某近水平红层滑坡稳定性分析评价

彭海红， 温广军， 石 川

(安徽省交通规划设计研究院有限公司;公路交通节能与环保技术及装备交通运输行业研发中心,安徽 合肥 230088)

0 引 言

红层主要为红褐色、棕黄色、黄褐色的砂岩、泥质粉砂岩、泥岩互层、不等厚互层状的碎屑沉积岩,我国四川盆地分布广泛[1]。红层软岩主要指泥岩、粉砂质泥岩层具抗压强度低、有透水性弱、遇水易软化、失水崩解等工程特性,且对边坡岩体稳定性起控制作用[2]。红层是著名的易滑地层,雨季经常诱发大量滑坡灾害,所以对红层滑坡进行稳定性分析评价对工程安全性评价具有重要意义。

1 工程概况

某高速互通C匝道CK0+060-180段边坡滑坡(表1),设计开挖路堑边坡高度12m,一级坡坡率1∶0.75,二级坡坡率1∶1,坡面绿化防护,坡顶为山前缓斜坡地,自然坡度10°左右,宽度20～35m,后部为60°左右陡坡。施工单位开挖到设计高以上2m,发现右边坡坡口线后30m出现一道拉裂缝,宽20～30cm,下挫高差1m左右,长度约70m,同时一级坡坡脚出现鼓胀剪切裂缝,坡脚剪出口位于全强风化层面处,同时坡面出现崩塌鼓胀破坏,开挖坡口线外发展贯通性弧形裂缝,形成工程滑坡,平面形状如图1所示。该段边坡开挖边坡长120m,高12m左右,岩性为白垩系红褐色全、强风化泥岩、粉砂岩,岩层产状近水平,一般5～8°,风化破碎严重,泥岩风化岩性软弱,呈土状,且遇水易崩解、软化[3]。

表1 滑坡概况参数一览表

图1 滑坡形状平面图

2 滑坡成因分析

2.1 滑坡成因条件分析

该边坡变形破坏主要有以下三方面的原因:

(1)地层岩性:本项目沿线主要分布红层软岩,岩性为侏罗系泥岩、砂岩,不等厚互层状,软硬相间,近水平层理,具有透水性弱,亲水性强,浸水后岩体强度软化,失水后易崩解,岩块饱和抗压强度较低,岩体层面之间抗剪强度低等特点;自地表往下一般分布1～2m的第四纪残坡积粉质黏土或粉土,往下基岩为全-中风化紫红色泥岩、砂岩互层,全风化层厚度4～6m左右,强风化层较厚(图2)。据调查,岩层产状290°∠5-8°,近水平,砂岩层中发育两组节理,J1:250°∠85°,间距80cm,张开,切层发育,延展性好;J2:355°∠82°,间距120-150cm,张开,泥质充填,切层发育,延展性好;两组陡倾角节理发育,砂岩段可见,泥岩段一般看不到,野外分析主要原因是泥岩软弱,张性节理裂隙被风化泥岩充填所致。根据持平投影分析,岩层产状顺倾,但倾角较缓,两组陡倾节理切割,为滑坡后缘张裂隙形成提供条件。

图2 滑坡地质横断面图

(2)人工开挖:该段边坡自然坡面平缓,自然边坡整体稳定,但路堑边坡开挖切穿岩土界面,坡脚失去支撑,在卸荷变形作用下坡体内节理裂隙进一步张开拉大,特别是泥岩隐形裂隙进一步张开,为降雨下渗提供了良好通道;

(3)降雨下渗:泥岩砂岩互层边坡在稳定状态下尽管砂岩节理裂隙张开,但泥岩层透水性差,一般雨水下渗影响深度较浅,而坡脚开挖卸荷后,降水下渗深度加大至全强风化层面,风化层面、岩层面、地下水面三面一致,形成最危险的滑动面,以及后缘裂隙水柱压力作用下形成滑坡[4-6]。

2.2 破坏模式分析

根据近水平红层公路建设中路堑边坡开挖病害的调查分析归纳出近水平红层边坡开挖引起的主要变形破坏形式是堆积层滑坡、顺层座滑型滑坡、边坡拉裂变形、边坡岩体倾倒破坏。近水平红层边坡变形破坏的过程一般经历开挖卸荷变形、陡倾节理发展扩大、暴雨下渗静水压力增加、变形破坏、趋于稳定几个阶段。该互通C匝道滑坡地层岩性为红层盆地北部近水平的侏罗系上统蓬莱镇组巨厚层泥岩砂岩不等厚互层,发育2组张性节理,根据以上滑坡形成条件及变形发展过程分析,该工程滑坡是以泥岩基层软弱面为底滑面,以陡倾节理为后边界的推移式顺层滑动,作用动力为滑坡体自重和裂隙水水压力。该互通C匝道滑坡可以定性为软岩顺层座滑型滑坡,后缘出现陡倾拉裂缝,滑面为泥岩与粉砂岩的软硬岩土界面,滑坡后缘下座明显,常形成较宽的拉裂缝。估计该滑坡体长20m,宽100m,高25m,体积约25 000～30 000m3。其地质结构模型图及变形破坏模式图如图3所示。

