湘南地区煤系地层边坡失稳分析及其治理研究

郑一晨，张可能

(1.广州市城市规划勘测设计研究院，广东 广州 510060；2.中南大学地球科学与信息物理学院地质工程系，湖南 长沙 410083)

湘南地区煤系地层边坡失稳分析及其治理研究

郑一晨1*，张可能2

(1.广州市城市规划勘测设计研究院，广东 广州 510060；2.中南大学地球科学与信息物理学院地质工程系，湖南 长沙 410083)

郴州城市发展建设过程中煤系土滑坡地质灾害一直是最为常见，一般发生在第四系坡积物覆盖的山坡地段，以炭质泥岩、炭质页岩等煤系土为主。滑坡体形态完整，呈舌状、长条状、扇状或不规则状；剖面呈阶梯状，边界轮廓清晰；滑坡后壁具明显的圈椅形态。本文结合具体工程案例主要对煤系土边坡主要破坏类型进行归纳描述，并对煤系土边坡失稳特征、失稳机理、诱发因素展开研究，提出有效治理措施，滑坡趋势得到有效控制。

煤系地层；滑坡；郴州地区

1 前 言

随着广大工程地质工作者通过长期工程实践认识研究，循序渐进地对边坡变形机理及其失稳因素过程分析，进而不断细化具体边坡破坏类型分类划分[1，2]。每次边坡破坏过程中都能反映出三要素：边坡破坏类型，破坏岩土体的滑动速度，破坏规模范围。综合三要素全面体现了边坡渐进性破坏全过程及危害体现。本文考虑郴州地区煤系土特殊工程性状，总结在自然与人为因素作用下郴州地区煤系土边坡破坏形式主要表现为坡面冲蚀、泥石流、倾倒破坏(坍塌)及滑坡[3]。

郴州城市发展建设过程中煤系土滑坡地质灾害一直是最为常见，依据2014年郴州市国土部门统计调查显示，滑坡灾害隐患点数量(1 020处)高占郴州市地质灾害隐患点总数(1 132处)的82.8%(如图1所示)。滑坡区别于崩塌通常以深层破坏的形式出现。滑动面往往深入到坡体内部，甚至延伸到坡脚以下，且滑动速度比崩塌缓慢，不同滑坡滑速各异主要取决于滑动面本身的物理力学特性。

图1 2014年郴州市边坡地质灾害隐患点类型统计

郴州地区滑坡一般发生在第四系坡积物覆盖的山坡地段，以炭质泥岩为主。滑坡造成破坏损失严重。郴州地区煤系土边坡岩土体在自身重力作用下，沿着岩土软弱面，缓慢蠕动下滑，经历从蠕变阶段到破坏阶段再发展到自稳平衡阶段。在特殊的地形地貌地质条件下，煤系土滑坡周界常见为横跨式，延伸较长，发生于岩土软弱交界面处(如图2、图3所示)。

图2 滑坡(郴州市同心桥安置小区边坡失稳)

图3 滑坡(骆仙岭骆仙西路C区滑坡)

表1统计列举了近几年郴州地区煤系土边坡发生的重大滑坡事故状况。根据表1可以看出，同坡度倾向顺层边坡及炭质泥岩往往是煤系土边坡滑动失稳的内在因素。在连续性降雨下、风化干湿循环作用及人工超开挖边坡等外界扰动作用下最终导致边坡滑动失稳破坏。

郴州地区(2010～2014)年煤系土滑坡案例统计表 表1

2 煤系土边坡失稳特征分析

郴州城市发展建设过程中煤系土滑坡地质灾害一般发生在第四系坡积物覆盖的山坡地段，以炭质泥岩、炭质页岩等煤系土为主。滑坡体形态完整，呈舌状、长条状、扇状或不规则状；剖面呈阶梯状，边界轮廓清晰；滑坡后壁具明显的圈椅形态。

