計(jì)鉆孔及測斜孔的地質(zhì)資料形成的K51+440處典型地質(zhì)斷面圖，研究判定滑動(dòng)面位置，如圖3所示。

3.3 成因分析

根據(jù)滑動(dòng)面分析結(jié)果，結(jié)合地質(zhì)勘察資料，分析認(rèn)為引起邊坡滑動(dòng)、垮塌的原因如下：

1)坡頂?shù)谒募o(jì)碎石覆蓋層較厚，自身抗剪強(qiáng)度較低，自然狀態(tài)下上部覆蓋層的穩(wěn)定性較差，應(yīng)屬潛在滑坡區(qū)域或者不穩(wěn)定斜坡；路基邊坡開挖后，特別是前期含碳千枚巖夾層被清除后，滑坡阻力減小，形成了碎石層的滑動(dòng)，牽引碎石覆蓋層整體下滑，導(dǎo)致后緣開裂和前緣三級(jí)邊坡框架錨桿推擠破壞。

2)下部強(qiáng)風(fēng)化絹云母石英千枚巖的自身強(qiáng)度較低，僅8～10 MPa，且存在順層結(jié)構(gòu)面發(fā)育，傾角45°，一般狀況應(yīng)較穩(wěn)定，但是由于巖體風(fēng)化嚴(yán)重，巖芯呈碎塊狀，結(jié)構(gòu)面發(fā)育不規(guī)則，外力策動(dòng)下存在隱患。

3)邊坡開挖后，滑動(dòng)面A的底部阻滑段受邊坡開挖和含碳千枚巖夾層卸載作用牽引滑動(dòng)，成為了滑動(dòng)面B的主滑動(dòng)段，當(dāng)上部碎石覆蓋層沿滑動(dòng)面A滑動(dòng)后，對(duì)下部強(qiáng)風(fēng)化絹云母石英千枚巖層形成作用力，導(dǎo)致強(qiáng)風(fēng)化層沿底部地質(zhì)邊界形成深層滑動(dòng)，形成坡頂中部大裂縫和路基中線處的推移翹起；由于強(qiáng)風(fēng)化層沿滑動(dòng)面B滑移，上部碎石覆蓋層形成進(jìn)一步擾動(dòng)，自身抗剪強(qiáng)度降低，導(dǎo)致滑動(dòng)面A的阻滑段抗滑能力降低，上部碎石覆蓋層滑動(dòng)加劇，進(jìn)而反復(fù)作用，形成復(fù)合型推擠滑坡。

4)施工擾動(dòng)、降雨引起的地面徑流、巖體強(qiáng)度降低等因素加劇了滑坡病害。

4 穩(wěn)定性分析與計(jì)算

合理的穩(wěn)定性分析可以確定邊坡的安全系數(shù)并發(fā)揮至關(guān)重要的作用。在確定的滑動(dòng)面基礎(chǔ)上，根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》[6]采用剩余下滑力法公式進(jìn)行計(jì)算。

(1)

Ri=Nitanφi+ciLi

(2)

Ti=Wisinθi

(3)

Ni=Wicosθi

(4)

式中，F(xiàn)s為滑坡穩(wěn)定性系數(shù)；ψj為傳遞系數(shù)；Ri為第i滑塊滑體的抗滑力；Ti為第i滑塊滑體的下滑力；Ni為第i滑塊滑體在滑面法線上的反力；ci為第i滑塊滑面上土體的粘聚力；φi為第i滑塊滑面(滑帶土)的內(nèi)摩擦角；Li為第i滑塊滑面長度；Wi為第i滑自重與地面建筑荷載之和；γ為滑面以上土體的天然重度。

4.1 滑坡面力學(xué)參數(shù)選取

通過式(1)～式(4)反算滑動(dòng)面A和滑動(dòng)面B的抗剪強(qiáng)度力學(xué)指標(biāo)，由近期地表監(jiān)測觀測結(jié)果表明，變形較11月初有顯著下降，整體上邊坡處于暫時(shí)穩(wěn)定狀態(tài)。鑒于邊坡目前的整體暫時(shí)穩(wěn)定狀態(tài)，設(shè)計(jì)計(jì)算中取穩(wěn)定系數(shù)為1.05進(jìn)行滑坡參數(shù)的反算。依據(jù)工程地質(zhì)勘查資料對(duì)滑坡體進(jìn)行參數(shù)取值，并應(yīng)分區(qū)計(jì)算滑坡剩余下滑力，以穩(wěn)定系數(shù)1.05反算各滑動(dòng)面內(nèi)摩擦角參數(shù)φ值。計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 滑動(dòng)面力學(xué)參數(shù)計(jì)算

4.2 Midas GTS數(shù)值模擬

為核查驗(yàn)算結(jié)果的合理性，使用數(shù)值模擬分析軟件如Midas GTS軟件對(duì)K51+440典型邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬分析。邊坡整體變形的計(jì)算云圖形狀整體上與滑動(dòng)面A和滑動(dòng)面B形成的滑動(dòng)區(qū)域基本相似，SRM強(qiáng)度折減法計(jì)算安全系數(shù)FOS為1.021 9，與設(shè)計(jì)假定的穩(wěn)定系數(shù)1.05基本相符，認(rèn)為對(duì)滑動(dòng)面的判定和力學(xué)參數(shù)的反算結(jié)果整體上合理和準(zhǔn)確。通過以上穩(wěn)定性計(jì)算分析，可認(rèn)定該滑動(dòng)面穩(wěn)定性不滿足此條高速公路的安全系數(shù)[7]K=1.30的基本要求，必須對(duì)該滑坡段進(jìn)行合理處治。

