某高速公路填方路基滑坡成因及稳定性分析

王建伟

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西太原 030032）

随着社会的发展，交通基础设施建设在经济发展中显得尤为重要，其中，高速公路作为连接区域之间的纽带，起着不可替代的作用。高速公路修建过程中会不可避免地产生高填深挖路基，若对其处理不当，就会产生边坡病害，从而对公路的运营安全产生严重影响。滑坡作为公路常见的边坡病害之一，除破坏工程设施和中断交通运输外，还需要投入较大的资金处治，从而增加了公路运营成本[1-2]。对滑坡成因机理及稳定性分析的研究，是制定经济合理的滑坡防治措施的前提。本文以某高速公路K128+240—K128+633 段高填路基滑坡为例，通过对滑坡区地质条件进行详细勘察，结合人类工程活动，分析了滑坡形成的原因，对其稳定性进行了分析，同时提出了合理的治理建议。

1 工程概况

该滑坡位于某高速公路K128+240—K128+633 段，该处路基为高填路基，边坡设为六级边坡，一级坡率为1∶1.5，高度8 m；二级坡率为1∶1.75，高度12 m；二级以上坡率为1∶2，每级高度10 m，每级台阶设一道2 m 宽平台，坡顶与坡脚最大高差53 m，位于桩号K128+386处。2019 年4 月23 日该边坡范围内路面不断出现纵缝、横缝、沉陷等病害，2020 年1 月15 日对该段路基病害进行了处治，主要采取坡脚反压处理，反压高度至三级边坡平台，反压土前缘边坡坡率1∶2，同时在二级边坡平台上采用矩形桩与圆形桩组合的抗滑桩进行了治理。2021 年10 月1 日前后，该地区经历了超越历史同期数十倍的连续阴雨天气，路基发生沉陷变形，路面及坡面发育多条张性裂缝，且数个监控点位移呈现出发散增长趋势。

2 工程地质条件

2.1 地形地貌

勘察区地貌单元属构造剥蚀低山区，微地貌有山梁、山脊、缓坡-中缓坡、冲沟等，地势整体南高北低，地形起伏变化较大，斜坡坡度在10°～50°之间，区内发育有两条近南北向冲沟，其中K128+150 处冲沟沟谷切割深度5～10 m，沟底宽约10～35 m，沟岸较陡，坡角约55°左右，呈“U”字型沟谷；K128+390 处冲沟沟谷切割深度10～20 m，沟底宽约10～40 m，沟岸较陡，坡角在30°～50°之间呈“V”字型沟谷。该填方路段位于K128+390 处冲沟及两侧沟岸斜坡地带，现因填方路基施工，改变了原有地貌形态，形成人工边坡，坡顶与坡脚最大高差约53 m，滑坡全景图见图1。

图1 滑坡全景图

2.2 地层分布特征

根据勘察资料，滑坡区地层由第四系全新统人工堆积物（Q4me）、第四系上更新统冲洪积物（Q3al+pl）、第四系上更新统残坡积物（Q3el+dl）和二叠系上统石盒子组（P2s）沉积岩组成，具体如表1 所示。

表1 地层岩性一览表

2.3 水文地质

滑坡区地下水主要为第四系上层滞水和二叠系上石盒子裂隙含水层系统两种类型。

a）第四系上层滞水主要形成于第四系地层，富水性弱，其主要接受大气降水入渗补给和裂隙含水层排泄补给，排泄主要以侧向径流排泄及蒸发为主。

b）二叠系上石盒子裂隙含水层主要是大气降水通过风化裂隙、断裂裂隙等途径直接渗入补给，部分接受侧向径流、第四系上层滞水补给；排泄主要通过地下水径流排泄于沁河、滑坡区地层，部分以泉的形式排泄于地表，部分排泄于第四系上层滞水。部分地表出水点见图2、图3。

图2 滑坡区西南侧沟谷泉水

图3 滑坡区东北侧泉水

2.4 地质构造及地震

滑坡区以单斜构造为主，局部发育两翼平缓的波状褶曲，岩层产状平缓，总体倾向为SW，倾角3°～7°，断裂活动处于相对稳定状态，无影响公路的活动性断裂构造存在，地质构造简单。滑坡区地震动峰值加速度为0.10g，相对应的地震基本烈度为Ⅶ度区，地震动反应谱特征周期0.45 s。

3 滑坡形态及变形特征

3.1 滑坡形态特征

该滑坡平面上呈半圆形，顺主滑方向长约400 m，前缘宽约340 m，总面积约114 848 m2，滑体最大厚度约35.0 m，平均厚度约33.0 m，总体积约3.79×106m3，为大型深层滑坡，主滑动方向北偏西23°左右，垂直于路线走向，后缘位于路线中心附近，见图4。

