云南龍江特大橋滑坡穩(wěn)定性及不利因素分析

李俊東

云南地質(zhì)工程第二勘察院,云南昆明 650200

通過大量的理論研究和工程實(shí)踐,國內(nèi)外大多數(shù)專家普遍認(rèn)為滑坡是內(nèi)外因素共同作用的結(jié)果(陳洪凱等,2000,2001,2002)。對公路邊坡穩(wěn)定性的研究顯得越來越重要,不僅可為工程設(shè)計(jì)、施工提供科學(xué)的理論依據(jù),而且可對邊坡加固和滑坡的預(yù)測預(yù)報(bào)也具有重要的指導(dǎo)作用(鄭穎人等,2001;胡柳青等,2000)。滑坡產(chǎn)生的根本原因在于組成斜坡的巖土體性質(zhì)、結(jié)構(gòu)構(gòu)造和斜坡的外形,這些因素是決定滑坡發(fā)生與否及其類別的內(nèi)部條件,而水的作用、地震和人為因素影響則是誘導(dǎo)或促使加速產(chǎn)生滑坡的外部條件。地質(zhì)災(zāi)害的形成條件及影響因素是非常復(fù)雜的,是在各種因素作用下的綜合效應(yīng)(姚玉增等,2010;郭建強(qiáng)等,2003;馮向陽,2007;金小赤等,2008)。地質(zhì)因素是形成地質(zhì)災(zāi)害的基礎(chǔ),而非地質(zhì)因素是誘導(dǎo)或觸發(fā)條件,加速地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)展過程。因此,在地質(zhì)災(zāi)害分析與危害評價(jià)、支護(hù)與防護(hù)措施的制定時(shí),應(yīng)該首先把握占主導(dǎo)地位的地質(zhì)因素,同時(shí)對各種誘導(dǎo)或觸發(fā)因素進(jìn)行具體問題具體分析。

擬建的保山至騰沖高速公路位于云南省西部、橫斷山脈南段,是云南省干線公路“9210”骨架網(wǎng)、“7719”一般干線網(wǎng)和高速公路網(wǎng)的公路發(fā)展總體規(guī)劃中的一部分,是昆明至緬甸、印度國際大通道及亞洲公路網(wǎng)的重要組成部分。全線擬建大橋34座,特大橋1座(龍江特大橋)。橋址區(qū)路線自龍江鄉(xiāng)邦換村北約500 m處呈南東—北西走向以近垂直的角度跨越龍川江至五合鄉(xiāng)大丙弄村南東,橋軸線走向307°。大橋推薦橋型方案為單跨懸索橋,最大橋高280 m,主跨徑1178 m。其控制性工程——龍江特大橋處于上新統(tǒng)芒棒組玄武巖夾砂礫巖地層區(qū),跨徑逾千米,邊坡高達(dá)280 m,邊坡的穩(wěn)定性對特大橋建設(shè)至關(guān)重要。

遙感解譯資料(云南地質(zhì)工程第二勘察院,2005)顯示(圖1),龍江大橋近場區(qū)龍江河谷兩岸由滑坡、火山活動等形成的環(huán)狀構(gòu)造特別發(fā)育,在云南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站 2003—2006年完成的騰沖縣及龍陵縣兩縣地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與區(qū)劃報(bào)告中,將芒棒盆地地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性劃分為“特高易發(fā)區(qū)”。

因此對橋位區(qū)附近滑坡的分析研究是十分必要的,滑坡穩(wěn)定性分析是龍江大橋邊坡穩(wěn)定性分析中的重要內(nèi)容之一,一方面,滑坡對大橋工程存在直接影響,另一方面,對既有滑坡破壞模式(范文等,2006)的研究,可作為進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析時(shí)的類比對象。

圖1 龍江特大橋周邊待查滑坡分布圖Fig.1 Distribution of landslides to be ascertained around the Longjiang Giant Bridge