图3 滑坡机制示意图

3 滑坡稳定性计算分析及处治建议

3.1 稳定性计算分析

根据滑坡地质模型及形成机制分析,本滑坡为岩质平面型滑坡,且地下水助滑作用大,计算须考虑地下水作用。而川北红层盆地砂岩泥岩互层为弱含水层,特别泥岩是阻水隔水层,整体含水性贫乏,砂岩段裂隙发育,为网状裂隙含水体,并非均一的孔隙含水体。根据岩体结构调查分析,该滑坡体张裂隙发育,暴雨时雨水入渗,坡体排水不畅,裂隙水位会短时间快速上升,在后缘裂隙水压力下及泥岩层面地下水浮托力和滑体重力作用下,推动滑体变形。稳定性分析计算采用极限平衡分析法,计算简化图如图4所示，稳定系数K计算参照《滑坡防治工程勘查规范》(DZ/T0218-2006)岩质滑坡稳定性计算方法,具体计算公式如下[7]:

图4 滑坡计算简化图

其中,后缘裂缝静水压力:

沿滑面扬压力:

滑带土抗剪强度计算参数的确定主要结合土工试验、工程地质类比及反算确定。选取稳定区块及滑体代表性剖面,滑坡体滑面总体呈平面型,滑面短,倾角缓缓,根据滑坡稳定性参数敏感度分析,φ角取值影响大[8]。通过对滑坡调查及成因机制分析,滑坡体现处于蠕动挤压变形阶段,判断目前天然状态下滑坡体实际的稳定系数Fs应在1.0～1.05,反算安全系数取1.02,考虑全风化泥岩软化后强度φ角较低,结合地区经验及其他试验参数,反算先确定φ,反算c值,同时对φ角取7°和6°试算,c值在3.5～8kPa,综合考虑。

剩余下滑力计算,裂缝水位高按10m考虑(低于自然坡面2m),安全系数取1.25,计算剩余下滑力为456.5kN;若考虑地下水位与自然地面齐平(裂缝水位高按12m),计算剩余下滑力为711kN;考虑减载2m厚,裂缝水位高按8m考虑(低于减载后坡面2m),安全系数取1.25,计算剩余下滑力为240kN。滑坡稳定性计算及剩余推力结果见表2。

表2 计算断面CK0+120

3.2 滑坡处治建议

考虑地下水作用对本类小型滑坡体稳定性影响极大,若不考虑地下水作用,则滑坡体处于稳定状态,不会产生滑移失稳灾害。可见地下水水头压力作用很大[9],后缘适当刷坡减灾,一方面减小滑坡体重量,另一方面降低后缘地下水头高度,对滑坡稳定十分有利。此类滑坡治理的关键是做好截排水工作,以降低地下水位,可减小抗滑支挡力及工程措施,降低滑坡治理费用。

根据滑坡剩余推力计算,为456kN/m,若刷坡减灾2～3m,同时做好截排水工作,使滑坡体内地下水位低于减载后坡面2m,计算剩余推力只有240kN/m,可降低挡墙高度及截面尺寸,大大降低滑坡治理工程费用,且施工快捷安全,经综合方案比选,本滑坡采用挡墙支挡+刷坡减载方案,同时在滑动面处设一排深层仰斜排水孔,坡面封水绿化,并做好坡面截排水措施[10]。

4 结 论

(1)近水平红层边坡在自然条件下处于稳定状态,若不考虑地下水作用,则滑坡体处于稳定状态,不会产生滑移失稳灾害,但在考虑后缘裂隙水压力及底部地下水扬压作用,在特定环境地质条件下,可产生推移式顺层滑坡。

(2)该滑坡为工程开挖诱发的风化层顺层滑坡,具该区红层滑坡的典型特征,由于坡脚开挖失去支撑、张裂隙拉开、暴雨下渗排水不畅导致裂隙水压力作用下快速滑动。

(3)砂岩泥岩互层红层滑坡一般都沿泥岩软弱面、短时期地下水位面、风化层面叠合部位滑动,降水下渗软化层面,形成顺层滑坡。

(4)地下水对本类小型滑坡体稳定性影响极大,特别是后缘裂隙水压力与水头高度平方成正比,后缘适当刷坡减灾,一方面减小滑坡体重量,另一方面降低后缘地下水头高度,对滑坡稳定十分有利。此类滑坡治理的关键是做好截排水工作,以降低地下水位,可减小抗滑支挡力及工程措施,降低滑坡治理费用。