图4 滑坡体工程地质平面图

滑体组成及特征：该滑坡体主要由填方路基土组成，地层岩性主要为粉质黏土、中-强风化砂泥岩，上部主要为粉质黏土，底部主要为中-强风化砂泥岩；粉质黏土结构疏松多孔隙，从上至下含水量逐渐增大，呈硬塑-可塑状态，地表局部为可塑-软塑状态。该滑坡体前沿位于填方路基处，为半填半挖，沉降最大部位为原始斜坡与填方结合部位。滑坡体呈缓坡状，总体坡度介于10°～20°，填方体坡顶与坡脚的相对高差在20～53 m 之间，其主体部分位于K128+514 处冲沟内，其余部分位于该冲沟两岸斜坡地带；第四系残坡积土覆盖于填方路基左侧山体地表，厚度不大于2.0 m，下伏地层为中-强风化砂泥岩。

滑动面及滑床：滑坡体上部钻孔揭露，在深约39.2 m处存在明显的滑动面及擦痕，位于碎石层与强风化泥岩结合处，即土岩结合面；坡体下部利用煤矿勘察资料，滑面深度为30～33 m 左右。该次调查滑坡前缘未见明显剪出口，如图5。

图5 主滑方向工程地质断面图

3.2 滑坡变形破坏特征

该滑坡于2021 年6 月起，路面出现了不同程度的裂缝、沉降等现象。进入雨季后，路面病害进一步发展，局部形成错台。经历了10 月初连续强降雨后，路面裂缝及沉降变形日趋严重，边坡坡面发生变形，严重威胁行车安全。具体变形表现为：坡体表面横向拉张裂缝十分发育，裂缝主要分布于路面、路肩及填方路基护坡上。路面发育多处横向裂缝，在东侧路面发育斜向裂缝，并且沉降最为明显，沉降最大0.55 m；西侧主要发育横向裂缝，裂缝宽3～5 cm，向沟内沉降2～4 cm；路肩局部出现脱空现象，形成宽10～20 cm 裂缝；既有支挡工程南侧土体沉降20～30 cm，裂缝宽5～10 cm，以及沿着该裂缝往东坡体下部土体微微开裂；位于填方体下方的排水波纹钢管涵亦出现明显拉裂，拉裂宽度约0.1～0.2 m，呈“V”字型变形，需及时进行修复；填方边坡也出现滑塌，且坡脚局部也发育有数条横向裂缝，裂缝宽约0.05～0.20 m，深度小于1.0 m。

4 滑坡稳定性分析

4.1 滑坡病害成因

根据滑坡区工程特性及地质条件相关研究[3-4]，认为滑坡病害形成主要有以下因素：

a）地层岩性为滑坡形成提供了内在基础。该滑坡主要由第四系全新统（Q4me）路基填土组成，下伏地层为第四系上更新统（Q3al+pl）黄土夹卵石、第四系上更新统（Q3el+dl）残坡积含碎石粉质黏土、第四系中更新统（Q3al+pl）黄土、二叠系上统石盒子组（P2s）中-强风化砂泥岩等。路基填土上、中部主要为粉质黏土，下部主要为碎石；粉质黏土结构疏松多孔隙，从上至下含水量逐渐增大，呈硬塑-可塑状态，地表局部为可塑-软塑状态。通过室内试验资料可知，路基填筑时采用的粉质黏土膨胀率在40%～51%之间，有弱膨胀性，具体表现为遇水膨胀、失水收缩干裂，导致龟状裂缝在填方路基表面十分发育，为雨水的入渗提供了通道；土体含风化碎石、块石较多，其呈骨架排列，且主要由强风化砂岩和泥岩组成，遇水易软化，软化后骨架重新排列，导致沉降加剧。另外，该高填方路基基底为湿陷性黄土，受地表水下渗及上部路基填土自重的影响，局部产生湿陷，亦加剧了该填方路基的变形破坏。综上所述，地层岩性为滑坡形成提供了内在基础。

b）大气降水是滑坡形成的重要外在因素。滑坡区降雨集中于7—9 月，多为暴雨，其形成地表面径流由高向低排泄，在此过程中对坡面形成冲刷，在冲蚀作用下，既有裂缝不断加深、加大，大气降水入渗比例增大，一部分大气降水转化为地下水，导致地下水位升高约10 m左右，增加了浮托力，减少了滑动面处的法向有效应力，从而使抗滑力减小；另一方面，由于岩土体孔隙、裂隙发育，大气降水入渗后充填空隙，使岩土体的重量增加，导致下滑力增大；再次，地下水自上而下在渗流过程中，会使渗透力增大，从而导致坡体下滑力增大。大气降水的下渗会导致岩土体内裂缝发展贯通，对结构相对密实的原始地层之上填土起到软化作用，使其抗剪强度急剧下降，而下伏原地层结构较为紧密，形成相对隔水层，受其阻碍，大气降水入渗后沿原地面向下游排泄，并软化坡脚附近岩土体，为滑坡的形成提供了滑动条件。

c）人类工程活动是滑坡形成的主要因素之一。滑坡体中下部为某煤矿修建的工业场地，2020 年、2021年分别开挖上、下部场地，对坡体中下部进行了减载，使抗滑力减小，为滑坡的形成起到促进作用。

