侯李杰 張玉芳 劉洪瑜，2 李嘉明 李健

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國礦業(yè)大學（北京）能源與礦業(yè)學院，北京 100083）

紅層主要形成于中生界白堊系和侏羅系，由于沉積環(huán)境的變化，形成了一系列軟硬相間的地層。紅層軟巖在我國西南、西北和東南地區(qū)分布最廣［1］。線性工程穿越紅層地區(qū)時，滑坡等地質災害問題突出，主要原因在于紅層軟巖親水性強，與水反應強烈，強度急劇下降［2］。

相對于常規(guī)滑坡，紅層地區(qū)近水平順層滑坡較為獨特，這類滑坡常發(fā)育近豎直貫通較好的結構面，在降雨、地下水、開挖等因素影響下，極易沿層面或近水平結構面發(fā)生平推式滑動，因此研究其成因、致災過程及變形破壞機理對滑坡的治理意義重大?？姾２ǎ?］對三峽庫區(qū)侏羅系紅層滑坡變形破壞機理與預測預報進行了研究。耿興福等［4］從影響因素、滑帶土強度特征、破壞形式和變形機制方面研究了近水平層狀紅層軟巖滑坡的成因機制。程強等［5］通過對四川盆地近水平紅層邊坡變形破壞的調查分析，歸納總結出近水平紅層邊坡的主要工程地質特征及開挖引起的主要變形破壞類型。

本文以西南紅層地區(qū)一高速公路路塹滑坡為例，通過地質分析、數值模擬，結合滑坡變形特征，詳細研究其致災因子及致災模式，確定滑坡穩(wěn)定性系數及目前所處狀態(tài)。對該滑坡的治理施工提供理論支撐，也為同類型紅層滑坡研究提供參考。

1 滑坡環(huán)境與地質條件

1.1 地形地貌

該滑坡地處四川省境內，屬四川盆地西南邊緣小涼山余脈五指山北麓，地勢西南高東北低，屬于中低山地貌區(qū)，地表植被豐富，主要以竹林、松樹為主。山體地形平順，自然坡度約15°～30°，坡向60°，線路走向148°，與線路近垂直。人工開挖相對較陡，坡率按1∶0.75～1∶1.00 設計，坡度45°～53°。坡頂地形相對平坦，后方有一處陡坎，落差約4 m，兩側有構造運動及雨水沖刷形成的溝壑。

1.2 地層巖性

該滑坡地層主要為滑坡堆積層（Q4dl+el）粉質黏土、塊石土及侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組（J2s）粉砂質泥巖、細砂巖。

1）粉質黏土

灰黃色，以粉、黏粒為主，呈可塑狀，結構不均，砂、泥巖碎石含量約25%。如圖1（a）所示。

2）塊石土

暗紫紅色夾灰色，石質成分以粉砂質泥巖、砂巖為主，次棱角～棱角狀，呈強～中風化，其余為粉黏粒填充，松散～稍密，結構不均，多見塊石富集，透水性一般。

3）粉砂質泥巖

暗紫紅色，礦物成分以黏土礦物為主，長石次之，少量石英，鈣泥質膠結，粉泥質結構，薄層～中厚層狀構造，結構不均，局部粉、細粒富集，呈強～中風化。具有飽水軟化、脫水開裂風化特性。如圖1（b），1（c）所示。

4）細砂巖

灰青色夾紅灰色，礦物成分以長石、石英為主，巖屑次之，鈣質膠結，細粒結構，中厚層構造，結構不均，常夾有泥質條紋，局部粉粒富集。裂口常見云母富集。如圖1（d）所示。

圖1 地層巖性

1.3 地質構造

線路位于馬邊—沐川弧形構造內的利店—新凡向斜內。利店—新凡向斜東起宜賓金子山，西至馬邊桐子林，長度大于43 km，樞紐波狀起伏，由中生界侏羅系及白堊系地層組成，翼角15°～35°。該滑坡巖層為單斜構造，優(yōu)勢產狀235°∠54°，傾向坡內，巖層走向與線路走向近垂直相交。

