粵北山區(qū)煤系地層滑坡機(jī)理分析與病害處治研究

魏東旭， 李廣景， 劉正銀， 彭雄志

(1.山東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院， 山東 濟(jì)南 250031； 2.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院)

粵北山區(qū)某高速公路K168+419～K168+573段構(gòu)造作用強(qiáng)烈，地質(zhì)條件異常復(fù)雜，地層巖性主要為炭質(zhì)頁(yè)巖、含高嶺石泥質(zhì)砂巖及劣質(zhì)煤層多種巖層，屬于典型的煤系地層。巖質(zhì)頁(yè)巖呈多層間斷分布，具有強(qiáng)度低、相對(duì)隔水、開(kāi)挖暴露地表后風(fēng)化極快、遇水極易軟化、崩解等特征，對(duì)邊坡穩(wěn)定性不利，易產(chǎn)生滑坡等病害，該類滑坡治理難度大，工期長(zhǎng)，已成為邊坡設(shè)計(jì)、施工的難點(diǎn)，是影響施工工期、工程造價(jià)及運(yùn)營(yíng)安全的關(guān)鍵因素之一。該文以K168+419～K168+573段右側(cè)煤系地層滑坡為例，進(jìn)行滑坡機(jī)理分析和病害治理研究。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

滑坡區(qū)路線走向SW269°，路塹總長(zhǎng)約169 m，最大挖深10.9 m，原設(shè)計(jì)為一級(jí)邊坡，坡腳設(shè)置高1.5 m的坡腳墻，一級(jí)邊坡坡率為1∶1，采用掛網(wǎng)客土噴播防護(hù)。

2016年11月完成第一級(jí)邊坡開(kāi)挖，坡頂鋪砌塹頂截水溝，施工過(guò)程中隨著路塹下部土方挖除，臨空面形成，期間連續(xù)強(qiáng)降雨，雨水下滲，邊坡巖土體的重度增加，抗剪強(qiáng)度(c、φ)明顯降低，局部順層地段出現(xiàn)小范圍滑塌，坡面有整體外鼓趨勢(shì)，邊坡后緣出現(xiàn)裂縫并連通，邊坡體沿軟弱帶明顯剪出。由于坡腳積水，含高嶺石泥巖及煤層浸水泥化，強(qiáng)度衰減，發(fā)生潰屈，最終導(dǎo)致?tīng)恳交隆?/p>

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及位移監(jiān)測(cè)顯示，后緣張拉裂縫和滑坡中部剪切裂縫仍在加寬、加深，滑坡前緣出現(xiàn)鼓丘，坡腳反翹?；聟^(qū)工程地質(zhì)平面示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 K168+419～K168+573滑坡平面示意圖

1.2 滑坡特征

建設(shè)期間受連續(xù)強(qiáng)降雨的影響，滑動(dòng)坡面土體出現(xiàn)大量張拉及剪切裂縫，滑坡前緣出現(xiàn)大量鼓脹現(xiàn)象，坡腳處出現(xiàn)剪出口，傾角約8°；滑坡周界裂縫寬為0.5～40 cm不等，裂縫基本貫通，長(zhǎng)度約180 m；滑坡后緣形成錯(cuò)臺(tái)，最深約1.8 m；主滑方向?yàn)镹E155°，傾角約20°。

平面上圈定滑坡形態(tài)總體呈近弧形，長(zhǎng)約75 m，寬約85 m，邊坡塌方(裂縫)總平面面積約6 000 m2，平均厚約7.5 m，經(jīng)過(guò)估算分析滑坡范圍內(nèi)滑動(dòng)土體方量約4.50萬(wàn)m3，滑坡類型為中層中型牽引式滑坡。

滑帶土：通過(guò)勘察及地質(zhì)調(diào)繪揭示，滑動(dòng)帶跡象較明顯，滑帶土以第四系堆積層內(nèi)部相對(duì)軟弱的礫質(zhì)黏性土、碎石土及全風(fēng)化含高嶺石泥質(zhì)砂巖、全風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖為主；滑體：滑體物質(zhì)主要由礫質(zhì)黏性土、碎石土、全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、全風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖等組成，厚度4.0～9.0 m；滑床：滑床物質(zhì)組成主要為強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖、強(qiáng)～中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。

