強(qiáng)降雨條件下風(fēng)化巖質(zhì)邊坡滑坡機(jī)理及處治技術(shù)研究

李天貴

(廣西北投公路建設(shè)投資集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530025)

0 引言

我國(guó)西南地區(qū)全年降水量偏多,在這些地區(qū)的地質(zhì)不良地段進(jìn)行路塹邊坡開挖施工,邊坡的穩(wěn)定性必然會(huì)受到較大影響[1-3]。近些年來,隨著我國(guó)西部地區(qū)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展,出現(xiàn)了較多的邊坡工程穩(wěn)定性問題,影響了工程建設(shè)的快步推進(jìn)[4-5]。因此,分析邊坡的破壞過程和滑坡機(jī)理,提出有效的滑坡處治措施,對(duì)于保證路塹邊坡安全穩(wěn)定性具有重要意義。

風(fēng)化巖體邊坡在開挖前自身的穩(wěn)定性較差,當(dāng)路塹坡體受到開挖擾動(dòng)后,整體穩(wěn)定性會(huì)進(jìn)一步下降[6]。如果在降雨條件下進(jìn)行隧道開挖,坡體的自重會(huì)隨著坡體巖土體含水量的增加而不斷增大,從而導(dǎo)致坡體的下滑力增大[7-8]。同時(shí),邊坡巖土體由于含水率的增加,抗剪強(qiáng)度也會(huì)下降。如果未采取合理的邊坡加固措施,邊坡會(huì)因?yàn)榈刭|(zhì)、地形等條件的不同,產(chǎn)生相應(yīng)形式的滑坡。因此,當(dāng)邊坡在開挖過程中出現(xiàn)異常狀況時(shí),需要根據(jù)邊坡的地質(zhì)特征采取合理的加固措施。本文結(jié)合我國(guó)西南地區(qū)一個(gè)典型的風(fēng)化巖質(zhì)邊坡工程案例,針對(duì)其出現(xiàn)滑坡的條件、滑坡機(jī)理及處治措施進(jìn)行分析。

1 滑坡工程地質(zhì)條件

本文研究的路塹邊坡位于我國(guó)的西南部,該地屬于低山丘陵區(qū),地勢(shì)起伏較大,坡面的自然坡率為3°～30°。該地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)區(qū),降雨集中在4～6月,夏季降雨常導(dǎo)致山體發(fā)生滑坡和泥石流災(zāi)害。邊坡所在道路的設(shè)計(jì)時(shí)速為60 km,路基寬度為40 m。該路塹邊坡共分為四級(jí),第一、二級(jí)邊坡的斜率為1∶0.75,高度為10 m,坡面采用厚層基材防護(hù),第三、四級(jí)邊坡坡率為1∶1.0,高度均為10 m,邊坡平臺(tái)寬度均為2 m。圖1為該路塹邊坡的地質(zhì)斷面圖。

圖1 邊坡地質(zhì)斷面示意圖

坡體表層主要覆蓋殘坡積含礫碎石粉質(zhì)黏土,土質(zhì)較均勻,含有砂礫的粒徑為0.2～2 cm,占比約為10%。土質(zhì)覆蓋層在坡腳處較厚。下層為中風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化巖石,巖性為泥質(zhì)粉砂巖夾砂巖,且有構(gòu)造破碎帶。其中,強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖呈塊狀,質(zhì)地較軟,屬于軟巖;構(gòu)造破碎帶受構(gòu)造擠壓,填充巖石碎塊。下層為中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖和砂礫巖,呈層狀構(gòu)造,裂隙較發(fā)育,較堅(jiān)硬。中風(fēng)化巖層中對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較大的節(jié)理傾角為340°∠68°,節(jié)理傾角與坡面傾角基本一致,與其他節(jié)理組合切割邊坡,極易形成潛滑動(dòng)楔形體,易掉塊或坍塌。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告,邊坡各土層在干燥和飽和狀態(tài)時(shí)的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 邊坡的實(shí)測(cè)巖土參數(shù)表

2 邊坡破壞過程分析

邊坡開挖由最上部的第四級(jí)臺(tái)階向下開挖。根據(jù)對(duì)邊坡破壞的現(xiàn)場(chǎng)觀察,邊坡的破壞主要可以分為兩個(gè)階段,且并未造成大規(guī)模的破壞。

