安康某膨胀土滑坡形成机制与治理措施

汪平,剡理祯,张忠平,符 涛

(1.中铁西北科学研究院有限公司，兰州 730000；2.中国铁路西安局集团有限公司，西安 710054)

膨胀土为含有蒙脱石(微晶高岭土)、伊利石(水云母)等亲水矿物，具有遇水膨胀隆起、失水收缩干裂性质的一种特殊土体[1]。膨胀土因其特有的胀缩性、崩解性、强风化性、裂隙易扩展性、强度衰减性等特点，极易引发地质灾害，给人类活动和工程建设带来不利影响。膨胀土在印度、中国、美国、加拿大等40多个国家已被发现。我国膨胀土分布广泛，在广西、湖北、陕西、河南、江苏等20个省份均已发现。

陕西秦岭以南汉江流域的安康盆地广泛分布着膨胀土，由于膨胀土胀缩变形发生的滑坡地质灾害时有发生，导致当地公路、铁路、建筑、农田破坏，给当地国民经济造成巨大损失。随着近年来我国国民经济水平高速良好发展，如今在膨胀土滑坡治理方面已取得了较多经验与成就，如挡墙、支撑渗沟、抗滑桩等支护结构在工程中得到了大量应用，并产生了较好的效果[2]。

本文以安康盆地某膨胀土滑坡为例，通过查阅资料、现场勘查和数值模拟等手段，对滑坡形成机制进行分析并给出治理措施。为相关膨胀土滑坡的治理提供参考。

1 滑坡概况

2020年7月21日，受连续强降雨及坡面截排水沟破损失效影响，安康市城区汉江以北某地发生滑坡地质灾害，该滑坡宽78 m，长50 m，厚5 m，滑坡方量约为18 000 m3，为一典型膨胀土小型滑坡。滑坡后缘形成多条张拉裂缝，缝宽5～30 cm，并产生错台，最大下错高度约2.0 m；滑坡前缘沿铁路堑坡平台形成剪出口，滑动距离约1 m，滑坡处于不稳定滑动状态。滑坡下部为国家Ⅰ级客货共线铁路干线，变形导致铁路堑坡防护工程大范围损毁，滑坡体迫近铁路限界；滑坡体上部50 m范围内有4幢村民房屋，受其变形影响，两户村民院内混凝土地面出现开裂。变形对下部铁路及上部民房造成极大威胁(图1)。

图1 滑坡平面图

1.1 地质构造及地形地貌

安康盆地地势呈阶梯状向盆地边缘逐渐升起，海拔范围为245～560 m。主要由汉江及月河河谷阶地、漫滩组成较发育的一级阶地，其阶面较宽，而一级阶地、洪积、洪湖积台地是安康盆地的主体地貌单元，二、三级地阶面相对较窄。

滑坡点位于汉江北岸丘陵地貌，前缘高程260 m，后缘高程284 m，相对高差24 m，属铁路建设开挖堑坡，整体较为平缓。开挖堑坡共分为4级，一级为高4.0 m的混凝土直立挡墙；二级坡高6.0 m，坡率约为1∶1.7；三级坡高6.2 m，坡率约为1∶1.5；四级坡高5.0 m，坡率约为1∶2。堑坡坡面均采用浆砌片石拱形骨架护坡防护，中间设平台，堑坡顶部设有一截水天沟。堑坡以上自然坡面较缓，主要为耕地及居民房屋。

1.2 地层岩性

地层岩性主要有第四系全新统膨胀土、上更新统冲积膨胀土、粉土、粉砂和粗圆砾土，下伏基岩为志留系下统云母片岩，各层性质如下：

(1) 膨胀土(Q4ml):浅黄色-灰褐色，分布于滑坡范围内地表，厚度1～12 m，土质不均，土体结构较松散，硬塑。

(2) 膨胀土(Q3al):棕黄色-棕红色，分布于滑坡范围内地表及人工填筑膨胀土层下，厚度约4～10 m，土质尚均，土体结构紧密，含少量姜石，硬塑。

(3) 粉土(Q3al)：浅黄色，层状分布于膨胀土层下，最大厚度约为6.6 m，成分以粉粒为主，稍具粘性，手搓有砂感，中密，潮湿。

(4) 粉砂(Q3al)：浅黄色-黄绿色，层状分布于膨胀土层下，厚度大于0.3 m，成分以石英长石为主，砂质不均，含约15%～20%粘性土，中密，潮湿。

(5) 粗圆砾土(Q3al)：浅灰色-杂色，层状分布于滑坡范围内粉土及粉砂层下，厚度14～15 m，砾石成分以石英岩、片石为主，磨圆度一般，呈圆棱状，粒径组成：大于60 mm的约占5%，60～40 mm的约占25%，40～20 mm的约占35%，20～2 mm的约占20%，余为粘性土及砂类土填充，中密-密实，潮湿。

(6) 云母片岩(S1mSc)：浅灰色、灰色，分布于粗圆砾土层下，成分以石英、云母为主，云母含量较高，片状构造，变晶结构，片理发育，节理较发育，风化层厚1～8 m。

