老滑坡和断层影响下滑坡特征及处治措施研究

2021-07-02马定乐晏长根潘春为

防灾减灾学报 2021年2期

马定乐，万琪，晏长根，潘春为，华勇

（1.广东交通实业投资有限公司，广东广州 510000；2.长安大学公路学院，陕西西安 710000）

0 引言

在“交通强国”政策带动下，大量的公路已延伸至地形复杂的山岭地区，因此面临较多地质条件复杂的高边坡[1-3]，如老滑坡体和断层破碎带边坡。老滑坡是指发生在全新世以来，暂时处于稳定状态，但在河流冲刷、地震、工程开挖以及暴雨等作用下稳定性仍然受到影响的滑坡[4-5]，一旦老滑坡体被扰动并诱发其整体复活，将对人类造成巨大的灾难。断层带由主断层面与两侧破碎岩块及若干次级断层或破裂面组成[6]，岩土体的断层、节理等破裂面是滑坡等地质灾害发生的先决条件[7]。断层破碎带上的老滑坡，地质情况非常复杂，加上开挖和强降雨叠加作用，极易引起老滑坡复活[8-10]。该类滑坡成因机理复杂，防护治理难度大，严重影响高速公路建设和行驶安全。因此，如何正确识别老滑坡体和断层带的地质特征，以及老滑坡体及断层带对工程滑坡变形特征的分析，对进一步处治该类滑坡病害具有重大意义。本文以广东大潮高速公路K20工点滑坡整治工程为例，从边坡的工程地形地貌、地质条件、边坡变形等因素分析，研究该工点滑坡病害成因及变形特征，并提出相应整治措施，供类似工程参考。

1 工程概况

K20工点滑坡全长817m，高速项目里程段范围内主要以路基（路堑）形式通过，该处路堑开挖最高形成6级边坡，高度57.5m。2017年11月开挖至第4级边坡时，坡面出现多条纵向裂缝，后将裂缝范围内原设计的人字形骨架改为锚索格梁。开挖至第3级边坡时，距堑顶约30m的后缘出现大范围的弧形错台，第3级边坡坡面有明显剪出迹象。边坡变形导致锚索框架和人字形骨架断裂。边坡前期变形非常迅速，几天之内错台高度从0.5m变为3m，裂缝宽度最宽处将近3m。经过锚索张拉和前缘反压之后，通过监测发现边坡变形速率明显减缓，逐渐趋于稳定。并制定一到六级锚索加固措施。同年11月中旬发现三级坡体又出现了滑动迹象。2019年2月以来，由于连续降雨，坡体又出现滑移开裂在四级边坡产生剪出口，滑移发展迅速，部分刚安装好的锚索格梁已严重拉断。2019年4月随着降雨增多，在边坡堑顶上方距离截水沟平台约60m处出现新的拉张裂缝并形成高1m的陡坎，随后一段时间裂缝向两边继续发展，连续贯通呈弧形分部并一直延伸至堑顶，裂缝范围不断扩大。

2 工程地质条件

2.1 地形地貌

滑坡区地貌为低山丘陵地貌，特点是侵蚀切割较为强烈，沟谷不开阔，丘陵顶部多为浑圆状，地形起伏大。地势总体为南高北低，高程介于180~480m，相对高差约300m，其中滑坡后缘高程约350m，前缘高程约190m，相对高差约160m。斜坡坡度多为15~30°，平均约17°。滑坡体后缘具有明显的陡缓交替地形，陡坡长约100m，坡度30°；缓坡长约40m，坡度10~16°；滑坡体中部及前缘地形逐渐变缓，平均坡度约13°；两侧均发育微型冲沟。

