凍土區邊坡熱融滑塌的穩定性評價與治理

王瑜鑫 蔡德鉤 閆宏業 張俊德

1.中國鐵道科學研究院 研究生部， 北京 100081； 2.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；3.中鐵西北科學研究院有限公司， 蘭州 730030

隨著人類工程活動對凍土區的影響不斷加劇，導致了凍土穩定性的降低及熱融滑塌的發生頻率逐漸提升。熱融滑塌是指斜坡冰層受環境溫度變化影響發生融化，致使表面及滑動面上土層的強度指標下降，導致斜坡發生滑塌的一種地質災害現象。

我國熱融邊坡滑塌災害主要發生在東北高寒區等地區，學者們基于現場調查、理論分析、室內實驗等方法，取得了一定的研究成果。彭惠等［1］通過青藏線調查數據，將熱融滑坡分為坍塌沉陷式和牽引滑動式兩類，對防治措施提出了針對性的建議。羅京等［2］提出在全球變暖的影響下熱融滑塌發育現象較為普遍，并對工程、環境造成了一定程度的破壞。牛富俊等［3］以兩處熱融滑塌為例，分析了其病害原因及破壞特征，并對此類災變的預防治理措施提出了針對性的意見。馬立峰等［4］通過對熱融滑坡的破壞運動過程及地溫變化進行分析，發現每年7月—9月是該類災害的易發時期。靳德武等［5-7］對熱融型滑坡開展了大量研究：對青藏線熱融滑坡進行了長達1 年的監測，通過監測結果對熱融滑坡的變形特征有了較為充分的認識；對熱融滑坡的機理進行分析，得出質點遷移效應和滯水潤滑效應是導致滑塌的主要原因；對凍土斜坡變形特征分析發現其位移主要發生在淺部。

現有對熱融滑坡的變形特征、破壞機理、穩定性分析等的研究中結合現場實例對熱融滑塌穩定性評價的研究尚不多見。本文依托青海省道312線瑪多至色吾溝公路K315 段熱融滑塌病害，結合現場勘察及室內試驗結果，對比滑坡的穩定性計算方法的準確性，并從實際角度出發提出可實施的工程措施。

1 工程概況

省道312線瑪多至色吾溝公路是連接青海省果洛州及玉樹州的重要公路之一，公路所處區域平均海拔4 300 m 以上。隨著公路基礎工程的施工擾動及其他致災因素的疊加，公路K315 + 480 —K315 + 720段邊坡及路肩墻、保溫擋墻出現變形現象。

1.1 地形地貌

滑塌所處位置為山麓斜坡堆積地貌，山麓斜坡堆積地貌與色吾曲河Ⅱ級階地呈緩坡接觸。斜坡地形總體上呈南西高、北東低的特點，自然斜坡坡度約10° ～ 20°，山頂高程約4 392 m，坡底高程約4 323 m，高差約70 m。滑坡體位于色吾曲河南岸的斜坡上，滑坡地貌基本保持完整，其前緣、中后部均較平緩，滑塌體范圍內高程4 356 ～ 4 323 m，高差約33 m。滑體坡面植被較不發育，固坡能力差。

1.2 地質條件

1.2.1 地層巖性

該地區工程地質條件復雜，根據工程地質調繪及鉆孔內揭露情況，地層情況如圖1所示。

圖1 地質斷面

1）第四系全新統填筑土、草甸土

①填筑土：雜色，稍濕，稍密，主要成分為砂、礫石，為路基填土，鉆孔揭露厚度為0.8 ～ 4.2 m。②草甸土：深褐色，稍濕 ～ 濕，松散，主要成分為粉土，植物根系較發育厚度為0.1 ～ 0.3 m。

2）第四系熱融滑塌堆積體

①含角礫粉土：灰黑色，稍濕 ～ 濕，稍密。主要成分為粉粒，鉆孔揭露厚度為0.4 ～ 2.6 m。②粉土：黃褐色，稍濕 ～ 濕，稍密，主要成分為粉粒，次為黏粒，鉆孔揭露厚度為0.1 ～ 0.5 m。

