黔张常铁路白垩系红层滑坡成因分析及防治建议

杨德宏

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043； 2.陕西省铁道及地下交通工程重点实验室(中铁一院)，西安 710043)

1 概述

我国广泛分布有红层陆相碎屑岩，包括三叠系、侏罗系、白垩系、古近系等主色调为红色的泥岩、砂岩、页岩等[1-10]。红层在湖南地区分布较广，以白垩系的紫红色、砖红色的泥岩、泥质粉砂岩、砂质泥岩、砂岩、砾岩、页岩等为主[11-13]。红层岩体在天然状态下较完整，岩质较坚硬，岩石强度较高，力学特性较好；在外因作用下，如农业灌溉、降雨入渗等因素的作用下，红层岩体将在短时间内软化、崩解，使边坡安全系数大幅度降低，在重力等因素下造成边坡失稳[14-21]。2017年6月13日，位于湖南省西北部的黔张常铁路某路堑工程北侧，发生了白垩系缓倾红(顺)层滑坡(图1)；根据测量和钻孔资料显示，滑坡体纵向长度一般为265～418 m，横向宽度一般为120～160 m，滑坡体厚度介于10～33 m，滑坡体平面面积约4.8万m2，滑坡体体积约95万m3，其规模为大型。

图1 滑坡平面形态及工作量布置

黔张常铁路长大段落位于白垩系红层地区，且路堑工程较多，形成了大量人工开挖的红层边坡，而红层岩体具有吸水膨胀、浸水崩解等特殊的工程地质特性[11]，使铁路沿线存在许多潜在的红层滑坡，严重影响着铁路的安全运营。因此，分析黔张常铁路沿线白垩系缓倾红(顺)层滑坡的发育特征和形成机理，提供同类型滑坡的防治措施建议，对该铁路沿线的滑坡等重力地质灾害的防灾减灾工作尤为重要。

2 滑坡地质背景

2.1 地形地貌

滑坡位于低山丘陵区，上部边坡坡度为20°～35°，下部边坡坡度为4°～17°；坡面前部为梯田；缓坡左右两侧各发育1条沿岩层倾向延伸的冲沟。

2.2 地层岩性

根据现场调查和钻探资料显示，滑坡体上部主要为第四系坡洪积黏性土(Q4dl1+pl1)，下部主要为白垩系上统上组砂岩夹泥岩夹砾岩(K21Ss+Ms+Cg)。

黏性土主要分布于地表，厚约1.5 m；砂岩夹泥岩夹砾岩地层为厚层状、褐红色或青灰色、钙质砂岩与中厚层状、棕红色、泥质粉砂岩互层分布，偶见薄层状泥岩与砾岩。泥质粉砂岩的单轴干燥抗压强度约74.9 MPa，单轴干燥抗压强度约30.8 MPa；泥岩的单轴干燥抗压强度约22.1 MPa，单轴干燥抗压强度约7.6 MPa；泥质粉砂岩和泥岩岩质软弱，遇水易软化，为滑带的主要物质组成。

2.3 地质构造

滑坡位于单斜构造—田坪界背斜南东翼。根据现场调查，岩体中的“X”形节理较发育，以N9°～21°W/72°～88°S和N69°～89°E/77°～90°S两组垂直节理为主，多为张性节理，使岩体较破碎，使地表水可以快速渗入滑坡体内，便于地下水流通。

2.4 水文地质

滑坡附近地下水以基岩裂隙水为主，主要富存于砂岩的节理裂隙中，对钢筋混凝土不具侵蚀性，以大气降水补给为主。根据调查资料显示，滑坡东南侧出露2个泉眼(图1)，其流量分别为18 m3/d和5 m3/d，为常年流水泉。因此，判定坡体内地下水丰富。

2.5 气象特征

2017年5月以来，滑坡区降雨量打破历史记录，根据滑坡西侧约700 m的雨量自动监测仪的资料显示，从当年5月上旬至滑坡发生的44 d中，降雨天数高达25 d，且5月22日和6月10日为暴雨天。

3 滑坡发育特征

滑坡范围介于N28°56′29″～N28°56′43″、E111°09′48″～E111°09′58″，滑坡后缘最高点海拔约204 m，前缘由于人工开挖路堑工程，形成高约35 m的临空坡面，坡脚最低点海拔约109 m，相对高差约95 m，为滑坡的形成创造了有利条件。

