某高填方机场跑道滑坡机理分析

2019-10-26张登武

城市道桥与防洪 2019年10期

张登武

（中国市政工程西北设计研究院有限公司，甘肃兰州 730000）

0 引言

受特殊地理及地质条件限制，西南地区的机场建设大多都需要对场地进行不同程度的低填高挖，有的填方高度甚至超过100 m，因此在工程完工后形成了大量高填方边坡。高填方不仅会引起跑道的较大沉降变形和局部边坡变形破坏，还会引起跑道及外侧土面区斜坡的整体变形和失稳。研究表明：高填方诱发的跑道及外侧土面区滑坡与填方高度、填料压实度、下覆基岩倾斜角度等多种因素有关[1-4]。西南地区某机场场坪、跑道由半填半挖而成，在建设期间及建成后发生了多处填方体滑坡。本文以一处具有代表性的滑坡为例，通过对滑坡区工程地质条件、滑坡特征及滑坡稳定性的分析，研究基底松散覆盖层斜坡区高填方跑道诱发滑坡的机理。

1 滑坡体工程概况

该机场建筑在地质环境条件比较差的缓倾顺向斜坡地带，跑道填筑体边坡最高达百米。机场建设以来多次出现不同程度的滑坡、沉降变形等病害。相关单位采取工程措施对其进行了防治，但由于地质条件复杂且填筑体体积巨大，自2009年起该边坡顶面出现明显的张拉裂缝和下错现象，坡脚前缘挡墙被推挤变形并开裂。随着变形的积累，边坡产生剧烈滑动导致整体失稳破坏，并覆盖于坡脚前缘的老滑坡之上，使老滑坡复活。滑动后的边坡如图1所示。为了防止边坡滑动范围向后缘进一步扩大，应急抢修工程及时启动。初期抢险工程实施了3排钢管桩、一级锚杆喷射混凝土护坡、一级锚杆框架护坡工程，但坡体变形仍持续发展，为此又在滑坡后缘增设了数排锚索墩和锚索地梁，使坡体变形量减小，呈基本稳定状态，并随即开展永久治理工程的实施。实施应急抢险工程后的边坡如图2所示。

图2 实施抢险工程后的边坡

再次进入雨季后，坡体又出现较大变形，并呈现出持续加快的态势。随之后缘约30 m宽的填方体再次下错变形，继续产生大规模的整体滑动，应急抢险工程大部分被破坏，正在开挖施工的抗滑桩被不同程度地推移5～50 m。

2 滑坡体工程地质概况

2.1 地形地貌

滑坡区原场地地形、地质条件复杂，填方体基底位于缓倾顺向坡上。为侵蚀、剥蚀的中山丘陵、山区峡谷地貌，具有山高谷深、盆地交错分布的特点，地势由西北向东南倾斜，高差悬殊。机场跑道所在区段为一条形山脊，山体西北侧斜坡较陡，因砂岩与泥岩差异风化，地表呈阶坎状；东南侧斜坡地势较为平缓，坡度约8°～10°，坡体冲沟发育，坡面零散分布有大小水塘。跑道位于条形山脊东南侧斜坡地段，东侧边坡为填方，设计坡度25°～26°。

2.2 地层岩性

根据地勘资料，斜坡上覆人工填土、第四系松散滑坡堆积层及残坡积层厚度较大，其下伏炭质泥岩和泥质砂岩。炭质泥岩强风化层岩芯主要为碎块状和土状；中风化层岩芯大多呈碎块状和短柱状，锤击不易破碎，失水后龟裂崩解现象较为明显，几乎分布于整个滑坡区。泥质砂岩强风化层岩芯呈碎块状或砂状，滑坡区内均有分布；中风化层夹薄层黑色煤线，岩芯完整，裂隙不发育，多呈长柱状，少量呈碎块状或短柱状，且与泥岩呈互层状产出。

3 滑坡稳定性分析

该填方跑道边坡产生剧烈滑动后，滑带土降低为残余强度，加之雨季地下水补给充分，据现场地表及深孔位移监测结果显示，后缘坡体仍以平均5～8 mm的位移在变形。裸露的圈椅状滑坡后壁附近松弛裂隙及地表裂缝逐渐增大，滑坡后壁变形已开始向后部牵引发展，有再次产生较大滑动变形的可能。这将导致坡脚前缘的老滑坡再次被推动，进而牵引尚未滑动的后部填方体。因此，针对该滑动边坡及其基底老滑坡稳定性的定性及定量分析对研究滑坡机理及治理工程很有必要。

3.1 计算方法

根据现场调查、钻探资料，滑动边坡及基底老滑坡的滑体主要由人工填土、强-中风化泥岩、砂岩组成，滑动面沿基岩顶面成折线形，因此稳定性计算采用折线形滑动面的传递系数法[5]。其计算公式见式（1）、式（2）。