第一階段滑坡從2021年6月開始,邊坡的部分區(qū)域開挖至第三級(jí)臺(tái)階。此時(shí),由于持續(xù)性的強(qiáng)降雨,邊坡頂部發(fā)生大范圍的開裂和滑塌,出現(xiàn)一個(gè)滑移楔形塌方體,邊坡的頂部出現(xiàn)巨大的拉裂縫。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)踏勘,采取了清除滑坡體以保證邊坡穩(wěn)定性的措施。至9月,邊坡的開挖已經(jīng)基本完成,但塌方體仍然在持續(xù)滑動(dòng)。此時(shí)塌方體的頂部邊緣仍然存在明顯的滑動(dòng)裂縫。為了保證邊坡的安全,對(duì)邊坡采取卸荷和放緩的措施。至12月底,邊坡的卸荷和放緩?fù)瓿?滑坡體被完全清除。

第二階段滑坡從2022年2月開始,受降雨影響,邊坡頂部的坡面和邊坡頂部的路面出現(xiàn)裂縫,坡頂再次出現(xiàn)滑塌體。采用重型機(jī)械在坡頂對(duì)滑坡體上部的巖土體進(jìn)行清理,導(dǎo)致坡頂土體再次開裂,形成淺層的滑坡體。6月進(jìn)入梅雨季節(jié),邊坡所在地持續(xù)大范圍降雨,滑坡體的后緣產(chǎn)生錯(cuò)縫,錯(cuò)動(dòng)的高度約為30 cm。但經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和踏勘,發(fā)現(xiàn)滑塌范圍較2月份并未發(fā)生較大改變。隨后,采取抗滑樁支擋+局部卸載加固,邊坡逐漸趨于穩(wěn)定。

3 滑坡機(jī)理分析

3.1 地質(zhì)因素

滑坡的根本原因在于坡體中局部剪應(yīng)力超過巖土體自身的抗剪強(qiáng)度,坡體的受力平衡被打破。邊坡的巖土體自身的抗剪強(qiáng)度是影響坡體穩(wěn)定性重要因素。邊坡頂部的滑坡體巖性主要為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖和含碎石粉質(zhì)黏土,其中邊坡表面的覆蓋層含碎石粉質(zhì)黏土,組成物質(zhì)結(jié)構(gòu)松散。強(qiáng)風(fēng)化巖的力學(xué)性質(zhì)差,抗剪強(qiáng)度低,開挖暴露后遭降雨進(jìn)一步侵蝕,結(jié)構(gòu)變得松散,極易發(fā)生滑坡。下部的中風(fēng)化巖體的透水性相對(duì)于上部含碎石粉質(zhì)黏土覆蓋層及強(qiáng)風(fēng)化巖較差,產(chǎn)生一個(gè)隔水面,且中風(fēng)化巖層的層理產(chǎn)狀為239°～253°、傾角為24°～29°,層理與坡向傾角幾乎相同,這也是導(dǎo)致滑坡的地質(zhì)因素之一。

3.2 降雨

由于連續(xù)的強(qiáng)降雨,導(dǎo)致雨水不斷向坡體內(nèi)入滲,邊坡頂部的粉質(zhì)黏土層的含水率快速增加,導(dǎo)致邊坡土體剪應(yīng)力增大且抗剪強(qiáng)度下降。降雨發(fā)生后,由于土體的自重增大,邊坡滑動(dòng)體向下輕微滑動(dòng),導(dǎo)致邊坡后緣的粉質(zhì)黏土層和強(qiáng)風(fēng)化巖層出現(xiàn)張拉裂縫和錯(cuò)動(dòng)裂縫。由于坡體巖層構(gòu)造的特征,導(dǎo)致潛在滑動(dòng)體的側(cè)緣出現(xiàn)羽毛狀裂縫,雨水很快沿著裂縫進(jìn)入到坡體內(nèi)部,產(chǎn)生裂隙水壓力。隨著降雨的持續(xù),邊坡頂部表層的巖土層在張拉裂縫附近首先達(dá)到飽和狀態(tài),水在坡體滲流的過程中產(chǎn)生動(dòng)水壓力,對(duì)阻礙水流動(dòng)的坡體產(chǎn)生推力。因此,與未發(fā)生降雨條件下的邊坡相比,坡體下滑力增加了兩個(gè)分量:裂隙水壓力、動(dòng)水壓力[9]。此外,由于含碎石粉質(zhì)黏土層下的強(qiáng)風(fēng)化粉質(zhì)砂巖破碎嚴(yán)重,巖體存在大量的節(jié)理裂隙,大量雨水會(huì)沿強(qiáng)風(fēng)化砂巖層中的節(jié)理裂隙流動(dòng),而粉質(zhì)黏土層和強(qiáng)風(fēng)化粉質(zhì)砂巖層下方完整性較好的中風(fēng)化粉質(zhì)砂巖層透水性相對(duì)較弱,在中風(fēng)化巖層的頂面形成一層相對(duì)隔水層,提高了邊坡對(duì)雨水的滯留能力,促進(jìn)了邊坡土體自重的增加速率。

