彭家灣古滑坡體的破壞機制及處置技術初探

元德壬 溫 博 陳從新 夏開宗 宋許根 陳 山

(廣西河百高速公路有限公司1) 南寧 547500) (中國科學院武漢巖土力學研究所巖土力學與工程國家重點實驗室2) 武漢 430071)

彭家灣古滑坡體的破壞機制及處置技術初探

元德壬1)溫 博1)陳從新2)夏開宗2)宋許根2)陳 山2)

(廣西河百高速公路有限公司1)南寧 547500) (中國科學院武漢巖土力學研究所巖土力學與工程國家重點實驗室2)武漢 430071)

以湖北宜巴高速公路上的彭家灣古滑坡體為工程背景，依據其工程地質條件，采用地質力學分析方法對古滑坡破壞機制進行了初步分析，利用獨立塊體穩定性系數法對該邊坡進行了穩定性分析.在此基礎上，對該邊坡進行加固處置，并對加固后的邊坡進行了地表及深部巖體變形監測.結果表明，彭家灣古崩滑體前緣(開挖擾動范圍內)的穩定性不足，存在沿著滑帶土層塌滑的可能，若前緣發生破壞，整個古滑坡有可能沿著滑帶土層產生整體順層滑移，產生滑移-拉裂破壞模式；采用抗滑樁對彭家灣古滑坡體前緣進行支護，同時做好相應的排水工程，是加固該古滑坡體最有效的加固方式；變形監測表明坡體的整體穩定性良好，說明治理效果十分明顯.

古滑坡體；邊坡穩定性；破壞機制；處置技術；變形監測

0 引 言

湖北宜巴高速公路東起宜昌市夷陵區，向西途經興山、秭歸、巴東三縣轄區，止于火燒庵(鄂渝界)，全長約178 km，工程概算總投資167億元，是迄今湖北省造價最高、建設難度最大的高速公路項目[1].工程項目所處地質條件復雜多變，不良地質種類繁多，沿線有20多處軟硬交互性崩滑體滑坡影響公路的安全，其中最為典型的是途經彭家灣路段的古崩滑坡積體邊坡，該邊坡下覆為侏羅系泥巖、砂巖、粉砂巖互層，上覆為崩坡積堆積體[2-6].調查表明：上覆為崩坡積堆積體分布范圍廣、厚度大，巖體力學性質較差，并且坡體上分布有大量的民用房屋.一旦該古崩滑體穩邊坡發生失穩定破壞，勢必將會影響到工程基礎的安全，居民的生命安全.因此，必須對該古崩滑體邊坡穩定性進行評價，并采取合理的處置方法，以確保宜巴高速公路的施工及長期運營安全.

文中在彭家灣工程地質調查的基礎上，采用地質力學分析方法對古滑坡進行穩定性分析，利用獨立塊體穩定性系數法對古滑坡進行定量分析，在所得破壞機制的基礎上，選取了合適的加固措施對該古滑坡邊坡進行處置，對加固效果進行了評價.

1 工程地質調查與分析

1.1 工程地質調查

彭家灣古崩滑體分布于涼臺河南岸，平面形態總體呈一不對稱的‘鐘’形，區內地形較周邊明顯變緩.北側前緣以一北東向狹窄沖溝為界(見圖1)，切割深10～30 m，兩側形成陡坡；南側后緣以基巖裸露的陡坡陡坎為界，后緣因長期剝蝕與人工改造，地形稍陡.堆積區內坡面總體較緩，以中部崩滑錯落坎為界，可分為南東、北西兩個亞區，兩區的地貌特征具有較大差異.

根據鉆孔揭露及地面地質調繪，古崩滑體主要由上覆第四系殘坡積含礫粉質粘土層、崩坡積塊石滾石夾粘性土(局部為粘土夾層或透鏡體)構成(見圖2～3)，分布范圍廣、厚度大，物質組成復雜多變，層位差異性變化大.下伏基巖為侏羅系中統下沙溪廟組碎屑巖.控制性勘探剖面揭露，發現前緣以上堆積層底界下存在基本連續的全～強風化狀泥巖層，似為 ‘古滑帶’，但前緣缺失.另發現塊石土層中存在局部粘性土夾層或透鏡體.根據坡體物質組成、結構特征、巖性及風化程度等差異性，巖層由上至下為含角礫碎石粉質粘土層、滾石塊石夾粘性土、全～強風化粉砂質泥巖和中風化長石石英砂巖組成.

