鄭一晨，張可能

(1.廣州市城市規(guī)劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510060；2.中南大學地球科學與信息物理學院地質工程系，湖南 長沙 410083)

湘南地區(qū)煤系地層邊坡失穩(wěn)分析及其治理研究

鄭一晨1*，張可能2

(1.廣州市城市規(guī)劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510060；2.中南大學地球科學與信息物理學院地質工程系，湖南 長沙 410083)

郴州城市發(fā)展建設過程中煤系土滑坡地質災害一直是最為常見，一般發(fā)生在第四系坡積物覆蓋的山坡地段，以炭質泥巖、炭質頁巖等煤系土為主?；麦w形態(tài)完整，呈舌狀、長條狀、扇狀或不規(guī)則狀；剖面呈階梯狀，邊界輪廓清晰；滑坡后壁具明顯的圈椅形態(tài)。本文結合具體工程案例主要對煤系土邊坡主要破壞類型進行歸納描述，并對煤系土邊坡失穩(wěn)特征、失穩(wěn)機理、誘發(fā)因素展開研究，提出有效治理措施，滑坡趨勢得到有效控制。

煤系地層；滑坡；郴州地區(qū)

1 前 言

隨著廣大工程地質工作者通過長期工程實踐認識研究，循序漸進地對邊坡變形機理及其失穩(wěn)因素過程分析，進而不斷細化具體邊坡破壞類型分類劃分[1，2]。每次邊坡破壞過程中都能反映出三要素：邊坡破壞類型，破壞巖土體的滑動速度，破壞規(guī)模范圍。綜合三要素全面體現(xiàn)了邊坡漸進性破壞全過程及危害體現(xiàn)。本文考慮郴州地區(qū)煤系土特殊工程性狀，總結在自然與人為因素作用下郴州地區(qū)煤系土邊坡破壞形式主要表現(xiàn)為坡面沖蝕、泥石流、傾倒破壞(坍塌)及滑坡[3]。

郴州城市發(fā)展建設過程中煤系土滑坡地質災害一直是最為常見，依據(jù)2014年郴州市國土部門統(tǒng)計調查顯示，滑坡災害隱患點數(shù)量(1 020處)高占郴州市地質災害隱患點總數(shù)(1 132處)的82.8%(如圖1所示)?；聟^(qū)別于崩塌通常以深層破壞的形式出現(xiàn)?；瑒用嫱钊氲狡麦w內(nèi)部，甚至延伸到坡腳以下，且滑動速度比崩塌緩慢，不同滑坡滑速各異主要取決于滑動面本身的物理力學特性。

圖1 2014年郴州市邊坡地質災害隱患點類型統(tǒng)計

郴州地區(qū)滑坡一般發(fā)生在第四系坡積物覆蓋的山坡地段，以炭質泥巖為主。滑坡造成破壞損失嚴重。郴州地區(qū)煤系土邊坡巖土體在自身重力作用下，沿著巖土軟弱面，緩慢蠕動下滑，經(jīng)歷從蠕變階段到破壞階段再發(fā)展到自穩(wěn)平衡階段。在特殊的地形地貌地質條件下，煤系土滑坡周界常見為橫跨式，延伸較長，發(fā)生于巖土軟弱交界面處(如圖2、圖3所示)。

圖2 滑坡(郴州市同心橋安置小區(qū)邊坡失穩(wěn))

圖3 滑坡(駱仙嶺駱仙西路C區(qū)滑坡)

表1統(tǒng)計列舉了近幾年郴州地區(qū)煤系土邊坡發(fā)生的重大滑坡事故狀況。根據(jù)表1可以看出，同坡度傾向順層邊坡及炭質泥巖往往是煤系土邊坡滑動失穩(wěn)的內(nèi)在因素。在連續(xù)性降雨下、風化干濕循環(huán)作用及人工超開挖邊坡等外界擾動作用下最終導致邊坡滑動失穩(wěn)破壞。