滑坡調(diào)查是本勘察項(xiàng)目工程地質(zhì)測繪的主要內(nèi)容,龍江大橋橋位區(qū)則是本次勘察的重點(diǎn)區(qū)域,在地面測繪的同時(shí)動用了鉆探、物探、淺井、探槽和取樣試驗(yàn)手段。橋位區(qū)外圍近場區(qū)其它滑坡主要結(jié)合遙感解譯資料,采用測繪手段對重點(diǎn)區(qū)域現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)查、核實(shí),滑坡區(qū)工程地質(zhì)條件與橋位區(qū)類似,對研究橋位區(qū)邊坡穩(wěn)定性有重要的借鑒意義。

整體滑坡形成于1954年,滑坡下滑時(shí)產(chǎn)生了堵江現(xiàn)象,滑坡產(chǎn)生時(shí)主滑體一次下滑,將龍江右岸向左推移,堰塞湖翻壩后龍江河床左移,原本右凹的河床現(xiàn)變?yōu)槠街焙佣?。同時(shí),滑坡后緣留下高近百米的陡崖和滑坡洼地,滑坡主滑體滑動結(jié)束后,滑體后部陡崖及兩側(cè)壁上受滑坡牽引拉張面松動的巖體進(jìn)一步崩塌、滑塌,使后緣洼地變淺,周界形態(tài)進(jìn)一步改造變化成為現(xiàn)狀下的不規(guī)則形狀。另根據(jù)滑坡后部陡崖高度推算,滑坡滑動時(shí)的垂直位移量約為70～90 m。

1 龍江特大橋1號滑坡區(qū)巖層特征和水文地質(zhì)特征

龍江特大橋1號滑坡發(fā)育于龍川江河床至Ⅲ級階地前緣部位新近系上新統(tǒng)芒棒組二段玄武巖夾砂巖、礫巖、粘土巖、透鏡狀粘土巖地層中,共有 3個(gè)砂巖、粘土巖夾層?；滤幍貙迎h(huán)境為:后部陡崖頂出露第四旋回花崗質(zhì)砂礫巖夾粘土巖,厚度1.3～39 m;后部陡崖及兩側(cè)Ⅲ階地前緣至Ⅱ級階地后緣之間陡坡部位出露玄武巖,厚度約 150 m;Ⅱ級階地前緣部位分布有第三旋回底部砂巖、粘土巖,滑坡體上于ZK27、ZK29號鉆孔內(nèi)滑床穩(wěn)定地層內(nèi)揭露到該層位,厚度 6.1～9.3 m;第二旋回底部砂巖、粘土巖夾層位于河床上26 m至下90 m(推測),高程1085～1201 m范圍;第二旋回玄武巖地貌上位于Ⅰ級階地后緣至Ⅱ級階地前緣部位。故H1滑坡發(fā)育的地層環(huán)境為第二、三旋回的玄武巖。

(1)滑體為第四系松散土層,其中包含礫亞粘土、碎石土、塊石土三個(gè)亞層?；瑤林饕植加谛鋷r弱風(fēng)化層頂面,局部位于強(qiáng)風(fēng)化層底部或凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)玄武巖、凝灰質(zhì)砂巖頂部。巖性為強(qiáng)風(fēng)化砂狀、角礫狀玄武巖;玄武巖、凝灰?guī)r風(fēng)化的可塑狀粘性土。

(2)滑床主要由芒棒組二段第二、第三旋回旋玄武巖夾兩層砂巖、粘土巖軟弱層構(gòu)成,玄武巖層弱風(fēng)化且?guī)r體相對較為完整;第二旋回底部砂巖、粘土巖軟層僅在滑坡前緣出露,第三旋回底部砂巖、粘土巖軟弱層分布高程大致在 1269.8～1281.7 m,大致與橋位區(qū)內(nèi)龍江Ⅱ級階地前緣部位對應(yīng)。

龍江特大橋1號滑坡產(chǎn)生前,從位于滑坡外圍的分水嶺形態(tài)可以看出,龍江特大橋 1號滑坡產(chǎn)生前,坡面上亦是一個(gè)以現(xiàn)地表分水嶺為界的獨(dú)立匯水區(qū)域,斜坡上產(chǎn)生的地表水流通過數(shù)條小沖溝匯集后流入龍江,滑坡的產(chǎn)生并未改變原有匯水條件(圖2)。