根據(jù)滑動(dòng)特征推測(cè)，深層滑動(dòng)面前部和后緣帶基本沿全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖和全風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖接觸帶滑動(dòng)，中部沿全風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖和強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖接觸帶滑動(dòng)。

1.3 工程地質(zhì)條件

滑坡區(qū)地勢(shì)起伏較大，屬構(gòu)造侵蝕、剝蝕丘陵地貌單元，地表植被茂盛，場(chǎng)地地形整體呈北高南低，地面標(biāo)高113.55～157.54 m，相對(duì)高差20.0～44.0 m，山體坡向多呈北東向，坡度20°～35°，山脊與小沖溝相間分布。根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)繪及鉆孔資料揭示，滑坡區(qū)覆蓋層較薄，主要為礫質(zhì)黏性土、碎石土，下伏基巖主要有侏?系藍(lán)塘群泥質(zhì)砂巖、含高嶺石砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)頁(yè)巖等，且呈交互分布，為典型的煤系地層。

滑坡區(qū)途徑北東向仁化-英德-三水構(gòu)造斷裂帶，受構(gòu)造作用影響，巖層小褶皺極其發(fā)育，巖層熱液交代蝕變顯著。巖層產(chǎn)狀變化起伏大、褶曲多，構(gòu)造裂隙發(fā)育，巖體完整程度差，局部見(jiàn)揉皺現(xiàn)象。

地表水主要為大氣降水，雨季地表徑流較多。地下水由上部土層孔隙潛水、深部基巖裂隙水及滑坡裂縫中的裂隙水組成，主要靠大氣降水入滲補(bǔ)給，排泄多以側(cè)向補(bǔ)給溝谷、沖溝。邊坡區(qū)匯水量大，滲透途徑長(zhǎng)，地表水易大量下滲進(jìn)入坡體。

2 滑坡影響因素及機(jī)理分析

2.1 滑坡影響因素

(1) 地層巖性的影響?；聟^(qū)地層巖性為典型的煤系地層，多為全～強(qiáng)風(fēng)化狀，呈灰白色，淺灰綠色，巖體結(jié)構(gòu)較為松散；受構(gòu)造作用，在低溫?zé)嵋航淮g變作用下，大部分已高嶺土化；多呈透鏡體狀、雞窩狀等多層間斷分布，具有：① 軟硬不均，層間結(jié)合力差，強(qiáng)度低；② 暴露地表后極易風(fēng)化；③ 吸水性強(qiáng)，遇水易軟化、崩解、泥化，失水易干縮開(kāi)裂；④ 強(qiáng)度衰減極低，性能極不穩(wěn)定；⑤ 滲透系數(shù)低，易形成隔水層，在飽水條件下易形成滑動(dòng)帶等特點(diǎn)。上述特性對(duì)邊坡整體穩(wěn)定性極為不利。

在路塹邊坡開(kāi)挖坡面、滑坡側(cè)壁及坡腳剪出口上可以明顯看出：滑坡側(cè)壁含高嶺石泥巖明顯泥化，被明顯擠出。坡腳劣質(zhì)煤層頂部形成顯著的剪出口。

(2) 結(jié)構(gòu)構(gòu)造的影響?；聟^(qū)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)劇烈，節(jié)理裂隙及小褶皺現(xiàn)象明顯，造成邊坡巖土體松散化、網(wǎng)格化。巖土體強(qiáng)度低，坡面優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面與巖層結(jié)構(gòu)面斜交順傾，不利于邊坡整體穩(wěn)定。

