引江济淮江淮分水岭施工期滑坡原因分析

刘明华，喻双林，周虹均

(安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司，安徽 合肥 230088)

1 工程概况

引江济淮工程江淮沟通段J007-1标(J41+681.7—J43+600)位于合肥市蜀山区小庙镇，河渠开挖深度22～36m，平均开挖深度27m。河道设计标准断面：河道底宽60m，底高程13.4m，边坡坡比岩质边坡1∶2，土质边坡1∶3，坡面每抬高6m设一阶平台，一级平台宽4.0m，二级平台兼做管护道路，宽8.0m，三级及以上平台宽3.0m。滑坡段(J43+025—J43+275)左岸设计为五级边坡，一、二级边坡坡比为1∶2，三、四、五级边坡坡比为1∶3，河道开挖自上而下进行，四、五级边坡于2019年10月开挖完成，一、二、三级边坡于2019年12月开挖完成，滑坡发生前河渠开挖底部高程为13.5～13.7m，接近挖到设计高程。河道左岸设计标准断面如图1所示。

图1 河道左岸设计标准断面

2 滑坡情况

2020年2—7月，桩号J43+025—43+275段河渠左岸一级至五级边坡及坡顶管护道路先后发生了四次滑坡，滑坡位置从第一次的三级、四级边坡逐渐发展到第四次的一级至五级边坡及坡顶管护道路，经现场测量第一次坍塌面积2500m2，滑坡宽约120m，轴线方向长10～55m，滑坡体隆起高度0.6～1.8m，第四次滑坡滑坡坍塌面积约12000m2，宽约190m，轴线方向长15～90m，滑坡体隆起高度1.0～2.50m。第四次滑坡后现场如图2所示。

图2 第四次滑坡后现场

3 工程地质条件

每一次滑坡发生后，原勘察单位工程地质人员均及时赶到现场开展滑坡后地质测绘取样工作，对滑坡周界、滑坡形态及滑面产状进行测绘、取样并进行室内试验，调查滑坡周边地表水分布情况及滑坡周边岩体地下水出溢情况，调查滑动面的性质，并研究四次滑动面的相互关系等。

根据渠道开挖的边坡揭露地层主要为上更新统粉质壤土、粉质黏土、白垩系粉砂岩、泥质粉砂岩、泥岩。现自上而下分述如下：

⑨层粉砂岩、泥质粉砂岩，局部为粉砂质泥岩、泥岩(K2qz)：该段岩层上部揭露为强风化(⑨1层)一般灰红色、暗红色，呈块及砂状，层厚约2.0～3.0m；下部为中等风化-新鲜基岩(⑨3层)一般为棕红色、砖红色，呈块状。上部泥岩与粉砂岩多呈互层状，下部泥岩多呈薄夹层状。岩层产状N55°～85°W，NE∠10°～15°。

场地⑤层粉质壤土渗透系数一般为i×(10-5～10-7)cm/s，属弱-极微透水性土层。

强风化粉砂岩一般为弱透水性，中等风化-新鲜基岩一般为微-极微透水性。

根据现场河道开挖后的断面显示，该段高程19.4m以上泥岩和粉砂岩呈互层状，10～40cm/层，层面发育，层面较平直规则、较光滑，岩层产状N55°～80°W，NE∠10°～15°。泥岩、粉砂质泥岩暗红色、砖红色，层面上并夹有5～10cm厚灰白色粉砂质条带，泥岩内部微裂隙发育，易破碎呈碎块状。所夹泥岩、粉砂质泥岩层面裂隙较发育，一般10～40cm/条，微裂隙发育，岩体较破碎，层面并夹有灰白色粉砂质条带。岩体层面情况如图3所示。

图3 岩体层面情况

根据现场滑坡体特征，滑坡面就发生在岩体层面上，这些层面只是薄薄的夹层，与夹心饼干类似，地质钻孔难以揭露，原设计断面稳定计算时未考虑夹层的影响，计算抗滑系数满足规范要求。从现场滑面来看，层面倾角由南向北即左岸倾向右岸，因此左岸发生滑坡，而右岸则没有。滑坡的主要原理一是由南向北的层面存在，二是层面因地表水渗入而发生软化，摩擦系数降低，最终导致沿层面发生滑坡。找出层面性状改变后的残余强度，能为分析滑坡原理及后续治理措施提供至关重要的依据。为此，地质勘察人员在现场采样后，对滑带土进行室内抗剪试验，同时委托长江水利科学研究院的有关技术人员同步对滑带附近泥岩进行原状样的取样及试验工作，最后综合两家试验成果进行最终取值。

