鄂西北山區(qū)高速公路滑坡災(zāi)害成因機(jī)制與穩(wěn)定性分析

王云安 王紅明 肜增湘 陳小明

（湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院 武漢 430051）

鄂西北山區(qū)境內(nèi)崇山峻嶺，山川河谷交錯(cuò)，垂直變化大，地形地貌復(fù)雜，廣泛分布元古界武當(dāng)山群變質(zhì)巖，受區(qū)內(nèi)的青峰斷裂帶影響大斷裂控制，出露的石英云母片巖風(fēng)化強(qiáng)烈，節(jié)理裂隙非常發(fā)育，片理面間結(jié)合力較弱，巖石遇水易軟化，工程地質(zhì)條件較差。最突出的就是開挖高邊坡失穩(wěn)，邊坡嚴(yán)重變形，易誘發(fā)邊坡的順層滑動(dòng)。

1 滑坡地質(zhì)環(huán)境條件

1.1 地形地貌

滑坡區(qū)屬構(gòu)造剝蝕侵蝕低山區(qū)。滑坡區(qū)地表高程380～525 m，地形坡度一般20°～40°，局部陡峭。

1.2 區(qū)域構(gòu)造

滑坡位于青峰斷裂帶內(nèi)，青峰斷裂帶是由數(shù)條逆沖斷層、破碎帶及脆韌性剪切帶、逆沖推覆構(gòu)造共同組成的脆～韌性逆沖推覆剪切帶，主要活動(dòng)于印支～燕山期，局部被喜馬拉雅期由南北向淺表層次的脆性斷裂所改造，具多期活動(dòng)特征。斷裂帶呈近東西向展布，斷層面波狀起伏向北傾斜，傾角25°～70°，長100 k m，寬0.75～4 k m。

1.3 地層巖性

根據(jù)鉆孔揭露，滑坡區(qū)地層為雙層結(jié)構(gòu)，下部為元古界武當(dāng)山群片巖（Pt2wb）上部蓋層為第四系（Q）。

粉質(zhì)粘土：褐黃色，土黃色，松散－硬塑狀，表層夾有少量植物根系，下部包含10%～15%的碎石，碎石直徑一般1～4 c m，多是菱角狀。局部含有少量鐵錳質(zhì)結(jié)核，切面較光滑。

碎石土：灰黃色－灰綠色，稍濕。松散－中密狀，土石比4∶6～2∶8，碎石主要成分為強(qiáng)風(fēng)化片巖，碎石直徑一般2～10 c m，局部夾有塊石，塊石直徑一般20～40 c m，多呈次菱角狀，少量菱角狀，充填物為粉質(zhì)粘土，稍濕，可塑。

滑帶土：灰黃色～灰綠色，稍濕，可塑，主要粉質(zhì)粘土和碎石組成，碎石成分為強(qiáng)風(fēng)化片巖，粒徑一般1～2 c m，次棱角狀，次圓狀。

強(qiáng)風(fēng)化石英片巖：青灰色，裂隙很發(fā)育，巖體結(jié)構(gòu)大部分被破壞，風(fēng)化強(qiáng)烈。

中風(fēng)化石英片巖：青灰色，變晶結(jié)構(gòu)，片狀構(gòu)造，主要礦物成分為石英、云母、長石等。基巖順坡向，產(chǎn)狀355°∠40°。

2 滑坡范圍

滑坡前緣高程為399 m、后緣高程為492 m，高差93 m，縱向長約300 m、前緣區(qū)寬約250 m，滑坡區(qū)面積約7.5×104m2，滑坡體積為300×104m3［1］?；虑熬墶⒑缶壖坝覀?cè)邊界明顯，均可在地面見貫通性裂縫；左側(cè)邊界后部較為明顯。表現(xiàn)為前緣剪出口明顯、后緣裂縫張開與錯(cuò)落明顯，右側(cè)以剪切裂縫為主，左側(cè)靠后部發(fā)育剪切裂縫。

