西南山區高填方滑坡變形失穩機制及治理措施
——以攀枝花機場為例

賴國泉,楊昊天,尹威江,吳紅剛

(中鐵西北科學研究院有限公司,甘肅 蘭州 730000)

0 引 言

隨著中國“一帶一路”倡議、流域生態保護與高質量發展等國家戰略的實施,越來越多的交通基礎設施建設向西部山區轉移。由于這些地區復雜的地形和特殊的地質環境條件,很多工程建設項目都要進行不同程度的開挖或者填筑,由此誘發的山地災害也越來越多。山區高填方滑坡就是其中一種重要的災害。

最大填方高度或填方邊坡高度不小于20 m的工程即高填方工程。目前中國西部山區的基礎設施建設工程中,已有較多高填方邊坡工程填筑高度超過100 m,最高已達164 m[1-4]。大量西部山區高填方工程在竣工后產生了變形破壞,亟需對邊坡上填筑的高填方工程變形破壞及其控制和治理措施進行研究。

以往對邊坡問題的研究多集中在自然邊坡或挖方邊坡[5-7],對填筑高度超過50 m的超高填方工程邊坡研究較少。由于滑坡工程個體的特殊性,對于填筑高度大、工期長、影響因素多、變形預測和控制難的山區高填方邊坡,有效的解決途徑就是通過典型實例總結解決此類問題的理念、機理及治理方法[8]。

攀枝花機場為一典型山區高填方機場,填筑高度最高達123 m,斜坡填筑長度達3.6 km,挖方總量達5 800余萬m3,挖填方量居全國前列[9]。由于該機場特殊的地理位置及地質條件,填方邊坡變形及高填方沉降變形成為機場最主要的工程病害。機場在建設過程中曾發生了7次滑坡[10],自2003年通航以來,又發生了5次高填方滑坡,嚴重影響機場正常運營。

本文以攀枝花機場東南角高填方邊坡為例,對其宏觀變形、工程地質條件進行了分析,探討了該高填方邊坡變形破壞的復雜力學機制,可為應急搶險及工程治理方案制定提供依據、為類似高填方邊坡的分析與治理提供參考。

1 工程概況

1.1 地形地貌特征

研究區為山區峽谷地貌,地形起伏大、高差大(圖1)。機場建設前為一條形山脊,建設后形成高度達66 m的高填方邊坡。

圖1 滑坡全貌Fig.1 Overall view of landslide

1.2 地層巖性及地質構造

研究區地層自上而下依次為第四系人工填土層(Q4ml),第四系全新統殘、坡積層(Q4el+dl),下伏基巖為侏羅系下統益門組(J1y)炭質泥巖、砂巖,緩傾互層狀產出,巖層傾向與坡體傾向相近,傾角18°～21°。

區內存在一向斜構造,走向NNW,向SSE傾伏,其軸部通過跑道中心點附近,滑坡所在區在該向斜東北翼,地層產狀106°～112°∠18°～21°,見圖2。巖層中發育有兩組張節理:① J1節理產狀65°～87°∠85°～87°,間距3～5 m,閉合-微張開,黏土及硅質充填;② J2節理產狀264°～280°∠82°～86°,間距5～15 m,閉合-微張,黏土或硅質充填。

圖2 坡腳基巖露頭Fig.2 Slope toe bedrock

1.3 氣候與氣象條件

研究區氣候特點:降雨集中,高溫、干旱。圖3為機場2007～2022年降雨量分布。由圖3分析可知,年最大降雨量1 025.2 mm(2017年),年最小降雨量496.0 mm(2012年),年平均降雨量為745.0 mm。圖4為機場2007～2022年月平均降雨量分布。由圖4分析可知,降雨集中在5～10月,雨季中的降雨量平均占年降雨量的97.8%左右,研究區降雨具有集中且經常暴雨的特征。

圖3 年平均降雨量分布Fig.3 Rainfall distribution of average annual

圖4 月平均降雨量分布Fig.4 Distribution of monthly mean rainfall

1.4 建設期邊坡治理措施

機場建設期,自坡頂向坡腳,每兩級邊坡坡率分別按1∶1.5、1∶1.75、1∶2.0放坡,放坡高度為8.0～10.0 m,放坡平臺寬2.0 m。建設期采取了預加固措施,坡腳設漿砌片石擋墻,坡體內側設有阻滑鍵,北側2級馬道、5級馬道處設有抗滑樁支擋。

