工程和环境联合作用下不稳定斜坡破坏机制探讨

罗世毅，黄黎明，唐修益

(1.广西交科集团有限公司， 广西 南宁 530007；2.广西新柳南高速公路有限公司， 广西 南宁 530029)

在内外动力地质作用下，自然界形成了很多类型和规模的斜坡地形，这些斜坡在自然条件下处于不同稳定状态[1-6]。随着工程建设的进行，会造成斜坡初始地形的改变和周边环境的改变，不同程度扰动其原有稳定状态[7-9]。因此，急需开展工程和环境因素联合作用下不稳定斜坡灾变机制研究，实现防灾减灾目标[10-11]。

不稳定斜坡相对于滑坡，前者没有明确的滑面，后者存在历史滑面[12]；前者处于稳定-欠稳定状态，后者历史上失稳过；前者计算参数介于峰值强度和残余强度之间，后者往往建议采用残余强度[13-15]。对于不稳定斜坡的研究集中在以下几方面：(1)工程和环境联合作用下岩土体强度参数劣化机制；(2)工程和环境联合作用下斜坡变形破坏机制和潜在滑面演化机制；(3)不稳定斜坡稳定性评价方法；(4)不稳定斜坡安全控制技术[16-22]。

依托柳州经合山至南宁高速公路长弄屯不稳定斜坡，采用工程地质定性分析和稳定性量化评价相结合的方法，结合多期次地面调查和安全监测，综合评估长弄屯不稳定斜坡的稳定性演化规律，揭示斜坡变形破坏机制，提出综合安全处置措施，为该区类似工程提供地区经验。

1 工程概况

1.1 项目建设情况

柳州经合山至南宁高速公路K10+340—K10+580右侧路堑位于柳州市柳南区洛满镇高兴村长弄屯东南侧，采用整体式路基以路堑的方式从斜坡前缘穿过，路基设计高程在235.05 m～236.20 m之间，路基宽度为26.5 m，中线最大挖深约21.38 m，右侧路堑边坡最大开挖高度为24.25 m，坡顶开挖线距长弄屯民房最近距离约25 m，最远约255 m。原设计为三级坡开挖，采用锚杆+格梁以及抗滑桩进行防护。2020年3月15日开始施工，边坡开挖至第二级，K10+340—K10+400段路基中部开挖至标高238 m，尚未完成防护，斜坡后部民房及地表出现裂缝，马上停止施工，边坡现状如图1所示。

1.2 工程地质条件及计算参数

该不稳定斜坡属峰丛谷地地貌，地形起伏较大，山体连绵起伏，上部基岩裸露，地形陡峭，呈锥状，植被发育，坡度25°～40°，谷地平缓，坡度5°～20°，覆盖层较厚，沟谷北东走向，在建高速公路沿沟谷西北侧山坡展布，场地最低点位于东侧冲沟沟底，高程约223.50 m；最高点位于村庄后山坡坡顶，高程约313.90 m；附近最高山峰为西北侧的四间山，山顶高程为574.50 m。坡体中上部坡面分布多处土坯和砖混民房，平缓和低洼地段旱地和水田，平面和剖面见图2。

图1 长弄屯不稳定斜坡现状图

根据钻探揭露，斜坡地层由上至下依次为黏土、块石等覆盖层，全强风化页岩和砂岩。根据勘察设计资料，各地层岩土体的物理力学性质指标建议值统计列于表1。

表1 不稳定斜坡计算参数统计表

根据《中国地震动参数区划图》[23](GB 18306—2015)划分，本区属Ⅵ度，可不考虑地震对坡体稳定性的影响。

2 不稳定斜坡变形破坏机制分析

2.1 工程地质定性分析

根据现场调查，2020年3月开始施工，三级和二级边坡开挖高度不超过15 m，4月份在距开挖线约250 m以外的后缘首先出现裂缝，基于工程地质层次分析的不稳定斜坡失稳机制定性判断如下：

(1) 构造大尺度因素，滑坡体附近有三条规模较大的断层，其中韩家至高兴逆断层(F1)距离仅约150 m，受断层挤压作用，坡体岩体破碎，裂隙发育，风化厚度大，易形成基岩裂隙水带，导致岩体软化，抗剪强度降低，造成坡体往复变形运动。

图2 不稳定斜坡正射投影及主剖面图

(2) 岩性和地层结构因素，黏土①为膨胀土，具有中等膨胀性，在气候影响下，干湿频繁交替变化，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。全风化页岩和强风化页岩力学强度较低，遇水易软化、崩解，其抗剪强度急剧降低，形成软弱面，产生滑移。土岩界面易形成集水条件，切穿后容易形成土岩界面滑移。这些要素在岩芯照片中清晰可见，多期次运动部位有局部泥化现象[24-25]。