(3) 水的作用。建設(shè)期間多持續(xù)集中強(qiáng)降雨，大量雨水沿坡面灌滲，相對(duì)隔水層(炭質(zhì)頁(yè)巖、含高嶺石泥巖或煤層)附近含水量較大，形成軟弱帶。雨水下滲形成地下水，地下水對(duì)滑帶土的長(zhǎng)期浸潤(rùn)不僅致使其軟化、抗剪強(qiáng)度顯著降低，而且增加巖土體自重，增大坡體下滑力；另外，地下水在后緣裂隙中形成靜水壓力和滑體中形成動(dòng)水壓力而增加下滑力。持續(xù)集中強(qiáng)降雨是此滑坡失穩(wěn)變形的主因。

(4) 人為因素的影響。路塹邊坡開(kāi)挖卸荷后，削弱了坡腳的支撐力、改變了坡體的應(yīng)力狀態(tài)和地下水的滲流場(chǎng)，邊坡變陡、臨空面形成、抗滑力減少、巖體強(qiáng)度降低。另外，坡腳排水不及時(shí)，積水現(xiàn)象明顯，巖土體在水的浸泡下產(chǎn)生潰屈失穩(wěn)。

2.2 滑坡病害機(jī)理分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，該滑坡于2016年11月坡體出現(xiàn)2處小范圍滑塌，隨著期間連續(xù)強(qiáng)降雨，2016年12月2處滑塌體裂縫貫通，2017年1月裂縫持續(xù)往深往后緣發(fā)展，后緣錯(cuò)臺(tái)形成，坡腳潰屈。根據(jù)位移監(jiān)測(cè)及地勘資料揭示，淺層滑面位于全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖層內(nèi)及全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖與劣質(zhì)煤層巖層接觸面，深層滑面位于全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖及劣質(zhì)煤層與強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖巖層界面。該滑坡主體依附于含高嶺石泥巖及劣質(zhì)煤層軟弱夾層和不利結(jié)構(gòu)面組合下的類均質(zhì)體弧形滑動(dòng)，破壞模式為多級(jí)多層的牽引式滑動(dòng)。

其形成機(jī)理是：含高嶺石泥巖及劣質(zhì)煤層為軟弱夾層，開(kāi)挖暴露地表后易風(fēng)化、干裂，遇水易軟化、崩解；滲透系數(shù)低，相對(duì)隔水，在持續(xù)集中強(qiáng)降雨條件下易形成滑動(dòng)帶；另外，巖體產(chǎn)狀與邊坡坡面順傾，傾角小于坡角，不利于邊坡穩(wěn)定；邊坡的開(kāi)挖，應(yīng)力釋放，臨空面形成，坡腳應(yīng)力集中。上述巖體出露于坡腳時(shí)，由于坡腳積水，巖體遇水軟化、崩解、泥化，巖土體強(qiáng)度衰減，抗滑段1因抗滑強(qiáng)度不足發(fā)生擠出變形，上部巖土體沿陡傾或緩傾面整體變形。在以上多種不利因素共同作用下坡體易產(chǎn)生潰屈式失穩(wěn)。

3 滑坡穩(wěn)定性分析

3.1 極射赤平投影法分析

極射赤平投影簡(jiǎn)稱赤平投影，該方法一般情況下只需現(xiàn)場(chǎng)量出各個(gè)控制平面的地質(zhì)產(chǎn)狀，可對(duì)巖體邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行快速評(píng)價(jià)，廣泛應(yīng)用于巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析中。

3.1.1 現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)面情況統(tǒng)計(jì)

影響邊坡工程的主要因素是巖體結(jié)構(gòu)面，滑坡區(qū)巖層產(chǎn)狀凌亂，節(jié)理非常發(fā)育，經(jīng)基巖露頭量測(cè)，主要巖層產(chǎn)狀有：SE128°∠32°，主要優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面為：SE144°∠16°、SW217°∠63°等，局部不連續(xù)結(jié)構(gòu)面高角度順傾，多組不利結(jié)構(gòu)面易引起楔形體失穩(wěn)?，F(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)情況如表1所示。

表1 K168+450右側(cè)現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀統(tǒng)計(jì)

