某高速公路“充填式”滑坡变形特征分析

李文强 王 海 董 博

(1.山西省交通规划勘察设计院有限公司 太原 030006; 2.山西省采空区处治技术创新中心 太原 030006)

“充填式”滑坡往往具有隐蔽性,在地貌形态上一般不具备滑坡的特征,在地质调查和钻探期间很难揭示出来。这类“滑坡”在自然状态下不会发生滑动,在工程开挖扰动下才会诱发滑动,其变形范围、变形特征,以及变形机制不同于常规滑坡。滑动范围一般与古冲沟边界密切相关,呈不规则状或长条状,后缘破裂范围往往是边坡前缘开挖高度的10倍以上,区别于常规的2～3倍;滑体厚度差异较大,与原沟谷地势起伏程度相关,局部可能分布多条支沟和山梁;坡体变形最初往往以竖向沉降为主;受古地貌影响,坡体内存在明确的透水边界,在局部容易形成地下水汇集点,边坡一般存在稳定的地下水位。高速公路为线性工程,一般穿越多个地貌单元,涉及多种构造物类型——桥梁、隧道、深挖路堑、高填、涵洞、通道等,工点数量多,在地形条件、勘察工期,以及勘察成本等因素的制约下,不可避免局部存在勘察的盲区和薄弱地段,这就给“充填式滑坡”造成了可乘之机。目前针对常规滑坡的变形机制、稳定性评价等方面的研究都比较成熟和完善,根据前缘剪出口位置、后缘拉裂范围、两侧裂缝特征,再结合钻探及地表监测数据,基本能查清滑坡各要素,但是,针对这种隐蔽性强的“充填式”滑坡,常规的勘察手段难以查清滑坡的范围、滑动面的位置,以及滑体的空间分布形态。

本文拟在地质调查、工程钻探、挖探,以及室内试验的基础上,增加地球物理勘探和深部位移监测的方法及手段,对滑坡体进行综合勘察和分析,研究“充填式”滑坡的变形特征及形成机制[1-2]。

1 工程概况

该滑坡位于挖方路段,两侧均为挖方边坡,最大挖深约17 m,路堑边坡拟采用台阶状开挖形式,每8 m高设置2 m宽平台1道。在施工过程中,路基开挖至设计标高附近时,左侧边坡坡脚发生局部滑塌,坡面出现剪切裂缝,同时坡顶也出现多条裂缝,后缘裂缝距离路线中心约190 m,边坡平面图见图1,坡体附近房屋也出现不同程度的开裂,严重威胁边坡上游居民和下游公路的安全。

图1 边坡平面图

2 工程地质条件

2.1 地形地貌

1) 现地貌特征。该挖方路段地貌单元属黄土覆盖基岩山区,微地貌为缓坡。路堑范围内地形东高西低,西侧靠近河流,地面高程580～608 m间,相对高差28 m,坡面较平缓,主要为耕地和村庄,地表排水不畅。滑坡前缘宽约50 m,坡体表层裂缝总体上呈“7”字形,后缘裂缝至前缘约190 m,平面形态呈长条状,边坡全貌图见图2,坡体总面积约1.35万m2,滑体主轴方向约300°。

图2 边坡全貌图

2) 古地貌特征。滑坡所处地段地势相对平坦,前缘开挖仅有17 m左右,后缘裂缝却延伸了将近200 m,通过调查滑坡前缘发现,两侧边坡均出现“地堑势”地貌,两侧为岩石,中间为土层,边坡前缘地层分界地貌图见图3和图4。

图3 滑坡前缘地貌

图4 滑坡对岸地貌

因此,初步推断该滑坡所处的地段古地貌为一冲沟,后期冲沟被覆盖层充填,为验证此推断,结合该滑坡的自身特点,采用地震影像法探明地层分布情况。

本次勘察共完成地震映象测线5条,测线总长334 m,测点172个,测线方向均为面向线路从左向右布设,地震映像工作量见表1。为提高物探结果的精确度,5条测线均穿过钻探点,利用钻探成果辅助解译并予以验证,测线位置见表1。