2.2 滑坡体地质条件

滑坡体物质主要由含砾粉质黏土、碎石和泥岩组成。含砾粉质黏土:黄褐色-红褐色，可塑-硬塑，主要为泥岩风化形成黏土矿物（局部为全风化泥岩），局部含砂岩角砾、块石，土质不均，其中砂岩为棕红色、灰白色、强-中风化。内部结构混乱，并因滑体运动挤压形成多道光滑结构面。该层土是滑坡体的主要组成物质，在滑坡体内广泛分布。碎石:棕红-灰白，松散-稍密，稍湿，局部含块石，成分主要为灰白色强-中风化砂岩，含10%左右的粘性土。泥岩:棕红色-灰绿色，全风化，岩质软，节理裂隙发育，空间分布不均匀，内部多含强风化砂岩、粉砂岩碎石和块石。具有遇水易软化崩解，失水龟裂，隔水的特性。

2.3 地质构造

区域内构造活动强烈，特别是断层发育，在地质调绘、钻探及物探等勘察成果中均发现较多断层，如图1所示。在路堑边坡处发现泥质粉砂岩中多处存在侵入石英脉和红色正长石，其走向呈NW向，与NE向断裂走向垂直。多

图1 断层分布情况Fig.1 Fault distribution

数钻孔岩体破碎、岩芯采取率低，钻孔岩芯中岩性杂乱；二叠系下统灰岩夹杂于三叠系泥质粉砂岩中；钻孔发现断层角砾、断层泥。断层增大了岩性空间分布的差异性，在该区域主要表现为滑坡在断层的控制下，其两侧岩性存在差异明显。其中逆断层F3岩性以泥质粉砂岩和砂岩为主，下部可见灰岩，风化程度相对较低；右侧以泥岩、砂岩为主，风化程度高。通过以上分析可知:该区域构造运动具有复杂性、多期次性、活动剧烈等特点。

2.4 水文地质条件

①地表水。该区域为低山丘陵区，地形多为上陡下缓，局部地形切割强烈的冲沟在雨季可形成短暂的地表径流。地表水缺乏，沟谷中未见地表水发育；②地下水。地下水主要为基岩裂隙潜水，且赋存于基岩裂隙中，富水性差，主要靠大气降水和潜水补给，沿着基岩裂隙向地势较低处排泄或补给潜水。滑坡段地下水稳定水位埋深介于9.7~51.5m，水位高程介于213.48~263.43m，水位变幅1.0~2.0，最大可达4.0m。冲沟段土体常年保水。

3 滑坡体的变形破坏特征

经地质勘察和分析，该滑坡所处地貌为老滑坡地貌，且在老滑坡前部开挖引起了老滑坡复活。从原地形看老滑坡变形迹象比较明显，后缘形成明显的陡缓交替地形，植被上新下老，上部为灌木丛，下部为松树林。滑坡体松树具有明显“马刀树”特征，中部地形明显变缓，形成台地。东侧边界滑坡形成的陡坎非常明显；西侧形成明显的灌木带并在其内侧发育微型冲沟。前缘地形突出，地层杂乱松散，如图2所示。

图2 老滑坡边界图Fig.2 Old landslide boundary map

该滑坡前后共发生4次滑动，滑塌范围一次比一次大，一度出现开挖一级滑动一次的情况，第4次滑塌后缘形成明显错台，错台高度约3m，如图3所示。错台下部裂缝最宽处约3m。错台后缘5m处形成1条38m长的拉张裂缝，宽度0.2~0.4m。边坡中部也有明显变形现象，堑顶上山道路下错约0.8m，锚索框架被剪断，并在4、5、6级边坡因滑坡体差异性运动形成多道垂直裂缝，如图4所示。前缘变形特征也很明显，在3级坡面可见明显剪出口。探井TJ1、TJ2在施工过程中出现混凝土护壁开裂掉块现象，滑坡前缘反压土体也有不同程度的挤胀开裂、剪出现象。监测钻孔存在卡探头、无法下探头等现象。

