转化型二次失稳边坡变形特征及失稳成因分析——以余凯高速RK24滑坡为例

王 洁， 程谦恭*， 李 星， 刘乃康， 张鹏元

(1.西南交通大学地球科学与环境工程学院,成都 610031；2.中铁科学研究院有限公司,成都 610032)

贵州南部高山地区,滑坡是最常见地质灾害类型之一,同时也是高速公路运营阶段最大的安全隐患,边坡一旦失稳,造成的损失不可估量[1]。

目前,监测系统广泛运用于滑坡预测中,大量学者将模糊数学[2]、3S[3]、多元统计[4]和神经网络[5]等方法运用于滑坡空间预测,但这些方法仍存在诸多不足,比如模糊数学的人为影响因素过大,3S的误差较大,神经网络所需数据库大。而将监测数据与滑坡变形相结合,合理划分滑体横纵剖面,能在仅有数据基础上准确地获取滑体内部情况。

关于不同类型滑坡的研究已有大量报道。徐勇等[6]以宣恩县干坝滑坡为例对降雨型滑坡进行了风险评价,肖拥军等[7]以黄土坡滑坡为例,研究含软弱夹层型复杂滑坡的形成机制,朱要强等[8]以兴仁县龙场镇某滑坡为例,研究“采空”结构型滑坡的变形机制。由于滑坡的形成机制、失稳方式、变形特征等存在差异,因此研究不同类型的滑坡对于保护人类财产安全具有重要意义。

将浅层滑动转化成深层滑动的滑坡定义为“转化型滑坡”,以余凯高速RK24二次失稳边坡为例,基于仅有的监测数据,对变形量差值进行分析,获取滑体内部变形特征,同时,分析转化型滑坡的二次失稳成因,以及由浅层滑动逐渐转化为深层滑动原因,并对转化型二次失稳边坡提出有效防护措施,以期为工程建设中边坡防护与治理提供一定的工程参考价值。

1 滑坡概述

1.1 工程地质概况

RK24滑坡位于余凯高速公路K24+520 ～ K24+840段左侧,属冲蚀河谷地貌,地形起伏大,地势左高右低,山体自然坡度15°～20°,气候属中亚热带季风湿润气候,全年83%的降雨量集中在4～10月,每年6月出现暴雨概率最大。

图1 滑坡概况Fig.1 The landslide situation

场区位于金坑断裂带附近,附近发育3条断层[图1(a)],小桩号出露于K24+200附近,走向与路线斜交；大桩号位于在盆水大桥K25+300附近,走向与路线斜交,倾角85°；线路右侧为主断裂,与龙洞河平行。位于线路右侧的断层对坡体稳定影响较大,顺线路方向发育,为正断层,滑坡区位于正断层上盘,受其牵引作用影响,岩层产状多变,总体上岩层顺倾,滑坡前缘岩层反翘,滑坡中上部产状130°～195°∠25°～42°,前缘产状35°～50°∠8°～35°。

1.2 滑坡形态及规模

滑坡平面上呈圈椅状,后缘高程约873 m,前缘高程约803 m,最大高差约70 m。滑坡体主滑方向160°,纵向长约250 m,横向宽约100 m,勘察显示,滑体平均厚度约为15 m,滑坡面积约为1.7×104m2,体积约26×104m3,属中型牵引式工程滑坡。滑坡全貌见图1(b)。

滑体主要地层为奥陶系下统桐梓组泥岩,少量白云质灰岩及寒武纪中统的白云岩,上部岩体节理裂隙发育,风化严重,全风化层原岩结构基本已完全破坏,多呈土状,局部夹层发育,已风化原岩结构大多被破坏,岩体破碎,垂向上风化程度随深度依次降低。滑坡表层为一层厚0.9～3.9 m的第四系松散堆积物,在强降雨情况下易发生表层滑动。

2 滑坡变形特征

2.1 历史变形

K24+520～840左侧原设计为三级坡,坡率均为1∶1,最大高度28 m,采用拱形骨架防护。2014年3月初,二、三级边坡开挖成型时,边坡上方自然坡体出现裂缝,裂缝处距坡口线约50 m,同时K24+590左侧二、三级边坡出现明显剪出口,二级坡出现连续裂缝。2014年3月18日,K24+590～670二、三级出现滑坡,滑坡体积约1×104m3；2014年5月26日暴雨,K24+600～670段坡体全部顺基岩面滑塌至公路外侧200 m外,堵塞龙洞河,形成堰塞湖；后缘裂缝发展至设计线外侧200 m处,K24+670～720段发生坍塌；2014年7月18日设计变更,采用挡墙+清方+锚索对滑坡进行加固。2014年11月中旬,开挖成型后二、三级坡面出现局部坍塌,K24+570～ 650段出露层面有张开的迹象；2015年6月13日暴雨,锚喷坡面、挡墙、路面于暴雨后有裂缝发生,挡墙墙脚处路面有轻微隆起现象。后在K24+590～700段一级平台处增滑桩加固,破体变形逐渐收敛。

