甘肃徽-成盆地红层工程滑坡特征分析

余小龙，安玉科

(甘肃省交通规划勘察设计院有限责任公司，甘肃兰州 730000)

0 引言

红层是中、新生代炎热干旱古气候环境条件下形成的外观以红色为主色调的碎屑沉积岩层，以陆相沉积为主。红层是著名的易滑地层［1］，雨季经常诱发大量滑坡灾害，在铁路、公路等工程建设项目中，也经常诱发大量开挖边坡失稳灾害［2］。

目前，关于红层边坡的研究取得多方面成果。文献［3］研究红层软岩滑坡的蠕动变形与滑动面形成机制和运移机制。文献［4］通过模拟试验获得河谷下切引起坡体卸荷松弛和水软化岩体是滑坡发展的直接原因。文献［5］通过室内试验和数值模拟研究了川东红层地区堆积层滑坡的影响因素和滑动机制。文献［6-9］通过对红层地区公路病害的系统总结和调查研究，从岩体结构和坡体结构角度，探讨了红层地区岩体结构和力学特征、边坡稳定性评价、防护与加固技术。文献［10］论述了红层边坡蠕变、剪切、滑移3阶段变形破坏过程的特点及周期性扩展的机制特征。文献［11-12］对红层软岩边坡岩体中软弱夹层的剪切流变过程和蠕变性进行了试验研究。上述研究，致力于坡体结构和软弱夹层变形破坏特征的研究，而对于红层顶部堆积层和风化层的变形破坏特征、致滑机理和滑动过程缺乏深入研究。本文在掌握甘肃徽-成盆地地质背景基础上，对高等级公路建设项目中发生的工程滑坡进行调查分析，研究甘肃徽-成盆地红层工程滑坡分布规律、变形破坏特征、致滑机理和滑动变形破坏过程，通过上述研究有针对性地提出徽-成盆地红层二元结构坡体工程滑坡经济、有效的综合治理方案。

1 工程地质背景

甘肃徽-成(徽县-成县)盆地地处西秦岭造山带内，是东、西秦岭分界，受侏罗世-白垩世伸展断陷和强烈挤压隆升控制形成东西向走滑拉分盆地。盆地构造沉降和沉积充填过程主要受控于盆地北缘徽凤断裂，盆地南部抬升与盆地边界断层的活动密切相关。沉积第三纪红层和第四纪风成、水成覆盖层。徽-成盆地及盆地边缘被红层覆盖，红层沉积受盆地及其边缘构造的控制明显，岩层倾向盆地中心，倾角一般为3°～15°，局部见有平缓的小挠曲。红层上覆盖第四纪风积、崩坡积和冲洪积碎石土和粘性土。新生界沉积物受河流侵蚀切割形成低山丘陵地貌，低山、缓丘、宽谷相间分布(图1)。

图1 徽－成盆地地质背景图Fig．1 Geology background of Hui-Cheng basin

2 徽－成盆地红层坡体结构特点

徽-成盆地红层坡体是指第四纪堆积物和红层软岩组合的二元结构体。按堆积物成因划分主要有崩坡积、滑坡堆积、坡积和风积等4种类型的二元结构坡体。红层软岩富含高岭石、伊利石和蒙脱石，具有弱透水性、强亲水性，微膨胀性，遇水易膨胀，失水易收缩，强度低的特点。各类型坡体有其特殊的沉积、工程和水文地质环境，岩体随环境呈周期性胀缩变形。在高等级公路工程建设中，对坡体的开挖，改变坡体应和地下水渗流力分布，诱发大量的工程滑坡。

