順傾結構面紅層巖質邊坡穩定性分析及治理

張玉芳 廖小平 李嘉明 馬賢杰

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中鐵西北科學研究院有限公司，蘭州 730000；3.中國礦業大學能源與礦業學院，北京 100081）

紅層是外觀以紅色為主色調的中、新生代碎屑沉積巖層，以陸相沉積為主，巖性以砂巖、泥巖、頁巖為主，巖性組合以互層為特征，具有透水性弱、親水性強、遇水易軟化（或膨脹），失水易崩解（或收縮），強度低的特點［1］。位于紅層地區的公路路基邊坡開挖施工后，坡腳失去支撐，巖體松弛張開，結構面形成導水通道，經過降雨入滲作用后，巖體強度遇水逐漸降低，進而誘發滑坡災害。

本文以東南地區一公路紅層巖質邊坡為例，詳細研究其致災因子及治理措施，通過室內試驗確定巖土參數，使用極限平衡法得出了主滑面參數和滑坡推力，并對邊坡治理措施實施過程中清方減載和錨固工程的每一階段進行穩定性分析。

1 滑坡環境與地質條件

東南地區一公路邊坡原設計最高四級，邊坡最大高度34 m。第一級邊坡坡率1∶0.75，高10 m，采用錨桿框架加固。第二級邊坡坡率1∶0.75，高度10 m，采用錨索框架加固。第三級坡率1∶1.0，高度10 m，采用錨桿框架加固。第四級坡率1∶1.0，一坡到頂，采用噴播植草防護。在進行第二級、第三級邊坡加固施工過程中，發生局部小型溜塌，故變更為五級坡。三級—五級坡坡率變更為1∶1.25，三級坡變更為錨索框架加固，四級坡變更為錨桿框架加固，五級坡采用植草防護。變更后施工至二級坡時發生滑動。

1.1 地形地貌

該滑坡所在區為剝蝕低山地貌，山體形態復雜，溝壑發育，植被較發育，主要以喬灌木為主。山坡地形平順，自然坡度約20°。邊坡從山體中部穿過，人工開挖邊坡相對較陡，約35°。邊坡坡向121°，走向30°。

1.2 工程地質條件

1.2.1 地層巖性

沿線出露地層主要為：第四系覆蓋層和基巖。

1）覆蓋層為坡殘積粉質黏土。黃褐色、紅褐色，潮濕，硬塑，以黏粉粒為主，角礫、碎石占5%～30%等，最大厚度為5 m。

2）基巖為變質粉砂巖。根據其風化及裂隙發育程度，可分為3層：

①全風化變質粉砂巖。風化強烈，可見原巖結構，薄層狀構造，風化裂隙發育，遇水易軟化。

②強風化變質粉砂巖。中厚層與薄層互層，風化裂隙發育，砂粒感明顯，遇水易軟化，為較軟巖。

③中風化變質粉砂巖。中厚層與薄層互層，風化裂隙發育，錘擊聲清脆，質較硬，為較硬巖。

1.2.2 地質構造

滑坡場區地質構造復雜，巖體結構破碎，風化深度大，地層巖性主要為強風化變質粉砂巖，受構造作用影響，層間錯動帶較發育，巖石呈角礫狀。

區域斷層穿過該邊坡，坡面開挖揭露多組近平行小構造帶，構造裂隙張開明顯，最大約1 cm，斷層破碎帶較厚，巖層層理產狀紊亂，不利結構面發育，結構面可見黑色的構造擦痕。

受該斷層影響，小里程端一級邊坡主要為中風化變質粉砂巖，大里程端坡腳為中風化變質粉砂巖，邊坡中間滑塌段落強風化巖較厚，中風化基巖不可見。

線路走向約30°，層理產狀與坡向切割后呈大角度順傾，層面光滑，多組近平行次生構造發育。現場測得：靠路側巖體產狀121°∠60°，靠山側巖體產狀為300°∠70°，靠近坡面的巖層產狀主要為 85°∠15°～25°。滑塌區剪出口附近結構面產狀為76°∠21°，小樁號側裂縫邊緣結構面產狀為83°∠34°，發育陡傾節理為121°∠68°。

1.3 水文地質條件

區內地下水主要有第四系孔隙潛水、基巖裂隙水2種類型。第四系孔隙潛水主要賦存于粉質黏土及全風化變質粉砂巖中。基巖裂隙水主要賦存于碎塊狀強風化變質粉砂巖裂隙中，富水性較強，容易形成垂直方向和水平方向的儲水通道。