3 滑坡穩(wěn)定性分析

3.1 滑面的確定

根據(jù)現(xiàn)場的地質(zhì)調(diào)查、鉆探與邊坡變形監(jiān)測成果分析，滑坡存在淺層和深層2個(gè)主滑面，工程開挖過程中共發(fā)生過2次滑動(dòng)。深層滑動(dòng)面前緣剪出口出露在低于開挖的一級邊坡平臺(tái)面以下，相對淺層滑動(dòng)面前緣剪出口位于二級坡面坡腳一帶斜向延伸至深層滑面剪出口。其中，深層滑坡主滑方向?yàn)榻保瑴\層滑坡主滑方向?yàn)楸逼珫|約23°，淺層滑動(dòng)位移量大于深層滑動(dòng)。

3.2 計(jì)算剖面的選定

滑坡后緣是位于高程488 m處的拉張裂縫，前緣剪出口位于目前路基（高程399 m）中間，以這2個(gè)位置的連線方向作為滑坡的主滑方向，約為NE23°，選擇通過上述2點(diǎn)的剖面I-I′作為滑坡主剖面（見圖1），并據(jù)此進(jìn)行滑面參數(shù)反演。從工程設(shè)計(jì)與安全防護(hù)角度，治理滑坡時(shí)需要將防治措施順路線方向布置，因此，選取通過滑坡后緣裂縫及滑坡中心部位并與設(shè)計(jì)路基方向近乎垂直的剖面作為計(jì)算剖面（II-II′），計(jì)算深層和淺層滑動(dòng)的穩(wěn)定性，見圖2。

圖1 滑帶參數(shù)反演I-I′剖面圖（滑坡主滑方向）

圖2 滑坡穩(wěn)定性計(jì)算II-II′剖面圖（近于垂直路基方向）

3.3 計(jì)算工況

根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》JTGD30－2004中路塹邊坡設(shè)計(jì)要求，邊坡開挖至設(shè)計(jì)路基高程情況下，考慮以下3種工況條件進(jìn)行邊坡穩(wěn)定計(jì)算。（1）正常工況。邊坡處于天然狀態(tài)下的工況。（2）非正常工況I。邊坡處于暴雨或連續(xù)降雨?duì)顟B(tài)下的工況。

（3）非正常工況II。邊坡處于地震等荷載作用狀態(tài)下的工況。

3.4 計(jì)算參數(shù)的確定

滑帶土強(qiáng)度參數(shù)的高低不僅與滑帶土的物質(zhì)成分有關(guān)，而且與滑面形態(tài)、成因機(jī)制、上覆巖土體的厚度有明顯的關(guān)系，這些因素的影響使得滑帶土強(qiáng)度參數(shù)的選取難以用一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行確定，而滑帶土強(qiáng)度參數(shù)取值恰當(dāng)與否，又直接影響到滑坡穩(wěn)定性驗(yàn)算和防治工程設(shè)計(jì)。由此可見，如何恰當(dāng)?shù)剡x取滑帶土強(qiáng)度參數(shù)顯得尤為重要。為了盡可能比較準(zhǔn)確地選取滑帶土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，采用以參數(shù)反演為主，同時(shí)參考土工試驗(yàn)成果、工程地質(zhì)類比分析成果的方案來綜合確定滑帶土的強(qiáng)度參數(shù)［2］。

（1）試驗(yàn)成果分析。根據(jù)勘察試驗(yàn)成果資料的統(tǒng)計(jì)與分析，滑坡巖土參數(shù)取值見表1。

表1 滑坡勘察試驗(yàn)資料巖土參數(shù)

（2）工程實(shí)例類比。工程實(shí)例類比就是在充分考察邊坡地質(zhì)地貌環(huán)境、邊坡結(jié)構(gòu)、成因機(jī)制及發(fā)展演化等特征基礎(chǔ)上，根據(jù)以往邊坡治理工程的具體實(shí)踐和成功經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行類比分析，從而確定巖土體的物理力學(xué)參數(shù)。與本滑坡相類似的滑坡滑帶土參數(shù)取值見表2。

