强降雨下炭质岩滑坡群形成机制及治理研究

查 俊，龚文宗，李耀华

(广西交通设计集团有限公司，广西 南宁 530029)

0 引言

滑坡是斜坡上的部分岩体或土体受自然或人为因素影响，在重力作用下，沿着斜坡内部一定的软弱面(带)整体以水平方向为主滑动位移的地质现象，是山区高速公路主要病害之一[1-2]。广西地处扬子准地台的南端，炭质岩地层分布广泛，在下古生代时期就有出露，主要发育于盆地相、斜坡相及台内滩地相[3-4]。炭质岩具有风化快、崩解性强、崩解后迅速泥化、泥化后常呈软塑状、强度低等特点[5-7]，属易滑地层；其在广西六河路、桂柳路、宜柳路、三柳路、柳州环城等工程中广泛分布，路基稳定问题突出[8]。

本文以广西三柳高速公路柳城互通滑坡群处治工程为例，系统介绍了炭质岩滑坡群的特殊工程地质特征、发展演化过程、成因机制、稳定性分析方法及工程处治措施，对国内炭质岩区滑坡工程防护与处治具有一定的借鉴意义。

1 工程概况

三柳高速公路柳城互通位于柳城县大埔镇枫木村附近，主要包括A、C匝道，路线沿山腰、坡脚一带展布，均为路堑。场地属剥蚀丘陵地貌，地面高程约110～250 m，地形起伏较大。原设计坡率为1∶1、1∶1.25、1∶1.25、1∶1.5，A匝道AK1+178～AK1+315段左侧最高为38.1 m，C匝道CK0+280～CK0+358段右侧最高为33.8 m，均为四级坡，坡面采用锚杆格梁+锚网客土喷播防护。开挖后，此两段均多次发生滑坡，形成滑坡群，按地段将其细分为Ⅰ区、Ⅱ区滑坡，如图1所示。

2 特殊工程地质特征

2.1 不利的地形地貌

滑坡群原始地形较高陡，重力势能大。古滑坡和冲沟密集分布：古滑坡1、Ⅰ区滑坡、冲沟1、Ⅱ区滑坡、冲沟2、古滑坡2呈弧形连续分布，形成了规模较大的滑坡群。

图1 柳城互通滑坡群工程地质平面图

据勘察报告，古滑坡1平面呈圈椅状，长约80 m，最宽约70 m，中间见宽平台，滑体厚度为20～40 m，总体积约为7.5万m3；Ⅰ区滑坡从古滑坡1上部挖方通过；古滑坡2位于C匝道起点段，长约100 m，宽约80 m，滑体厚度为10～15 m，总体积约为6.5万m3；Ⅱ区滑坡位于古滑坡2北侧，与古滑坡2有部分重合。古滑坡体均以粉质黏土及炭质岩风化物为主。

2.2 不利的岩土层

滑坡群内岩性复杂，主要特殊性地层有：古滑坡体，结构松散，厚度较大；炭质岩，一种含大量炭化有机质、呈黑色、污手的岩石类型，以泥岩、页岩居多，本项目以页岩及风化物为主，力学性质极差；软硬岩相间，主要为粉砂岩及炭质页岩互层，差异风化易导致粉砂岩被拉断，炭质岩被压剪破坏。

2.3 不利的地质构造

滑坡群位于柳州山字形构造西翼反射弧弧顶，区域构造线以东西向为主，逆冲及次级断层均非常发育，如图2所示形成了叠瓦式构造，滑坡位于其间。

滑坡群位于大埔背斜(1)的核部，与甲伴岭区域性大断层(F1)相距4 km，与东泉-柳城逆断层(F2)最近约500 m，新白芒-枫木断裂(f2)从滑坡群内通过。北侧岩层产状345°∠35°，为顺向坡，倾角小于坡角，稳定性较差。

图2 滑坡群区域地质构造图

2.4 不利的水文条件

滑坡群呈倒“C”状分布，易汇水、积水，难排水。边坡开挖后排水措施缺失或极不通畅，强降雨时雨水大量入渗，使炭质岩呈软塑状，部分坡脚积水严重，引起支挡结构破坏。

3 滑坡过程及滑坡特征

3.1 滑坡过程

2016年7月匝道边坡开始施工，2016年11月下旬受降雨影响Ⅰ区边坡开始滑坡，其后又多次出现多处滑坍，范围也逐渐扩大至Ⅱ区。

2017年5～8月在Ⅰ区、Ⅱ区坡脚设置了3～5 m挡墙。2017年9月雨季后Ⅰ区滑坡规模及范围仍逐步扩大。2017年底实施了削方+抗滑桩等滑坡治理工程。到2019年7月，在持续暴雨影响下，Ⅰ区、Ⅱ区又发生了大面积滑移、抗滑桩开裂等情况。

