滇西片岩区古滑坡形成机制及高填方边坡稳定性研究

2022-04-26谢春庆柳天佳赵新杰

中国煤炭地质 2022年3期

潘凯，谢春庆，柳天佳，赵新杰，吉锋

(1.广东中煤江南工程勘测设计有限公司，广州 410440；2.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学)，成都 610059)

0 引言

我国是一个滑坡灾害极为频发的国家，其中大型和巨型滑坡占有突出重要的地位，尤其是在中国的西部地区，大型滑坡更是以其规模大、机制复杂、危害大等特点而难于治理[1]。滑坡灾害不仅对老百姓生命财产造成极大损失，并严重影响公路、铁路、机场、水运及水电站等基础设施的安全运营[2-4]。

以机场工程为例，与中东部相比，西部山区机场受场地条件的制约，建设中“削山填谷”的情况比较多，土石方量巨大，填方原地基大多是倾斜地面，由于地形、地质、水文、岩土条件复杂，加之滑坡灾害发育，地基及高填方边坡稳定问题十分突出[5-9]。以攀枝花机场为例，机场中部12#滑坡2004年至今已经发生了数次不同规模的滑移，并堆积于下侧喻家坪老滑坡之上，使老滑坡再次复活[10-11]，滑坡造成机场数次停航，虽然前后花费数亿元进行了应急抢险和大规模滑坡治理工作，但仍未完全根治，严重影响到了机场的安全运营和附近老百姓生命财产安全，并造成了不良社会影响。

片岩属区域变质岩，受结构、构造、矿物成分的影响，具有蠕变性、力学各向异性、遇水软化、劣化等特性。由于片岩特殊结构、构造及力学性质，山区片岩往往是滑坡高发区[12-18]。关于片岩力学性质及滑坡灾害已有相关研究，但针对滇西片岩的相关研究仍较少。本文依托某机场建设工程，开展片岩区古滑坡形成机制及高填方边坡稳定性研究，研究成果对片岩区滑坡成因机制分析、边坡稳定性分析、抗剪强度参数取值、土石方工程设计及灾害防治等具有参考作用。

1 滑坡区现状特征

1.1 滑坡分布位置及形态特征

滑坡位于飞行区西南部跑道轴线北东侧的“石长洼子”，所以命名为“石长洼子滑坡”。滑坡发育于区内F3、F4压扭性断层之间的凹槽形斜坡部位，整体呈东南北向展布，主滑方向NE5°，平面形态呈典型的“圈椅状”，剖面形态后缘至中部凹陷，中部到前缘有多级下错台坎，剪出口部位发育陡壁，滑坡前缘距离下侧村庄距离仅70余米。滑坡体后缘高程2 224m，前缘高程2 148m，高差约76m，地表平均坡度23°，坡体纵向平均长度约293m，横向平均宽度约125m，面积约3.6×104m2，滑坡方量约1.03×106m3。

坡体后缘发育拉线槽，形成长25m，宽8m洼地，滑坡中部至前缘坡度较陡，平均坡度约37°；后缘地形较缓，平均坡度约4°；滑坡体残留三级滑移堆积平台，高程约2 200m处为一级平台，横向宽度12～68m，纵向展布长115m；二级平台高程2 192m，横向宽25m，纵向延伸约28m；三级平台位于坡体前缘，长42m，宽38m，古滑坡左边界可见有局部横向凹槽发育，宽度1～2m，深度约1.5m。

滑坡体左侧发育一条浅切割的沟谷，沟谷切割深度2～3m，在高程约2 186m处与滑坡前缘发育的沟谷交汇，滑坡左侧以此沟为界。

滑坡前缘因两侧沟谷交汇而尖灭，浅表层堆积体的前缘剪出口位于高程2 162m沟谷斜坡平台上，推测深层最不利的剪出口在沟谷底部(图1)。

图1 滑坡区综合工程地质平面Figure 1 Comprehensive engineering geological plan of landslide area