郴州地區(qū)(2010～2014)年煤系土滑坡案例統(tǒng)計表 表1

2 煤系土邊坡失穩(wěn)特征分析

郴州城市發(fā)展建設過程中煤系土滑坡地質災害一般發(fā)生在第四系坡積物覆蓋的山坡地段，以炭質泥巖、炭質頁巖等煤系土為主?；麦w形態(tài)完整，呈舌狀、長條狀、扇狀或不規(guī)則狀；剖面呈階梯狀，邊界輪廓清晰；滑坡后壁具明顯的圈椅形態(tài)。

郴州地區(qū)典型煤系邊坡大多為巖土混合邊坡，即下部巖層，上部土層，或者巖層與土層互層。地層分布類型從上至下可描述為：

(1)坡面表層為第四系坡積粉質黏土及第四系坡積碎石土，往往系泥巖、砂頁巖風化坡殘積物，表層含有少量植物根系；

(2)二疊系全風化頁巖，褐黃色，灰色～灰黑色，且原巖結構構造基本破壞；

(3)二疊系中風化頁巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖質較硬，巖體較完整；

(4)石炭系中風化灰?guī)r及石炭系中風化炭質灰?guī)r，薄—中厚層狀構造，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖質較硬，為邊坡穩(wěn)定基巖(煤系地層典型地質坡面如圖4所示)。

圖4郴州地區(qū)煤系土邊坡典型地質

煤系土邊坡滑動特征大致分為a牽引式滑坡，b推移式滑坡，c整體滑坡(如圖5所示)。

其中以牽引式滑坡最為頻發(fā)，隨著切坡開挖造成邊坡應力重分布，邊坡幾何形狀變異，坡腳易出現(xiàn)應力集中，在外營力作用(雨水風化干濕循環(huán))下，煤系土體迅速軟化，抗剪強度劇減，開挖邊坡坡頂線附近形成張力帶，產(chǎn)生拉張裂縫，而坡腳應力集中，產(chǎn)生剪切破壞現(xiàn)象，最終發(fā)展至滑坡體從坡腳位置剪出。而在流變破壞損傷后僅剩殘余強度的巖土體無法再支撐上部土體而向后產(chǎn)生牽引作用，在無人工有效支護治理措施下，滑坡體將逐級向上部牽引擴張，不斷惡性循環(huán)，破壞范圍進一步擴展形成整體破壞。以郴州市駱仙嶺人防辦A區(qū)滑坡為例(如圖6所示)，因場地整平切坡，曾多次發(fā)生滑動，在場地北側形成高度約 3 m～14 m高的高陡邊坡，坡面呈現(xiàn)出大量張拉裂縫及多級沉降臺階錯亂分布。根據(jù)現(xiàn)場失穩(wěn)特征判斷其為典型性牽引式滑坡群。

圖5煤系土邊坡滑動特征

圖6 駱仙嶺A區(qū)大型牽引式滑坡

3 煤系土邊坡失穩(wěn)誘因

3.1 持續(xù)性暴雨與地下水環(huán)境

降雨豐富且爆發(fā)持續(xù)時間長是郴州地區(qū)煤系土滑坡災害頻發(fā)高發(fā)的重要因素之一。如2012年受第12號臺風“潭美”影響，湖南省降雨明顯劇增，且暴雨中心位于郴州地區(qū)，平均降雨量達 84.3 mm，引起郴州市蘇仙區(qū)、資興市、北湖區(qū)等縣(市、區(qū)) 9 000余起邊(滑)坡地質災害，轉移群眾達2萬人。由暴雨產(chǎn)生的徑流沖刷破壞邊坡坡面植被，持續(xù)時間長高強度降雨及暴雨使坡體含水量劇增，巖土體自重加大，而煤系土受干燥—浸水活化作用影響較大，水和外力作用下極易形成軟弱帶，大多由煤系巖層和風化物構成，造成應力變異，巖體蠕動變形。裂隙水補給致使其靜水壓力和空隙水壓力加大[4～7]，下滑力增加同時抗剪強度劇減抗滑力下降。雨水入滲通過一系列化學物理作用使滑坡坡面已有張拉裂縫擴大變形，加劇了邊坡蠕變失穩(wěn)過程。

