畢威高速公路病害邊坡成因機制及穩(wěn)定性分析

楊德龍，張賡，鄭慧，黃凡

（1.貴州省公路工程集團(tuán)有限公司，貴陽 550002；2.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室，成都 610059；3.成都理工大學(xué)地球探測與信息技術(shù)教育部重點實驗室，成都 610059）

畢威高速公路病害邊坡成因機制及穩(wěn)定性分析

楊德龍1，張賡2，3，鄭慧2，黃凡1

（1.貴州省公路工程集團(tuán)有限公司，貴陽 550002；2.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室，成都 610059；3.成都理工大學(xué)地球探測與信息技術(shù)教育部重點實驗室，成都 610059）

畢威高速K103＋240～580段路基開挖中邊坡出現(xiàn)滑坡。從地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、氣象水文和水文地質(zhì)方面查明滑坡的區(qū)域環(huán)境。并勘查滑坡的邊界條件、形態(tài)特征、結(jié)構(gòu)特征和變形破壞特征。在此基礎(chǔ)上，討論邊坡變形破壞的成因機制，對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行定量與定性評價。并依據(jù)這些研究和地質(zhì)條件提出邊坡防治建議。

畢威高速公路；滑坡；成因；穩(wěn)定性；防治建議

1 引言

貴州省畢節(jié)至威寧高速公路是《貴州省高速公路網(wǎng)規(guī)劃》（678網(wǎng)）中“六橫”的重要組成部分、貴州省西北部的重要快速通道。公路起自畢節(jié)城南龍灘邊，經(jīng)壩口、赫章，止于威寧縣城北草海鎮(zhèn)周家院子，接昭通至六盤水高速公路，全長約125.5km。

由于高速公路沿線地質(zhì)條件復(fù)雜，地質(zhì)環(huán)境脆弱，在路基開挖過程中，赫章縣境內(nèi)K103＋240～580段線路右側(cè)邊坡出現(xiàn)坍方、滑坡等病害，嚴(yán)重影響工程正常施工作業(yè)。因此本文將根據(jù)邊坡變形特征以及斜坡地貌情況，查明病害邊坡的形態(tài)特征、結(jié)構(gòu)特征及變形破壞特征，分析其變形破壞的成因機制并對其進(jìn)行定量分析與定性分析，為邊坡治理提供可靠的地質(zhì)依據(jù)與治理建議。

2 滑坡發(fā)育的自然環(huán)境

2.1 地形地貌

勘察區(qū)位于貴州省中部，地處苗嶺山脈北坡，地形起伏較小，高程1 760～1 830m，相對高差達(dá)50～70m，原始斜坡坡度一般為20°～25°。巖層中緩傾坡外，形成地勢開闊的溶蝕緩丘地貌。坡體地表植被發(fā)育一般，以灌叢林為主，局部上邊坡發(fā)育松、杉等高大喬木。

2.2 地層巖性

勘察區(qū)所在區(qū)域內(nèi)主要出露地層為古生界的二疊系和新生界的第四系。從新到老簡述如下：

第四系（Q）：褐色、褐黃色粘土，粉質(zhì)粘土，砂礫；主要分布于緩坡及溝谷內(nèi)。

二迭系上統(tǒng)（P2）：峨眉山玄武巖組（P2β），為暗綠、暗灰、灰黑色斑狀玄武巖、拉斑玄武巖；主要分布于赫章、紅專、啞巴山、三道水、媽姑一帶，為勘察區(qū)主要出露基巖。

二迭系下統(tǒng)（P1）：茅口組（P1m）淺灰、灰色中厚層至塊狀石灰?guī)r；分布于硝洞、黃井、陳家寨等地，為勘察區(qū)主要出露基巖。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造與地震

勘察區(qū)域處于川滇南北構(gòu)造帶之東，南嶺東西向構(gòu)造帶之北，新華夏構(gòu)造體系最西邊。

沿線區(qū)域一級褶皺構(gòu)造帶主要由羅州－赫章背斜，褶皺構(gòu)造軸向約NE20°～40°，巖層傾向為NW或SE，傾角5°～38°。距勘察區(qū)較近的斷層埡都斷層為非活動斷層，區(qū)域地質(zhì)穩(wěn)定性較好；勘察區(qū)內(nèi)有F1斷層，為正斷層（推測）。F1影響寬度50m。

