十巫高速路基滑坡成因分析及处治措施

2022-10-20刘新权刘小清

建材世界 2022年5期

刘新权，付军，张澳，刘小清

(1.湖北省交通规划设计院股份有限公司，武汉 430051；2.武汉理工大学，武汉 430063；3.湖北交投十巫(淅)高速公路有限公司,十堰 442000)

滑坡是一种比较常见的地质灾害，往往会导致厂矿被摧毁、河流堵塞、影响公路的正常运输等，并会伴随有重大的人员伤亡和财产损失，对山区建设和交通设施危害很大。同时，由于滑坡产生的影响因素较多，滑坡的诱发机理也比较复杂，这导致对滑坡的预防和治理存在着一定的困难。陈祖煜[1]、张倬元[2]、王恭先[3,4]等通过综合大量工程项目实际范例对边坡稳定性影响因素进行系统性的归纳总结。合理有效地治理滑坡具有重大意义，滑坡防治工程研究也日益成为国内外工程研究中的热点之一[5]。

论文结合湖北省某高速路段边坡开挖产生的滑坡治理工程实例，从地质状况、坡面开挖、边坡位移监测等方面，结合稳定性分析计算，综合研究该滑坡形成的影响因素及变形破坏机制，并针对该边坡提出合理处治措施，为同地区的边坡治理工程提供参考。

1 工程概况

1.1 滑坡区地质条件

湖北省某高速边坡开挖路段K51+278～K51+560段位于十堰市竹山县溢水镇何家湾村。该段深切挖方边坡全长282 m，路线走向为228°，属构造剥蚀低山地貌区，路线顺切山体斜坡中部，附近高差约242 m，斜坡下陡上缓，自然斜坡坡度为10°～40°，路线经过地段地面标高500～530 m。路段右侧为5级路堑高边坡，最大边坡高度为40.79 m，最大中心挖深为26.1 m，典型断面桩号YK51+421。

K51+291～K51+547段路基段属构造剥蚀低山地貌区，路线顺切山体斜坡中部，斜坡下陡上缓，自然斜坡坡度为10°～40°，大地构造单元上位于南秦岭冒地槽褶皱带之武当山复背斜内，结构面产状较紊乱，千枚理为最发育结构面，大致产状50°∠45°；实测发育两组节理，产状100°∠65°、300°∠70°。路基段钻孔揭露地层为第四系全新统残坡积碎石，下伏寒武系中下统绢云石英千枚岩。

1.2 工程水文气象条件

区域内未发现特殊性岩土发育，存在地下水，第四系松散层孔隙水和基岩裂隙水占大部分。大气降水为主要的补给方式，水量随季节变化较大，一般较贫乏。

2 滑坡状况

2018年5月K51+421～K51+505段含碳千枚岩夹层经卸载刷坡后基本处于稳定状态，后期发未生垮塌病害，同年10月先后出现了后缘和中部裂缝，第三级边坡锚杆防护出现裂缝，路基开挖至第一、二级边坡时，裂缝宽度、范围逐步扩大，强风化绢云母石英千枚岩层被推动翘起，最后在路线中线部位出现翘起型推移开裂，翘起高度约1 m，长度约20 m。现场测量结果表明，最远处后缘裂缝距主线约175 m，垮塌范围沿路线方向约130～140 m，滑坡面积约20 000 m2，属中型滑坡，开裂平面分布图如图1所示。

3 滑动面确定与成因分析

3.1 地表与深层变形监测情况

中科院武汉岩土力学研究所对K51+278～K51+560段边坡开展了地表位移监测，地表监测单位先期在边坡台阶处布设监测点17处(01～17号监测点)，形成监测断面5个，后期分批在下部边坡碎落台、各级平台处补充和加密监测点，同时对垮塌破坏的监测点进行恢复，最后监测点总计31处，形成有效监测断面6个，对原有路堑边坡形成全覆盖并形成有效深层监测。

3.2 滑坡面的确定

现场裂缝状况表明后缘裂缝出现在K51+440处，距离路基中线175 m，路基中线翘起前缘段为K51+430～K51+450处，故选取K51+440作为滑坡验算的典型断面。滑坡设计中选取累计变形量最大和核心区域监测断面4和监测断面5，对X、Y向的累计位移量进行合成，并根据监测点的原始布点坐标进行图示；如图2所示。裂缝基本在主线右侧呈弧状规则分布并基本判定滑坡主方向为垂直于主线方向，可取路基的横断面作为计算断面。对LC01、LC02、LC03三处深层位移的累计水平位移进行分析：LC01测斜孔的位移突变点在17.0 m深度附近，LC02测斜孔的位移突变点在21.0 m深度附近，LC03测斜孔的位移突变点在8.0 m深度附近。根据深层位移监测结果，结合原设计钻孔及测斜孔的地质资料形成的K51+440处典型地质断面图，研究判定滑动面位置，如图3所示。

3.3 成因分析

根据滑动面分析结果，结合地质勘察资料，分析认为引起边坡滑动、垮塌的原因如下：

1)坡顶第四纪碎石覆盖层较厚，自身抗剪强度较低，自然状态下上部覆盖层的稳定性较差，应属潜在滑坡区域或者不稳定斜坡；路基边坡开挖后，特别是前期含碳千枚岩夹层被清除后，滑坡阻力减小，形成了碎石层的滑动，牵引碎石覆盖层整体下滑，导致后缘开裂和前缘三级边坡框架锚杆推挤破坏。

