五盂高速公路K21～K25段顺层滑坡变形特征及破坏原因分析

王 海，郭 锐，赵昀昀

(山西省交通规划勘察设计院)



五盂高速公路K21～K25段顺层滑坡变形特征及破坏原因分析

王 海，郭 锐，赵昀昀

(山西省交通规划勘察设计院)

五台至盂县高速公路在K21～K25段分布有八段顺层路堑边坡，边坡岩体中的中～缓倾角结构面及软弱夹层发育，路堑的开挖已引起七段边坡发生不同程度的变形或滑动。根据工程地质勘察结果及施工过程中边坡变形情况，依托代表性的五号高边坡，从边坡的地质环境及多次变形特征入手，对其形成原因及破坏机制做了分析研究。研究结果表明，边坡中软弱夹层的存在，加之长期的差异风化蚀变、构造作用、降雨、不规范施工等原因，是该边坡产生滑动的控制性因素。对该边坡的研究，可为以后类似边坡(滑坡)勘察及处治提供依据及参考。

边坡工程；顺层滑坡；软弱夹层；破坏机制

1 引 言

山西五台至盂县高速公路K21～K25段位于五台山东南部阜平穹状隆起区内，该隆起区以裸露的前长城系结晶基底为特征，受区域变质作用，岩性多以片麻岩和片岩为主，地层产状较稳定，总体向西倾，倾角15°～28°。由于该路段基本平行于岩层走向布设，因此在路线设计上，不可避免地遇到大量的顺层边坡。这些顺层边坡中，有八段边坡高度大于30 m，在切坡过程中，就有七段边坡发生了变形或滑坡。因此，对变质岩顺层边坡破坏规律及处治对策的研究，对高速公路工程建设及滑坡防治具有十分重要的意义。

前人对顺层边坡的破坏机制进行了大量的研究。肖国峰等通过滑坡区的全面监测，研究了硬岩中倾顺层边坡变形特征和破坏机制。黄润秋、杨天鸿等分析了几种特殊条件下的顺层边坡变形破坏机制，并据此进行了相应的边坡稳定性分析。成永刚，杨明亮等，对沉积岩顺层滑坡进行了成因分析，并提出了各种治理措施及建议。

基于五盂高速公路K21～K25段中5号深路堑切方开挖引起的滑坡，以地质勘察成果为基础，追踪了边坡整个切坡过程中发生的多次变形及相应的处治对策，系统分析了边坡每次滑移过程中的变形特征，并结合该边坡的地形地貌特征、岩性特征、结构面特性及施工条件，研究了变质岩顺层边坡的破坏机制。

2 滑坡区工程地质条件

2.1 地形地貌

该路段位于太行山西侧滹沱河一级支流牛道沟东侧山体斜坡上，地貌单元属于构造侵蚀中低山区，沟底与山顶最大高差约400 m。牛道沟两侧山体近南北走向，两侧山体地形地貌截然不同，空间上呈不对称“V”字型，一侧中缓坡，一侧陡坡。东侧地形相对较缓，坡角一般在20°～30°，侵蚀冲沟较发育，蜿蜒曲折，且延伸距离较长，切割较深，受牛道沟河流的侵蚀作用，坡面上形成多处相对平缓的侵蚀台阶(高阶地)，并生长有少量的灌木及杂草，目前已大部分改造为耕地；西侧地形较陡，陡坎和绝壁发育，坡角一般在35°～60°，基岩冲沟短，纵坡大。

东、西两侧地形地貌表现出山体的不同侵蚀特征，东侧山体反应了岩体沿层理(片理)面被剥蚀侵蚀的特点，西侧山体反应了岩体沿节理裂隙侵蚀剥蚀的特点，在剥蚀侵蚀的过程中，东侧山体可能以滑坡、滑塌形式侵蚀剥离，西侧山体可能以崩塌形式侵蚀剥离。

2.2 地层特征

(1)第四系全新统残坡积层(Qdl+el4)

该组地层分布于滑坡区中下部位置，厚度变化较大，一般1～3 m，由稍密碎、块石组成，黏性土充填，碎块石与黏性土之比约为7∶3；碎块石岩性主要为强风化斜长片麻岩。该组地层为表层滑体组成部分。

(2)上太古界龙华河群会理组(Ar3h)