2 坡體變形演化階段分析

2.1 變形破壞過程及其特征

滑坡在不同變形階段,會在坡體的不同變形部位產生拉應力、壓應力、剪應力等局部應力集中,并在相應部位產生與其力學性質對應的裂縫。因此,坡體裂縫是滑坡啟動與發展演化最直觀的宏觀特征。通過裂縫發展特征進行滑坡演化階段的識別是一種十分簡單有效的手段。

2016年10月調查時發現,該高填方邊坡有變形跡象,因而立即對滑坡區進行全面宏觀變形調查。分析表1的各部位裂縫分布特征可知,滑坡體后緣、左右側、坡腳裂縫表現出的變形特征不同。后緣及坡腳變形較左、右側及中部強烈。后緣產生基本平行于坡體走向的拉張裂縫,調查時,3條裂縫還未完全貫通。左右側均產生了剪切變形跡象,左側剪切裂縫已有一定的延伸,右側裂縫呈零星分布,未發現明顯連續裂縫。坡腳產生明顯的鼓脹變形,具體為五級平臺截水溝被擠壓錯斷,擋墻局部傾倒變形。

表1 坡體各部位變形特征

2.2 坡體變形演化階段

由表1可知,滑坡后緣拉張裂縫已形成但未完全貫通,且有下錯,左右側界羽狀裂縫有發育跡象,前緣剪出口已出現擠壓變形,具有推移式滑坡的變形特征。根據宏觀變形特征,變形特點總結為后部拉張變形強烈、側翼剪切變形蠕動、坡腳鼓脹擠壓變形突出。由變形特征判斷滑坡中后部向前產生了少量移動,致使前段抗滑部分受擠壓,此時中后部滑帶已基本形成。綜合判斷該滑坡處于擠壓變形階段。

3 滑坡基本特征分析

3.1 滑坡形態特征

滑坡平面呈前緣不對稱的簸箕狀,縱向北側寬大,南側窄小。縱向最大長約162 m,橫向寬約246 m,后緣至剪出口高差最大達68 m,鉆孔揭露滑體最大厚度達32.3 m,滑體總體積約50.42萬m3,為大型填筑體滑坡。

3.2 滑坡邊界特征

該滑坡周界清晰,滑坡后緣位于土面區張拉下錯裂縫處,裂縫走向24°～33°,與巡場路走向基本一致。左側周界依附于巡場路至一級馬道處剪切裂縫,走向327°～21°。滑坡右側以巡場路張開裂縫北端至五級馬道截水溝溝壁外傾變形段為界。滑坡剪出口在坡體南側沿坡腳便道、截水溝溝底展布,至五級馬道截水溝傾倒損毀處并沿該平臺向北延伸。

3.3 滑坡結構特征

勘察鉆孔揭示:坡體地層自新向老依次為坡頂人工填土,色雜,以強風化砂巖、炭質泥巖角礫、碎石為主,有黏土充填,最大厚度達33 m;下覆全風化殘坡積角礫土、碎石土,黃褐-灰褐色,黏土充填,含水量較高,呈可塑-堅硬狀,層厚度變化較大,最大可達12 m;基底基巖為侏羅系下統益門組砂巖、炭質泥巖,呈互層狀產出。

滑面位置依據鉆孔巖心結合鉆進縮孔情況、物探揭示和地質綜合分析確定,見圖5。該滑坡發育有一層滑帶(面),主滑段滑動帶(面)依附于全風化殘、坡積層。滑帶土以殘坡積層中灰白色黏土夾層為主,含水量高,呈軟塑狀,泥膜呈灰白色;滑面泥膜處可見明顯粗粒土擦痕,揉皺嚴重,見圖6。傾角隨滑面位置的不同而略有變化,主滑段滑面傾角12°～17°,滑面埋深最大達32.3 m,橫向呈中間深、兩側淺,在南、北兩側受原地面控制。

圖5 典型工程地質斷面Fig.5 Typical engineering geology section

圖6 鉆孔及樁坑中揭露滑面Fig.6 Expose sliding surfaces in boreholes and pile pits

4 滑坡成因分析

4.1 坡體結構不利于排水

工程地質調查結果表明:滑坡區山體具有單斜構造特點,見圖7。機場修建時,邊坡上分層填筑了塊碎石土,且覆蓋于表層未完全清除的全風化含泥質砂巖、炭質泥巖殘坡積層之上;填筑土以下基巖為侏羅系炭質泥巖、砂巖,緩傾互層狀產出;由此,形成特殊的上軟下硬順傾坡體結構。