圖2 龍江特大橋1號滑坡工程地質(zhì)剖面縮略圖Fig.2 Simp lified engineering geological section of No.1 landslide in Longjiang Giant Bridge area

滑坡體地下水補(bǔ)給來源為大氣降雨,滑體內(nèi)僅在雨季或雨季后一段時(shí)間內(nèi)存在重力水,滑體上地下水的流動速度快,排泄迅速。地下水位高時(shí),滑體上松散巖類孔隙水于滑體中前部以泉或沿溝溢出的方式排泄。

滑床及周邊玄武巖裂隙孔洞水及砂巖、粘土巖孔隙裂隙水主要接受大氣降雨補(bǔ)給,地下水補(bǔ)給下滲、賦存及運(yùn)移通道主要為玄武巖中的節(jié)理、氣孔及砂巖、粘土巖孔隙三種,逕流方向以坡頂向龍江河谷方向?yàn)橹?排泄方式有泉、沿溝河溢出等方式。

2 滑坡形態(tài)描述

龍江特大橋 1號滑坡位于龍江橋 K21+208～K21+656段右側(cè)149～754 m范圍,主滑體龍江特大橋1號—1平面形態(tài)似“馬蹄形”,兩側(cè)次級滑塊呈長條形或半圓形。各次級滑塊規(guī)模詳見表 1。該滑坡前緣高程1183～1184 m,后緣高程1350 m?；麦w在軸向剖面線上中前部呈直線型,地形坡度29°。后部存在兩級滑坡平臺,并存在洼地。一級平臺位于主滑體北部,高程 1300～1360 m,平臺呈南北向(垂直滑坡滑動方向)延伸,長 130 m,寬 30～70 m,平臺前緣形成了四面高起中部下凹的洼地。二級平臺位于主滑體南部,高程 1300～1400 m,平臺呈長軸方向南北的橢圓形,長130 m,寬70 m,平臺上存在順滑坡拉張裂縫發(fā)育的南北向溝谷及洼地。

3 滑坡破壞模式和形成機(jī)制

3.1 破壞模式分析

本次勘察期間對滑坡周邊巖體結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)查和統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果顯示:滑坡周邊發(fā)育的 8組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面,代表性產(chǎn)狀見表2。第⑦組節(jié)理對滑坡的形成至關(guān)重要,其傾向與坡向相同,傾角較坡略緩,是斜坡巖體在應(yīng)力作用下破裂面發(fā)展過程中追蹤的主要軟弱面。傾向近東、西向(第①組)結(jié)構(gòu)面可作為第⑦組結(jié)構(gòu)面的補(bǔ)充,在滑裂面在沿第⑦組節(jié)理發(fā)展受阻時(shí)可轉(zhuǎn)沿第①組節(jié)理發(fā)展,直到與下一段節(jié)理面串通,最終形成階梯式滑裂面。

由此可看出,龍江特大橋 1號滑坡存在形成切割邊界的陡傾角結(jié)構(gòu)面組合,亦存在形成滑裂面的結(jié)構(gòu)面組合。從滑坡后部陡崖及南側(cè)巖壁形態(tài)和結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況分析,滑坡后部和側(cè)面邊界主要由陡傾角結(jié)構(gòu)面控制,而滑動面主要由第⑦組結(jié)構(gòu)面起主控作用,第①組起輔助作用。結(jié)構(gòu)面構(gòu)成滑坡邊界條件的組合方式如圖3所示。

表1 龍江特大橋1號滑坡次級滑塊形態(tài)、規(guī)模一覽表Table 1 Morphologies and scales of sub-blocks of No.1 landslide

表2 龍江特大橋1號滑坡后部陡崖優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面代表性產(chǎn)狀一覽表Table 2 Representative attitudes of preferred planes of rear scarps of No.1 landslide

