垣澠高速滑坡的成因分析及處治研究

盧 歡 劉 暢 李 微

(1.中交通力建設股份有限公司 西安 710000； 2.長安大學公路學院 西安 710000)

滑坡是一種常見的地質災害，其破壞性僅次于地震，而范圍和頻率卻遠遠大于地震，因此，研究滑坡的誘發機制具有重要意義[1]。我國滑坡地質災害分布廣泛，大部分失穩破壞不是一個突然、瞬間發生的整體破壞，而是一個局部破壞發展直至貫通的漸進破壞過程[2]，滑帶的性質對于滑坡穩定具有控制作用。滑帶是在內外動力作用下經過地質歷史長期演化而形成的，直接影響著滑坡的發育、發生、復活和解體[3]。但在特定的地質條件下滑坡能否產生，還需要一些誘發因素[4-6]，如降雨、開挖邊坡、地震等[7-8]。在誘發因素作用下，巖土體自身原本的穩定平衡受到擾動甚至破壞，產生軟弱層面，導致整體滑坡變形破壞的產生。

本文對(垣曲-澠池)高速K14+700-K14+870段右側滑坡進行研究，從巖土特征、坡面開挖、降雨等3個方面分析滑坡產生原因，并提出針對性的處治措施，為同地區的滑坡防治工作提供借鑒。

1 概況

垣澠高速起于運城市垣曲縣華峰鄉車家溝村，銜接聞喜東鎮至垣曲蒲掌高速公路后，路線由北向南布設，途經王茅鎮、古城鎮、曹家嶺，經黃河大橋進入河南省三門峽市澠池縣境內。滑坡體影響路線里程范圍為K14+700-K14+870。滑坡體照片見圖1、圖2。

圖1 滑坡體全貌

圖2 滑坡體鼓張裂隙

1.1 地形地貌

滑坡地處山前斜坡地貌單元區，位于溝梁頂位置，地形起伏變化較大，自然坡度15°～30°，路塹開挖邊線斜切溝梁，與山梁走向呈大角度相交，交角呈65°。整體地面標高介于330.91～378.62 m，相對高差47.71 m。

1.2 水文地質條件

1) 黃土孔隙裂隙水。滑坡區黃土層地下水量極小，以上層滯水為主，水量受地表大氣降水的影響較大，補給來源主要為大氣降水，水量較小，一般無穩定水位。

2) 基巖裂隙水。主要賦存在第三系泥巖-砂巖層的節理、裂隙中。賦水性與巖體節理、裂隙的大小、密度以及連通性等密切相關，分布不均勻，主要取決于節理裂隙發育程度。

1.3 地層

滑坡場區地層巖性上部覆蓋層主要為第四系上更新統(Q3al)新黃土，第四系中更新統(Q2pl)老黃土、卵石，下伏基巖為下第三系(E2)砂巖及泥巖。

1.4 滑坡地質特征

1) 滑坡形態。滑坡前緣剪出口特征較明顯，剪出面位于第三系砂巖及泥巖中，基本沿開挖邊坡坡腳剪出；滑坡后緣位于第四系上更新統新黃土中；中部受滑坡滑動的影響，形成拉裂平臺，滑坡體后緣張拉裂縫照片見圖3。由于滑坡的前移及下錯，致使滑坡體支離破碎，滑坡的滑動在前緣形成鼓丘狀地形，可見明顯的縱向鼓張裂隙，滑坡體前緣剪出口照片見圖4。裂縫彎曲，其走向與滑坡滑動方向基本一致；滑坡的兩側邊界較為明顯，滑坡體部分明顯低于外圍，可見較為清晰的滑坡側壁，滑坡范圍內目前鼓張變形明顯，滑體前緣垂直裂隙發育。

圖3 滑坡體后緣張拉裂隙

圖4 滑坡體前緣剪出口

根據滑坡邊界特征、形態(鼓脹裂隙)特征及受力變形特征綜合判定，該滑坡的類型為牽引式滑坡。

2) 滑帶(面)、滑床巖土特征。滑動帶主要巖土層為第三系砂巖、泥巖，為順層滑動，砂巖：灰白～黃褐色，砂質結構，質軟，成巖差，含水率高，巖芯呈砂土狀，手捏即碎，局部泥質膠結，見鐵、錳質侵染。剪出口剪出巖體鏡面、擦痕現象明顯，多處為砂巖與泥巖接觸面。

滑床絕大部分由第三系泥巖構成，后緣為新黃土、老黃土。滑床形態從橫向看，微呈波狀起伏，縱向上呈折線型，與地表形態趨于一致，前緣剪出口高程330～338 m，后緣高程378.6 m。