2)下部强风化绢云母石英千枚岩的自身强度较低，仅8～10 MPa，且存在顺层结构面发育，倾角45°，一般状况应较稳定，但是由于岩体风化严重，岩芯呈碎块状，结构面发育不规则，外力策动下存在隐患。

3)边坡开挖后，滑动面A的底部阻滑段受边坡开挖和含碳千枚岩夹层卸载作用牵引滑动，成为了滑动面B的主滑动段，当上部碎石覆盖层沿滑动面A滑动后，对下部强风化绢云母石英千枚岩层形成作用力，导致强风化层沿底部地质边界形成深层滑动，形成坡顶中部大裂缝和路基中线处的推移翘起；由于强风化层沿滑动面B滑移，上部碎石覆盖层形成进一步扰动，自身抗剪强度降低，导致滑动面A的阻滑段抗滑能力降低，上部碎石覆盖层滑动加剧，进而反复作用，形成复合型推挤滑坡。

4)施工扰动、降雨引起的地面径流、岩体强度降低等因素加剧了滑坡病害。

4 稳定性分析与计算

合理的稳定性分析可以确定边坡的安全系数并发挥至关重要的作用。在确定的滑动面基础上，根据《岩土工程勘察规范》[6]采用剩余下滑力法公式进行计算。

(1)

Ri=Nitanφi+ciLi

(2)

Ti=Wisinθi

(3)

Ni=Wicosθi

(4)

式中，Fs为滑坡稳定性系数；ψj为传递系数；Ri为第i滑块滑体的抗滑力；Ti为第i滑块滑体的下滑力；Ni为第i滑块滑体在滑面法线上的反力；ci为第i滑块滑面上土体的粘聚力；φi为第i滑块滑面(滑带土)的内摩擦角；Li为第i滑块滑面长度；Wi为第i滑自重与地面建筑荷载之和；γ为滑面以上土体的天然重度。

4.1 滑坡面力学参数选取

通过式(1)～式(4)反算滑动面A和滑动面B的抗剪强度力学指标，由近期地表监测观测结果表明，变形较11月初有显著下降，整体上边坡处于暂时稳定状态。鉴于边坡目前的整体暂时稳定状态，设计计算中取稳定系数为1.05进行滑坡参数的反算。依据工程地质勘查资料对滑坡体进行参数取值，并应分区计算滑坡剩余下滑力，以稳定系数1.05反算各滑动面内摩擦角参数φ值。计算结果如表1所示。

表1 滑动面力学参数计算

4.2 Midas GTS数值模拟

为核查验算结果的合理性，使用数值模拟分析软件如Midas GTS软件对K51+440典型边坡进行数值模拟分析。边坡整体变形的计算云图形状整体上与滑动面A和滑动面B形成的滑动区域基本相似，SRM强度折减法计算安全系数FOS为1.021 9，与设计假定的稳定系数1.05基本相符，认为对滑动面的判定和力学参数的反算结果整体上合理和准确。通过以上稳定性计算分析，可认定该滑动面稳定性不满足此条高速公路的安全系数[7]K=1.30的基本要求，必须对该滑坡段进行合理处治。

5 滑坡处治方案设计

滑坡实质上是边坡坡体渐进、动态破坏的过程，且滑坡治理工程是一项复杂的系统工程[3,4]。在减载设计的基础上，以防排水措施与抗滑支挡相结合进行综合治理，采取下部抗滑挡土墙支挡+上部卸载的技术方案，边坡支护方案侧面图如图4所示。

1)对上部碎石覆盖层进行卸载，从第三级边坡平台开始，采用台阶式边坡设计。边坡分级高度为8 m，边坡坡率1∶(1.50～2.00)，对上部平台进行加宽处理，平台设置4%的坡度以便于排水。经卸载后对滑动面A进行稳定性分析，经验算，卸载后滑动面A的稳定系数在1.3，满足规范要求，整体稳定。

2)在上部卸载的基础上，采用剩余下滑力法计算滑动面B的剩余下滑力。根据规范要求，稳定性系数取1.30，计算求得剩余下滑力388.9 kN/m，下滑角度7.5°。

3)根据求取的剩余下滑力，设计下部抗滑挡土墙。根据滑动面B的位置，取抗滑挡墙埋深4 m，顶宽2.0 m，墙面坡率1∶0.50，墙背坡率1∶2.0，其抗滑、抗倾覆稳定系数均在1.30以上，满足规范要求。

4)滑动面B从路基中线处推挤剪出，形成强风化千枚岩层翘起开裂，开裂高度近1 m，考虑挡墙底部滑动裂缝的不确定性、岩石层结构面的相互扰动作用，在抗滑挡土墙底部设置微型抗滑桩基础加固措施，微型桩采用Φ300微型钢轨桩形式，钻孔深度11 m，钢轨长12.5 m、顶部1.5 m，深入抗滑挡土墙底部，形成整体结构，桩体采用正三角型布置，桩矩2.0 m。

5)设置边坡综合排水系统。在坡顶进行截水措施，阻止雨水渗透；布置平台排水沟于各级平台，收集边坡汇水，防止雨水浸润边坡土体，减少坡面汇水对边坡稳定性的影响；在原有第二级边坡坡体排水的基础上，在第3～6级边坡增设边坡坡体排水，排除边坡内部积水，调整边坡土体的干湿状态，增强土体力学性能。