郴州地区典型煤系边坡大多为岩土混合边坡，即下部岩层，上部土层，或者岩层与土层互层。地层分布类型从上至下可描述为：

(1)坡面表层为第四系坡积粉质黏土及第四系坡积碎石土，往往系泥岩、砂页岩风化坡残积物，表层含有少量植物根系；

(2)二叠系全风化页岩，褐黄色，灰色～灰黑色，且原岩结构构造基本破坏；

(3)二叠系中风化页岩，节理裂隙发育，岩质较硬，岩体较完整；

(4)石炭系中风化灰岩及石炭系中风化炭质灰岩，薄—中厚层状构造，节理裂隙较发育，岩质较硬，为边坡稳定基岩(煤系地层典型地质坡面如图4所示)。

图4郴州地区煤系土边坡典型地质

煤系土边坡滑动特征大致分为a牵引式滑坡，b推移式滑坡，c整体滑坡(如图5所示)。

其中以牵引式滑坡最为频发，随着切坡开挖造成边坡应力重分布，边坡几何形状变异，坡脚易出现应力集中，在外营力作用(雨水风化干湿循环)下，煤系土体迅速软化，抗剪强度剧减，开挖边坡坡顶线附近形成张力带，产生拉张裂缝，而坡脚应力集中，产生剪切破坏现象，最终发展至滑坡体从坡脚位置剪出。而在流变破坏损伤后仅剩残余强度的岩土体无法再支撑上部土体而向后产生牵引作用，在无人工有效支护治理措施下，滑坡体将逐级向上部牵引扩张，不断恶性循环，破坏范围进一步扩展形成整体破坏。以郴州市骆仙岭人防办A区滑坡为例(如图6所示)，因场地整平切坡，曾多次发生滑动，在场地北侧形成高度约 3 m～14 m高的高陡边坡，坡面呈现出大量张拉裂缝及多级沉降台阶错乱分布。根据现场失稳特征判断其为典型性牵引式滑坡群。

图5煤系土边坡滑动特征

图6 骆仙岭A区大型牵引式滑坡

3 煤系土边坡失稳诱因

3.1 持续性暴雨与地下水环境

降雨丰富且爆发持续时间长是郴州地区煤系土滑坡灾害频发高发的重要因素之一。如2012年受第12号台风“潭美”影响，湖南省降雨明显剧增，且暴雨中心位于郴州地区，平均降雨量达 84.3 mm，引起郴州市苏仙区、资兴市、北湖区等县(市、区) 9 000余起边(滑)坡地质灾害，转移群众达2万人。由暴雨产生的径流冲刷破坏边坡坡面植被，持续时间长高强度降雨及暴雨使坡体含水量剧增，岩土体自重加大，而煤系土受干燥—浸水活化作用影响较大，水和外力作用下极易形成软弱带，大多由煤系岩层和风化物构成，造成应力变异，岩体蠕动变形。裂隙水补给致使其静水压力和空隙水压力加大[4～7]，下滑力增加同时抗剪强度剧减抗滑力下降。雨水入渗通过一系列化学物理作用使滑坡坡面已有张拉裂缝扩大变形，加剧了边坡蠕变失稳过程。

3.2 地层岩性

煤系土具有岩层软硬不均、层间胶结较差、结构松散、开挖后风化速度较快且遇水易软化、性能极不稳定和结构易破坏而丧失强度等特点，其结构面软弱致使岩土体整体强度降低，并增强其土体流变性，加深了岩土体的不均匀性、和非连续性。郴州地区煤系土开挖边坡在切方过程中，随着切削表层第四系残坡积层(粉质黏土厚约 1 m～3 m)后，致使坡体内炭质页岩、炭质泥岩等岩层暴露，多于坡脚处堆积。强风化炭质泥岩一般沉积成因，泥质结构，薄厚层状构造，平均厚度约 10 m左右，透水性强。地层往下渐变为中风化炭质泥岩，隐晶质结构，中厚层构造，揭露平均厚度约 5 m左右，碳酸盐矿物胶结，节理裂隙发育，岩质较硬，岩体较完整，相对不透水层。炭质页岩及炭质泥岩随地表强风化程度往坡体深部渐变风化，无明显分界面。在风化干湿循环外界作用下，不断加剧坡体深部侵蚀，岩体强度不断降低，形成软弱结构面为滑坡提供了有利条件[8]。

3.3 边坡开挖及施工时序工艺

边坡在外界条件的共同作用下(如人工开挖、降雨等)，失稳是一个由局部失稳、整体失稳、最终发展为滑坡的渐变过程，在此过程中边坡控制因素也是“动态”渐变的。郴州地区绝大多数自稳状态下煤系土边坡破坏原因与人工开挖密切相关，开挖切方后边坡的原应力状态改变，应力再次分布后于坡脚位置集中，在降雨等外营力作用下坡体蠕变滑移，不断产生坡体裂缝且加剧，由局部坍塌破坏最终发展至最终滑坡失稳。

