西南山区高填方滑坡变形失稳机制及治理措施——以攀枝花机场为例

赖国泉,杨昊天,尹威江,吴红刚

(中铁西北科学研究院有限公司,甘肃 兰州 730000)

0 引 言

随着中国“一带一路”倡议、流域生态保护与高质量发展等国家战略的实施,越来越多的交通基础设施建设向西部山区转移。由于这些地区复杂的地形和特殊的地质环境条件,很多工程建设项目都要进行不同程度的开挖或者填筑,由此诱发的山地灾害也越来越多。山区高填方滑坡就是其中一种重要的灾害。

最大填方高度或填方边坡高度不小于20 m的工程即高填方工程。目前中国西部山区的基础设施建设工程中,已有较多高填方边坡工程填筑高度超过100 m,最高已达164 m[1-4]。大量西部山区高填方工程在竣工后产生了变形破坏,亟需对边坡上填筑的高填方工程变形破坏及其控制和治理措施进行研究。

以往对边坡问题的研究多集中在自然边坡或挖方边坡[5-7],对填筑高度超过50 m的超高填方工程边坡研究较少。由于滑坡工程个体的特殊性,对于填筑高度大、工期长、影响因素多、变形预测和控制难的山区高填方边坡,有效的解决途径就是通过典型实例总结解决此类问题的理念、机理及治理方法[8]。

攀枝花机场为一典型山区高填方机场,填筑高度最高达123 m,斜坡填筑长度达3.6 km,挖方总量达5 800余万m3,挖填方量居全国前列[9]。由于该机场特殊的地理位置及地质条件,填方边坡变形及高填方沉降变形成为机场最主要的工程病害。机场在建设过程中曾发生了7次滑坡[10],自2003年通航以来,又发生了5次高填方滑坡,严重影响机场正常运营。

本文以攀枝花机场东南角高填方边坡为例,对其宏观变形、工程地质条件进行了分析,探讨了该高填方边坡变形破坏的复杂力学机制,可为应急抢险及工程治理方案制定提供依据、为类似高填方边坡的分析与治理提供参考。

1 工程概况

1.1 地形地貌特征

研究区为山区峡谷地貌,地形起伏大、高差大(图1)。机场建设前为一条形山脊,建设后形成高度达66 m的高填方边坡。

图1 滑坡全貌Fig.1 Overall view of landslide

1.2 地层岩性及地质构造

研究区地层自上而下依次为第四系人工填土层(Q4ml),第四系全新统残、坡积层(Q4el+dl),下伏基岩为侏罗系下统益门组(J1y)炭质泥岩、砂岩,缓倾互层状产出,岩层倾向与坡体倾向相近,倾角18°～21°。

区内存在一向斜构造,走向NNW,向SSE倾伏,其轴部通过跑道中心点附近,滑坡所在区在该向斜东北翼,地层产状106°～112°∠18°～21°,见图2。岩层中发育有两组张节理:① J1节理产状65°～87°∠85°～87°,间距3～5 m,闭合-微张开,黏土及硅质充填;② J2节理产状264°～280°∠82°～86°,间距5～15 m,闭合-微张,黏土或硅质充填。

图2 坡脚基岩露头Fig.2 Slope toe bedrock

1.3 气候与气象条件

研究区气候特点:降雨集中,高温、干旱。图3为机场2007～2022年降雨量分布。由图3分析可知,年最大降雨量1 025.2 mm(2017年),年最小降雨量496.0 mm(2012年),年平均降雨量为745.0 mm。图4为机场2007～2022年月平均降雨量分布。由图4分析可知,降雨集中在5～10月,雨季中的降雨量平均占年降雨量的97.8%左右,研究区降雨具有集中且经常暴雨的特征。

图3 年平均降雨量分布Fig.3 Rainfall distribution of average annual

图4 月平均降雨量分布Fig.4 Distribution of monthly mean rainfall

1.4 建设期边坡治理措施

机场建设期,自坡顶向坡脚,每两级边坡坡率分别按1∶1.5、1∶1.75、1∶2.0放坡,放坡高度为8.0～10.0 m,放坡平台宽2.0 m。建设期采取了预加固措施,坡脚设浆砌片石挡墙,坡体内侧设有阻滑键,北侧2级马道、5级马道处设有抗滑桩支挡。