3）第四系坡洪積、沖洪積

①含粉土角礫：灰黑色，稍密。母巖成分為頁巖，粉黏粒占全重的19.4% ～ 21.6%，鉆孔揭露厚度為0.5 ～6.6 m。②圓礫：雜色，稍密。其成分礫石粒占全重50% ～ 60%，卵石粒占全重的10%～15%，滑坡體前緣鉆孔有揭露，揭露厚度為1.8 ～ 6.6 m。③細砂：黃褐色 ～灰褐色，稍密，主要成分為細砂粒，揭露厚度為0.2 ～4.4 m。

4）三疊系風化頁巖

①強風化頁巖：灰黑色，泥質結構，頁片或薄片狀構造，斜坡處均有分布，揭露厚度為3.6 ～ 16.0 m。②中風化頁巖：灰黑色，泥質結構，頁片或薄片狀構造，巖石質量指標為15% ～ 35%。斜坡處均有分布，本次勘察未揭穿，揭露厚度為1.20 ～ 11.30 m。

1.2.2 地質構造

勘察區未發現對線路有影響的活動性斷裂帶通過，區域穩定性較好。

1.3 氣象水文條件

1.3.1 氣象條件

曲麻萊縣地處青海省西南部，平均海拔超過4 500 m 主要氣象要素見表1。此處季節性凍深約2.04 ～ 2.77 m。

表1 主要氣象要素特征值

1.3.2 水文

工程所屬區位于多年凍土區及季節性凍土區過渡帶，同時存在島狀多年凍土分布，地質條件復雜，地表水季節性波動大。結合坡體前緣的季節性流水及降雨特征分析，該地區主要存在第四系松散巖類孔隙水、基巖區孔隙裂隙水兩種地下水的基本類型。第四系松散巖類孔隙水分布于該段滑坡體前緣色吾曲河Ⅱ級階地及河漫灘。根據鉆探結果，滑塌體前緣鉆孔有穩定的地下水位，水位埋藏深度0.3 ～ 1.8 m，水位標高4 322.61 ～ 4 322.79 m。基巖區裂隙水主要存在于三疊系強風化頁巖中，主要為夏季大氣降水和冰雪融水的入滲補給。基巖區裂隙水在本段滑坡體范圍未出現明顯的滲水現象，未見泉眼出露及水草沼澤地。地下水的化學成分復雜，水質較好，礦化度低。

2 熱融滑塌形態及成因分析

2.1 空間形態及破壞特征

該邊坡熱融滑塌位于瑪色公路K315 + 480 —K315 +720 天然斜坡上，自然坡度約15°，滑塌范圍縱向長約120 m，寬240 m。夏季熱融滑塌速率增大，后緣裂縫明顯，寬度約10 cm，同時滑塌體前緣因滑動土體不斷向前推動擠壓成隆起狀。滑塌地貌基本保持完整，斜坡地表有蠕動、滑動痕跡，地表沿周界有裂縫發育，平面呈簸箕狀，滑體坡面植被不發育情況差，固坡能力差。滑塌體變形特征如圖2所示。

圖2 滑坡變形特征（夏季）

根據鉆探揭示滑體堆積物，結合地面調查分析及多年凍土上限、季節性凍土凍深綜合分析，該處滑塌一般埋深1.2 ～ 3.0 m，屬淺層熱融滑塌。工程建設后，該段斜坡出現多處裂縫，路肩擋墻外移約3 cm，下沉約5 cm。變形情況如圖3所示。