而往往由于工期紧张等原因，边坡支护施工过程中没有依据分层开挖分层支护及分段治理原则，而是简单的采取一律一挖到底，如坡面锚杆(索)及注浆施工完成后未及时施工格构梁骨架，支护结构零散作用却未形成有效整体效应，从而引发边坡局部失稳发展至滑坡；施工未考虑降雨含水率增大对煤系土产生的特殊影响，常于雨季施工而无任何针对暴雨采取的辅助排水措施，导致边坡滑塌。

4 郴州市同心桥边(滑)坡治理工程案例

4.1 工程概况

郴州市同心桥村安置小区临同心路以西，四周山地环绕。按规划设计要求整平场地后，形成约 240 m左右长、10 m～20 m左右高的切方边坡，场地中间分台阶整平。该边坡地处区域为中亚热带季风性湿润气候，场地地下水主要补给来源为邻近区岩溶裂隙水和大气降水。场地附近无地表水系分布，山涧沟谷常年无水。

4.2 工程特点及边坡支护设计原则

场地地层揭露为厚层煤系土层(炭质泥岩、炭质页岩)，如图7、图8所示。坡体开挖后加速风化剧烈，恰逢暴雨季节，坡体开挖已经处于极限平衡状态，急需立即对其进行边坡支护。

经过方案综合比对，最后确定采用“放坡+锚杆+人字形骨架+矮挡墙”的支护方案，并根据现场地形情况，将场地分为六段进行治理，支护形式如表2所示。

图7 (岩土界面)深厚层炭质泥岩

图8 岩体破碎

同心桥边坡分段支护方案 表2

4.3 边坡失稳发展过程

2012年10月21日场地中部出现开裂，该裂缝原为2012年8月17日坡体失稳周界(当时裂缝是闭合的，而现在是展开的)，该处开裂的原因是由于坡脚围墙处土体超开挖，坡体抗滑力不足所致，2013年3月1日，场地南段截水沟及人字形骨架还未完成施工，2013年3月28于南段与东面交界位置发生垮塌(如图9所示)，场地截水沟约8处开裂，裂缝最宽约 10 cm(如图10所示)。

图9 坡面垮塌

图10 坡面裂缝

2013年6月9日在随着以一挖到底的方式下进行大规模开挖后，导致原本就分布多条裂缝的区域(南段与东面交界处)出现滑坡，滑坡后壁高差约 50 cm，滑坡体从二级坡面上剪出，现场可见明显剪出口，滑坡范围宽约 15 m～20 m，长约 10 m～15 m，高差约 7 m～9 m(如图11、图12所示)。

图11 滑坡周界

图12 滑坡侧边挤出

2013年7月14日场地东面二级坡体出现浅层滑动，坡面现大量裂缝，第二排抗滑桩顶上部有明显的剪出口；南段与东面交界处区域滑坡变形继续加剧，滑坡后壁高差最大约 2.2 m，滑坡剪出口错动约 5 cm；由于施工时骨架嵌入土体深度不够(约 150 mm)，在连续降雨作用下，雨水在骨架中积滞不能有效排除，慢慢入渗坡体内部加剧边坡蠕滑变形。

2013年9月9日场地BC段后排抗滑桩发生严重倾斜破坏(倾斜约15°～20°)，桩后坡面土体开裂加剧，逐级牵引发生更大变形破坏；主要原因为双排抗滑桩桩顶冠梁及双排桩间板梁都未及时施工(桩锚杆及板梁锚索也未施工)，双排桩不能成为有效整体，受力不均匀，不能有效充分利用双排桩土拱效应，导致炭质泥岩从桩间位置挤出(如图13、图14所示)；滑坡若不立即采取有效抢险治理措施，坡体将会发展到整体滑动，十分危急。

图13 后排桩倾斜

4.4 边坡失稳抢险治理

(1)固脚：立即完成双排桩顶冠梁及桩间板梁抢险施工，同时预留其间锚索、锚杆孔位，对于后排倾斜桩与前排桩间的板梁施工在预留板梁钢筋之后直接整体灌注(原设计保留桩板梁间土体绿化)，之后再进行锚杆锚索施工。

