高速公路煤系地層滑坡穩定性評價及治理措施分析*

王 琦 王 靜 李春峰 曾 耀 姜 波

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽 550081)

隨著我國經濟的持續發展，高速公路建設不斷向西部山區、丘陵地帶發展延伸[1]，復雜的地形地貌及地質條件給公路建設帶來了許多困難。高速公路通車后，隨著運營時間的增長，地質及巖土條件在各種自然營力的作用下逐漸惡化[2]，如開挖卸荷造成巖土體結構及力學性質緩慢變化，風化作用下巖體節理裂隙加劇發育，地下水逐漸隨著裂隙發育而貫通等，邊坡失穩隨之發生。而在各類地層中，煤系地層邊坡的失穩情況尤為突出。

貴州煤系地層常為煤、泥巖、砂巖等巖層巖交互產出，具有軟硬相間、差異風化、層間膠結差、開挖后風化速度快、遇水極易軟化等特點[3]。煤系地層在水及其他外營力作用下易形成具有相對隔水、強度極低特征的軟弱帶，對邊坡穩定性具有明顯控制作用[4]。

基于煤系地層地質條件的復雜性，本文選取貴州某高速公路典型煤系地層滑坡，在資料收集和工程地質勘察成果的基礎上，采用定量計算及數值模擬進行滑坡穩定性分析，并提出處治對策。擬與后其監測數據對比，驗證處治效果。

1 滑坡概況

高速公路項目位于貴州黔西南州境內，受強降雨天氣影響，K16+590-K16+750右側發生山體滑坡，形成的H1滑坡前緣滑覆帶堆覆于高速公路路面，造成高速公路上下行交通阻斷，受H1滑坡后緣強烈的側向擠壓作用影響，右側形成H2滑坡，工程地質平面見圖1。

圖1 滑坡工程地質平面

滑坡區地處貴州高原西部山區，受侵蝕、剝蝕作用較強烈。場區屬亞熱帶溫涼濕潤季風性氣候，年平均降雨量1 561.7 mm，多集中于5-10月，日降雨最大達186.1 mm。覆蓋層為滑坡堆積層(Qdel)含碎石粉質黏土、殘坡積層(Qel+dl)含碎石粉質黏土，下伏基巖為二疊系上統龍潭組(P2l)泥質粉砂巖夾泥巖。場區構造簡單，巖層單斜產出，巖層產狀132°∠10°，主要發育2組優勢節理，J1為52°∠85°、J2為325°∠76°。由于篇幅限制，本文僅針對H1滑坡進行分析計算。

2 滑坡特征及成因分析

2.1 滑坡規模及變形特征

滑坡前緣高程約1 378 m，后緣頂部高程約1 486 m，前后緣高差約108 m；左側發育一自然沖溝，右側接邊坡，前緣為高速公路路基。根據地質調繪、鉆探，以及現場測量等成果，該滑坡前緣橫向寬約160 m、縱向長約260 m、平面面積約41 600 m2，最大滑面深度達30 m，平均厚度約7.7 m，滑體體積約32萬m3，參照《公路工程地質勘察規范》的分類標準，該滑坡屬于大型滑坡[5]。

滑坡以近垂直于公路走向發生整體滑動，主滑方向127°，整體滑動距離約30 m，前緣滑體堆積于公路左右幅路面之上，原坡腳擋墻局部破壞，未發生整體傾倒。通過滑動后實測地形線與原始地形線對比分析，滑體中部最大下錯約10 m。滑坡后緣下錯形成滑坡陡壁，最大高度約28 m。坡面發育多級、密布拉張裂縫及下錯陡坎，拉張裂縫最寬約1.0 m，下錯陡坎高約1.5 m。

2.2 滑坡物質組成

根據工程地質調繪及鉆探揭露，滑體主要為含碎石粉質黏土，黃褐色，可塑狀，碎石含量25%～35%，粒徑20～80 mm。鉆探揭露最大厚度22.8 m，碎石之間充填粉質黏土。