1.2 滑坡体物质组成

滑坡区基岩为前奥陶系澜沧群大田丫口组，岩性为浅灰、灰色、灰黑色二云母石英片岩，变晶质结构，片状构造，受F3、F4压扭性断层影响，区内片岩破碎，裂隙发育，地下水长期作用加速了片岩的风化、软化和泥化速率，易形成软弱夹层。钻孔揭露，该斜坡深部存在大量含泥的角砾破碎带，厚度0.5～1.0m，为片岩受构造挤压作用而破碎，并在地下水长期作用下风化、软化和泥化而形成。

钻探、井探揭露，滑坡体由粉质黏土夹角砾、似层状片岩岩体组成，厚度0～30m。

通过地质测绘、物探、钻探、井探及地质分析得出，滑坡存在两层滑带(面)，浅层滑面埋深5.0～12.0m，深层滑面埋深18.0～30.0m。浅层滑带以可塑-硬塑状粉质黏土夹角砾构成，在滑坡前缘地下水位以下，滑带土呈可塑状，褐色、深灰色，滑带土内包裹体有一定磨圆和定向排列特征(图2)。

图2 探井揭露浅层滑带特征Figure 2 Exploratory well revealed shallow glide zone features

深层滑带主要为泥化夹层，钻探揭露部分深层滑带中夹次圆状-次棱角状的角砾，且具定向排列特征，部分似层状基岩裂隙面残留擦痕和镜面(图3)。

图3 钻探、探井揭露深层滑帯特征Figure 3 Drilling and exploratory well revealed deepglide zone features

滑坡中部至后缘滑床岩性以强—中风化片岩为主，呈黄灰色、灰白色，产状：40°∠35°～50 °∠60°，滑坡中下部至前缘滑床主要以全风化、强风化片岩为主，中风化片岩埋深一般大于25m，风化岩最深超过42m(图4)。

1.3 水文地质特征

滑坡区中部及前缘出露多处泉点、渗水区，泉点流量30～120m3/d，水质清澈，水温15.6～15.8℃。钻探中发现，部分钻孔出现冒水现象，涌水量0.13～0.14L/s。

滑坡后缘地下水位埋深在15.0～18.0m，中部12.0～14.0m，前缘6.0～8.0m，剪出口位置0～1.0m，枯丰水期地下水位动态变化1.8～2.3m。滑坡前缘开挖探井出现渗水现象，出水地层为砂状全风化片岩及碎裂状强风化片岩、堆积体，出水量70～90m3/d。

图4 古滑坡体主滑方向典型地质断面Figure 4 Typical geological section of paleo-landslide main slip direction

根据渗透性，强风化片岩、浅层中风化片岩和碎块石含量较高的滑坡堆积层为含水层；全风化片岩、深部裂隙弱发育的中风化—微风化片岩、原生和次生粉质黏土为相对隔水层。根据水文地质分析及连通性试验结果，受F3、F4压扭性隔水断层的影响，滑坡区与断层两侧区域水力联系较弱，而与处于断层挤压带内滑坡后缘区域水力联系较强，为滑坡区地下水的主要补给区。

2 滑坡及边坡稳定性分析

通过详细调绘、调查访问及地方国土部门地灾档案资料查询结果可知，该滑坡过去至少60a内未发生过大规模变形和滑动，为一处古滑坡。根据设计资料，该区填方边坡顶面设计标高2 243m，最大垂直填方高度约76m，受施工扰动、填方荷载、地下水环境改变及地震等因素的影响，古滑坡可能再次复活，造成高填方边坡变形失稳。

2.1 变形破坏条件

1)地形条件。石长洼子古滑坡高差约76m，地表总体坡度约23°，坡体纵向长度约293m，滑坡左右边界发育两条小型沟谷，前缘发育一条深切沟谷，坡体后缘为一“月牙状”积水凹槽，地形地貌条件创造了良好的地表水入渗条件和临空条件。

2)地质构造特征。滑坡区发育区域性断裂的次生断层F3、F4，受断层构造挤压作用，该区岩体破碎，节理裂隙发育。构造作用破坏了岩体的完整性，加速岩体风化，降低其力学强度，并为地下水的渗流提供了通道。

