王 琦 王 靜 李春峰 曾 耀 姜 波

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽 550081)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，高速公路建設(shè)不斷向西部山區(qū)、丘陵地帶發(fā)展延伸[1]，復(fù)雜的地形地貌及地質(zhì)條件給公路建設(shè)帶來了許多困難。高速公路通車后，隨著運(yùn)營時(shí)間的增長(zhǎng)，地質(zhì)及巖土條件在各種自然營力的作用下逐漸惡化[2]，如開挖卸荷造成巖土體結(jié)構(gòu)及力學(xué)性質(zhì)緩慢變化，風(fēng)化作用下巖體節(jié)理裂隙加劇發(fā)育，地下水逐漸隨著裂隙發(fā)育而貫通等，邊坡失穩(wěn)隨之發(fā)生。而在各類地層中，煤系地層邊坡的失穩(wěn)情況尤為突出。

貴州煤系地層常為煤、泥巖、砂巖等巖層巖交互產(chǎn)出，具有軟硬相間、差異風(fēng)化、層間膠結(jié)差、開挖后風(fēng)化速度快、遇水極易軟化等特點(diǎn)[3]。煤系地層在水及其他外營力作用下易形成具有相對(duì)隔水、強(qiáng)度極低特征的軟弱帶，對(duì)邊坡穩(wěn)定性具有明顯控制作用[4]。

基于煤系地層地質(zhì)條件的復(fù)雜性，本文選取貴州某高速公路典型煤系地層滑坡，在資料收集和工程地質(zhì)勘察成果的基礎(chǔ)上，采用定量計(jì)算及數(shù)值模擬進(jìn)行滑坡穩(wěn)定性分析，并提出處治對(duì)策。擬與后其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證處治效果。

1 滑坡概況

高速公路項(xiàng)目位于貴州黔西南州境內(nèi)，受強(qiáng)降雨天氣影響，K16+590-K16+750右側(cè)發(fā)生山體滑坡，形成的H1滑坡前緣滑覆帶堆覆于高速公路路面，造成高速公路上下行交通阻斷，受H1滑坡后緣強(qiáng)烈的側(cè)向擠壓作用影響，右側(cè)形成H2滑坡，工程地質(zhì)平面見圖1。

圖1 滑坡工程地質(zhì)平面

滑坡區(qū)地處貴州高原西部山區(qū)，受侵蝕、剝蝕作用較強(qiáng)烈。場(chǎng)區(qū)屬亞熱帶溫涼濕潤(rùn)季風(fēng)性氣候，年平均降雨量1 561.7 mm，多集中于5-10月，日降雨最大達(dá)186.1 mm。覆蓋層為滑坡堆積層(Qdel)含碎石粉質(zhì)黏土、殘坡積層(Qel+dl)含碎石粉質(zhì)黏土，下伏基巖為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P2l)泥質(zhì)粉砂巖夾泥巖。場(chǎng)區(qū)構(gòu)造簡(jiǎn)單，巖層單斜產(chǎn)出，巖層產(chǎn)狀132°∠10°，主要發(fā)育2組優(yōu)勢(shì)節(jié)理，J1為52°∠85°、J2為325°∠76°。由于篇幅限制，本文僅針對(duì)H1滑坡進(jìn)行分析計(jì)算。

2 滑坡特征及成因分析

2.1 滑坡規(guī)模及變形特征

滑坡前緣高程約1 378 m，后緣頂部高程約1 486 m，前后緣高差約108 m；左側(cè)發(fā)育一自然沖溝，右側(cè)接邊坡，前緣為高速公路路基。根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪、鉆探，以及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量等成果，該滑坡前緣橫向?qū)捈s160 m、縱向長(zhǎng)約260 m、平面面積約41 600 m2，最大滑面深度達(dá)30 m，平均厚度約7.7 m，滑體體積約32萬m3，參照《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》的分類標(biāo)準(zhǔn)，該滑坡屬于大型滑坡[5]。

滑坡以近垂直于公路走向發(fā)生整體滑動(dòng)，主滑方向127°，整體滑動(dòng)距離約30 m，前緣滑體堆積于公路左右幅路面之上，原坡腳擋墻局部破壞，未發(fā)生整體傾倒。通過滑動(dòng)后實(shí)測(cè)地形線與原始地形線對(duì)比分析，滑體中部最大下錯(cuò)約10 m?；潞缶壪洛e(cuò)形成滑坡陡壁，最大高度約28 m。坡面發(fā)育多級(jí)、密布拉張裂縫及下錯(cuò)陡坎，拉張裂縫最寬約1.0 m，下錯(cuò)陡坎高約1.5 m。

2.2 滑坡物質(zhì)組成

根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)繪及鉆探揭露，滑體主要為含碎石粉質(zhì)黏土，黃褐色，可塑狀，碎石含量25%～35%，粒徑20～80 mm。鉆探揭露最大厚度22.8 m，碎石之間充填粉質(zhì)黏土。

