潮州至惠州高速公路煤系地层边坡滑动机理研究

袁 坤，张玉芳

(1.中国铁道科学研究院，北京 100081；2 中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所,北京 100081)

降雨入渗是边坡滑动破坏的主要原因之一，特别是煤系地层边坡，由于煤系地层中炭质泥岩岩质软弱，含炭量高，吸收热能强，极易风化、崩解，受干燥-浸水活化作用影响较大，极易活化，且具有不可逆性[1-3]，给高速公路建设和运营带来极大的安全隐患。据统计，煤系地层边坡的失稳破坏，绝大多数是由降雨或地下水位的变化引起的，这是目前地质灾害预测与防治领域亟待解决的难点与关键问题[4-7]。

滑坡的发生与降雨关系密切是早为人知的事实，很多学者对降雨与边坡稳定之间的关系进行了深入的研究，取得了丰硕的成果[8-11]。但对于煤系地层这一典型边坡来说，降雨条件下煤系地层边坡的滑动机理研究还较为少见。因此，本文以广东省潮惠高速公路煤系地层滑坡为例，研究降雨引起煤系地层边坡滑动的机理，对于类似的煤系地层边坡的加固设计及评估具有重要的指导意义。

1 工程概况

1.1 地形地貌

广东省潮惠高速公路左侧路堑边坡处于构造剥蚀中低山地貌区，地势由南向北倾斜。原山体斜坡植被发育，斜坡山脊线坡度约14°～16°。线路以路堑边坡形式从山脊线中下部横切通过。边坡两侧为自然冲沟，冲沟两侧自然斜坡坡度约26°。路堑边坡坡向约339°，线路走向约249°。

1.2 地层岩性

边坡开挖揭露地层自上而下分别为含碎石粉质黏土、全～强风化泥质粉砂岩及炭质页岩，泥质粉砂岩与炭质页岩呈互层分布，如图1所示。根据勘察资料，泥质粉砂岩及炭质页岩属三叠系头木冲组。

图1 泥质粉砂岩与炭质页岩互层

现场调查可知，泥质粉砂岩为中～薄层状，节理发育，岩体破碎，全～强风化，岩体呈碎块石夹土状。炭质页岩较薄，厚度约0.1～0.6 m；炭质页岩含水率高，表面风化呈黏土状，手捏有滑腻感。

1.3 地质构造

现场调查发现，边坡岩层产状变化较大。三级边坡坡面岩层整体顺倾，量得2组产状分别为330°∠30°，326°∠21°；二级边坡岩层整体近水平，大里程方向局部顺倾。

1.4 地质水文条件

根据现场调查，地下水主要是靠地表水补给。

2 病害特征

滑坡后缘裂缝距坡顶刷方线水平距离约30 m，整体下错1.0～2.0 m，张开约1.0 m。左侧界坡体下错约1.0 m，裂缝张开0.3～1.0 m，同时在坡体发现多条羽状裂缝；右侧界坡体下错约1.0 m，裂缝张开约0.4 m。从裂缝发展分析判断，滑动面已整体贯通(如图2所示)。

图2 滑坡已整体贯通

滑坡前缘剪出口在二级平台以下约4 m处。二级平台以下坡体岩层近水平，由于主滑面下滑力较大，滑坡体在二级平台以下约4 m处沿水平软弱层面剪出。滑坡推力的推动，也使二级平台及以下岩层发生向外整体挤出或坍塌。

3 滑动机理分析

根据上述对煤系地层边坡的地层岩性及边坡滑动破坏状态分析，煤系地层边坡滑动主要受降雨的影响。通过运用饱和-非饱和渗流理论[4]对边坡进行数值分析，分析该边坡在降雨过程中，土体中孔隙水压力及体积含水率的变化对边坡稳定性的影响。

3.1 饱和-非饱和渗流分析

1)模型建立及参数的确定

模型采用该边坡的典型代表断面，一级边坡坡高10 m，坡率1∶0.75，二级边坡坡高10 m，坡率1∶1，三级边坡坡高12 m，坡率1∶1.25，分级平台宽2 m。其后为缓坡。根据现场及室内试验岩土参数见表1。

表1 岩土体物理试验参数

采用Van Genuchten模型[4]拟合渗透系数及含水率随基质吸力变化规律见图3。

图3 渗透系数及含水率随基质吸力的变化规律

由图3可知，碎石粉质黏土和全～强风化炭质页岩体积含水率和渗透系数都与基质吸力存在非线性关系，基质吸力越小，岩土体的体积含水率与渗透系数越大。

2)初始条件

稳态流计算初始条件降雨量为0，并作为瞬态流的初始渗流场。根据当时地质钻孔测得左侧边界的地下水位线高程为56.086 m，右侧边界的地下水位线高程为50.651 m。初始渗流场见图4。