(3) 水文地质因素，工程区雨季集中在4月—9月份；67 户330余人的村庄无统一排水系统，生活渗漏持续不断的入渗，造成土岩界面土体持续劣化；周边较高山峰地下水持续补给，场地处于地下水径流段，坡体内地下水埋深较浅，公路边坡开挖形成明排，造成地下水位下降，引起覆盖层固结变形，造成不稳定斜坡沿土岩界面产生长距离蠕滑变形[24-25]。

(4) 工程因素，土岩界面切穿，造成原有补径排关系破坏，不利面暴露；坡体前缘阻滑段卸载，没有及时补偿该部分力，造成局部力平衡的破坏；前部形成临空，为变形发展提供了空间。

综上，该不稳定斜坡在历史上持续蠕动变形，工程建设加剧了这一进程，上述证据也证明了这一点，详见图3。

2.2 基于数值计算的稳定性量化分析

利用Geo-Studio软件进行考虑降雨和开挖对坡体稳定性影响的耦合计算，根据实际降雨资料，在Seep模块下计算得到渗流场，作为初始条件调入Slope模块计算得到不同开挖坡体的稳定性系数，以1-1′剖面为例进行坡体稳定状态演化机制分析，见图4。

图4 降雨对不稳定斜坡稳定性影响图

根据实际降雨资料，结合不同开挖阶段，计算得到了耦合条件下的斜坡稳定性，由图4(a)—图4(e)可以看出，初始地形斜坡稳定性系数1.071，坡体基本稳定；三级坡开挖，斜坡稳定性系数1.065，坡体基本稳定；二级坡开挖，斜坡稳定性系数1.058，坡体基本稳定；一级坡开挖，斜坡稳定性系数1.049，坡体欠稳定，所以工程扰动只是造成坡体稳定性劣化，没有造成斜坡失稳。持续降雨作用下，在6月14日坡体稳定性系数接近1.000，这也是进入6月之后出现变形加速的原因，所以雨季以来的持续超同期降雨是造成长弄屯不稳定斜坡变形失稳的主要因素。

2.3 监测数据揭示的变形量与气象的关系

2.3.1 高温多雨与变形的关系

气象资料显示2020年1月至9月底该区累积降雨量已达1 814.3 mm，远超2017年、2018年、2019年同期累积降雨量。边坡于3月15日至4月5日进行第三级坡开挖，开挖期间区内遭遇了近三年来春季最极端的降雨历程，累积降雨量达232.4 mm(前三年分别为192.3 mm、45.9 mm、153.1 mm)，施工期间仅有5 d未降雨。据当地村民反映，4月份斜坡后缘开始出现微小裂缝。4月5日至5月25日进行二级坡开挖；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。5月16日至6月26日，斜坡区迎来第一轮强降雨天气，累积降雨量达527.3 mm(前三年分别为265.7 mm、159.6 mm、239.5 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增加，裂缝宽度和深度不断加大。7月份区内迎来三次强降雨过程，使多栋房屋产生较严重的开裂，地表裂缝宽度最大达4 cm，地面下沉约5 cm～10 cm。

由图5位移-降雨曲线可知，斜坡位移整体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膨胀，孔隙闭合，雨水入渗速度降低有关。

由裂缝位移-时间曲线可知，8月31日开始对后缘蓝炳庆家房屋裂缝沉降变形进行了监测，曲线揭示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，见图6。

综上，由于缺少前期相关监测资料，开挖和变形的相关性难以准确进行分析，但从后期监测结果来看，自5月25日停止开挖后，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。

图5 降雨与变形量关系曲线

图6 监测和调查确定的变形范围

2.3.2 测斜孔揭示的变形深度和范围

坡体出现裂缝后，结合勘探孔共布设了7个深层水平位移监测孔，监测孔平面布设位置和合成矢量如图7所示。16号孔很快变形超界不能续测。

由图7可知，两侧变形趋小变浅，主滑厚度约20 m～30 m，变形体左右宽约280 m，纵向长约270 m，面积约60 000 m2，变形平均深度约20 m，变形体体积约120×104m3，主轴变形方向约150°。

2.4 灾变机制总结

经过上述定性和定量分析，结合调查和监测资料，认为长弄屯不稳定斜坡灾变机制如下：

(1) 斜坡成因及软弱面的存在是长弄屯不稳定斜坡灾变的物质基础，该段斜坡是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。斜坡内岩体风化厚度大，岩土体岩性复杂、层序混乱，下伏的页岩力学强度低，遇水易软化崩解、泥化，斜坡体内岩体结构松散，孔隙大，斜坡上土坯房存在的老裂缝表明斜坡处于持续缓慢蠕滑状态。

