鄂西北山区高速公路滑坡灾害成因机制与稳定性分析

王云安 王红明 肜增湘 陈小明

（湖北省交通规划设计院 武汉 430051）

鄂西北山区境内崇山峻岭，山川河谷交错，垂直变化大，地形地貌复杂，广泛分布元古界武当山群变质岩，受区内的青峰断裂带影响大断裂控制，出露的石英云母片岩风化强烈，节理裂隙非常发育，片理面间结合力较弱，岩石遇水易软化，工程地质条件较差。最突出的就是开挖高边坡失稳，边坡严重变形，易诱发边坡的顺层滑动。

1 滑坡地质环境条件

1.1 地形地貌

滑坡区属构造剥蚀侵蚀低山区。滑坡区地表高程380～525 m，地形坡度一般20°～40°，局部陡峭。

1.2 区域构造

滑坡位于青峰断裂带内，青峰断裂带是由数条逆冲断层、破碎带及脆韧性剪切带、逆冲推覆构造共同组成的脆～韧性逆冲推覆剪切带，主要活动于印支～燕山期，局部被喜马拉雅期由南北向浅表层次的脆性断裂所改造，具多期活动特征。断裂带呈近东西向展布，断层面波状起伏向北倾斜，倾角25°～70°，长100 k m，宽0.75～4 k m。

1.3 地层岩性

根据钻孔揭露，滑坡区地层为双层结构，下部为元古界武当山群片岩（Pt2wb）上部盖层为第四系（Q）。

粉质粘土：褐黄色，土黄色，松散－硬塑状，表层夹有少量植物根系，下部包含10%～15%的碎石，碎石直径一般1～4 c m，多是菱角状。局部含有少量铁锰质结核，切面较光滑。

碎石土：灰黄色－灰绿色，稍湿。松散－中密状，土石比4∶6～2∶8，碎石主要成分为强风化片岩，碎石直径一般2～10 c m，局部夹有块石，块石直径一般20～40 c m，多呈次菱角状，少量菱角状，充填物为粉质粘土，稍湿，可塑。

滑带土：灰黄色～灰绿色，稍湿，可塑，主要粉质粘土和碎石组成，碎石成分为强风化片岩，粒径一般1～2 c m，次棱角状，次圆状。

强风化石英片岩：青灰色，裂隙很发育，岩体结构大部分被破坏，风化强烈。

中风化石英片岩：青灰色，变晶结构，片状构造，主要矿物成分为石英、云母、长石等。基岩顺坡向，产状355°∠40°。

2 滑坡范围

滑坡前缘高程为399 m、后缘高程为492 m，高差93 m，纵向长约300 m、前缘区宽约250 m，滑坡区面积约7.5×104m2，滑坡体积为300×104m3［1］。滑坡前缘、后缘及右侧边界明显，均可在地面见贯通性裂缝；左侧边界后部较为明显。表现为前缘剪出口明显、后缘裂缝张开与错落明显，右侧以剪切裂缝为主，左侧靠后部发育剪切裂缝。

3 滑坡稳定性分析

3.1 滑面的确定

根据现场的地质调查、钻探与边坡变形监测成果分析，滑坡存在浅层和深层2个主滑面，工程开挖过程中共发生过2次滑动。深层滑动面前缘剪出口出露在低于开挖的一级边坡平台面以下，相对浅层滑动面前缘剪出口位于二级坡面坡脚一带斜向延伸至深层滑面剪出口。其中，深层滑坡主滑方向为近北，浅层滑坡主滑方向为北偏东约23°，浅层滑动位移量大于深层滑动。

3.2 计算剖面的选定

滑坡后缘是位于高程488 m处的拉张裂缝，前缘剪出口位于目前路基（高程399 m）中间，以这2个位置的连线方向作为滑坡的主滑方向，约为NE23°，选择通过上述2点的剖面I-I′作为滑坡主剖面（见图1），并据此进行滑面参数反演。从工程设计与安全防护角度，治理滑坡时需要将防治措施顺路线方向布置，因此，选取通过滑坡后缘裂缝及滑坡中心部位并与设计路基方向近乎垂直的剖面作为计算剖面（II-II′），计算深层和浅层滑动的稳定性，见图2。