3.2 地層巖性

煤系土具有巖層軟硬不均、層間膠結較差、結構松散、開挖后風化速度較快且遇水易軟化、性能極不穩(wěn)定和結構易破壞而喪失強度等特點，其結構面軟弱致使巖土體整體強度降低，并增強其土體流變性，加深了巖土體的不均勻性、和非連續(xù)性。郴州地區(qū)煤系土開挖邊坡在切方過程中，隨著切削表層第四系殘坡積層(粉質黏土厚約 1 m～3 m)后，致使坡體內(nèi)炭質頁巖、炭質泥巖等巖層暴露，多于坡腳處堆積。強風化炭質泥巖一般沉積成因，泥質結構，薄厚層狀構造，平均厚度約 10 m左右，透水性強。地層往下漸變?yōu)橹酗L化炭質泥巖，隱晶質結構，中厚層構造，揭露平均厚度約 5 m左右，碳酸鹽礦物膠結，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖質較硬，巖體較完整，相對不透水層。炭質頁巖及炭質泥巖隨地表強風化程度往坡體深部漸變風化，無明顯分界面。在風化干濕循環(huán)外界作用下，不斷加劇坡體深部侵蝕，巖體強度不斷降低，形成軟弱結構面為滑坡提供了有利條件[8]。

3.3 邊坡開挖及施工時序工藝

邊坡在外界條件的共同作用下(如人工開挖、降雨等)，失穩(wěn)是一個由局部失穩(wěn)、整體失穩(wěn)、最終發(fā)展為滑坡的漸變過程，在此過程中邊坡控制因素也是“動態(tài)”漸變的。郴州地區(qū)絕大多數(shù)自穩(wěn)狀態(tài)下煤系土邊坡破壞原因與人工開挖密切相關，開挖切方后邊坡的原應力狀態(tài)改變，應力再次分布后于坡腳位置集中，在降雨等外營力作用下坡體蠕變滑移，不斷產(chǎn)生坡體裂縫且加劇，由局部坍塌破壞最終發(fā)展至最終滑坡失穩(wěn)。

而往往由于工期緊張等原因，邊坡支護施工過程中沒有依據(jù)分層開挖分層支護及分段治理原則，而是簡單的采取一律一挖到底，如坡面錨桿(索)及注漿施工完成后未及時施工格構梁骨架，支護結構零散作用卻未形成有效整體效應，從而引發(fā)邊坡局部失穩(wěn)發(fā)展至滑坡；施工未考慮降雨含水率增大對煤系土產(chǎn)生的特殊影響，常于雨季施工而無任何針對暴雨采取的輔助排水措施，導致邊坡滑塌。

4 郴州市同心橋邊(滑)坡治理工程案例

4.1 工程概況

郴州市同心橋村安置小區(qū)臨同心路以西，四周山地環(huán)繞。按規(guī)劃設計要求整平場地后，形成約 240 m左右長、10 m～20 m左右高的切方邊坡，場地中間分臺階整平。該邊坡地處區(qū)域為中亞熱帶季風性濕潤氣候，場地地下水主要補給來源為鄰近區(qū)巖溶裂隙水和大氣降水。場地附近無地表水系分布，山澗溝谷常年無水。

4.2 工程特點及邊坡支護設計原則

場地地層揭露為厚層煤系土層(炭質泥巖、炭質頁巖)，如圖7、圖8所示。坡體開挖后加速風化劇烈，恰逢暴雨季節(jié)，坡體開挖已經(jīng)處于極限平衡狀態(tài)，急需立即對其進行邊坡支護。

經(jīng)過方案綜合比對，最后確定采用“放坡+錨桿+人字形骨架+矮擋墻”的支護方案，并根據(jù)現(xiàn)場地形情況，將場地分為六段進行治理，支護形式如表2所示。