圖3 路肩墻變形特征（冬季）

2.2 成因分析

大部分的熱融滑塌主要誘發因素為人類工程活動、水熱侵蝕、凍土活動層滑脫［2］。結合本文熱融滑塌的特征，災害誘發基本過程為：

1）隨著氣候暖濕化引發的極端高溫及降雨增多，斜坡的凍土上限在氣溫及水熱侵蝕的雙重作用下逐漸退化。

2）修建公路對該處斜坡的開挖引發開挖面小規模坍塌，暖季坍塌面上尚未融化的冰層暴露并迅速融化。

3）上部已發生融化的土體失去坍塌面的支撐并開始下滑。

4）暖季坡面有暫時性面流，由于坡體頂部地形較緩，坡度在15°，雨季易匯集水，且上覆草甸土、粉土、含角礫粉土厚度較薄且易滲透同時隨著土體滑動，原坡體表面積水快速下滲，下滲過程中遇到凍土上限冰層阻礙，水將沿凍土上限流動，產生了“滯水潤滑效應”［6］。

5）下滲水及融化產生的水一方面使滑體含水率增高、重度加大；另一方面使土體的強度指標下降，加速了斜坡的熱融滑塌。

3 穩定性評價

在邊坡病害治理中，首先需要準確判定坡體的穩定狀態，進而選取適宜的治理方案。穩定性評價一般包括結合現場變形特征的定性評價與通過理論計算的定量評價。

3.1 定性評價

該處熱融滑塌所處位置的季凍層經反復凍脹與熱融發生軟化，在重力作用下沿坡向蠕滑變形。斜坡自然坡度較緩，坡角10° ～ 20°，在雨季及冰雪消融季節的活動性較強，表層軟土層沿坡向蠕動發展較快，斜坡經過一定時期的蠕動后，滑帶土強度進一步降低，造成持續蠕動，在表層形成大量裂縫，如局部遇阻，便形成臺階狀鼓丘。鉆探資料顯示該地段下伏基巖分布穩定且連續，無軟弱下臥層。目前正處在蠕滑變形階段，處于不穩定狀態。

3.2 指標反算

準確定量評價滑坡的穩定系數需要建立在合理的巖土體參數取值之上。由于土體天然重度與飽和重度相差不大，室內試驗測定土體抗剪強度指標采用不排水剪切試驗模擬，盡可能使原位土體中孔隙水壓力特性同室內實驗條件類似。結合室內試驗及滑坡目前變形特征綜合分析，反算滑坡穩定系數取0.95，巖土體強度指標取值見表2。表中數值表示天然狀態，括號內數值為飽和狀態。

表2 巖土參數取值

3.3 穩定性評價

在對斜坡的穩定性評價中，目前以GB 50021—2001《巖土工程勘察規范》中穩定系數的計算公式為主要方法，該方法對斜坡的穩定性評價依賴于準確的巖土體強度實驗參數及滑動面的準確位置。為準確分析斜坡的穩定狀態，本文參考文獻［8］中對熱融滑塌的穩定性評價方法和規范方法進行對比，驗證結果的準確性。

3.3.1 規范評價結果

GB 50021—2001 以抗滑力同下滑力的比值來分析計算滑坡的穩定性，該方法使用較為成熟。規范中對邊坡穩定性的計算，分為自然工況、暴雨工況、地震暴雨疊加工況。熱融滑塌斜坡的巖土體強度參數隨著凍融狀態發生變化，對應的穩定性系數也在變化。以凍土上限滑體厚度最大處為計算斷面且滑體均處于飽和狀態進行計算分析，結果見表3。

表3 穩定性評價結果

一般而言，滑坡的滑動面位置較為固定，而熱融滑塌斜坡的滑動面是隨凍融邊界發生不斷變化的。隨著凍融邊界的動態變化，利用規范進行計算需要重新確定滑面位置并以條分法分割滑體，步驟較為繁瑣。若根據地溫監測規律確定融化深度隨時間變化的過程，僅以融化深度為變量計算分析熱融滑塌的穩定性則較為簡便。