4 滑坡成因分析

4.1 滑坡主要特征

根据施工单位提供的情况说明，2019年12月31日完成一、二、三级边坡开挖，春节前的施工即告结束。2020年2月22日节后复工排查时发现滑坡，滑动时间应在前述两时间点之间。另从2020年2月4日中国资源卫星日新图卫片中发现，当日滑坡已存在。再结合近期气象资料分析，认为第一次滑坡的滑动时间应在2020年1月下旬。后来经历2020年上半年雨量较为丰富的雨季，滑坡陆续扩大。

整体上看，该段的四次滑动的时间可以分为两个大的阶段，第一阶段：2020年1月下旬的第一次滑动；第二阶段：2020年6月26日—7月27日的第二次～第四次滑动。第三、四次滑坡滑动速度较第二次慢的多，可能与河渠中水位较高，起到一定的顶托作用有关。4次滑坡均为顺泥岩的层面滑动，属顺层滑坡。

第四步：运用分类讨论的思想方法．当直线绕原点旋转运动的过程中,讨论两个函数图象交点的个数,得出满足条件的a的取值范围为

4.2 滑坡成因分析

根据前述可知，滑面垂直于河道方向的倾角仅9°左右。过去的经验一般认为，结构面的倾角至少要大于10°，一般要15°以上才可能产生滑动，不然就没有足够的下滑力推动。该滑坡在倾角仅9°～10°的情况即产生滑动，足见其在滑动时边界条件的恶劣。现分三方面分述其成因。

4.2.1 地形、地质条件

该滑坡位于引江济淮河渠桩号J43+080～J43+200段左侧，该处河渠走向由N64°W向N85W°转折，左岸为凸岸，河渠开挖后形成弧状坡形，边坡整体坡度约17°。滑坡段河渠走向为N75°～65°W，左岸边坡倾向相应为N15°～25°E。滑坡岩体由泥岩和粉砂岩构成，且呈互层状，层面发育，10～40cm/层，层面较平直规则，面较光滑，岩层产状N55°W，NE∠10°，层面与边坡倾向交角较小，仅10°～20°。为近顺坡向缓倾角结构面，对边坡稳定不利。另滑坡岩体内发育有多组陡倾角裂隙，产状分别为：①N75°W，SE∠85°；②N32°W，NE∠86°；③N50°W，NW∠60°，陡倾角裂隙与层间结构面构造组合，岩体被切割分离成不连续状态，在边坡上易形成拉张裂隙，导致陡倾角裂隙的进一步扩大，为滑坡形成提供了必要条件。

从岩土类型上看，滑坡段四、五级边坡主要为弱膨胀的黏性土，一至三级边坡主要为极软岩粉砂岩、泥岩，粉砂岩强度较泥岩稍高，尤其在泥岩遇水软化后，形成软硬相间的岩层坡面，这种岩体是产生滑坡的物质基础。

经地质勘察单位室内试验、长江水利科学研究院试验成果、工程类比取值以及对滑动面进行反演计算分析，得出滑动层面抗剪强度最终取值：层面在天然状态下C=50kPa，φ=19°，遇水软化、泥化后逐渐降低至C=4kPa，φ=9°。

4.2.2 气象、水文条件

合肥市多年平均降水量995mm，降水量最高的月份是7月，7月多年平均降水量162mm。而工程区2019年全年降水量仅426mm，仅是正常年份的43%，为几十年来的大旱之年。而到了2020年1月又遭遇连续雨雪天气，1月份累计降水量达117mm，是合肥1月多年平均降水量35.9mm的3倍以上。相当于边坡在较短时间内，经历了一次强烈的干湿交替作用。