圖7 (巖土界面)深厚層炭質泥巖

圖8 巖體破碎

同心橋邊坡分段支護方案 表2

4.3 邊坡失穩(wěn)發(fā)展過程

2012年10月21日場地中部出現(xiàn)開裂，該裂縫原為2012年8月17日坡體失穩(wěn)周界(當時裂縫是閉合的，而現(xiàn)在是展開的)，該處開裂的原因是由于坡腳圍墻處土體超開挖，坡體抗滑力不足所致，2013年3月1日，場地南段截水溝及人字形骨架還未完成施工，2013年3月28于南段與東面交界位置發(fā)生垮塌(如圖9所示)，場地截水溝約8處開裂，裂縫最寬約 10 cm(如圖10所示)。

圖9 坡面垮塌

圖10 坡面裂縫

2013年6月9日在隨著以一挖到底的方式下進行大規(guī)模開挖后，導致原本就分布多條裂縫的區(qū)域(南段與東面交界處)出現(xiàn)滑坡，滑坡后壁高差約 50 cm，滑坡體從二級坡面上剪出，現(xiàn)場可見明顯剪出口，滑坡范圍寬約 15 m～20 m，長約 10 m～15 m，高差約 7 m～9 m(如圖11、圖12所示)。

圖11 滑坡周界

圖12 滑坡側邊擠出

2013年7月14日場地東面二級坡體出現(xiàn)淺層滑動，坡面現(xiàn)大量裂縫，第二排抗滑樁頂上部有明顯的剪出口；南段與東面交界處區(qū)域滑坡變形繼續(xù)加劇，滑坡后壁高差最大約 2.2 m，滑坡剪出口錯動約 5 cm；由于施工時骨架嵌入土體深度不夠(約 150 mm)，在連續(xù)降雨作用下，雨水在骨架中積滯不能有效排除，慢慢入滲坡體內(nèi)部加劇邊坡蠕滑變形。

2013年9月9日場地BC段后排抗滑樁發(fā)生嚴重傾斜破壞(傾斜約15°～20°)，樁后坡面土體開裂加劇，逐級牽引發(fā)生更大變形破壞；主要原因為雙排抗滑樁樁頂冠梁及雙排樁間板梁都未及時施工(樁錨桿及板梁錨索也未施工)，雙排樁不能成為有效整體，受力不均勻，不能有效充分利用雙排樁土拱效應，導致炭質泥巖從樁間位置擠出(如圖13、圖14所示)；滑坡若不立即采取有效搶險治理措施，坡體將會發(fā)展到整體滑動，十分危急。

圖13 后排樁傾斜

4.4 邊坡失穩(wěn)搶險治理

(1)固腳：立即完成雙排樁頂冠梁及樁間板梁搶險施工，同時預留其間錨索、錨桿孔位，對于后排傾斜樁與前排樁間的板梁施工在預留板梁鋼筋之后直接整體灌注(原設計保留樁板梁間土體綠化)，之后再進行錨桿錨索施工。

(2)對該段滑坡體采取進一步的削坡卸載并對滑坡后緣既有陡坎進行堆土反壓，反壓土體的高度須覆蓋至陡坎高度的2/3處，進行雙液注漿加固。

(3)排水：考慮到搶險工期緊迫，將截水溝由原設計的漿砌片石砌筑改為素混凝土澆筑，并修復已開裂的排水溝及時填補坡體間大量張拉裂縫防治雨水滲入坡體加劇蠕滑變形。

(4)炭質泥巖滲透性好，為透水層，在修整坡面后在坡面整體覆蓋隔水性強的夯實粉質黏土，坡體增設泄水孔，加強深部排水作用。

截至2014年初，滑坡?lián)岆U治理完成后，邊坡現(xiàn)已基本穩(wěn)定，滿足邊坡功能使用要求。

5 結 語

通過在對郴州地區(qū)地質背景調查，氣象水文條件研究統(tǒng)計以及對煤系地層區(qū)域地質特征分析的基礎上，結合對典型性煤系土邊(滑)坡工程案例失穩(wěn)過程的分析研究，對煤系土邊坡主要破壞類型進行歸納描述，并對煤系土邊坡失穩(wěn)特征、失穩(wěn)機理、誘發(fā)因素展開研究，得出如下結論：

