韓振華, 梅雪峰
(1.淄博市周村區(qū)建筑工程質(zhì)量安全環(huán)保監(jiān)督站,山東 淄博 255300;2.山東理工大學(xué),山東 淄博 255049)
西南山區(qū)邊坡地質(zhì)災(zāi)害是影響山區(qū)公路、隧道安全運營重大地質(zhì)問題。邊坡一旦失穩(wěn)破壞,會對國家財產(chǎn)和人民的生命安全造成巨大損失。大量研究表明,誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的因素有很多種,如降雨、地震和開挖等[1]。
仇圣華等[2]基于巖土體破壞實例,定量研究了邊坡的穩(wěn)定性。Fredlund 及Sammon[3,4]分析了降雨強度對各類土質(zhì)滑坡穩(wěn)定性的影響。黃福明[5]基于非飽和土力學(xué)理論,研究了黏土、粉砂土及砂土邊坡土體瞬態(tài)滲流,揭示了不同土質(zhì)邊坡在降雨條件下的滲流場及坡體含水量隨時間變化規(guī)律。Lee[6]基于馬來西亞新山地區(qū)近10年來降雨數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),邊坡破壞的關(guān)鍵因素是降雨強度與土體滲透率比值。Brian 等[7]通過研究指出,滑坡主要是由于土體基質(zhì)吸力的降低,引起土體的抗剪強度的下降導(dǎo)致的。黃潤秋和戚國慶的研究表明[8],隨著雨水入滲,邊坡內(nèi)部逐漸被水飽和,土體的基質(zhì)吸力逐漸降低,降低了邊坡的穩(wěn)定性。
研究點位于云南省臨滄市西北部某隧道左側(cè)。據(jù)調(diào)查,隧道于2020 年5 月建成,由于施工便道大面積開挖,加之持續(xù)降雨,2020 年6 月17 日觀察到多處地裂縫、地基下沉等變形跡象。截止2020 年8 月,持續(xù)40d的現(xiàn)場檢測表明,鋼筋加工廠累計滑移58.1cm,下沉65cm見圖2(d);便道擋墻累計滑移43.1cm,下沉51.5cm見圖2(f);地表裂縫距離隧道左線平距僅有6~12m,距隧頂15m 左右?;伦冃螄?yán)重影響了隧道主線施工安全以及場內(nèi)設(shè)施、下方施工機械、過往人員的安全。
文中綜合采用野外地質(zhì)調(diào)查、原位試驗及室內(nèi)物理力學(xué)試驗等方法等。分析了邊坡的基本特征,揭示了該滑坡的變形破壞特征。針對其失穩(wěn)機理提出合理有效的防治措施。文中的研究可為相似工程設(shè)計及施工提供科學(xué)的理論依據(jù)。
研究區(qū)位于云南省臨滄市西北部,地處滇西橫斷山系縱谷區(qū)南部,東控南汀河,西扼怒江,地域介于東經(jīng)99°05~99°50,北緯23°45~24°27之間。
區(qū)域?qū)倌蟻啛釒c北熱帶交匯的河谷季風(fēng)氣候,具有日照充足、雨量充沛及干濕季分明的氣候特征。降水量主要來源于汛期的5~11 月份。多年平均降水量1300mm,最大蒸發(fā)量1600mm,平均氣溫為17~22℃。
研究區(qū)出露地層主要有第四系全新統(tǒng)人工填土Q4ml、第四系全新坡殘積積Q4dl+el及石炭系上統(tǒng)魚塘寨組C3y,分述如下:
(1) 第四系全新統(tǒng)人工填土Q4ml。隧道施工便道回填而成,主要為碎石土及塊石土。碎、塊石母巖為千枚狀絹云板巖及片理化變質(zhì)砂巖。粒徑大于200mm 的塊石占20%,最大粒徑可1-1、達30cm 以上,20~200mm的碎石占30%~45%,2~20mm的角礫占15%~35%,其余粘粉質(zhì)充填。
