冻土区边坡热融滑塌的稳定性评价与治理

2023-10-09王瑜鑫蔡德钩闫宏业张俊德

铁道建筑 2023年8期

王瑜鑫蔡德钩闫宏业张俊德

1.中国铁道科学研究院研究生部，北京 100081； 2.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；3.中铁西北科学研究院有限公司，兰州 730030

随着人类工程活动对冻土区的影响不断加剧，导致了冻土稳定性的降低及热融滑塌的发生频率逐渐提升。热融滑塌是指斜坡冰层受环境温度变化影响发生融化，致使表面及滑动面上土层的强度指标下降，导致斜坡发生滑塌的一种地质灾害现象。

我国热融边坡滑塌灾害主要发生在东北高寒区等地区，学者们基于现场调查、理论分析、室内实验等方法，取得了一定的研究成果。彭惠等［1］通过青藏线调查数据，将热融滑坡分为坍塌沉陷式和牵引滑动式两类，对防治措施提出了针对性的建议。罗京等［2］提出在全球变暖的影响下热融滑塌发育现象较为普遍，并对工程、环境造成了一定程度的破坏。牛富俊等［3］以两处热融滑塌为例，分析了其病害原因及破坏特征，并对此类灾变的预防治理措施提出了针对性的意见。马立峰等［4］通过对热融滑坡的破坏运动过程及地温变化进行分析，发现每年7月—9月是该类灾害的易发时期。靳德武等［5-7］对热融型滑坡开展了大量研究：对青藏线热融滑坡进行了长达1 年的监测，通过监测结果对热融滑坡的变形特征有了较为充分的认识；对热融滑坡的机理进行分析，得出质点迁移效应和滞水润滑效应是导致滑塌的主要原因；对冻土斜坡变形特征分析发现其位移主要发生在浅部。

现有对热融滑坡的变形特征、破坏机理、稳定性分析等的研究中结合现场实例对热融滑塌稳定性评价的研究尚不多见。本文依托青海省道312线玛多至色吾沟公路K315 段热融滑塌病害，结合现场勘察及室内试验结果，对比滑坡的稳定性计算方法的准确性，并从实际角度出发提出可实施的工程措施。

1 工程概况

省道312线玛多至色吾沟公路是连接青海省果洛州及玉树州的重要公路之一，公路所处区域平均海拔4 300 m 以上。随着公路基础工程的施工扰动及其他致灾因素的叠加，公路K315 + 480 —K315 + 720段边坡及路肩墙、保温挡墙出现变形现象。

1.1 地形地貌

滑塌所处位置为山麓斜坡堆积地貌，山麓斜坡堆积地貌与色吾曲河Ⅱ级阶地呈缓坡接触。斜坡地形总体上呈南西高、北东低的特点，自然斜坡坡度约10° ～ 20°，山顶高程约4 392 m，坡底高程约4 323 m，高差约70 m。滑坡体位于色吾曲河南岸的斜坡上，滑坡地貌基本保持完整，其前缘、中后部均较平缓，滑塌体范围内高程4 356 ～ 4 323 m，高差约33 m。滑体坡面植被较不发育，固坡能力差。

1.2 地质条件

1.2.1 地层岩性

该地区工程地质条件复杂，根据工程地质调绘及钻孔内揭露情况，地层情况如图1所示。

图1 地质断面

1）第四系全新统填筑土、草甸土

①填筑土：杂色，稍湿，稍密，主要成分为砂、砾石，为路基填土，钻孔揭露厚度为0.8 ～ 4.2 m。②草甸土：深褐色，稍湿～湿，松散，主要成分为粉土，植物根系较发育厚度为0.1 ～ 0.3 m。

2）第四系热融滑塌堆积体

①含角砾粉土：灰黑色，稍湿～湿，稍密。主要成分为粉粒，钻孔揭露厚度为0.4 ～ 2.6 m。②粉土：黄褐色，稍湿～湿，稍密，主要成分为粉粒，次为黏粒，钻孔揭露厚度为0.1 ～ 0.5 m。

3）第四系坡洪积、冲洪积

①含粉土角砾：灰黑色，稍密。母岩成分为页岩，粉黏粒占全重的19.4% ～ 21.6%，钻孔揭露厚度为0.5 ～6.6 m。②圆砾：杂色，稍密。其成分砾石粒占全重50% ～ 60%，卵石粒占全重的10%～15%，滑坡体前缘钻孔有揭露，揭露厚度为1.8 ～ 6.6 m。③细砂：黄褐色～灰褐色，稍密，主要成分为细砂粒，揭露厚度为0.2 ～4.4 m。