根据勘察及取样试验成果，泥岩具膨胀性和强崩解性，泥岩在失水情况下，收缩开裂，导致层间结构面张开，为后期地下水提供了渗水通道。大量降雨后，雨水沿陡倾角裂隙下渗，再沿泥岩层面下渗。在滑坡面及一级平台处现仍有渗水现象存在，下渗后的水导致泥岩膨胀、崩解软化，抗剪强度降低，产生水压力，增大岩土体容重，同时水的存在又起到了润滑作用，为滑坡形成提供了充分条件。

从4次滑坡的时间上看，均处于强降雨之后，说明降雨对滑坡的产生起到关键性的诱发作用。

4.2.3 其他因素

河渠边坡主要由超固结的膨胀土和崩解软岩组成，河渠开挖卸载后，打破了原有的应力平衡，地应力向坡面集中，在应力释放过程中，坡面容易产生张拉裂隙，为各组结构面连接贯通创造了条件。

受春节假期和新冠肺炎疫情的影响，该段开挖坡面未能及时进行水泥改性土覆盖施工，造成边坡放置时间较长，为泥岩层遇水软化提供了充足的时间，同时由于1月份降雨量偏大，施工临时排水系统不健全，裸露边坡反复干湿交替，加剧表面裂隙发展，导致雨水渗入后，软化泥岩夹层，抗剪强度降低，形成滑坡。第一次滑坡后，未能及时对滑坡进行加固处理，放置时间较长，也是发生再次滑坡的原因之一。

综上，复杂的地形、地质构造条件加上开挖卸荷、边坡暴露时间较长、施工期降雨量偏多等综合因素，造成了本段滑坡的发生。

4.3 滑坡体抗滑稳定系数复核

4.3.1 计算工况

滑坡段河道膨胀土主要分布边坡顶部，均位于渠道防洪水位25.53m以上，由于滑坡发生在施工期，因此本次只计算施工期工况，即非常运用条件Ⅰ：施工期河道迎水坡。渠内无水，地下水处于稳定渗流，抗滑稳定安全系数允许值1.25～1.20。

4.3.2 计算参数取值

未软化的的泥岩、粉砂岩抗剪断强度取值：C=50kPa，φ=19°，层面抗剪强度取值：C=0，φ=16°；未滑软化泥岩层面抗剪强度取值：C=17kPa，φ=11°；已滑完全软化的泥膜抗剪强度取值：C=4kPa，φ=9°；上部膨胀土参数采用原设计参数。各层面强度指标取值见表1。

表1 各土层物理力学指标取值表

4.3.3 计算模型

通过现场调查，本段软岩边坡为泥岩和粉砂岩错层分布，坡脚以上有4层泥岩夹层，第一层出露较少，计算不再考虑，咨询会上专家认为第四层埋藏较深，雨水下渗导致其软化的可能性较小，但第四次滑坡发生以后，根据现场调查及地质探坑揭示，最深滑动面已发展至第四层泥岩夹层，且从渠底坡脚附近滑出。本次稳定分析简化为平面问题，依据SL 386—2007《水利水电工程边坡设计规范》进行计算分析，具体计算采用南京水准科技有限公司编制的Autobank 7.7程序，计算方法采用摩根斯顿法，计算模型简图如图4所示。

图4 计算模型简图

4.3.4 计算成果

选择滑坡段断面沿坡面夹层(第一层泥岩)、潜在滑动面(第二层泥岩)、深层滑动面(第三层泥岩)计算施工期的抗滑稳定安全系数见表2。

表2 典型断面抗滑稳定安全系数表

对上述稳定计算成果分析可见，在边坡泥岩夹层遇水软化的情况下，抗滑稳定最小安全系数不满足SL 386—2007《水利水电工程边坡设计规范》要求，深层滑动面的计算抗滑稳定安全系数均小于1.0，极易向下发生滑移。

5 结语

综上，引江济淮江淮分水岭河道边坡在施工期发生较大滑坡主要是“天灾人祸地害”等多种因素作用的结果，其中“天灾”是指边坡开挖即将完成时遭遇连续长时间降雨天气，“人祸”是指当年新冠疫情爆发，“地害”是指场地自身地质条件复杂、难以通过地质钻孔完全揭露出下部泥岩中存在遇水软化的倾斜夹层。在连续长时间降雨天气及新冠疫情下，边坡无法及时进行下一道工序，较长时间暴露，导致雨水下渗，软化泥岩夹层，最终造成坡面沿层面向河底滑动。