滑體下部為緩傾順層泥質(zhì)粉砂巖夾泥巖，受上部滑體滑動(dòng)過程中對(duì)下部巖體強(qiáng)烈擾動(dòng)、擠壓作用，坡體存在沿層理面剪出的可能，因此，滑面包括滑動(dòng)面一及潛在滑動(dòng)面一?；瑒?dòng)面一后部為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖夾泥巖的優(yōu)勢(shì)節(jié)理面；中前部為覆蓋層與下部基巖之間的巖土交界面，其在地下水軟化作用下，形成灰褐色可塑至軟塑狀泥化夾層(滑動(dòng)帶)，厚2～5 cm；前緣剪出口位于坡腳擋墻頂部。潛在滑動(dòng)面一中后部與滑動(dòng)面一相同，前部為順傾巖層面，前緣剪出口位于坡腳。

滑床為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P2l)泥質(zhì)粉砂巖夾泥巖，巖層產(chǎn)狀132°∠10°，整體順傾，呈淺灰色，薄～中厚層狀，節(jié)理發(fā)育～不發(fā)育，巖體較破碎～較完整，工程地質(zhì)剖面見圖2。

圖2 H1滑坡典型工程地質(zhì)剖面

對(duì)滑坡區(qū)滑體、滑帶土及滑床取樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)類比，得出滑坡巖土體力學(xué)參數(shù)[6]，參數(shù)取值表見表1。

表1 滑坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)

2.3 滑坡成因分析

滑坡的產(chǎn)生主要受地形地貌、地層巖性，以及氣象水文等關(guān)鍵因素控制。

一方面，場(chǎng)區(qū)近似漏斗狀地形提供了巨大的匯水面積；另一方面坡體后緣陡中部緩前部低洼的地勢(shì)條件為降雨的快速入滲提供了有利條件。覆蓋層具有結(jié)構(gòu)松散、空隙率大、透水性強(qiáng)等特點(diǎn)，為降雨入滲提供了便利通道。下部龍?zhí)督M泥質(zhì)粉砂巖夾泥巖屬軟巖，強(qiáng)度低且易風(fēng)化，坡體后緣受風(fēng)化作用強(qiáng)烈，風(fēng)化產(chǎn)物因重力作用堆積在坡體中前部，形成了深厚的覆蓋層，為滑坡啟動(dòng)提供了充足的物質(zhì)成分。

上部覆蓋層為相對(duì)含水層，下部基巖為相對(duì)隔水層，地下水便不斷匯集于巖土交界面處并向下運(yùn)移。在地下水長(zhǎng)期作用下，泥巖中黏土礦物被軟化、泥化進(jìn)而形成滑動(dòng)帶。場(chǎng)區(qū)夏季高溫多雨，其中7月持續(xù)中雨-大暴雨天氣是形成本次滑坡的直接誘發(fā)因素，經(jīng)歷多次干濕循環(huán)加速了泥巖的軟化作用，抗剪強(qiáng)度進(jìn)一步劣化，邊坡的穩(wěn)定性持續(xù)降低。

綜上所述，地形地貌與地層巖性是邊坡滑坡的基本內(nèi)在條件，氣象水文是滑坡發(fā)生的直接外在條件。長(zhǎng)期降雨入滲軟化作用不斷改變地層巖性內(nèi)在條件，短時(shí)持續(xù)強(qiáng)降雨是滑坡發(fā)生的直接誘發(fā)因素。

3 滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

對(duì)滑坡穩(wěn)定性分別進(jìn)行定量計(jì)算及數(shù)值模擬分析。定量計(jì)算為滑坡設(shè)計(jì)提供相關(guān)依據(jù)；數(shù)值模擬分析旨在研究滑坡體在降雨作用下的穩(wěn)定性變化趨勢(shì)。

3.1 定量計(jì)算

采用理正軟件針對(duì)不同工況下的滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。該軟件基于條分法將滑體分割為多個(gè)條塊，穩(wěn)定性系數(shù)為抗滑力比下滑力，計(jì)算方法見式(1)。

(1)

式中：c，φ為抗剪強(qiáng)度指標(biāo)；l為滑塊斜長(zhǎng)；W為滑塊重；θ為滑面傾角。

本文分析了在不同工況下滑坡的穩(wěn)定性情況，分別為：

正常工況I?；绿幱谔烊粻顟B(tài)。

非正常工況I。滑坡處于暴雨或連續(xù)降雨?duì)顟B(tài)。

非正常工況II?；绿幱诘卣鹱饔脿顟B(tài)。

選取滑坡典型斷面，采用Janbu和Bishop 2種方法進(jìn)行計(jì)算，穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 典型斷面不同工況下滑坡穩(wěn)定性計(jì)算

由定量計(jì)算結(jié)果可知，對(duì)于滑動(dòng)面一，滑坡在3種工況下均不滿足JTG D30-2015《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]與JTG/T 3334-2018《公路滑坡防治設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]的規(guī)定。