2.2 变形监测数据分析

该边坡共设置18个监测点[图1(c)],监测时间为2015年1～12月。选取滑坡体典型横断面和纵断面监测数据对滑坡变形进行分析。

2.2.1 基本变形情况

2015年1月布置7个钻孔,图2(a)所示为具有代表性的5个监测点最大累积变形,其中9号监测点变形为5.26 mm,该点位于RK24+580段挡墙顶部,挡墙顶部共设置三个检测孔,从左至右最大累计变形量依次递增,大致推测边坡右侧较易失稳。

图2 监测数据Fig.2 The monitoring data

由于2015年6月11～12日连续异常暴雨作用,边坡位移突变。暴雨后位移突变,6月17日～7月初,位移速率高达2～3 mm/周,7月后位移速度基本稳定在2 mm/月,图2(b)为6号监测点不同时期随深度的变形,2015年 5月4日累积变形介于0.07～4.08 mm,位移速率为1 mm/月, 6月14日上午最大变形增至29.48 mm,短短一个月内变形增加了25.4 mm,6月14日下午最大变形增至35.52 mm,短短半天变形增加了6.04 mm,10月9日最大变形为42.47 mm,6月期间变形的突变是由强降雨造成的,在自然状态下,滑坡相对稳定,但由于暴雨作用,加速变形,滑坡极易失稳。暴雨后既有工程遭到不同程度的破坏,为了进一步掌握滑坡变形情况,增设了11个深层位移检测孔。图3所示为18个监测点变形情况,2015年9月10日～10月9日变形相差较大,7号监测点变形高达1.86 mm,2015年10月9日～12月5日变形介于0.26～0.6 mm,滑坡在自然状态下相对稳定,1～7监测点最大累积变形较大,监测点分布于滑坡的中后部,说明滑坡变形主要集中在中后部。

图3 监测点变形情况Fig.3 The deformation at all monitoring stations

图4 各横剖面内部变形情况Fig.4 Internal deformation in every transversale section

2.2.2 横剖面变形情况

该边坡分为共五个横剖面,选取每个横剖面中部监测点代表相应横剖面,图4所示为路基右侧至山顶各监测点随深度的变化情况,研究时间段2015年9月10日～12月5日。

CX-11代表路基右侧,变形最大为1.23 mm,变形差值介于0.02～0.71 mm,说明路基右侧较稳定,在深度为20 mm附近出现小幅度异常；CX-8代表挡墙顶部,变形最大为1.87 mm,变形差值介于0.01～0.71 mm,由于挡墙支挡,该剖面存在小幅度错动,在深度为13 mm附近小幅度异常,剖面深度存在小幅度异常的原因可能是工程原因,施工过程振动效应造成内部出现小型的裂隙；CX-14代表第二级平台,最大变形达到2.65 mm,16 m为一拐点,16 m以下变形差值稳定于0.01～0.21 mm,16 m以上变形差值由0.81 mm递增至2.09 mm；CX-16代表第四级平台,最大变形达2.94 mm,12 m以下变形差值介于0.01～0.48 mm,25 m附近出现小幅度异常,12 m以上差值从0.57 mm增至2.12 mm；CX-18代表山顶,最大变形高达3.42 mm,14 m以上变形基本介于0.69～2.03 mm,14～25 m间变形稳定在0.5 mm附近,推测25 m可能为古滑坡面,25 m以下岩体较稳定。基于现场检测,1号和5号监测点分别在9 m和11 m处被剪断,两点位于滑坡右侧,滑面较中部浅,结合监测数据分析,推测拐点为滑面深度。

2.2.3 纵剖面变形情况

该边坡分为共三个纵剖面,选取挡墙处三个监测点代表滑坡左侧、中部和右侧(图5)。CX-9代表滑坡右侧,最大变形4.29 mm,14 m为临界点,14 m以下变形差值低于0.46 mm,存在一些小幅度波动,14 m以上变形差值由1.08 mm增至4.29 mm；CX-8代表中部剖面,见图5(b)；CX-13代表滑坡左侧,最大变形为1.25 mm,7 m为临界点,7 m以下变形差值低于0.29 mm,内部出现小型波动,7 m以上变形差值介于0.35～067 mm,变形较小。滑坡内部小型波动可能是由于内部小裂隙造成的。结合纵剖面数据分析,可确定滑面位置。

