云南元武高速公路滑坡穩(wěn)定性分析

李 全，金培杰，張紅利

(1．云南元武高速公路建設(shè)指揮部，云南 昆明 650032;2．中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

云南元武高速公路滑坡穩(wěn)定性分析

李 全1，金培杰2，張紅利2

(1．云南元武高速公路建設(shè)指揮部，云南 昆明 650032;2．中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

云南元謀至武定高速公路穿越多個(gè)區(qū)域構(gòu)造斷裂帶，沿線滑坡、坍塌等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，危及線路施工及后期運(yùn)營(yíng)。本文對(duì)公路沿線地形和地質(zhì)特征進(jìn)行分析;通過(guò)對(duì)沿線23處滑坡進(jìn)行調(diào)查，按照滑坡體物質(zhì)、厚度和規(guī)模進(jìn)行分類，并對(duì)滑坡產(chǎn)生的原因從地層巖體結(jié)構(gòu)、地形地貌和地質(zhì)條件、巖層地質(zhì)特性、施工因素、人類活動(dòng)影響等方面進(jìn)行分析;應(yīng)用Bishop法和N．Janbu法對(duì)7處滑坡的穩(wěn)定系數(shù)和破壞概率進(jìn)行了計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果提出工程整治建議。

滑坡 分類 工程地質(zhì) 穩(wěn)定性分析

云南元謀至武定高速公路是“十一五”計(jì)劃國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，是國(guó)家西部開(kāi)發(fā)通道蘭州至磨憨公路在云南境內(nèi)的重要路段，是連接我國(guó)西南、西北及通向南亞、東南亞各國(guó)的國(guó)際大通道的組成部分，是云南通往四川的主要通道，也是楚雄州規(guī)劃的“三縱三橫”骨架公路網(wǎng)的重要組成部份。整條高速公路由西北向東南貫穿于云南省楚雄州境內(nèi)。

元武高速公路穿越元謀—綠汁江大斷裂、發(fā)窩—中干河斷裂、迤納廠斷裂等區(qū)域構(gòu)造斷裂帶(圖1)，受斷裂構(gòu)造帶的影響，線路通過(guò)地段巖層破碎、地下水發(fā)育，邊坡失穩(wěn)、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害頻頻發(fā)生，對(duì)線路的施工及運(yùn)營(yíng)構(gòu)成很大威脅。

圖1 路線穿越構(gòu)造斷裂帶示意

本文針對(duì)元武高速公路的滑坡、邊坡失穩(wěn)等，分析研究其病害類型及地質(zhì)特征，探討成因，并對(duì)其穩(wěn)定性做出分析與評(píng)價(jià)，為工程處治提供依據(jù)。

1 沿線滑坡地段的地形與地質(zhì)特征

1.1 地形特征

云南元武高速公路地處云貴高原西部，橫斷山脈南延地區(qū)，穿越復(fù)雜地貌單元。區(qū)域內(nèi)高山峽谷特征明顯、溝谷縱橫，河流切割深，高山與河谷高差大，河谷呈“V”形高山峽谷地貌，地形陡峭，巍峨險(xiǎn)峻，高低起伏較為頻繁。

該條公路中的木溪悟段、龍王廟段是此類地形的典型代表路段，其地層分布與地貌形態(tài)受南北向構(gòu)造及多期構(gòu)造相互干擾與交匯的控制，滑坡地段一般呈現(xiàn)多期構(gòu)造剝蝕面及山梁、溝谷相間或相互組合的地貌形態(tài)。

木溪悟河岸和龍王廟段山坡巖性軟弱。受木溪悟河流和山間溪流雨季徑流沖刷影響，削弱了斜坡下部的支撐力，同時(shí)形成了較多的臨空面，山體易沿著軟弱滑動(dòng)帶形成滑坡、坍塌等自然災(zāi)害。

