老滑坡和斷層影響下滑坡特征及處治措施研究

馬定樂，萬 琪，晏長根，潘春為，華 勇

（1.廣東交通實業投資有限公司，廣東 廣州 510000；2.長安大學 公路學院，陜西 西安 710000）

0 引言

在“交通強國”政策帶動下，大量的公路已延伸至地形復雜的山嶺地區，因此面臨較多地質條件復雜的高邊坡[1-3]，如老滑坡體和斷層破碎帶邊坡。老滑坡是指發生在全新世以來，暫時處于穩定狀態，但在河流沖刷、地震、工程開挖以及暴雨等作用下穩定性仍然受到影響的滑坡[4-5]，一旦老滑坡體被擾動并誘發其整體復活，將對人類造成巨大的災難。斷層帶由主斷層面與兩側破碎巖塊及若干次級斷層或破裂面組成[6]，巖土體的斷層、節理等破裂面是滑坡等地質災害發生的先決條件[7]。斷層破碎帶上的老滑坡，地質情況非常復雜，加上開挖和強降雨疊加作用，極易引起老滑坡復活[8-10]。該類滑坡成因機理復雜，防護治理難度大，嚴重影響高速公路建設和行駛安全。因此，如何正確識別老滑坡體和斷層帶的地質特征，以及老滑坡體及斷層帶對工程滑坡變形特征的分析，對進一步處治該類滑坡病害具有重大意義。本文以廣東大潮高速公路K20工點滑坡整治工程為例，從邊坡的工程地形地貌、地質條件、邊坡變形等因素分析，研究該工點滑坡病害成因及變形特征，并提出相應整治措施，供類似工程參考。

1 工程概況

K20工點滑坡全長817m，高速項目里程段范圍內主要以路基（路塹）形式通過，該處路塹開挖最高形成6級邊坡，高度57.5m。2017年11月開挖至第4級邊坡時，坡面出現多條縱向裂縫，后將裂縫范圍內原設計的人字形骨架改為錨索格梁。開挖至第3級邊坡時，距塹頂約30m的后緣出現大范圍的弧形錯臺，第3級邊坡坡面有明顯剪出跡象。邊坡變形導致錨索框架和人字形骨架斷裂。邊坡前期變形非常迅速，幾天之內錯臺高度從0.5m變為3m，裂縫寬度最寬處將近3m。經過錨索張拉和前緣反壓之后，通過監測發現邊坡變形速率明顯減緩，逐漸趨于穩定。并制定一到六級錨索加固措施。同年11月中旬發現三級坡體又出現了滑動跡象。2019年2月以來，由于連續降雨，坡體又出現滑移開裂在四級邊坡產生剪出口，滑移發展迅速，部分剛安裝好的錨索格梁已嚴重拉斷。2019年4月隨著降雨增多，在邊坡塹頂上方距離截水溝平臺約60m處出現新的拉張裂縫并形成高1m的陡坎，隨后一段時間裂縫向兩邊繼續發展，連續貫通呈弧形分部并一直延伸至塹頂，裂縫范圍不斷擴大。

2 工程地質條件

2.1 地形地貌

滑坡區地貌為低山丘陵地貌，特點是侵蝕切割較為強烈，溝谷不開闊，丘陵頂部多為渾圓狀，地形起伏大。地勢總體為南高北低，高程介于180~480m，相對高差約300m，其中滑坡后緣高程約350m，前緣高程約190m，相對高差約160m。斜坡坡度多為15~30°，平均約17°。滑坡體后緣具有明顯的陡緩交替地形，陡坡長約100m，坡度30°；緩坡長約40m，坡度10~16°；滑坡體中部及前緣地形逐漸變緩，平均坡度約13°；兩側均發育微型沖溝。

2.2 滑坡體地質條件

滑坡體物質主要由含礫粉質黏土、碎石和泥巖組成。含礫粉質黏土:黃褐色-紅褐色，可塑-硬塑，主要為泥巖風化形成黏土礦物（局部為全風化泥巖），局部含砂巖角礫、塊石，土質不均，其中砂巖為棕紅色、灰白色、強-中風化。內部結構混亂，并因滑體運動擠壓形成多道光滑結構面。該層土是滑坡體的主要組成物質，在滑坡體內廣泛分布。碎石:棕紅-灰白，松散-稍密，稍濕，局部含塊石，成分主要為灰白色強-中風化砂巖，含10%左右的粘性土。泥巖:棕紅色-灰綠色，全風化，巖質軟，節理裂隙發育，空間分布不均勻，內部多含強風化砂巖、粉砂巖碎石和塊石。具有遇水易軟化崩解，失水龜裂，隔水的特性。