3.3.2 基于超孔隙水壓力的評價結果

根據文獻［8］結論，目前國內外學者針對凍土斜坡的計算評價方法主要有5 種，文獻［9］對這5 種計算方法進行分析發現只有兩種方法較符合現場實際，主要參數易于獲取，分別采用5 種計算方法計算同一凍土斜坡的穩定性，只有式（1）的計算結果契合現場實際。式（1）基于有效應力理論，認為凍土層阻礙了融水排出，形成的超孔隙水壓力使得土體抗剪強度減小，導致斜坡發生失穩。該方法的理論與熱融破壞的滯水潤滑機理有一定的相似性，且經過實踐檢驗，因此采用此方法對本文的熱融型邊坡穩定性進行檢驗計算。

式中：FS為穩定性系數；γw為水的重度，取10 kN/m3；Dw為滑面上水頭，取0.05 m；γ為土的重度，取21 kN/m3；Z為融化深度，取0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 m 分別計算；?′為有效內摩擦角，取11.1°；β為平均坡度，取15°；C′為有效黏聚力，取1 kPa。

按式（1）分別計算不同融化深度下的穩定系數，計算結果見表4。可知，最不利斷面平均融化深度為2.0 m，規范計算穩定性系數為0.80，與基于超孔隙水壓力的計算方法得出的結論一致。計算熱融滑塌斜坡穩定性時，伴隨融化深度的改變，穩定性系數不斷改變，在明確凍融深度變化的情況下，此方法計算更為簡便。

表4 不同融化深度對應穩定系數

3.3.3 評價結論

定性評價、穩定系數的計算結論以及基于超孔隙水壓力的計算結果均顯示斜坡處于不穩定狀態，需要及時進行治理。

4 滑坡治理

4.1 治理方案

4.1.1 反壓方案

反壓是滑坡應急處置中最為迅速的方案，一般在滑坡上部卸載，下部實施反壓，盡可能實現填挖均衡。該段滑坡位置生態環境脆弱，實施大規模挖方會對生態環境造成嚴重破壞并對凍土的上下限產生擾動，不符合治理的基本原則。該段公路路基施工后剩余大量土石方，土石方可快速調運至滑坡位置進行反壓，運輸費用相對較為經濟。除反壓外，防排水措施包括：在滑坡中部位置設置盲溝、在滑坡邊界外設置擋水捻。為防止色吾溝漲水對反壓坡腳的沖刷，需設置坡腳擋墻。反壓方案如圖4所示。

反壓后對熱融滑塌坡體按暖季最不利條件進行穩定性分析，自然工況下穩定性系數為1.49、暴雨工況1.37、地震工況1.25，均為穩定狀態。

4.1.2 抗滑樁方案

根據現場地勘資料，該處基巖埋深較淺，且滑坡剩余下滑力小，可考慮抗滑樁進行支擋。按最不利斷面地震工況下安全系數取1.05 計算抗滑樁設計推力為1 775.51 kN/m。項目區人工挖孔抗滑樁實施難度大且施工速度較慢，可以采用機械成孔的圓形抗滑樁進行支擋。防排水措施同反壓方案一致。抗滑樁方案如圖5所示。

圖5 抗滑樁方案

4.2 治理方案選擇

方案的選擇需充分考慮工期、防治效果、工程經濟性等問題，將反壓方案、抗滑樁方案優缺點進行對比，結果見表5。

表5 方案對比

綜合考慮環境因素、公路等級及變形控制要求、施工工期、施工材料調配問題，選擇回填反壓的方案對該處滑坡進行治理。

5 結論

1）采用GB 50021—2001《巖土工程勘察規范》中的方法對熱融滑塌邊坡進行穩定性評價，需要重點分析滑帶土在不同環境狀態下的強度參數并合理選取。

2）基于超孔隙水壓力的評價方法同現場實際情況相符，可較為簡便地計算出隨著熱融邊界變化斜坡的穩定性變化情況，適宜用于熱融型滑坡的穩定性評價。

3）對熱融型滑坡的治理，應盡量減少對區域環境的擾動，加強對多年凍土的保護。綜合考慮工程經濟性、施工速度、對凍土的擾動程度后選擇反壓治理方案。