某高速高兴村长弄屯不稳定斜坡稳定性研究

2022-06-25李红明兰素恋张红日罗世毅管少龙蓝天助

能源与环保 2022年6期

李红明，兰素恋，张红日，谭毅，罗世毅，管少龙，蓝天助

(1.广西交科集团有限公司，广西南宁 530007； 2.广西道路与结构重点实验室，广西南宁 530007；3.广西交通职业技术学院，广西南宁 530007； 4.上海交通大学土木工程系，上海 200240)

2020年4月，柳州经合山至南宁高速公路,施工至高兴村长弄屯附近，右侧边坡开挖至第二级时部分房屋及地面出现细小裂缝，6月部分房屋及地面裂缝增多，原有裂缝也加深加宽，地面沉降，部分房屋地坪也出现空隙。随后施工单位停止该路段施工，开展地质调查评价工作。

通过对滑坡现状、变形分布范围、规模和地质结构特征等分析，高兴村长弄屯滑坡处于缓慢滑动变形阶段，后缘发育呈圆弧状裂隙带，两侧未见明显变形，前部仅见开挖边坡坡面零星几处裂缝，其前缘剪出口和周界不明显，推测滑坡左右宽约280 m，纵向长约270 m，滑坡体厚度10～30 m，方量约120×104m3，该滑坡为大型滑坡[1-3]。通过对滑坡的岩土主要物理力学分析，评价了滑坡的稳定性，查明了滑坡的失稳破坏模式、形成机制和影响范围，预测了其发展趋势和危害性[4-7]。调查发现，滑坡已造成直接经济损失约200万元，潜在经济损失约5 000万元。滑坡防治工程等级划分为一级[8]。通过对该滑坡的调查评价，为工程治理提供依据。

1 地质环境概况

(1)地形地貌特征。滑坡区属低山丘陵地貌，地形起伏较大，山体连绵起伏，相对高差较大，地形陡峭，植被发育，山峰上部基岩裸露，坡度25°～40°，谷地平缓，坡度 5°～20°。在建高速公路沿沟谷西北侧山坡展布，场地最低点高程约+223.5 m，最高点高程约+313.89 m。

(2)地质构造。滑坡区断层发育，路段南东东侧约150 m为韩家至高兴逆断层，南东侧约500 m为高兴断层，北西西侧约950 m为正断层。受断层影响，滑坡区岩体风化强烈，岩体破碎，岩层扭曲现象明显，岩层产状多变，节理裂隙方向各异。

(3)地层岩性。滑坡区地层主要由第四系残坡积层、崩积层及石炭系下统大塘阶组成。残坡积层主要由褐黄色黏土、灰褐色角砾组成；崩积层主要由灰色块石、褐黄色砾砂组成；石炭系下统大塘阶主要由深灰色页岩、灰色砂岩、深灰色破碎灰岩组成。页岩呈薄层状，风化强烈，土夹岩状，砾砂状，遇水易软化，该岩性主要分布于滑坡区中上部。砂岩呈中厚层状，节理裂隙发育，岩体破碎，岩夹土状，砾砂状。破碎灰岩呈薄—中厚层状，裂隙发育，岩体破碎。

(4)水文地质。长弄屯地区地表水主要来源于大气降水，地表存在泄水通道。降雨时有大量雨水汇入块石间隙，直接排入山体，长年累月受雨水冲刷浸泡，坡体中土层局部已被掏空，形成错综复杂的泄水通道，排向不明，但在坡脚处出露一处泉眼，常年流水。长弄屯区域地下水有2种类型：①赋存于第四系地层中的孔隙水，属潜水，受大气降水或地表水补给，地下水量较贫乏，水位随季节而变化，一般水位较浅；②赋存于岩石中的基岩裂隙溶洞水，受地表水和孔隙水补给，其水量因岩石裂隙发育程度不同而差异较大，具有一定的承压性。

2 滑坡体特征

2.1 滑坡形态特征

(1)滑坡平面。滑坡处于缓慢滑动变形阶段，后缘发育呈圆弧状裂隙带，对附近土坯民房影响严重(图1)，两侧未见明显变形，前缘剪出口为开挖边坡坡脚，前后缘高差约56 m，两侧边界为冲沟部位。滑坡体自然坡度4°～12°，局部较平坦。

图1 滑坡体后缘民房墙体及地面裂缝Fig.1 Cracks in the wall and ground of houses on the back edge of the landslide