3.2 滑体群特征

Ⅰ区滑坡：平面呈马鞍形，滑坡后缘下错1～2 m，坡体出现大量拉张裂隙，宽40～60 cm，长3～15 m不等，可视深度达1 m。部分滑体从墙顶剪出，抗滑桩桩体及冠梁开裂，挡墙滑移，桩墙前边沟盖板被挤压破坏、隆起明显，路面开裂。

Ⅱ区滑坡：平面呈马鞍状，滑坡后缘最大下错约4 m，擦痕明显，坡体出现大面积滑移，草皮剪断，挡墙及路面均出现开裂。

大滑坡群由两个现状滑坡(Ⅰ区、Ⅱ区滑坡)和两个古滑坡组成(古滑坡1和古滑坡2)，总长约400 m，宽约30～65 m，厚约10～40 m，总体积约为15～30万m3，属中型牵引式滑坡。

4 基于滑坡力学的形成机制

笔者认为滑坡是在重力(往下)、构造应力(当与坡面一致时，往外)及外部荷载(作用力方向视具体荷载而定)与滑坡体摩阻力(与滑动方向相反)共同作用后逐步演化而产生的结果。本文基于滑坡力学原理归纳本滑坡群形成机制为“四内五外共作用机制”。

(1)内因1为不利地形地貌。山高坡陡高势能和松散的古滑坡深切冲沟。山高体大则重力大、重心高、势能大，滑动力大；深切冲沟则高差大，重力力矩大。

(2)内因2为不利地质构造。棋盘状的区域性逆冲断裂带使滑坡群内储存了变形能，破坏岩体结构，应力与坡面一致时产生推力，开挖卸荷使得初始应力释放，并产生大量卸荷裂隙和顺层坡，且倾角小于坡角，边坡稳定性差。构造应力在岩土体内储存形变能，使土体变形，降低了岩土体的粘聚力c、摩擦角φ及接触面积，从而降低了岩土体抗滑力。

(3)内因3为软弱岩土体。本项目岩土体主要为古滑体、炭质岩、软硬岩，其在内应力、水或风等作用下力学性质急剧下降。特别是本项目这三类地层中均包括有炭质岩，其崩解后遇水软化成软塑状，抗剪强度急剧降低。

(4)内因4为水的作用。水能迅速增加滑体重力，减少岩土体的摩阻力。边坡开挖后未施工相应的排水系统，导致地表水无法及时排走而大量入渗坡体，甚至淤积在坡体或墙后。

(5)外因1为降雨及极端天气。大量调查发现，滑坡多发生在持续降雨后。持续降雨形成的雨滴压力、地表水流形成的冲刷力、地下水形成的渗透力、水的浮托力及饱和后减小的基质吸力等，这些力的存在都对边坡稳定极为不利。

(6)外因2为人类活动。本项目主要为边坡开挖卸载，坡率较陡，卸载后坡体重心上移、力矩增大，势能相对增大。同时，水平向失去支撑，拉张卸荷裂隙开展并往坡体内发育，坡面及坡体岩土体力学性质及摩阻力降低。

(7)外因3为风化作用。炭质岩边坡开挖后易风化崩解，遇水后又软化成泥，因而风化为降低岩土体的c、φ值创造了条件。

(8)外因4为温度应力作用。据了解，开挖的坡面大、长时间裸露，炭质岩在温度应力的作用下，易产生裂缝，降低摩阻力。

(9)外因5为震动。本项目主要为钩机及汽车动荷载(有的项目有地震)等，会对边坡产生震动推力，当推力与坡向一致时，会加速边坡滑动。

5 滑坡稳定性分析

滑坡稳定性分析方法与步骤：(1)进行精细滑坡地质测绘，找出滑坡范围、后缘、剪出口，测出滑动面，绘制成图；(2)选择典型剖面进行勘察，在滑坡带内取样试验，得出c、φ值，与反演参数进行对比，综合取值；(3)根据现场调查及勘察成果判定滑坡机制，选择计算模式，进行滑坡监测；(4)根据监测成果对滑坡趋势做定性定量分析，形成具体可行的滑坡治理方案；(5)滑坡治理后的监测预警、动态设计。

5.1 滑坡监测

根据滑坡监测报告，2020-03-10至2020-03-31监测点累计水平位移0.01～4.71 mm，最大累计水平位移点为BZK 8号孔，阶段变化速率为0.197～0.357 mm/d。深部位移监测传感器出现轻微变形迹象，变形量不大。从滑坡的变形特征、监测情况分析，枯雨季节，滑坡整体处于基本稳定状态，但在连续暴雨的状态下，极有可能发生滑坡失稳(见图3)。

图3 滑坡监测累计位移曲线图

5.2 滑坡推力计算

滑坡变形特征明显，根据钻探资料并结合监测数据已基本确定滑面位置，滑面基本贯穿，具备反演求参条件。在Ⅰ、Ⅱ滑坡区分别选取1-1′和4-4′剖面进行反演计算，在饱和状态下，滑坡处于不稳定状态，取其稳定系数为0.95，取c值为13.85 kPa，Ⅰ区反算得φ值为17.0°，Ⅱ区反算得φ值为12.3°。