降雨不僅導(dǎo)致潛在滑動(dòng)土體外部的受力發(fā)生改變,并且改變了邊坡土體自身的物理力學(xué)性質(zhì)。降雨導(dǎo)致邊坡土體的含水率上升,坡體巖土體的基質(zhì)吸力下降,而基質(zhì)吸力的下降直接導(dǎo)致巖土體的抗剪強(qiáng)度下降。由于雨水的浸泡,強(qiáng)風(fēng)化巖層的結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變,主要體現(xiàn)為土體和巖體結(jié)構(gòu)面中夾雜的填充物從固體狀態(tài)向塑性狀態(tài)甚至是流動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化,這導(dǎo)致邊坡的土體和巖體的力學(xué)強(qiáng)度大大下降。此外,由于中風(fēng)化巖層的隔水作用,隨著降雨的持續(xù),坡體內(nèi)的地下水位不斷上升[10],這使破碎的強(qiáng)風(fēng)化巖土層中的靜水壓力不斷增加,導(dǎo)致強(qiáng)風(fēng)化巖層的有效應(yīng)力和抗剪強(qiáng)度下降。如圖2所示。

圖2 降雨條件下巖土體受力示意圖

4 滑坡綜合處治技術(shù)

在路塹邊坡發(fā)生滑坡后,主要采用了卸荷+坡面防護(hù)的滑坡綜合處治方案。從滑塌的剪出口位置附近進(jìn)行刷坡放緩,設(shè)計(jì)坡率為1∶2.5,每級(jí)坡高10 m,坡面均采用錨桿框格防護(hù)。同時(shí),為了保證邊坡頂部道路附近區(qū)域的穩(wěn)定性,改變?cè)械牡缆肺恢谩?/p>

4.1 邊坡防護(hù)

對(duì)卸荷后的部分坡面設(shè)置框格錨桿防護(hù),對(duì)各級(jí)坡面采用噴播植草和厚層基材進(jìn)行綠化防護(hù),灌木比例適當(dāng)增大。為增大坡腳的穩(wěn)定性,在坡腳位置增加擋墻。

4.2 排水設(shè)計(jì)

在坡頂內(nèi)側(cè)設(shè)置矩形混凝土邊溝,各坡面平臺(tái)設(shè)置平臺(tái)截水溝,并與邊溝順接,最后匯入主線水溝。

4.3 改路設(shè)計(jì)

改路位于第五級(jí)坡頂上方。路基標(biāo)準(zhǔn)寬度為5 m,開挖坡率為1∶1.5,坡面采用錨噴支護(hù)。內(nèi)側(cè)水溝凈尺寸為40 cm×40 cm,采用C20混凝土澆筑。

4.4 邊坡監(jiān)測(cè)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證邊坡綜合處治的效果,保證滑坡不在發(fā)生,需要對(duì)邊坡進(jìn)行監(jiān)測(cè)。邊坡監(jiān)測(cè)主要包括地表監(jiān)測(cè)和地下位移監(jiān)測(cè)兩部分。地表監(jiān)測(cè)包括水平位移監(jiān)測(cè)、豎向位移監(jiān)測(cè)和裂隙監(jiān)測(cè)。水平位移監(jiān)測(cè)采用全站儀,豎向位移采用水準(zhǔn)儀,裂隙監(jiān)測(cè)采用直尺和裂縫計(jì)。地下位移監(jiān)測(cè)通過布設(shè)測(cè)斜管,進(jìn)行坡體深部水平位移監(jiān)測(cè),獲得潛在滑動(dòng)面的深度和滑動(dòng)體的滑動(dòng)方向。測(cè)斜管總共布設(shè)三根,深度均為15 m。如圖3所示。