根據(jù)鉆探揭露結(jié)合周界形態(tài)分析,龍江特大橋1號滑坡滑動面為折線型,滑動面傾角17°～34°。如前所述,滑坡周邊巖體內(nèi)普遍存在傾向與坡向相同,陡傾角和緩傾角的二組節(jié)理,其中傾角與滑面傾角相近的一組節(jié)理面為巖體變形時(shí)破裂面追蹤的主要對象。陡傾角節(jié)理面對破裂面形成的貫通起輔助作用,即在破裂面沿⑦組節(jié)理面沿伸受阻時(shí),①組節(jié)理面可起到溝通作用。

綜上所述,龍江特大橋 1號滑坡形成時(shí)的破壞模式為整體滑動型,滑動速度為速滑方式?；庐a(chǎn)生前,滑坡后部及兩側(cè)邊界已存在,此邊界由巖體中節(jié)理幾組節(jié)理面對巖體交叉切割形成,其中后部邊界由1～3組結(jié)構(gòu)面共同切割巖體形成。

滑動面形成是巖體在重力、地下水壓力等內(nèi)部應(yīng)力作用下,巖體沿結(jié)構(gòu)面不斷位移變形且漸進(jìn)式由上向下擴(kuò)展?；瑒用嫦蛳掳l(fā)展到一定程度后,坡體中沿破裂面跡線方向未貫通的巖體難以抵抗上部強(qiáng)大的剪應(yīng)力而在瞬間破壞,形成快速下滑的滑坡。

圖3 龍江特大橋1號滑坡邊界形成模式解析圖Fig.3 Formation model of the boundary of No.1 landslide

3.2 滑坡形成機(jī)制

橋位區(qū)所在區(qū)域內(nèi)滑坡、崩塌成因與新構(gòu)造運(yùn)動及外動力地質(zhì)作用密切相關(guān),由前述可知,橋位區(qū)周邊滑坡、崩塌基本上產(chǎn)生在龍江河谷或其支流近龍江入口段。存在此分布規(guī)律,除因地殼上升、龍江強(qiáng)烈切割形成陡岸坡臨空面外,尚與橋位區(qū)內(nèi)巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育密切相關(guān),結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度和組合方式是玄武巖滑坡形成的關(guān)鍵因素。對龍江岸邊滑動方向與河流流向垂直的滑坡,走向近南北向、北北東—北東向、北西—北北西向的1～3組節(jié)理可構(gòu)成其后邊界,以走向近南北向的一組起主控作用。走向近北東向、近東西向及南西向的1～3組結(jié)構(gòu)面可構(gòu)成其側(cè)邊界,其中以近東西向的結(jié)構(gòu)面起主控作用。走向近東西向的緩傾結(jié)構(gòu)面對滑動面起主控作用,近東西向的中、陡傾角結(jié)構(gòu)面可起到溝通輔助作用。構(gòu)造運(yùn)動是結(jié)構(gòu)面形成的最主要因素,而橋位區(qū)內(nèi)新近系玄武巖則主要是新構(gòu)造運(yùn)動的產(chǎn)物。因此,橋位區(qū)周邊滑坡、崩塌發(fā)育,歸根結(jié)底是新構(gòu)造運(yùn)動和河流侵蝕作用的結(jié)果。

龍江特大橋1號滑坡的成因除上述因素外,水文地質(zhì)條件亦是不可忽視的因素。前已述及,龍江特大橋 1號滑坡區(qū)存在一獨(dú)立的匯水單元,后部陡崖上方發(fā)育數(shù)條小沖溝,沖溝水流長期沿裂縫滲入是促成滑面形成貫通的重要因素。地層巖性是構(gòu)成邊坡的物質(zhì)基礎(chǔ)。巖性決定了巖石的強(qiáng)度、抗風(fēng)化能力、遇水軟化等性質(zhì),這些都會直接影響邊坡的穩(wěn)定性。地層中的軟弱夾層及其空間分布組合若形成順坡向夾層,則這些軟弱夾層就構(gòu)成邊坡穩(wěn)定性的控制層位,如該區(qū)玄武巖中的凝灰?guī)r、砂巖中的粘土巖。其自身強(qiáng)度均較低,抗風(fēng)化能力差也易于軟化,強(qiáng)度若進(jìn)一步降低,由其控制的邊坡穩(wěn)定性較差。

