某高速公路堑坡滑坡变形机制与稳定性分析

肖学沛,蒋锐

(四川省公路规划勘察设计研究院有限公司,成都 610041)

滑坡是山区自然灾害中最常见和最危险的类型之一。全世界每年因山体滑坡事故导致数千人丧生并造成巨大的经济损失[1-3]。据2016年联合国难民事务高级专员(UNHCR)的报告，2009年有近3 600万人受自然灾害相关的灾难而流离失所，预计到2050年，这一数字将增加到至少5 000万[4]。滑坡的类型、大小、失效概率和变形破坏机制多种多样，受地形地貌、地层性质、水文路径以及外部因素(例如大暴雨，地震和人工活动)的影响较多[5-9]。其中，层间岩石含软弱夹层的斜坡在世界范围内分布广泛，已成为众多滑坡灾害的源头[10]。很多学者对此展开了研究[11-14],Nie研究了某露天矿南坡含软弱夹层滑坡的变形特征及机理，认为节理裂隙的发育促进了滑坡的内部机制，且开挖触荷载成为该滑坡的触发因素[15]。马婧佳等对露天煤矿地质资料调查分析，基于边坡稳定性计算结果确定了边坡最优形态，并将含软弱夹层边坡潜在滑坡模式归结为由地表裂纹剪断至第四系底板[16]。陈观明基于FLAC3D模拟分析了顺层岩质边坡应力场、位移场及剪切区分布情况，其结果表明边坡顺层带的泥质软弱夹层存在剪应力集中区[17]。陈芳平等结合安全系数K值反算边坡的软弱层面参数，表明同一安全系数K值反算出的结构面黏聚力c值与内摩擦角φ的正切值tanφ线性相关[18]。田宇等结合现场工程实际，基于刚体极限平衡理论与数值模拟手段，研究了含多弱层-断层构造复合顺倾边坡的变形破坏特征、滑坡模式及不同弱层对边坡稳定性的影响程度[19]。

尽管不少学者采用刚体极限平衡法对边坡进行模拟和设计，但大多数无法考虑到软弱夹层发育形态上的差异，使得模拟结果与实际有较大出入，对工程生产推进及边坡治理产生较大影响。因此，采用科学可行的方法对路堑边坡进行定性和定量分析仍是边坡工程领域亟待解决的难题之一。

本文以遂广高速公路K0+270 m～K0+400 m段路堑滑坡为例，采用勘测与监测手段，在获取场地工程地质条件、滑坡概况与特征的基础上，为厘清该滑坡的变形特征及形成机制对其展开分析研究，并进行天然及暴雨两种工况下的推力计算及稳定性分析，为今后类似边坡工程的滑坡治理提供参考。

1 工程背景

1.1 工程简介

研究区位于遂宁市金桥乡3村7社境内，场地附近200 m有乡村机耕道相通，交通便利。该区域内遂广高速公路K0+270 m～ K0+400 m段为深挖路堑，道路中心线上挖方最大高度36.35 m，左右两侧挖方最大厚度分别为36.80 m和 37.20 m。2013年4月份开挖边坡以来8个月内，堑坡局部开始变形、垮塌；次年1月初后，滑坡后缘便发生开裂并形成错台，有明显的滑塌迹象。

1.2 工程地质条件

1.2.1 地形地貌

研究区地属构造侵蚀、剥蚀丘陵地貌，区内丘包呈浑圆状，图幅内最高点和较低点标高分别约345.40 m和287.40 m，相对高差58.00 m。场地内植被不发育，斜坡坡度较小，坡度约20°，丘包上部为漂、卵石层，多被开垦为旱地，丘底公路内侧见基岩裸露。

1.2.2 地层岩性

场地内经地调及钻探揭露，地层为新生界第四系全新统坡洪积层(Q4dl+pl)、坡残积层(Q4dl+el)、滑坡堆积层(Q4del)及第四系中更新统阶地冲积层(Q2al)、中生界侏罗系上统遂宁组(J3s)。

1.2.3 地质构造

研究区属于新华夏系四川沉降带的川中褶皱带，东南紧临川东褶皱带。区内构造形迹以近东西向为主体，且区内未见断层，褶皱宽阔平缓，多表现为彼此排列有序的鼻状背斜或箕状向斜。场地位于横山场背斜北翼东段末段，岩层倾向北，倾角约1°～3°，近水平状。岩体中发育两组节理，第一组节理产状：250°∠75°～82°，节理间距约1.0～1.5 m，长约0.5 m，深约0.5 m；第二组节理产状：325°～345°∠70°～75°，间距约0.3～0.5 m，长大于2 m，深约0.5 m。同时堑坡前缘发育两条贯穿性较长的软弱结构带，一位于路线K0+250右侧35 m附近，呈斜线展布，长约63 m，产状为：340°～350°∠17°～25°(图1(a))；另一软弱结构带位于路线K0+480右侧34 m附近，呈斜线展布，长约22 m，产状为：35°～45°∠27°～35°(图1(b))。