3)地层岩性特征。滑坡区基岩为二云母石英片岩，属于软岩。片岩具有遇水崩解、软化、泥化的特性，易形成软弱夹层。室内软化崩解试验得出，强风化片岩在浸水12d后崩解率达到24%～30%，全风化片岩在浸水14min后，崩解率达到50%～77%。同时片岩具有蠕变特性，在上覆荷载的作用下易发生累进性破坏。

4)降雨入渗和地下水条件。研究区降雨充沛，年降雨量为1 467.3mm，降水以阵性降水为主，连续性降水多在7—9月。雨季最多降水量为1 687.7mm，最少为814.4mm，干季最多降水量为572.7mm，最少降水量为68.8mm。降雨入渗和地下水作用一方面软化第四系松散层，并加速片岩的风化、软化和泥化；另一方面饱水加载和孔隙水压力作用，将增加滑坡体的下滑力，降低其抗滑力，对斜坡稳定不利。

2.2 稳定性计算方案

采用传递系数法和数值分析法进行稳定性计算，考虑天然、暴雨、地震三种工况，分别对浅层滑面、深层滑面及其他潜在滑移面进行稳定性计算。考虑到古滑坡为岩质滑坡，数值法计算中采用折线形滑面进行最危险滑面搜索。根据设计资料，高填方边坡采用块碎石料进行填筑，综合坡比为1∶2，高差间隔10m设置一级马道，马道宽2.0m。研究区抗震设防烈度Ⅶ度，设计基本地震加速度值为0.15g，综合水平地震系数αw=0.04。

2.3 稳定性计算参数

本文在对前期勘察报告分析整理的基础上[19]，进行了室内试验、大型原位抗剪试验、参数反演和工程类比等。参数综合取值见表1。

2.4 地下水位与降雨入渗深度确定

降雨入渗深度采用经验公式进行计算，见式(1)[19-22]。计算结果见表2。

(1)

式中：H为降水入渗深度，m；Gs为相对密度；Sr为饱和度，%；ρ为土粒密度，g/cm3；k为饱和渗透系数，cm/s；i为水力比降；e为孔隙比。

根据计算结果，暴雨工况下稳定性计算考虑降雨入渗的影响时大致可以分两种情况：①当降雨历时≤24h，可大致按照降雨入渗深度6.0m进行考虑，此时地下水位以下及降雨入渗浸润影响深度的土体采用饱和参数，地下水位线以上及浸润线之间的土体采用天然参数；②当降雨历时超过≥48h，整个边坡可按近饱水状态进行考虑，采用饱和参数进行计算。

根据《滑坡防治工程勘查规范》(GB/T 32864—2016)[21]，当滑坡体渗透系数Kv> 1.0×10-7m/s时，应计算地下水的渗透压力。根据渗透性试验成果，含碎石粉质黏土渗透系数Kv=n×10-5～n×10-6m/s，全—强风化片岩渗透系数Kv=n×10-6～n×10-7m/s，由于浅层滑坡为岩土混合物，且滑面大部分在地下水位面以上，可不考虑地下水渗透压力的作用；深层滑带大部分处于地下水位以下，且地下水位以下主要以全强风化片岩为主，渗透系数Kv>1.0×10-7m/s，需考虑地下水渗透压力作用。

2.5 稳定性计算结果分析

根据滑坡边界、滑移方向，结合高边坡填筑设计资料，选取XP02-XP02′主滑方向剖面，进行稳定性计算。计算中分别考虑施工前、施工后两种情况，分别对浅层滑面、深层滑面及潜在滑移面进行稳定性计算。滑坡稳定性判别依据《滑坡防治工程勘查规范》(GB/T 32864—2016)，填方边坡稳定性判别依据《民用机场岩土工程设计规范》MH/T 5027—2013[22]、《建筑边坡工程技术规范》GB50330—2013[23]相关规定进行评价。古滑坡及高填方边坡稳定性计算结果，见表3。

根据计算结果，填方前在天然工况、地震工况下，沿浅层滑面和深层滑面稳定性系数fs均大于1.15，古滑坡处于稳定状态；暴雨工况下，降雨历时24、48h，沿浅层滑面稳定性系数fs=1.07～1.13，沿深层滑面稳定性系数fs=1.08～1.18，古滑坡处于基本稳定性状态。