雖然地表的殘坡積松散層和全-強(qiáng)風(fēng)化層處在地表,其穩(wěn)定性相對較差。但其影響深度和范圍有限,對橋基區(qū)影響較小。主要是靠近橋基區(qū)的松散層和全-強(qiáng)風(fēng)化層會對橋基有一定影響,更重要的是結(jié)構(gòu)面組合條件以及強(qiáng)度可能產(chǎn)生潛在較深層的巖層失穩(wěn),這會影響橋基區(qū)的穩(wěn)定性。

4 穩(wěn)定性計(jì)算與分析

4.1 定性分析

龍江特大橋1號滑坡為一次滑動徹底(自地形高處滑至地形最低處)、形成時(shí)間長的老滑坡,滑坡形成時(shí)已有54年。根據(jù)見證者所述,滑坡主滑體一次滑動至龍江河床,主滑體及南側(cè)龍江特大橋 1號～2號次級滑體后再未產(chǎn)生過進(jìn)一步活動。目前滑體后部裂縫、后緣洼地已大部分被陡崖上方崩落的巖塊及水流沖積物充填,兩側(cè)邊界處除地形上的溝谷和滑坡邊界兩側(cè)地層巖性的突變外,其它滑坡特征已消失殆盡,整個(gè)滑體上已長滿植被?；麦w上施工的 4個(gè)勘探孔中所揭露滑帶均含角礫粘土,已固結(jié)成密實(shí)狀。由此判斷,滑坡目前處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4.2 滑面確定

根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查和對滑坡進(jìn)行實(shí)測,選取有代表性的剖面15-1(圖4)。初步判斷可能存在的滑動面,再利用地質(zhì)鉆孔資料進(jìn)一步分析判斷滑動面,對滑坡體剖面在極限平衡狀態(tài)下進(jìn)行穩(wěn)定性分析。結(jié)合龍江特大橋邊坡的情況,經(jīng)綜合分析確定龍江特大橋 1號滑坡安全控制標(biāo)準(zhǔn)為:在考慮地震影響時(shí)穩(wěn)定安全系數(shù)取 1.05;暴雨或連續(xù)降雨工況下取1.1;天然狀態(tài)下取1.30。

龍江特大橋邊坡工程安全等級屬一級邊坡。邊坡處于地震等荷載作用狀態(tài)下的工況取 1.05～1.15;邊坡處于暴雨或連續(xù)降雨?duì)顟B(tài)下的工況取 1.1～1.2;邊坡處于天然狀態(tài)下的工況取1.20～1.30。

4.3 參數(shù)取值

滑帶土的抗剪強(qiáng)度,對滑坡穩(wěn)定性計(jì)算和抗滑工程設(shè)計(jì)是一個(gè)非常重要的參數(shù),它的正確選擇直接影響到滑坡穩(wěn)定性計(jì)算的準(zhǔn)確性和抗滑工程設(shè)計(jì)的合理性。

圖4 龍江特大橋1號滑坡15-1剖面滑裂面計(jì)算圖Fig.4 Calcula tion diagram of slip surface along 15-1 profile of No.1 landslide

本文采用反算和試驗(yàn)綜合取值確定滑坡抗剪強(qiáng)度參數(shù),具體過程如下:根據(jù)野外實(shí)測和勘察成果,繪制出滑坡主滑斷面的工程地質(zhì)剖面圖;然后進(jìn)行大剪試驗(yàn),測定在外力作用下,特大橋所處邊坡的砂礫巖、玄武巖及其軟弱夾層巖土體本身的抗剪強(qiáng)度和變形的試驗(yàn),求出特大橋邊坡巖土體的正應(yīng)力與剪應(yīng)力的關(guān)系,為驗(yàn)算特大橋邊坡的穩(wěn)定性提供巖土體評價(jià)基礎(chǔ)的依據(jù)。通過綜合取值(云南地質(zhì)工程第二勘察院,2008)大致確定滑動面及各有關(guān)巖層的容量、粘聚力、內(nèi)摩擦角的取值范圍。相關(guān)參數(shù)和抗剪強(qiáng)度如表3、表4。