图1 滑带参数反演I-I′剖面图（滑坡主滑方向）

图2 滑坡稳定性计算II-II′剖面图（近于垂直路基方向）

3.3 计算工况

根据《公路路基设计规范》JTGD30－2004中路堑边坡设计要求，边坡开挖至设计路基高程情况下，考虑以下3种工况条件进行边坡稳定计算。（1）正常工况。边坡处于天然状态下的工况。（2）非正常工况I。边坡处于暴雨或连续降雨状态下的工况。

（3）非正常工况II。边坡处于地震等荷载作用状态下的工况。

3.4 计算参数的确定

滑带土强度参数的高低不仅与滑带土的物质成分有关，而且与滑面形态、成因机制、上覆岩土体的厚度有明显的关系，这些因素的影响使得滑带土强度参数的选取难以用一个统一的标准来进行确定，而滑带土强度参数取值恰当与否，又直接影响到滑坡稳定性验算和防治工程设计。由此可见，如何恰当地选取滑带土强度参数显得尤为重要。为了尽可能比较准确地选取滑带土的抗剪强度参数，采用以参数反演为主，同时参考土工试验成果、工程地质类比分析成果的方案来综合确定滑带土的强度参数［2］。

（1）试验成果分析。根据勘察试验成果资料的统计与分析，滑坡岩土参数取值见表1。

表1 滑坡勘察试验资料岩土参数

（2）工程实例类比。工程实例类比就是在充分考察边坡地质地貌环境、边坡结构、成因机制及发展演化等特征基础上，根据以往边坡治理工程的具体实践和成功经验进行类比分析，从而确定岩土体的物理力学参数。与本滑坡相类似的滑坡滑带土参数取值见表2。

表2 类似滑坡滑带土计算经验数据［2］

（3）滑带土参数反演。本次计算参数根据勘察资料，通过工程类比和参数反演来综合确定。该滑坡在持续降雨条件下，后部出现大量拉张裂缝和陡坎，前缘已存在剪出口，根据地表位移监测成果，可以判定此阶段深层滑坡处于蠕滑挤压阶段，即近似于极限平衡状态，因此，具备参数反演条件，选取滑坡主剖面进行反演。

根据滑面不同段所在的岩土层可知，后缘滑面（拉裂缝）发育在碎石土层中，其余部分均发育在强风化片岩岩层中。另外，根据滑动面形态可知，发育在强风化片岩岩层中的滑面分为2种类型：①中后部滑面沿强风化片岩层理面发育，滑面较陡，倾角约40°，强度较低；②中前部滑面为片岩的剪切破坏面，其中一段滑面较平缓，倾角约20°，剪出口段陡倾向山内，倾角约52°，强度较高。因此，根据滑面的地质成因将滑面按照2种类型进行滑带土参数反演，结果见表3。

表3 滑坡滑带土反演参数表

3.5 稳定性计算分析

稳定性计算采用传递系数法，II-II′剖面稳定性计算模型见图3，根据表3中的参数取值，计算II-II′剖面的浅层滑坡及深层滑坡在上述工况下的稳定性系数，其计算结果见表4。

图3 II-II′剖面稳定性计算模型

表4 滑坡II-II′剖面稳定性计算结果

滑坡II-II′剖面在天然状态下浅层滑坡与深层滑坡稳定性系数均大于1.18，处于基本稳定到稳定状态；在暴雨或持续降雨状态下，浅层滑坡与深层滑坡稳定性系数小于1.10，处于欠稳定状态；在地震荷载状态下，深层滑坡稳定性系数小于1.00，处于不稳定状态。

4 滑坡成因分析

滑坡变形为工程开挖斜坡造成，滑坡范围受地形地貌、地层岩性、地质构造及水文地质条件控制。其形成具有明显的内在原因——地形地貌与地质条件，以及外在原因——路堑边坡开挖。