2 坡体变形演化阶段分析

2.1 变形破坏过程及其特征

滑坡在不同变形阶段,会在坡体的不同变形部位产生拉应力、压应力、剪应力等局部应力集中,并在相应部位产生与其力学性质对应的裂缝。因此,坡体裂缝是滑坡启动与发展演化最直观的宏观特征。通过裂缝发展特征进行滑坡演化阶段的识别是一种十分简单有效的手段。

2016年10月调查时发现,该高填方边坡有变形迹象,因而立即对滑坡区进行全面宏观变形调查。分析表1的各部位裂缝分布特征可知,滑坡体后缘、左右侧、坡脚裂缝表现出的变形特征不同。后缘及坡脚变形较左、右侧及中部强烈。后缘产生基本平行于坡体走向的拉张裂缝,调查时,3条裂缝还未完全贯通。左右侧均产生了剪切变形迹象,左侧剪切裂缝已有一定的延伸,右侧裂缝呈零星分布,未发现明显连续裂缝。坡脚产生明显的鼓胀变形,具体为五级平台截水沟被挤压错断,挡墙局部倾倒变形。

表1 坡体各部位变形特征

2.2 坡体变形演化阶段

由表1可知,滑坡后缘拉张裂缝已形成但未完全贯通,且有下错,左右侧界羽状裂缝有发育迹象,前缘剪出口已出现挤压变形,具有推移式滑坡的变形特征。根据宏观变形特征,变形特点总结为后部拉张变形强烈、侧翼剪切变形蠕动、坡脚鼓胀挤压变形突出。由变形特征判断滑坡中后部向前产生了少量移动,致使前段抗滑部分受挤压,此时中后部滑带已基本形成。综合判断该滑坡处于挤压变形阶段。

3 滑坡基本特征分析

3.1 滑坡形态特征

滑坡平面呈前缘不对称的簸箕状,纵向北侧宽大,南侧窄小。纵向最大长约162 m,横向宽约246 m,后缘至剪出口高差最大达68 m,钻孔揭露滑体最大厚度达32.3 m,滑体总体积约50.42万m3,为大型填筑体滑坡。

3.2 滑坡边界特征

该滑坡周界清晰,滑坡后缘位于土面区张拉下错裂缝处,裂缝走向24°～33°,与巡场路走向基本一致。左侧周界依附于巡场路至一级马道处剪切裂缝,走向327°～21°。滑坡右侧以巡场路张开裂缝北端至五级马道截水沟沟壁外倾变形段为界。滑坡剪出口在坡体南侧沿坡脚便道、截水沟沟底展布,至五级马道截水沟倾倒损毁处并沿该平台向北延伸。

3.3 滑坡结构特征

勘察钻孔揭示:坡体地层自新向老依次为坡顶人工填土,色杂,以强风化砂岩、炭质泥岩角砾、碎石为主,有黏土充填,最大厚度达33 m;下覆全风化残坡积角砾土、碎石土,黄褐-灰褐色,黏土充填,含水量较高,呈可塑-坚硬状,层厚度变化较大,最大可达12 m;基底基岩为侏罗系下统益门组砂岩、炭质泥岩,呈互层状产出。

滑面位置依据钻孔岩心结合钻进缩孔情况、物探揭示和地质综合分析确定,见图5。该滑坡发育有一层滑带(面),主滑段滑动带(面)依附于全风化残、坡积层。滑带土以残坡积层中灰白色黏土夹层为主,含水量高,呈软塑状,泥膜呈灰白色;滑面泥膜处可见明显粗粒土擦痕,揉皱严重,见图6。倾角随滑面位置的不同而略有变化,主滑段滑面倾角12°～17°,滑面埋深最大达32.3 m,横向呈中间深、两侧浅,在南、北两侧受原地面控制。

图5 典型工程地质断面Fig.5 Typical engineering geology section

图6 钻孔及桩坑中揭露滑面Fig.6 Expose sliding surfaces in boreholes and pile pits

4 滑坡成因分析

4.1 坡体结构不利于排水

工程地质调查结果表明:滑坡区山体具有单斜构造特点,见图7。机场修建时,边坡上分层填筑了块碎石土,且覆盖于表层未完全清除的全风化含泥质砂岩、炭质泥岩残坡积层之上;填筑土以下基岩为侏罗系炭质泥岩、砂岩,缓倾互层状产出;由此,形成特殊的上软下硬顺倾坡体结构。