表2 類似滑坡滑帶土計(jì)算經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)［2］

（3）滑帶土參數(shù)反演。本次計(jì)算參數(shù)根據(jù)勘察資料，通過工程類比和參數(shù)反演來綜合確定。該滑坡在持續(xù)降雨條件下，后部出現(xiàn)大量拉張裂縫和陡坎，前緣已存在剪出口，根據(jù)地表位移監(jiān)測成果，可以判定此階段深層滑坡處于蠕滑擠壓階段，即近似于極限平衡狀態(tài)，因此，具備參數(shù)反演條件，選取滑坡主剖面進(jìn)行反演。

根據(jù)滑面不同段所在的巖土層可知，后緣滑面（拉裂縫）發(fā)育在碎石土層中，其余部分均發(fā)育在強(qiáng)風(fēng)化片巖巖層中。另外，根據(jù)滑動(dòng)面形態(tài)可知，發(fā)育在強(qiáng)風(fēng)化片巖巖層中的滑面分為2種類型：①中后部滑面沿強(qiáng)風(fēng)化片巖層理面發(fā)育，滑面較陡，傾角約40°，強(qiáng)度較低；②中前部滑面為片巖的剪切破壞面，其中一段滑面較平緩，傾角約20°，剪出口段陡傾向山內(nèi)，傾角約52°，強(qiáng)度較高。因此，根據(jù)滑面的地質(zhì)成因?qū)⒒姘凑?種類型進(jìn)行滑帶土參數(shù)反演，結(jié)果見表3。

表3 滑坡滑帶土反演參數(shù)表

3.5 穩(wěn)定性計(jì)算分析

穩(wěn)定性計(jì)算采用傳遞系數(shù)法，II-II′剖面穩(wěn)定性計(jì)算模型見圖3，根據(jù)表3中的參數(shù)取值，計(jì)算II-II′剖面的淺層滑坡及深層滑坡在上述工況下的穩(wěn)定性系數(shù)，其計(jì)算結(jié)果見表4。

圖3 II-II′剖面穩(wěn)定性計(jì)算模型

表4 滑坡II-II′剖面穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

滑坡II-II′剖面在天然狀態(tài)下淺層滑坡與深層滑坡穩(wěn)定性系數(shù)均大于1.18，處于基本穩(wěn)定到穩(wěn)定狀態(tài)；在暴雨或持續(xù)降雨?duì)顟B(tài)下，淺層滑坡與深層滑坡穩(wěn)定性系數(shù)小于1.10，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)；在地震荷載狀態(tài)下，深層滑坡穩(wěn)定性系數(shù)小于1.00，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

4 滑坡成因分析

滑坡變形為工程開挖斜坡造成，滑坡范圍受地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)條件控制。其形成具有明顯的內(nèi)在原因——地形地貌與地質(zhì)條件，以及外在原因——路塹邊坡開挖。

4.1 地形地貌條件

滑坡所在的微地貌單元為坡向北偏東的斜坡，天然狀態(tài)下總體坡度30°左右，屬構(gòu)造剝蝕侵蝕低山區(qū)。該斜坡坡腳是峪家灣溝（即流經(jīng)本滑坡前緣的河流）、地勢相對較低，約381.8 m，坡頂為梅花山（即滑坡所在的斜坡山頂），地勢相對較高，約525.3 m，相對高差約143.5 m。

滑坡坡面起伏不平。后緣相對較緩，坡面中部平緩，多為當(dāng)?shù)卮迕窀?，前緣相對較陡。后緣緩坡地形坡度20°左右，中部地形坡度約為15°，前緣為14標(biāo)段開挖坡度45°的路基邊坡。