5 滑坡處治方案設(shè)計(jì)

滑坡實(shí)質(zhì)上是邊坡坡體漸進(jìn)、動(dòng)態(tài)破壞的過程，且滑坡治理工程是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程[3,4]。在減載設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，以防排水措施與抗滑支擋相結(jié)合進(jìn)行綜合治理，采取下部抗滑擋土墻支擋+上部卸載的技術(shù)方案，邊坡支護(hù)方案側(cè)面圖如圖4所示。

1)對(duì)上部碎石覆蓋層進(jìn)行卸載，從第三級(jí)邊坡平臺(tái)開始，采用臺(tái)階式邊坡設(shè)計(jì)。邊坡分級(jí)高度為8 m，邊坡坡率1∶(1.50～2.00)，對(duì)上部平臺(tái)進(jìn)行加寬處理，平臺(tái)設(shè)置4%的坡度以便于排水。經(jīng)卸載后對(duì)滑動(dòng)面A進(jìn)行穩(wěn)定性分析，經(jīng)驗(yàn)算，卸載后滑動(dòng)面A的穩(wěn)定系數(shù)在1.3，滿足規(guī)范要求，整體穩(wěn)定。

2)在上部卸載的基礎(chǔ)上，采用剩余下滑力法計(jì)算滑動(dòng)面B的剩余下滑力。根據(jù)規(guī)范要求，穩(wěn)定性系數(shù)取1.30，計(jì)算求得剩余下滑力388.9 kN/m，下滑角度7.5°。

3)根據(jù)求取的剩余下滑力，設(shè)計(jì)下部抗滑擋土墻。根據(jù)滑動(dòng)面B的位置，取抗滑擋墻埋深4 m，頂寬2.0 m，墻面坡率1∶0.50，墻背坡率1∶2.0，其抗滑、抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)均在1.30以上，滿足規(guī)范要求。

4)滑動(dòng)面B從路基中線處推擠剪出，形成強(qiáng)風(fēng)化千枚巖層翹起開裂，開裂高度近1 m，考慮擋墻底部滑動(dòng)裂縫的不確定性、巖石層結(jié)構(gòu)面的相互擾動(dòng)作用，在抗滑擋土墻底部設(shè)置微型抗滑樁基礎(chǔ)加固措施，微型樁采用Φ300微型鋼軌樁形式，鉆孔深度11 m，鋼軌長12.5 m、頂部1.5 m，深入抗滑擋土墻底部，形成整體結(jié)構(gòu)，樁體采用正三角型布置，樁矩2.0 m。

5)設(shè)置邊坡綜合排水系統(tǒng)。在坡頂進(jìn)行截水措施，阻止雨水滲透；布置平臺(tái)排水溝于各級(jí)平臺(tái)，收集邊坡匯水，防止雨水浸潤邊坡土體，減少坡面匯水對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響；在原有第二級(jí)邊坡坡體排水的基礎(chǔ)上，在第3～6級(jí)邊坡增設(shè)邊坡坡體排水，排除邊坡內(nèi)部積水，調(diào)整邊坡土體的干濕狀態(tài)，增強(qiáng)土體力學(xué)性能。

6 結(jié) 論

將某高速公路路基邊坡開挖產(chǎn)生的滑坡作為研究對(duì)象，同時(shí)結(jié)合對(duì)應(yīng)的滑坡土體地質(zhì)結(jié)構(gòu)與成分分析以及其對(duì)應(yīng)的深層位移監(jiān)測，采用數(shù)值模擬計(jì)算的方式，對(duì)該滑坡的影響因素、滑坡變形破壞過程進(jìn)行探究，得出相關(guān)結(jié)論。

a.由于邊坡上部自身巖體穩(wěn)定性較差，且其前緣阻滑段被挖除，滑坡阻力減小，引動(dòng)下部邊坡底部地質(zhì)邊界形成深層滑動(dòng)，并對(duì)上部覆蓋層形成進(jìn)一步擾動(dòng)，阻滑段抗滑能力再次降低。加上施工擾動(dòng)、降雨引起的地面徑流、巖體強(qiáng)度降低等因素加劇了滑坡病害，最終形成了復(fù)合型推擠滑坡。

b.結(jié)合地表與深層位移監(jiān)測準(zhǔn)確地確定了坡體滑動(dòng)面的分布位置與特征，驗(yàn)證了滑坡穩(wěn)定性計(jì)算和滑坡參數(shù)反算結(jié)果的合理性。

c.該項(xiàng)目滑坡處治方案是在減載設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，兼顧邊坡綜合排水考慮，采取下部抗滑擋土墻支擋+上部卸載的技術(shù)路線，結(jié)果滿足規(guī)范要求。經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，邊坡穩(wěn)定性良好。