圖7 滑坡區地層結構示意(距離單位:m)Fig.7 Schematic diagram of strata structurein in landslide area

野外調查巖層產狀為106°～112°∠18°～21°,巖層走向與邊坡走向小角度相交,與滑坡的滑動方向一致。區內單向順傾的炭質泥巖、砂巖互層,使地下水向同一個方向匯集后具有沿層面滲流的條件;基巖中發育的2組張性節理,形成了基巖中裂隙水流通的通道,使基巖裂隙水從機場西側甚至機場山梁西側直接進入滑體,有了地下通道。機場填筑邊坡時,由于底部及填筑體內設置的排水措施偏少,而滑坡后緣為寬大的土面區平臺,強降雨后,大部分降水下滲至坡體內,因滑體填土層黏土含量高、賦水性較好、孔隙連通性差、徑流不暢,降水下滲后難以向水位較低的臨空方向滲流消散。

4.2 坡體富水

(1) 地下水補給充分。滑坡區地下水補給主要通過降雨入滲。由圖3可知:近幾年來,該地區年降雨量普遍較大,尤其近3 a降雨較以前明顯增大。由圖4可知:該地區降雨集中,雨季集中了全年95%以上的降雨,雨季特大暴雨多,具有點暴雨特征。因此,該地區地下水補給充分。

(2) 坡體地下水豐富。工程地質勘察階段采用高密度電法對滑坡區地下水進行了探測,結果見圖8。物探成果表明:土面區及坡體內部含水豐富,二級馬道以上至場坪土面區地段電阻率明顯偏低,說明該處為滑坡體主要富水區域,具有窩狀不連續分布特征,呈明顯的成層性。通過分析鉆孔中含水層段巖心,結果表明:含水層具有黏土含量高、賦水性較好、孔隙連通性差、徑流不暢,坡內地下水難以快速消散等特點。

圖8 典型剖面物探成果Fig.8 Typical section geophysical results

4.3 滑動機理

該段高填方邊坡按一定穩定坡率填筑后,采取了支擋結構加固,但是該預加固的高填方邊坡在維持了13 a的穩定后,產生了滑動變形。對其原因進行如下分析。

(1) 13 a間,每年的強降雨都是對坡體的一次累進性加載過程。在長期的時間效應下,強降雨入滲后,由于填料的不均勻性,填料中細粒土在長期滲透力的拖拽作用下,向填筑體的下部富集;而坡體下部為單向順傾的炭質泥巖、砂巖互層,泥巖滲透系數遠小于上部填筑體,相對隔水,滲流通道在泥巖頂部被阻,經歷長期的時間作用,細粒土在此富集,形成了一層灰白色泥膜,即為滑面。良好的補給條件及地下水在坡體內的長期賦存,導致滑坡中后部土體飽和,自重增加,滑體匯集的地下水向滑帶下滲,滑帶長期處于飽和狀態,導致滑帶土抗剪強度衰減。

(2) 該段邊坡填筑厚度大,邊坡自重應力大,又由于坡體中孔隙水壓力和滲透壓力的聯合作用,填筑體沿殘坡積層蠕動變形逐漸增大。隨著時間累積,在坡體已有的支擋結構附近形成應力集中,抗滑支擋結構逐漸被剪斷,產生了累進性的破壞,滑面逐漸貫通。

5 穩定性分析及治理措施

由前述坡體宏觀變形、坡體特征分析可知,該滑坡處于擠壓變形階段,需進行工程整治。滑坡整治工程的核心問題為滑坡推力的確定。滑坡推力合理計算的首要問題即滑坡體巖土物理力學參數選取、滑坡穩定性的綜合分析。

5.1 巖土物理力學參數選取

通過現場鉆探采取原狀滑帶土與滑床土樣,測試天然及飽和狀態下滑帶土的強度指標。表2為室內試驗及原位測試得到的滑帶土、滑床基巖的基本物理力學參數。由表2分析可知,滑帶土抗剪強度指標c、φ值應結合原位直剪、反復直剪結果綜合選取。綜合比較后,根據試驗結果選取c=14 kPa、φ=14°。

表2 巖土體參數

為了解滑坡穩定性與滑帶土抗剪強度的關系,選取3條主滑剖面進行反算。計算公式采用GB 50330-2013《建筑邊坡工程技術規范》中的傳遞系數法進行。根據反算結果及試驗取值,類比附近滑坡工點的參數后,最終選取的指標見表3。