(1)綜合考慮郴州地區(qū)煤系土特殊物理力學性質，總結在自然與人為因素作用下郴州地區(qū)煤系土邊坡破壞形式主要表現(xiàn)為坡面沖蝕、泥石流、傾倒破壞(坍塌)及滑坡，其中以滑坡災害最為頻繁嚴重。

(2)郴州市東部、中南部地區(qū)多崇山峻嶺，河谷密布、地形切割強烈，大范圍分布炭質頁巖，浮土松散層較厚，煤系土結構性差，受擾動后極易產(chǎn)生松動，易崩解，具有很強的活化性，經(jīng)過風化干濕作用循環(huán)后成泥炭土，遇暴雨特別是連續(xù)性暴雨，易形成地表徑流，并迅速匯集，極易發(fā)滑坡災害。

(3)郴州地區(qū)典型煤系土邊坡大多為巖土混合邊坡，即下部巖層，上部土層，或者巖層與土層互層。同坡度傾向順層邊坡及炭質泥巖往往是煤系土邊坡滑動失穩(wěn)的內(nèi)在因素，在連續(xù)性降雨下、風化干濕循環(huán)作用及人工超開挖邊坡等外界擾動作用下最終導致邊坡滑動失穩(wěn)破壞?；卤亟?jīng)三個階段即從初始醞釀階段(蠕動變形階段)發(fā)展至突變階段最終演變至殘余變形或漸趨穩(wěn)定階段。

(4)郴州地區(qū)煤系土邊坡失穩(wěn)誘因復雜多樣化，致使邊坡滑動破壞的主要因素包括由季節(jié)性、突發(fā)性、連續(xù)性暴雨作用及引起的地下水環(huán)境變化有關；煤系土特殊地層巖性即巖層軟硬不均、層間膠結較差、結構松散、開挖后風化速度較快且遇水易軟化、性能極不穩(wěn)定和結構易破壞而喪失強度等特點也是邊坡失穩(wěn)重要原因；絕大多數(shù)自穩(wěn)狀態(tài)下煤系土邊坡破壞原因與人工開挖密切相關，其穩(wěn)定與否很大程度上取決于施工工藝選取及邊坡施工過程穩(wěn)定性保證。

(5)本文以郴州地區(qū)典型煤系土邊(滑)坡治理工程為研究背景，通過現(xiàn)場持續(xù)跟蹤調查研究其實際動態(tài)變化過程，研究郴州地區(qū)煤系地層邊坡的破壞模式、失穩(wěn)特征及誘發(fā)因素，表明煤系地層邊坡以牽引式滑坡為主，滑面位置多為巖土軟弱界面，開挖后在連續(xù)性暴雨下不斷蠕滑破壞。

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SouthernHunanCoalBearingStrataSlopeFailureAnalysisandGovernanceResearch

Zheng Yichen1，Zhang Keneng2

(1.Guangzhou Urban Planning and Design Survey Research Institute，Guangzhou 510060，China； 2.Department of Geological Engineering，School of Geosciences and Info-Physics，Central South University，Changsha 410083，China)

In the process of urban development and construction in Chenzhou，it is the most common and difficult geological disaster. Generally occurs in the sediments of Quaternary covered slopes in the area，carbonaceous mudstone and carbonaceous shale coal bearing soil. The complete form of the landslide，a tongue，strip and fan-shaped or irregular shape；profile ladder，contour clear；backscarp with obvious chair shape. In this paper，the main damage types of coal measure soil slope are summarized and described with the specific engineering cases，in addition，the instability characteristics，instability mechanism and inducing factors of the slope are studied，and the effective control measures are put forward.

coal measure strata；landslide；Chenzhou region

1672-8262(2017)06-155-06

P642.22

A

2017—02—14

鄭一晨(1990—)，男，碩士，助理工程師，主要從事巖土工程勘察設計等技術工作。