4）三叠系风化页岩

①强风化页岩：灰黑色，泥质结构，页片或薄片状构造，斜坡处均有分布，揭露厚度为3.6 ～ 16.0 m。②中风化页岩：灰黑色，泥质结构，页片或薄片状构造，岩石质量指标为15% ～ 35%。斜坡处均有分布，本次勘察未揭穿，揭露厚度为1.20 ～ 11.30 m。

1.2.2 地质构造

勘察区未发现对线路有影响的活动性断裂带通过，区域稳定性较好。

1.3 气象水文条件

1.3.1 气象条件

曲麻莱县地处青海省西南部，平均海拔超过4 500 m 主要气象要素见表1。此处季节性冻深约2.04 ～ 2.77 m。

表1 主要气象要素特征值

1.3.2 水文

工程所属区位于多年冻土区及季节性冻土区过渡带，同时存在岛状多年冻土分布，地质条件复杂，地表水季节性波动大。结合坡体前缘的季节性流水及降雨特征分析，该地区主要存在第四系松散岩类孔隙水、基岩区孔隙裂隙水两种地下水的基本类型。第四系松散岩类孔隙水分布于该段滑坡体前缘色吾曲河Ⅱ级阶地及河漫滩。根据钻探结果，滑塌体前缘钻孔有稳定的地下水位，水位埋藏深度0.3 ～ 1.8 m，水位标高4 322.61 ～ 4 322.79 m。基岩区裂隙水主要存在于三叠系强风化页岩中，主要为夏季大气降水和冰雪融水的入渗补给。基岩区裂隙水在本段滑坡体范围未出现明显的渗水现象，未见泉眼出露及水草沼泽地。地下水的化学成分复杂，水质较好，矿化度低。

2 热融滑塌形态及成因分析

2.1 空间形态及破坏特征

该边坡热融滑塌位于玛色公路K315 + 480 —K315 +720 天然斜坡上，自然坡度约15°，滑塌范围纵向长约120 m，宽240 m。夏季热融滑塌速率增大，后缘裂缝明显，宽度约10 cm，同时滑塌体前缘因滑动土体不断向前推动挤压成隆起状。滑塌地貌基本保持完整，斜坡地表有蠕动、滑动痕迹，地表沿周界有裂缝发育，平面呈簸箕状，滑体坡面植被不发育情况差，固坡能力差。滑塌体变形特征如图2所示。

图2 滑坡变形特征（夏季）

根据钻探揭示滑体堆积物，结合地面调查分析及多年冻土上限、季节性冻土冻深综合分析，该处滑塌一般埋深1.2 ～ 3.0 m，属浅层热融滑塌。工程建设后，该段斜坡出现多处裂缝，路肩挡墙外移约3 cm，下沉约5 cm。变形情况如图3所示。

图3 路肩墙变形特征（冬季）

2.2 成因分析

大部分的热融滑塌主要诱发因素为人类工程活动、水热侵蚀、冻土活动层滑脱［2］。结合本文热融滑塌的特征，灾害诱发基本过程为：

1）随着气候暖湿化引发的极端高温及降雨增多，斜坡的冻土上限在气温及水热侵蚀的双重作用下逐渐退化。

2）修建公路对该处斜坡的开挖引发开挖面小规模坍塌，暖季坍塌面上尚未融化的冰层暴露并迅速融化。

3）上部已发生融化的土体失去坍塌面的支撑并开始下滑。

4）暖季坡面有暂时性面流，由于坡体顶部地形较缓，坡度在15°，雨季易汇集水，且上覆草甸土、粉土、含角砾粉土厚度较薄且易渗透同时随着土体滑动，原坡体表面积水快速下渗，下渗过程中遇到冻土上限冰层阻碍，水将沿冻土上限流动，产生了“滞水润滑效应”［6］。

5）下渗水及融化产生的水一方面使滑体含水率增高、重度加大；另一方面使土体的强度指标下降，加速了斜坡的热融滑塌。

3 稳定性评价

在边坡病害治理中，首先需要准确判定坡体的稳定状态，进而选取适宜的治理方案。稳定性评价一般包括结合现场变形特征的定性评价与通过理论计算的定量评价。

3.1 定性评价

该处热融滑塌所处位置的季冻层经反复冻胀与热融发生软化，在重力作用下沿坡向蠕滑变形。斜坡自然坡度较缓，坡角10° ～ 20°，在雨季及冰雪消融季节的活动性较强，表层软土层沿坡向蠕动发展较快，斜坡经过一定时期的蠕动后，滑带土强度进一步降低，造成持续蠕动，在表层形成大量裂缝，如局部遇阻，便形成台阶状鼓丘。钻探资料显示该地段下伏基岩分布稳定且连续，无软弱下卧层。目前正处在蠕滑变形阶段，处于不稳定状态。