根据勘察资料，区内该地层岩性为黑云(角闪)斜长片麻岩夹薄层状(绢)云母(绿泥)片岩，两者比例约为5∶1(图1)。在垂直空间上，由于岩性、强度不同，差异风化尤为明显，其强风化影响深度在30 m左右。该组地层为滑体和滑床的主要组成部分。

黑云(角闪)斜长片麻岩：灰黑色，鳞片变晶结构和粒状变晶结构，片状、片麻状构造，中-薄层为主，局部为中～厚层状，主要成分为长石、石英、角闪石及黑云母，矿物所占比例变化较大。

薄层状(绢)云母(绿泥)片岩：棕黄、棕色，鳞片变晶结构，片状构造，主要成分为绢云母、绿泥石等片状矿物，含少量长石、石英。空间上分布规律较差，厚度不匀，厚度一般小于0.5 m，多呈薄层状。

2.3 地质构造及节理裂隙

区内地层总体上表现为单斜构造。岩层倾向变化较小，一般在250°～260°左右，岩层倾角变化稍大，滑坡后缘附近倾角在15°～20°之间，滑坡中部至前缘部分，倾角逐渐增大，变化范围在20°～27°左右。

滑坡区地层节理裂隙较发育，主要发育2组节理。节理1产状为260°<80°，节理面较平直，延伸长度一般3～5 m，节理密度2～3条/m，无充填物，张开度小于2 mm；节理2产状为350°<80°，节理面较粗糙，节理密度3-5条/m，为区内主要节理，张开度2～3 mm，钙质胶结。

2.4 水文气象

滑坡区内属温带大陆性季风气候，春季干旱多云，夏季高温炎热，秋季凉爽多雨，冬季寒冷少雪。降雨主要集中在7～8月份，年平均降雨量500～618 mm；年平均气温8.7 ℃，一月平均气温零下6.6 ℃，七月平均气温23.1 ℃；冻土深度1.2 m。

2.5 水文地质条件

根据地质勘察，滑坡区为单向斜坡，且三面临空，排水较畅通，无地表水和地下水分布。

3 边坡原设计方案

该路段的八段深路堑边坡，原设计方案为：最下一级设置路堑挡土墙，外边坡坡率1∶0.75，以上各级坡率为1∶1.25，每8 m高设2 m宽平台，坡面使用预应力框架锚索防护。其中边坡最大开挖高度为96 m/12级，位于K21+930处(1号边坡)，其余七段高边坡开挖高度均大于30 m。五号边坡对应里程为K23+375～K23+690，原设计最大坡高51.4 m，共设七级卸荷台阶。

4 边坡变形破坏历史

4.1 初次变形

滑坡初次变形始于2011年7月2日连续降雨之后，变形较小，没得到足够的重视，认为是正常的卸荷变形。当边坡继续开挖至第二级时(坡高40 m)，于2011年9月18日开始发生大规模山体变形，变形持续半年左右。

根据勘察结果，本次变形引起的滑坡，属于中型基岩顺层滑坡，滑坡外轮廓呈近等腰三角形，前缘宽度约300 m，主轴长约280 m，总面积约4.2万m2，滑体厚度5～15 m，平均厚度约11 m，总体积约46万m3。其剪出口位于路堑坡脚处，滑面位于以绢云母片岩为主的软弱夹层结构面上，主滑动方向为265°，倾角约26°。滑体由强风化片麻岩夹绢云母片岩和第四系块碎石土组成。滑坡主轴横断面见图1。

图1 滑坡剖面

根据滑体规模，坡面主要裂缝分布形态，可将整个滑体划分为5个次级滑块(图3)，各滑块特征见表1。本次变形致使①和②区后缘出现大的拉张裂缝，缝宽约3.0 m，坡面呈碎裂镶嵌状，①区和②区之间产生高约1.0 m的垂直错台；③区内2～4级边坡未锚拉的框架大部分被破坏，部分锚索连根拔起，坡面发育多条贯穿裂缝，坡体凌乱不堪，并且在坡脚剪出口附近出现反翘；④区后缘裂缝贯通，滑体向南侧冲沟整体滑动；⑤区属于牵引段，变形相对较弱，坡体总体较完整，发育有较多较窄的斜裂缝，基本贯通，此时滑坡雏形已现。

