高速公路煤系地层滑坡稳定性评价及治理措施分析*

王 琦 王 静 李春峰 曾 耀 姜 波

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳 550081)

随着我国经济的持续发展，高速公路建设不断向西部山区、丘陵地带发展延伸[1]，复杂的地形地貌及地质条件给公路建设带来了许多困难。高速公路通车后，随着运营时间的增长，地质及岩土条件在各种自然营力的作用下逐渐恶化[2]，如开挖卸荷造成岩土体结构及力学性质缓慢变化，风化作用下岩体节理裂隙加剧发育，地下水逐渐随着裂隙发育而贯通等，边坡失稳随之发生。而在各类地层中，煤系地层边坡的失稳情况尤为突出。

贵州煤系地层常为煤、泥岩、砂岩等岩层岩交互产出，具有软硬相间、差异风化、层间胶结差、开挖后风化速度快、遇水极易软化等特点[3]。煤系地层在水及其他外营力作用下易形成具有相对隔水、强度极低特征的软弱带，对边坡稳定性具有明显控制作用[4]。

基于煤系地层地质条件的复杂性，本文选取贵州某高速公路典型煤系地层滑坡，在资料收集和工程地质勘察成果的基础上，采用定量计算及数值模拟进行滑坡稳定性分析，并提出处治对策。拟与后其监测数据对比，验证处治效果。

1 滑坡概况

高速公路项目位于贵州黔西南州境内，受强降雨天气影响，K16+590-K16+750右侧发生山体滑坡，形成的H1滑坡前缘滑覆带堆覆于高速公路路面，造成高速公路上下行交通阻断，受H1滑坡后缘强烈的侧向挤压作用影响，右侧形成H2滑坡，工程地质平面见图1。

图1 滑坡工程地质平面

滑坡区地处贵州高原西部山区，受侵蚀、剥蚀作用较强烈。场区属亚热带温凉湿润季风性气候，年平均降雨量1 561.7 mm，多集中于5-10月，日降雨最大达186.1 mm。覆盖层为滑坡堆积层(Qdel)含碎石粉质黏土、残坡积层(Qel+dl)含碎石粉质黏土，下伏基岩为二叠系上统龙潭组(P2l)泥质粉砂岩夹泥岩。场区构造简单，岩层单斜产出，岩层产状132°∠10°，主要发育2组优势节理，J1为52°∠85°、J2为325°∠76°。由于篇幅限制，本文仅针对H1滑坡进行分析计算。

2 滑坡特征及成因分析

2.1 滑坡规模及变形特征

滑坡前缘高程约1 378 m，后缘顶部高程约1 486 m，前后缘高差约108 m；左侧发育一自然冲沟，右侧接边坡，前缘为高速公路路基。根据地质调绘、钻探，以及现场测量等成果，该滑坡前缘横向宽约160 m、纵向长约260 m、平面面积约41 600 m2，最大滑面深度达30 m，平均厚度约7.7 m，滑体体积约32万m3，参照《公路工程地质勘察规范》的分类标准，该滑坡属于大型滑坡[5]。

滑坡以近垂直于公路走向发生整体滑动，主滑方向127°，整体滑动距离约30 m，前缘滑体堆积于公路左右幅路面之上，原坡脚挡墙局部破坏，未发生整体倾倒。通过滑动后实测地形线与原始地形线对比分析，滑体中部最大下错约10 m。滑坡后缘下错形成滑坡陡壁，最大高度约28 m。坡面发育多级、密布拉张裂缝及下错陡坎，拉张裂缝最宽约1.0 m，下错陡坎高约1.5 m。

2.2 滑坡物质组成

根据工程地质调绘及钻探揭露，滑体主要为含碎石粉质黏土，黄褐色，可塑状，碎石含量25%～35%，粒径20～80 mm。钻探揭露最大厚度22.8 m，碎石之间充填粉质黏土。

滑体下部为缓倾顺层泥质粉砂岩夹泥岩，受上部滑体滑动过程中对下部岩体强烈扰动、挤压作用，坡体存在沿层理面剪出的可能，因此，滑面包括滑动面一及潜在滑动面一。滑动面一后部为强风化泥质粉砂岩夹泥岩的优势节理面；中前部为覆盖层与下部基岩之间的岩土交界面，其在地下水软化作用下，形成灰褐色可塑至软塑状泥化夹层(滑动带)，厚2～5 cm；前缘剪出口位于坡脚挡墙顶部。潜在滑动面一中后部与滑动面一相同，前部为顺倾岩层面，前缘剪出口位于坡脚。

滑床为二叠系上统龙潭组(P2l)泥质粉砂岩夹泥岩，岩层产状132°∠10°，整体顺倾，呈浅灰色，薄～中厚层状，节理发育～不发育，岩体较破碎～较完整，工程地质剖面见图2。

图2 H1滑坡典型工程地质剖面

对滑坡区滑体、滑带土及滑床取样进行室内试验，结合工程经验类比，得出滑坡岩土体力学参数[6]，参数取值表见表1。

表1 滑坡岩土体物理力学参数

2.3 滑坡成因分析

滑坡的产生主要受地形地貌、地层岩性，以及气象水文等关键因素控制。

一方面，场区近似漏斗状地形提供了巨大的汇水面积；另一方面坡体后缘陡中部缓前部低洼的地势条件为降雨的快速入渗提供了有利条件。覆盖层具有结构松散、空隙率大、透水性强等特点，为降雨入渗提供了便利通道。下部龙潭组泥质粉砂岩夹泥岩属软岩，强度低且易风化，坡体后缘受风化作用强烈，风化产物因重力作用堆积在坡体中前部，形成了深厚的覆盖层，为滑坡启动提供了充足的物质成分。