根據(jù)國家地震局1999年發(fā)布的1/400萬《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306－2001），區(qū)內(nèi)地震動反應(yīng)頻譜特征周期：赫章以東為0.35s，地震動峰值加速度系數(shù)小于0.05g，相似地震烈度為Ⅵ度；赫章至威寧為0.4～0.45s，地震動峰值加速度系數(shù)為0.05～0.1g，相似地震烈度大于Ⅵ度。

2.4 氣象水文與水文地質(zhì)條件

勘察區(qū)屬暖溫帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，年均氣溫14.0℃，極端最高氣溫34.5℃，極端最低－8.6℃。降水量在793.1～984.5mm 之間，年均降水851.6 mm，年平均日照時數(shù)1 380.7h，年無霜期平均247 d，年平均相對濕度79%。歷年最大風(fēng)速28.0m/s，平均風(fēng)速2.1m/s。

地表水系屬長江流域之烏江水系，勘察區(qū)內(nèi)沿線地表水發(fā)育一般，僅出露個別小溪。

大氣降水是地下水補給的主要來源，其補給受地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、地貌等因素的影響?？辈靺^(qū)基巖以玄武巖為主，裂隙十分發(fā)育，地下水類型主要為基巖裂隙水，局部為松散堆積層孔隙水。

地下水動態(tài)受大氣降水影響明顯，地下水天然露頭的水化學(xué)類型簡單。水質(zhì)類型多為HCO3—Ca型水及HCO3—Ca·Mg型，含煤地層有少量HCO3·SO4—Ca·Mg型水?？傆捕榷酁?.98～25.10德度，礦化度0.09～0.56g/l，pH 值5.5～8.25，為弱酸至弱堿性水，為當(dāng)?shù)卮迕耧嬘煤娃r(nóng)田灌溉的重要水源。

2.5 不良地質(zhì)現(xiàn)象與人類工程活動

根據(jù)前期地質(zhì)勘察資料及本次野外調(diào)查，勘察區(qū)主要不良地質(zhì)現(xiàn)象為滑坡，順層高邊坡局部坍塌。

由于高速公路正在施工，公路右側(cè)邊坡大量開挖，開挖垂直高度達(dá)20～30m；局部路基填方高度為8～10m，施工棄土多堆積于路基下邊坡?？傊辈靺^(qū)人類工程活動強烈，對地質(zhì)環(huán)境改變較大。

3 滑坡發(fā)育特征

該段邊坡位于K103＋240～580段右側(cè)，由K103＋240～480（1＃邊坡）和K103＋480～580（2＃邊坡）兩段組成，中間以自然沖溝為界，如圖1所示。

3.1 滑坡的基本特征

（1）1?；掳l(fā)育基本特征

1＃邊坡沿公路方向長約240m，目前開挖高度約35～40m，原始邊坡坡度20°～25°，坡向135°。該段邊坡K103＋370～450段坍滑嚴(yán)重（HP1），且主要發(fā)生于玄武巖殘坡積層內(nèi)，1＃邊坡如圖2所示。

圖1 工程地質(zhì)平面圖Fig.1 Engineering geology plan

滑坡HP1平面上呈不規(guī)則寬條狀，主滑方向為S45°E，橫向長約55m，坡腳順公路方向?qū)捈s80m，面積約0.32×104m2。后緣高程1 833m，前緣至目前開挖路基高程以上約8m，高程1 807m，相對高差25～27m，滑坡體厚約10m，體積3.2×104m3。

