王 海，郭 銳，趙昀昀

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院)

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五盂高速公路K21～K25段順層滑坡變形特征及破壞原因分析

王 海，郭 銳，趙昀昀

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院)

五臺至盂縣高速公路在K21～K25段分布有八段順層路塹邊坡，邊坡巖體中的中～緩傾角結(jié)構(gòu)面及軟弱夾層發(fā)育，路塹的開挖已引起七段邊坡發(fā)生不同程度的變形或滑動。根據(jù)工程地質(zhì)勘察結(jié)果及施工過程中邊坡變形情況，依托代表性的五號高邊坡，從邊坡的地質(zhì)環(huán)境及多次變形特征入手，對其形成原因及破壞機(jī)制做了分析研究。研究結(jié)果表明，邊坡中軟弱夾層的存在，加之長期的差異風(fēng)化蝕變、構(gòu)造作用、降雨、不規(guī)范施工等原因，是該邊坡產(chǎn)生滑動的控制性因素。對該邊坡的研究，可為以后類似邊坡(滑坡)勘察及處治提供依據(jù)及參考。

邊坡工程；順層滑坡；軟弱夾層；破壞機(jī)制

1 引 言

山西五臺至盂縣高速公路K21～K25段位于五臺山東南部阜平穹狀隆起區(qū)內(nèi)，該隆起區(qū)以裸露的前長城系結(jié)晶基底為特征，受區(qū)域變質(zhì)作用，巖性多以片麻巖和片巖為主，地層產(chǎn)狀較穩(wěn)定，總體向西傾，傾角15°～28°。由于該路段基本平行于巖層走向布設(shè)，因此在路線設(shè)計(jì)上，不可避免地遇到大量的順層邊坡。這些順層邊坡中，有八段邊坡高度大于30 m，在切坡過程中，就有七段邊坡發(fā)生了變形或滑坡。因此，對變質(zhì)巖順層邊坡破壞規(guī)律及處治對策的研究，對高速公路工程建設(shè)及滑坡防治具有十分重要的意義。

前人對順層邊坡的破壞機(jī)制進(jìn)行了大量的研究。肖國峰等通過滑坡區(qū)的全面監(jiān)測，研究了硬巖中傾順層邊坡變形特征和破壞機(jī)制。黃潤秋、楊天鴻等分析了幾種特殊條件下的順層邊坡變形破壞機(jī)制，并據(jù)此進(jìn)行了相應(yīng)的邊坡穩(wěn)定性分析。成永剛，楊明亮等，對沉積巖順層滑坡進(jìn)行了成因分析，并提出了各種治理措施及建議。

基于五盂高速公路K21～K25段中5號深路塹切方開挖引起的滑坡，以地質(zhì)勘察成果為基礎(chǔ)，追蹤了邊坡整個(gè)切坡過程中發(fā)生的多次變形及相應(yīng)的處治對策，系統(tǒng)分析了邊坡每次滑移過程中的變形特征，并結(jié)合該邊坡的地形地貌特征、巖性特征、結(jié)構(gòu)面特性及施工條件，研究了變質(zhì)巖順層邊坡的破壞機(jī)制。

2 滑坡區(qū)工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

該路段位于太行山西側(cè)滹沱河一級支流牛道溝東側(cè)山體斜坡上，地貌單元屬于構(gòu)造侵蝕中低山區(qū)，溝底與山頂最大高差約400 m。牛道溝兩側(cè)山體近南北走向，兩側(cè)山體地形地貌截然不同，空間上呈不對稱“V”字型，一側(cè)中緩坡，一側(cè)陡坡。東側(cè)地形相對較緩，坡角一般在20°～30°，侵蝕沖溝較發(fā)育，蜿蜒曲折，且延伸距離較長，切割較深，受牛道溝河流的侵蝕作用，坡面上形成多處相對平緩的侵蝕臺階(高階地)，并生長有少量的灌木及雜草，目前已大部分改造為耕地；西側(cè)地形較陡，陡坎和絕壁發(fā)育，坡角一般在35°～60°，基巖沖溝短，縱坡大。