图7 滑坡区地层结构示意(距离单位:m)Fig.7 Schematic diagram of strata structurein in landslide area

野外调查岩层产状为106°～112°∠18°～21°,岩层走向与边坡走向小角度相交,与滑坡的滑动方向一致。区内单向顺倾的炭质泥岩、砂岩互层,使地下水向同一个方向汇集后具有沿层面渗流的条件;基岩中发育的2组张性节理,形成了基岩中裂隙水流通的通道,使基岩裂隙水从机场西侧甚至机场山梁西侧直接进入滑体,有了地下通道。机场填筑边坡时,由于底部及填筑体内设置的排水措施偏少,而滑坡后缘为宽大的土面区平台,强降雨后,大部分降水下渗至坡体内,因滑体填土层黏土含量高、赋水性较好、孔隙连通性差、径流不畅,降水下渗后难以向水位较低的临空方向渗流消散。

4.2 坡体富水

(1) 地下水补给充分。滑坡区地下水补给主要通过降雨入渗。由图3可知:近几年来,该地区年降雨量普遍较大,尤其近3 a降雨较以前明显增大。由图4可知:该地区降雨集中,雨季集中了全年95%以上的降雨,雨季特大暴雨多,具有点暴雨特征。因此,该地区地下水补给充分。

(2) 坡体地下水丰富。工程地质勘察阶段采用高密度电法对滑坡区地下水进行了探测,结果见图8。物探成果表明:土面区及坡体内部含水丰富,二级马道以上至场坪土面区地段电阻率明显偏低,说明该处为滑坡体主要富水区域,具有窝状不连续分布特征,呈明显的成层性。通过分析钻孔中含水层段岩心,结果表明:含水层具有黏土含量高、赋水性较好、孔隙连通性差、径流不畅,坡内地下水难以快速消散等特点。

图8 典型剖面物探成果Fig.8 Typical section geophysical results

4.3 滑动机理

该段高填方边坡按一定稳定坡率填筑后,采取了支挡结构加固,但是该预加固的高填方边坡在维持了13 a的稳定后,产生了滑动变形。对其原因进行如下分析。

(1) 13 a间,每年的强降雨都是对坡体的一次累进性加载过程。在长期的时间效应下,强降雨入渗后,由于填料的不均匀性,填料中细粒土在长期渗透力的拖拽作用下,向填筑体的下部富集;而坡体下部为单向顺倾的炭质泥岩、砂岩互层,泥岩渗透系数远小于上部填筑体,相对隔水,渗流通道在泥岩顶部被阻,经历长期的时间作用,细粒土在此富集,形成了一层灰白色泥膜,即为滑面。良好的补给条件及地下水在坡体内的长期赋存,导致滑坡中后部土体饱和,自重增加,滑体汇集的地下水向滑带下渗,滑带长期处于饱和状态,导致滑带土抗剪强度衰减。

(2) 该段边坡填筑厚度大,边坡自重应力大,又由于坡体中孔隙水压力和渗透压力的联合作用,填筑体沿残坡积层蠕动变形逐渐增大。随着时间累积,在坡体已有的支挡结构附近形成应力集中,抗滑支挡结构逐渐被剪断,产生了累进性的破坏,滑面逐渐贯通。

5 稳定性分析及治理措施

由前述坡体宏观变形、坡体特征分析可知,该滑坡处于挤压变形阶段,需进行工程整治。滑坡整治工程的核心问题为滑坡推力的确定。滑坡推力合理计算的首要问题即滑坡体岩土物理力学参数选取、滑坡稳定性的综合分析。

5.1 岩土物理力学参数选取

通过现场钻探采取原状滑带土与滑床土样,测试天然及饱和状态下滑带土的强度指标。表2为室内试验及原位测试得到的滑带土、滑床基岩的基本物理力学参数。由表2分析可知,滑带土抗剪强度指标c、φ值应结合原位直剪、反复直剪结果综合选取。综合比较后,根据试验结果选取c=14 kPa、φ=14°。

表2 岩土体参数

为了解滑坡稳定性与滑带土抗剪强度的关系,选取3条主滑剖面进行反算。计算公式采用GB 50330-2013《建筑边坡工程技术规范》中的传递系数法进行。根据反算结果及试验取值,类比附近滑坡工点的参数后,最终选取的指标见表3。

