软硬互层岩滑坡的变形特征及稳定性分析——以湖南郴州S215公路K3+172～K3+252段滑坡为例

马艾阳, 唐振平, 李玲珂, 罗 辉, 谢焱石

(1.南华大学 资源环境与安全工程学院,湖南 衡阳421001;2.湖南省稀有金属矿产开发与废物地质处置技术重点实验室,湖南 衡阳421001; 3.浙江省岩石力学与地质灾害重点实验室,浙江 绍兴 312000;4.长沙理工大学 交通运输工程学院,湖南 长沙 410114)

0 引 言

湖南省的地质灾害具备种类齐全、分布广泛、规模变化大、局部灾情严重等特点[1]。已经发生的地质灾害给人民群众带来了极大的人员伤亡和财产损失，而随着群众在地质灾害认知上的深入，潜在的、未治理的地质灾害给相关的人民群众带来了较大的心理负担。根据调查与分析，该省大部分地质灾害与暴雨有直接关系[2-8]。2017年7月，由于连降暴雨，郴州地区许家洞镇S215公路K3+172～K3+252段发生滑塌，滑坡规模和变形程度不断扩大，滑坡整体稳定性趋于恶化，严重威胁着滑坡区居民生命财产安全及S215公路的车辆通行及过往行人安全。

本文拟以S215公路K3+172～K3+252段滑坡为例，在查明该滑坡的地质环境条件和地质灾害发育状况的基础上，依据其地质环境条件对区域内的地质灾害危险性进行现状调查与评估，对该滑坡进行稳定性计算，讨论该段边坡在不同工况下的稳定性。

1 滑坡区地质环境背景

1.1 地形地貌

滑坡区域地貌属于丘陵坡地，山体呈椭圆形，山体大致呈南北向展布。地形总体坡度在20°～30°，地形西高东低，坡腰平台以上部分岩层出露。高程为145.00 m～220.00 m，相对高差约75 m，见图1。灾害发生后，坡体呈缓坡-陡坡状，局部呈陡坎状。坡体上植被较发育，多为灌木、杂草、乔木，滑坡坡脚为村民集聚区、滑坡前缘为S215公路穿越而过，公路东南缘为郴江，见图2。

图1 S215公路K3+172～K3+252段滑坡平面示意图Fig.1 Plan of landslide at K3+172～K3+252 section of S215 road

图2 S215公路K3+172～K3+252段滑坡A-A′剖面图Fig.2 Sketch map of landslide section A-A′ at K3+172～K3+252 section of S215 road

1.2 地层岩性

根据野外调查及勘探，滑坡区出露地层由上至下为第四系(Q4al+dl)冲坡积粉质黏土、二叠系上统龙潭组(P2l)硅质泥岩、页岩及砂岩等，见表1。结合地质剖面图可知，软弱的页岩在中间，相对坚硬的硅质泥岩和砂岩分别位于其上下，属于典型的软硬相间的岩层。

表1 滑坡区的地层岩性Table 1 Lithology of landslide area

1.3 地质构造与地震

许家洞镇以南北向构造为区内主体构造，以其狭长的棱形-透镜状断块为突出特征，造成区内的褶皱呈南北向线状延伸，东西方向受力不一，伴随的纵向压缩性断裂发育，往往成带出现。断裂以规模较大的北北东走向断裂为主，次为南北向。结合野外调查，未见新构造运动。

1.4 水文地质

滑坡区地下水类型主要为上层滞水和基岩裂隙水。上层滞水：赋存于第四系杂填土层及耕表土层中，主要受大气降水及汇水渗入的补给。基岩裂隙水：赋存于下伏炭质页岩、砂岩基岩风化裂隙中，主要接受大气降水补给。水位埋深较大，对滑坡稳定性影响较大。根据试验，场地地下水对混凝土具微腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性。

1.5 人类工程活动

滑坡区人类工程活动较为强烈，坡腰处为一平台，平台前期有堆积填土，现已挖走，滑坡前缘的S215公路切坡和居民房屋的建房切坡均促进滑坡的产生。

2 地质灾害基本特征

2.1 滑坡区边界特征

滑坡平面形状大体呈“圈椅”状，主滑方向约为130°；滑动面形态上部陡，往下逐渐变缓，总体呈圆弧形，滑面长约250 m，滑坡体平均厚约20.0 m，体积约36.8×104m3，属于中型滑坡。