3.1 滑坡平面形态特征

滑坡边界均为基岩地层的下错陡坎，平面形状总体呈踮起的脚板状；根据现场调查和测绘资料，结合滑体的变形破坏特征，将滑坡划分为4个主要区域：以裂缝F1为界，南侧为初始滑坡体(Ⅰ)，北侧为诱发滑坡体(Ⅱ)；Ⅲ和Ⅳ为滑坡形成后出现的次级崩滑体(图1)。

(1)初始滑坡体(Ⅰ)：该区位于滑坡前部，边坡较平缓段落，坡面分布有大量梯田；在其后缘有一条宽度介于0.2～0.5 m、深度介于0.2～5.0 m的错台拉裂带(裂缝F1)，错台高差介于0.3～0.5 m，为Ⅰ区和Ⅱ区的分界线；该区岩性主要为棕红色砂岩夹泥岩夹砾岩，地形平面形态与原地貌基本一致，其前部岩体的完整性较差，原始地层结构已基本被破坏；滑体上裂缝主要为2条横张裂缝(裂缝F1、F2)及3条纵张裂缝(裂缝F3、F4及F12)。

(2)诱发滑坡体(Ⅱ)：该区位于裂缝F1北侧，为一孤峰，坡度20°～35°；区内地层岩性主要为棕红色砂岩夹泥岩夹砾岩，在向前滑动过程中，由于岩体中原生“X”形节理发育等因素的影响，导致滑坡体内地层松散开裂，形成宽度约35 m的塌陷区，造成该区岩体较破碎，地表裂缝发育。滑坡体上裂缝主要为6条横张裂缝(裂缝F5～F10)及2条纵张裂缝。

(3)次级崩滑体(Ⅲ、Ⅳ)：二者主要为Ⅰ区和Ⅱ区滑动过程中，由于滑坡体较破碎，部分滑坡体沿竖向发育的节理裂隙向边坡外侧坍塌形成的崩滑体；Ⅲ号次级崩滑体位于Ⅱ号滑坡体西南侧，该崩滑体坍塌方向主要为南-西方向，其表面发育有1条横张裂缝(裂缝F11)；Ⅳ号次级崩滑体位于Ⅰ号滑体西南侧，该崩滑体坍塌方向主要为南-西方向，节理裂隙发育。

3.2 滑坡空间结构特征

滑坡区出露的地层主要为白垩系上统上组棕红色砂岩夹泥岩夹砾岩，岩层产状一般为N44°～59°E/9°～16°S，与铁路走向夹角为39°～60°，为典型的缓倾、顺层滑坡。受构造和风化作用等因素影响，节理裂隙发育，岩体较破碎，软弱夹层广泛分布(图2)。

图2 滑坡A-A′工程地质剖面

岩体中的泥质粉砂岩和泥岩，在地下水的浸润作用下，极易软化，形成软弱夹层，最终成为滑带的主要物质；根据试验结果，滑动面残余黏聚力c=10 kPa、内摩擦角φ=6°～8°。图3(a)为滑坡形成后在棕红色泥岩中形成的光滑滑面；图3(b)为较完整的砂岩之间夹的岩质较软、棕红色泥岩，其中发育有滑带。

图3 滑坡钻孔岩芯照片

4 数值模拟

为了查明人工开挖、降水等因素在引起滑坡时的影响程度，利用GeoStudio 2018对该滑坡进行模拟，主要应用边坡稳定性分析(Slope/W)和渗流问题分析(Seep/W)功能。模拟选用路堑边坡最高的A-A′剖面简化后进行概化，建立数值模拟计算的模型。

模型边界按照有限元模拟进行设置，左、右边界均采用X方向约束，底部采用双向固定约束；整个模型材料为砂岩夹泥岩；抗滑桩桩长采用20 m，桩宽采用3 m；其物理力学参数见表1。

表1 模型计算参数

采用Morgensrern-Price极限平衡法，分别模拟原始边坡天然状态、开挖路堑后的状态、强降雨后的饱和状态以及增加抗滑桩4中工况，分别模拟不同工况下的边坡稳定性。

图4 A-A′剖面原始边坡天然状态边坡稳定性

工况1原始边坡天然状态的安全系数为1.717(图4)，工况2开挖路堑后的安全系数为0.999(图5)，工况3开挖路堑后在强降雨作用下的安全系数为0.880(图6)，工况4增加抗滑桩后的安全系数为3.153(图7)。因此，在路堑开挖后整个边坡的安全系数为临界状态，人工开挖对边坡的稳定性状态改变较大；当开挖后的边坡遭遇强降雨时，边坡安全系数下降为0.880，边坡将失稳形成滑坡；由此可知，人工开挖边坡极大地降低了边坡的稳定性，在强降雨的触发作用下边坡失稳。当在人工开挖的边坡上增加抗滑桩后，安全系数显著提高，说明抗滑桩能防止滑坡的形成。

