高填路基滑坡變形特征與失穩機理研究

付國茂

（山西交科公路勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

2021年9月底至10月初，山西省中南部區域經歷了降雨量超越歷史同期數十倍的連續陰雨天氣，高沁高速公路出現多處相似的路基滑坡，其中K128處路基滑坡規模較大，也較為典型。該段高填路基最大中心填高為41.5 m、外側填高50.2 m。在運營期內，出現過不同程度的路基位移、路面裂縫等問題，2021年9月底，該段路基的數個位移監控點，位移呈現出一定的發散增長趨勢，路面及坡面出現多條剪張性裂縫，嚴重影響了公路運營的安全性。

本文通過詳細調查K128處路基滑坡的地質環境條件、滑坡空間形態和滑坡變形特征的基礎上，分析了路基滑坡失穩機理，總結出引起滑坡的共性原因，可為今后類似地質情況的路基設計提供借鑒。

1 滑坡區基本特征

1.1 地質環境條件

滑坡地貌單元屬構造剝蝕低山區，地勢整體南高北低。區內發育一條近南北向呈“V”字型溝谷，上游大范圍出露二疊系上統石盒子組（P2s）泥巖、砂巖，下游溝底覆蓋薄層 Q42al+pl粉土及卵石，兩側溝岸由Q3al+pl黃土、卵石及Q3el+dl含碎石粉質黏土組成，局部 P2s砂、泥巖裸露；滑坡區填方路段位于下游沖溝及兩側溝岸斜坡地帶。滑坡區地層為第四系填土、粉質黏土，下覆二疊系上統石盒子組（P2s）泥巖、砂巖。巖層產狀為63∠5°，無活動性斷裂構造，地質構造簡單。

地下水主要為碎屑巖裂隙水，富水性強，陡坡處含水層裸露或臨空于地表，風化裂隙接受大氣降水之后絕大部分隨補隨排，路基或邊坡大部分賦存暫時性的地下水。裂隙水的多寡與大氣降水量相關。

1.2 滑坡空間形態

1.2.1 滑坡空間形態和邊界

滑坡平面上呈不規則的橢圓形，主軸長約410 m，寬約320 m，其中路面范圍內即滑坡后緣寬約110 m，前緣寬330 m，東西兩側均以溝心為界，總面積約114 850 m2，見圖1。滑體最大厚度約36.0 m，平均厚度約31.0 m，總體積約380萬m3，為大型深層滑坡。主滑動方向北偏西22°，近似垂直于路線走向。

圖1 滑坡規模平面圖

1.2.2 滑坡的地層及結構特征

該滑坡體主要由第四系全新統（Q4me）路基填土和上更新統（Q3el+dl）殘坡積及二疊系上統石盒子組（P2s）沉積巖組成，見圖2，該滑坡體前沿位于填方路基處，為半填半挖，沉降最大部位為原始斜坡與填方結合部位。坡體呈緩坡狀，總體坡度介于10°～20°，該填方體坡頂與坡腳的相對高差在20～50 m之間，其主體部分位于K128+514處沖溝內，其余部分位于斜坡地帶。

圖2 滑坡地質剖面圖

1.3 滑坡變形特征

1.3.1 滑坡變形發育歷史

2021年6月起，該路段出現路面沉降、裂縫等病害，自2021年9月降雨后，裂縫、沉陷、錯臺等日趨嚴重，尤其在10月初的連續強降雨之后，路面裂縫、路面變形加劇，嚴重危及行車安全。經現場實地踏勘，主要病害狀況有路面開裂、路面沉陷、坡面變形、涵洞變形、兩側階地張拉裂縫及二級平臺下陷等。

1.3.2 地表及淺部變形

地表變形主要表現在路基沉降，路面、填方路堤及農田開裂。最大沉降位于K128+294—K128+350段中分帶處，沉降路面與原路面標高高差約60 cm左右。裂縫主要發育在路面、填方路堤和農田處，裂縫類型有拉張裂縫、剪切裂縫和鼓張裂縫。詳見表1。

表1 主要裂縫調查測量統計表

為了解路面以下沉陷變形情況，2021年9月對高沁高速K128+240—K128+633段路基沉陷病害進行了地質雷達探測，共布置測線10條，得出以下結論：K128+240—K128+633段，深度范圍在0.4～1 m范圍存在輕微脫空，1.5～2.5 m存在不密實層，局部存在疑似空洞。圖3中，淺色范圍為脫空或不密實異常，深色為疑似空洞區域。

圖3 路基沉陷地質雷達探測平面示意圖

1.3.3 深部變形

為了確定滑動面的準確位置及深部變形情況，設置深部測斜孔H24，并進行監測，圖4為2021年9月1日至9月20日4次監測數據結果，位移在深度27 m處出現明顯變化，表明在該位置27 m處出現滑動，并且滑動變形在不斷發展中。

圖4 深部測斜孔監測情況（H24號監測孔深層土體水平位移圖）

2 滑坡變形趨勢分析

通過在滑坡路基段典型斷面布設4處變形監測點，得到監測數據以便分析滑坡變形趨勢變化，見圖5，從8月下旬至11月上旬累計沉降最大值309 mm，位移最大值282 mm；最大變形點為D1號監測點。K128+390處涵洞及二級平臺抗滑樁頂布設沉降位移觀測點4個，從8月中旬至10月下旬累計沉降最大值86 mm，位移最大值245 mm，最大變形位于D1監測點。從變形趨勢看，2021年8月3日至2021年8月10日變形突然加速，然后又平穩，再到9月21日后變形又開始加速，持續時間長，一直到10下旬，這和雨季汛期相對應，屬于雨季階躍型。11月份變形有所趨緩，變量為1～4 mm/d，變形和降雨期基本對應。依據地表監測數據結果，得出滑坡現處于蠕動變形階段，其變形隨著雨量的減小，逐步趨穩的結論。