(2)滑坡轴。滑坡轴走向约为 103°，滑坡体自长弄屯后部民房向高速公路路基方向滑动，主滑动方向主轴长约270 m。

(3)滑坡体。滑坡主要位于高速公路右侧边坡上方山坡，滑坡分布高程+242～+299 m，宽约280 m，长约 270 m，滑坡形态呈圈椅状，滑坡平面面积约60 000 m2，滑体厚度 10.0～30.0 m，平均厚20 m，滑坡方量约120×104m3，为深层大型滑坡。

2.2 滑坡结构特征

(1)滑坡岩土体。滑坡体主要为第四系残坡积层黏土、块石、风化页岩组成。黏土为膨胀土，在干湿频繁交替气候变化下，土体多次往复胀缩变形，土体结构发生破坏，抗剪强度显著降低。块石为周边高山崩积形成孤石，厚3.4～13.6 m，分布不均匀。风化页岩薄层状，节理裂隙发育，岩体破碎，岩夹土状，遇水易软化、崩解，抗剪强度急剧下降，滑坡体内岩土体力学性质总体较差，边坡开挖易引起土体变形开裂。

(2)滑带土(岩)。滑面上部从后缘穿过黏土层，进入全—强风化页岩层，主滑面主要处于全—强风化页岩中，由于全风化页岩原岩结构基本破坏，呈坚硬土状为主，其抗剪强度接近土层，全风化层滑带土含水量较高，呈可塑状，强风化页岩遇水易软化、崩解，在饱水情况极易泥化，抗剪强度急剧下降，滑带土部位强风化页岩泥化程度高，呈土夹岩状，含水量高。滑带土处于土岩分界面附近，有明显的滑动变形。

(3)滑床。滑床主要处于全—强风化页岩上，全风化页岩深灰色，土夹岩，遇水易软化、崩解，透水性差；强风化页岩深灰色，节理裂隙发育，岩体破碎，透水性差，遇水易软化、崩解，岩夹土状，属于软岩。滑床纵向坡度一般4°～20°，滑床横向呈圆弧状。

(4)滑坡性质。滑坡首先变形出现在后缘，2020年4月后缘产生裂缝，至8月初边坡开挖坡面出现近垂直裂缝，9月份滑坡中下部房屋及地面出现细小裂缝，判断该滑坡属推移式滑坡。

3 岩土物理力学性质指标

本次勘查通过现场原位试验、单轴饱和抗压试验、取样进行室内土工试验等方法，综合评价页岩的物理力学性质[9-12]。岩土物理力学指标统计见表1。

其中m(X)是未知回归函数,ε是均值为0方差为σ2的误差项.设(x,y)是变量(X,Y)的某个具体取值,{(Xi,Yi),i=1,2,···,n}为样本数据.在多维情况下,式(1)可表示成如下形式:

表1 全风化页岩物理力学指标统计Tab.1 Statistical table of physical and mechanical indexes of fully weathered shale

4 滑坡形成原因和机理分析

斜坡变形的形成和发展往往是多种因素共同作用下的结果。斜坡自身条件(内因)和外部环境(外因)是决定其稳定性的主要因素，它们是相互联系，相互作用的[12]。其中，内因主要为包括地形地貌、地层岩性和岩土结构、水文地质条件等的地质环境，外因包括降雨、人类工程活动等[13-16]。在对斜坡变形诱发因素及变形机理进行研究时，必须对其变形的孕育条件进行分析。