2.3 地質構造

區域內構造活動強烈，特別是斷層發育，在地質調繪、鉆探及物探等勘察成果中均發現較多斷層，如圖1所示。在路塹邊坡處發現泥質粉砂巖中多處存在侵入石英脈和紅色正長石，其走向呈NW向，與NE向斷裂走向垂直。多

圖1 斷層分布情況Fig.1 Fault distribution

數鉆孔巖體破碎、巖芯采取率低，鉆孔巖芯中巖性雜亂；二疊系下統灰巖夾雜于三疊系泥質粉砂巖中；鉆孔發現斷層角礫、斷層泥。斷層增大了巖性空間分布的差異性，在該區域主要表現為滑坡在斷層的控制下，其兩側巖性存在差異明顯。其中逆斷層F3巖性以泥質粉砂巖和砂巖為主，下部可見灰巖，風化程度相對較低；右側以泥巖、砂巖為主，風化程度高。通過以上分析可知:該區域構造運動具有復雜性、多期次性、活動劇烈等特點。

2.4 水文地質條件

①地表水。該區域為低山丘陵區，地形多為上陡下緩，局部地形切割強烈的沖溝在雨季可形成短暫的地表徑流。地表水缺乏，溝谷中未見地表水發育；②地下水。地下水主要為基巖裂隙潛水，且賦存于基巖裂隙中，富水性差，主要靠大氣降水和潛水補給，沿著基巖裂隙向地勢較低處排泄或補給潛水。滑坡段地下水穩定水位埋深介于9.7~51.5m，水位高程介于213.48~263.43m，水位變幅1.0~2.0，最大可達4.0m。沖溝段土體常年保水。

3 滑坡體的變形破壞特征

經地質勘察和分析，該滑坡所處地貌為老滑坡地貌，且在老滑坡前部開挖引起了老滑坡復活。從原地形看老滑坡變形跡象比較明顯，后緣形成明顯的陡緩交替地形，植被上新下老，上部為灌木叢，下部為松樹林。滑坡體松樹具有明顯“馬刀樹”特征，中部地形明顯變緩，形成臺地。東側邊界滑坡形成的陡坎非常明顯；西側形成明顯的灌木帶并在其內側發育微型沖溝。前緣地形突出，地層雜亂松散，如圖2所示。

圖2 老滑坡邊界圖Fig.2 Old landslide boundary map

該滑坡前后共發生4次滑動，滑塌范圍一次比一次大，一度出現開挖一級滑動一次的情況，第4次滑塌后緣形成明顯錯臺，錯臺高度約3m，如圖3所示。錯臺下部裂縫最寬處約3m。錯臺后緣5m處形成1條38m長的拉張裂縫，寬度0.2~0.4m。邊坡中部也有明顯變形現象，塹頂上山道路下錯約0.8m，錨索框架被剪斷，并在4、5、6級邊坡因滑坡體差異性運動形成多道垂直裂縫，如圖4所示。前緣變形特征也很明顯，在3級坡面可見明顯剪出口。探井TJ1、TJ2在施工過程中出現混凝土護壁開裂掉塊現象，滑坡前緣反壓土體也有不同程度的擠脹開裂、剪出現象。監測鉆孔存在卡探頭、無法下探頭等現象。

圖3 滑坡后緣錯臺Fig.3 Staggered platform at the back edge of landslide

圖4 錯斷的框架梁Fig.4 Staggered frame beam

根據現場地質勘察情況，總結出該類邊坡變形破壞具有以下特征:①變形速率快。邊坡一旦出現滑動，發展速度非常快，后緣迅速出現多道錯臺，高度3~5m，后緣裂縫寬度短時間內也迅速發展，變化速率達20cm/日，坡面已實施的錨索框架被剪斷，錨索被拉斷；②控制性結構面多，滑動面多。受老滑坡地貌及斷層的影響，邊坡巖土體節理裂隙極其發育，完整程度極差，風化程度高，巖性混亂，連續性極差。根據挖探及鉆探資料顯示坡體內存在多道貫通的擦痕。滑坡滑動面多變，常出現治住一條滑面，但又產生新的滑面；③水敏感性強。老滑坡地貌坡體后緣上陡下緩，形成明顯陡緩交替地形，滑坡體中部及前緣地形較緩，匯水面積大，兩側均發育微型沖溝。加上受斷層破碎帶影響，斷裂帶為地下水的通道，使得地下水易沿通道匯集，同時通道內的巖土體含水量增加，泡軟老滑面，在地下水的浸潤下強度急劇下降，引起邊坡滑動；④反復滑動。該邊坡在施工過程中出現多次滑動，一度出現開挖一級滑動一次的現象，原施工方案中“開挖一級，防護一級”已較難保證施工過程邊坡的穩定。老滑坡地貌及斷層的雙重影響導致邊坡巖土體自穩能力極差，一旦改變原坡型，就能誘發新的滑動。