東、西兩側(cè)地形地貌表現(xiàn)出山體的不同侵蝕特征，東側(cè)山體反應(yīng)了巖體沿層理(片理)面被剝蝕侵蝕的特點(diǎn)，西側(cè)山體反應(yīng)了巖體沿節(jié)理裂隙侵蝕剝蝕的特點(diǎn)，在剝蝕侵蝕的過程中，東側(cè)山體可能以滑坡、滑塌形式侵蝕剝離，西側(cè)山體可能以崩塌形式侵蝕剝離。

2.2 地層特征

(1)第四系全新統(tǒng)殘坡積層(Qdl+el4)

該組地層分布于滑坡區(qū)中下部位置，厚度變化較大，一般1～3 m，由稍密碎、塊石組成，黏性土充填，碎塊石與黏性土之比約為7∶3；碎塊石巖性主要為強(qiáng)風(fēng)化斜長片麻巖。該組地層為表層滑體組成部分。

(2)上太古界龍華河群會理組(Ar3h)

根據(jù)勘察資料，區(qū)內(nèi)該地層巖性為黑云(角閃)斜長片麻巖夾薄層狀(絹)云母(綠泥)片巖，兩者比例約為5∶1(圖1)。在垂直空間上，由于巖性、強(qiáng)度不同，差異風(fēng)化尤為明顯，其強(qiáng)風(fēng)化影響深度在30 m左右。該組地層為滑體和滑床的主要組成部分。

黑云(角閃)斜長片麻巖：灰黑色，鱗片變晶結(jié)構(gòu)和粒狀變晶結(jié)構(gòu)，片狀、片麻狀構(gòu)造，中-薄層為主，局部為中～厚層狀，主要成分為長石、石英、角閃石及黑云母，礦物所占比例變化較大。

薄層狀(絹)云母(綠泥)片巖：棕黃、棕色，鱗片變晶結(jié)構(gòu)，片狀構(gòu)造，主要成分為絹云母、綠泥石等片狀礦物，含少量長石、石英?？臻g上分布規(guī)律較差，厚度不勻，厚度一般小于0.5 m，多呈薄層狀。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造及節(jié)理裂隙

區(qū)內(nèi)地層總體上表現(xiàn)為單斜構(gòu)造。巖層傾向變化較小，一般在250°～260°左右，巖層傾角變化稍大，滑坡后緣附近傾角在15°～20°之間，滑坡中部至前緣部分，傾角逐漸增大，變化范圍在20°～27°左右。

滑坡區(qū)地層節(jié)理裂隙較發(fā)育，主要發(fā)育2組節(jié)理。節(jié)理1產(chǎn)狀為260°<80°，節(jié)理面較平直，延伸長度一般3～5 m，節(jié)理密度2～3條/m，無充填物，張開度小于2 mm；節(jié)理2產(chǎn)狀為350°<80°，節(jié)理面較粗糙，節(jié)理密度3-5條/m，為區(qū)內(nèi)主要節(jié)理，張開度2～3 mm，鈣質(zhì)膠結(jié)。

2.4 水文氣象

滑坡區(qū)內(nèi)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，春季干旱多云，夏季高溫炎熱，秋季涼爽多雨，冬季寒冷少雪。降雨主要集中在7～8月份，年平均降雨量500～618 mm；年平均氣溫8.7 ℃，一月平均氣溫零下6.6 ℃，七月平均氣溫23.1 ℃；凍土深度1.2 m。

2.5 水文地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)勘察，滑坡區(qū)為單向斜坡，且三面臨空，排水較暢通，無地表水和地下水分布。

3 邊坡原設(shè)計(jì)方案

該路段的八段深路塹邊坡，原設(shè)計(jì)方案為：最下一級設(shè)置路塹擋土墻，外邊坡坡率1∶0.75，以上各級坡率為1∶1.25，每8 m高設(shè)2 m寬平臺，坡面使用預(yù)應(yīng)力框架錨索防護(hù)。其中邊坡最大開挖高度為96 m/12級，位于K21+930處(1號邊坡)，其余七段高邊坡開挖高度均大于30 m。五號邊坡對應(yīng)里程為K23+375～K23+690，原設(shè)計(jì)最大坡高51.4 m，共設(shè)七級卸荷臺階。

4 邊坡變形破壞歷史

4.1 初次變形

滑坡初次變形始于2011年7月2日連續(xù)降雨之后，變形較小，沒得到足夠的重視，認(rèn)為是正常的卸荷變形。當(dāng)邊坡繼續(xù)開挖至第二級時(shí)(坡高40 m)，于2011年9月18日開始發(fā)生大規(guī)模山體變形，變形持續(xù)半年左右。