圖1 滑坡全貌圖

圖2 坡積塊石滾石夾粘性土

斜坡前緣坡腳出露基巖，基座之上為斜坡堆積覆蓋層.上覆層總體具有后緣變薄、向前緣增厚的特點，至前緣臨空帶又以陡坡降形式變薄(見圖3).分段展布特點如下.后緣第四系上覆層總體厚度較小，一般小于5 m，在后緣以上及兩側陡坡、沖溝中見基巖露頭，表層覆蓋0.5～1.5 m含礫粉質粘土層.中段上覆含礫粉質粘土層分布較均勻，厚度一般2.0～3.8 m；堆積層總厚度23.1～24.7 m，局部受地形起伏影響厚度略有變化；下段堆積層總厚度23.1～43.6 m，由上坡方至下坡方增厚，表層含礫粉質粘土層厚4.0～7.0 m.前緣堆積層厚度向下坡方變薄，坡腳出露基巖底座，巖層分布穩定，產狀36°～50°∠12°～21°，與周邊產狀基本一致，成順向坡結構.

古崩滑坡地處涼臺河中段.全長約542.4 km，

圖3 宜巴高速沿途彭家灣邊坡典型地質斷面圖

流域面積193.7 km2，多年平均流量8.34 m3/s.該河流屬山區雨源性河流，河道蜿蜒曲折，主要匯集區內降雨而成，水量季節性變化劇烈，水位暴漲暴跌.地下水主要有基巖裂隙水、堆積物孔隙水兩種類型.覆蓋層在鉆進過程中漏水現象嚴重，孔隙發育、滲透性強.持續的強降雨可使土體含水量劇增，甚至達到飽和狀態，區內砂巖、泥質粉砂巖與泥巖呈互層狀分布，淺部巖體構造、風化卸荷裂隙發育，為地下水存貯提供了一定的空間.雨季積聚的孔隙水和裂隙水最終順坡向周邊沖溝及坡腳涼臺河河谷排泄.

1.2 工程地質分析

邊坡變形破壞的主要影響因素包括地層巖性、地質構造、坡體結構、坡形、地下水、天然應力和自然或人為因素引起的坡體卸荷方式(如河流下切、邊坡開挖)等.綜合以上因素，從自然歷史角度分析推斷彭家灣古崩滑體的形成機制及其將來可能的變形破壞模式.

1) 古崩滑體的形成機制分析 侏羅紀時期沉積形成的沙溪廟組巖層為長石石英砂巖、粉砂巖和泥巖不等厚互層，厚度超過2 000 m，在彭家灣斜坡發展的各階段，涉及巖層的組合有各種可能[7].當前古崩滑體形成于厚層砂巖沿下伏厚層泥巖為主夾薄層砂巖的軟弱基座失穩破壞.首先是上覆砂巖下伏厚層泥巖的巖性差異，使得上覆砂巖在泥巖牽引作用下處于拉伸狀態，結果使坡后緣則出現拉應力集中，并且在砂巖中可發現一定深度的張裂縫形成，地表水不斷地沿張開的裂縫滲入并達到泥巖層.其次，若河流下切至泥巖層時，將會使得坡體臨空面形成，應力得到釋放，坡體有了空間，具備產生大變形的條件.加之，靠近坡腳的軟弱泥巖會被河水侵蝕掏空，使得其上砂巖處于懸臂狀態，易發生崩塌，牽引著后緣砂巖產生逐級拉裂滑移.最后，在差異風化、卸荷回彈、地表水入滲侵蝕軟化泥巖等的綜合作用下，大滑面將會貫通形成，整個坡體將會沿著軟弱巖層面向河谷方向滑動，大部分堵塞河道或堆積在坡腳緩坡地帶.此時河流會不斷地沖蝕掉堆積體，繼續發育.由于砂巖層的強度高，截至目前河流側蝕對古滑坡體的穩定影響還比較小，而古滑坡體在經歷同期的風化剝蝕作用，坡面形態發生了改變，最終達到新的平衡，形成了現今自然休止穩定的邊坡形態.以上所述古崩滑坡形成機制可概述為滑移—拉裂.

