广州增城至从化高速公路顺层滑坡稳定性分析

康钦容，夏缘帝，王亚军，张卫中，祝启坤，冯超冉

(1.武汉工程大学资源与安全工程学院，武汉 430073；2.武汉工程大学土木与建筑工程学院，武汉 430073)

随着经济的增长，中国基础交通建设也得到了快速发展，但在其修建过程中，问题也随之出现，其中相对较严重的便是滑坡问题，而滑坡问题中最常见的便是顺层滑坡，其主要发生在公路、铁路[1]等大型工程。岩质顺层滑坡多是岩层沿层面发生滑动，在有软弱岩层或存在人工开挖等情况时易于发生[1]。对于滑坡的影响因素主要为内部的因素和外部的因素，地质地貌条件是影响其稳定性的内在因素，当有较软弱岩层存在时易造成滑坡。地表水、地下水活动以及人工活动等是影响其稳定性的外在因素，当边坡渗透性较好易于地下水渗透时，将导致土体重度增加，该边坡造成滑坡的可能性将增大。

近年来，由于滑坡事故的频发，越来越多的中外学者对滑坡的稳定性及其防护做出研究，探讨滑坡的诱发因素。张修杰等[2]通过边坡病害分析得出边坡失稳破坏的主要因素是人为因素和自然因素。路为等[3]通过对其在岩质边坡的滑动平面径向滑移及其破坏形成机制情况进行统计分析,得出了当张力岩裂隙的土壤充水率高度已经完全达到临界额定值时其在岩质边坡的滑动平面在地下水压力和土壤压力的相互作用下发生径向滑移造成破坏。韦生根等[4]通过滑坡形机理分析出该路段由于长期处于饱和状态，土体抗剪强度较小，若在原有基础上加减土体将失去平衡而导致滑坡。汪丁健等[5]通过建立降雨入渗模型得出在降雨初期，滑坡稳定性迅速下降，随着降雨的持续，稳定性下降速率放缓。雒昕宇[6]通过分析吕梁地区高速公路边坡稳定性得出由于边坡内部水作用降低了边坡的稳定性，导致边坡失稳。在探讨边坡失稳的诱因方面，学者们虽然从不同角度进行了分析，但具体的研究方法并不详细。

针对滑坡稳定性分析方法的具体情况，叶唐进等[7]通过探究降雨条件下滚石斜坡失稳机理研究推导出适用于滚石斜坡稳定性计算法。He等[8]通过分析滑坡地形地貌等内在因素对其进行稳定性分析，结果表明，在降雨影响下处于不稳定状态的滑坡易发生整体滑动。Nie等[9]采用边界元法分析滑坡稳定性，再结合强度折减技术使滑面处于极限平衡状态，得出非线性接触的收敛性。徐国强等[10]采用极限平衡条分法对滑坡进行稳定性分析，得出影响滑坡稳定性的主要原因。

基于此，现以广州增城至从化高速公路K8+160～K8+515段工程为实例，以监控数据分析为理论基础,深入探讨该区段滑坡的变形特点,采用极限平衡法与数值分析法分别对其进行稳定性的分析。从内部的影响因素和其他外部影响因素来分析该段滑坡可能产生的风险,对于该段滑坡问题提出防治措施建议,以期保障高速公路的安全通行,减少工程经济损失。

1 工程概况

广州增城至从化高速公路(包括街口的一条支线)K8+160～K8+515段滑坡发生在广州市北东侧,其山区地貌多为丘陵地带,山体整个结构总体上呈上陡下缓,上部的山坡坡度相对较大,中下部的山坡坡度相对较小。高速公路沿着山体的坡脚而行,公路的走向和山脉的走向完全相同。边坡所在地处于南亚热带,区内年平均降雨量1 960 mm。平均最高气温为28.5 ℃。由于该区域处是纬向构造体系与新华夏构造体系之间的一个复合分叉交界点,使得在该区域内所产生的断裂主要是以挤压式断裂为主。

地表水主要用于接受天然地下水和大气中雨量降水的供应,动态不稳定,受降雨和季节的影响。另外，滑坡地段的地下水主要是孔隙水、裂隙水。因此,裂隙发育程度也是影响水量大小的重要因素。边坡区因次生地质地貌构造及边坡工程施工,造成浅部砂岩表层土体次生地质裂隙融合发育、连接,形成了砂岩表层浅部网络状次生裂隙融合发育带,大气环境中的大量降水水分沿边坡区次生裂隙发育下渗、富集，形成了表层浅部砂岩土层次生裂隙融合发育的地带，整个边坡地层的透水性较好，地表水容易入渗。