3.2 有限元數(shù)值模擬

本次數(shù)值模擬采用SEEP/W和SLOPE/W進(jìn)行耦合計(jì)算分析，通過SEEP/W模擬強(qiáng)降雨作用下坡體內(nèi)部孔隙水壓力變化，然后通過SLOPE/W計(jì)算隨著降雨時(shí)間的持續(xù)增加，坡體穩(wěn)定性系數(shù)的變化[9]。以滑坡典型斷面建立SEEP/W計(jì)算模型，數(shù)值模型見圖3，本次模型地下水位線選取參考滑坡勘察資料，巖土體物理力學(xué)參數(shù)參照表2。

圖3 滑坡數(shù)值計(jì)算模型

通過SEEP/W模塊對(duì)典型段面模型進(jìn)行瞬態(tài)分析，根據(jù)滑坡前降雨特征及氣象資料，取降雨強(qiáng)度100 mm/d，假定此次模擬過程為連續(xù)3 d持續(xù)性降雨，限于篇幅，本文僅對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析。

降雨初期，覆蓋層入滲率較大，坡體以入滲為主，淺表層土體孔隙水壓力不斷增大，形成暫態(tài)飽和區(qū)；隨著降雨的持續(xù)，淺表層入滲率不斷降低，當(dāng)小于降雨強(qiáng)度時(shí)，開始形成坡面徑流，暫態(tài)飽和區(qū)逐漸擴(kuò)大，坡體中部覆蓋層較厚，滲流路徑較長(zhǎng)，地下水位呈緩慢上升趨勢(shì)，坡體前緣較陡且覆蓋層較薄，土體最先達(dá)到飽和狀態(tài)并與地下水位連通，地下水位快速升高；雨水入滲覆蓋層較薄的后緣，并不斷匯集于滲透性差異明顯的巖土交界面處，隨著降雨時(shí)間增加，巖土交界面的暫態(tài)飽和區(qū)最終與地下水貫通，孔隙水壓力持續(xù)增加，浮托力增大，抗剪強(qiáng)度不斷減小。

基于Morgenstern-Price極限平衡穩(wěn)定性計(jì)算方法，在對(duì)滑坡瞬態(tài)飽和滲流場(chǎng)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)暴雨工況下的滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，關(guān)系曲線見圖4。

圖4 穩(wěn)定性系數(shù)與降雨時(shí)間關(guān)系曲線

由圖4可知，滑坡穩(wěn)定性隨降雨持時(shí)不斷降低。降雨初期，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)呈緩慢下降趨勢(shì)，隨著降雨時(shí)間持續(xù)增加，穩(wěn)定性系數(shù)呈現(xiàn)快速下降趨勢(shì)，并在降雨至2.3 d時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)小于1.0，滑坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

4 滑坡治理及監(jiān)測(cè)分析

4.1 治理措施

基于滑坡基本特征、成因機(jī)制、穩(wěn)定性計(jì)算分析，并綜合考慮施工等情況，對(duì)滑坡進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，采用“清方及放坡+抗滑樁+加厚護(hù)面墻+拱形骨架+噴播植草+截排水工程”進(jìn)行綜合治理，治理設(shè)計(jì)斷面見圖5。

圖5 滑坡治理設(shè)計(jì)斷面

4.2 監(jiān)測(cè)分析

在滑坡治理及施工完成后，對(duì)坡體進(jìn)行深層位移自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，以隨時(shí)掌握施工過程中滑坡的穩(wěn)定性狀態(tài)，確保施工安全并評(píng)價(jià)治理效果。

經(jīng)過半年的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，獲取坡體巖土體變形數(shù)據(jù)，限于篇幅，本文僅展示坡體中部抗滑樁附近一個(gè)深部位移監(jiān)測(cè)孔的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，相對(duì)位移曲線見圖6。

圖6 ZK9合成方向累計(jì)相對(duì)位移曲線

由圖6可知，監(jiān)測(cè)期間坡體未出現(xiàn)明顯位移，最大變形出現(xiàn)在孔口附近，為0.8 mm，遠(yuǎn)小于預(yù)警閾值，坡體穩(wěn)定性良好。

5 結(jié)語

1) H1滑坡為強(qiáng)降雨作用下引發(fā)的覆蓋層滑坡，地形地貌、地層巖性為滑坡提供有利內(nèi)在條件，氣象水文是滑坡發(fā)生的直接外在條件，降雨入滲是引發(fā)滑坡失穩(wěn)的關(guān)鍵誘因。

2) 對(duì)滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性模擬分析，結(jié)果顯示，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)隨降雨持時(shí)的增加而不斷降低。降雨初期，穩(wěn)定性系數(shù)緩慢降低，當(dāng)降雨時(shí)間繼續(xù)增加，穩(wěn)定性系數(shù)出現(xiàn)快速下降趨勢(shì)。

3) 基于滑坡基本特征、變形破壞機(jī)制、穩(wěn)定性計(jì)算分析，并綜合考慮施工等情況，采取了永久治理措施。

4) 經(jīng)過治理后，通過深層位移自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，表明邊坡已趨于穩(wěn)定狀態(tài)，治理措施合理可行，可為今后類似邊坡治理提供參考。