滑體下部為緩傾順層泥質粉砂巖夾泥巖，受上部滑體滑動過程中對下部巖體強烈擾動、擠壓作用，坡體存在沿層理面剪出的可能，因此，滑面包括滑動面一及潛在滑動面一。滑動面一后部為強風化泥質粉砂巖夾泥巖的優勢節理面；中前部為覆蓋層與下部基巖之間的巖土交界面，其在地下水軟化作用下，形成灰褐色可塑至軟塑狀泥化夾層(滑動帶)，厚2～5 cm；前緣剪出口位于坡腳擋墻頂部。潛在滑動面一中后部與滑動面一相同，前部為順傾巖層面，前緣剪出口位于坡腳。

滑床為二疊系上統龍潭組(P2l)泥質粉砂巖夾泥巖，巖層產狀132°∠10°，整體順傾，呈淺灰色，薄～中厚層狀，節理發育～不發育，巖體較破碎～較完整，工程地質剖面見圖2。

圖2 H1滑坡典型工程地質剖面

對滑坡區滑體、滑帶土及滑床取樣進行室內試驗，結合工程經驗類比，得出滑坡巖土體力學參數[6]，參數取值表見表1。

表1 滑坡巖土體物理力學參數

2.3 滑坡成因分析

滑坡的產生主要受地形地貌、地層巖性，以及氣象水文等關鍵因素控制。

一方面，場區近似漏斗狀地形提供了巨大的匯水面積；另一方面坡體后緣陡中部緩前部低洼的地勢條件為降雨的快速入滲提供了有利條件。覆蓋層具有結構松散、空隙率大、透水性強等特點，為降雨入滲提供了便利通道。下部龍潭組泥質粉砂巖夾泥巖屬軟巖，強度低且易風化，坡體后緣受風化作用強烈，風化產物因重力作用堆積在坡體中前部，形成了深厚的覆蓋層，為滑坡啟動提供了充足的物質成分。

上部覆蓋層為相對含水層，下部基巖為相對隔水層，地下水便不斷匯集于巖土交界面處并向下運移。在地下水長期作用下，泥巖中黏土礦物被軟化、泥化進而形成滑動帶。場區夏季高溫多雨，其中7月持續中雨-大暴雨天氣是形成本次滑坡的直接誘發因素，經歷多次干濕循環加速了泥巖的軟化作用，抗剪強度進一步劣化，邊坡的穩定性持續降低。

綜上所述，地形地貌與地層巖性是邊坡滑坡的基本內在條件，氣象水文是滑坡發生的直接外在條件。長期降雨入滲軟化作用不斷改變地層巖性內在條件，短時持續強降雨是滑坡發生的直接誘發因素。

3 滑坡穩定性評價

對滑坡穩定性分別進行定量計算及數值模擬分析。定量計算為滑坡設計提供相關依據；數值模擬分析旨在研究滑坡體在降雨作用下的穩定性變化趨勢。

3.1 定量計算

采用理正軟件針對不同工況下的滑坡進行穩定性計算。該軟件基于條分法將滑體分割為多個條塊，穩定性系數為抗滑力比下滑力，計算方法見式(1)。

(1)

式中：c，φ為抗剪強度指標；l為滑塊斜長；W為滑塊重；θ為滑面傾角。

本文分析了在不同工況下滑坡的穩定性情況，分別為：

正常工況I。滑坡處于天然狀態。

非正常工況I。滑坡處于暴雨或連續降雨狀態。

非正常工況II。滑坡處于地震作用狀態。

選取滑坡典型斷面，采用Janbu和Bishop 2種方法進行計算，穩定性計算結果見表2。

表2 典型斷面不同工況下滑坡穩定性計算

由定量計算結果可知，對于滑動面一，滑坡在3種工況下均不滿足JTG D30-2015《公路路基設計規范》[7]與JTG/T 3334-2018《公路滑坡防治設計規范》[8]的規定。

