317國道某填方路基滑坡成因與穩定性分析

邴國林，沈軍輝，劉毅

（成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，成都 610059）

317國道某填方路基滑坡成因與穩定性分析

邴國林，沈軍輝，劉毅

（成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，成都 610059）

從坡體結構、變形破裂特征和地質環境條件，研究該隧道棄渣填方路基，發現其滑坡為圓弧形破壞。對滑坡體穩定性的定量和定性分析預測，天然條件下滑坡體潛在不穩定，地震、暴雨及水庫正常蓄水條件下，將失穩破壞。建議補打鋼管樁至滑面以下進行治理。

填方路基；滑坡；成因；穩定性；317國道

某填方路基滑坡位于317國道九架棚隧道出口段，樁號為K848＋160～K848＋240里程路段。該段公路路基由隧道棄渣填筑而成，在修建317國道時，采用了擋土墻和鋼管樁進行支護，在擋土墻外側采用錨索橫梁加固［1］。公路自2009年運營以來，逐漸出現了公路路面沉陷、拉裂下錯、路基下部防護構件破壞、擋墻內傾等一系列問題，并有進一步加劇的趨勢。一旦路基邊坡發生失穩，將會阻斷交通，對317國道的安全暢通構成嚴重的威脅。因此，研究該填方路基滑坡的成因機制，評價預測滑坡的穩定性，進而提出相應的治理措施，對確保公路的安全暢通具有重要意義。

1 滑坡的地質環境條件

該滑坡位于理縣沙壩鄉境內，雜谷腦河右岸，獅子坪水庫區內，公路路面高程為2 560m。公路內側為基巖邊坡，巖性主要為三疊系中統雜谷腦組上段（T2z2）的砂巖，呈陡崖地貌，坡度大于70°；外側為人工填土邊坡，下伏部分為崩坡積，平均坡度為35°（圖1）。

滑坡所處區域屬川西高原氣候，受印度洋季風影響，具有冬季寒冷、干燥、降雨稀少，氣溫日差較大；夏季多大風、伏旱頻繁等特點。全年平均氣溫11.4℃，冬季平均氣溫－3℃左右，極端最高氣溫35.6℃，極端最低氣溫－7.4℃。全年平均降雨量613.3mm，雨季在5、6月份，歷史上日最大降雨量為59.9mm［1］。

圖1 滑坡工程地質平面圖Fig.1 Engineering geological plan of the landslide

地下水主要為孔隙水和基巖裂隙水，主要靠大氣降雨和獅子坪水庫補給。由于該區域總體降雨較少，其動態受庫水影響較大［2］，隨庫水漲落而升降。獅子坪水庫正常蓄水位為2 540m，現有水位為2 490m。

研究區在構造上位于北西向鮮水河斷裂帶與北東向龍門山斷裂帶之間的金湯弧形構造的北側，地震基本烈度為Ⅶ度，地震動峰值加速度為0.15g，地震動反應譜特征周期為0.40s。

2 滑坡的基本特征

2.1 坡體結構特征

公路路面高程為2 560m，內側邊坡主要為三疊系中統雜谷腦組上段弱－中風化變質砂巖，巖層產狀為300°∠70°，為一陡傾橫向坡，坡體穩定，呈陡崖地貌。

公路路基主要由第四系松散體堆積層組成，上部為人工填土，平均厚度約為15m，成分以塊碎石土為主，塊碎石含量＞70%，塊石塊徑一般為20～50cm，碎石粒徑一般為5～15cm，巖性主要為變質砂巖，摻有少量板巖。路基填土經碾壓相對密實，外部擋墻高約7m，路基外側堆土較松散，屬散體結構［3］；填土下部為崩坡積層，成分以碎石土為主，平均厚度約為7m，碎石粒徑一般為5～15cm，呈棱角狀，雜亂堆積，膠結差，一般為稍密（圖2）。

2.2 滑坡基本特征及變形破壞特征

滑坡位于獅子坪水庫的右岸，縱向長約40m，最大寬度約155m，后緣寬度100m，平均深度15 m，總體積約7.8×104m3（參見圖1）。正常蓄水位條件下，路基外側堆積體大部分將被庫水淹沒，滑坡體大約有1/5處于該水位以下（圖2）。

滑坡左側以一脊狀山梁為界，后緣位于317國道路基沉陷拉裂處，高程約2 560m。由于人工填土邊坡結構松散，剪出口不明顯，但根據其所處的邊坡坡形及前方的滑塌現象，推斷前緣大致位于滑塌處，高程約2 530m，平均坡度約35°，滑面為圓弧形（參見圖2）。

滑坡變形特征主要表現為公路內側路面沉降下錯，外側相對抬升，路基下部防護構件嚴重破壞等。沉陷帶沿公路發育長度達82m，平面上略呈弧形；裂縫下錯達50cm，未見張開，有后靠跡象；下邊坡防護構件被嚴重破壞（圖3），橫梁開裂，擋土墻伸縮縫加寬并有相對錯動，擋土墻略有內傾，與下邊坡相對拉開10～20cm（圖4），墻體開裂；鋼管樁孔被拉開，拉開約20cm；下部邊坡坡體拉裂縫發育，張開約5～30cm。現今這些變形破壞現象與2009年末相比，已有明顯的惡化，并有進一步惡化的趨勢。