沿線出現(xiàn)的大部分老滑坡群一般表現(xiàn)為具有明顯的圈椅狀或兩山梁夾持的低洼地或凹槽狀的地貌形態(tài)，或是處在山間斷陷盆地邊緣地帶，由此形成較大匯水面積，促使滑坡體在這兩處路段大量分布，給公路施工及運(yùn)營(yíng)維護(hù)帶來(lái)較大危害。

1.2 地質(zhì)特征

元武高速公路沿線主要出露第四系全新統(tǒng)與下更新統(tǒng)、下第三系、白堊系、侏羅系、寒武系、下元古界等不同時(shí)代的地層，地層的分布受到斷裂構(gòu)造帶的控制。

公路在K87+456附近穿越元謀—綠汁江大斷裂帶，該斷裂影響線路范圍自K87+150起，止于K104+380附近。發(fā)窩—中干河大斷裂帶在K144+900附近與路線幾乎正交，線路從K143+430開(kāi)始受到影響，止于K145+680附近。該斷裂帶以南，斷層兩旁地層有顯著差異，西部為下元古界昆陽(yáng)群，巖性主要為變質(zhì)砂巖、千枚巖、板巖夾粉砂巖。東部為古生界地層，巖性主要為粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、鈣質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r及泥巖、砂巖等。

這兩條斷裂帶出露巖層大多為壓碎巖、碎裂巖、糜棱巖及斷層泥等，工程地質(zhì)特性極差，地下水賦存豐富，對(duì)線路及工程建筑物具有較大危害。

2 滑坡病害的類型

根據(jù)《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(JTG C20—2011)及鐵路、公路部門(mén)多年來(lái)對(duì)邊坡病害的總結(jié)與研究，結(jié)合對(duì)元武高速公路地形、地質(zhì)情況的分析，提出按邊坡的變形類型劃分公路沿線的地質(zhì)災(zāi)害類型，這對(duì)于認(rèn)識(shí)滑坡、坍塌與邊坡失穩(wěn)等類型和確定防治工程措施較為有利。對(duì)滑坡則采用按滑體的物質(zhì)分類、以滑動(dòng)面成因?yàn)榛A(chǔ)，再結(jié)合滑坡體厚度和其他特征指標(biāo)進(jìn)行分類的方法。調(diào)查的23處滑坡概況及其分類見(jiàn)表1。

表1 滑坡工點(diǎn)分類匯總

由表1可見(jiàn)，按滑體物質(zhì)分類，滑坡可分為:

1)堆積層滑坡。包括殘積黏土滑坡和坡積層滑坡。前者為滑體由風(fēng)化殘積土層組成，也包括具有脹縮性的黏土層滑坡，K88+380—K88+830，K144+660—K144+750段滑坡為代表。其表現(xiàn)形式為邊坡坍塌逐漸發(fā)展成為滑坡。后者主要以坡積成因的碎石土及角礫組成滑體物質(zhì)，松散易于坍滑為其特點(diǎn)。K83+180—K83+850，K89+100—K89+250，左 K101+060—K101+418，K145+320—K145+540 等滑坡、坍塌邊坡為此類滑坡的代表。

2)巖石滑坡。以泥巖、泥質(zhì)粉砂巖等軟巖組成的邊坡，K94+388—K94+597，K143+350—K143+430等區(qū)段滑坡屬于這種類型。

3)構(gòu)造破碎巖石滑坡以碎裂巖、糜棱巖及斷層泥等破碎巖石為滑體主要組成物質(zhì)。左 K100+120—K100+282，右 K101+712—K101+846，K144+960—K145+300等區(qū)段滑坡為此類代表。