图3 滑坡后缘错台Fig.3 Staggered platform at the back edge of landslide

图4 错断的框架梁Fig.4 Staggered frame beam

根据现场地质勘察情况，总结出该类边坡变形破坏具有以下特征:①变形速率快。边坡一旦出现滑动，发展速度非常快，后缘迅速出现多道错台，高度3~5m，后缘裂缝宽度短时间内也迅速发展，变化速率达20cm/日，坡面已实施的锚索框架被剪断，锚索被拉断；②控制性结构面多，滑动面多。受老滑坡地貌及断层的影响，边坡岩土体节理裂隙极其发育，完整程度极差，风化程度高，岩性混乱，连续性极差。根据挖探及钻探资料显示坡体内存在多道贯通的擦痕。滑坡滑动面多变，常出现治住一条滑面，但又产生新的滑面；③水敏感性强。老滑坡地貌坡体后缘上陡下缓，形成明显陡缓交替地形，滑坡体中部及前缘地形较缓，汇水面积大，两侧均发育微型冲沟。加上受断层破碎带影响，断裂带为地下水的通道，使得地下水易沿通道汇集，同时通道内的岩土体含水量增加，泡软老滑面，在地下水的浸润下强度急剧下降，引起边坡滑动；④反复滑动。该边坡在施工过程中出现多次滑动，一度出现开挖一级滑动一次的现象，原施工方案中“开挖一级，防护一级”已较难保证施工过程边坡的稳定。老滑坡地貌及断层的双重影响导致边坡岩土体自稳能力极差，一旦改变原坡型，就能诱发新的滑动。

4 滑坡体特征及稳定性计算

4.1 滑坡规模

老滑坡整体呈圈椅状，特征较明显。滑坡整体地势南高北低，整体呈上陡下缓，相对高差约160m，平均坡度约17°。后缘有明显陡缓交替，形成明显的缓平台。滑坡体面积约110594.3m2。后缘至中部逐渐变宽，中部至前缘又逐渐变窄。后缘宽约95m，前缘宽约180m，中部宽约360m，纵长约460m。复活滑坡后缘呈圈椅状，并有明显错台。后缘宽约30m，前缘宽约80m，中部宽约100m，纵长约120m，滑坡体面积约8244m2，前后缘相对高差55m。滑坡主要为上部第四系覆盖层与三叠系泥岩接触面形成中层土质滑坡。滑坡体厚度12~20m，平均厚度约16m，滑坡体积约13.2×104m3；属大型中层土质滑坡。

4.2 滑面的确定

滑面的确定首先利用高密度电法剖面确定电性变化带的深度，再利用钻探和井探对其验证，着重对探井中发现的滑动面进行综合比对分析，最后利用监测成果对已经确定的滑动面进行验证。在边坡视电阻率断面图法发现明显的电性差异面，结合钻探成果，解译上部视电阻率600~800Ω·m的地层为含水量较小的含砾粉质黏土或者碎石等覆盖层，下部视电阻率25~100Ω·m的地层为泥岩或者泥质粉砂岩。电性差异面为滑面，滑面深度10~23m，如图5所示。在钻探和井探过程中发现明显滑动面，滑面深度介于4.5~12.5m，如图6所示。深部位移监测4-4监测断面的监测孔中发现有监测变形曲线有明显突变点，如图7所示。

图5 视电阻率断面图Fig.5 Apparent resistivity section

图6 挖探孔滑动擦痕Fig.6 Sliding scratch of probe hole

图7 4-4剖面监测曲线Fig.7 4-4 profile monitoring curve

经过综合分析，根据接触带的起伏、结构面的差异而变化，后缘覆盖层中呈圆弧形，中部基本呈线形，滑坡体厚度由于工程开挖，具有从后缘向前缘逐渐变浅的特点。

表1 滑面综合确定表

4.3 滑坡形成机理

4.3.1 老滑坡的形成机制

（1）滑坡所在地貌为低山丘陵地貌，地形起伏大，自然坡度约10~30°，斜坡段相对高差约300m，为形成滑坡创造一定的地形条件。

（2）坡体上部为含碎石粉质黏土，下部为基岩（全风化泥岩、泥质粉砂岩）。上部含碎石粉质黏土透水性相对较好，下部全风化泥岩透水性相对较差，具有遇水易软化的特点。地表水沿覆盖层下渗到泥岩顶面处，泥岩遇水软化形成软弱带，形成易滑地层。