圖3 邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意圖

為突出分析重點(diǎn),簡(jiǎn)化分析過程,選取典型的邊坡位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。選取地表位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)M1、P3及測(cè)斜管M2、M3進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析。圖4為邊坡P1和P3兩個(gè)典型監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的地表位移監(jiān)測(cè)曲線圖。

(a)監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1

由圖4可知,隨著監(jiān)測(cè)時(shí)間的增加,兩個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的邊坡土體在三個(gè)方向的變形最終均趨于穩(wěn)定。在監(jiān)測(cè)初期,位移增加最快,隨著監(jiān)測(cè)時(shí)間的增加,位移變形速率逐漸下降。表明邊坡加固措施發(fā)揮了較好的加固作用。其中,位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1位置Z方向的位移最大,最大位移量為28.52 mm;位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)P3位置也是在Z方向的位移最大,最大位移量為22.51 mm。兩個(gè)位置的最大位移量均在合理的變形范圍之內(nèi),并且位移均趨于穩(wěn)定。

圖5為邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定時(shí)的坡體深部巖體位移監(jiān)測(cè)曲線圖。由圖5可知,兩個(gè)監(jiān)測(cè)位置的深部位移均在正常范圍內(nèi)。M2和M3兩個(gè)測(cè)斜孔以下12 m發(fā)生了明顯的位移突變,表明邊坡深部巖體在深度12 m附近存在潛在滑動(dòng)帶。在潛在滑動(dòng)帶以下位置巖體發(fā)生的位移方向與潛在滑動(dòng)帶以上位置的巖體位移方向相同。隨著測(cè)斜孔的深度增加,巖體的位移量逐漸減小。在地表位置的位移量最大,M2和M3兩個(gè)測(cè)斜孔的最大位移量分別為22.3 mm、27.8 mm。結(jié)合地質(zhì)調(diào)查,在M2和M3兩個(gè)測(cè)斜孔位置地表下11 m附近為強(qiáng)風(fēng)化巖層和中風(fēng)化巖層的分界面,并且強(qiáng)風(fēng)化巖層破碎嚴(yán)重,含水量高,是邊坡加固措施設(shè)計(jì)時(shí)考慮的重點(diǎn)。但總體上坡體的位移處于正常范圍內(nèi),表明邊坡的加固措施發(fā)揮了明顯的加固效果。

圖5 邊坡深部巖體位移監(jiān)測(cè)曲線圖

5 結(jié)語

(1)在風(fēng)化嚴(yán)重的巖質(zhì)邊坡開挖施工期間,持續(xù)性的降雨下滲會(huì)引起邊坡的破碎巖體含水率上升,導(dǎo)致坡體下滑力增加,巖體的抗剪強(qiáng)度下降,加之開挖施工的擾動(dòng),引起邊坡的應(yīng)力分布發(fā)生變化,是誘發(fā)風(fēng)化巖質(zhì)邊坡滑坡的主要內(nèi)因和外因。

(2)降雨持續(xù)條件下,在不同風(fēng)化程度的巖層界面,由于下層巖層界面的隔水作用,坡體內(nèi)的水位持續(xù)上升,引起上層巖層中的靜水壓力增加,巖體的有效應(yīng)力和抗剪強(qiáng)度下降,容易產(chǎn)生潛在滑動(dòng)面。

(3)針對(duì)風(fēng)化巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性差、巖體強(qiáng)度易受降雨影響的特點(diǎn),采取“卸荷+坡面防護(hù)”的綜合措施,對(duì)滑坡后的邊坡進(jìn)行處治。同時(shí),對(duì)臨近邊坡的道路進(jìn)行改道,以減小對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響?，F(xiàn)場(chǎng)坡體位移監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,邊坡經(jīng)過綜合處治后,滑坡綜合處治措施對(duì)滑坡的治理效果明顯,邊坡的穩(wěn)定性顯著提升。