3 滑坡產(chǎn)生的原因分析

3.1 存在具有不同巖體結(jié)構(gòu)的地層

元武高速公路沿線出露不同時(shí)代的地層巖性，在公路沿線挖方路段形成20 m以上高邊坡較多，由于地質(zhì)構(gòu)造斷裂帶發(fā)育及地層巖性復(fù)雜，形成不同類型的巖體結(jié)構(gòu)，而邊坡的穩(wěn)定與否直接受到巖體結(jié)構(gòu)類型的控制，為此，對(duì)公路沿線邊坡的巖體結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行劃分，以進(jìn)一步了解各種巖體結(jié)構(gòu)在邊坡臨空條件下的破壞模式。巖體結(jié)構(gòu)的類型劃分如下:

1)層狀結(jié)構(gòu)。按組成邊坡的巖層產(chǎn)狀與臨空面的關(guān)系可分為順傾層狀結(jié)構(gòu)、反傾層狀和斜交層狀結(jié)構(gòu)等類型。層狀結(jié)構(gòu)的邊坡以順傾層狀結(jié)構(gòu)對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響最大，邊坡在開(kāi)挖過(guò)程中易于形成順層滑坡。斜傾層狀結(jié)構(gòu)的邊坡也會(huì)出現(xiàn)順層滑動(dòng)情況，對(duì)施工及運(yùn)營(yíng)都會(huì)造成較大的危害。反傾結(jié)構(gòu)的邊坡一般形成局部崩塌、落石等危害，其危害程度小于前兩種結(jié)構(gòu)。

2)塊狀結(jié)構(gòu)。組成邊坡巖體的巖性為沿線出露的粉砂巖或泥質(zhì)粉砂巖等，通常以兩組結(jié)構(gòu)面發(fā)育和切割為主要特征，層面構(gòu)造相應(yīng)因厚層而起次要作用，巖體多被分割成塊狀，變形破壞主要受結(jié)構(gòu)面控制。元武高速沿線基本都由厚層狀粉砂巖組成且為塊狀坡體結(jié)構(gòu)特征邊坡，少數(shù)路段存在結(jié)構(gòu)面切割嚴(yán)重的塊狀碎裂結(jié)構(gòu)的坡體。

3)構(gòu)造破碎結(jié)構(gòu)。組成邊坡的巖體由構(gòu)造破碎的巖體組成，這些破碎巖體為壓碎巖、碎裂巖、角礫巖、糜棱巖或呈泥巖夾碎塊石、碎塊石夾泥等。沿線構(gòu)造破碎結(jié)構(gòu)巖體主要集中出現(xiàn)在元謀斷裂帶和法窩—中甘河斷裂帶等有較大的區(qū)域結(jié)構(gòu)斷裂帶附近，另外，在擠壓較嚴(yán)重的背斜構(gòu)造分布路段也有此類結(jié)構(gòu)的坡體存在。

4)散體結(jié)構(gòu)。這是碎裂結(jié)構(gòu)的特殊情況，而且主要指的是構(gòu)造破碎帶中的糜棱巖及斷層泥等，經(jīng)風(fēng)化作用等后期改造作用而失去膠結(jié)力或粒間連接力，大部分已呈渣狀或散粒狀，也有散粒物包裹大小不等巖塊的情況，這種結(jié)構(gòu)的坡體往往會(huì)產(chǎn)生坍滑變形，開(kāi)挖邊坡會(huì)出現(xiàn)隨挖隨塌的情況。

3.2 地形地貌與地質(zhì)條件的影響

構(gòu)造斷裂帶或多期構(gòu)造交會(huì)地帶控制著滑坡、坍塌與失穩(wěn)病害的分布。沿線以南北壓扭性斷裂為主干構(gòu)造，它多由斷層破碎帶及眾多的南北向復(fù)式褶皺群組成，地貌上表現(xiàn)為較大的埡口或斷裂溝谷分布地帶。同時(shí)，亦呈現(xiàn)有相間排列的狹長(zhǎng)山梁與溝槽展布地帶。