圖5 2021年8月21日—11月6日各監測點累計水平位移值

3 滑坡成因機制分析

3.1 地形條件

滑坡路段屬陡坡路堤，為半填半挖路段。地勢整體南高北低，原地表斜坡坡度在 10°～40°之間，為滑坡提供了較好的地形條件。

3.2 地層結構

路基填土的地層結構及巖性特征為滑坡形成提供了內在基礎[1]。路基填土物質成分主要由碎石、粉質黏土組成，結構較疏松，含水量自上而下逐漸增大，粉質黏土多呈可塑狀態，靠近原地面附近多為軟塑狀態。土體含風化碎石塊石較多，骨架排列，而碎石主要由強風化砂巖和泥巖組成，遇水易軟化，強度降低，碎石棱角軟化后土體骨架重新排列，導致沉降加劇。另外，該半挖半填路基位于Ⅰ級非自重（輕微）濕陷性黃土之上，受地表水下滲及上部路基填土自重的影響，局部產生濕陷，亦加劇了該填方路基的變形破壞。

3.3 大氣降水影響

滑坡區內降水集中，多為暴雨，對坡面進行沖刷、侵蝕破壞，使得既有裂縫不斷發育增大，大氣降水入滲比例增大，滑體重量增加，下滑力增大，滑坡的穩定性降低。另外，滑坡區內降水集中，持續時間長，大部分大氣降水形成地表面徑流，自高處向低處排泄，地表水下滲及地下基巖裂隙水的補給，一方面使得滑體重量增加，下滑力增大，滑坡的穩定性降低；另一方面，降水在相對隔水層（泥巖頂面和土體結合面）附近賦存，對隔水層頂面土體進行浸泡軟化，使其抗剪強度降低；再者，地下水位抬升或流動，增加了滑體的動、靜水壓力，根據勘察中鉆孔、深部位移測斜管、泉、水文孔中地下水水位，得出工作區近2年時間內水位最大處上升約10 m，平均上升了7.2 m，其加劇了滑坡的變形速率，降低了滑坡的穩定性。

通過對監測位移資料及降雨量情況進行對比，如圖6，滑坡變形速率與大氣降水關系顯著，呈現邊坡變形速率隨大氣降水強度增大而增大的規律。

圖6 2021年沁水縣大氣降雨量與滑坡水平位移對比（單位：mm）

3.4 地表水與地下水

滑坡區地表水主要為溝谷季節性流水，溝谷匯水面積為0.155 km2，按年平均降雨量為610 mm計算，溝內匯水體積為94 550 m3/年，每天平均匯水量為262 m3，該部分水為滑坡坡體主要的補給來源。

地下水是影響該滑坡穩定性的主要不利因素，地下水還具有水量較為穩定、對滑坡作用具有長期性的特點。滲透水進入巖土體的孔隙和裂縫中，使巖土的抗剪強度降低[2]；除此之外，還存在滑帶孔隙水壓力增高和基巖裂隙水對滑帶侵蝕作用。

3.4.1 滑帶孔隙水壓力增高

根據鉆孔揭露地下水位位于基巖面上，并隨基巖面高低而起伏，表明地下水受基巖層間裂隙水滲流影響，一方面在泥巖頂面土巖結合面附近賦存，對滑帶土體進行浸泡軟化，孔隙水壓力增大，使其抗剪強度降低；另一方面，地下水位抬升或流動，增加了滑體的動、靜水壓力，降低了滑坡的穩定性[3]。

3.4.2 基巖裂隙水層間滲流對滑帶侵蝕作用

長時間的降雨入滲，形成大量的基巖裂隙水，形成層間徑流，自高處向低處排泄，侵蝕軟化基巖附近土體，并造成滑帶內鹽分膠結作用的易溶鹽溶解，使得其抗剪強度急劇下降，形成劣化軟弱層[4]。

4 處治設計

根據以上滑坡變形特征與滑坡成因機制分析，水在滑坡成因中起到了主要作用，如何做好降水排水設計最為關鍵。見圖7，在1～3級坡設置5排仰斜式排水孔，減低坡體上部土體含水量和疏導上部基巖裂隙水，在滑坡中部設置地下排水隧洞，隧洞頂部設置滲水井，滲水井間距10 m，起到降低滑坡坡體水位和排出中上部基巖裂隙水的作用。通過以上措施排水降水后，該路基滑坡基本穩定，并在雨季時依然起到很好的效果。

圖7 滑坡處治設計示意圖

5 結語

通過分析滑坡地形地貌、地質構成及結構特征、地下水特征及情況，得出地質組成和結構特征是滑坡失穩的內因，大氣降水及碎屑巖裂隙水層間滲流是影響滑坡穩定性的主要外因。為滑坡防治提供參考依據，同時也為路基設計提供借鑒，應盡量避免在碎屑巖裂隙水豐富的地段設置高填路基。