張玉芳 廖小平 李嘉明 馬賢杰

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，蘭州 730000；3.中國礦業(yè)大學(xué)能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100081）

紅層是外觀以紅色為主色調(diào)的中、新生代碎屑沉積巖層，以陸相沉積為主，巖性以砂巖、泥巖、頁巖為主，巖性組合以互層為特征，具有透水性弱、親水性強(qiáng)、遇水易軟化（或膨脹），失水易崩解（或收縮），強(qiáng)度低的特點(diǎn)［1］。位于紅層地區(qū)的公路路基邊坡開挖施工后，坡腳失去支撐，巖體松弛張開，結(jié)構(gòu)面形成導(dǎo)水通道，經(jīng)過降雨入滲作用后，巖體強(qiáng)度遇水逐漸降低，進(jìn)而誘發(fā)滑坡災(zāi)害。

本文以東南地區(qū)一公路紅層巖質(zhì)邊坡為例，詳細(xì)研究其致災(zāi)因子及治理措施，通過室內(nèi)試驗(yàn)確定巖土參數(shù)，使用極限平衡法得出了主滑面參數(shù)和滑坡推力，并對(duì)邊坡治理措施實(shí)施過程中清方減載和錨固工程的每一階段進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

1 滑坡環(huán)境與地質(zhì)條件

東南地區(qū)一公路邊坡原設(shè)計(jì)最高四級(jí)，邊坡最大高度34 m。第一級(jí)邊坡坡率1∶0.75，高10 m，采用錨桿框架加固。第二級(jí)邊坡坡率1∶0.75，高度10 m，采用錨索框架加固。第三級(jí)坡率1∶1.0，高度10 m，采用錨桿框架加固。第四級(jí)坡率1∶1.0，一坡到頂，采用噴播植草防護(hù)。在進(jìn)行第二級(jí)、第三級(jí)邊坡加固施工過程中，發(fā)生局部小型溜塌，故變更為五級(jí)坡。三級(jí)—五級(jí)坡坡率變更為1∶1.25，三級(jí)坡變更為錨索框架加固，四級(jí)坡變更為錨桿框架加固，五級(jí)坡采用植草防護(hù)。變更后施工至二級(jí)坡時(shí)發(fā)生滑動(dòng)。

1.1 地形地貌

該滑坡所在區(qū)為剝蝕低山地貌，山體形態(tài)復(fù)雜，溝壑發(fā)育，植被較發(fā)育，主要以喬灌木為主。山坡地形平順，自然坡度約20°。邊坡從山體中部穿過，人工開挖邊坡相對(duì)較陡，約35°。邊坡坡向121°，走向30°。

1.2 工程地質(zhì)條件

1.2.1 地層巖性

沿線出露地層主要為：第四系覆蓋層和基巖。

1）覆蓋層為坡殘積粉質(zhì)黏土。黃褐色、紅褐色，潮濕，硬塑，以黏粉粒為主，角礫、碎石占5%～30%等，最大厚度為5 m。

2）基巖為變質(zhì)粉砂巖。根據(jù)其風(fēng)化及裂隙發(fā)育程度，可分為3層：

①全風(fēng)化變質(zhì)粉砂巖。風(fēng)化強(qiáng)烈，可見原巖結(jié)構(gòu)，薄層狀構(gòu)造，風(fēng)化裂隙發(fā)育，遇水易軟化。

②強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)粉砂巖。中厚層與薄層互層，風(fēng)化裂隙發(fā)育，砂粒感明顯，遇水易軟化，為較軟巖。

③中風(fēng)化變質(zhì)粉砂巖。中厚層與薄層互層，風(fēng)化裂隙發(fā)育，錘擊聲清脆，質(zhì)較硬，為較硬巖。

1.2.2 地質(zhì)構(gòu)造

滑坡場區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，巖體結(jié)構(gòu)破碎，風(fēng)化深度大，地層巖性主要為強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)粉砂巖，受構(gòu)造作用影響，層間錯(cuò)動(dòng)帶較發(fā)育，巖石呈角礫狀。

區(qū)域斷層穿過該邊坡，坡面開挖揭露多組近平行小構(gòu)造帶，構(gòu)造裂隙張開明顯，最大約1 cm，斷層破碎帶較厚，巖層層理產(chǎn)狀紊亂，不利結(jié)構(gòu)面發(fā)育，結(jié)構(gòu)面可見黑色的構(gòu)造擦痕。

受該斷層影響，小里程端一級(jí)邊坡主要為中風(fēng)化變質(zhì)粉砂巖，大里程端坡腳為中風(fēng)化變質(zhì)粉砂巖，邊坡中間滑塌段落強(qiáng)風(fēng)化巖較厚，中風(fēng)化基巖不可見。