該段邊坡分為灰?guī)r區(qū)和斷層破碎帶及玄武巖區(qū)兩段，中間由逆斷層F1（推測）隔斷。

K103＋240～370段為二疊系茅口組灰?guī)r區(qū)，上覆厚8～10m紅褐色可塑－軟塑狀粘土，下伏中厚層狀細(xì)晶灰?guī)r，產(chǎn)狀135°～155°∠30°～40°，層面粗糙，覆1～2mm厚方解石重結(jié)晶?；?guī)r溶蝕嚴(yán)重，發(fā)育多處溶槽，寬5～8m，深15～20m，填充紅褐色軟塑狀粘性土夾玄武巖角礫。

K103＋370～480段為斷層破碎帶及二疊系玄武巖區(qū)，由于受斷層影響，該段邊坡巖體十分破碎。上部灰黃色硬塑－可塑狀粘土含強風(fēng)化玄武巖角礫，厚度10～15m；下部為灰黃色、灰白色碎石角礫土，稍密－松散，碎石含量60%～70%，粒徑5～20cm，巖性主要為強風(fēng)化玄武巖，其中間夾大塊強風(fēng)化灰?guī)r，塊徑可達(dá)50～80cm，塊碎石為次棱角狀－圓狀，表面較光滑，厚度大于10m。

圖2 1?；氯皥DFig.2 Panorama of Landslide 1

（2）2?；禄咎卣?/p>

2＃邊坡長約100m，目前開挖高度約30～35 m，原始坡向128°，坡度25°～35°。該段邊坡主要發(fā)育一處滑坡HP2及一處小滑塌HP2－1，2＃邊坡如圖3所示。

滑坡HP2平面上呈典型圈椅狀，主滑方向為S55°E，橫向長約39m，坡腳順公路方向?qū)捈s70m，面積約0.19×104m2。后緣高程1 833m，前緣至目前開挖路基，高程1 798m，相對高差31～33m，滑坡體厚約5m，體積0.95×104m3?；?HP1－1平面上呈不規(guī)則長條狀，主滑方向為S55°E，橫向長約20m，坡腳順公路方向?qū)捈s62m，面積約0.09×104m2。后緣高程1 816m，前緣剪出口至目前開挖路基以上約1m，高程1 803m，相對高差10～12 m。滑坡體厚約3m，體積0.27×104m3。

該段邊坡上部為厚3～5m殘坡積粘土，黃褐色，灰黃色，含少量強風(fēng)化玄武巖碎石角礫，硬塑－可塑狀；中下部主要以斑狀玄武巖及凝灰質(zhì)玄武巖為主，全－強風(fēng)化，灰黃色、紫紅色、灰白色，呈土狀，錘擊即散。

從坡面調(diào)查分析，坡體主要發(fā)育3組結(jié)構(gòu)面，一組為順坡中陡傾結(jié)構(gòu)面 （L1），一組結(jié)構(gòu)面為陡傾坡內(nèi)（L2），一組走向與邊坡近垂直（L3）。其中L1、L2表面可見明顯錯動形成的擦痕，分析認(rèn)為L1應(yīng)為玄武巖層間錯動形成，L2應(yīng)為玄武巖層內(nèi)錯動形成的結(jié)構(gòu)面。

圖3 2?；氯皥DFig.3 Panorama of Landslide 2

3.2 滑坡結(jié)構(gòu)特征

（1）滑體特征

滑體上部以紅褐色、黃褐色可塑－硬塑狀粘土為主，干強度低，韌性差，呈散體結(jié)構(gòu)；下部以灰黃色、灰綠色碎石夾粘土為主，碎石為強風(fēng)化玄武巖，塊徑5～15cm，碎石含量最大可達(dá)60%～70%，稍密，稍濕。

（2）滑帶特征

滑坡HP1后緣出露滑面較粗糙，沿公路方向呈波浪起伏，滑面產(chǎn)狀140°～160°∠50°～60°，滑帶土為黃褐色粘土，厚度2～3cm，可塑狀；前緣剪出口高于路面4～7m，高程1 804～1 807m，由于坡表土體坍塌掩蓋，僅局部出露，滑帶土為灰黃色粘土，厚度5～10cm，軟塑狀，手搓呈長條狀，含少量砂粒，有刺手感。