后緣緩坡地形為地表水匯集下滲及徑流提供了有利條件，后緣匯集的地表水在坡面中部流速降低，有利于雨水下滲進(jìn)入坡體；前緣開挖至公路一級坡坡頂、標(biāo)高400 m，地勢較低，開挖坡面形成一陡峭的臨空面，為滑坡變形提供了良好的空間條件，有利于滑坡的形成。

4.2 地層巖性

第四系（Q）主要為殘坡積物，含有較多碎石，土體松散～稍密狀態(tài)，有利于大氣降水的入滲。

武當(dāng)山群片巖（Pt2 wb）呈褐黃色、灰白色、青灰色，變晶結(jié)構(gòu)，片狀構(gòu)造。該片巖層理發(fā)育，部分層理面被地下水長期浸泡后形成軟弱填充物，為滑坡提供了天然滑面。

該片巖云母、長石含量較高，在地下水作用下，易順層面變質(zhì)軟化，促使邊坡沿層面滑動(dòng)。

4.3 地質(zhì)構(gòu)造

受構(gòu)造影響，滑坡區(qū)地層總體上呈單斜層狀產(chǎn)出，片巖巖層層面產(chǎn)狀：傾向310°～15°，傾角34°～40°，即滑坡方向與巖層傾向一致。巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，將巖體切割呈塊狀。在開挖坡面揭露的巖體中存在2組明顯優(yōu)勢的節(jié)理面，產(chǎn)狀分別為200°∠55°，125°∠63°，局部稍有變化。

4.4 水文地質(zhì)條件

滑坡分布于山梁以下的斜坡地帶，區(qū)內(nèi)地形縱坡較大，為地下水補(bǔ)給、徑流提供了有利條件。在淺層碎石土中為松散介質(zhì)的上層滯水、中下部主要為基巖裂隙水。地下水主要受大氣降水的季節(jié)性補(bǔ)給。地下水接受補(bǔ)給后總體由土層向基巖面、由淺層裂隙向深部裂隙徑流，在坡腳基巖裸露地帶出露，一般具有就地補(bǔ)給、就近排泄的特點(diǎn)。根據(jù)探井與野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，滑坡區(qū)存在穩(wěn)定且豐富的地下水，涌水量大小與不同深度風(fēng)化片巖的節(jié)理裂隙狀況關(guān)系密切。

4.5 路塹邊坡工程開挖

邊坡開挖將原有的緩坡（坡度不大于35°）改造成總體坡度約45°、高度約40 m的階梯狀邊坡，因此，坡度偏陡；同時(shí)，開挖部位在斜坡的坡腳區(qū)，從而失去支撐，降低了斜坡穩(wěn)定性。

綜上所述，該石英片巖巖質(zhì)邊坡的變形失穩(wěn)受巖土結(jié)構(gòu)和地質(zhì)構(gòu)造等因素控制，邊坡開挖、降雨和地表水入滲起到重要的誘發(fā)作用。

5 結(jié)論

（1）順層邊坡的片巖及其節(jié)理裂隙為路塹滑坡的產(chǎn)生奠定基本條件，邊坡工程開挖是滑坡形成的主要誘發(fā)因素，雨水入滲對巖土體，特別是對滑動(dòng)面的軟化作用是滑坡形成的重要影響因素。

（2）穩(wěn)定性分析與評價(jià)中為盡可能比較準(zhǔn)確地選取滑帶土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，可采用以參數(shù)反演為主，同時(shí)參考土工試驗(yàn)成果、工程地質(zhì)類比分析成果的方案來綜合確定滑帶土的強(qiáng)度參數(shù)。

［1］ 湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院.谷竹高速公路K81＋100～K81＋500段左側(cè)滑坡專項(xiàng)分析報(bào)告［R］.武漢：湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，2012.

［2］ 《工程地質(zhì)手冊》編寫委員會(huì).工程地質(zhì)手冊［M］.4版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.