線路走向約30°，層理產(chǎn)狀與坡向切割后呈大角度順傾，層面光滑，多組近平行次生構(gòu)造發(fā)育。現(xiàn)場測(cè)得：靠路側(cè)巖體產(chǎn)狀121°∠60°，靠山側(cè)巖體產(chǎn)狀為300°∠70°，靠近坡面的巖層產(chǎn)狀主要為 85°∠15°～25°。滑塌區(qū)剪出口附近結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀為76°∠21°，小樁號(hào)側(cè)裂縫邊緣結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀為83°∠34°，發(fā)育陡傾節(jié)理為121°∠68°。

1.3 水文地質(zhì)條件

區(qū)內(nèi)地下水主要有第四系孔隙潛水、基巖裂隙水2種類型。第四系孔隙潛水主要賦存于粉質(zhì)黏土及全風(fēng)化變質(zhì)粉砂巖中。基巖裂隙水主要賦存于碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)粉砂巖裂隙中，富水性較強(qiáng)，容易形成垂直方向和水平方向的儲(chǔ)水通道。

受滑坡區(qū)外的地下水補(bǔ)給，滑坡區(qū)地下水較復(fù)雜，受中風(fēng)化變質(zhì)砂巖的相對(duì)隔水層影響，滑坡巖體透水性一般，直接受大氣降水補(bǔ)給，具有明顯季節(jié)特征。

1.4 滑坡情況

當(dāng)前變形滑坡體的寬度約60 m、坡體長度最大約90 m、滑體厚度最大約14 m，滑坡體體積約8萬m3。從滑體體積判斷屬于小型的山體滑坡。

施工過程中該邊坡發(fā)生較嚴(yán)重的下滑破壞。主要表現(xiàn)為：

1）沿三級(jí)坡坡頂部位發(fā)生下滑及下錯(cuò)，下錯(cuò)約0.5 m，第一、二級(jí)坡體出現(xiàn)較多的縱向裂縫，坡體解體較嚴(yán)重，滑坡側(cè)界明顯，剪出口位于第一級(jí)邊坡坡腳高約1 m處。

2）同時(shí)在邊坡塹頂自然斜坡上距邊坡開口線5 m處出現(xiàn)張拉裂縫（圖1），表明滑坡向上發(fā)生牽引。

邊坡滑坡后緣開裂并發(fā)生下錯(cuò)，兩側(cè)邊界裂縫基本貫通，坡腳剪切鼓脹致使坡體解體較嚴(yán)重。第一級(jí)滑體后緣裂縫位于第三級(jí)坡頂，開裂并下錯(cuò)嚴(yán)重，第二級(jí)滑體后緣裂縫牽引至塹頂自然斜坡上，開裂明顯，在第一邊坡距坡腳高1 m位置發(fā)現(xiàn)剪切口?；w主要為強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)粉砂巖，滑動(dòng)面為強(qiáng)風(fēng)化巖與中風(fēng)化巖交界面，主要受坡體中不利結(jié)構(gòu)面控制發(fā)生滑動(dòng)破壞。

圖1 滑坡裂縫

2 致災(zāi)因子分析

綜合該邊坡的地形地貌、地層巖性、水文地質(zhì)條件、人為影響等方面因素，判斷該邊坡的巖土結(jié)構(gòu)類型屬順坡層狀邊坡巖體結(jié)構(gòu)，破壞模式為沿順坡向軟弱結(jié)構(gòu)面的滑動(dòng)破壞［2-3］。產(chǎn)生滑動(dòng)的致災(zāi)因子如下：

1）成災(zāi)背景

①結(jié)構(gòu)面：在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用下，部分結(jié)構(gòu)面形成垂直節(jié)理，為后緣陡壁及裂縫產(chǎn)生提供了有利條件，部分結(jié)構(gòu)面形成近乎平行或緩傾節(jié)理，促進(jìn)了滑動(dòng)面的產(chǎn)生。

②巖性：該邊坡滑面以上為強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)粉砂巖，中厚層與薄層互層，為較軟巖。滑面以下為中風(fēng)化變質(zhì)粉砂巖，為較硬巖。特殊的巖性組合構(gòu)成了易滑地層。

③水文地質(zhì)條件：該邊坡基巖裂隙水賦存于碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)粉砂巖裂隙中，富水性較強(qiáng)，容易形成垂直方向和水平方向的儲(chǔ)水通道，便于地下水?dāng)y帶巖土沿構(gòu)造裂隙面富集且易滑動(dòng)。

2）外界誘發(fā)因子

①人為擾動(dòng)因素：坡體中存在向臨空面傾斜的結(jié)構(gòu)面，在邊坡開挖前密閉，強(qiáng)度較高。在邊坡開挖后，坡體失去側(cè)向支撐，巖體松弛，裂隙張開，促進(jìn)水軟化結(jié)構(gòu)面導(dǎo)致強(qiáng)度降低。