(2) 降雨是诱发斜坡稳定性劣化的外部因素，一方面增加了重度，造成下滑力增加，同时软化、湿化效应造成岩土体力学性质劣化，阻滑性能下降。表层中等膨胀性黏土，干湿作用下极易产生胀缩裂隙，为雨水下渗提供优势通道。这些均是降雨造成的不利影响，是坡体稳定状态急剧劣化的主要因素。

(3) 汇水条件，斜坡区地形平缓，地表径流弱，雨水大多渗入坡体，不能及时排泄，导致坡体地下水位快速上升，沿坡面倾向方向的地下水渗透力不仅增大了下滑力，还会在相对隔水层附近产生超静孔隙水压力，加剧边坡变形。本段斜坡由于地下水埋深浅，在开挖至高程250 m左右时地下水出露；在245 m附近，地下水流量明显增加，在坡脚形成积水，地下水径流条件的改变也对斜坡稳定性产生一定的影响。

(4) 前部卸载，斜坡前缘边坡的开挖，一方面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(位于斜坡后部水井原水位深约30 cm，现在水位深约1.70 m)，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。

因此，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，使斜坡的稳定性恶化。

综上所述，长弄屯不稳定斜坡为典型的推移式变形体，特殊的地质结构及演化历史是孕育斜坡变形的内在条件，在降雨和工程开挖耦合作用下，诱发原本不稳定的斜坡产生了推移式蠕滑变形。

3 加固设计和后续处置建议

3.1 加固设计所需参数

根据表1参数，利用理正岩土软件，计算得到了不同开挖条件下的坡体稳定性系数和剩余推力，统计列于表2，可用于后续加固设计。

表2 不稳定斜坡加固设计参数统计表

由表2可知，横坡方向，由3-3′剖面到1-1′剖面稳定性逐步提高，中部稳定性最低是软弱地层和滑体厚度造成的；余推力是中部最大，3-3′剖面位置次之，1-1′剖面位置最低，与稳定性正好相反。依据边坡的余推力需要采用抗滑桩方案，开挖完成则下滑力过大，一排抗滑桩不够，局部需要两排抗滑桩。2-2′剖面自然工况余推力大于降雨工况是安全标准不同造成的，设计时以大值为准。

3.2 工程处置建议

目前长弄屯不稳定斜坡后缘裂缝发育，周界清晰，两侧变形迹象不明显，呈典型的降雨主导工程诱发的推移式滑动模式，目前处于蠕滑阶段。

由于中部滑体厚度最大约30.5 m，说明下部的页岩层已经发生扰动，可以适当在滑坡中后部削坡减载；坡角设置抗滑桩，桩底进入中风化稳定地层3倍～5倍桩径为宜。其下部坡面采取常规锚杆框格梁加固措施。

后续治理应重视地表水与地下水的引排，可以考虑地表截排，深部设置排水廊道、集水井或者仰斜疏排，有效降低坡体地下水位，同时可有效提高滑带土的强度，如采取该措施可以考虑滑带土内摩擦角提高1°～2°。

4 结 论

通过追踪长弄屯不稳定斜坡的成因，结合多期次地面调查、监测、定性和定量分析，综合论证了长弄屯不稳定斜坡的灾变机制，所得结论如下：

(1) 长弄屯不稳定斜坡由后部陡崖岩体崩落向前滑移演化而成的崩滑堆积体，坡体内形成集水软弱层+土岩界面+全强风化砂页岩等易滑结构。

(2) 表层膨胀土体的干缩裂隙造成雨水入渗条件，下伏易崩解、易扰动等水理性差岩体，是其长期蠕滑的物质基础；雨季长时间强降雨是其加速滑移的外部环境因素，坡体水位较高，前部容易汇流是破坏的根本原因。工程开挖只是诱发启动因素。

(3) 开挖和降雨联合作用下，初始地形斜坡稳定性系数1.071，三级坡开挖造成斜坡稳定性系数最小到1.049，降雨持续到6月14日坡体处于临界状态。因此，开挖只会劣化坡体稳定状态，是诱发因素；降雨入渗造成地下水位过高，来不及在临空面疏排，形成超孔压，才是坡体加剧蠕滑趋于临界的主导因素。

(4) 现状坡体剩余推力994.6 kN/m～2 541.3 kN/m，全部开挖到位则剩余推力最大4 421.7 kN/m。综合处置可考虑在中上部水位浅的部位设置截水槽、集水井降低坡体内地下水位，下部坡面出渗位置设置仰斜排水孔和盲沟疏排，坡面设置截排水沟；滑体厚度14 m～31 m，可以考虑中后部滑体厚度较大位置适当减载，下部坡面采取常规锚杆框格梁加固，坡脚采取抗滑桩支挡。