2) 古崩滑體的現狀變形破壞分析 坡體現狀變形破壞分析包括兩個對象，即上覆堆積體和其下砂泥巖互層.目前坡腳出露穩定基巖底座，河水沖刷對上覆堆積層已無直接影響，前緣堆積層坡面坡度達到其自然穩定休止角，而上部坡面地形亦已趨平緩，且在表層覆蓋數米厚的含礫粘土，不利于降水入滲，因此，該區段堆積層總體上保持自然穩定狀態.但坡面局部土體因雨季飽水軟化、切坡臨空可發生坍滑破壞，此種屬于淺表土體中的局部變形破壞現象.推測該區坡體在自然條件下，在降雨、風化-剝蝕以及重力、地震等內、外動力因素作用下，坡面陡坎逐漸夷平，坡體中的塊石進一步風化解體，坡體含水量隨季節干濕變化，致其自身體位及內部結構進一步調整，進而引起形態緩慢發生改變.而前緣陡坡地帶受雨季片流沖刷剝蝕，可產生局部坍滑破壞(如1982年的局部坍滑).宜巴高速公路的修建，使得該古滑坡體前緣受到了明顯的開挖爆破擾動，影響到前緣坡體的穩定性，在極端狀況下有可能沿著‘古滑帶’發生破壞.

2 邊坡穩定性分析

2.1 獨立塊體穩定系數法概述

從研究區工程地質調查可知：一方面，場區堆積體主要為塊石滾石夾粘性土，依據孫廣忠的巖體結構控制理論[8]，堆積體的結構類型為散體結構，各個塊體是相互獨立的；另一方面，場區邊坡的巖層傾角較緩，自然情況下比潛在滑動面內摩擦角小得多，各部分巖體在自然狀態下都能保持很好的自平衡狀態.這種情況下，傳統的極限平衡安全系數得到的是潛在滑面以上滑體的整體安全儲備，無法反映邊坡各部分塊體安全儲備的分布和變化情況.為了考慮開挖擾動、坡面荷載等對各部分塊體變化情況和變化規律，引入各塊體獨立安全系數的概念[9]，將潛在滑面以上的巖體分割成一定寬度的獨立塊體，對條塊穩定性系數進行了定義.通過分析不同塊體隨開挖過程安全儲備的變化來研究施工開挖對邊坡穩定性的影響.

2.2 研究區的塊體穩定性

選取典型計算剖面，并將坡面簡化為折線(考慮到施工荷載的原因，坡面加載30 kN/m)，堆積體與第一層泥巖層之間的滑帶土層為整個坡體的潛在滑動面(見圖4).潛在滑動面上部巖體分為33個獨立塊體，前緣1～13塊體(開挖擾動范圍)間距為8 m，中間14～25塊體間距為18 m，后緣26～33塊體間距為10 m.根據標準《中國地震動參數區劃圖》(GB18306—2001)，區內地震動峰值加速度為0.05g，地震動反應譜特征周期0.35 s，橋址區屬6度地震區，故其地震加速度取0.05g，即施加0.49 m/s2水平加速度作用.

圖4 邊坡簡化計算模型

條塊穩定系數的定義仍然沿用強度安全儲備系數概念，實際計算時為滑面的抗剪強度和下滑力比值，即

(1)

式中：Ni為所有力向垂直于滑面方向的力；Ti為所有力向平行于滑面方向的力；ci和φi為第i條塊滑面的抗剪強度，bi和ai,見圖5.

圖5 第i條塊受力示意圖

由于地表層含礫粘性土與中間層中的粘土夾層或透鏡體性質相似，計算時滑體重度取中間層的重度，天然重度為20.1 kN/m3，飽和重度取20.3 kN/m3.經過室內試驗和相關工程得到的滑帶土在天然和飽和狀態下的抗剪強度參數見表1.經過計算，列出了邊坡在極端不利工況下的(飽水狀態+地震狀態+施工開挖)條塊穩定性系數見表2.