(1)特殊的地质环境是孕育该段斜坡变形的内在因素。①斜坡地形。该段斜坡所处地貌区属峰丛谷地地貌，地形起伏较大，山体连绵起伏，相对高差较大，山峰上部基岩裸露，地形陡峭，上部呈锥状，植被发育。发生变形的斜坡坡度25°～40°，下部谷地平缓，坡度 5°～20°(图2)，平缓的自然坡度也表明斜坡的自稳能力较差，斜坡上有多处土坯房存在老裂缝，推测其可能为斜坡缓慢变形所致。 ②地质构造。斜坡体附近有3条规模较大的断层，其中韩家至高兴逆断层距离仅约150 m，受断层挤压作用，基岩岩体破碎，裂隙发育，风化厚度大，岩体整体强度低，稳定性差。同时，发育的裂隙有利于形成裂隙水含水带，导致岩体软化，抗剪强度降低，易形成软弱滑动带。 ③地层岩性及岩土体结构。斜坡表部覆盖层较厚，斜坡体主要由第四系残坡积黏土、崩积层和大塘阶全—强风化页岩组成，其中表部的黏土为膨胀土，具有中等膨胀性，在高温、高湿气候影响下，干湿频繁交替变化，长期的反复胀缩变形使土体开裂，结构发生破坏，强度显著降低，同时大气降水更易入渗。全、强风化页岩力学强度低，遇水易软化、崩解、泥化，其抗剪强度急剧下降，形成软弱带，易发育成滑动面。 ④水文地质。场地处于地下水径流段，受斜坡周边地形影响，斜坡地下水补给持续，地下水位埋深较浅，斜坡中上部村民水井水位现深约1.7 m。⑤斜坡演化历史。斜坡岩体风化厚度大，岩土体岩性复杂、层序混乱；斜坡中部揭露的石灰岩与周边地层岩性及产状均不连续，推测其可能为斜坡后部陡崖崩落后滑动移位所致；斜坡上部地表水排泄速度表明斜坡内孔隙大，岩土体结构松散。种种迹象显示，斜坡是由后部陡崖岩体崩落向前滑移演化而成的崩滑堆积体，原有的滑面形成了天然的弱面[17-18]。推测斜坡的成因如图3所示。

图2 滑坡区地形地貌及坡脚开挖揭露破碎—杂乱的岩体Fig.2 Topography and topography of landslide area and excavation of slope toe reveal broken and disorderly rock mass

图3 长弄屯斜坡演化历史示意Fig.3 Evolution history of Changnongtun Slope

(2)雨是斜坡变形的重要诱发因素。斜坡区地处桂中北部，属中亚热带季风气候，夏季高温、高湿、多雨。区内2020年温度及降雨量变化曲线如图4所示，区内夏季高温天气持续时间长，年平均温度逐年升高。同时，区内降雨量丰沛，近3年平均降雨量达1 602 mm，主要集中在5—9 月。

图4 研究区温度与降雨量变化曲线Fig.4 Variation curves of temperature and precipitation in the study area

施工记录显示，边坡于3—4月进行第3级开挖，开挖期间区内遭遇了近3年来春季最极端的降雨历程，累积降水量达232.4 mm，施工期间仅有5 d未降雨。4—5月进行边坡第2级开挖，5月16日前，区内降雨量较往年偏小，开挖过程中未见明显的边坡变形迹象。据当地村民反映，4月斜坡后缘开始出现微小裂缝。斜坡区迎来第1轮强降雨天气，累积降水量达527.3 mm，虽然此时边坡已停止了开挖，但强降雨导致斜坡裂缝数量进一步增加，裂缝宽度和深度不断加大。7月区内迎来3次强降雨过程，使多栋房屋产生较严重的开裂，地表裂缝宽度最大达4 cm，地面下沉5～10 cm。

通过在滑坡上布设平面以及深部位移监测点，选取平面位移监测点JK01、JK02、JK03、JK04及JK05与深部位移显著变化监测点ZK2、ZK3、ZK9及ZK11对边坡变形过程与降雨历程的关系进行分析。由图5可知，斜坡位移整体均呈现先陡增、后缓增的变形趋势，斜坡变形的陡增阶段出现在7月20日的一次强降雨后，但随后的斜坡变形随着降雨的进行，出现明显的滞后特点，可能与长期的降雨导致表层膨胀土基质域膨胀、孔隙闭合、雨水入渗速度降低等有关。

图5 平面位移监测变化曲线 Fig.5 Change curve of plane displacement monitoring

此外，由图6可见，斜坡体表面在降雨时隆起，雨停后沉降，其原因主要为降雨时地下水位升高对表层土体产生顶托作用导致地表隆起，雨停时地下水位下降对表层土体产生吸附作用引发沉降变形。

图6 沉降监测变化曲线 Fig.6 Change curve of settlement monitoring

对滑坡后缘房屋裂缝沉降变形进行了监测，房屋的下沉和裂缝的开裂值在9月11日极端强降雨后明显增加，随后进入缓增阶段，与累积降雨量变化趋势较为一致。裂缝在降雨作用下加速发展，后期变形与降雨具有很强的相关性[16-17]，如图7所示。

图7 斜坡后缘房屋下沉值及裂缝开裂与降雨量变化曲线Fig.7 Variation curves of house subsidence value,crack cracking and rainfall at the back edge of slope