滑坡體的分布受地貌形態(tài)、地質(zhì)因素制約。沿線地質(zhì)構(gòu)造以南北構(gòu)造為主干構(gòu)造，南北構(gòu)造與多期構(gòu)造相互干擾與交匯控制。滑坡、坍塌及邊坡失穩(wěn)多呈現(xiàn)構(gòu)造剝蝕面及山梁、溝谷相間或相互組合的地貌形態(tài)，或是處在山間斷陷盆地的邊緣地帶，有的地勢(shì)較為平緩，卻是滑坡、坍塌及邊坡失穩(wěn)集中發(fā)育的地帶，如太和寺滑坡、把渡滑坡、廟山滑坡等地段。

3.3 不同巖層地質(zhì)特性的影響

地層、巖性的軟硬程度決定著滑坡、坍塌與失穩(wěn)的分布與發(fā)育。元武高速公路沿線分布著侏羅紀(jì)、白堊紀(jì)、第三系及早更新統(tǒng)不同時(shí)代的地層，地層的分布也都是受到大的斷裂構(gòu)造的控制。與此同時(shí)，沿線出露的粉質(zhì)砂巖或夾有粉質(zhì)砂巖、泥巖粉質(zhì)砂巖的巖性較為軟弱，受構(gòu)造擠壓容易破碎，同時(shí)由于地下水的軟化作用而使巖層形成泥化物或泥夾碎石，或者由于風(fēng)化作用而形成松散的碎屑物質(zhì)。因此，在重力作用下易產(chǎn)生滑坡、坍塌與失穩(wěn)等自然災(zāi)害。

3.4 施工的影響

施工產(chǎn)生的臨空面、橫向棄土堆積導(dǎo)致的巖(土)體荷載增加，使原有的坡體應(yīng)力平衡狀態(tài)被破壞。

3.5 人類對(duì)自然的改造與破壞因素

墾荒種田、砍伐森林造成植被破壞嚴(yán)重及水土流失引起河流、溪流對(duì)地表沖刷破壞作用加劇也是滑坡、坍塌的主要原因之一。

4 滑坡的穩(wěn)定性判別與分析

對(duì)不同滑坡、坍塌體及邊坡失穩(wěn)的穩(wěn)定性判斷，需從定性分析與定量計(jì)算兩方面入手，以便為滑坡及失穩(wěn)邊坡的處治提供依據(jù)。以下為典型滑坡及失穩(wěn)邊坡的實(shí)例分析。

4.1 滑坡體失穩(wěn)的基本分析

1)基本范圍與特征

滑坡及失穩(wěn)邊坡的特征包括地貌特征、形態(tài)特征，所處的位置與路線、地形、溝谷、河流的關(guān)系，以及滑坡及失穩(wěn)邊坡在平面位置的分布、縱向長(zhǎng)度、橫向?qū)挾龋熬墶⒑缶壟c地形的關(guān)系等。滑坡及失穩(wěn)邊坡與這些基本特征有一定關(guān)系，應(yīng)引起高度重視。

2)滑體物質(zhì)與地質(zhì)結(jié)構(gòu)

滑坡及失穩(wěn)邊坡與滑體物質(zhì)、地質(zhì)結(jié)構(gòu)有著直接的關(guān)系，這是滑坡及失穩(wěn)邊坡產(chǎn)生的物質(zhì)基礎(chǔ)。元武高速公路比較典型的滑體物質(zhì)包括第四系全新統(tǒng)(Q4)和下更新統(tǒng)(Q1)、侏羅紀(jì)下統(tǒng)馮家河組(J1f)、白堊系上統(tǒng)(K2)、寒武系()等。

地質(zhì)構(gòu)造方面的影響因素包括上覆坡積層、堆積物、巖層產(chǎn)狀(走向和傾角)，土層與巖層、巖層與巖層之間的相互關(guān)系，破碎帶、斷層、褶皺的分布，層面、節(jié)理面、片理面、接觸面、斷層面、不整合面等。