表1 滑帶土天然和飽水狀態下抗剪強度綜合取值成果

表2 條塊的穩定性系數

根據文獻[10]可知，高速公路滑坡體安全系數控制標準為1.2～1.3，在考慮地震力、多年暴雨的附加作用影響時，安全系數可適當折減0.05～0.1；根據文獻[11]可知，一級公路折線滑動安全系數控制標準為1.35，圓弧滑動安全系數控制標準為1.30；根據文獻[12]可知，非涉水工程考慮暴雨工況的安全系數控制標準為1.2.所以，依據這些規范規定及宜巴高速公路安全運行的要求，推薦彭家灣古崩滑體的穩定性安全系數1.14.顯然，在極端工況下，前緣1～13塊體(開挖擾動范圍)塊體穩定性系數小于安全控制系數，表明該范圍的巖體在極端不利情況下已不穩定，說明施工開挖是引發邊坡失穩關鍵因素.所以，彭家灣古崩滑體前緣(開挖擾動范圍內)的穩定性最為關鍵，其穩定性不足，存在沿著滑帶土層塌滑的可能，若前緣發生破壞，必將進一步影響彭家灣古崩滑體的整體穩定性，沿著滑帶土層產生整體順層滑移，產生滑移-拉裂破壞模式，這與切坡工程地質分析所得的結論是一致的.

3 邊坡加固措施

工程地質力學分析和坡前緣條快穩定計算結果表明，彭家灣古崩滑體存在前緣剪切破壞的可能，其長期穩定性不足，因此必須對彭家灣古崩滑體前緣坡體采取加固措施.目前，國內外邊坡的支護主要采取的支護方式包括支擋、錨固工程，坡面防護，削方減載和排水工程這五類[13-14].針對彭家灣松散堆積層較厚，巖體力學性質較差，再加上潛在滑動面傾角較緩的特點，在坡體前緣設置抗滑樁、擋土墻，同時做好相應的排水工程，是最有效的加固方式.所以，采用了抗滑樁對彭家灣古滑坡體前緣進行支護，其布置見圖6.抗滑樁現場施工情況見圖7.

圖6 抗滑樁布置示意圖

圖7 抗滑樁施工

由圖6可知，布置在古滑坡體前緣的抗滑樁有兩排，斷面形狀為長方形，間距約為6 m，第一排設計了編號依次為1#，2#～15#的15根抗滑樁，其中1#～4#抗滑樁設計邊長為2 m×3 m，其余設計邊長為2.4 m×3.6 m，第二排設計了編號依次為16#，17#～39#的24根抗滑樁，其中35#～39#抗滑樁的設計邊長為2 m×3 m，其余設計邊長為2.4 m×3.6 m.

4 邊坡加固效果

4.1 測點布置

圖8 GPS監測點和深孔監測點布置圖

為了檢驗邊坡加固后的效果，擬對彭家灣古滑坡體進行地表三維變形監測和深部巖體監測.三維巖體變形監測主要采用全球定位系統(GPS)，監測儀器為Topcon GB-1000 GPS接收機，滑坡體共布設基準點3個(G1,G2,G3)、地表變形測點11個(A1～A11)，兩臺長時間固定于基準點處，作為控制點，其余GPS于各時段分置各個監測點，其測點布置見圖8.深部巖體變形監測采用深部滑動測斜儀進行，監測儀器為美國SINCO公司的50325-M型鉆孔傾斜儀，共布設測孔3個(S1，S2，S3)，測孔深度依次為51，33和58 m，孔深均超過該處基巖面以下4～5 m.地表變形測點和深部測孔主是圍繞彭家灣古滑坡主軸線進行布置的，這樣能很好地反映滑坡變形特征.