1.4 水文氣象

該滑坡地處亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)。受地形與區(qū)域氣候影響，降水多集中于5—8月，雨水充沛，該區(qū)域1 d 最大降雨量的多年平均值75～200 m，1 h 最大降水量多年平均值42～67 mm，10 min 的最大降水量多年平均值15～20 mm。地下水主要為第四系松散層孔隙水和基巖裂隙水。

2）基巖裂隙水：主要賦存于侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組（J2s）的砂巖、泥巖裂隙及孔隙中，以降水、松散類孔隙水和地表水溝水補給為主，地下水向溪溝方向運移，地下水富水性受巖性控制，主要含水層為砂巖，總體富水性較好。

1.5 滑坡變形特征

邊坡在開挖至二級平臺時，坡面泥巖卸荷嚴重，巖體較破碎，加上降雨影響，坡口邊緣出現(xiàn)垮塌，坡口外出現(xiàn)4～6條弧形拉裂縫，長2～15 m，縫寬0.1～0.4 m。

施工停止后，在二級邊坡、四級邊坡處坡面多次出現(xiàn)淺層溜塌。坡頂后緣陸續(xù)出現(xiàn)十余條張性裂縫，并延伸至坡體兩側沖溝，裂縫最寬達2.5 m，深約2 m，并伴有明顯錯臺，且多條裂縫河側高于山側。如圖2所示。

圖2 邊坡裂縫

2 致災成因分析

結合該滑坡的地形地貌、地層巖性、水文地質、工程擾動等因素，判斷該邊坡的巖土結構類型屬反傾層狀巖體結構，其結構特征為邊坡巖層傾向與開挖臨空面傾向相反。邊坡巖體發(fā)育有順坡向構造節(jié)理，其巖體變形破壞模式主要為構造結構面切割巖體的滑移破壞，主要以傾向臨空面的構造結構面為剪切滑移面。

2.1 成災背景

1）地形。該滑坡后緣在地形上相對平緩，后緣上方發(fā)育有一處陡坎，陡坎為滑坡啟動提供了良好的匯水面積，且陡坎也為地表水進入斜坡提供了暢通的通道。

2）結構面。在構造運動作用下該邊坡巖體發(fā)育有順坡向構造節(jié)理，傾角5°～10°，為邊坡滑移面的產生提供了有利條件。

3）巖性。該邊坡下伏基巖為粉砂質泥巖、細砂巖，屬紅層軟巖，具有遇水易軟化、失水易崩解、巖性軟弱的特點［1］。天然狀態(tài)下較為完整，力學性能良好，遇水后短時間內迅速膨脹、崩解和軟化，從而造成巖體力學性能急劇變差［6］。易導致滑坡等地質災害。

4）水文地質條件。地下水多斌存于粉砂質泥巖、砂巖構造裂隙中，富水性較強，易形成儲水通道，便于地下水攜帶巖土碎屑，沿構造裂隙面富集且易滑動。

2.2 外界誘發(fā)因子

1）邊坡開挖。開挖施工過程中在邊坡坡腳前緣形成臨空面，強烈的施工擾動破壞土體原有的應力平衡，在地下水等因素共同作用下極易在坡腳開挖位置形成剪出口，導致滑坡病害。

2）降雨。該地區(qū)處于亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，雨水充沛，地表水連續(xù)下滲，增加土體自重，進一步軟化構造裂隙面，造成其物理力學性質改變。當構造裂隙面摩擦力不足以支撐上部土體自重時，上部土體即下滑形成滑坡。

3 致災模式分析

通過地質勘察及現(xiàn)場調研，依據《滑坡分析與防治》［7］中對滑坡發(fā)育的11 個階段劃分，認為目前滑坡處于滑動階段。結合致災成因、病害現(xiàn)象，認為該邊坡發(fā)展至今共歷經五個過程。

1）蠕動滑移

邊坡開挖為滑坡的發(fā)生提供了良好的臨空面，開挖改變了巖體內部的應力狀態(tài)，在坡體內部產生應力集中和重新調整，使巖體向臨空面發(fā)生卸荷作用，形成一系列和臨空面近平行的陡傾裂隙。卸荷回彈導致邊坡在原有節(jié)理的基礎上產生新的卸荷裂隙，開挖過程中的工程擾動也使巖體結構更加破碎。坡腳的開挖，對邊坡穩(wěn)定性造成一定影響，使其失去原有的支撐，為滑坡的形成創(chuàng)造了良好的臨界條件，最終使得坡體在重力作用下發(fā)生蠕動變形，隨著時間推移，進而發(fā)生蠕動滑移。