滑坡的滑动面呈折线型，按照《滑坡防治工程勘查规范》(GB/T32864-2016)推荐的公式对滑坡的稳定性进行计算。

(1)计算工况组合。

工况Ⅰ：天然工况，安全系数1.30。

工况Ⅱ：饱和工况，安全系数1.15。

(2)计算结果。

采用理正岩土计算软件(6.5 PB2版)对滑坡的稳定性进行计算，计算结果如表1所示。

表1 天然工况和饱和工况滑坡稳定性计算结果统计表

6 滑坡处治设计

6.1 处治方案确定

本滑坡群处治从两个方面考虑：(1)解决降雨及地下水对边坡的影响问题；(2)解决滑坡的下滑问题。对于前者，由于炭质岩类边坡岩体破碎，遇水极易软化、崩解，因此拟采用全坡面挂网喷混凝土进行封闭，并增设截水沟、平台排水沟、急流槽、深层泄水孔，墙背开挖换填粗粒料或无砂大孔混凝土等；对于后者，拟采用放缓边坡、增加支挡以降低滑动力、增加抗滑力的方案。

6.2 处治方案设计

6.2.1 滑坡Ⅰ区

在原抗滑桩后4～5 m处增设一排抗滑桩，桩径为2.0 m，桩长为25 m，桩间距为4 m，前后排抗滑桩间采用断面尺寸为1.2 m×1 m的C30混凝土连系梁连接(如图4、图5所示)。新增抗滑桩内侧设置8 m平台，然后按1∶1.75～1∶2.5(局部为1∶2.75)边坡坡率分级开挖放坡，坡顶处削坡卸载，以减小边坡下滑推力。增设深层泄水孔，全坡面采用挂网喷混凝土防护。AK1+182～AK1+224抗滑桩段第2～3级边坡采用格梁锚索进行坡面防护加固。

图4 滑坡Ⅰ区抗滑桩平面布置图

6.2.2 滑坡Ⅱ区

对常规重力式挡土墙段，采用锚筋桩加固。锚筋桩作用于挡墙墙顶及墙后边坡平台，顶部通过纵、横向连接钢筋连成整体，现浇混凝土封闭。锚筋桩设置3～4排，排间距为1 m，第1、2排位于墙身处。锚筋桩桩体钢筋组采用5根φ36 mm钢筋，设计孔径为215 mm，孔深为20 m，纵向间距为1.5 m，按梅花形交错布置，如图6所示。对CK0+330～CK0+295古滑坡段，在现有挡土墙后设一排抗滑桩，抗滑桩直径为2 m，桩长为25 m，桩间距为4 m。

图5 滑坡Ⅰ区抗滑桩设计断面图

图6 滑坡Ⅱ区处治设计断面图(cm)

6.3 设计验算

6.3.1 材料抗剪力计算

抗滑桩桩径为2.0 m，采用HPB400钢筋，钢筋抗拉强度设计值为360 MPa，抗剪强度按抗拉强度的35%取值，不考虑桩基混凝土部分抗剪，安全系数取1.3，则单根抗滑桩所能提供的抗剪力为：0.076 364×360 000×0.35/1.3=7 401 kN，单桩所承担滑坡推力为：885×4.0=3 540 kN，抗滑桩所能提供的抗剪力大于承担的滑坡推力。

6.3.2 水平承载力验算

根据《桩基规范》5.7.2第6款(式5.7.2-2)计算，桩的水平变形系数α=0.229(1/m)，桩身抗弯刚度EI=24 699 913.868(kN·m2)，桩顶水平位移系数vx=2.441，桩顶位移取30 mm时，单桩水平承载力特征值Rha=2 725.393(kN)，抗滑桩安全系数分别为Fs1=2 725.393×2/(4.0×885)=1.539，Fs2=2 725.393/(4.0×552)=1.234，均符合规范和设计要求。

7 结语

目前该滑坡群已按现有方案施工完成一段时间，现状稳定，表明滑坡群处治方案是合理的。结合本工程处治经验，得出如下结论：

(1)公路工程选线时宜尽量避开古滑坡群或大型断裂影响区域，应选择区域地质稳定性较好的地段通过。

(2)对炭质页岩等易崩解的软质岩边坡，应尽量放缓边坡坡率，及时进行全坡面封闭处理，并充分做好边坡截、排水措施。

(3)采用抗滑桩或重力式挡土墙作为边坡支挡结构时，应充分考虑边坡土体饱和、地下水位上升、坡脚土体浸水软化崩解或边沟开挖造成抗滑桩悬臂段增加或地基承载能力不足等情况。

(4)对于重要边坡工程，应加强监控量测，以更好地指导施工或及时调整防护方案。