2 滑坡特征与成因分析

2.1 滑坡特征

2.1.1 滑坡的基本特征

遂广高速公路K0+270 m～K0+400 m(CK0+447 m～CK0+673 m)段为深挖路堑，道路中心线上挖方最大高度36.35 m，左侧挖方最大厚度36.80 m，右侧挖方最大厚度37.20 m。挖方段上部为漂、卵石层，下部为粉砂质泥岩。根据堑坡地表变形规模、特征及滑体结构的不同，共分2级。其中Ⅰ级滑坡位于路线K0+245 m～K0+473 m右侧30～140 m间，Ⅰ级滑坡主滑断面长约109 m，前缘宽约228 m，后缘宽约100 m，最厚约达29 m，平均厚约18 m，面积约16 650 m2，体积约299 700 m3，如图2所示。

主滑方向约为6°，后缘标高约为345 m，前缘剪出口标高约310～315 m，相对高差约30～35 m，前缘路堑堑坡坡度53°。滑坡前缘变形、滑塌，堑坡变形岩体往临空面发生位移、剪出后垮塌。

图1 堑坡前缘软弱结构带

图2 Ⅰ级滑坡定位及全貌图

Ⅱ级滑坡位于路线K0+391～K0+429右侧50 m附近，长约17～18 m，前缘宽约35～39 m，后缘宽约18～20 m，厚约2.0～4.0 m，面积约495 m2，体积约1 485 m3，平面上呈一半圆形，厚度薄，规模小。Ⅱ级主滑方向均为6°，后缘标高为342.89 m，前缘剪出口标高约328.23 m，相对高差为14 m，前缘横向坡度为42°，后缘地势平坦。如图3所示。

滑坡右侧拉裂缝总体特征系前缘张开大，往后逐渐变小、消失，拉裂缝张开宽达1 m，裂缝总体走向约为50°。滑坡左侧拉裂缝总体特征系前缘张开大，往后逐渐变小，拉裂缝宽40～50 cm，拉裂缝总体走向约150°，裂缝至后缘附近发育呈多条，平面上呈辫状。

滑坡后缘发育4条拉裂缝，几乎将整个滑坡后缘全部贯穿，裂缝平面上呈扇形，两侧呈下错状，裂缝近平行，总体走向约95°，尖灭于左侧拉裂缝，止于滑坡后缘中部，未与右侧拉裂缝相连，如图4所示。

1.公路；2.拉裂缝； 3.潜在拉裂缝；4.钻孔点位；5.房屋；6.GPS点位；7.开挖面；8.滑动方向；9.剖面线图3 滑坡地质剖面图

图4 滑坡体拉裂缝

2.1.2 滑体结构、滑带以及滑床的特征

I级滑坡的滑体结构由上至下可分为两层，表层为粗粒土，以卵石为主，厚约6.5～7.5 m；下部为基岩局部解体后形成块石土，平均厚约18 m。滑坡堆积体的主要组成部分为块石，为滑坡体沿北向临空面变形、滑动的主要物质来源。Ⅰ级滑坡的滑体结构厚度大，为基岩深层滑坡，该滑坡主要沿岩体内部软弱夹层滑动。

Ⅱ级浅表层滑塌的滑体结构主要由表层卵石强风化变形岩体(块石)组成，厚约3.0～5.0 m。Ⅰ、Ⅱ级组成了该滑坡右侧滑体结构，其上部的粗粒土结构不均，密实度高；下部的粉砂岩块石因岩体拉裂变形后形成，与滑坡后缘陡壁及滑床的基岩岩石物理力学性质相近。

滑带主要由软弱带及光滑结构面组成。由钻探揭露表明，滑坡前缘揭露位置最深达29.30 m，切滑带倾角较缓，以软塑状粘土为主，少量光滑镜面。而滑坡中部钻孔揭露滑带位置居中，一般深度为20～25 m，其滑带以光滑镜面为主，面带擦痕；滑坡后缘本次勘察布孔较少，钻孔CK0546R105揭露一陡角光滑面，倾角约75°～80°，面内有新鲜擦痕。

该滑坡滑床岩性以侏罗系上统遂宁组(J3s)中风化粉砂质泥岩为主，属薄层状-中厚层状构造，主要发育两组节理岩石具有脱水风化开裂特征。矿物成份以粘土矿物为主，钙泥质胶结，粉泥质结构，结构不均，延伸性差，透水性差，成阻水构造。同时侏罗系上统遂宁组(J3s)粉砂质泥岩较纯，夹薄层砂岩透镜体少，滑床为粉砂质泥岩易积水。

2.2 滑坡成因分析

滑坡区内出露地层表层以第四系中更新统阶地冲积层(Q2al)粗粒土为主，岩性以漂、卵石为主，这有利于地表水的排泄；其下伏的侏罗系上统遂宁组(J3s)中层理发育，存在贯穿性较好的软弱夹层。由此形成的滑移面是该滑坡形成的基础，在重力及其它因素下易产生蠕滑变形。