研究区基本地震烈度为7°，在稳定性计算中考虑地震力的影响。稳定性计算只考虑水平方向地震力的影响，地震水平加速度产生的附加惯性力按“拟静力法”计算，并且从安全角度出发，假定地震力作用于滑坡体的重心。其计算公式见式（3）、式（4）。

式中：Pi为作用于滑坡体重心的水平地震力；KH为水平向地震系数（地面水平地震加速度与重力加速度的比值）；CZ、ai分别为地震综合影响系数和地震加速度分布系数。

3.2 计算工况

（1）工况Ⅰ：天然条件。考虑滑动边坡及基底滑坡在现阶段自然地质条件下不受外界环境因素干扰时滑坡体的稳定状况。

（2）工况Ⅱ：地震条件。在工况Ⅰ的基础上，考虑水平地震力的影响，地震设防烈度为7°，水平地震系数取值为0.15。

（3）工况Ⅲ：暴雨条件。主要考虑滑坡体在遭遇暴雨时降雨下渗导致滑体容重增加，降低滑带土体的强度指标（c、ψ值）。

3.3 计算剖面及计算参数

根据现场实地踏勘调查、钻探、深孔位移监测等资料，取滑坡主轴断面进行稳定性计算，计算参数结合极限平衡传递系数法反求的代表全断面滑带土的平均抗剪强度值、试验资料、具有类似地质条件的滑坡土体的强度指标值综合确定，其取值见表1。

表1 稳定性计算参数取值

3.4 稳定性计算及结果分析

根据上述计算方法、参数和所取剖面进行稳定性计算，计算所得该剖面在自然、地震和暴雨工况下的稳定性系数见表2。

表2 稳定性计算结果

自边坡产生大的滑动变形后，为确定滑坡体的稳定程度、滑动面的位置和预测坡体滑动的发展趋势，需采用测斜仪对滑坡体进行深孔位移监测。监测孔位于跑道土面区边缘，根据监测曲线反映的情况，坡体仍处于滑动状态，且随着观测时间的延长，坡体变形逐渐增大，最大变形量达15 mm。该变形趋势与稳定性计算结果基本吻合。现场深孔位移监测曲线如图3所示。

图3 深孔位移监测曲线图

4 填方体滑坡变形机理分析

4.1 地层结构

该滑坡体地层主要为工程填筑土，在卸载挖方时挖出大量块径大于1 m的大块石，其周围碾压密实度较小，具有一定的孔隙，为地下水的下渗提供了通道，同时也为后期填筑土形成高陡临空面后的松弛变形提供了多条贯通的张开裂隙。勘察钻探揭示：该填筑体滑坡滑床为中风化泥质砂岩的单斜地层，这些孔隙和裂隙为地表水和地下水的下渗提供了较为畅通的渠道，且具备向同一个方向汇聚的条件。

4.2 地质构造

滑坡区段为略带凹槽形的单斜地层结构，其泥岩顶面的基岩裂隙地下水汇集下渗流经路径顺畅。另外，该段地层中贯通发育一组与边坡滑动方向大致平行的张性节理，也为跑道地表雨水及基岩裂隙水直接进入滑体提供了地下通道。

4.3 高填方体自身的作用

一方面，机场修建时仅对跑道区斜坡表层已经风化破碎的岩土体进行了清除（包括部分老滑坡体），对于填方基底地层和老滑坡等因素的影响估计不足，只在填筑坡体中增设了数排阻滑键以及在坡脚设置了挡墙。填方体大部分高达数十米，大量填方体的自重作用于不稳定地层之上，导致填方体地基承载力不足，从而使基底失稳变形，进一步引起上部的填方体滑动变形。另一方面，原填方边坡采用自然放坡的边坡形式，坡面从上至下未采取任何支挡防护措施。该填方体体积巨大，在内外荷载的扰动下产生内部滑移、沉降等，很容易达到极限平衡状态，以致加速失稳而产生滑动破坏。

4.4 水的作用

项目区降雨较多，雨季集中降雨现象尤为严重，为地下水提供了充足的补给来源。降雨后跑道西侧围界一侧的地表水流如图4所示。滑坡所在土面区及后侧机场场坪为降雨提供了较大的汇水面积。地表积水除部分经排水系统排除外，其余沿边坡土体结构孔隙下渗至坡体内部，再向水位较低的临空面方向渗流。

图4 降雨时西侧围界一侧的地表水

当出现强降雨时，从地表流入和下渗进入填筑体裂隙的地下水在短时间内无法全部排除，随着水量逐渐积累，在土体裂隙中形成一定的静水位。这样一方面不但浸润边坡土体，使其强度参数降低，形成软弱滑动带；另一方面，较高的静水位还使得坡体内孔隙水压力和静水压力增加，导致边坡体的下滑推力在短时间内增大，使原本处于较稳定状态的边坡体稳定性降低，接近极限平衡状态直至最后产生剧烈滑动。边坡滑动区的3个位移监测点的监测结果也与此较为吻合，降雨与边坡滑动变形的映射关系如图5所示。