2.2 滑坡体变形特征

根据现场勘查，滑坡变形特征主要表现如下：

1)滑坡前缘的鼓胀裂缝及放射裂缝：鼓胀裂缝主要分布于坡脚前缘S215公路上及道路旁的排水沟。放射裂缝为平行滑坡方向的放射状分布，是抗滑段受挤压的标志。

2)滑坡两侧的剪切裂缝：位于滑坡两侧，少部分为羽状裂缝，由于滑坡体和外侧不动体间相互剪切形成的成羽状排列。

3)滑体上部张拉裂缝：该部分裂缝位于滑坡体上部因滑坡体下滑而张开形成，裂缝延伸方向与滑坡壁吻合或大致平行，数量较多，深浅不一。

4)滑坡后缘的张拉裂缝：裂缝数量较少，裂缝宽度较小，裂缝深度较浅，见图3。

图3 后缘张拉裂缝Fig.3 Tension crack at trailing edge

5)马刀树：随着坡体的滑动树木将会往不同的方向倾斜，在此之后的年代中树木会继续竖直生长，从而形成马刀树，见图4。

图4 滑坡体上马刀树Fig.4 Saber tree on landslide

总的来说，该滑坡变形特征明显，滑坡周界冲沟发育，裂缝发育，现处于蠕动变形阶段，前缘公路鼓胀现象，剪出口位于前缘公路，裂缝正逐渐形成贯通性滑面。

2.3 滑坡物质结构特征

1)滑体：主要由杂填土、耕表土、粉质黏土及硅质泥岩组成。其中，硅质泥岩为红褐色、黄褐色，硅质胶结，板状构造。节理裂隙发育，故岩芯破碎，属极软岩，岩体质量基本等级为V级。

2)滑带：黑色，黄褐色，湿，软塑-可塑，无摇震反应，韧性中等，干强度中等，局部可见轻微揉皱痕迹。该层厚度0.2～0.3 m。

3)滑床：主要由二叠系龙潭组(P2l)中风化炭质页岩、中风化砂岩组成，其岩体质量基本等级为Ⅳ～V级。

3 成因机制分析

影响本滑坡体稳定性的因素较多。其中，内因方面的地质因素包括地形地貌因素、岩性因素和地质构造等；外因方面包括持续强降雨、人类活动。

在内因方面，地形地貌表现为，斜坡较大的坡角、较大的相对高差及坡表的凹形坑，均有利于形成滑坡；岩性表现为，某些岩石如炭质页岩，遇水后工程地质性质急剧恶化，其上下岩层相对坚硬，故形成软弱夹层。李守定详细描述了三峡库区宝塔滑坡的泥岩泥化[9]，这与本滑坡的页岩泥化是一致的。地质构造表现为，场地附近有一条断层，影响了场地岩体特别是炭质页岩以上和以下的硬岩的完整性，使岩体的裂隙极发育，为雨水入渗提供通道，为滑面的贯通提供了可能性。这种软硬互层岩在本滑坡中起的作用与其在三峡库区某些滑坡中起的作用是一致的[9-10]。

在外因方面，降水的渗入既可增加岩土体容重和坡体本身自重，又会降低岩土体的抗剪强度，导致滑坡地质灾害的发生，故暴雨是引发滑坡产生滑动和崩塌等地质灾害的主要诱因；人类工程活动形成的切坡使局部坡角大大增加，另外，邻近边坡施工时在边坡坡腰堆放大量弃土，破坏了原天然山坡的平衡，增大了坡体下滑力。

上述原因共同造成坡体变形滑动。

4 滑坡稳定性定量计算、稳定性评价及治理

对于勘查程度比较高的滑坡来说，其稳定性评价应采用定量计算方法[11]。故本滑坡的稳定性评价采用定量计算。

4.1 滑坡稳定性定量计算

本次勘查对多条剖面进行了计算，因篇幅原因，下面仅列出剖面A-A′的稳定性计算(剖面A-A′位于所有纵剖面的中间，从坡形、坡角和人工堆载来看，属于最危险的剖面)。

根据勘查资料，滑坡体上未见地下水，故本次计算仅考虑工况I(自重)和工况Ⅱ (自重+暴雨)依据滑坡危害对象及潜在经济损失，防治工程级别取Ⅱ级。本次滑坡稳定性计算工况、荷载组合及抗滑稳定安全系数见表2。