(2) 第四系全新統(tǒng)坡殘積層Q4dl+el。主要為碎石土及塊石土或含碎石粉質(zhì)粘土,碎、塊石以板巖及變質(zhì)砂巖為主,與崩坡積巖性成分相似。分布于斜坡裂縫圈閉區(qū)內(nèi),厚度8.0~25m不等。
(3) 石炭系上統(tǒng)魚塘寨組C3y。強風(fēng)化炭質(zhì)頁巖:灰黑色,泥質(zhì)結(jié)構(gòu),頁理狀構(gòu)造,巖質(zhì)軟,手捏可碎,遇水軟化,厚3~32m不等,地層產(chǎn)狀225°∠30°。
強風(fēng)化砂質(zhì)泥巖:灰色、灰黑色及黑色,薄-中厚層狀構(gòu)造,巖質(zhì)較軟,厚度不均勻,與碳質(zhì)頁巖互層,厚2~7m。
中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖:灰黑色,薄-中厚層狀構(gòu)造,巖質(zhì)較軟,巖芯多呈餅狀-短柱狀,RQD=40%。
強風(fēng)化玄武巖:灰黃色,巖質(zhì)較硬,巖體裂隙發(fā)育。
中風(fēng)化玄武巖:灰綠及深灰色,中風(fēng)化,塊狀構(gòu)造,巖體較完整。
研究區(qū)地處青藏高原東區(qū)滇藏構(gòu)造帶南部,緊鄰兩大板塊邊界,并受到板塊邊界動力的影響,受喜馬拉雅陸陸碰撞響應(yīng)及印度板塊向東的斜向俯沖作用,滇西南地區(qū)在新生代表現(xiàn)出強烈的構(gòu)造活動性。由于深大斷裂的重新活動及新構(gòu)造運動的強烈表現(xiàn),致使云南地區(qū)地震頻繁。
根據(jù)相關(guān)規(guī)范[9,10],抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度,地震動峰值加速度值為0.30g;地震動反應(yīng)譜特征周期為0.45s,屬較不穩(wěn)定區(qū)。
滑坡前緣高程960m,后緣高程1086m,相對高差126m。整體地勢南高北低,后緣至前緣坡腳平均坡度在30°左右?,F(xiàn)坡面由于邊坡開挖以及Z字形施工便道挖方,坡體多為臺階狀梯地,每級平臺寬5~18m,高12~18m,平均坡度介于39°~70°。滑體后壁為12.5m高陡坡,坡度約42°。
研究區(qū)平面形態(tài)呈倒水滴型??v向長度約250m,平均寬度約190m,總面積約4.7×104m2,滑坡潛在滑動方向146°如圖1 所示。由于滑坡中部的多級開挖卸荷,兩側(cè)和后緣裂縫明顯,圈閉裂縫基本揭示了淺層滑坡邊界。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,變形失穩(wěn)破壞主要發(fā)生在淺表層,平均厚度約18m,總方量約70×104m3。根據(jù)變形跡象,淺層滑坡又可分為H1強變形區(qū)、H2強變形區(qū)、H3強變形區(qū)和弱變形區(qū)4個部分。
圖1 滑坡地形地貌特征
H1強變形區(qū)平面形態(tài)略呈簸箕形見圖2(a),前緣以挖坡腳為界,后緣以拉裂縫為界見圖2(b)。該區(qū)縱向長度約80m,橫向平均寬度約87m,面積約0.7×104m2,平均坡度28~34°,滑向約146°,推測滑體厚度9~16m,平均厚度約15.0m,總體積約10.5×104m3。
H2強變形區(qū)兩側(cè)邊界向下穿越施工便道。受路塹邊坡開挖及地下水的影響,變形區(qū)后緣及兩側(cè)側(cè)向裂縫明顯。變形區(qū)縱向長度約150m,寬度80~115m,面積約1.4×104m2,平均坡度30°,坡向約146°,平均厚度約18m,總體積約25.2×104m3見圖2(d)。