崩坡积二元结构坡体主要分布在徽-成盆地边缘，受构造控制呈带状分布，盆地两侧差异升降运动后，上升侧山体崩塌形成的块碎石土堆积于下降侧红层软岩之上，坡体物质分布在重力和水力作用下不断变化，细粒土在水力作用下通过块碎石空隙不断迁移至坡脚部位，角砾、碎石受重力作用在块石空隙中不断移动，直至各粒径在该水文地质环境中达到平衡状态，形成现今稳定的坡体结构。受坡体开挖影响，粘性土失去坡脚支撑，产生局部小规模滑移。滑坡堆积二元结构坡体主要分布在盆地及其边缘古、老滑坡体上。我国西北部地区约四分之一的红层软岩滑坡属古滑坡与老滑坡体复活［3］。古、老滑坡体含水量高、有稳定的地表、下水补给，滑动面土体长期处于蠕变状态，蠕变速度随土体含水量变化，受坡体开挖影响，古、老滑坡极易复活形成工程滑坡。坡积二元结构坡体主要分布在盆地内低缓丘陵，红层泥砂岩在风化和水力搬运作用下，在基岩表面形成一层红色粘性土。在雨季该层粘性土处于饱水状态，自然坡体保持良好的稳定性，受坡体开挖影响产生浅表层的滑塌，滑面在粘性土体内部或基岩面。风积二元结构坡体主要分布在盆地内较高山体的北坡，坡体主要由上部黄土和红层岩石组成，黄土厚度较薄、空隙大、渗透性好，在重力作用下水分迁移至基岩表面，长期浸泡软化红层软岩，在岩土交界面形成一层软泥，滑面都发育在该层。

3 工程滑坡变形破坏机理及过程

边坡开挖坡脚，改变了坡体原有稳定的应力分布和地下水渗流、分布，导致坡体应力分布重新调整，地下水渗流及与其环境重新协调，这种应力和渗流的重新调整是一个多耦合条件下动态的系统协调，从原有的稳定状态，调整到一个新的稳定状态。

工程滑坡的产生正是这个动态调整过程的表现形式。徽-成盆地红层工程滑坡在发生前经历了坡体开挖卸荷蠕变阶段、拉裂阶段和蠕滑阶段。坡体开挖后，应力分布重新调整的过程就是坡体蠕变的过程，这一过程持续到坡体后缘产生拉张裂缝为止;拉裂阶段是个突变和渐变过程的结合，蠕变蓄积的能量超过极限状态就会发生突变的拉裂破坏，随后又进入长期蠕变蓄势过程，直至拉张裂缝贯通到滑动面为止;蠕滑阶段是从后缘拉张裂缝和滑动面贯通时开始到坡体滑动完成为止，在这一阶段中坡体的变形未继续发展，主要变形是滑动带的蠕滑。滑动带的蠕滑变形直至滑动面逐步贯通为止;滑动面贯通后坡体产生瞬时的滑动破坏，坡体达到新的平衡状态。

徽-成盆地红层边坡的滑动带是红层表面全风化土，坡体表层崩积层、滑坡堆积层、风积层和冲洪积层易透水或有较好的渗水通道，红层软岩弱透水，在暴雨或长期阴雨下，红层表面聚集地下水，长时间受水浸泡，在红层表面形成一层软塑状态的土体，该土体最易形成滑动面，在其特殊的水文、地质环境中发生蠕变、滑移破坏，就滑动面破坏的力学机理是蠕变变形破坏，而对整个滑坡体的破坏机理则是蠕变-拉裂-蠕滑式破坏。

4 工程实例分析

4.1 工程概况

十(堰)天(水)高速K582+270～490段滑坡位于徽-成盆地南缘断裂带沉降侧盆地边缘山体坡脚，坡体地表形态较为平缓，总体坡度约为10°～15°，坡体结构为崩坡积二元结构坡体。高速以路堑形式通过，最大挖方高度18 m，第一级坡高1.5 m，坡率1∶0.4，第二～四级边坡坡高5 m，坡率1∶1.25，各级坡顶平台宽度为3 m。受高速公路建设开挖坡脚和降雨影响，坡体产生变形破坏，形成工程滑坡，滑坡宽度170 m，长度80 m，滑体厚度5～14 m，主滑方向305°，与公路呈大角度相交。

4.2 滑坡变形发展过程

2013年7月该段挖方路基开始施工，随着挖方工程的开展，边坡变形破坏迹象的范围和程度在不断扩展，形成了边界清晰的浅层工程滑坡，暂停变形段边坡开挖，在裂缝后缘做了截水盲沟以疏排坡体地下水，3个月后坡体固结，土体抗剪强度增大，坡体自稳能力提高，浅表层滑动变形趋稳，坡面挖方工程继续施工，坡体再次产生了变形破坏迹象，新的滑坡边界和滑动面产生，形成了典型的徽-成盆地红层工程滑坡(图2)，其变形破坏发展过程见表1。