②氣象：受降雨影響，順坡向結(jié)構(gòu)面吸收下滲雨水飽和軟化。隨著邊坡的開挖，結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度逐漸降低，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)整體滑移。

3 滑坡穩(wěn)定性及滑坡推力計(jì)算

該滑坡穩(wěn)定性的定量計(jì)算主要是在合理確定計(jì)算斷面和計(jì)算參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過數(shù)值計(jì)算分析，定量評(píng)價(jià)該滑坡的穩(wěn)定狀態(tài)及其發(fā)展趨勢(shì)。

對(duì)于滑面計(jì)算參數(shù)的選擇與確定，是基于該滑坡治理工程實(shí)施前各可能滑面的變形特點(diǎn)及相應(yīng)穩(wěn)定程度，反算各滑動(dòng)面的主滑帶力學(xué)指標(biāo)，即以反算參數(shù)為主，并結(jié)合既有的巖土室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果及原有的工程地質(zhì)勘查時(shí)所獲得的巖土室內(nèi)試驗(yàn)資料［4-7］。

關(guān)于滑坡穩(wěn)定性計(jì)算方法的選擇，GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》一般采用傳遞系數(shù)法（或稱不平衡推力傳遞法）。近年來，Janbu法和Morgensten&Price法等剛體極限平衡方法在邊坡或滑坡穩(wěn)定性分析計(jì)算中廣泛應(yīng)用并漸趨成熟和完善。經(jīng)過大量的計(jì)算對(duì)比，不平衡推力傳遞法與剛體極限平衡方法在滑坡穩(wěn)定性計(jì)算中存在一定的差異，但只要是采用滑坡穩(wěn)定度反算確定主滑帶指標(biāo)，無論是采用不平衡推力傳遞法，還是采用嚴(yán)格的剛體極限平衡方法，其滑坡推力計(jì)算或滑坡穩(wěn)定性預(yù)測(cè)結(jié)果基本一致［8-11］。因此，本次計(jì)算采用當(dāng)前國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的邊坡工程專業(yè)軟件Geo?Slope之Slope/W軟件包進(jìn)行滑坡穩(wěn)定性計(jì)算，具體選用剛體極限平衡方法—Morgensten&Price法。

3.1 滑坡計(jì)算斷面選擇及模型建立

為了分析該滑坡的穩(wěn)定性，本文選取滑坡體的主滑斷面作為計(jì)算斷面。主滑斷面模型見圖2。該滑坡滑動(dòng)面的確定主要通過邊坡的破壞狀況、順傾結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、強(qiáng)風(fēng)化巖與中風(fēng)化巖交界面的確認(rèn)等?；瑒?dòng)面確定方法：從現(xiàn)有剪出口即坡腳以上約1.0 m開始，主滑段沿76°∠21°層面，后緣按陡傾節(jié)理121°∠68°控制，然后呈近似圓弧過渡連接形成貫通滑動(dòng)面。

圖2 主滑斷面模型

3.2 反算主滑帶指標(biāo)及滑坡推力計(jì)算

在該滑坡治理工程實(shí)施前各可能滑面的變形活動(dòng)特點(diǎn)及相應(yīng)穩(wěn)定程度的基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)試驗(yàn)與經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，并依據(jù)現(xiàn)有坡面的既有工程和實(shí)際情況，將既有工程及其加固巖土綜合按折算后的等效復(fù)合巖土體考慮，反算各滑動(dòng)面的主滑帶力學(xué)指標(biāo)。對(duì)滑坡體穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估，該滑坡目前處于極限平衡狀態(tài)，穩(wěn)定性差，局部處于不穩(wěn)定狀態(tài)，認(rèn)為前級(jí)穩(wěn)定系數(shù)約為1.00，后級(jí)穩(wěn)定系數(shù)約為1.05。巖土參數(shù)及滑帶反算指標(biāo)參數(shù)見表1。

表1 斷面巖土參數(shù)及主滑段反算指標(biāo)參數(shù)

根據(jù)有關(guān)規(guī)范要求，取最不利條件組合下的綜合工況，穩(wěn)定性安全系數(shù)大于1.2，計(jì)算滑坡推力為1 300 kN。

4 治理措施研究

4.1 治理措施

治理措施應(yīng)充分考慮現(xiàn)場實(shí)際因素，進(jìn)一步復(fù)核計(jì)算，盡可能科學(xué)優(yōu)化，在上述滑坡穩(wěn)定性分析與滑帶指標(biāo)參數(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合擬設(shè)滑坡整治工程措施綜合考慮滑坡治理工程的安全性、便捷性和經(jīng)濟(jì)性，該滑坡采用坡腳堆載反壓+刷方減載+夯填裂縫+排水工程+錨固工程的綜合治理措施。