1.3 气象及水文地质

安康市城区属于亚热带大陆湿润性季风气候，雨量充沛，四季分明，年均降水量800 mm，年最大降水量为1 109 mm。降雨集中，60%集中在7、8、9月。安康气候具有冬春干旱，夏秋季阴雨连绵的特点，为膨胀土提供了充分干缩和膨胀的条件。根据气象资料记载，安康市城区6、7月降水量情况如下图2所示。

图2 6、7月降水量统计图

滑坡区域内地下水仅在局部沟心发育，为第四系孔隙潜水，埋深约为14～15 m，水量较小，水质良好。

2 成因机制

该膨胀土滑坡的发生是由于内外部因素共同作用而产生的结果。

2.1 工程性状不良

膨胀土具有超固结性、多裂隙性、膨胀性等先天不利条件。受多裂隙性影响，降雨时地表水多沿裂隙通道进入地下，同时坡体临空面减小了土体的侧向约束，易发生向临空面方向的膨胀变形。该滑坡地层表层为人工填筑膨胀土、浅层为较硬的膨胀土冲积层，两种地层之间受不同力学特性和含水量差异影响易形成胀缩变形层界面。这些条件构成了滑坡发生的基本因素。

2.2 强降水条件下的高水敏性

降水对于滑坡体的稳定是极为不利的，一方面降水进入土体造成土体饱和，滑坡体重度增大；另一方面降水也是滑坡滑动的“润滑剂”，降水浸入土体后软化和降低了滑带土的力学性能[3]。安康地区降水主要集中在6～9月期间，具有冬春干旱，夏季多暴雨，秋季阴雨连绵的特点。冬春持续干旱导致膨胀土裂隙充分发育，再遇如图2记录连续降水，雨水沿裂隙渗入土体，导致土体力学性质迅速降低，极易发生滑坡。

从降雨量记录来看，6月及7月中上旬的连续降雨使表层土体含水率接近饱和状态，再经7月21日当天约80 mm的强降水，土体内的水无法快速排出，滑体充分饱和，土体重度达到峰值，滑面力学参数降低，稳定性系数降低至临界值以下，导致滑坡灾害发生。故7月21日的强降水是本次滑坡发生的“导火索”。

2.3 截排水工程失效

加强地表排水为整治滑坡必不可少的对策[4]：滑坡体内的排水系统应使流经滑坡之水尽快排出体外；拦截滑坡四周来水，阻止流入滑坡范围；减少生产、生活用水下渗。该处滑坡体原为铁路路堑边坡，上部设有环形截水沟，坡面设平台水沟及截水槽等排水设施。排水设施均为浆砌片石砌筑而成，竣工投入使用时间较久，受制于施工质量及材料自身较差的耐久性，多处出现了开裂损毁、堵塞等情况，加之排水沟未及时清理，有较多的落叶等杂物堆积，地表排水系统瘫痪严重，如图3所示。以顶部环形截水沟及三级平台上的排水沟破损失效最为严重。另一方面，滑坡体以上为当地村民建筑用地及耕地，居民多层建筑增大了滑坡体上部荷载，耕地灌溉水使滑坡体内地下水渗流得到水源补给。

图3 破损水沟

2.4 滑坡形成的机理

铁路堑坡开挖形成临空面，从而减小了坡体侧向约束，改变了坡体力学平衡；两种地层之间的差异影响构成土体内部潜在的连续膨胀土滑面；破损失效的排水系统和膨胀土表层的裂隙导致降水渗入土体，使坡体含水率增大、土体发生膨胀，并在连续滑面处停滞；7月21日突发的80 mm强降雨导致滑体充分饱和，土体重度达到峰值，滑面力学性能衰减降低，从而导致土体滑动，形成滑坡。

总之，该滑坡产生的原因是多方面的，有地形地貌、地质、气象、环境和人为等多方面因素，而其内因为主导因素，外因为诱发条件。

3 数值模拟

Midas GTS/NX软件是一款岩土领域通用有限元分析软件，具有建模便捷、计算功能强大和输出结果简洁等特点[5]。本文利用该软件，采用强度折减法(SRM)对本文滑坡进行模拟计算，使用摩尔-库伦本构模型对坡体材料模拟。考虑膨胀土参数受其自身裂隙性、胀缩性影响，土体力学参数随深度、含水率而变化，按照饱水工况(即暴雨工况)，结合地层情况，将滑坡分为表、浅、深等多层，再将各层土赋予代表性均值。本次模型由表层土(人工填筑膨胀土)、滑带土、浅层土(膨胀土)、深层土和抗滑桩三部分组成(图4)，各项力学参数见表1。模型采用实体模型中的高阶单元划分网格，在上部加密网格尺寸，共计划分86 847个单元。