3)地質(zhì)勘察資料分析

查明滑坡、坍塌體及失穩(wěn)邊坡中的軟弱層或滑動(dòng)面，通過(guò)土工試驗(yàn)確定重度、黏聚力、內(nèi)摩擦角、土體的含水率、液塑性指數(shù)等數(shù)值，查清地表水、地下水的持續(xù)作用情況。調(diào)查滑坡、坍塌體及失穩(wěn)邊坡與公路建筑物的關(guān)系，滑體厚度的確定等，這些數(shù)據(jù)和界面的確定，將為穩(wěn)定性計(jì)算提供基本數(shù)據(jù)。

4)工程實(shí)施的影響

工程施工雖不是產(chǎn)生滑坡、坍塌體及失穩(wěn)邊坡的決定因素，但卻是主要的誘發(fā)因素，例如路基填方會(huì)產(chǎn)生加載作用，路基挖方會(huì)產(chǎn)生新的臨空面，隧道開(kāi)挖、橋梁基礎(chǔ)的施工都有可能打破土體的應(yīng)力平衡狀態(tài)。

4.2 計(jì)算實(shí)例及分析

滑坡、坍塌體失穩(wěn)分析的一個(gè)重要步驟是穩(wěn)定性的定量計(jì)算，本文采用簡(jiǎn)化Bishop法和N．Janbu提出的非圓弧普遍條分法確定穩(wěn)定安全系數(shù)。

滑坡及失穩(wěn)邊坡的定量計(jì)算過(guò)程，應(yīng)貫徹綜合考慮、動(dòng)態(tài)跟蹤的原則。應(yīng)在充分掌握現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)與水文條件、滑體物質(zhì)及其性質(zhì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行定量計(jì)算。計(jì)算時(shí)應(yīng)注意計(jì)算參數(shù)的選取。典型滑坡及失穩(wěn)邊坡的巖性為粉質(zhì)砂巖與泥質(zhì)粉砂巖、亞黏土、黏土及碎石土，主要物理力學(xué)指標(biāo)包括:重度、黏結(jié)力與內(nèi)摩擦角。巖土體物理力學(xué)參數(shù)依據(jù)《元謀—武定高速公路兩階段施工圖設(shè)計(jì)》地勘資料及專項(xiàng)勘察地質(zhì)資料提供的試驗(yàn)數(shù)據(jù)、工程地質(zhì)參數(shù)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取。

采用 Slope/W 軟件，應(yīng)用 Bishop法或 N．Janbu法，對(duì)部分典型滑坡及失穩(wěn)邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性計(jì)算和破壞概率分析，其中7處計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2中的穩(wěn)定狀態(tài)與發(fā)生概率均符合實(shí)際。對(duì)不同地質(zhì)條件分別采取工程措施。對(duì)1號(hào)，4號(hào)邊坡建議采用錨索框格梁，錨索長(zhǎng)度21～27 m;2號(hào)，3號(hào)，6號(hào)邊坡建議采用抗滑樁，樁長(zhǎng)21～28 m;7號(hào)邊坡建議采用錨索桿框格梁，錨桿長(zhǎng)度12～16 m;5號(hào)邊坡安全系數(shù)符合治理?xiàng)l件，但發(fā)生概率較小。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)元武高速公路的典型滑坡及失穩(wěn)邊坡的地形、地質(zhì)特征分析，從滑體物質(zhì)、滑動(dòng)面特征、滑體厚度與規(guī)模及其它特征進(jìn)行判別，對(duì)公路沿線的滑坡災(zāi)害作了分類。同時(shí)通過(guò)穩(wěn)定系數(shù)的定性分析及定量計(jì)算，得出滑坡及失穩(wěn)邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)論，為實(shí)際工程處治提供了依據(jù)，其研究方法可供類似工程借鑒。

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U416．1+63

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．04．33

1003-1995(2013)04-0109-04

2012-06-14;

2013-01-16

李全(1965— )，男，云南昆明人，高級(jí)工程師。

(責(zé)任審編 李付軍)