4 滑坡體特征及穩定性計算

4.1 滑坡規模

老滑坡整體呈圈椅狀，特征較明顯。滑坡整體地勢南高北低，整體呈上陡下緩，相對高差約160m，平均坡度約17°。后緣有明顯陡緩交替，形成明顯的緩平臺。滑坡體面積約110594.3m2。后緣至中部逐漸變寬，中部至前緣又逐漸變窄。后緣寬約95m，前緣寬約180m，中部寬約360m，縱長約460m。復活滑坡后緣呈圈椅狀，并有明顯錯臺。后緣寬約30m，前緣寬約80m，中部寬約100m，縱長約120m，滑坡體面積約8244m2，前后緣相對高差55m。滑坡主要為上部第四系覆蓋層與三疊系泥巖接觸面形成中層土質滑坡。滑坡體厚度12~20m，平均厚度約16m，滑坡體積約13.2×104m3；屬大型中層土質滑坡。

4.2 滑面的確定

滑面的確定首先利用高密度電法剖面確定電性變化帶的深度，再利用鉆探和井探對其驗證，著重對探井中發現的滑動面進行綜合比對分析，最后利用監測成果對已經確定的滑動面進行驗證。在邊坡視電阻率斷面圖法發現明顯的電性差異面，結合鉆探成果，解譯上部視電阻率600~800Ω·m的地層為含水量較小的含礫粉質黏土或者碎石等覆蓋層，下部視電阻率25~100Ω·m的地層為泥巖或者泥質粉砂巖。電性差異面為滑面，滑面深度10~23m，如圖5所示。在鉆探和井探過程中發現明顯滑動面，滑面深度介于4.5~12.5m，如圖6所示。深部位移監測4-4監測斷面的監測孔中發現有監測變形曲線有明顯突變點，如圖7所示。

圖5 視電阻率斷面圖Fig.5 Apparent resistivity section

圖6 挖探孔滑動擦痕Fig.6 Sliding scratch of probe hole

圖7 4-4剖面監測曲線Fig.7 4-4 profile monitoring curve

經過綜合分析，根據接觸帶的起伏、結構面的差異而變化，后緣覆蓋層中呈圓弧形，中部基本呈線形，滑坡體厚度由于工程開挖，具有從后緣向前緣逐漸變淺的特點。

表1 滑面綜合確定表

4.3 滑坡形成機理

4.3.1 老滑坡的形成機制

（1）滑坡所在地貌為低山丘陵地貌，地形起伏大，自然坡度約10~30°，斜坡段相對高差約300m，為形成滑坡創造一定的地形條件。

（2）坡體上部為含碎石粉質黏土，下部為基巖（全風化泥巖、泥質粉砂巖）。上部含碎石粉質黏土透水性相對較好，下部全風化泥巖透水性相對較差，具有遇水易軟化的特點。地表水沿覆蓋層下滲到泥巖頂面處，泥巖遇水軟化形成軟弱帶，形成易滑地層。

（3）該區域構造運動強烈，斷層極其發育，造成巖體節理裂隙極其發育，完整程度極差，風化程度高，連續性極差，斷層帶是地下水的通道，利于地下水沿斷層匯集形成軟弱帶，邊坡開挖時極易沿軟弱帶發生滑塌。因此構造運動是老滑坡發生的基本條件和控制因素。

（4）該地區降雨集中，雨水下滲到坡體中使得巖土體重度增大，并浸潤滑面使得坡體強度降低，從而誘發巖土體失穩滑動。因此降水是老滑坡發生的重要因素。

4.3.2 老滑坡復活的形成機制

除上述因素外，導致老滑坡復活形成工程滑坡最重要的因素為公路路塹邊坡開挖，使得改變坡體應力狀態，抗滑力減小，誘發滑坡體前緣牽引變形。

綜上所述，老滑坡是在地形地貌、地質構造、地層巖性、降雨等多種因素共同作用下發生的，老滑坡復活主要是由人工開挖誘發的。

4.4 滑坡穩定性分析

4.4.1 參數選取

本次滑坡計算參數選取:滑坡體重度主要根據該地區經驗參數和土工試驗綜合確定；滑動面（帶）土體的強度指標c、φ值主要通過參照以往該地區經驗參數、土工試驗（反復直剪和直剪）和反算法綜合確定。反算采用工程滑坡穩定性系數K=0.99，詳見表2。