根據(jù)勘察結(jié)果，本次變形引起的滑坡，屬于中型基巖順層滑坡，滑坡外輪廓呈近等腰三角形，前緣寬度約300 m，主軸長約280 m，總面積約4.2萬m2，滑體厚度5～15 m，平均厚度約11 m，總體積約46萬m3。其剪出口位于路塹坡腳處，滑面位于以絹云母片巖為主的軟弱夾層結(jié)構(gòu)面上，主滑動方向?yàn)?65°，傾角約26°?；w由強(qiáng)風(fēng)化片麻巖夾絹云母片巖和第四系塊碎石土組成?；轮鬏S橫斷面見圖1。

圖1 滑坡剖面

根據(jù)滑體規(guī)模，坡面主要裂縫分布形態(tài)，可將整個(gè)滑體劃分為5個(gè)次級滑塊(圖3)，各滑塊特征見表1。本次變形致使①和②區(qū)后緣出現(xiàn)大的拉張裂縫，縫寬約3.0 m，坡面呈碎裂鑲嵌狀，①區(qū)和②區(qū)之間產(chǎn)生高約1.0 m的垂直錯(cuò)臺；③區(qū)內(nèi)2～4級邊坡未錨拉的框架大部分被破壞，部分錨索連根拔起，坡面發(fā)育多條貫穿裂縫，坡體凌亂不堪，并且在坡腳剪出口附近出現(xiàn)反翹；④區(qū)后緣裂縫貫通，滑體向南側(cè)沖溝整體滑動；⑤區(qū)屬于牽引段，變形相對較弱，坡體總體較完整，發(fā)育有較多較窄的斜裂縫，基本貫通，此時(shí)滑坡雛形已現(xiàn)。

表1 各滑塊變形特征

本次變形特點(diǎn)：滑坡前緣變形劇烈，坡腳能量釋放迅速，而上部牽引段變形較?。辉谶吰碌闹邢虏垦貑我黄砻婊瑒拥?，而在滑坡后部滑面則追蹤節(jié)理呈弧型或折線延伸至地表；整個(gè)坡面的主要裂縫已基本聯(lián)通。

4.2 第二次變形

2012年10月10日開始按上述方案進(jìn)行施工，于2012年10月23日完成了第15、16級邊坡的開挖，在進(jìn)行第15級(⑤區(qū))拱形骨架的施工時(shí)，發(fā)現(xiàn)已完成的第16級邊坡拱形骨架及平臺截水溝出現(xiàn)開裂破壞現(xiàn)象，之后數(shù)天平臺及坡體開始出現(xiàn)少量裂縫及小規(guī)模變形，但對整個(gè)坡體影響不大，裂縫未貫通。

本次變形特點(diǎn)：小規(guī)模淺層蠕動變形，裂縫主要存在于淺層的全～強(qiáng)風(fēng)化層內(nèi)。

應(yīng)對措施：繼續(xù)開挖第12、11級邊坡，第11～13級邊坡暫不進(jìn)行拱形骨架防護(hù)施工，在已開挖完成的邊坡平臺上布設(shè)觀測點(diǎn)進(jìn)行觀測，動態(tài)施工。

4.3 第三次變形

2013年3月底，卸載至2～3級坡時(shí)，坡體開始滑動，較為劇烈，第2級至第13級坡體均發(fā)生大的滑動及變形，裂縫已貫穿整個(gè)邊坡，在坡體中上部出現(xiàn)新的拉張裂縫；之后，該裂縫逐漸增大，繼而引起整個(gè)坡體破碎，并向下擠壓蠕動變形，最后在裂縫處形成寬5～8 m的凹槽，形成新的滑體。該滑體平面上呈半圓狀，直徑約160 m，滑體厚2～3 m，后壁高2～5 m。

變形特點(diǎn)：滑動影響平面范圍大，深度淺，坡體多為碎塊狀，整個(gè)坡面以“碎石流”的形式沿淺層片理面和節(jié)理面均勻向下滑動，且具多層滑動特征，后壁巖層高嶺土化嚴(yán)重，擦痕光滑，高差大。