受滑坡區外的地下水補給，滑坡區地下水較復雜，受中風化變質砂巖的相對隔水層影響，滑坡巖體透水性一般，直接受大氣降水補給，具有明顯季節特征。

1.4 滑坡情況

當前變形滑坡體的寬度約60 m、坡體長度最大約90 m、滑體厚度最大約14 m，滑坡體體積約8萬m3。從滑體體積判斷屬于小型的山體滑坡。

施工過程中該邊坡發生較嚴重的下滑破壞。主要表現為：

1）沿三級坡坡頂部位發生下滑及下錯，下錯約0.5 m，第一、二級坡體出現較多的縱向裂縫，坡體解體較嚴重，滑坡側界明顯，剪出口位于第一級邊坡坡腳高約1 m處。

2）同時在邊坡塹頂自然斜坡上距邊坡開口線5 m處出現張拉裂縫（圖1），表明滑坡向上發生牽引。

邊坡滑坡后緣開裂并發生下錯，兩側邊界裂縫基本貫通，坡腳剪切鼓脹致使坡體解體較嚴重。第一級滑體后緣裂縫位于第三級坡頂，開裂并下錯嚴重，第二級滑體后緣裂縫牽引至塹頂自然斜坡上，開裂明顯，在第一邊坡距坡腳高1 m位置發現剪切口。滑體主要為強風化變質粉砂巖，滑動面為強風化巖與中風化巖交界面，主要受坡體中不利結構面控制發生滑動破壞。

圖1 滑坡裂縫

2 致災因子分析

綜合該邊坡的地形地貌、地層巖性、水文地質條件、人為影響等方面因素，判斷該邊坡的巖土結構類型屬順坡層狀邊坡巖體結構，破壞模式為沿順坡向軟弱結構面的滑動破壞［2-3］。產生滑動的致災因子如下：

1）成災背景

①結構面：在構造運動作用下，部分結構面形成垂直節理，為后緣陡壁及裂縫產生提供了有利條件，部分結構面形成近乎平行或緩傾節理，促進了滑動面的產生。

②巖性：該邊坡滑面以上為強風化變質粉砂巖，中厚層與薄層互層，為較軟巖。滑面以下為中風化變質粉砂巖，為較硬巖。特殊的巖性組合構成了易滑地層。

③水文地質條件：該邊坡基巖裂隙水賦存于碎塊狀強風化變質粉砂巖裂隙中，富水性較強，容易形成垂直方向和水平方向的儲水通道，便于地下水攜帶巖土沿構造裂隙面富集且易滑動。

2）外界誘發因子

①人為擾動因素：坡體中存在向臨空面傾斜的結構面，在邊坡開挖前密閉，強度較高。在邊坡開挖后，坡體失去側向支撐，巖體松弛，裂隙張開，促進水軟化結構面導致強度降低。

②氣象：受降雨影響，順坡向結構面吸收下滲雨水飽和軟化。隨著邊坡的開挖，結構面的強度逐漸降低，導致邊坡失穩整體滑移。

3 滑坡穩定性及滑坡推力計算

該滑坡穩定性的定量計算主要是在合理確定計算斷面和計算參數的基礎上，通過數值計算分析，定量評價該滑坡的穩定狀態及其發展趨勢。

對于滑面計算參數的選擇與確定，是基于該滑坡治理工程實施前各可能滑面的變形特點及相應穩定程度，反算各滑動面的主滑帶力學指標，即以反算參數為主，并結合既有的巖土室內試驗結果及原有的工程地質勘查時所獲得的巖土室內試驗資料［4-7］。

關于滑坡穩定性計算方法的選擇，GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術規范》一般采用傳遞系數法（或稱不平衡推力傳遞法）。近年來，Janbu法和Morgensten&Price法等剛體極限平衡方法在邊坡或滑坡穩定性分析計算中廣泛應用并漸趨成熟和完善。經過大量的計算對比，不平衡推力傳遞法與剛體極限平衡方法在滑坡穩定性計算中存在一定的差異，但只要是采用滑坡穩定度反算確定主滑帶指標，無論是采用不平衡推力傳遞法，還是采用嚴格的剛體極限平衡方法，其滑坡推力計算或滑坡穩定性預測結果基本一致［8-11］。因此，本次計算采用當前國內外廣泛應用的邊坡工程專業軟件Geo?Slope之Slope/W軟件包進行滑坡穩定性計算，具體選用剛體極限平衡方法—Morgensten&Price法。

3.1 滑坡計算斷面選擇及模型建立

為了分析該滑坡的穩定性，本文選取滑坡體的主滑斷面作為計算斷面。主滑斷面模型見圖2。該滑坡滑動面的確定主要通過邊坡的破壞狀況、順傾結構面的產狀、強風化巖與中風化巖交界面的確認等。滑動面確定方法：從現有剪出口即坡腳以上約1.0 m開始，主滑段沿76°∠21°層面，后緣按陡傾節理121°∠68°控制，然后呈近似圓弧過渡連接形成貫通滑動面。