图4 初始状态下的渗流场

3)降雨条件

根据边坡所在区域当时的气象资料查得，12 h的降雨量为27.95 mm，换算成单位降雨强度为6.47×10-7m/s，降雨历时3 d，计算总时长6 d。

4)计算结果分析

根据上述的模型参数、边界条件和降雨条件对煤系地层边坡进行饱和-非饱和渗流分析，得出边坡在不同降雨历时岩土体体积含水率的变化情况见图5，其中图5(a)—图5(d)为降雨过程中边坡岩土体体积含水率变化情况，图5(e)—图5(f)为降雨停止后边坡岩土体体积含水率变化情况。

图5 不同降雨历时边坡体积含水率等势线

由图5可知，边坡岩土体体积含水率的大小及分布在降雨过程中及降雨后均有不同的变化；在不同的降雨历时，降雨入渗的深度不同，在降雨72 h时入渗深度约4 m。在降雨历时48～72 h边坡坡脚地表水下渗与地下水逐渐连通，在72 h坡脚煤系地层土体达到饱和状态，软化、强度低，边坡下切破坏。降雨过程中，碎石粉质黏土由初始体积含水率0.26变化到0.34；坡脚全～强风化炭质页岩体积含水率由0.20变化到0.35；全～强风化炭质页岩与碎石粉质黏土接触带的体积含水率由0.14变化到0.20。在降雨停止后，随着地表的蒸发，地表水继续下渗，表层土体的体积含水率逐渐减小，孔隙水压力继续增大。

降雨引起地下水位从坡脚开始上升，坡脚处的煤系地层遇水软化，强度迅速降低，导致坡脚失稳，牵引上部边坡产生张拉裂缝;持续降雨沿张拉裂缝入渗，在煤系地层接触面上汇流并沿着岩层向坡脚贯通，形成了煤系地层软化的滑动带，促使其发生滑动。

3.2 饱和-非饱和边坡稳定性分析

1)饱和-非饱和强度理论分析

根据Fredlund等(1978)提出的扩展Mohr-Coulomb准则将破坏面投影于剪应力与净法向应力平面，扩展的Mohr-Coulomb准则抗剪强度理论公式[4]为

τf=c′+(σf-μw)ftanφ′

(1)

c′=c′+(μa-μw)tanφb

(2)

式中：c′为基质吸力和净法向应力均为0时的黏聚力,即有效黏聚力；(σf-μw)f为土体破坏时，其破坏面上的净法向应力状态；φ′ 为与(σf-μw)f有关的内摩擦角；μa-μw为基质吸力值；φb为与基质吸力μa-μw对应的内摩擦角。

式(1)、式(2)中抗剪强度参数φ′，φb及c′均与含水率有关，因此，通过参考凌华等[12]非饱和土强度随含水率变化的规律，采用改装的三轴仪进行试验，得到该地层的黏聚力c、内摩擦角φ与含水率ω之间的关系。

图6 强度参数与含水率的关系

通过现场对碎石粉质黏土层与全～强风化炭质页岩层接触带土体取样进行三轴试验，共做了7组试验，试验结果见图6。对试验数据进行线性回归分析，得出黏聚力与含水率之间的关系为c=-5.687ω+178.82，内摩擦角与含水率之间的关系为φ=-3.62ω+82.07。

因此扩展的Mohr-Coulomb准则抗剪强度理论公式可以写成τf=c(ω)+σtanφ(ω)，即τf=-5.687ω+178.82+σtan(-3.62ω+82.07)。

2)边坡稳定性分析

根据饱和-非饱和渗流计算分析结果及室内三轴试验数据拟合出的Mohr-Coulomb准则抗剪强度理论公式，计算不同降雨历时的边坡稳定性，结果见表2。

表2 降雨历时对边坡稳定性影响

由表2可知：在降雨过程中边坡稳定性安全系数由1.283降低到1.012，而降雨停止后48 h边坡稳定性安全系数由1.012降低到0.983，144 h 边坡的稳定性安全系数为0.995。由此可知，在降雨停止时，边坡稳定性继续下降，在降雨停止48 h后边坡稳定性最低。

4 结论

1)煤系地层边坡岩土体体积含水率的大小及分布在降雨过程中及降雨后均不同；在不同降雨历时，降雨入渗的深度不同，在降雨72 h时入渗深度约4 m。

2)降雨引起边坡中的地下水位从坡脚开始上升，坡脚处的煤系地层遇水软化，强度迅速降低，导致坡脚失稳，牵引上部边坡产生张拉裂缝;持续降雨沿张拉裂缝入渗，在煤系地层接触面上汇流并沿着岩层向坡脚贯通，形成了煤系地层软化的滑动带，促使其发生滑动。

3)碎石粉质黏土层与全～强风化炭质页岩层接触带土体随着含水率增大，强度明显减小，且在一定含水率范围内，强度指标与含水率呈线性关系。

4)降雨停止后边坡的稳定性继续降低，当降雨停止48 h后边坡稳定性达到最低。

5)该煤系地层边坡滑动机理是坡脚土体遇水强度降低，降雨下渗，沿着碎石粉质黏土层与全～强风化炭质页岩层接触带发生滑动。