表1 各滑块变形特征

本次变形特点：滑坡前缘变形剧烈，坡脚能量释放迅速，而上部牵引段变形较小；在边坡的中下部沿单一片理面滑动的，而在滑坡后部滑面则追踪节理呈弧型或折线延伸至地表；整个坡面的主要裂缝已基本联通。

4.2 第二次变形

2012年10月10日开始按上述方案进行施工，于2012年10月23日完成了第15、16级边坡的开挖，在进行第15级(⑤区)拱形骨架的施工时，发现已完成的第16级边坡拱形骨架及平台截水沟出现开裂破坏现象，之后数天平台及坡体开始出现少量裂缝及小规模变形，但对整个坡体影响不大，裂缝未贯通。

本次变形特点：小规模浅层蠕动变形，裂缝主要存在于浅层的全～强风化层内。

应对措施：继续开挖第12、11级边坡，第11～13级边坡暂不进行拱形骨架防护施工，在已开挖完成的边坡平台上布设观测点进行观测，动态施工。

4.3 第三次变形

2013年3月底，卸载至2～3级坡时，坡体开始滑动，较为剧烈，第2级至第13级坡体均发生大的滑动及变形，裂缝已贯穿整个边坡，在坡体中上部出现新的拉张裂缝；之后，该裂缝逐渐增大，继而引起整个坡体破碎，并向下挤压蠕动变形，最后在裂缝处形成宽5～8 m的凹槽，形成新的滑体。该滑体平面上呈半圆状，直径约160 m，滑体厚2～3 m，后壁高2～5 m。

变形特点：滑动影响平面范围大，深度浅，坡体多为碎块状，整个坡面以“碎石流”的形式沿浅层片理面和节理面均匀向下滑动，且具多层滑动特征，后壁岩层高岭土化严重，擦痕光滑，高差大。

应对措施：以卸为主支挡为辅，动态施工，动态设计。

4.4 坡体稳定

2014年4月卸载基本完成，经过监测，坡体稳定。最终方案以卸载为主，卸载综合坡率约1∶2.6(坡角21°)，开口线离路中心线最远为310 m，最大坡高约120 m；为保证边坡足够的安全系数，在坡前设置抗滑挡墙，墙高8 m，并在墙顶预留宽10～30 m缓冲安全平台。

5 边坡破坏成因分析

经对现场工程地质测绘成果、钻探资料、测试资料、监测工作以及滑坡体三次变形特征进行综合分析，该滑体的形成有内在因素，也有外在因素。

5.1 施工原因

由于深路堑施工没有严格按照设计文件挖一级锚一级逆作法进行，全断面开挖边坡，致使坡脚处应力过渡集中，形成临空面，边坡的应力状态发生改变，为使边坡达到新的平衡，边坡应力状态将不断发生变化，直到破坏达到新的平衡位置；另外全断面开挖深路堑后，才开始施工锚索框架，锚索钻孔的施工，加剧了坡面岩层的破碎和新的节理裂隙产生，没有及时锚固的框架梁在坡面上增加了坡体自重，这两方面的影响是产生滑坡的主要因素。

5.2 岩体特性

根据勘察及室内试验揭示，组成滑体的岩体以斜长(角闪)片麻岩夹(绢)云母(绿泥)片岩为主，所组成的岩体表面上看较完整，整体强度较高。其中片麻岩较为坚硬，性脆，多呈中～薄层状，节理较发育，在外力作用下易破碎；所夹的(绢)云母(绿泥)片岩，岩质软，强度低，易风化蚀变(高岭土化)，为软弱夹层，在空间上以夹层或互层形成存在，且分布厚度极不均匀。当出现临空面时，每一层软弱夹层都可能形成滑动面，这是形成多层、多级滑动面的主要原因之一。

5.3 构造原因

滑坡范围内地层为单斜构造，滑体中下部倾角25°～27°，上部倾角较为平缓，一般为15°～25°，岩层倾向250°～260°，坡向280°，原设计坡率1∶1.25(坡角39°)，为层状同向结构；滑坡区节理裂隙较发育，主要发育有2组节理(见前述)，根据结构面极射赤平投影分析(图2)，岩层层面与边坡坡向一致，为外倾结构面，岩层层面为软弱结构面，且倾角小于原设计坡角，与坡面为不利组合关系；由于该软弱层面的存在，层面与节理面1、节理2组合，均为不利组合关系。外倾软弱结构面对本次滑坡的形成起到重要的不利作用；另外由于滑体上部倾角较为平缓，初次滑塌后按照1∶2坡率刷坡，并没有完全清除中上部潜在滑体，导致发生第二次和第三次滑塌变形。