H3強變形區(qū)右側(cè)邊界以靠近H2強變形區(qū)左側(cè)邊界的沖溝為界。該強變形區(qū)縱向長度約100m,寬度40~65m,面積約0.5×104m2,平均坡度31°,坡向約184°,滑體平均厚度約17m,總體積約8.5×104m3?,F(xiàn)場調(diào)查表明,H3強變形區(qū)坡腳處,已有2700m3的土體坍塌見圖2(c),且前緣擋墻發(fā)生明顯的錯動變形如圖2(f)所示。
弱變形區(qū)是除強變形區(qū)以外的區(qū)域,地貌形態(tài)為坡殘積斜坡體。區(qū)域右側(cè)以山體凸地形為界,左側(cè)以沖溝為界,后緣以滑坡拉裂縫為界圖2(e),前緣以H1強變形區(qū)邊界和后方高邊坡為界。平面形態(tài)近馬蹄形,縱長約50~100m,橫寬230m,溝道走向近46°,坡降約23°,前后緣高差約20m,平面面積約1.5×104m2。
圖2 典型變形特征
根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及鉆探得到該滑坡典型剖面圖見圖4,進一步將滑坡劃分為淺層滑坡和深層滑坡,其中淺層滑坡滑體、滑帶及滑床屬于深層滑體的一部分。
圖4 典型剖面圖2-2
(1) 滑體特征。淺層滑體為第四系全新統(tǒng)坡殘積物Q4dl+el,主要為碎石土,母巖為砂質(zhì)泥巖及碳質(zhì)頁巖等。粒徑一般介于2~10cm,最大塊徑可達30cm 以上,碎塊石含量占50%~65%??碧浇衣逗穸纫话?~20m,最大厚度達30m 見圖3(a)。淺層滑體也是此次斜坡失穩(wěn)變形的主要區(qū)域。
深層滑體除淺層滑體物質(zhì),還包含下覆石炭系上統(tǒng)魚塘寨組C3y的強風(fēng)化碳質(zhì)頁巖見圖3(b)。其中強風(fēng)化碳質(zhì)頁巖呈灰黑色,泥質(zhì)結(jié)構(gòu),頁理狀構(gòu)造。鉆孔揭露深度內(nèi)不均勻分布多層,厚8~10m 不等;強風(fēng)化砂質(zhì)泥巖呈灰色、灰黑色及黑色,薄-中厚層狀構(gòu)造,厚度不均勻,通常與碳質(zhì)頁巖互層,厚2~7m。深層滑體厚度28~55m不等,平均厚40m。
圖3 鉆孔揭露的滑體與滑帶特征
(2) 滑帶特征。根據(jù)鉆探資料分析,滑動面近流線型?;嫫骄鶅A角26°~29°,埋深介于15~23m。目前該滑坡處于前期發(fā)展階段,僅見后緣及兩側(cè)裂縫圈閉及坡體橫向張裂縫,未形成典型滑動面,亦未見前緣剪出口。鉆探揭露松散層碎塊石土中可見相對軟弱層,層內(nèi)碎石含量明顯降低,呈軟塑飽水狀,多分布于松散堆積層底,下伏基巖面之,因此該滑坡潛在滑面即為基覆界面處?;瑤翞楹槭圪|(zhì)粘土或角礫土,含量一般在35%~45%左右,厚度介于30~90cm見圖3(c)。
滑坡深層滑帶位于全~強風(fēng)化碳質(zhì)頁巖與強風(fēng)化砂巖或強風(fēng)化玄武巖交界位置,埋深介于30~50m,平均深度約40m。其中全~強風(fēng)化碳質(zhì)頁巖呈泥狀或細(xì)碎角礫狀,遇水容易軟化見圖3(d)。
研究點位于南汀河右岸斜坡中部,地界溝西側(cè)。區(qū)內(nèi)山地切割程度稍高,山體多為“V”型谷,地勢南高北低,后緣至前緣坡腳平均坡度在30°左右,為滑坡的形成提供了良好的地質(zhì)條件。研究區(qū)以第四系松散堆積物以碎石土為主,局部為含碎石粉質(zhì)粘土、粉土,內(nèi)部粘聚力較低,內(nèi)摩擦角稍低,透水性佳,易于大氣降雨滲入,導(dǎo)致軟弱結(jié)構(gòu)面巖土體的抗剪強度降低。此外調(diào)查發(fā)現(xiàn),在坡體上可見地下水露頭。雨季豐富的地下水導(dǎo)致滑坡體及軟弱結(jié)構(gòu)面巖土體長期處于飽水狀態(tài),抗剪強度低,滑體容重增大,下滑力增大,斜坡土體易失穩(wěn)滑動。