因此在不受填方施工扰动情况下古滑坡整体稳定性较好。

表1 滑坡、边坡稳定性计算岩土物理力学参数综合取值

表2 降雨入渗深度计算成果

表3 滑坡及填方边坡定性计算结果

填方后在填土荷载作用下，古滑坡及填方边坡稳定性急剧降低，天然工况下沿浅层滑面稳定性系数fs=1.0～1.03，沿深层滑面稳定性系数fs=1.02～1.09，边坡处于欠稳定状态；暴雨和地震工况下，沿浅层滑面、深层滑面、潜在滑面B-B′稳定性系数fs均小于1.0，边坡均处于不稳定状态；最危险滑面A-A′，天然工况下fs=0.99，暴雨工况下fs=0.81～0.89，地震工况下fs=0.90，fs小于1.0，边坡不稳定。

综上稳定性计算分析得出，填方后天然工况下，高填方边坡及填方地基(古滑坡体)整体处于欠稳定状态，暴雨及地震工况下边坡整体处于不稳定状态，填方荷载将诱发古滑坡复活，造成高填方边坡整体失稳。

通过大量的试算及滑面搜索得出，填方后由于边坡应力的重新调整，边坡并不完全沿古滑面滑移失稳，而是沿古滑面、软弱带、填方交界面等薄弱面(带)滑动，然后在填方边坡的坡坡脚以及古滑坡体中下部合适位置剪出。

2.6 变形及应力应变分析

运用FLAC3D软件建立高填方边坡三维地质模型，分析滑坡区填方后边坡的变形及应力应变特征，建立的三维地质模型见图5。

图5 古滑坡区填方后三维地质模型Figure 5 Paleo-landslide area after filling 3D geological model

计算得出，高填方边坡顺滑坡主滑方向变形明显，天然工况下顶部及中上部水平向变形量为60.0～80.0mm，边坡中下部至坡脚部位水平向变形量为80.0～100.0mm，古滑坡受上部填方荷载作用，前缘出现了显著的变形和剪应力集中现象，变形量最大达106.8mm，见图6(a)。

天然工况下填方边坡主固结沉降和次固结沉降量为120.0～258.0mm，最大沉降区域位于边坡中部至坡顶部位，最大沉降量258.0mm，见图6(b)。

图6 天然工况下填方位移变化特征Figure 6 Fill displacement variation featuresunder natural condition

暴雨、地震作用下，边坡应力集中程度和变形量进一步增大，暴雨工况时填方边坡水平向变形量达100.0～958.6mm，边坡中部变形量最大，塑性变形量接近1.0m，见图7(a)。

暴雨工况下高填方边坡及高填方地基的沉降和差异沉降都十分明显，沉降量为0.64～1.59m，沉降量最大的区域集中在滑坡后缘的填方边坡顶部位置，最大沉降量达1.59m，见图7(b)。

图7 暴雨工况下填方边坡位移变化特征Figure 7 Fill slope displacement variation featuresunder rainstorm condition

上述计算得出，古滑坡在填方荷载、降雨入渗、地下水等综合作用下将加速变形，并复活而造成上部高填方边坡失稳，且填方边坡的变形、滑移过程中，变形影响区将逐步扩大并向后缘发展，威胁跑道安全。

2.7 滑距及灾害预测分析

石长洼子古滑坡区浅层滑动规模约3.2×105m3，深层滑体规模约为1.03×106m3，填方量约为1.1×106m3，高填方边坡失稳将有1.4×106～2.2×106m3土方下滑。研究中采用经验公式法和森·胁宽公式计算边坡失稳后的滑距[24-25]，得出填方边坡沿浅层滑面失稳滑移后滑距为160～223m，沿深层滑面失稳滑移后滑距为170～255m。由于古滑坡下侧村庄距离滑坡前缘仅76.0m左右，若边坡滑移，将对下侧村庄的安全造成重大威胁，同时跑道距离古滑坡后缘仅40余米，高填方边坡失稳将威胁跑道安全，影响机场的正常建设和安全运营。