2 滑坡概况

2.1 滑坡特征

滑坡体走向长约400 m，向公路两侧延展宽度平均约100 m，厚度平均大于10 m，滑坡体积约40万m3，因此判定为大型滑坡。

边坡及边坡顶上方山坡出现5处较明显的滑坡，其中在治理边坡范围内有3处，边坡顶部上方陡坡上有3处。且5处滑坡的出现有一定的内在联系。

(1)滑坡HP1：后缘位于YK8+180右70～YK8+230右50,即在第2级边坡附近,边坡表层平面已经发生拉裂、向下的错动,并且滑体厚6～8 m。前缘位于第1级边坡坡脚挡墙处，由于受挡墙的支撑，并未出现隆起。

(2)滑坡HP2：后缘位于YK8+230右110～YK8+280右50，即在三级边坡顶部附近，滑体厚8～11 m，前缘位于二级边坡的底部平台附近。

(3)滑坡HP3：位于YK8+280～K8+460右侧的边坡上,未见明显的后缘,但一级边坡坡面上的预应力锚头大多已经翘起、失效,第一级边坡平台上的截水沟和第二级边坡坡脚的斜面已经在局部处出现了裂缝,底部路肩局部出现隆起，K8+450的中迳中桥桥面伸缩缝已有明显的错位(图1)且地表水下渗入边坡导致边坡土体重度增加(图2)。

(4)滑坡HP4和HP5：后缘分别位于YK8+280右150 m、K8+320右170 m附近的山坡上，属于浅表层滑塌，滑体厚度小于1 m(图3)。

因此，该边坡呈现出多层滑面且影响较大的特点，由于地下水的下渗，该边坡存在深层滑面的可能性较大，总体表现为大小不一，深度不同的复杂滑坡群。

图1 边坡面滑坡(HP1、HP2、HP3)Fig.1 Slope surface landslide(HP1、HP2、HP3)

图2 地表水下渗入边坡Fig.2 Surface water seepage into the slope

2.2 滑坡监测

在进行边坡深层水平位移监测时，主要将其分为三个断面进行监测，即K8+240、K8+280和K8+320断面。深层位移曲线图如图4和图5所示。

从图4和图5中可以看出在断面K8+280一级平台8.0 m深处，断面K8+320一级平台15.0 m深处，K8+240二级平台深5.5 m和堑顶的深10.0 m，断面K8+280二级平台14.0 m处均出现位移的突变，表明该滑坡的潜滑面主要出现在这些位置。根据深层位移曲线图可以看出，深层位移整体变化较小，位移处于持续缓慢发展中。故滑坡最大可能发生在浅表层。

分析监测图可知，滑坡出现明显位移的主要在中后部，前缘区位移量较小。由此可以判定该滑坡处于蠕滑阶段，且中后部滑体受到挤压，坡体已经出现一定程度的变形。一旦外动力作用条件发生变化，原有的平衡状态极易被打破，可能导致路堑边坡发生大规模整体滑动。从监测结果分析，由于6月的连续暴雨，边坡在雨水的影响下，依然存在突变的可能，处于不稳定状态，在大暴雨期间，由于水流冲刷，使其强度软化，整体稳定性发生突变进而导致滑坡。

3 滑坡稳定性分析

3.1 滑面分析

通常情况下认为当边坡发生滑动时，最可能发生滑动的面是安全系数最小的滑动面[11]。该段滑坡在暴雨条件下，坡体出现大量拉张裂缝和防护结构破坏，坡脚公路路肩出现隆起，参考地表位移监测成果，可以判定目前坡体处于蠕滑变形阶段，即近于极限平衡状态，具备参数反演条件。

图4 一级平台位移监测图Fig.4 Displacement monitoring chart of first stage platform

图5 堑顶、二级平台位移监测图Fig.5 Displacement monitoring chart of cutting top and secondary platform