表3 滑坡土體物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表Table 3 Phy sical and mechanical indexes of landslide soil mass

表4 滑坡抗剪強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)表Table 4 Statistics of shear strength of landslide

表5 龍江特大橋1號滑坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表Table 5 Calculation results of stability of No.1 landslide

4.4 安全系數(shù)計(jì)算

由于各滑裂面巖層分布復(fù)雜,結(jié)合滑坡區(qū)地形起伏、巖性分層、地下水位及其變化、滑坡區(qū)堆積體地形、地質(zhì)及水文特征等綜合分析,粘聚力和摩擦角綜合計(jì)算值,分別使用斯賓塞法(Spencer法)、傳遞系數(shù)法(顯式)、畢肖普簡化法(Bishop簡化法),沙爾瑪法(Sarma法)和瑞典圓弧法(方玉樹,2008;張健等,2005)進(jìn)行綜合計(jì)算。表中給出了滑裂面各種工況下安全系數(shù)。計(jì)算結(jié)果見表5。

從表 5中可以看出,該滑坡在各工況下均處于穩(wěn)定狀態(tài),安全系數(shù)在標(biāo)準(zhǔn)值以上,與滑坡目前整體穩(wěn)定狀態(tài)一致。所以滑坡目前處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 不利因素分析

(1)造成滑坡產(chǎn)生的主導(dǎo)因素——龍江對滑坡前緣的側(cè)蝕作用依然強(qiáng)烈,滑坡前緣原為龍江河流凹岸,因滑坡下滑改造,目前成為平直河段,河床內(nèi)現(xiàn)有2～10 m寬的河漫灘,漫灘后存在2～8 m高的松散堆積層陡坎,多見新鮮坍塌的痕跡,為汛期洪水沖蝕作用的結(jié)果。河流側(cè)蝕使滑坡前緣陡崖進(jìn)一步變陡,可促使滑坡整體或局部復(fù)活。

(2)滑體后部陡崖上方數(shù)條小沖溝,溝水流向滑體,于后壁頂部貫通地表的裂縫及滑體后部塊石、碎石層滲入補(bǔ)給滑體內(nèi)地下水,這是影響滑坡及后部陡崖穩(wěn)定的重要因素。

(3)滑坡后部陡崖卸荷節(jié)理發(fā)育,自陡崖頂起算,卸荷帶最寬處80 m,卸荷節(jié)理延伸到地表寬度最大20 cm,地表可見的延伸長度 80 m。陡崖高度70～90 m,陡崖面坡度55°～70°,目前陡崖面上仍不時(shí)發(fā)生小規(guī)模崩塌,龍江特大橋 1號滑坡后部陡崖屬不穩(wěn)定邊坡。

6 結(jié)論

(1)通過對滑坡穩(wěn)定性以及不利因素的分析,得出龍江特大橋 1號滑坡目前處于穩(wěn)定狀態(tài),但在前緣河流側(cè)蝕及后部溝水匯入的長期影響下,滑坡仍有可能出現(xiàn)整體復(fù)活或局部復(fù)活?；略俅位顒?會使后部陡崖進(jìn)一步變得高陡,促使陡崖卸荷變形帶變寬,向后擴(kuò)展影響到右岸橋墩。

(2)目前,對龍江特大橋 1號滑坡穩(wěn)定性存在不利影響的自然及人為因素尚有多個(gè)方面。因此提出幾點(diǎn)防治建議:

a、滑坡前緣修筑人工河堤,消除河流對滑坡的側(cè)蝕作用。

b、滑坡后部陡崖上方結(jié)合陡崖邊坡防治設(shè)置排水工程,將后部小沖溝水流引從兩側(cè)穩(wěn)定沖溝排除邊坡區(qū)。

c、保護(hù)滑坡區(qū)地表植被和地質(zhì)環(huán)境,禁止在滑坡體上進(jìn)行大面積切坡開挖。