图5 A-A′剖面开挖路堑后边坡稳定性

图6 A-A′剖面强降雨后边坡稳定性

图7 A-A′剖面增加抗滑桩后边坡稳定性

数值模拟结果表明，边坡开挖后在长期的施工振动等因素影响下，边坡稳定性已经处于滑动的临界状态。因此，对于红层地区夹有泥岩等软岩的顺层边坡，人工开挖后，应当及时采取支护措施，以防止该类型边坡的滑移失稳破坏。

通过极限平衡法进行的数值模拟，计算了红层地区顺层边坡在不同因素影响下的边坡稳定性，获得了影响边坡稳定性的关键因素，为有针对性地制定防治方案提供了重要依据。因此，数值模拟方法是分析该类型边坡变形机理和稳定性的有效方法。

5 滑坡形成机理讨论

滑坡的形成原因，一直是重力地质灾害研究的重要内容，一般认为滑坡形成的原因主要包括人类工程活动、地质构造、降雨、河流侵蚀、重力地质作用、地震震动等[22]。综合分析现场调查、地质钻探等资料后认为，该滑坡的形成主要受人类工程活动、地层岩性、地质构造、降水强度、水文地质特征等影响。

5.1 滑坡形成与人类工程活动的关系

滑坡区原始地貌为连续缓坡，坡脚无临空面，原始边坡处于稳定状态。当铁路以路堑工程穿过原始边坡前部时，由于人工开挖，在原始边坡前部形成高约35 m的临空坡面，在重力的作用下，原始边坡的抗滑力减小，原始边坡上开始出现裂缝；路堑工程上由于超重卡车、大吨位压路机等大重型机械频繁通过，产生的振动将加速原始边坡上裂缝的扩大、延伸，极易造成原始边坡的失稳破坏。

5.2 滑坡形成与地层岩性的关系

原始边坡岩性主要为褐(棕)红色砂岩夹泥岩夹砾岩，岩层产状一般为N44°～59°E/9°～16°S，与铁路走向夹角为39°～60°，为典型的缓倾角、顺层滑坡，非常有利于滑坡的形成；地层中的棕红色泥质粉砂岩和泥岩岩质软弱，遇水极易软化，为滑带的主要物质组成。

5.3 滑坡形成与地质构造的关系

原始边坡位于田坪界背斜南东翼，坡体内的垂直节理裂隙非常发育，且以张性裂隙为主(图8)；大气降水、农业灌溉水等地表水可沿大量的张性裂隙渗入坡体内部，软化棕红色泥质粉砂岩和泥岩等软质岩形成软弱结构面，加速滑坡的形成；另外，渗入原始边坡内的大量地表水又起到“润滑剂”的作用，为滑坡的形成提供了有利条件。

图8 滑体上的张裂隙

5.4 滑坡形成与降水强度的关系

滑坡区所在的湖南地区，常年降雨充沛。2017年5月以来，该地区降雨量更是打破历史记录，从5月上旬至滑坡发生的44 d中，降雨天数高达25 d，5月22日和6月10日均降下暴雨。通过分析2017年5月～6月当地的日降水量与滑坡的日变形量关系(图9)可知，降雨对于滑坡的形成有直接关系；以图1 J-1位移监测点为研究对象，在5月23日，路堑工程施工人员发现路基面上出现锯齿状裂纹之前，滑坡区存在5 d的连续降雨，且5月23日为暴雨天；在5月31日至6月1日的连续降雨中，6月1日为中雨天，6月2日滑体的单日沉降量达到了极值10 mm；6月10日为暴雨天，6月11日滑体的单日沉降量达到了极值50 mm。因此，降雨对滑坡的形成起到了“催化剂”的作用。

图9 2017年5月-6月日降水量与滑坡日变形量关系

5.5 滑坡形成与水文地质特征的关系

根据调查资料显示，滑坡东南侧出露2个泉眼，且为常年流水泉(图10)，泉水沿棕红色泥岩等隔水层上部渗出。由此可知，坡体内基岩裂隙水较发育，泥岩等软弱岩层分布较广，形成一连续隔水面，使地下水在坡脚渗出，均有利于滑坡的形成。