岩体中主要发育两组规则节理，两组节理近直交，倾角较陡；同时右侧堑坡前缘发育两条贯穿性较长的软弱带，受风化作用，地下水易通过节理、层面渗入滑带，为滑坡的变形破坏提供了有利的条件。由于岩体陡倾裂隙发育，在雨季时候，雨水沿节理进入岩体，遇相对隔水的粉砂质泥岩，在其面上将产生富水带；此外，松散土层中的孔隙水易在此带向下迳流、补给、运移，由于滑面为相对不隔水的粉砂质泥岩，地下水运移至此后，改变方向沿层面、裂隙及软弱带向下运移、迳流，粉砂质泥岩遇水易软化，抗剪强度大大降低。另一方面土体饱水后，滑体增重，孔隙水压力增大，下滑力增大，向下移动的可能性增大。

堑坡开挖后，路线左右两侧堑坡均以路基开挖路堑段为临空面，两侧岩土界面及岩层层面均暴露于临空面。滑坡体内滑带为不规则折线型，局部呈台阶状；滑坡体在前缘两组贯穿性较好的外倾裂隙(软弱夹层)及岩层层面、两组短小规则裂隙切割下呈一“楔形体”状，滑体在后缘静水压力作用下易往临空面发生滑移。在后期强降雨及人工爆破开挖路基影响下，堑坡前缘易往临空面发生滑塌，继而牵引堑坡中后部土层滑面下滑。

3 滑坡稳定性定量计算

3.1 计算工况选取

通过上述分析，堑坡前缘两贯穿性较长的软弱夹层暴露于临空面，岩体陡倾裂隙发育，在雨季，雨水沿节理进入岩体，极大降低了滑带的抗剪强度，且因场地地震烈度小于Ⅵ度，故稳定性计算分析按天然状态及暴雨工况两种情况计算。

3.2 计算参数选取

由于仅钻孔中取到软弱夹层及滑带土，且滑带土样结构不均，土样太少。因此，需要通过反算来获取强度参数，从而计算滑坡稳定性及推力。因滑坡体的变形特征各处不同，滑坡两侧变形较大，滑带已完全贯穿，其反算稳定性相对较低；而滑坡体中部变形相对较小，其反算稳定性略高，故各横剖面采用不同的反算参数。

主滑剖面横剖面4-4′(如图5所示)，位于滑坡体中部，分析后取天然状态下稳定性系数为1.05，饱和状态下取0.99进行反算分析。横剖面3-3′(位于滑坡体左侧)及横剖面5-5′(位于滑坡体右侧)，分析后取天然状态下稳定性系数为1.05，饱和状态下取0.98进行反算分析，具体参数见表1。因滑坡坡体结构系基岩局部变形后产物，其天然重度及饱和重度参照岩体天然密度试验值；饱和状态下其密度参照岩体饱和密度。

3.3 滑坡稳定性计算分析

3.3.1 天然工况

取碎石土自然条件下重度为24 kN/m3、滑带土参数选用反算计算参数，后将斜坡条分后采用传递系数法计算。计算公式如式(1)所示，计算结果见表2。

图5 4-4' 剖面图

表1 滑坡稳定性计算参数取值表

表2 天然工况下斜坡推力计算结果

Pi=Pi-1φi-1+γtTi-Ri

(1)

式中,Pi、Pi-1分别为第i块、第i-1块滑体的剩余下滑力，φi-1=cos(θi-θi+1)-sin(θi-θi+1)tanθi+1；γt为滑坡推力安全系数；Ri为作用于第i块段的抗滑力。

3.3.2 暴雨工况

取碎石土暴雨条件下重度为24.5 kN/m3、滑带土参数选用反算计算参数，后将斜坡条分后采用传递系数法计算。采用式(1)计算，计算结果见表3。

表3 暴雨工况下斜坡推力计算结果

结合两种工况下的计算结果分析对比可知，同一剖面在暴雨工况下计算所得的斜坡推力大于天然工况。暴雨工况下，3组坡面的安全系数涨幅分别达到13.56%、8.17%、13.57%，其中以5-5′剖面增长的幅度最大。因此，以暴雨工况下的滑坡推力进行计算较为安全。

4 结论

(1) 遂广高速公路K0+270～K0+400段为深挖路堑，路基开挖前为丘包地貌；开挖后斜坡坡体结构为上层土质下层岩质的复合型斜坡。总体上堑坡属红层地区典型的二元结构斜坡(上为土、下为基岩)，因岩土界面近水平、岩层产状近水平同时路基开挖前堑坡无临空面，斜坡及丘包整体稳定。

(2) 路基开挖后，路线右侧堑坡前缘发现两贯穿性较好的软弱夹层(裂隙)，斜坡体内发育两组近直交节理裂隙。在后期强降雨及人工爆破开挖路基影响下，堑坡前缘往临空面发生滑塌，继而牵引堑坡中后部土层滑面下滑。

(3) I级滑坡体有变形和破坏迹象且左、右边界及后缘边界明显。后缘拉裂缝呈圈椅状展布，拉裂缝仅局部小段未完全贯通，滑坡体处于蠕滑变形阶段，天然状态下整体欠稳定，饱和状态下不稳定。II级浅表层滑塌主要系堑坡坡体结构及开挖坡率过大造成，但滑塌范围较小，滑塌体浅表层稳定性较差，在雨季或爆破路基开挖时，坡表土体易往临空面滑塌。