上述分析表明，长弄屯斜坡的变形与区内极端降雨天气密切相关，是诱发斜坡变形的重要原因。

(3)斜坡前缘边坡开挖为斜坡提供了变形空间并进一步降低了阻滑力。斜坡前缘边坡的开挖，降低了前缘阻滑段的抗滑力，产生了新的临空面。同时，开挖改变了地下水的径流条件，加速了地下水的排泄，使斜坡体地下水位下降，水位下降使斜坡上部黏性土产生固结沉降，同时径流条件的改变也增加下滑方向的渗透压力[6-12]。

事实上，仅开挖引起的地下水位下降导致的土层沉降变形及渗透力不足以使斜坡产生较大的失稳变形。但当斜坡遭遇极端降雨时，沿开挖处泉眼流出的水流量难以充分将雨水排出，导致地下水位的进一步上升，降雨停止后，地下水位又快速下降。反复的地下水位升降使斜坡土体不断产生变形，最终在斜坡上产生较大的地表裂缝。斜坡地表裂缝形成后，大量雨水又将以优势流的方式进入坡体。该部分雨水在裂缝中快速聚集形成水柱，产生静水压力，从而进一步使斜坡的稳定性恶化。

5 滑坡稳定性分析评价

(1)自然斜坡稳定性。通过调查评价，场地表层黏土为膨胀土，下伏基岩存在遇水易软化的页岩，且受断层影响岩体破碎，地下水位高，斜坡高度大，长弄屯自然斜坡具备了发生滑坡的地质环境条件或已发生变形迹象。因此，长弄屯自然斜坡为不稳定斜坡。该斜坡上层为厚度13～16 m的黏土，下伏基岩主要为页岩，自然斜坡总高度超过50 m，综合判断该不稳定斜坡发生滑坡可能性大，处于欠稳定—不稳定状态[16]。

(2)滑坡沿土岩界面滑动的稳定性分析。由于场地地形坡度小，滑坡区土岩界面整体坡度平缓不利于坡体下滑，滑坡体中下部覆盖层为崩积物块石，崩积物堆积时规律性差，其界面平滑性较差不利于滑动，且其处于抗滑段，重度较大也不利于边坡下滑。从这次钻孔深层位移监测来看，覆盖层位置未见有明显位移突变情况，说明滑坡沿土岩界面滑动可能性小。

(3)滑坡定性分析。从地貌和地质钻探、调查综合分析，滑坡区处于低山丘陵地貌中缓坡地段，滑坡体岩土体主要为黏土、全风化页岩和强风化页岩，黏土呈可—硬塑状，具有中等膨胀性。干湿频繁交替变化时，土体多次往复胀缩变形，抗剪强度显著降低，全风化页岩和强风化页岩遇水易软化，易发育成滑动面，高速公路开挖已形成近20 m高边坡，坡度较陡。根据裂缝观测(后缘)、深层位移监测(滑面)和开挖边坡位移监测(前缘部位)均持续变形，滑动面基本贯通，滑坡现状处于缓慢滑动变形阶段。随着变形发展，滑动面逐渐发生完全贯通后，滑坡将快速变形整体滑动，若不尽快进行治理，滑坡范围必然扩大。边坡在外业勘查期间遇持续降雨情况下，边坡后缘裂缝持续扩大。因此，滑坡整体处于不稳定状态[19]。

(4)滑坡定量分析评价。由于滑坡处于缓慢滑动变形阶段，滑坡两侧周界不明显，滑动面位置根据滑坡后缘裂缝、深层位移监测情况和开挖边坡坡脚确定主滑面处于全—强风化页岩中，滑动面整体呈折线型滑动破坏，对滑坡进行稳定性计算分析，各剖面稳定性计算结果见表2。

表2 各剖面稳定性计算结果Tab.2 Stability calculation results of each section

从表2可以看出，主剖面2-2′在饱和情况下均为不稳定状态，天然状态为欠稳定，1-1′剖面在天然和饱和状态均处于基本稳定状态，2-2′剖面在天然和饱和状态下均处于欠稳定状态。从剖面计算稳定性结果看，基本符合滑坡现状，滑坡后缘、滑面、前缘均持续缓慢滑动状态，滑坡在强降雨天气冲刷下及雨水的入渗作用导致土体抗剪强度降低，自重增加，导致其稳定性变差，滑动面完全贯穿，滑坡加剧进入快速整体滑动阶段，危害村民生命财产安全和高速公路施工和运营[20]。所以，有必要对滑坡采取相应的支挡防护措施进行治理。