图4 滑坡剖面示意图

表1 岩土体物理力学参数

3.1 自然坡稳定性分析

在桩板墙加固前，通过对裸坡模型的变形特点及稳定性分析，掌握滑坡滑动特点，为桩板墙加固滑坡提供计算依据。

图5 计算结果云图

由图5(a)可知，滑坡在未支护状态下，受降雨和上部排水系统失效影响，三、四级坡面表层土力学性能降低严重、滑动趋势明显，形成一块滑体，滑体厚度约为5.0 m，从二级坡面以上的二级平台位置剪出，其最大位移值为800 mm。从图5(b)剪力云图可以看出，未加固情况下，坡体最大剪应力比值出现在剪出口位置，最大剪应力破坏曲线符合膨胀土滑坡特点，为圆弧形滑面。

未加固情况下计算结果稳定系数为FOS=0.98，即抗滑力小于下滑力，滑坡失稳。根据现场踏勘结果，未加固状态下，滑面在地面剪出，地面形成多条贯通裂缝，前缘部分滑体脱离原滑床堆积在二级平台地面上，计算结果与现场情况一致。

3.2 桩板墙加固后稳定性分析

考虑抗滑桩及桩间板加固(设计桩径为1.5 m×2.0 m，桩间距为5 m，桩间板厚30 cm)，并对前缘滑出土体进行清理，重新设计滑坡区域坡面坡比，建立加固后的边坡模型。计算结果如图6。

图6 计算结果云图

从图6(a)可以看出，采用桩板墙加固坡体并重新顺坡后滑坡体位移变形得到有效控制，最大位移量由800 mm减少至109 mm，减少86%，且仅在中后缘填土界面处出现。对比剪力云图，依靠抗滑桩的锚固力和抗滑力，滑面受剪应力情况明显改善。在挡墙上部平台和桩底位置出现新的应力弧，但从数值来看该潜在弧形滑面应力值很小，属可控范围内，变形可能性较小。

从数值模拟结果来看，采用抗滑桩加桩间板为主要措施的治理方案加固后，该膨胀土小型滑坡得到有效治理。稳定系数由原先的0.98提升至1.32>1.20，满足铁路边坡稳定性安全系数要求[6]。若考虑后期完善排水系统对土体力学性能的提升，稳定性系数将得到进一步提高。因此从有限元分析结果来看，桩板墙加固该滑坡切实可行。

4 治理工程

根据第3节结论，结合陕南地区膨胀土滑坡治理相关工程经验，考虑滑坡所在地的自然环境与工程环境，采用桩板墙、综合排水系统等工程措施治理该滑坡：

(1) 对该段既有三、四级坡面滑坡鼓胀区域清方后按台阶状断面对坡面土进行人工夯填，刷坡后坡比为1∶2。

(2) 采用C30混凝土重建既有坡顶浆砌片石天沟及平台水沟，恢复排水系统，使坡面降水集中排出。并加强设备养护人员培训，对水沟内淤泥及垃圾及时清理，对水沟裂缝及时修补或修复。

(3) 二级平台位置设置桩板墙对该滑坡进行治理，桩身采用C30混凝土浇筑，桩径1.5 m×2.0 m，桩心间距5.0 m，桩长12.0 m，共计17根。由于该膨胀土滑坡属于滑体厚度较薄的小型滑坡，抗滑桩长度伸入滑面以下7 m位置。平台以上3 m高度悬挑部位桩间挂板，板后采用原状土夯填。

(4) 在下部一级混凝土挡墙脚部以上50 cm位置以及250 cm位置设置两排仰斜排水孔，排水孔长12.0 m，梅花形布置。

滑坡治理施工图断面如图7所示，由于是抢险救灾工程，工程在下个雨季来临前施工完毕，治理费用共计300余万元。工程完工后经现场监测显示滑坡已基本稳定，未出现明显变形。治理完成后现场照片如图8所示。

图7 施工图

图8 竣工照片

5 结论

(1) 该滑坡表层为人工填筑膨胀土，浅层为第四系晚更新世冲积膨胀土。两者均为力学性质较差的特殊土体，且土层之间存在特性差异，为滑坡的形成创造了不良地质基础。

(2) 安康地区特有的冬春干旱、夏秋雨量充沛为膨胀土体的充分收缩和膨胀提供了气候条件，使得雨季降水能够轻易地沿收缩裂缝进入土体，吸水后的土体膨胀导致滑坡发生。这是该滑坡灾害发生的主要条件。

(3) 破损失效的排水系统导致滑坡体以上的地表水不能及时排出，且滑坡体范围内的排水沟裂缝使得上部汇水能够沿水沟裂缝渗入坡体。据现场询问调查排水系统损坏为近两年发生，这也是为何该处坡面自铁路建成后多年未发生滑坡而在这一次发生的原因。

(4) 根据膨胀土特性及其他学者研究结论[1,7,8]，安康地区膨胀土滑坡一般为浅层小型滑坡，滑坡方量较小，主要由于表层膨胀土体遇水饱和后体积膨胀所致。治理措施主要从支挡(如抗滑桩、挡土墙、支撑渗沟)及完善排水系统两方面来治理，避免采用刷坡减重方案。