2 滑坡成因分析

經地質資料與現場調查比對分析研究，可判定為工程活動誘發潛在的牽引式滑坡。造成邊坡失穩的因素有以下4點。

1) 地形地貌因素。滑坡處于山前斜坡地貌單元區，因修建公路切割山丘，形成一不穩定深挖路塹高邊坡，路塹開挖深度達40 m以上。放坡坡度25°～35°，具備臨空條件和較大高差，為滑坡的產生提供了最基本的地形條件。

2) 地層因素。滑坡的地層、巖性、地質構造特征形成了滑坡的物質基礎和地質環境，決定了滑坡的穩定性狀。上覆黃土，下伏泥巖-砂巖是易滑坡地層。本滑坡上層為新、老黃土，下層為卵石，透水性相對較好。滑帶主要為第三系砂巖，含水量高，遇水易軟化且持水性能強，使其抗剪強度降低，易于形成潛在滑動面，且滑坡巖層順坡，容易產生順層滑坡；滑床主要為第三系泥巖，透水性差，形成一個相對阻水面，即中下部飽水后先沿砂泥巖結構面向臨空方向滑動，引起斜坡上部土體承受拉應力，進而產生拉張裂縫，反復灌水，抗剪強度降低，最終順著最大剪應力面產生變形滑動，形成統一的滑動面。

3) 水文地質因素。由于道路施工路塹開挖，形成了臨空面，破壞了山體的自然平衡狀態。組成滑坡土體主要為黃土，適縫5月底連續降雨，大氣降水沿疏松土層孔隙及黃土中裂隙不斷入滲，改變了斜坡的水文地質條件。一方面增加了斜坡土體的重量，同時產生靜水壓力或動水壓力，在坡體中下部第三系砂巖層形成飽水帶，使砂巖喪失原有強度，抗剪強度降低[9]，最終因抗剪強度小于剪應力而發生變形，順結構面滑動。此時滑坡體后部處于拉應力狀態，當拉應力超過后緣坡體的抗拉強度時，便產生拉裂。坡面表現為斷續的拉張裂縫，為地表水進一步滲入提供了條件。可見降雨是誘發滑坡的主要因素。

4) 坡體人類工程活動。坡體人類工程活動主要表現在修建公路時，開挖坡腳，破壞了坡體原有的自然平衡狀態[10]。同時施工單位開挖時，未按設計文件要求逐級開挖逐級防護，而是一次性開挖到底，又未及時進行防護，破壞了巖體原有的應力平衡。

因此，可以得出：此段挖方路基邊坡地質條件極為復雜，基巖頂面起伏較大，沖溝發育，覆蓋的土層巖性不均一，上層滯水、基巖頂面也都有形成地下水的條件，地層巖性中砂泥巖抗風化能力極差且具有膨脹性，這是本滑坡形成的先決物質條件。邊坡開挖后長時間暴露，對坡面及出現的裂縫沒有及時封閉隔水，而第三系砂泥巖，呈半成巖狀態，新鮮狀態下，物理力學指標較好，但暴露在外時，會吸水并風化成散體狀，物理力學指標迅速下降，當遇降水時，產生邊坡失穩，形成崩塌或滑坡。本挖方段落因未能做到開挖一級，防護一級，致使坡面形成張拉裂縫，邊坡前緣形成了崩塌和坍塌，進而形成更陡峭的凌空面，加速邊坡失穩。導致邊坡原有力學平衡破壞，產生蠕動。加之隨后恰逢降雨，更使滑坡發育加劇，造成了本次滑坡的產生。

3 穩定性分析

3.1 計算參數選取

計算參數選取的合理性，是計算評價滑坡穩定性的關鍵，其中滑帶土抗剪強度指標的取值更是至關重要。本次采用室內試驗、工程類比，以及反演3種方法綜合確定[10]。

3.1.1室內試驗

1) 滑體容重。由于滑體內含有較多的砂、泥巖碎塊石及卵石，巖體碎塊石平均含量30%左右。室內測試滑體老黃土天然容重為18.82 kN/m3，飽和容重為19.6 kN/m3；砂巖塊體容重為19.3 kN/m3，飽和容重為20.2 kN/m3；泥巖塊體容重為21.4 kN/m3，飽和容重為22 kN/m3；按土石含量計算滑體天然容重為19.6 kN/m3，飽和容重為20.46 kN/m3。

2) 滑體土抗剪強度指標。根據滑體土試樣統計分析得參數標準值，天然快剪峰值：c=57. 6 kPa，φ=24.0°，天然抗剪殘余值：c=41.0 kPa，φ=17.5°。