2）表層失穩(wěn)

邊坡開挖改變坡體表面形態(tài)，加之邊坡特殊的坡體結構和巖性組合，在雨水入滲的影響下，坡體自重增加，且水的軟化作用改變構造裂隙面物理力學性質，構造裂隙面及卸荷裂隙面摩擦力不足以支撐上部土體，邊坡局部淺表層發(fā)生小范圍垮塌。

3）后緣裂隙發(fā)展

坡體在發(fā)展至蠕動滑移之后，滑坡的前部抗滑體已受到主滑段的擠壓推力，滑坡后部的牽引段坡體出現(xiàn)微小的整體形變，后緣的張性裂縫已貫通并出現(xiàn)下錯。裂縫為雨水入滲提供了一個良好的通道，雨水沿張性裂縫及構造裂隙滲入巖土體，一方面軟化作用使得巖土體構造裂隙強度降低，黏聚力、內摩擦角折減，另一方面坡面的張裂縫被快速充水，裂隙在靜水壓力、浮托力等協(xié)同作用下而發(fā)展延伸，為滑坡變形提供了有利條件。

4）兩側裂隙發(fā)展

隨著滑坡發(fā)展變形，后緣裂縫貫通，兩側出現(xiàn)平行的羽狀裂縫，逐漸沿兩側裂縫方向貫通撕開，并出現(xiàn)少量相對位移現(xiàn)象。在地表水和地下的共同作用下，滑坡每日位移可達數毫米。

5）前緣剪出

兩側裂縫貫通撕開，前緣經擠壓后微微隆起并出現(xiàn)放射狀裂縫。主滑體已沿滑動面產生明顯的移動，坡體出現(xiàn)多條、多級裂縫，伴有明顯錯臺，且裂縫寬度不斷發(fā)展，最寬達到2.5 m。

4 穩(wěn)定性計算

有限差分軟件FLAC 3D 能較好地模擬地質材料在達到強度極限或屈服極限時發(fā)生的破壞或塑性流動的力學行為，特別適用于分析漸進破壞、失穩(wěn)以及模擬大變形［8］。FLAC 3D 包含10 種彈塑性材料的本構模型［9］，其網格中的每個單獨區(qū)域可以賦予不同的材料模型，并且還能指定各種材料參數的統(tǒng)計分布和變化梯度［10］。

1）模型建立

巖土體采用Moh-Coulomb 本構模型，巖性分別為粉質黏土、塊石土、強風化粉砂質泥巖、中風化粉砂質泥巖和細砂巖。模型斷面長184 m，高90 m。共劃分單元180 029 個，節(jié)點35 451 個，如圖3 所示。模型四周約束法向位移，底部固定，邊坡表面為自由面。

圖3 計算模型

2）參數選取

結合相關國家規(guī)范、工程地質手冊、地勘報告等資料，確定各個地層巖土參數，見表1。

表1 各巖土層物理力學參數

3）計算結果

經過計算可知，該滑坡穩(wěn)定系數為0.96，滑坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。依據《滑坡分析與防治》［7］中對滑坡發(fā)育六個階段的劃分，結合穩(wěn)定性計算結果（圖4），確定滑坡目前處于滑動階段。

圖4 邊坡穩(wěn)定性計算結果

5 結論

1）該邊坡的巖土結構類型為反傾層狀邊坡巖體結構，其巖體變形破壞模式主要為構造結構面切割巖體的滑移破壞，主要以傾向臨空面的構造結構面為滑移面。

2）導致該滑坡的成災因素有地形、結構面、地層和水文地質條件，外界誘發(fā)因素有降雨及邊坡開挖。

3）該滑坡的發(fā)展歷經蠕動滑移、表層失穩(wěn)、后緣裂隙發(fā)展、兩側裂隙發(fā)展、前緣剪出五個過程。

4）目前該滑坡處于滑動階段，穩(wěn)定系數為0.96，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。