表1 工作量一览表

根据物探解译结果,坡体在横向位置方向土石分界面差异较大,同时也有一定的共同点。H1和H5测线揭示该断面处的土石界面形态中间低两侧高,古地貌为“V”字形沟谷,H1解译结果见图5,H5解译结果见图6。

图5 测线H1解译成果

图6 测线H5解译结果

H2和H4测线揭示该断面处的土石界面形态比较平直,古地貌地形起伏不大,初步推断为宽缓沟谷段的谷底,H2解译结果见图7,H4解译结果见图8;H3测线揭示的土石界面形态为中间高两端底,类似一个山脊的形态,结合上下游相态分析,古地貌中部发育一小山梁,H3解译结果见图9。结合物探解译成果和钻探资料,还原了滑坡体纵断面方向的地貌形态,地貌分界纵断面图见图10,根据纵断面显示古地貌冲沟后缘浅、前缘深,在深浅交接地段纵坡较大,不利于充填物的稳定。

图7 测线H2解译结果

图8 测线H4解译结果

图9 测线H3解译结果

图10 地貌分界纵断面图

综合横断段数据,可以推断滑坡体古地貌形态总体上沿纵断方向为一冲沟,上游浅、下游深,上游纵坡较小、下游纵坡较大,上下游沟谷均呈“V”字形,中部差异性冲刷,局部分布山脊,中部上游及下游位置沟谷宽缓。沟谷宽窄、陡缓交替,不利于边坡稳定。

2.2 水文地质条件

滑坡体表层平缓,不利于地表水体排泄,古地貌为一冲沟,有利于地表水的入渗。因此,在勘察期间发现坡体前缘存在多处渗水点,且坡体内存在稳定的地下水位,十分不利于边坡的稳定,边坡渗水点见图11,边坡各钻孔水位情况见表2。

表2 各钻孔水位统计表 m

图11 边坡前缘出水点

3 深部位移监测

3.1 监测原理

深部位移动态监测采用钻孔测斜仪观测。该套系统性能稳定,对探测坡体深层岩土体侧向的变位情况非常有效,不仅能清楚地探测到坡体深层滑动面(带)的准确位置,同时对坡体滑动变形的方向、位移量、滑动速率都可以直观求得。

工作原理:通过内置伺服加速度计原理准确量测仪器中轴线与铅垂线之间夹角的变化值,即测取测斜管的倾斜变化值,也就是每2次测量间隔期监测斜管受力产生倾斜后的变化值[3],测斜仪工作原理图见图12,成果曲线图见图13。

图12 测斜仪工作原理图

图13 测斜仪成果曲线图

则每个测量深度的相对位移量和绝对位移量及变形方向分别如式(1)～(3)。

(1)

(2)

α=arctan(ΔXi/ΔYi)

(3)

3.2 监测数据分析

为了及时了解和掌握滑坡的变形规律,准确探测到滑坡滑动面(带)的埋深位置等,对该边坡进行了深孔位移监测,设监测孔8个,监测孔编号与地质钻孔一致。自2023年4月14日设点开始观测以来,截至2023年7月13日,累计共观测4次,监测具体数据见表3,从观测孔的位移曲线看,各钻孔均具有明显拐点和滑动变形迹象。

表3 深部位移监测数据一览表

ZK1、ZK2位移监测曲线图见图14、图15。由图14、15可见,ZK1距离滑坡前缘最远,变形深度约4 m,位于土层内,累计变形量17.92 mm,滑动迹象出现晚且速度慢,ZK2变形深度约5.8 m,位于土石分界面附近,累计变形量较大,约148.42 mm,变形速率快。

图14 ZK1位移监测曲线图

ZK3、ZK4位移监测曲线图见图16、图17。由图16、17可见,ZK3变形深度约13.5 m,位于水位线附近,测得有效累计变形量14.47 mm,第三次监测时测斜管已经被剪断,ZK4变形深度约15.5 m,累计变形约82.92 mm。

图16 ZK3位移监测曲线图

ZK5、ZK6位移监测曲线图见图18、图19。由图18、19可见,ZK5变形深度约17.9 m,位于水位线附近,累计变形量约88.95 mm;ZK6变形深度约15.85 m,累计变形约40.37 mm。