滑坡HP2后緣出露滑面較粗糙，滑面產(chǎn)狀130°～140°∠50°～55°，滑帶土為黃褐色－灰白色粘土，軟塑狀，手搓有滑膩感。

HP2－1滑帶土為褐黃色軟塑狀粘土，厚約2～3 cm，滑面產(chǎn)狀192°∠23°，擦痕方向140°，出露高程約1 803m。

（3）滑床特征

滑坡HP1滑床以強風(fēng)化玄武巖及灰?guī)r碎塊石夾土為主，呈稍密狀，碎塊石塊徑5～50cm，灰?guī)r塊徑稍大，最大可達(dá)80～100cm，稍濕－濕。

滑坡HP2滑床為凝灰質(zhì)玄武巖風(fēng)化形成的黃褐色、灰白色、紫紅色粘土夾碎石，碎石含量10%～20%。

3.3 變形破壞特征

滑坡HP1后緣坡頂平臺發(fā)育多條沿坡面的張拉裂縫，最大裂縫寬約1m，下挫0.9cm，可見深度1.6m，延伸長度50～60m，呈圓弧形。其余裂縫多為寬2～3cm，走向N40°E，延伸長度10～20m，最遠(yuǎn)裂縫距坡口約25m。該段滑坡呈不連續(xù)坍滑，后緣下挫高度5～15m，前緣堆積于開挖路基之上，滑體呈三角錐型散開。

滑坡HP2后緣下挫2～3m，滑體表面坡度40°，兩側(cè)受滑坡牽引變形影響，形成垂直或斜交與坡面的拉張裂縫，長度20～30m。

坍滑體HP2－1后緣裂縫從坡頂排水溝位置向南西方向延伸，延伸長度近60m，張開2～5cm，下挫30～50cm。在前緣剪出口位置，滑體向臨空方向已經(jīng)剪出5～10cm。

4 病害邊坡成因機制分析

4.1 邊坡弱面發(fā)育是形成滑坡的主要控制因素

1＃邊坡K103＋370～480段受斷層影響，坡體十分破碎，破碎層厚度大于30m，深入路基以下。上部主要為黃褐色粘土，下部主要為碎石類土，成分為強風(fēng)化玄武巖夾灰?guī)r大塊石，粘土呈可塑－軟塑狀，自身力學(xué)強度較低，邊坡易沿粘土底部碎石土層頂面發(fā)生滑動破壞。

2＃邊坡上部為3～5m厚的粘土，中下部主要為全－強風(fēng)化玄武巖及凝灰質(zhì)玄武巖，發(fā)育層內(nèi)、層間錯動帶。該類結(jié)構(gòu)面夾泥，力學(xué)性質(zhì)較差，且層間錯動帶傾坡外，在邊坡開挖臨空和降雨的不利條件下，坡體容易沿該分界面產(chǎn)生蠕滑－拉裂和滑移－拉裂變形。

4.2 水的軟化作用是滑坡形成的誘發(fā)條件

勘察區(qū)基巖以玄武巖為主，裂隙十分發(fā)育，地下水類型主要為基巖裂隙水，局部為松散堆積層孔隙水。地表水的深入和地下水的使土體快速增重，軟化了滑移構(gòu)造破碎帶，而地下水在滑動帶上的滲流作用，使滑動面的抗滑力明顯下降，從而誘發(fā)滑坡的產(chǎn)生。

4.3 開挖改變臨空條件是滑坡形成的外在因素

由于路基開挖，形成高陡邊坡，改變了原有坡體的平衡狀態(tài)并形成了有效的臨空面，為滑坡提供了滑動空間。治理工程沒有緊緊跟上，使坡體內(nèi)的裂隙在卸荷后松弛、張開，從而使地表水更易下滲，并改變了原有地下水的通道及流速、流向，地下水滲至坡體內(nèi)軟化滑帶，進(jìn)而降低其抗剪強度；同時由于路基挖方坡體解除支撐，暴露了滑動面，滑體中的軟弱夾層在上覆巖體的重力作用下失穩(wěn)。