表3 推薦巖土參數

5.2 滑坡穩定性評價

在滑坡演化的滑帶土強度衰減、滑動面剪切貫通、滑動周界延展閉合等過程中,滑坡整體穩定度不斷變化。一般滑坡變形分為4個階段:蠕動階段(1.05

根據表1所描述的滑坡變形空間特征分析,其后緣已產生局部貫通的拉裂縫、左側界產生一基本貫通羽狀裂縫,右側未形成連續性貫通裂縫,前緣剪出口已產生,局部擋墻也已垮塌。通過變形特征分析,擠壓變形微地貌特征已基本發育完全。滑坡整體處于擠壓變形階段,在自然工況下,其穩定系數為1.03～1.00,基本處于滑動前的極限穩定狀態。

滑坡穩定性分析計算以平面極限平衡法為依據,將滑體垂直分條,采用傳遞系數法計算,計算結果見表4。由表4可知,自然、暴雨工況下滑坡整體處于欠穩定狀態,地震工況下滑坡處于不穩定狀態。

表4 穩定性計算結果

5.3 治理工程措施

滑坡推力分析計算是治理工程設計的關鍵。采用傳遞系數法,分別按天然、暴雨及地震等3種工況計算樁位處推力,對應安全系數分別取1.20,1.15,1.10,具體見表5。

表5 工程位置處推力計算

由于該滑坡滑面深,滑坡推力大且地下水豐富,治理方案采用支擋工程與排水工程相結合的方式。根據滑坡推力大小,支擋結構采用普通抗滑樁、預應力錨索抗滑樁強支擋。地下排水結構措施采用集水井聯合井內仰斜排水孔疏排地下水。工程斷面布置見圖9。為評價治理工程的可靠性,采用數值模擬方法,依據圖9工程治理斷面建立數值模型,對治理后坡體穩定性進行分析,計算結果見圖10。由圖10可知,治理工程實施后,最大塑性剪應變區集中于坡體原始滑帶(面)部位,滑體后部的塑性變形已不明顯,抗滑樁及坡腳擋墻無變形,說明抗滑樁及坡腳擋墻防治效果較好。治理后穩定系數Fs=1.38,坡體處于穩定狀態。集水井的實施,使得坡體中地下水及時疏排,保證了巖土體抗剪強度不衰減,有利于坡體的長期穩定。

圖9 典型工程治理斷面Fig.9 Cross-section of typical engineering management

圖10 塑性區分布Fig.10 Plastic differential layout

治理工程施工完畢后,在樁頂設置了監測點,進行了長期位移監測,結果見圖11。分析圖11可知:各監測點曲線基本呈水平狀,滑坡變形得到了有效控制,治理效果良好。

圖11 累計位移(沉降)-時間曲線Fig.11 Accumulated displacement (settlement)-time curves

6 結 論

本文以攀枝花機場東南角高填方邊坡為例,進行了滑坡變形治理研究,得到以下結論。

(1) 分析坡體宏觀變形可知:該段坡體變形具有推移式滑坡的變形特征:后部拉張變形強烈、側翼剪切變形蠕動、坡腳鼓脹擠壓變形突出。基于變形現狀,綜合研判滑坡處于擠壓變形狀態。

(2) 通過工程地質勘察,查明了滑坡平面形態特征、邊界特征及空間結構特征。特殊的上軟(填筑體)下硬(砂泥巖層)、單斜、緩順傾坡體結構是該滑坡發育的物質基礎。由此導致坡體有利于降雨下滲,但不易排出。坡體富水是滑坡的誘發因素。在長期孔隙水壓力和滲透壓力的聯合作用下,填筑體沿殘坡積層蠕動變形逐漸增大。隨著長時間的累積,抗滑支擋結構逐漸被剪斷,產生了累進性的破壞,滑面逐漸貫通。

(3) 根據室內土工試驗及現場直剪試驗的成果進行反算,確定了滑帶土物理力學參數。基于宏觀變形特征,結合傳遞系數法分析,結果表明:滑坡整體在自然、暴雨工況下處于欠穩定狀態,在地震工況下處于不穩定狀態。

(4) 基于該滑坡特點,提出抗滑樁支擋與集水井疏排地下水的綜合治理措施。工后監測結果表明,該措施治理效果良好。