图2 结构面极射赤平投影图

5.4 降雨原因

边坡岩体所含软弱夹层为滑塌形成的内因，软弱夹层岩性多为(绢)云片(绿泥)岩，此类岩石含有较多的(绢)云母，为相对隔水层，边坡开挖后，适逢雨季，连续的强降雨，坡面雨水来不及顺坡面及冲沟排泄，沿岩体节理裂隙逐渐下渗，汇集于软弱夹层层面，使岩层变软，抗剪强度降低，继而沿软弱夹层滑动。

综上所述，该边坡多次变形滑塌的产生有人为因素，也有自然因素。人为因素包括未按要求施工开挖，优化设计失误等因素，自然因素包括软弱夹层，岩体节理裂隙发育，坡脚构造应力集中，强降雨等因素。

6 结 语

五号边坡的变形特征和破坏机制，基本上可以反映出五盂高速公路K21～K25段变质岩顺层边坡的变形特征和破坏机制。根据五号边坡整个切坡过程中发生的多次变形及处治对策的分析研究，得出以下结论，并提出相应的应对措施及建议。

(1)当出现临空面，下滑力大于其抗剪强度时，顺层边坡中存在的每层软弱夹层都可能形成滑动面，是形成多层、多级滑动面的主要原因之一。建议在山区公路选线时，必须重视沿线地质情况，特别是在层状同向结构软夹层存在的斜坡上，切忌大开挖、大爆破；边坡勘察中不应以点代面，应综合分析软弱夹层的分布规律；施工中必须严格按照逆作法进行，挖一级，锚一级，一旦坡体发生大的变形，补救代价太大。

(2)受区域变质作用的影响，变质岩的片理(片麻理)及节理产状变化较大，形成的滑动面可能为缓变和折线形。边坡设计时，不宜采用单一坡率进行刷坡，建议根据现场揭露的地质条件，动态设计。

(3)中-薄层状脆性硬质岩夹软岩形成的顺层边坡，沿片理(片麻理)面进行刷坡设计时，建议考虑施工过程中对坡面岩体完整性的影响，以免形成浅层滑动的“碎石流”滑坡。建议设计坡率略小于片理(片麻理)面倾角。

(4)由于受到区域变质作用的影响，该类型滑坡体岩层主要结构面产状变化较大，在滑体初次变形后，如处治方案以卸载为主，卸载面难以控制，岩体易破碎，在施工过程中容易形成新的滑动面和剪出口，可能会引起更大规模的顺层滑坡，并且大规模山体开挖卸载，对环境破坏较严重。建议在滑坡初次变形(蠕动挤压阶段)，整个滑面未贯通，滑带土强度也未完全达到其残余强度时，采用以抗滑支挡为主的预加固措施，充分利用土体自身的强度，减少卸载或支挡工程量及工程投资，将大规模滑塌变形消灭在初始阶段和萌芽状态。

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Research on Deformation and Failure Mechanism of Bedding Landslides Between 21 to 25 Kilometers of Wutai-yuxian Expressway

WANG Hai，GUO Rui，ZHAO Yun-yun

(Transportation planning survey and design institute of Shanxi Province)

There are eight period of bedding cutting slope between K21 to K25 kilometers of Wutai to Yuxian expressway, rock mass contains many gently dipped structure planes and soft intercalations, cutting excavation has caused seven slopes deformation or sliding of different degree. According to engineering geology investigation results and the slope deformation of the construction, depending on the representation of the no.5 slope, starting from the geological environment of slope and multiple deformation characteristics, the causes of their formation and failure mechanism analysis are made and research. The research results show that the slope of soft intercalation, coupled with long-term difference weathering alteration, tectonic action, rainfall, non-standard construction, which is the controlling factors of the slope sliding. The conclusion may be useful for geological exploration and treatment of similar engineering.

slope engineering；bedding landslides；soft intercalation；failure mechanism

2015-04-15

王海(1984-)，男，工程师。

TH133; TP183

C

1008-3383(2015)11-0004-03