應(yīng)對措施：以卸為主支擋為輔，動態(tài)施工，動態(tài)設(shè)計(jì)。

4.4 坡體穩(wěn)定

2014年4月卸載基本完成，經(jīng)過監(jiān)測，坡體穩(wěn)定。最終方案以卸載為主，卸載綜合坡率約1∶2.6(坡角21°)，開口線離路中心線最遠(yuǎn)為310 m，最大坡高約120 m；為保證邊坡足夠的安全系數(shù)，在坡前設(shè)置抗滑擋墻，墻高8 m，并在墻頂預(yù)留寬10～30 m緩沖安全平臺。

5 邊坡破壞成因分析

經(jīng)對現(xiàn)場工程地質(zhì)測繪成果、鉆探資料、測試資料、監(jiān)測工作以及滑坡體三次變形特征進(jìn)行綜合分析，該滑體的形成有內(nèi)在因素，也有外在因素。

5.1 施工原因

由于深路塹施工沒有嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)文件挖一級錨一級逆作法進(jìn)行，全斷面開挖邊坡，致使坡腳處應(yīng)力過渡集中，形成臨空面，邊坡的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，為使邊坡達(dá)到新的平衡，邊坡應(yīng)力狀態(tài)將不斷發(fā)生變化，直到破壞達(dá)到新的平衡位置；另外全斷面開挖深路塹后，才開始施工錨索框架，錨索鉆孔的施工，加劇了坡面巖層的破碎和新的節(jié)理裂隙產(chǎn)生，沒有及時(shí)錨固的框架梁在坡面上增加了坡體自重，這兩方面的影響是產(chǎn)生滑坡的主要因素。

5.2 巖體特性

根據(jù)勘察及室內(nèi)試驗(yàn)揭示，組成滑體的巖體以斜長(角閃)片麻巖夾(絹)云母(綠泥)片巖為主，所組成的巖體表面上看較完整，整體強(qiáng)度較高。其中片麻巖較為堅(jiān)硬，性脆，多呈中～薄層狀，節(jié)理較發(fā)育，在外力作用下易破碎；所夾的(絹)云母(綠泥)片巖，巖質(zhì)軟，強(qiáng)度低，易風(fēng)化蝕變(高嶺土化)，為軟弱夾層，在空間上以夾層或互層形成存在，且分布厚度極不均勻。當(dāng)出現(xiàn)臨空面時(shí)，每一層軟弱夾層都可能形成滑動面，這是形成多層、多級滑動面的主要原因之一。

5.3 構(gòu)造原因

滑坡范圍內(nèi)地層為單斜構(gòu)造，滑體中下部傾角25°～27°，上部傾角較為平緩，一般為15°～25°，巖層傾向250°～260°，坡向280°，原設(shè)計(jì)坡率1∶1.25(坡角39°)，為層狀同向結(jié)構(gòu)；滑坡區(qū)節(jié)理裂隙較發(fā)育，主要發(fā)育有2組節(jié)理(見前述)，根據(jù)結(jié)構(gòu)面極射赤平投影分析(圖2)，巖層層面與邊坡坡向一致，為外傾結(jié)構(gòu)面，巖層層面為軟弱結(jié)構(gòu)面，且傾角小于原設(shè)計(jì)坡角，與坡面為不利組合關(guān)系；由于該軟弱層面的存在，層面與節(jié)理面1、節(jié)理2組合，均為不利組合關(guān)系。外傾軟弱結(jié)構(gòu)面對本次滑坡的形成起到重要的不利作用；另外由于滑體上部傾角較為平緩，初次滑塌后按照1∶2坡率刷坡，并沒有完全清除中上部潛在滑體，導(dǎo)致發(fā)生第二次和第三次滑塌變形。

圖2 結(jié)構(gòu)面極射赤平投影圖

5.4 降雨原因

邊坡巖體所含軟弱夾層為滑塌形成的內(nèi)因，軟弱夾層巖性多為(絹)云片(綠泥)巖，此類巖石含有較多的(絹)云母，為相對隔水層，邊坡開挖后，適逢雨季，連續(xù)的強(qiáng)降雨，坡面雨水來不及順坡面及沖溝排泄，沿巖體節(jié)理裂隙逐漸下滲，匯集于軟弱夾層層面，使巖層變軟，抗剪強(qiáng)度降低，繼而沿軟弱夾層滑動。