(2)对该段滑坡体采取进一步的削坡卸载并对滑坡后缘既有陡坎进行堆土反压，反压土体的高度须覆盖至陡坎高度的2/3处，进行双液注浆加固。

(3)排水：考虑到抢险工期紧迫，将截水沟由原设计的浆砌片石砌筑改为素混凝土浇筑，并修复已开裂的排水沟及时填补坡体间大量张拉裂缝防治雨水渗入坡体加剧蠕滑变形。

(4)炭质泥岩渗透性好，为透水层，在修整坡面后在坡面整体覆盖隔水性强的夯实粉质黏土，坡体增设泄水孔，加强深部排水作用。

截至2014年初，滑坡抢险治理完成后，边坡现已基本稳定，满足边坡功能使用要求。

5 结 语

通过在对郴州地区地质背景调查，气象水文条件研究统计以及对煤系地层区域地质特征分析的基础上，结合对典型性煤系土边(滑)坡工程案例失稳过程的分析研究，对煤系土边坡主要破坏类型进行归纳描述，并对煤系土边坡失稳特征、失稳机理、诱发因素展开研究，得出如下结论：

(1)综合考虑郴州地区煤系土特殊物理力学性质，总结在自然与人为因素作用下郴州地区煤系土边坡破坏形式主要表现为坡面冲蚀、泥石流、倾倒破坏(坍塌)及滑坡，其中以滑坡灾害最为频繁严重。

(2)郴州市东部、中南部地区多崇山峻岭，河谷密布、地形切割强烈，大范围分布炭质页岩，浮土松散层较厚，煤系土结构性差，受扰动后极易产生松动，易崩解，具有很强的活化性，经过风化干湿作用循环后成泥炭土，遇暴雨特别是连续性暴雨，易形成地表径流，并迅速汇集，极易发滑坡灾害。

(3)郴州地区典型煤系土边坡大多为岩土混合边坡，即下部岩层，上部土层，或者岩层与土层互层。同坡度倾向顺层边坡及炭质泥岩往往是煤系土边坡滑动失稳的内在因素，在连续性降雨下、风化干湿循环作用及人工超开挖边坡等外界扰动作用下最终导致边坡滑动失稳破坏。滑坡必经三个阶段即从初始酝酿阶段(蠕动变形阶段)发展至突变阶段最终演变至残余变形或渐趋稳定阶段。

(4)郴州地区煤系土边坡失稳诱因复杂多样化，致使边坡滑动破坏的主要因素包括由季节性、突发性、连续性暴雨作用及引起的地下水环境变化有关；煤系土特殊地层岩性即岩层软硬不均、层间胶结较差、结构松散、开挖后风化速度较快且遇水易软化、性能极不稳定和结构易破坏而丧失强度等特点也是边坡失稳重要原因；绝大多数自稳状态下煤系土边坡破坏原因与人工开挖密切相关，其稳定与否很大程度上取决于施工工艺选取及边坡施工过程稳定性保证。

(5)本文以郴州地区典型煤系土边(滑)坡治理工程为研究背景，通过现场持续跟踪调查研究其实际动态变化过程，研究郴州地区煤系地层边坡的破坏模式、失稳特征及诱发因素，表明煤系地层边坡以牵引式滑坡为主，滑面位置多为岩土软弱界面，开挖后在连续性暴雨下不断蠕滑破坏。

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SouthernHunanCoalBearingStrataSlopeFailureAnalysisandGovernanceResearch

Zheng Yichen1，Zhang Keneng2

(1.Guangzhou Urban Planning and Design Survey Research Institute，Guangzhou 510060，China； 2.Department of Geological Engineering，School of Geosciences and Info-Physics，Central South University，Changsha 410083，China)

In the process of urban development and construction in Chenzhou，it is the most common and difficult geological disaster. Generally occurs in the sediments of Quaternary covered slopes in the area，carbonaceous mudstone and carbonaceous shale coal bearing soil. The complete form of the landslide，a tongue，strip and fan-shaped or irregular shape；profile ladder，contour clear；backscarp with obvious chair shape. In this paper，the main damage types of coal measure soil slope are summarized and described with the specific engineering cases，in addition，the instability characteristics，instability mechanism and inducing factors of the slope are studied，and the effective control measures are put forward.

coal measure strata；landslide；Chenzhou region

1672-8262(2017)06-155-06

P642.22

A

2017—02—14

郑一晨(1990—)，男，硕士，助理工程师，主要从事岩土工程勘察设计等技术工作。