图2 滑坡变形破坏照片Fig．2 Plan view of the landslide

4.3 滑坡变形机理及过程分析

由上述工程滑坡变形破坏特征来看，该段崩坡积二元结构坡体先后形成了两个贯通的滑动面，浅层滑面的主滑方向为305°，深层滑面的主滑方向为350°，每个滑面贯通前都经历了1个月蠕变-拉裂和2～3个月的蠕滑变形发展阶段，其变形破坏型式是牵引式滑坡，破坏力学机理是崩坡积二元结构坡体的蠕变-拉裂-蠕滑式破坏，变形破坏过程是开挖卸荷蠕变阶段、后缘拉裂阶段、蠕滑破坏阶段。

表1 滑坡变形破坏过程Table 1 The landslide deformation and failure process

4.4 滑坡治理方案分析

工程滑坡是由于受开挖坡体引起坡体应力重新分配而产生的破坏，因此该类滑坡治理原则有二:一是及时强支护，补充坡脚损失的支撑力，使坡体应力重新达到平衡状态;二是削方减载，降低坡脚剪应力。由于徽-成盆地二元结构红层坡体堆积层及风化层长期处于过湿或饱水态，受挖脚影响会产生整体蠕变破坏，削方卸载将会产生新的临空面，在此基础上坡体变形范围会向坡顶进一步发展，再次导致更大规模的工程滑坡发生。

该段路堑边坡在开挖后未及时采取支护措施，坡体后缘产生拉张变形，该变形未引起有关方的高度重视，变形进一步加剧，坡体由蠕变阶段发展到滑面贯通蠕滑阶段。这两阶段的工程治理措施和费用有很大区别，蠕变阶段坡脚强支护措施工程设计抗力是开挖体承受的最大被动土压力，或者是变形体的主动土压力，工程设计重力式挡土墙就可以阻止坡体的进一步变形。而蠕滑阶段，变形坡体范围增大，滑面贯通，抗剪强度急剧降低，工程设计抗力由原来的土压力变为滑坡推力，采取的坡脚强支挡措施为抗滑桩和重力式挡土墙，工程费用比蠕变阶段费用大幅增加。该段工程滑坡的最终治理方案为抗滑桩+重力式挡土墙+截排水措施的综合治理方案，具体治理设计见图3。

图3 治理设计断面图Fig．3 The section view of treatment design

5 结论

在甘肃徽-成盆地地质背景认识基础上，对盆地内高等级公路建设中工程滑坡进行调查分析，研究徽-成盆地红层工程滑坡的特点、变形破坏机理和过程，得到以下结论:

(1)徽-成盆地红层工程滑坡的特征和分布受盆地地质构造背景控制。滑坡规模受地貌和临空面控制。

(2)徽-成盆地红层边坡是由堆积物和红层软岩组成的典型的二元结构坡体，按其堆积物成因可划分为:崩坡积、滑坡堆积、坡积和风积二元结构坡体4中类型。各类型坡体结构有其特殊的工程和水文地质特征，决定其工程滑坡发生的特点、破坏机理和破坏过程。

(3)徽-成盆地红层工程滑坡主要发育在堆积层二元结构坡体上，其滑动面主要发育在红层软岩全风化软塑状粘性土层内，变形破坏主要是蠕滑破坏，滑坡变形破坏力学机理是蠕变-拉裂-蠕滑式破坏，滑坡变形破坏过程主要经历了开挖卸荷蠕变阶段、后缘拉裂阶段和滑面蠕滑变形破坏阶段。蠕变阶段一般历时30 d左右，滑面蠕滑变形破坏一般历时50～90 d。

(4)十(堰)天(水)高速K582+270～490段滑坡为盆地边缘崩坡积二元结构坡体的工程滑坡，受坡体开挖和降雨影响，坡体产生两次牵引式滑动破坏，两次主滑方向夹角为45°。破坏力学机理是蠕变-拉裂-蠕滑式破坏，变形破坏过程经历了开挖卸荷蠕变阶段、后缘拉裂阶段、蠕滑破坏阶段。

(5)工程滑坡的滑动方向受滑床产状、滑带内摩擦角和坡体临空面控制，这三者组合空间关系，形成的滑坡方向符合潘家铮“最大最小原理”。

(6)徽-成盆地红层工程滑坡治理采取坡脚及时强支护，地表截水和地下排水相结合的综合治理方案。不宜采用削方卸载方案避免形成新的临空面产生次生滑坡。

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