图18 ZK5位移监测曲线图

ZK7、ZK8位移监测曲线图见图20、图21。由图20、21可见,ZK7变形深度约15.7 m,位移累计变形量约38.95 mm;ZK8变形深度约18.82 m,位于土石界面附近,累计变形约45.21 mm。

图20 ZK7位移监测曲线图

从8个钻孔的监测曲线图可以发现以下3个特点。

①滑坡后缘变形迹象明显晚于前缘;②后缘累计变形量超过前缘,变形速率也大于前缘;③钻孔变形拐点位置与水位线吻合度较高。

因此,可以初步判断滑坡为牵引型,前缘变形造成后缘的拉张破坏,由于滑体前缘临时反压,前缘运动受阻后,后缘坡体持续向前挤压,造成了后缘变形量反超前缘,由于滑体整体强度偏低,地下水是诱发滑坡的主要因素。

4 滑坡体结构特征

根据深孔监测数据揭示,滑坡深部位移拐点埋深位于4.0～18.8 m之间(见图13～20),结合钻探数据,滑动面主要位于土石界面附近和全风化层内,滑坡纵断面图见图22。因此,滑体主要由石炭系太原组(C3t)全～强风化泥岩、砂岩组成,薄层状结构,风化严重,裂隙节理发育,岩体破碎,局部表层覆盖第四系黄土,为可塑～硬塑状态,分布不均匀。滑体平均厚度约13 m,坡体总面积约1.35万m2,总方量约18万m3。

图22 滑坡纵断面图(高程:m)

滑动面位置与地下水位埋深基本吻合,这也再次证明滑坡体古地貌为一冲沟,地表排水不畅,大气降雨极易沿古冲沟边界往下入渗,在沟谷附近造成地下水汇集,软化土层和全风化岩层,因此在土层和风化层附近形成软弱结构面[4-5]。

5 边坡成因分析

综上勘察成果分析,该段边坡滑塌主要有三方面因素。

1) 地形原因。据实地调查并结合勘探资料,滑坡变形区域附近古地貌为一基岩冲沟,随着地质时代变迁,土体不断沉积,冲沟逐渐被土体覆盖,加之后期人为改造,形成了现在的地形地貌。程家庄部分房屋正好位于冲沟后期沉积的土体之上,房屋下部土石接触面起伏较大,土体厚度不一,地基发生不均匀沉降,地表变形。

2) 地下水原因。该地区降雨量比较丰富且相对集中,大气降雨易沿表层土体及古地貌冲沟侧缘往下入渗,下部泥岩为隔水层,地下水易在土石界面附近聚集,造成附近土体湿软,地基承载力降低,诱发房屋沉降开裂。根据钻探和深孔监测揭示,边坡地下水位位于滑动面附近。

3) 卸荷原因。根据路基开挖揭示,受构造影响,边坡前缘两侧土石结合部位部分岩体倾角较大,且两侧古地貌冲沟束窄,易造成应力集中,随着边坡开挖应力释放,边坡前缘部分土体易沿土石界面发生位移。

6 结语

文中通过物探手段,准确查明了滑坡体的边界,结合钻孔数据,对古地貌进行了局部还原,掌握了滑体的空间分布特征;根据深部位移监测方法,准确查明了滑动面的分布位置、滑体物质组成、滑坡体的变形量、变形速率,以及地下水动态分布特征,为滑坡的防治提供了精准可靠的地质依据。得出结论如下。

1) 根据深孔监测数据揭示,滑坡目前处于蠕滑阶段,稳定性较差。

2) 滑坡前缘滑动面为土石界面,后段为风化岩层,滑动面与地下水位线基本一致,由此判断边坡破坏原理主要是坡脚开挖,在卸荷作用下前缘坡体沿充填物界面发生变形,在牵引拉张过程中坡体沿最软弱部位整体发生破坏。因此,边坡变形破坏机制为牵引拉张破坏。

3) 坡脚开挖只是边坡破坏的诱发因素,控制边坡变形的主要因素是地下水。