4.1 地形地貌条件

滑坡所在的微地貌单元为坡向北偏东的斜坡，天然状态下总体坡度30°左右，属构造剥蚀侵蚀低山区。该斜坡坡脚是峪家湾沟（即流经本滑坡前缘的河流）、地势相对较低，约381.8 m，坡顶为梅花山（即滑坡所在的斜坡山顶），地势相对较高，约525.3 m，相对高差约143.5 m。

滑坡坡面起伏不平。后缘相对较缓，坡面中部平缓，多为当地村民耕地，前缘相对较陡。后缘缓坡地形坡度20°左右，中部地形坡度约为15°，前缘为14标段开挖坡度45°的路基边坡。

后缘缓坡地形为地表水汇集下渗及径流提供了有利条件，后缘汇集的地表水在坡面中部流速降低，有利于雨水下渗进入坡体；前缘开挖至公路一级坡坡顶、标高400 m，地势较低，开挖坡面形成一陡峭的临空面，为滑坡变形提供了良好的空间条件，有利于滑坡的形成。

4.2 地层岩性

第四系（Q）主要为残坡积物，含有较多碎石，土体松散～稍密状态，有利于大气降水的入渗。

武当山群片岩（Pt2 wb）呈褐黄色、灰白色、青灰色，变晶结构，片状构造。该片岩层理发育，部分层理面被地下水长期浸泡后形成软弱填充物，为滑坡提供了天然滑面。

该片岩云母、长石含量较高，在地下水作用下，易顺层面变质软化，促使边坡沿层面滑动。

4.3 地质构造

受构造影响，滑坡区地层总体上呈单斜层状产出，片岩岩层层面产状：倾向310°～15°，倾角34°～40°，即滑坡方向与岩层倾向一致。岩体节理裂隙发育，将岩体切割呈块状。在开挖坡面揭露的岩体中存在2组明显优势的节理面，产状分别为200°∠55°，125°∠63°，局部稍有变化。

4.4 水文地质条件

滑坡分布于山梁以下的斜坡地带，区内地形纵坡较大，为地下水补给、径流提供了有利条件。在浅层碎石土中为松散介质的上层滞水、中下部主要为基岩裂隙水。地下水主要受大气降水的季节性补给。地下水接受补给后总体由土层向基岩面、由浅层裂隙向深部裂隙径流，在坡脚基岩裸露地带出露，一般具有就地补给、就近排泄的特点。根据探井与野外调查发现，滑坡区存在稳定且丰富的地下水，涌水量大小与不同深度风化片岩的节理裂隙状况关系密切。

4.5 路堑边坡工程开挖

边坡开挖将原有的缓坡（坡度不大于35°）改造成总体坡度约45°、高度约40 m的阶梯状边坡，因此，坡度偏陡；同时，开挖部位在斜坡的坡脚区，从而失去支撑，降低了斜坡稳定性。

综上所述，该石英片岩岩质边坡的变形失稳受岩土结构和地质构造等因素控制，边坡开挖、降雨和地表水入渗起到重要的诱发作用。

5 结论

（1）顺层边坡的片岩及其节理裂隙为路堑滑坡的产生奠定基本条件，边坡工程开挖是滑坡形成的主要诱发因素，雨水入渗对岩土体，特别是对滑动面的软化作用是滑坡形成的重要影响因素。

（2）稳定性分析与评价中为尽可能比较准确地选取滑带土的抗剪强度参数，可采用以参数反演为主，同时参考土工试验成果、工程地质类比分析成果的方案来综合确定滑带土的强度参数。

［1］ 湖北省交通规划设计院.谷竹高速公路K81＋100～K81＋500段左侧滑坡专项分析报告［R］.武汉：湖北省交通规划设计院，2012.

［2］ 《工程地质手册》编写委员会.工程地质手册［M］.4版.北京：中国建筑工业出版社，2007.