5 病害邊坡穩(wěn)定性分析及發(fā)展趨勢

5.1 穩(wěn)定性計算

（1）計算方法

滑面為折線形滑面，采用傳遞系數(shù)法。

（2）計算公式

式中，F(xiàn)s為滑坡穩(wěn)定性系數(shù)；ψj為傳遞系數(shù)，第i條塊的剩余下滑力傳遞至第i＋1塊時的傳遞系數(shù)（j＝i）；Ri為作用于第i塊的抗滑力（kN/m）；Ti為作用于第i條塊滑動面上的下滑分力（kN/m）；Ni為第i條塊滑動面的法向分力（kN/m）；ci為第i條塊的粘聚力（kPa）；φi為第i條塊的內(nèi)摩擦角（°）；Li為第i條塊滑動面的長度（m）；θi為第i條塊底面傾角（°），反傾時取負(fù)值；Wi為第i條塊自重與建筑等地面荷載之和（kN/m）；γ為巖土體的天然容重（kN/m3）；γsat為巖土體的飽和容重（kN/m3）；Fi為第i條塊所受地面荷載（kN/m）。

5.2 計算剖面

選擇 HP1的4－4′、6－6′剖面及 HP2的2－2′、3－3′剖面進(jìn)行計算，如圖4所示。

該段邊坡已有設(shè)計變更，主要開挖方案為：第一級邊坡按1∶0.75，第二至第三級邊坡按1∶1.25～1∶1.5削坡，按設(shè)計變更開挖邊坡穩(wěn)定性計算，計算剖面如圖4。

5.3 計算工況

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB5011－2010）附錄A規(guī)定，赫章地區(qū)抗震設(shè)防烈度為Ⅵ度，穩(wěn)定性計算可不考慮地震影響。因此，穩(wěn)定性計算考慮天然和暴雨狀態(tài)。

工況一：天然

工況二：天然＋暴雨

5.4 參數(shù)選取

根據(jù)室內(nèi)試驗及反算分析，穩(wěn)定性計算參數(shù)取值詳見表1。其中，灰?guī)r結(jié)構(gòu)面結(jié)合一般－較差，抗剪強度按《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB50330－2002）取值。

表1 穩(wěn)定性計算參數(shù)取值表Table 1 Parameters for stability calculation

5.5 穩(wěn)定性綜合評價

按上述計算工況對該病害點穩(wěn)定性進(jìn)行了計算，計算結(jié)果如表2。

表2 邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果表Table 2 Slope stability calculations

穩(wěn)定性計算結(jié)果表明，目前1＃邊坡灰?guī)r區(qū)穩(wěn)定性較好，而玄武巖殘坡積邊坡區(qū)穩(wěn)定性很差；2＃邊坡處于基本穩(wěn)定－不穩(wěn)定狀態(tài)；邊坡按設(shè)計變更開挖完畢后，邊坡穩(wěn)定性均有所提高，天然狀態(tài)下，邊坡都處于基本穩(wěn)定－穩(wěn)定狀態(tài)，但在不利工況條件下，除灰?guī)r邊坡穩(wěn)定性較好外，其余邊坡仍然不穩(wěn)定。

圖4 工程地質(zhì)剖面圖Fig.4 Engineering geology profile

5.6 發(fā)展趨勢分析

根據(jù)邊坡變形特征以及穩(wěn)定性計算結(jié)果分析，當(dāng)邊坡繼續(xù)開挖，雖然坡率增大，穩(wěn)定性有所提高，但仍然不能滿足安全要求。

公路運營后，邊坡巖體卸荷松弛，蠕動變形，軟弱結(jié)構(gòu)面強度降低、貫通，坡體將逐漸產(chǎn)生局部嚴(yán)重變形、坍塌等病害，破壞邊坡防護(hù)設(shè)施，危及公路的行車安全。