圖2 滑坡主滑方向工程地質剖面圖Fig.2 Engineering geological profile of the landslide in the main sliding direction

圖3 下部防護構件破壞Fig.3 Damage of the under－part protection components

圖4 擋土墻內傾并有抬升Fig.4 Inclination and uplift of the retaining wall

3 滑坡的成因機制分析

3.1 滑坡形成的影響因素分析

以上滑坡的變形破壞特征表明，該滑坡的形成與路基邊坡的坡形特征、坡體結構、行車荷載、降雨及庫水位等因素密切相關。

滑坡的發育處坡體結構為一厚約30m的填方路基邊坡，斜坡平均坡度約35°，堆積體除路基部位外，總體上結構松散，穩定性差。在降雨條件下，雨水容易滲入坡體使土體含水量提高，降低了土體的物理力學性質，雨水反滲、地下水雍高均對路基填土產生影響，引起路基開裂、沉降變形，是滑坡產生的內因。

317國道是連接汶川與馬爾康重要交通干道，屬國家二級公路，重載車較多，路基邊坡在行車荷載作用下，增加了坡體的下滑力，同時加大了坡頂張應力和坡腳剪應力的集中程度，降低了邊坡的強度，為滑坡形成一大外因。

修建317國道時為保證路基的穩定，在路基下部盡管采用了擋土墻和鋼管樁進行支護，在擋土墻外側采用錨索橫梁加固，滑坡上部受到一定的約束，再加上形成荷載的施加，使其水平方向的位移受到控制。邊坡變形主要以垂直方向位移為主，主要表現為公路內側沉陷，但由于擋墻和鋼管樁的設計埋深較淺，支護作用不能控制變形體現有的變形。錨索為柔性構件，盡管能對滑坡的整體變形起到一定的制約作用，但不能有效地控制堆積體的變形。

水庫現有蓄水位為2 490m，僅堆積體前緣處于該水位之下，由于庫水沖蝕，有可能使堆積體前緣塌岸，但對滑坡的直接影響不大。但隨著水庫蓄水，庫水位逐漸升高，對填方路基邊坡的沖蝕作用加劇，邊坡前緣塌滑，浮托力增大，前緣抗滑力降低，在一定程度上加劇了蠕滑變形體的發展，對滑坡的穩定性產生一定的影響。

3.2 滑坡形成的力學機制分析

該滑坡為堆積體滑坡，主要由隧道棄渣人工填土組成，性質與土質滑坡、巖質滑坡均不同［4，5］，有其特殊的空間結構特征：該堆積體邊坡位于獅子坪水庫右岸，前緣臨空，主要由塊碎石土組成，結構松散，各巖塊相互獨立，多有架空現象，組成物質的不均勻性和土石比的差異［2］，該堆積體存在自身的潛滑面，對邊坡的整體穩定不利。

根據滑坡堆積體的剖面結構特征，其后緣即公路內側存在一明顯的沉陷區，公路外側相對抬升，圓弧狀拉裂縫后靠，前緣出現滑塌，推測滑坡的失穩破壞方式為圓弧形滑動。其力學機制為：該段317國道填方路基竣工后，在水庫方向就存在了一個高約30m的臨空面，這將導致坡體應力重分布，產生平行于外坡的裂隙，且在坡腳處拉應力集中，而拉應力集中的部位處于正常蓄水位以下，土體的物理力學性質降低，且在其上覆坡體自重和行車荷載等作用下向臨空方向發生剪切蠕滑。由于人工填方邊坡特殊的空間結構特征，在路面車載等動態荷載作用下，堆積體沿自身潛在的滑面向坡下蠕滑，后緣產生拉應力，出現拉裂縫。隨著剪切變形進一步發展，中部剪應力集中部位被擾動擴容，使斜坡下半部分逐漸隆起［6］，滑坡體前緣旋轉向外滑移，后緣明顯下沉，拉裂面后靠閉合。人工填方邊坡結構松散，雨水極易下滲，對外界條件比較敏感，在降雨、地震等外因的影響下，變形體變形將進一步加劇。當斜坡體內積累的剪應力達到潛在滑面的抗剪強度極限時，潛在滑面貫通，邊坡失穩，最終演化為滑坡。

在此滑坡形成過程中，由于路基原有的支護設施處于潛滑面以下，即出現“坐船”現象，基本不起作用，隨變形體旋轉滑動，即出現了路面內側沉降、外側相對抬升、擋土墻內傾、底部相對抬高的現象（圖5）。