（3）该区域构造运动强烈，断层极其发育，造成岩体节理裂隙极其发育，完整程度极差，风化程度高，连续性极差，断层带是地下水的通道，利于地下水沿断层汇集形成软弱带，边坡开挖时极易沿软弱带发生滑塌。因此构造运动是老滑坡发生的基本条件和控制因素。

（4）该地区降雨集中，雨水下渗到坡体中使得岩土体重度增大，并浸润滑面使得坡体强度降低，从而诱发岩土体失稳滑动。因此降水是老滑坡发生的重要因素。

4.3.2 老滑坡复活的形成机制

除上述因素外，导致老滑坡复活形成工程滑坡最重要的因素为公路路堑边坡开挖，使得改变坡体应力状态，抗滑力减小，诱发滑坡体前缘牵引变形。

综上所述，老滑坡是在地形地貌、地质构造、地层岩性、降雨等多种因素共同作用下发生的，老滑坡复活主要是由人工开挖诱发的。

4.4 滑坡稳定性分析

4.4.1 参数选取

本次滑坡计算参数选取:滑坡体重度主要根据该地区经验参数和土工试验综合确定；滑动面（带）土体的强度指标c、φ值主要通过参照以往该地区经验参数、土工试验（反复直剪和直剪）和反算法综合确定。反算采用工程滑坡稳定性系数K=0.99，详见表2。

表2 滑带岩土体强度指标

4.4.2 稳定性计算

按刚体极限平衡理论，根据滑体物质结构特征、出现的变形迹象及滑面形态，采用传递系数法为计算模型进行滑坡稳定性计算，计算公式如下:

其中，

式中，

Wi——第i条块的重量（kN/m）；

Ci——第i条块内聚力（kPa）；

Φi——第i条块内摩擦角（°）；

Li——第i条块滑面长度（m）；

αi——第i条块滑面倾角（°）；

A——地震加速度（单位:重力加速度g）；

ru——孔隙压力比；

K——稳定系数；

Ψj——传递系数， Ψj=cos（αi-αi+1）-sin（αi-αi+1）tanΦi+1

主滑面计算结果表明:该滑坡在各种工况下均处于不稳定状态；天然状态下稳定系数为0.99，暴雨状态下稳定系数为0.91，地震状态下稳定系数为0.88。边坡最大剩余下滑力为1373.3kN。

表3 滑坡稳定性及推力计算结果一览表

5 滑坡治理措施

该边坡原设计为六级边坡，其中一级边坡采用锚杆格梁防护；二、三级采用锚索格梁防护；四、五级采用人字形骨架防护；六级边坡采用三维网植草（图8）。原设计未充分考虑老滑坡地貌及断层对边坡稳定性的影响，未认识到该边坡的地质特殊性，防护措施偏弱，造成边坡在施工过程中出现多次滑动。

图8 原设计防护方案断面图Fig.8 Section of original design protection scheme

对于该类边坡必须坚持“强支挡、重排水”的治理原则，根据勘察结果对原设计方案进行如下优化:①抗滑桩支挡。在二级平台设置一排圆形抗滑桩，抗滑桩采用圆形截面，桩截面尺寸直径2.5m，桩长35m，桩中到中间距5.0m，抗滑桩桩头设置两道锚索；②坡面防护措施。三、四、五、六级边坡均采用锚索框架加固，第二、七级边坡采用锚杆框架加固；③排水工程。在一级边坡设置一排仰斜排水孔，排泄坡体内地下水。滑坡后缘以外设截水沟，各级平台上设排水沟。在地形低洼处的一级平台设置集水渗井（图9）。