3.2 定性分析

滑坡变形主要是由于滑坡所产生的地表岩性、山体特征、地势风貌、降雨和其他影响人类在工程中的活动而引起的[12]。由工程地质情况可知，所在区域为两条断层相交部位，在构造作用下，下伏页岩节理裂隙发育，在地下水长期作用下极易形成连贯的薄弱面。一旦外部动力条件略微发生变化，现有的平衡状态将会被打破，很有可能会直接导致道路边坡出现大规模的整体性滑动。

3.3 极限平衡定量分析

根据滑坡监测结果分析，该边坡的稳定性分析可分为三个区进行(图6)。Ⅰ区为K8+160～K8+270，Ⅱ区为K8+270～K8+400，Ⅲ区为K8+400～K8+515。三个区分别选取 C-C、A-A、E-E三个典型断面进行滑坡稳定性计算与分析，如图7所示。

图6 钻探勘探布置图Fig.6 Drilling and exploration layout

Ⅰ区为K8+160～K8+270，选取C-C典型断面的滑面C-1进行参数反演，对滑面C-2进行稳定性验算。Ⅱ区为K8+270～K8+400，选取A-A典型断面的滑面A-1进行参数反演，对滑面A-2、A-3进行稳定性验算。Ⅲ区为K8+400～K8+515，选取E-E典型断面的滑面E-1进行参数反演，对滑面E-2进行稳定性验算。滑面参数如表1所示,滑面采用计极限平衡法进行参数反演，计算公式为

(1)

(2)

图7 断面图Fig.7 Sectional drawing

式中：Ci为第i条块的内聚力，kPa；RDi为渗透压力产生的垂直分力，kPa；Rn为第n条块底面抗滑力的合力，kPa；TDi为渗透压力产生的平行滑面分力，kPa；Tn为第n条块底面下滑力的合力，kPa；φi为第i条块内摩擦角，(°)；Li为第i条块滑面长度，m；ai为第i条块滑面倾角，(°)；βi为第i条块地下水流向，(°)；A为地震加速度(重力加速度g)；rU为孔隙压力比；Kf为稳定系数；Wi为第i条块的重度(kN·m-3)；ψj为第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

(3)

计算得断面的滑面安全系数如表2所示。

(1)I区：根据断面安全系数分析可知，在暴雨或持续降雨工况下，浅层滑面C-1，经计算安全系数为0.99，处于不稳定状态；深层潜在滑面C-2计算得到安全系数为1.53，其状态较稳定。

表1 滑面参数Table 1 Sliding surface parameters

表2 典型断面的滑面安全系数Table 2 Slip surface safety factor of typical section

(2)Ⅱ区：在相同工况下，浅层滑面A-1，安全系数为0.99，处于不稳定状态；深层潜在滑面A-2的安全系数1.00，状态欠稳定；滑面A-3的安全系数1.43，状态较稳定。

(3)Ⅲ区：在暴雨或持续降雨工况下，浅层滑面E-1，安全系数为0.99，滑面状态不稳定；滑面E-2的安全系数1.02，滑面状态欠稳定。

通过以上的计算分析结果表明,边坡在自然状态下基本保持稳定,饱水状态下,边坡的稳定性大大降低,并且系数小于1,导致了边坡的发生滑移或者破坏。加之边坡的挖掘严重破坏了路堑的稳定性,其中以断面A-A为例表现最明显。由此可以得出Ⅰ区的滑坡主要是发生在较浅的地面,Ⅰ区和Ⅲ区都存在着发生较大深层滑动的危险。

3.4 滑坡数值分析

滑坡岩土体变形破坏满足修改的莫尔-库仑强度准则，计算模型中采用的物理力学参数如表3所示。

3.4.1 Ⅰ区C-C断面

根据边坡开挖前后FLAC模拟结果分析显示C-C断面稳定性主要受边坡岩土含水量影响，天然-饱和状态稳定性系数如表4所示，天然状态和饱和状态下边坡塑性区分布如图8和图9所示。

分析图8和图9可知，天然状态下开挖前后塑性区变化不大，而在降雨后塑性区分布有明显的变化，说明开挖对断面稳定性的影响远小于降雨带来的影响。断面无论是天然状态下还是饱和状态下破坏均发生在表面，无深层发展的可能。