圖5 滑坡整體變形示意圖Fig.5 Sketch of the Landslide deformation

4 滑坡的穩定性分析

4.1 定性分析

在天然條件下，該邊坡已具有滑坡的變形特征，整個坡體和后緣均發現有明顯的拉裂縫和路面沉陷等變形破壞特征，處于欠穩定狀態［7，8］；在暴雨及地震條件下，滑坡的穩定性進一步降低，有可能失穩破壞；水庫現有水位為2 490m，僅堆積體前緣處于庫水之下，對滑坡的直接影響較小。隨著水庫進一步蓄水，坡體中地下水位抬升，堆積體的物理力學性質降低，庫水對松散堆積體不斷沖蝕及有效孔隙水壓力的變化，致使庫岸邊坡垮塌，從而影響上部坡體的變形穩定。當蓄水達正常蓄水位時，大部分堆積體和滑坡體前緣淹沒于庫水之下，不僅導致滑坡前緣塌岸趨勢加劇，而且直接影響滑坡整體穩定性［9］，導致滑坡失穩。

4.2 定量分析

為了準確全面地評價滑坡的穩定性，采用Geoslope對滑坡的穩定性進行定量分析［9］，其巖土體物理力學參數見表1。

表1 巖土體物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters for the soil－rock mass

計算模型的建立：主要包括幾何模型的建立及材料介質參數輸入。由于擋墻和鋼管樁基本不起作用，附加荷載只考慮行車荷載與錨索，317國道為國家二級公路，行車荷載取15kN/m2。計算工況考慮下列4種：工況Ⅰ——自重工況；工況Ⅱ——自重＋暴雨工況；工況Ⅲ——自重＋地震（地震烈度Ⅶ度，加速度0.15g）；工況Ⅳ——庫區蓄水達正常蓄水位。

采用適合于圓弧形滑面的畢肖普簡化法計算滑坡在有錨索支護和未有錨索支護兩種情況，錨索長25m，錨固段長9m，間距2m，錨索預應力為900 kN。計算結果見表2。

表2 滑坡穩定系數Table 2 Stability coefficients of the landslide

計算結果表明：

（1）在沒有錨索加固時，滑坡在天然、暴雨、地震、水庫蓄水4種工況下，穩定系數均小于1.0，處于不穩定狀態。表明橫梁錨索盡管不能有效地控制填方路基的變形滑動，但對滑坡的整體穩定性起到了一定的制約作用，避免了滑坡的失穩破壞。

（2）在有錨索加固時，滑坡在天然工況下，穩定系數小于1.05，處于欠穩定狀態；在暴雨、地震、水庫蓄水工況下，穩定性系數小于1.0，處于不穩定狀態，與定性分析的結果相符。

5 結論

（1）該滑坡發生于具有一定坡高的隧道棄渣堆積體邊坡中，為一松散堆積體填方路基滑坡，有其獨特的空間結構特征。該滑坡是在坡體自重、行車荷載及庫水位變化等因素的共同作用下，可能失穩破壞方式為圓弧形破壞，表現為公路內側（滑坡后緣）路面沉降下錯，外側相對抬升，滑坡前緣局部滑移式塌岸。

（2）路基原來采用擋土墻和鋼管樁進行支護，在擋土墻外側采用錨索橫梁加固。但擋土墻和鋼管樁都處于滑面以上，對邊坡的穩定作用不大；錨索為柔性構件，盡管能對滑坡的整體變形起到一定的制約作用，但不能有效地控制堆積體的變形。

橫梁和錨索也有一定程度的破壞，但尚未完全失效，對滑坡的整體穩定性起到了一定的控制作用。

（3）宏觀定性分析和定量評價均表明：在現有的支護條件下，滑坡在天然條件下已處于欠穩定狀態，在暴雨、地震及水庫蓄水條件下，均可能導致邊坡發生整體破壞。

（4）在對滑坡成因機制的分析研究基礎上，綜合考慮各種工程措施的技術、經濟、施工等諸方面的適宜性，建議采用補打鋼管樁至滑面以下的治理方案對滑坡進行加固，同時加強監測。

［1］劉毅.317國道獅子坪水庫區改線段公路病害研究［R］.成都理工大學，2010.

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FORMATION MECHANISM AND STABILITY OF A FILLED ROADBED LANDSLIDE ON NATIONAL HIGHWAY317

Bing Guo－lin，Shen Jun－hui，Liu Yi
（State Key Laboratory of Geo－hazards and Geological Environment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China）

The filled roadbed is studied in terms of its structural，deformational and geological conditions，with the discovery of its circular deformation.The quantitative and qualitative analyses indicate that it is potentially unstable under natural conditions and will be destabilized as a rainstorm or earthquake occurs，or the water in the reservoir reaches the normal level.It is proposed that the landslide be treated with steel－pipe piles.

filled roadbed；landslide；formation mechanism；stability；National Highway 317

P642；P642.22

A

1006－4362（2011）03－0026－04

2010－11－25 改回日期：2011－05－16

邴國林（1985－ ），女，山東省冠縣人，漢族，在讀碩士，地質工程專業，主要從事地質災害評價及巖土體穩定性研究。