綜上所述，該邊坡多次變形滑塌的產(chǎn)生有人為因素，也有自然因素。人為因素包括未按要求施工開挖，優(yōu)化設(shè)計(jì)失誤等因素，自然因素包括軟弱夾層，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，坡腳構(gòu)造應(yīng)力集中，強(qiáng)降雨等因素。

6 結(jié) 語

五號邊坡的變形特征和破壞機(jī)制，基本上可以反映出五盂高速公路K21～K25段變質(zhì)巖順層邊坡的變形特征和破壞機(jī)制。根據(jù)五號邊坡整個(gè)切坡過程中發(fā)生的多次變形及處治對策的分析研究，得出以下結(jié)論，并提出相應(yīng)的應(yīng)對措施及建議。

(1)當(dāng)出現(xiàn)臨空面，下滑力大于其抗剪強(qiáng)度時(shí)，順層邊坡中存在的每層軟弱夾層都可能形成滑動面，是形成多層、多級滑動面的主要原因之一。建議在山區(qū)公路選線時(shí)，必須重視沿線地質(zhì)情況，特別是在層狀同向結(jié)構(gòu)軟夾層存在的斜坡上，切忌大開挖、大爆破；邊坡勘察中不應(yīng)以點(diǎn)代面，應(yīng)綜合分析軟弱夾層的分布規(guī)律；施工中必須嚴(yán)格按照逆作法進(jìn)行，挖一級，錨一級，一旦坡體發(fā)生大的變形，補(bǔ)救代價(jià)太大。

(2)受區(qū)域變質(zhì)作用的影響，變質(zhì)巖的片理(片麻理)及節(jié)理產(chǎn)狀變化較大，形成的滑動面可能為緩變和折線形。邊坡設(shè)計(jì)時(shí)，不宜采用單一坡率進(jìn)行刷坡，建議根據(jù)現(xiàn)場揭露的地質(zhì)條件，動態(tài)設(shè)計(jì)。

(3)中-薄層狀脆性硬質(zhì)巖夾軟巖形成的順層邊坡，沿片理(片麻理)面進(jìn)行刷坡設(shè)計(jì)時(shí)，建議考慮施工過程中對坡面巖體完整性的影響，以免形成淺層滑動的“碎石流”滑坡。建議設(shè)計(jì)坡率略小于片理(片麻理)面傾角。

(4)由于受到區(qū)域變質(zhì)作用的影響，該類型滑坡體巖層主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀變化較大，在滑體初次變形后，如處治方案以卸載為主，卸載面難以控制，巖體易破碎，在施工過程中容易形成新的滑動面和剪出口，可能會引起更大規(guī)模的順層滑坡，并且大規(guī)模山體開挖卸載，對環(huán)境破壞較嚴(yán)重。建議在滑坡初次變形(蠕動擠壓階段)，整個(gè)滑面未貫通，滑帶土強(qiáng)度也未完全達(dá)到其殘余強(qiáng)度時(shí)，采用以抗滑支擋為主的預(yù)加固措施，充分利用土體自身的強(qiáng)度，減少卸載或支擋工程量及工程投資，將大規(guī)?；冃蜗麥缭诔跏茧A段和萌芽狀態(tài)。

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Research on Deformation and Failure Mechanism of Bedding Landslides Between 21 to 25 Kilometers of Wutai-yuxian Expressway

WANG Hai，GUO Rui，ZHAO Yun-yun

(Transportation planning survey and design institute of Shanxi Province)

There are eight period of bedding cutting slope between K21 to K25 kilometers of Wutai to Yuxian expressway, rock mass contains many gently dipped structure planes and soft intercalations, cutting excavation has caused seven slopes deformation or sliding of different degree. According to engineering geology investigation results and the slope deformation of the construction, depending on the representation of the no.5 slope, starting from the geological environment of slope and multiple deformation characteristics, the causes of their formation and failure mechanism analysis are made and research. The research results show that the slope of soft intercalation, coupled with long-term difference weathering alteration, tectonic action, rainfall, non-standard construction, which is the controlling factors of the slope sliding. The conclusion may be useful for geological exploration and treatment of similar engineering.

slope engineering；bedding landslides；soft intercalation；failure mechanism

2015-04-15

王海(1984-)，男，工程師。

TH133; TP183

C

1008-3383(2015)11-0004-03