表3 推荐岩土参数

5.2 滑坡稳定性评价

在滑坡演化的滑带土强度衰减、滑动面剪切贯通、滑动周界延展闭合等过程中,滑坡整体稳定度不断变化。一般滑坡变形分为4个阶段:蠕动阶段(1.05

根据表1所描述的滑坡变形空间特征分析,其后缘已产生局部贯通的拉裂缝、左侧界产生一基本贯通羽状裂缝,右侧未形成连续性贯通裂缝,前缘剪出口已产生,局部挡墙也已垮塌。通过变形特征分析,挤压变形微地貌特征已基本发育完全。滑坡整体处于挤压变形阶段,在自然工况下,其稳定系数为1.03～1.00,基本处于滑动前的极限稳定状态。

滑坡稳定性分析计算以平面极限平衡法为依据,将滑体垂直分条,采用传递系数法计算,计算结果见表4。由表4可知,自然、暴雨工况下滑坡整体处于欠稳定状态,地震工况下滑坡处于不稳定状态。

表4 稳定性计算结果

5.3 治理工程措施

滑坡推力分析计算是治理工程设计的关键。采用传递系数法,分别按天然、暴雨及地震等3种工况计算桩位处推力,对应安全系数分别取1.20,1.15,1.10,具体见表5。

表5 工程位置处推力计算

由于该滑坡滑面深,滑坡推力大且地下水丰富,治理方案采用支挡工程与排水工程相结合的方式。根据滑坡推力大小,支挡结构采用普通抗滑桩、预应力锚索抗滑桩强支挡。地下排水结构措施采用集水井联合井内仰斜排水孔疏排地下水。工程断面布置见图9。为评价治理工程的可靠性,采用数值模拟方法,依据图9工程治理断面建立数值模型,对治理后坡体稳定性进行分析,计算结果见图10。由图10可知,治理工程实施后,最大塑性剪应变区集中于坡体原始滑带(面)部位,滑体后部的塑性变形已不明显,抗滑桩及坡脚挡墙无变形,说明抗滑桩及坡脚挡墙防治效果较好。治理后稳定系数Fs=1.38,坡体处于稳定状态。集水井的实施,使得坡体中地下水及时疏排,保证了岩土体抗剪强度不衰减,有利于坡体的长期稳定。

图9 典型工程治理断面Fig.9 Cross-section of typical engineering management

图10 塑性区分布Fig.10 Plastic differential layout

治理工程施工完毕后,在桩顶设置了监测点,进行了长期位移监测,结果见图11。分析图11可知:各监测点曲线基本呈水平状,滑坡变形得到了有效控制,治理效果良好。

图11 累计位移(沉降)-时间曲线Fig.11 Accumulated displacement (settlement)-time curves

6 结 论

本文以攀枝花机场东南角高填方边坡为例,进行了滑坡变形治理研究,得到以下结论。

(1) 分析坡体宏观变形可知:该段坡体变形具有推移式滑坡的变形特征:后部拉张变形强烈、侧翼剪切变形蠕动、坡脚鼓胀挤压变形突出。基于变形现状,综合研判滑坡处于挤压变形状态。

(2) 通过工程地质勘察,查明了滑坡平面形态特征、边界特征及空间结构特征。特殊的上软(填筑体)下硬(砂泥岩层)、单斜、缓顺倾坡体结构是该滑坡发育的物质基础。由此导致坡体有利于降雨下渗,但不易排出。坡体富水是滑坡的诱发因素。在长期孔隙水压力和渗透压力的联合作用下,填筑体沿残坡积层蠕动变形逐渐增大。随着长时间的累积,抗滑支挡结构逐渐被剪断,产生了累进性的破坏,滑面逐渐贯通。

(3) 根据室内土工试验及现场直剪试验的成果进行反算,确定了滑带土物理力学参数。基于宏观变形特征,结合传递系数法分析,结果表明:滑坡整体在自然、暴雨工况下处于欠稳定状态,在地震工况下处于不稳定状态。

(4) 基于该滑坡特点,提出抗滑桩支挡与集水井疏排地下水的综合治理措施。工后监测结果表明,该措施治理效果良好。