综上所述，在各因素的共同作用下，最终导致滑坡产生，该滑坡运动形式以推移式为主。大气降水及地下水位抬升是影响滑坡稳定性的最主要因素。

4.2 滑坡稳定性分析

4.2.1 滑坡稳定性分析

对滑坡稳定性进行分析，共利用了9 处沉降、位移观测点，从6 月下旬至1 月下旬累计沉降最大值309.6 mm，位移最大值282.56 mm，最大变形点为9 号监测点（见图6、图7）。K128+390 处涵洞及二级平台布设沉降位移观测点4 个，从8 月中旬至10 月下旬累计沉降最大值86.0 mm，位移最大值245.7 mm，最大变形位于D1 监测点。从变形趋势看，2021 年8 月3 日至2021 年8 月10 日变形突然加速，并趋于平稳，但9 月21日后变形又开始加速，且变形一直持续到10 月下旬，这和雨季汛期是对应的，属于雨季阶跃型变化（见图8）。从监测结果看，9 月20 日前以沉降变形为主，水平变形相对较小，9 月20 日至11 月2 日以水平变形为主，沉降变形相对较小，之后又以沉降变形为主。综合监测数据判断，该滑坡现处于蠕动变形阶段。

图6 各观测点累计水平位移

图7 各观测点累计沉降位移

图8 沁水县2021年各月降水量图

4.2.2 推力计算

根据现场监测发现，强降雨是滑坡发生的最不利条件，在该工况下斜坡整体处于蠕动变形阶段，故稳定性计算时以该工况为条件，并取整体稳定系数为1.025。目前常利用反算法计算岩土抗剪强度参数，当稳定系数及滑动面等已知时通过反算得到的岩土强度参数是可靠的[5]。以图9 所示的1-1、2-2 断面为计算断面，得到稳定性相关计算参数，见表2。

表2 稳定性相关计算参数

图9 滑坡推力计算简图

该边坡形态较为简单，根据《公路路基设计规范》（JTG D30—2015）的边坡稳定性相关要求[6]，连续降雨状态下边坡安全系数取1.2。用传递系数法计算滑坡推力，如图9 所示将断面1-1 和2-2 为计算断面，稳定系数Ks及剩余推力Ei的计算如式（1）、式（2）：

式中：Wi为第i条块的重量；αi为滑面倾角；Ci为黏聚力；φi为内摩擦角；Li为条块滑面长度；ψj为传递系数，。

经计算，可得到连续降雨工况条件下1-1、2-2 断面滑坡剩余下滑力如表3 所示，其剖面抗滑力均小于下滑力，该边坡稳定性不满足相关规范要求，安全储备不足，需进行处治。

表3 滑坡推力计算结果 单位：kN/m

4.3 治理建议

根据滑坡形态、工程地质条件、变形特征以及裂缝的长度、宽度与分布特征，结合工程特点及斜坡稳定性分析成果，认为该滑坡处于欠-不稳定状态，目前变形一直在发展，主要发生在坡体上部后沿，有整体发生滑动的可能。若后期有强降雨，则会演变为大型深层滑坡。为保证路基边坡稳定及公路运营安全，需对滑坡进行治理。

根据该滑坡诱因及工程特点，建议首先对路基坡面、路面、中央分隔带加强截、排水措施，防止雨水进一步渗入路基内，同时对坡体裂缝进行封填，并对路基软-可塑填土进行加固。在保证地表水疏导完善的基础上，在路肩和坡脚处采用抗滑桩加锚索的治理措施，同时做好坡面防护等工程，定时对坡体变形进行监测预警，以保护民众生命财产安全。

5 结论

本文以某高速公路K128+240—K128+633 段高填路基滑坡为例，通过对该滑坡路段开展工程地质勘察及稳定性分析得到以下结论：

a）该滑坡为大型深层土质滑坡，其运动形式以推移式为主，表现为坡体及后缘路面裂缝、错台及沉降，前缘坡脚挤压变形。

b）极端强降雨是诱发该滑坡病害的主要外在因素，加之前缘坡脚及坡体开挖卸载使抗滑力减小，在多因素共同作用下，导致坡体产生滑动变形，降雨强度及入渗量是影响斜坡病害活跃程度的主要因素。

c）该斜坡处于欠-不稳定状态，存在整体蠕动挤压变形，安全储备不满足规范要求。连续降雨或其他不利条件下，极易发生整体滑动，严重威胁前缘企业及公路的运营安全。

d）建议首先做好地表截、排水措施及封堵坡面裂缝工作，然后通过抗滑桩+锚索处治方案进行支挡，同时对坡体变形进行监测和预警。