上部覆盖层为相对含水层，下部基岩为相对隔水层，地下水便不断汇集于岩土交界面处并向下运移。在地下水长期作用下，泥岩中黏土矿物被软化、泥化进而形成滑动带。场区夏季高温多雨，其中7月持续中雨-大暴雨天气是形成本次滑坡的直接诱发因素，经历多次干湿循环加速了泥岩的软化作用，抗剪强度进一步劣化，边坡的稳定性持续降低。

综上所述，地形地貌与地层岩性是边坡滑坡的基本内在条件，气象水文是滑坡发生的直接外在条件。长期降雨入渗软化作用不断改变地层岩性内在条件，短时持续强降雨是滑坡发生的直接诱发因素。

3 滑坡稳定性评价

对滑坡稳定性分别进行定量计算及数值模拟分析。定量计算为滑坡设计提供相关依据；数值模拟分析旨在研究滑坡体在降雨作用下的稳定性变化趋势。

3.1 定量计算

采用理正软件针对不同工况下的滑坡进行稳定性计算。该软件基于条分法将滑体分割为多个条块，稳定性系数为抗滑力比下滑力，计算方法见式(1)。

(1)

式中：c，φ为抗剪强度指标；l为滑块斜长；W为滑块重；θ为滑面倾角。

本文分析了在不同工况下滑坡的稳定性情况，分别为：

正常工况I。滑坡处于天然状态。

非正常工况I。滑坡处于暴雨或连续降雨状态。

非正常工况II。滑坡处于地震作用状态。

选取滑坡典型断面，采用Janbu和Bishop 2种方法进行计算，稳定性计算结果见表2。

表2 典型断面不同工况下滑坡稳定性计算

由定量计算结果可知，对于滑动面一，滑坡在3种工况下均不满足JTG D30-2015《公路路基设计规范》[7]与JTG/T 3334-2018《公路滑坡防治设计规范》[8]的规定。

3.2 有限元数值模拟

本次数值模拟采用SEEP/W和SLOPE/W进行耦合计算分析，通过SEEP/W模拟强降雨作用下坡体内部孔隙水压力变化，然后通过SLOPE/W计算随着降雨时间的持续增加，坡体稳定性系数的变化[9]。以滑坡典型断面建立SEEP/W计算模型，数值模型见图3，本次模型地下水位线选取参考滑坡勘察资料，岩土体物理力学参数参照表2。

图3 滑坡数值计算模型

通过SEEP/W模块对典型段面模型进行瞬态分析，根据滑坡前降雨特征及气象资料，取降雨强度100 mm/d，假定此次模拟过程为连续3 d持续性降雨，限于篇幅，本文仅对模拟结果进行分析。

降雨初期，覆盖层入渗率较大，坡体以入渗为主，浅表层土体孔隙水压力不断增大，形成暂态饱和区；随着降雨的持续，浅表层入渗率不断降低，当小于降雨强度时，开始形成坡面径流，暂态饱和区逐渐扩大，坡体中部覆盖层较厚，渗流路径较长，地下水位呈缓慢上升趋势，坡体前缘较陡且覆盖层较薄，土体最先达到饱和状态并与地下水位连通，地下水位快速升高；雨水入渗覆盖层较薄的后缘，并不断汇集于渗透性差异明显的岩土交界面处，随着降雨时间增加，岩土交界面的暂态饱和区最终与地下水贯通，孔隙水压力持续增加，浮托力增大，抗剪强度不断减小。

基于Morgenstern-Price极限平衡稳定性计算方法，在对滑坡瞬态饱和渗流场分析的基础上，对暴雨工况下的滑坡稳定性进行分析，关系曲线见图4。

图4 稳定性系数与降雨时间关系曲线

由图4可知，滑坡稳定性随降雨持时不断降低。降雨初期，滑坡稳定性系数呈缓慢下降趋势，随着降雨时间持续增加，稳定性系数呈现快速下降趋势，并在降雨至2.3 d时，稳定性系数小于1.0，滑坡处于不稳定状态。

4 滑坡治理及监测分析

4.1 治理措施

基于滑坡基本特征、成因机制、稳定性计算分析，并综合考虑施工等情况，对滑坡进行针对性设计，采用“清方及放坡+抗滑桩+加厚护面墙+拱形骨架+喷播植草+截排水工程”进行综合治理，治理设计断面见图5。

图5 滑坡治理设计断面

4.2 监测分析

在滑坡治理及施工完成后，对坡体进行深层位移自动化监测，以随时掌握施工过程中滑坡的稳定性状态，确保施工安全并评价治理效果。

经过半年的自动化监测，获取坡体岩土体变形数据，限于篇幅，本文仅展示坡体中部抗滑桩附近一个深部位移监测孔的监测数据，相对位移曲线见图6。

图6 ZK9合成方向累计相对位移曲线

由图6可知，监测期间坡体未出现明显位移，最大变形出现在孔口附近，为0.8 mm，远小于预警阈值，坡体稳定性良好。

5 结语

1) H1滑坡为强降雨作用下引发的覆盖层滑坡，地形地貌、地层岩性为滑坡提供有利内在条件，气象水文是滑坡发生的直接外在条件，降雨入渗是引发滑坡失稳的关键诱因。

2) 对滑坡进行稳定性模拟分析，结果显示，滑坡稳定性系数随降雨持时的增加而不断降低。降雨初期，稳定性系数缓慢降低，当降雨时间继续增加，稳定性系数出现快速下降趋势。

3) 基于滑坡基本特征、变形破坏机制、稳定性计算分析，并综合考虑施工等情况，采取了永久治理措施。

4) 经过治理后，通过深层位移自动化监测，表明边坡已趋于稳定状态，治理措施合理可行，可为今后类似边坡治理提供参考。