圖2 主滑斷面模型

3.2 反算主滑帶指標及滑坡推力計算

在該滑坡治理工程實施前各可能滑面的變形活動特點及相應穩定程度的基礎上，結合相關試驗與經驗參數，并依據現有坡面的既有工程和實際情況，將既有工程及其加固巖土綜合按折算后的等效復合巖土體考慮，反算各滑動面的主滑帶力學指標。對滑坡體穩定性進行評估，該滑坡目前處于極限平衡狀態，穩定性差，局部處于不穩定狀態，認為前級穩定系數約為1.00，后級穩定系數約為1.05。巖土參數及滑帶反算指標參數見表1。

表1 斷面巖土參數及主滑段反算指標參數

根據有關規范要求，取最不利條件組合下的綜合工況，穩定性安全系數大于1.2，計算滑坡推力為1 300 kN。

4 治理措施研究

4.1 治理措施

治理措施應充分考慮現場實際因素，進一步復核計算，盡可能科學優化，在上述滑坡穩定性分析與滑帶指標參數的基礎上，結合擬設滑坡整治工程措施綜合考慮滑坡治理工程的安全性、便捷性和經濟性，該滑坡采用坡腳堆載反壓+刷方減載+夯填裂縫+排水工程+錨固工程的綜合治理措施。

1）刷方減載及錨固工程：①第一級邊坡坡率放緩至1∶1.0，設4排錨桿，錨桿水平間距3 m，下部兩排錨桿長8 m，上部兩排長11.5 m；②第二級邊坡坡率放緩至1∶1.25，設3排錨索，水平間距3 m，上排錨索長度22 m，中排長20 m，下排長18 m，下傾角25°，錨固段長8 m，設計拉力500 kN；③第三級邊坡坡率放緩至1∶1.0，設3排錨索，水平間距3 m，上排錨索長度26 m（錨固段長10 m），中排長22 m（錨固段長8 m），下排長20 m（錨固段長8 m），下傾角25°，設計拉力500 kN；④第四級邊坡設3排錨索框架，水平間距3 m，錨索長度26 m，下傾角25°，錨固段長10 m，設計拉力500 kN；⑤第五級邊坡噴混凝土植草防護。

2）排水工程：①地下排水工程。第一級邊坡距坡腳高0.5 m位置布設仰斜排水孔，間距3 m，長15 m，上仰5°。②地表排水工程。距刷方塹頂線外側5 m位置布設截水天溝；各級平臺鋪設防水土工布后，采用M7.5漿砌片石封閉，厚度不小于30 cm；第一、三、四級平臺設置擋水埂平臺水溝，第二級大平臺設置下沉式平臺水溝；設置急流槽，盡快引導地表水排泄至公路側溝。

3）夯填裂縫：開挖不小于裂縫深度的坑槽，要求坑槽寬度0.5 m，先回填黏土夯實30 cm，夯實面找平后，鋪設防水土工布，再回填黏土夯實至原始坡面，要求每回填30 cm厚黏土，必須進行夯實。

4）坡腳反壓：根據邊坡的變形情況及范圍，進行堆載反壓，反壓最大高度8 m，坡率1∶1，頂寬8 m，底寬約10 m，兩側高度適當過渡至地面。

4.2 治理措施分析驗算

治理措施設計時，一般僅對施工完成后的滑坡進行穩定性分析，但考慮到該類邊坡易受施工擾動而導致邊坡再次失穩，故應對其清方減載和錨固工程實施過程中的每一階段進行穩定性分析，并核驗其是否符合規范要求。

該滑坡治理工程施工順序：坡腳反壓+第四級邊坡錨固并發生作用→第三級邊坡放坡+錨固并發生作用→第二級邊坡放坡+錨固并發生作用→坡腳反壓土清理→第一級邊坡錨桿錨固。

按照施工順序建立模型，如圖3所示。

圖3 施工過程中的滑坡穩定性計算模型

施工過程中的邊坡穩定性計算結果見表2。可知，在僅考慮施工擾動情況下，邊坡穩定系數均大于1.05，即不會因實施該措施導致邊坡失穩。

表2 施工過程中的邊坡穩定性計算結果

4.3 治理效果

錨固工程壓實了巖體結構面裂隙，起到了加固邊坡的作用，增加了坡體的穩定能力。夯填裂縫、排水工程等有效地防止了地表水滲入，阻止了邊坡巖土體強度的快速減小。采用該綜合治理措施后，即使施工期間經歷了多次強降雨天氣，仍未發現坡面有大的位移。監測數據表明，滑坡一直處于穩定狀態。

5 結語

1）東南地區一公路邊坡的巖土結構類型屬順坡層狀邊坡巖體結構。該類邊坡在開挖擾動下，極易沿軟弱結構面發生滑動。其中軟弱結構面順坡向是發生滑坡的成災背景因子，人為施工擾動和強降雨是外界誘發因子。

2）針對此類邊坡的破壞模式，提出了“坡腳堆載反壓+刷方減載+夯填裂縫+排水工程+錨固工程”的綜合治理措施。通過計算施工過程中該邊坡的穩定性，論證了該措施的可行性。