3.2 指标反算

准确定量评价滑坡的稳定系数需要建立在合理的岩土体参数取值之上。由于土体天然重度与饱和重度相差不大，室内试验测定土体抗剪强度指标采用不排水剪切试验模拟，尽可能使原位土体中孔隙水压力特性同室内实验条件类似。结合室内试验及滑坡目前变形特征综合分析，反算滑坡稳定系数取0.95，岩土体强度指标取值见表2。表中数值表示天然状态，括号内数值为饱和状态。

表2 岩土参数取值

3.3 稳定性评价

在对斜坡的稳定性评价中，目前以GB 50021—2001《岩土工程勘察规范》中稳定系数的计算公式为主要方法，该方法对斜坡的稳定性评价依赖于准确的岩土体强度实验参数及滑动面的准确位置。为准确分析斜坡的稳定状态，本文参考文献［8］中对热融滑塌的稳定性评价方法和规范方法进行对比，验证结果的准确性。

3.3.1 规范评价结果

GB 50021—2001 以抗滑力同下滑力的比值来分析计算滑坡的稳定性，该方法使用较为成熟。规范中对边坡稳定性的计算，分为自然工况、暴雨工况、地震暴雨叠加工况。热融滑塌斜坡的岩土体强度参数随着冻融状态发生变化，对应的稳定性系数也在变化。以冻土上限滑体厚度最大处为计算断面且滑体均处于饱和状态进行计算分析，结果见表3。

表3 稳定性评价结果

一般而言，滑坡的滑动面位置较为固定，而热融滑塌斜坡的滑动面是随冻融边界发生不断变化的。随着冻融边界的动态变化，利用规范进行计算需要重新确定滑面位置并以条分法分割滑体，步骤较为繁琐。若根据地温监测规律确定融化深度随时间变化的过程，仅以融化深度为变量计算分析热融滑塌的稳定性则较为简便。

3.3.2 基于超孔隙水压力的评价结果

根据文献［8］结论，目前国内外学者针对冻土斜坡的计算评价方法主要有5 种，文献［9］对这5 种计算方法进行分析发现只有两种方法较符合现场实际，主要参数易于获取，分别采用5 种计算方法计算同一冻土斜坡的稳定性，只有式（1）的计算结果契合现场实际。式（1）基于有效应力理论，认为冻土层阻碍了融水排出，形成的超孔隙水压力使得土体抗剪强度减小，导致斜坡发生失稳。该方法的理论与热融破坏的滞水润滑机理有一定的相似性，且经过实践检验，因此采用此方法对本文的热融型边坡稳定性进行检验计算。

式中：FS为稳定性系数；γw为水的重度，取10 kN/m3；Dw为滑面上水头，取0.05 m；γ为土的重度，取21 kN/m3；Z为融化深度，取0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 m 分别计算；ϕ′为有效内摩擦角，取11.1°；β为平均坡度，取15°；C′为有效黏聚力，取1 kPa。

按式（1）分别计算不同融化深度下的稳定系数，计算结果见表4。可知，最不利断面平均融化深度为2.0 m，规范计算稳定性系数为0.80，与基于超孔隙水压力的计算方法得出的结论一致。计算热融滑塌斜坡稳定性时，伴随融化深度的改变，稳定性系数不断改变，在明确冻融深度变化的情况下，此方法计算更为简便。

表4 不同融化深度对应稳定系数

3.3.3 评价结论

定性评价、稳定系数的计算结论以及基于超孔隙水压力的计算结果均显示斜坡处于不稳定状态，需要及时进行治理。

4 滑坡治理

4.1 治理方案

4.1.1 反压方案

反压是滑坡应急处置中最为迅速的方案，一般在滑坡上部卸载，下部实施反压，尽可能实现填挖均衡。该段滑坡位置生态环境脆弱，实施大规模挖方会对生态环境造成严重破坏并对冻土的上下限产生扰动，不符合治理的基本原则。该段公路路基施工后剩余大量土石方，土石方可快速调运至滑坡位置进行反压，运输费用相对较为经济。除反压外，防排水措施包括：在滑坡中部位置设置盲沟、在滑坡边界外设置挡水捻。为防止色吾沟涨水对反压坡脚的冲刷，需设置坡脚挡墙。反压方案如图4所示。

反压后对热融滑塌坡体按暖季最不利条件进行稳定性分析，自然工况下稳定性系数为1.49、暴雨工况1.37、地震工况1.25，均为稳定状态。

4.1.2 抗滑桩方案

根据现场地勘资料，该处基岩埋深较浅，且滑坡剩余下滑力小，可考虑抗滑桩进行支挡。按最不利断面地震工况下安全系数取1.05 计算抗滑桩设计推力为1 775.51 kN/m。项目区人工挖孔抗滑桩实施难度大且施工速度较慢，可以采用机械成孔的圆形抗滑桩进行支挡。防排水措施同反压方案一致。抗滑桩方案如图5所示。