3) 滑帶土抗剪強度指標。根據滑帶樣統計分析得參數標準值，直接剪切：c=16.8 kPa，φ=27.2°,抗剪殘余值：c=9.6 kPa，φ=22.2°。

3.1.2反演

反演分析是確定滑帶土抗剪強度參數的一種有效方法，根據滑坡的宏觀變形狀況假設滑坡的穩定性系數，再反算滑帶土抗剪強度參數。反算是滑坡穩定性計算的逆過程，得到的參數更符合滑坡的變形情況，參數可以作為試驗數據選取的參考。

根據滑坡變形特征，恢復滑坡發生前的初始地面線，此時滑坡處于整體滑動狀態，取穩定系數0.95～1.00，根據滑帶巖體土工試驗成果另結合經驗給定滑動面的等效抗剪強度c值為9.6 kPa，反算滑動面等效φ值。在0.95～1.00之間給不同的穩定系數反算，反算結果見表1。

表1 滑帶參數反算結果表

3.1.3綜合取值

根據以上2種方法得出的抗剪強度參數值，同時考慮土體中的碎塊石及地下水位變化對抗剪強度指標的影響，以宏觀地質判斷為前提，以測試值為基礎，地區經驗值為參考，并以反算值作為校核，綜合確定滑坡抗剪強度參數取值見表2。

表2 滑坡設計參數選用表

3.2 穩定性分析

根據滑坡滑動面形態，按GB 50021-2001 《巖土工程勘察規范》(2009年版)條文說明中5.2.8的公式進行滑坡穩定性系數計算，采用正常工況I(天然狀態)和非正常工況II(飽水狀態)2種狀況，同時以目前滑裂面及后期路基開挖至設計標高后的假設滑裂面2個斷面計算來評價該滑坡目前狀態下的穩定性，滑坡穩定性系數計算結果見表3。

由表3可見，工況I(天然狀態)下，主滑斷面滑坡穩定系數Fs為1.131，滑坡處于基本穩定狀態；工況II(飽水狀態)下主滑斷面滑坡穩定系數Fs為1.039，滑坡處于欠穩定狀態。

開挖至設計標高時考慮潛在滑面從邊坡坡腳剪出時，工況I(天然狀態)下，主滑斷面穩定系數Fs為0.888，滑坡處于不穩定狀態；工況II(飽水狀態)下，主滑斷面滑坡穩定系數Fs為0.817，滑坡處于不穩定狀態。

從穩定性計算結果可以看出：

1) 滑坡在現狀條件下處于基本穩定狀態，但安全儲備不高，在持續暴雨條件下，滑坡仍存在繼續擴大范圍的可能。

2) 如按原設計文件繼續開挖至坡腳，滑坡將失去穩定。一旦坡體失穩滑動，會造成較大的生命財產安全損失。

4 滑坡處治措施

4.1 處置措施

滑坡處治方案具體為：一級邊坡設置片石混凝土仰斜式路塹墻，坡高6 m，一級平臺寬10 m；二級邊坡坡率采用1∶1.00，坡高6 m，采用拱形骨架+生態袋防護，二級平臺寬10 m；三級～九級邊坡坡率1∶1.00，坡高3 m，平臺均采用10 m；十級及以上邊坡坡率采用1∶1.25，坡高4 m，平臺寬2～4 m。滑坡處理斷面示意圖見圖6。

圖6 滑坡處理斷面示意圖

4.2 處置后滑坡穩定性計算

清方后殘余滑體已基本被全部清走，但考慮到路基開挖后，存在從路基設計標高處剪出的可能，故選取該剪出口作為潛在滑面計算滑坡穩定性及剩余下滑力，結果見表4。

表4 治理后滑坡穩定性系數表

由于清方后潛在滑面尚未達到安全系數的要求，在穩定安全系數Ks取規范要求范圍中值的條件下仍存在剩余下滑力，故需設置擋土墻防護。選取主滑斷面工況I條件下，安全系數為1.25時的剩余下滑推力110.24 kN/m進行擋土墻設計。

5 結論

本項目段內挖方路基范圍揭示巖質多為下第三系砂巖、泥巖，均為半成巖，由于該層成巖時間較短，成巖作用差，開挖后長時間暴露于空氣中其物理力學指標迅速下降，極易造成邊坡失穩，對于揭露該類地層的邊坡宜做到開挖一級，防護一級。

高邊坡開挖時要求按規范進行變形監測，爭取在滑坡蠕動初期即進行有效措施進行處理，減小大規模滑塌后造成的經濟損失。

對于邊坡開挖過程中產生的裂縫等問題，應及時進行封堵，以防止雨水下滲，加劇邊坡失穩進程。