图10 滑坡东南侧出露泉点

6 滑坡形成过程演化分析

为了归纳总结红层滑坡的形成模式，明确滑坡形成各阶段的控制、影响因素，直观展示滑坡形成过程的演化，将该滑坡的形成过程分为4个阶段(图11)，具体如下。

(1)原始边坡应力重分布阶段

原始边坡由于人工开挖形成高陡临空面，在重力作用下，原始边坡的抗滑力减小，坡脚出现集中剪切应力，滑坡体坡面开始出现裂缝，原始边坡稳定性变差。

(2)原始边坡裂缝和软弱结构面发育阶段

原始边坡在重力作用和工程机械荷载的作用下，坡面裂缝的数量逐渐增多，裂缝的宽度和长度不断增大，加之地下水对泥质粉砂岩和泥岩的软化作用，原始边坡体内开始形成不连续的软弱结构面，其稳定性进一步降低。

(3)降雨导致原始边坡稳定性加速降低阶段

进入雨季后，滑坡区的降雨逐渐增多，更出现多次暴雨天，单次集中降雨后，岩体中棕红色泥质粉砂岩和泥岩在入渗雨水的作用下进一步软化，加之雨水的“润滑剂”作用，边坡表面裂缝的数量和规模持续扩大，坡体的日沉降量就会明显增大，在重力作用的持续影响下，原始边坡体内的不连续的软弱结构面不断扩大，小型多个软弱结构面不断发育成单个大型软弱结构面，原始边坡已接近破坏状态。

(4)滑坡的形成和稳定阶段

在人类工程活动、降水等外因和地层岩性、地质构造等内因的共同作用下，原始边坡内的岩体物理力学性质不断降低，当原始边坡体的下滑力大于抗滑力时，其内部的不连续软弱结构面发育成一个完整的滑面，滑坡形成；当滑坡前缘滑动至路堑工程南侧的人工边坡时，由于滑体受到阻挡、挤压而上抬，滑体前缘形成反坡，从而使滑体的滑速降低，直至最终稳定；滑坡体前缘岩体在滑动过程中的扰动作用和路堑工程南侧人工边坡的挤压作用下，变得破碎。

图11 滑坡形成过程演化示意

7 类似滑坡防治措施建议

(1)基于INSAR、GPS监控等高精度遥感技术，对铁路工程沿线的边坡稳定性进行监测。

(2)根据勘察资料，在红层地区，筛选出存在顺层人工边坡的路堑工程，现场逐一排查边坡的稳定性；单个顺层人工边坡适当设置位移监测点，实时监测边坡有无变形迹象，防范风险于未然。

(3)滑坡所在的湖南地区，属于降雨充沛地区，雨季期间，特别是集中降雨过后，应加强边坡稳定性排查工作。

(4)对监测、排查过程中发现存在变形迹象的边坡进行重点监测，合理设置位移沉降监测点，利用信息化工具实时采集边坡变形数据。

(5)对有变形迹象的边坡，建议对其上部及后缘进行削方减载，并在前缘路基坡面上设置必要的抗滑、挡护工程，同时进行变形监测。

(6)对排查过程中发现的张拉裂缝，应及时采取填入黏性土或注入混凝土等措施，防止农业灌溉水、大气降水等地表水的入渗，导致边坡体内的棕红色泥岩或泥质岩体遇水软化而降低边坡稳定性。

(7)对铁路工程沿线一定范围内存在耕地的边坡，进行退耕还林，并因地制宜的设置防排水措施。

8 结论

(1)黔张常铁路位于湖北省西北部的红层地区，分布有大量缓倾顺层边坡，岩性以白垩系棕红色砂岩夹泥岩夹砾岩为主；人工开挖该类型边坡降低了其稳定性，在长期的人类活动、降水等外因和地层岩性、地质构造等内因的共同作用下，原始边坡内岩体的物理力学性质不断降低，坡体的抗滑力逐渐减小，在强降雨等因素的诱发作用下，边坡将滑移失稳破坏，形成滑坡。

(2)数值模拟结果表明，红层地区顺层边坡开挖后，边坡稳定性已处于滑动临界状态，降雨诱发了滑坡的形成，抗滑桩能防止滑坡的形成。因此，人工开挖该类型边坡后，应当及时采取支护措施，以防止其滑移失稳破坏。

(3)红层地区顺层滑坡的形成分为4个阶段：原始边坡应力重分布阶段；原始边坡裂缝和软弱结构面发育阶段；降雨导致原始边坡稳定性加速降低阶段；滑坡的形成和稳定阶段。针对滑坡形成的不同阶段，应采取对应的防治措施。