3.4.2 Ⅱ区A-A断面

根据边坡数值模拟计算出断面在不同情况下的稳定性系数如表5所示。该断面对应的塑性分布如图10所示。

表3 计算参数取值表Table 3 Calculation parameter value table

表4 C-C断面天然-饱和状态稳定性系数Table 4 C-C section natural-saturated state stability coefficient

图8 C-C断面天然状态下开挖前、后的塑性区分布Fig.8 Distribution of plastic zone before and after excavation in section C-C in natural state

图9 C-C断面饱和状态下开挖前、后塑性区分布Fig.9 Distribution of plastic zone before and after excavation under the saturated state of section C-C

表5 A-A断面天然-饱和状态稳定性系数Table 5 A-A section natural-saturated state stability coefficient

图10 A-A断面饱和状态开挖前、后塑性区分布Fig.10 Distribution of plastic zone before and after excavation in saturated state of section A-A

根据结果显示，该边坡在天然状态下均保持稳定。说明边坡的开挖与否并不是造成滑坡的主要因素。饱和状态下的边坡稳定性总体下滑,且在开挖后处于饱和状态时欠稳定。从饱和状态开挖前后塑性区分布可以看出在降雨后边坡发生了一定程度的滑移。由此可知Ⅱ区坡体发生滑移的主要原因是由于人为的开挖导致坡体前缘临空，在连续降雨后土壤重度增加，导致该边坡出现一定程度的滑移。

3.4.3 Ⅲ区E-E断面

断面天然-饱和状态稳定性系数如表6所示。E-E断面天然-饱和状态下塑性分布如图11～图12所示。

表6 E-E断面天然-饱和状态稳定性系数Table 6 E-E section natural-saturated state stability coefficient

图11 E-E断面天然状态下开挖前，后塑性区分布Fig.11 Distribution of plastic zone before and after excavation in section E-E in natural state

图12 E-E断面饱和状态下开挖前，后塑性区分布Fig.12 Distribution of plastic zone before and after excavation under saturation of section E-E

计算结果显示，断面在天然状态与饱和状态下稳定性均较差，路堑开挖对稳定性无直接影响，从塑性区分布形态看，塑性区在基本面上扩展边续，边坡潜在深层滑移的可能很大。

数值分析可以明确边坡初始位置和展现边坡渐进破坏过程[13-14]。极限平衡原理计算出的滑面稳定性系数与数值模拟分析的结果基本相同。通过对数值的分析表明,边坡在天然状态下保持基本稳定,饱水状态下,边坡的稳定性降低,导致了边坡的发生滑移或受到破坏。因此,从总体上来说，Ⅰ区由于受到的破坏都是发生在坡体的表面,可能会出现浅层滑坡,Ⅱ区和Ⅲ区从塑性的状态来说坡体均会发生一部分滑移,则Ⅰ区和Ⅱ区均有可能出现深层滑动。

4 结论

(1)通过工程地质条件，边坡上堆积有一层厚度较大的崩坡积碎石土层，含有较多的块碎石，其结构较为松散，稳定性较差，透水性较好，易发生滑塌。

(2)根据极限平衡法和数值分析的计算结果判定出边坡的潜滑面，以便及时对边坡采取防护措施。建议选择放坡法、排水法、支挡法为主,并辅之以锚固法、注浆法针对该类滑坡实施综合性的治理。

(3)产生滑坡的主要原因为由于工程需要，在施工时对坡脚进行了第三级人工边坡的开挖，增加了边坡发生滑坡的可能性，改变了原有地形，第四系覆盖层堆积厚度大且结构松散，最主要的诱因是在连续降雨后大量地表水的入渗加上公路周围农田荔枝林的灌溉，导致地下水入渗为滑坡创造了有利条件，破坏了边坡的稳定性。因此，要想标本兼治，治水是关键，水的治理主要是截、疏和排。

(4)该滑坡具有多个大小深度不一的滑面，且各个滑面存在一定的联系，整体上属于牵引式滑坡。另外，对边坡顶部出现的裂缝应尽快回填，防止地表水的入渗。

(5)边坡稳定性现状分为三个区：Ⅰ区浅层处于状态欠稳定，深层处于状态稳定，需对浅层进行加固处理；Ⅱ区浅层状态欠稳定，深层处于极限平衡状态，需对浅层进行加固处理，同时防止深层滑坡；Ⅲ区整体属于欠稳定状态，必须加强该区的防护。