表2 稳定性计算工况、荷载组合Table 2 Condition of stability calculation and load combination

根据现场的调查及勘察，滑坡滑面形状为沿强风化与中风化炭质页岩交界面的折线形，据《滑坡防治工程勘查规范》(DZ/T0218—2006)12.4.4条规定，堆积层当滑动面为折线形时，用传递系数法进行稳定性评价与推力计算。

传递系数法计算方法如下：

1)滑坡稳定性系数

其中：

式中：ψj—第i块段的剩余下滑力传递至第i+1块段时的传递系数(j=i)，即

ψj=cos(αi-αi+1)-sin(αi-αi+1)tanφi+1

Kf—稳定系数；Wi—第i条块的重量(kN/m)；Ci—第i条块的内聚力(kPa)；Фi—第i条块内摩擦角(°)；Li—第i条块滑面长度(m)；ai—第i条块滑面倾角(°)；βi—第i条块地下水流向(°)；A—地震加速度(重力加速度g)。

2)滑坡推力

应按传递系数法计算，公式如下：

Pi=Pi-1×ψ+Ks×Ti-Ri

其中：Pi—为i条块的推力(kN/m)；

Pi-1—为第i条块的剩余下滑力(kN/m)；

Ks—设计的安全系数。

下滑力Ti

Ti=Wi(sinαi+Acosαi)+NWisinβicos(αi-βi)

抗滑力Ri

传递系数

ψ=cos(αi-1-αi)-sin(αi-1-αi)tanφi

孔隙水压力NWi

NWi=γWhiwLicosαi

渗透压力平等滑面的分力TDi

TDi=NWisinβicos(αi-βi)

渗透压力垂直滑面的分力

RDi=NWisinβisin(αi-βi)

当采用孔隙压力比时，抗滑力Ri可采用公式

式中：rU为孔隙压力比。

计算软件采用理正岩土6.5pb2，结果见表3。

表3 主滑面A-A′剖面滑体稳定性Table 3 Calculation results of landslide stability in A-A′ section

4.2 稳定性评价与变形发展趋势

通过采用传递系数法对滑坡的稳定系数及推力进行计算，S215公路K3+172～K3+252段滑坡在天然工况下，整体发展趋势以蠕动挤压变形为主，局部变形发育，主要表现为坡体拉张裂缝，整体稳定性相对较好；暴雨工况下，特别是长时间降水情况下，滑坡发展趋势以加速变形为主，在地表水的影响下最终形成贯通性滑面，发生整体滑动。因此该滑坡亟待治理加固。

4.3 治理方案

滑坡治理方案根据各滑坡特点综合确定，主要采用以下措施：1)截、排水沟工程：在滑坡部位外侧各设置一条纵向排水沟，顺坡自上而下设置2条横向截水沟；2)抗滑桩工程：为阻止坡体继续下滑，在滑坡体的坡体中部、及道路外侧平台及靠近河岸处，共设置三排抗滑桩，桩嵌入基岩一定深度；3)开裂鼓胀道路修复工程：对由于滑坡体下滑造成开裂鼓胀破坏的路面及排水沟进行修复，主要采用措施为采用挖机及压路机进行道路翻修，重新做水泥稳定砂及道路油面并修复道路内侧的排水沟；4)坡腰平台生态恢复工程：坡腰平台采用植草及红叶石楠进行复绿，设计红叶石楠间距3 m，树苗高度100 cm。在雨季期间能充分、有效地排放滑坡区内的地表水，以减少滑坡区内土体的流失；5)监测工程：加强滑坡的监测，建立群测群防体系，做好应急预案。

5 结 论

通过地形数字化测量成图、工程钻探、原位测试和室内试验等综合手段，基本查明了滑坡的地质环境条件、规模、地貌形态、气象水文、地震效应、构造及新构造运动，在此基础上，进行了滑坡成因机制分析、预测及稳定性计算评价，主要结论如下：

1)S215公路K3+172～K3+252段滑坡在天然工况I条件下为基本稳定状态，在暴雨工况Ⅱ条件下为不稳定状态。

2)建议采用多级抗滑桩工程、截排水工程、坡腰平台复绿工程、道路路面修复工程和监测工程相结合的综合防治工程进行治理。