图5 各纵剖面内部变形情况Fig.5 Internal deformation in every longitudinal section

2.3 监测变形结果

RK24滑坡变形从左至右、从前至后,变形依次增加,滑面深度为5～25 m,坡体由浅表层滑动逐渐转化成深层滑动。在自然情况下,滑坡相对稳定,在连续异常暴雨作用下,加速滑动,变形量大幅度,极易失稳。

监测数据的获取与处理越来越多样化,张敏敏等引入神经网络,张纯志引入回归模型对滑坡数据进行处理[9],虽有着一定的指导意义,但与实际情况仍存在较大的差异。引入数学中拐点定义,通过合理划分横纵剖面对相应监测数据进行分析,能在有限的监测数据基础上,准确地获得滑体三维空间内变形情况,拐点处为滑面,稳定区域局部异常点裂隙发育。

3 滑坡成因分析

RK24滑坡为转化型二次失稳边坡典例,研究其成因机制十分重要,着重分析“转化”原因。主要从地质条件、降雨和人类活动三个方面分析[10]。

3.1 地质条件因素

RK24滑坡为顺层滑坡,滑体主要为奥陶系梓桐组下统泥岩,上部泥岩基本已完全风化,其原岩结构已被完全破坏,这为滑坡的形成提供了充足的松散物源,是加固后边坡进一步滑动的物质基础,也是滑坡由浅层滑动转向深层位移的基本条件。

区域内发育三条断层,位于路基右侧的正断层,易导致滑体沿着断层面剪出。岩体内部节理发育,主要发育一组陡倾X型节理面,节理面附近岩体严重风化,层面与节理裂隙形成不良组合,为边坡失稳提供了边界,也为水的运移提供了良好通道,是降雨加速滑动的基础条件之一。

3.2 降雨

降雨或地震是导致滑坡形成的主要诱导因素[11],聂超等[12]研究了不同程度的降雨对边坡的影响。据历史变形可知,RK24滑坡在建设过程中,由于暴雨已引起一次失稳,结合监测数据显示,降雨引起滑坡变形加剧,因此认为降雨诱导滑坡形成。降雨造成变形加剧的主要原因:由于坡面冲沟不发育,表层土体松散,渗透性好,雨水主要沿着坡面下渗,导致岩土体容重增大,强度降低,部分雨水沿裂隙下渗,一方面与全风化泥岩作用,起润滑作用,降低滑面抗剪强度；另一方面形成动水压力和静水压力,增加下滑力,加速蠕滑。既有工程泄水有限,导致暴雨天气滑坡变形加剧。

3.3 人类活动

边坡在自然状态下稳定,但由于路堑开挖,导致应力重分布,由于影响因素考虑不全,边坡虽已支挡加固,但所提供的抗滑力不足。路堑边坡开挖过程中,浅表层岩体发生卸荷回弹,使得原生岩体中原生及次生结构面张拉开裂,岩体完整性遭受较大程度的破坏,提供滑坡滑动面,造成多次局部失稳变形。

陈文宇等[13]对基坑爆破施工中动力响应进行了研究,王立纬等[14]以数值模拟为手段,研究地震响应对滑坡的影响,说明施工过程中产生的震动效应影响滑坡的失稳。该地区岩层风化严重,呈土状,施工和运移过程都会存在一定的震动效应,导致具有裂隙的结构面进一步扩大,深部裂隙增加,为地表水入渗和地下水运移提供良好的通道,深部裂隙的组建贯通导致边坡发展为深层滑动。既有工程未考虑深层滑坡的形成,以致抗滑力不足以抵抗滑体位移,这是导致滑坡二次滑动的主要原因之一。

3.4 成因分析

唐然等[15]以龙头山滑坡为例,研究平推式滑坡的发育过程及失稳原因,李安旺等[16]以兰州市某滑坡为例,一定程度上研究了复发型滑坡的成因,崔鹏等[17]分析了自然工况和施工情况下,山区道路滑坡的形成原因。基于RK24滑坡成因分析和已有边坡典例总结,丰富松散物源、优势节理构造为转化型二次边坡失稳提供了基础条件,强降雨或地震是诱发此类失稳边坡的主要原因,人类活动加速滑坡形成,包括边坡开挖过程中卸荷回弹、工程建设与运移过程中的震动作用等,震动作用有助于裂隙形成与贯通,导致边坡由浅层滑动逐渐转化为深层滑动,既有工程的抗滑力不足导致边坡发生二次滑动。

4 边坡稳定性分析

选取典型断面,运用极限平衡法对边坡稳定性进行分析。根据滑带土的力学指标,综合确定不同工况下滑坡的安全系数和稳定性系数,如表1所示。

表1 不同工况下滑坡的安全系数和稳定性系数

数据表明,在天然状态下,边坡处于欠稳定状态,具有失稳的可能。在暴雨天气下,边坡处于不稳定状态,极易失稳。为了保证滑坡的稳定,防止滑坡威胁生命财产安全,必须进行进一步的治理。