3.2 有限元數值模擬

本次數值模擬采用SEEP/W和SLOPE/W進行耦合計算分析，通過SEEP/W模擬強降雨作用下坡體內部孔隙水壓力變化，然后通過SLOPE/W計算隨著降雨時間的持續增加，坡體穩定性系數的變化[9]。以滑坡典型斷面建立SEEP/W計算模型，數值模型見圖3，本次模型地下水位線選取參考滑坡勘察資料，巖土體物理力學參數參照表2。

圖3 滑坡數值計算模型

通過SEEP/W模塊對典型段面模型進行瞬態分析，根據滑坡前降雨特征及氣象資料，取降雨強度100 mm/d，假定此次模擬過程為連續3 d持續性降雨，限于篇幅，本文僅對模擬結果進行分析。

降雨初期，覆蓋層入滲率較大，坡體以入滲為主，淺表層土體孔隙水壓力不斷增大，形成暫態飽和區；隨著降雨的持續，淺表層入滲率不斷降低，當小于降雨強度時，開始形成坡面徑流，暫態飽和區逐漸擴大，坡體中部覆蓋層較厚，滲流路徑較長，地下水位呈緩慢上升趨勢，坡體前緣較陡且覆蓋層較薄，土體最先達到飽和狀態并與地下水位連通，地下水位快速升高；雨水入滲覆蓋層較薄的后緣，并不斷匯集于滲透性差異明顯的巖土交界面處，隨著降雨時間增加，巖土交界面的暫態飽和區最終與地下水貫通，孔隙水壓力持續增加，浮托力增大，抗剪強度不斷減小。

基于Morgenstern-Price極限平衡穩定性計算方法，在對滑坡瞬態飽和滲流場分析的基礎上，對暴雨工況下的滑坡穩定性進行分析，關系曲線見圖4。

圖4 穩定性系數與降雨時間關系曲線

由圖4可知，滑坡穩定性隨降雨持時不斷降低。降雨初期，滑坡穩定性系數呈緩慢下降趨勢，隨著降雨時間持續增加，穩定性系數呈現快速下降趨勢，并在降雨至2.3 d時，穩定性系數小于1.0，滑坡處于不穩定狀態。

4 滑坡治理及監測分析

4.1 治理措施

基于滑坡基本特征、成因機制、穩定性計算分析，并綜合考慮施工等情況，對滑坡進行針對性設計，采用“清方及放坡+抗滑樁+加厚護面墻+拱形骨架+噴播植草+截排水工程”進行綜合治理，治理設計斷面見圖5。

圖5 滑坡治理設計斷面

4.2 監測分析

在滑坡治理及施工完成后，對坡體進行深層位移自動化監測，以隨時掌握施工過程中滑坡的穩定性狀態，確保施工安全并評價治理效果。

經過半年的自動化監測，獲取坡體巖土體變形數據，限于篇幅，本文僅展示坡體中部抗滑樁附近一個深部位移監測孔的監測數據，相對位移曲線見圖6。

圖6 ZK9合成方向累計相對位移曲線

由圖6可知，監測期間坡體未出現明顯位移，最大變形出現在孔口附近，為0.8 mm，遠小于預警閾值，坡體穩定性良好。

5 結語

1) H1滑坡為強降雨作用下引發的覆蓋層滑坡，地形地貌、地層巖性為滑坡提供有利內在條件，氣象水文是滑坡發生的直接外在條件，降雨入滲是引發滑坡失穩的關鍵誘因。

2) 對滑坡進行穩定性模擬分析，結果顯示，滑坡穩定性系數隨降雨持時的增加而不斷降低。降雨初期，穩定性系數緩慢降低，當降雨時間繼續增加，穩定性系數出現快速下降趨勢。

3) 基于滑坡基本特征、變形破壞機制、穩定性計算分析，并綜合考慮施工等情況，采取了永久治理措施。

4) 經過治理后，通過深層位移自動化監測，表明邊坡已趨于穩定狀態，治理措施合理可行，可為今后類似邊坡治理提供參考。