綜合分析,該滑坡的變形破壞是以其地形地貌、地層巖性和水文地質(zhì)條件為內(nèi)在前提;雨期降雨豐沛導(dǎo)致土體抗剪強度降低是變形破壞的主要誘因。
計算參數(shù)是根據(jù)試驗資料與類似地區(qū)經(jīng)驗值綜合獲取。淺層滑體物質(zhì)組成主要為碎石土,滑帶為碎石土、含碎石角礫;深層滑體組成為碎石土和全~強風(fēng)化碳質(zhì)頁巖,滑帶物質(zhì)為全~強風(fēng)化碳質(zhì)頁巖,滑床物質(zhì)為中分化砂質(zhì)泥巖或強風(fēng)化玄武巖。文中滑坡穩(wěn)定性計算參數(shù)見表1。分析計算工況主要有:
表1 滑帶土強度參數(shù)綜合取值
(1) 工況1:自重+地下水。
(2) 工況2:自重+暴雨。
(3) 工況3:自重+地震荷載。
采用傳遞系數(shù)法計算了5條典型縱剖面在不同工況下的穩(wěn)定系數(shù)并匯總見表2。結(jié)果表明:①淺層滑坡滑體在天然工況下處于基本穩(wěn)定狀態(tài),暴雨及地震工況下處于不穩(wěn)定-欠穩(wěn)定狀態(tài);②淺層滑坡各強變形區(qū)在天然狀態(tài)下處于欠穩(wěn)定-基本穩(wěn)定狀態(tài),暴雨及地震工況下處于不穩(wěn)定狀態(tài);③滑坡深層1-1剖面在天然工況下處于基本穩(wěn)定狀態(tài),暴雨及地震工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài),滑坡深層2-2剖面在各級工況下均處于穩(wěn)定狀態(tài)。
表2 滑坡穩(wěn)定性計算結(jié)果
此外,從平面圖上可以看出,后緣與兩側(cè)裂縫均已圈閉,坡體尚未出現(xiàn)整體滑動,但坡體滲水點較多,失穩(wěn)隱患較大。整個強變形區(qū)域在暴雨或地震影響下有較大滑動可能。弱變形區(qū)若處理不當(dāng),形成高陡臨空面或受強變形區(qū)下滑牽引亦存在失穩(wěn)可能。另外弱變形區(qū)變形加劇可能導(dǎo)致變形范圍擴大而影響整體穩(wěn)定性。
(1) 研究區(qū)滑坡平面形態(tài)呈倒水滴型,縱向長度約250m,平均寬度約190m,總面積約3.8×104m2,總方量約115×104m3,規(guī)模等級為大型。
(2) 據(jù)滑坡空間形態(tài)和變形特征,滑坡分為淺層滑動和深層滑動,目前滑坡變形主要發(fā)生在淺表層,平均厚度約18m,總方量約70×104m3。根據(jù)滑坡的變形運動方式,該滑坡屬于后退牽引式。
(3) 穩(wěn)定性計算結(jié)果表明,淺層滑坡在天然工況下處于基本穩(wěn)定-欠穩(wěn)定狀態(tài),在暴雨和地震工況下處于不穩(wěn)定狀態(tài);深層滑坡在天然工況下處于穩(wěn)定狀態(tài),在暴雨和地震工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。
(4) 根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及滑坡穩(wěn)定性計算,建議在H1強變形區(qū)挖方邊坡處設(shè)置格構(gòu)錨索進行淺層加固;在滑坡中前緣設(shè)置抗滑樁進行深層加固。