5 边坡防治措施

为保证公路的安全通行,采用“放坡+钢管桩+锚索地梁+挡墙+排水”进行治理,在既有工程的基础上,防止滑坡进一步失稳,增设“抗滑桩+排水”进行综合整治措施(图6)。

图6 工程治理Fig.6 Countermeasures of the engineering treatments

5.1 既有工程及评价

边坡放坡后,形成六级边坡,一级采用“抗滑挡墙+锚索地梁+排水”防护,二、三级放坡斜率1∶2,坡面均采用“锚索地梁+主动网喷射混凝土”防护,四、五、六级边坡放坡斜率1∶2.5,四级边坡采用“锚索地梁+挂钢筋网喷射混凝土”防护,五、六级边坡采用“钢管桩+挂钢筋网喷射混凝土”防护。

一级边坡K24+580、K24+590处挡墙错动约3 cm,其他挡墙墙体较完整,一定程度阻止坡体滑动,坡面布设仰斜排水孔,孔深较浅,长度较短,排水有限。部分坡面开裂,防渗效果削弱,四级边坡K24+548、K24+552锚索地梁错动3～4 cm,其余地梁无较大变形破坏。五、六级边坡桩顶系梁在滑坡侧界有错段迹象,桩长较短,既有锚索地梁和桩顶系梁对浅层滑坡治理效果显著,但对深层滑坡作用不大[18,19]。

5.2 抗滑桩加固

由于边坡前部挡墙K24+580、K24+590已发生明显的较大错动位移,挡墙阻滑力不足,设置抗滑桩加固支挡,治理范围为RK24+590～700段,共设置23根抗滑桩,其中 K24+590～610、K24+670～700段为2×3 m,K24+610～670段为3×4 m,桩中心间距为5 m。K24+590～610、K24+670～700段桩长25 m,K24+610～ 670段桩长30 m,桩顶采用系梁使抗滑桩连成整体,锚固深度不小于14 m。

5.3 排水

既有工程一级挡墙设置仰斜排水孔,孔深较浅,长度较短,且采用的排水管道材质不佳,虽起到一定泄水作用,但在暴雨天气排水效果不佳,加速边坡变形速率,影响边坡安全,因此,需要增设排水设施。在路基右侧布设三排仰斜式排水孔,孔深68～93 m,孔径110 m。

6 结论

以RK24滑坡为例,通过变形特征、形成原因及防治措施分析与总结,对转化型二次失稳边坡有以下认识。

(1)通过合理的划分横纵剖面,有限的监测数据能准确反映滑坡三维空间内的变形情况,拐点处为滑面,稳定区域局部异常点裂隙发育。对于RK24滑坡,在自然情况下,滑坡变形很小,基本稳定,在暴雨工况下,滑坡变形呈陡崖式上升,短短数天内,变形量高达近30 mm。根据滑坡监测数据分析显示,总体变形情况后缘大于前缘,右侧大于左侧,各监测点随深度变化变形差值拐点处为滑面深度,滑动深度为5～25 m,稳定深度区域内部出现局部异常时,内部存在小型裂隙。

(2)丰富松散物源、优势节理构造是形成转化型二次失稳边坡的基础条件,集中性降雨和地震是诱发此类边坡失稳的主要原因,施工和运移过程中的震动效应及干扰作用促使工程滑坡浅层向深层转化。对于RK24滑坡,未考虑深层滑坡和既有工程抗滑力不足是造成滑坡二次滑动的重要原因。强风化的奥陶系梓桐组下统的泥岩为滑坡提供了充足的松散物源,区域内发育的正断层和一组陡倾X型节理为滑坡提供了滑面和滑坡边界,集中性强降雨为滑坡启动和加速变形的主要诱发因素,人工活动为深层滑坡的形成奠定了重要的基础,包括施工过程中的震动效应。

(3)工程治理需综合考虑二次滑面深度、失稳原因和既有工程的破坏情况等,由于强降雨导致的转化型二次失稳边坡,需加强排水引流；由于震动效应所引起的此类失稳,需加强支挡加固。对于RK24滑坡,初次滑坡采用“放坡+钢管桩+锚索地梁+挡墙+排水”进行治理,由于排水设施较差,抗滑力不足,工程竣工后二次滑动,为了防止进一步变形,加设“抗滑桩加固+排水”。该滑坡由于考虑因素不全造成边坡的二次滑动,不仅增加经济负担,还威胁生命财产安全,在实际工程中尽量避免,该实例具有很好的参考价值。