1）刷方減載及錨固工程：①第一級(jí)邊坡坡率放緩至1∶1.0，設(shè)4排錨桿，錨桿水平間距3 m，下部兩排錨桿長8 m，上部兩排長11.5 m；②第二級(jí)邊坡坡率放緩至1∶1.25，設(shè)3排錨索，水平間距3 m，上排錨索長度22 m，中排長20 m，下排長18 m，下傾角25°，錨固段長8 m，設(shè)計(jì)拉力500 kN；③第三級(jí)邊坡坡率放緩至1∶1.0，設(shè)3排錨索，水平間距3 m，上排錨索長度26 m（錨固段長10 m），中排長22 m（錨固段長8 m），下排長20 m（錨固段長8 m），下傾角25°，設(shè)計(jì)拉力500 kN；④第四級(jí)邊坡設(shè)3排錨索框架，水平間距3 m，錨索長度26 m，下傾角25°，錨固段長10 m，設(shè)計(jì)拉力500 kN；⑤第五級(jí)邊坡噴混凝土植草防護(hù)。

2）排水工程：①地下排水工程。第一級(jí)邊坡距坡腳高0.5 m位置布設(shè)仰斜排水孔，間距3 m，長15 m，上仰5°。②地表排水工程。距刷方塹頂線外側(cè)5 m位置布設(shè)截水天溝；各級(jí)平臺(tái)鋪設(shè)防水土工布后，采用M7.5漿砌片石封閉，厚度不小于30 cm；第一、三、四級(jí)平臺(tái)設(shè)置擋水埂平臺(tái)水溝，第二級(jí)大平臺(tái)設(shè)置下沉式平臺(tái)水溝；設(shè)置急流槽，盡快引導(dǎo)地表水排泄至公路側(cè)溝。

3）夯填裂縫：開挖不小于裂縫深度的坑槽，要求坑槽寬度0.5 m，先回填黏土夯實(shí)30 cm，夯實(shí)面找平后，鋪設(shè)防水土工布，再回填黏土夯實(shí)至原始坡面，要求每回填30 cm厚黏土，必須進(jìn)行夯實(shí)。

4）坡腳反壓：根據(jù)邊坡的變形情況及范圍，進(jìn)行堆載反壓，反壓最大高度8 m，坡率1∶1，頂寬8 m，底寬約10 m，兩側(cè)高度適當(dāng)過渡至地面。

4.2 治理措施分析驗(yàn)算

治理措施設(shè)計(jì)時(shí)，一般僅對(duì)施工完成后的滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，但考慮到該類邊坡易受施工擾動(dòng)而導(dǎo)致邊坡再次失穩(wěn)，故應(yīng)對(duì)其清方減載和錨固工程實(shí)施過程中的每一階段進(jìn)行穩(wěn)定性分析，并核驗(yàn)其是否符合規(guī)范要求。

該滑坡治理工程施工順序：坡腳反壓+第四級(jí)邊坡錨固并發(fā)生作用→第三級(jí)邊坡放坡+錨固并發(fā)生作用→第二級(jí)邊坡放坡+錨固并發(fā)生作用→坡腳反壓土清理→第一級(jí)邊坡錨桿錨固。

按照施工順序建立模型，如圖3所示。

圖3 施工過程中的滑坡穩(wěn)定性計(jì)算模型

施工過程中的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見表2?？芍?，在僅考慮施工擾動(dòng)情況下，邊坡穩(wěn)定系數(shù)均大于1.05，即不會(huì)因?qū)嵤┰摯胧?dǎo)致邊坡失穩(wěn)。

表2 施工過程中的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

4.3 治理效果

錨固工程壓實(shí)了巖體結(jié)構(gòu)面裂隙，起到了加固邊坡的作用，增加了坡體的穩(wěn)定能力。夯填裂縫、排水工程等有效地防止了地表水滲入，阻止了邊坡巖土體強(qiáng)度的快速減小。采用該綜合治理措施后，即使施工期間經(jīng)歷了多次強(qiáng)降雨天氣，仍未發(fā)現(xiàn)坡面有大的位移。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，滑坡一直處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié)語

1）東南地區(qū)一公路邊坡的巖土結(jié)構(gòu)類型屬順坡層狀邊坡巖體結(jié)構(gòu)。該類邊坡在開挖擾動(dòng)下，極易沿軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑動(dòng)。其中軟弱結(jié)構(gòu)面順坡向是發(fā)生滑坡的成災(zāi)背景因子，人為施工擾動(dòng)和強(qiáng)降雨是外界誘發(fā)因子。

2）針對(duì)此類邊坡的破壞模式，提出了“坡腳堆載反壓+刷方減載+夯填裂縫+排水工程+錨固工程”的綜合治理措施。通過計(jì)算施工過程中該邊坡的穩(wěn)定性，論證了該措施的可行性。