4.2 監測結果

彭家灣滑坡測點的現場布置開始于2011年3月，2011年5月現場變形監測系統布置完畢.地表變形監測從2011年5月—2013年1月，共進行了12次監測.具體監測結果見圖9.深孔監測從2011年8月—2013年1月，共進行了9次，其監測成果見圖9～11.

圖9 S1號深孔變形

圖10 S2號深孔變形

圖11 S3號深孔變形

4.3 監測結果分析

從GPS測點水平變形來看，A02由于信號不好，已被踢除掉)，測點的水平變形隨時間表現為波動型，A01在0.1～1.1 cm波動，A03在0.5～1.5 cm波動，A04在0.2～1.1 cm波動，A05在0.2～1.5 cm波動，A06在0.3～1.5 cm波動，A07在0.2～2.0 cm波動，A08在0.2～1.3 cm波動，A09在0.2～1.7 cm波動，A10在0.4～1.8 cm波動，A11在0.3～1.7 cm波動，出現此種波動現象，這主要是由于測量儀器誤差造成.所以彭家灣古滑坡坡面暫未出現明顯的地表變形特征，整體穩定性相對較好.

由圖9～11可知，每個孔從孔底到孔口的變形隨深度不斷減小而逐漸增大，表現出明顯的線性變化，沒有錯動現象發生.其中，1號孔的累計變形約為2.5 cm(發生在2012年9月，2012年11月和2013年1月)，并在15 m附近處略有突變，這有可能管子彎曲造成的.2號孔累計變最大變形為1.9 cm，發生在2012年7月.3號孔截止到2013年1月，孔口發生了累計變形為4.7 cm，在9 m附近處略有突變，這同樣有可能管子彎曲造成的.所以從深部變形角度來看，彭家灣軟硬互層滑坡未出現滑動面，整體穩定性良好.

5 結 論

1) 工程地質力學分析和塊體穩定性計算表明,彭家灣古崩滑體前緣(開挖擾動范圍內)的穩定性不足，存在沿著滑帶土層塌滑的可能.

2) 若前緣發生破壞，整個古滑坡有可能沿著滑帶土層產生整體順層滑移，產生滑移-拉裂破壞模式，再一次呈現了古崩滑體的形成過程.

3) 在彭家灣古滑坡坡體前緣設置抗滑樁，做好相應的排水工程，是對該古滑坡最有效的加固方式.

4) 地表和深孔監測數據分析表明，通過抗滑樁支護方案對彭家灣軟硬互層古滑坡進行加固后，邊坡的整體穩定性良好，治理效果十分明顯.

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Preliminary Study on the Failure Mechanism and Disposal Technology of Pengjiawan Ancient Landslide

YUAN Denren1)WEN Bo1)CHEN Congxin2)XIA Kaizong2)SONG Xugen2)CHEN Shan2)

(GuangxiHebaiExpresswayCo.,Ltd,Nanning547500,China)1)(StateKeyLaboratoryofGeomechanicsandGeotechnicalEngineering,InstituteofRockandSoilMechanics,ChineseAcademyofSciences,Wuhan430071,China)2)

Taking Pengjiawan ancient landslide of the highway from Yichang to Badong in Hubei province as the engineering background based on its engineering geological conditions, the method of geological mechanics analysis is employed to preliminarily analyze the failure mechanism of ancient landslide. Quantitative research on the stability of landslide is conducted by adopting the independent block stability coefficient method. Based on that, a reasonable reinforcement technique is proposed to maintain the ancient landslide. The results show that the front edge of landslide may slide along the sliding plane due to the excavation disturbance. If the front edge of landslide undergoes failure, it will probably lead to the entire slope sliding along sliding plane. It is suggested that the anti-slide pile is the best effective reinforcement to support the front edge of landslide, and the corresponding drainage facilities should be constructed to prevent rainfall from accumulating in the ground surface and infiltrating into the sliding zone through ground surface cracks. Besides, the deformation monitoring shows that the entire stability of the landslide is good, indicating that the reinforcement effect is quite significant.

old landslide; landslide stability; failure mechanism; disposal technology; deformation monitoring

2017-01-02

TU457

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.02.028

元德壬(1979—)：男，碩士，工程師，主要研究領域為邊坡穩定性等