6 結(jié)論與建議

6.1 結(jié)論

（1）勘察區(qū)共兩段邊坡，坡高30～35m，開挖坡率1∶0.75～1∶1。1＃邊坡的 K103＋240～370段主要為中風(fēng)化灰?guī)r，頂部8～9m為紅褐色可塑狀粘性土，灰?guī)r呈中厚層狀，裂隙發(fā)育程度一般，溶蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，多發(fā)于溶槽，巖層產(chǎn)狀與邊坡坡向一致，傾角30°～40°，屬中緩傾坡外結(jié)構(gòu)；K103＋240～370段為斷層破碎帶及全－強風(fēng)化玄武巖，坡體十分破碎，以黃褐色、灰黃色粘土及碎石類土為主。2＃邊坡以全－強風(fēng)化玄武巖為主，頂部覆蓋殘坡積粘土夾碎石。邊坡屬于土質(zhì)/巖質(zhì)混合型邊坡。

（2）邊坡開挖后，1＃邊坡由粘土夾碎石構(gòu)成的破碎坡體無法自穩(wěn)，沿開挖坡面及底部碎石土頂面發(fā)生滑坡；2＃邊坡由于開挖造成巖體內(nèi)傾坡外結(jié)構(gòu)面臨空，坡體沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑移－拉裂破壞，局部造成已有支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞。

（3）目前邊坡穩(wěn)定性較差，不時有小規(guī)模的坍滑發(fā)生；若按照設(shè)計變更開挖，穩(wěn)定性有所提高，但在不利工況條件下，仍然局部不穩(wěn)定，有可能造成支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞。

（4）在現(xiàn)有基礎(chǔ)之上，對邊坡開挖坡率進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，并增加坡面防護(hù)措施，可有效消除邊坡剩余下滑力，保證邊坡安全。

6.2 建議

（1）由于邊坡已經(jīng)大部分開挖完畢，應(yīng)在雨季到來之前，盡快對開挖邊坡進(jìn)行有效地支護(hù)。

（2）上部坡體尚未支護(hù)之前，嚴(yán)禁在坡腳大范圍開挖。

（3）做好邊坡后緣拉張裂縫的人工監(jiān)測。

［1］中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021－2001）［S］.北京：地質(zhì)出版社，1994.

［2］孫廣忠.巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)［M］.科學(xué)出版社，1998.

［3］張寧，胡瑾.貴州某機場的主要工程地質(zhì)問題分析及其處理措施建議［J］.地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，2003，14（2）：66－67.

［4］陳祖煜.土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析——原理、方法、程序［M］.北京：中國水利水電出版社，2003.

［5］黃潤秋.中國西部地區(qū)典型巖質(zhì)滑坡機理研究［J］.地球科學(xué)進(jìn)展，2004，19（3）：443－450.

［6］楊偉，林義華，楊建國.四川廣元108國道某邊坡的穩(wěn)定性分析和對策研究［J］.地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，2005，16（3）：0295－0300.

［7］楊曉松，王友成，張斌.公路施工導(dǎo)致的古滑坡復(fù)活實例分析［J］.地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，2002，13（3）：43－46.

FORMATION MECHANISM OF THE DISASTER SLOPES ON BI－WEI EXPRESSWAY AND THEIR STABILITY

Yang De－long1，Zhang Geng2.3，Zheng Hui2，Huang Fan1
（1.Guizhou Highway Engineering Group Co.，Ltd.，Guiyang 550002，China；2.State Key Laboratory of Geohazard prevention ＆ Geoenvironment protection，Chengdu 610059，China；3.Key Lab of Earth Exploration ＆Information Techniques of Ministry of Education，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China）

Landslides occurred during the roadbed excavation of Segment K103＋240～580.The regional environment was identified in terms of topography，lithology，geological tectonics，meteorology，hydrology and hydrogeology.We also investigated the boundaries，morphology，structure，deformation and failure characteristics of the landslides.On this basis，we discuss the causes of the slopes'deformation and failure mechanism，evaluate its stability both quantitatively and qualitatively，and finally offer our control recommendations here.

Bi－Wei Expressway；landslide；cause；stability；control recommendation

U412.36＋6；TU457

A

1006－4362（2011）04－0050－06

2011－06－09 改回日期：2011－11－09

楊德龍（1966－ ），男，貴州省習(xí)水縣人，高級工程師，主要從事地質(zhì)工程工作。