表2 滑帶巖土體強度指標

4.4.2 穩定性計算

按剛體極限平衡理論，根據滑體物質結構特征、出現的變形跡象及滑面形態，采用傳遞系數法為計算模型進行滑坡穩定性計算，計算公式如下:

其中，

式中，

Wi——第i條塊的重量（kN/m）；

Ci——第i條塊內聚力（kPa）；

Φi——第i條塊內摩擦角（°）；

Li——第i條塊滑面長度（m）；

αi——第i條塊滑面傾角（°）；

A——地震加速度（單位:重力加速度g）；

ru——孔隙壓力比；

K——穩定系數；

Ψj——傳遞系數， Ψj=cos（αi-αi+1）-sin（αi-αi+1）tanΦi+1

主滑面計算結果表明:該滑坡在各種工況下均處于不穩定狀態；天然狀態下穩定系數為0.99，暴雨狀態下穩定系數為0.91，地震狀態下穩定系數為0.88。邊坡最大剩余下滑力為1373.3kN。

表3 滑坡穩定性及推力計算結果一覽表

5 滑坡治理措施

該邊坡原設計為六級邊坡，其中一級邊坡采用錨桿格梁防護；二、三級采用錨索格梁防護；四、五級采用人字形骨架防護；六級邊坡采用三維網植草（圖8）。原設計未充分考慮老滑坡地貌及斷層對邊坡穩定性的影響，未認識到該邊坡的地質特殊性，防護措施偏弱，造成邊坡在施工過程中出現多次滑動。

圖8 原設計防護方案斷面圖Fig.8 Section of original design protection scheme

對于該類邊坡必須堅持“強支擋、重排水”的治理原則，根據勘察結果對原設計方案進行如下優化:①抗滑樁支擋。在二級平臺設置一排圓形抗滑樁，抗滑樁采用圓形截面，樁截面尺寸直徑2.5m，樁長35m，樁中到中間距5.0m，抗滑樁樁頭設置兩道錨索；②坡面防護措施。三、四、五、六級邊坡均采用錨索框架加固，第二、七級邊坡采用錨桿框架加固；③排水工程。在一級邊坡設置一排仰斜排水孔，排泄坡體內地下水。滑坡后緣以外設截水溝，各級平臺上設排水溝。在地形低洼處的一級平臺設置集水滲井（圖9）。

圖9 變更設計防護方案斷面圖Fig.9 Section drawing of altered design protection scheme

6 結論

（1）該滑坡所處地貌為老滑坡地貌，滑坡為在老滑坡前部開挖引起了老滑坡復活。滑坡為上部第四系覆蓋層與三疊系泥巖形成中層土質滑坡，滑坡體厚度12~20m，滑坡體積約13.2×104m3，屬于牽引式大型中層土質滑坡。

（2）結合鉆探、物探、挖探及測斜孔深部觀測資料，能夠清晰準確的確定滑動面的產狀及位置，為邊坡的穩定性分析提供充分的依據。

（3）老滑坡的形成、發生和發展是由外在因素和內在因素兩種因素構成的。地形地貌、地層巖性和地質構造是其滑動的內部因素，降雨是其發生滑動的外在因素。老滑坡復活形成的工程滑坡除上述因素外，最重要的因素為公路路塹邊坡開挖，改變坡體應力狀態，抗滑力減小，誘發滑坡體前緣牽引變形。

（4）該滑坡受老滑坡地貌及斷層的影響，邊坡巖土體節理裂隙極其發育，完整程度極差，

風化程度高，巖性混亂，連續性極差，坡體內部存在多道貫通的擦痕。地質條件的特殊性導致邊坡變形破壞具有變形速率快、滑動面多、水敏感性強、反復滑動等特點。

（5）對于該類受老滑坡地貌及斷層破碎帶影響的滑坡，應充分考慮其地質復雜性、特殊性，堅持“強支護，重排水”的治理原則。K20工點滑坡采用抗滑樁支檔、錨索錨桿格梁坡面防護和集水滲井斜孔排水綜合排水等措施預期可以取得較好的治理效果。