3.1.2 邊坡整體穩(wěn)定性分析

一級(jí)邊坡坡率為1∶1，路線坡面與結(jié)構(gòu)面極射赤平投影圖如圖2所示。

圖2 坡面與巖層結(jié)構(gòu)面極射赤平投影關(guān)系圖

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，結(jié)合鉆探資料和圖2分析，初步判斷邊坡體穩(wěn)定性情況如下：

區(qū)內(nèi)構(gòu)造作用強(qiáng)烈，泥質(zhì)砂巖受熱侵蝕作用，發(fā)生輕微變質(zhì)作用；坡體上部巖體風(fēng)化程度高，節(jié)理裂隙發(fā)育，由圖2可知：泥質(zhì)砂巖及炭質(zhì)頁(yè)巖巖層斜交順傾線路臨空面；同時(shí)邊坡巖體結(jié)構(gòu)面之間存在傾向線路臨空面的楔形體組合，均不利于邊坡整體穩(wěn)定。

邊坡開(kāi)挖后，若防護(hù)不及時(shí)或支擋不到位，易沿軟弱帶或傾向臨空面的不利結(jié)構(gòu)面組合產(chǎn)生滑塌。

3.2 滑坡穩(wěn)定性計(jì)算及評(píng)價(jià)

3.2.1 計(jì)算方法的選取

該滑坡穩(wěn)定性計(jì)算采用邊坡工程專業(yè)軟件Geo-Studio軟件中Slope/W模塊。該軟件操作簡(jiǎn)單，能準(zhǔn)確、快速地利用不同方法求解最小穩(wěn)定系數(shù)和最危險(xiǎn)滑動(dòng)面，尤其適用于地質(zhì)條件復(fù)雜的類均質(zhì)體滑坡，該文采用Morgenstern-Price法進(jìn)行穩(wěn)定性分析，本構(gòu)模型為Mohr-Coulomb模型。

3.2.2 計(jì)算滑面及計(jì)算參數(shù)的確定

(1) 計(jì)算滑面的確定

滑動(dòng)面計(jì)算分為兩種：① 淺層滑面；② 深層滑面。根據(jù)專項(xiàng)地質(zhì)勘察結(jié)果，淺層滑面為全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、泥巖與全風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖接觸面的類均質(zhì)體弧形滑動(dòng)面；深層滑動(dòng)面為全風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖與強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖接觸面附近弧形滑動(dòng)面。

滑動(dòng)面的深度根據(jù)專項(xiàng)勘察和深層位移監(jiān)測(cè)綜合確定,地質(zhì)鉆探孔兼作位移監(jiān)測(cè)孔。以TJ20-6鉆孔位移監(jiān)測(cè)為例，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示淺層滑面位于7.5 m左右，即強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖頂面，與鉆探揭示的結(jié)果吻合?；w深度-位移圖見(jiàn)圖3。

圖3 滑體深度-位移圖

(2) 計(jì)算參數(shù)的確定

邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)室內(nèi)土工試驗(yàn)及工程地質(zhì)類比法確定，土、石工程等級(jí)按文獻(xiàn)[2]附表J確定。邊坡體巖土物理力學(xué)參數(shù)(天然狀態(tài))及土石分級(jí)見(jiàn)表2。

根據(jù)文獻(xiàn)[3]的5.3款，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)與邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表3所示。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，滑坡體周界裂縫完全貫通，錯(cuò)臺(tái)、側(cè)壁剪出口、坡腳反翹明顯，滑坡正處于滑動(dòng)階段，假定滑坡沿淺層滑動(dòng)面滑動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性系數(shù)為0.95；深層滑面處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，假定其穩(wěn)定性系數(shù)為1.05。

表2 巖土物理力學(xué)參數(shù)及土石分級(jí)

表3 邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)劃分

注：Fst為邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。

煤系地層親水性強(qiáng)，遇水軟化，經(jīng)過(guò)多次降雨過(guò)程干濕交替后，強(qiáng)度下降較快，參數(shù)選取時(shí)，黏聚力及內(nèi)摩擦角取值不宜超過(guò)15 kPa、15°，參考室內(nèi)土工試驗(yàn)及相似工程類比，滑體的重度取20.0 kN/m3(飽水狀態(tài))，根據(jù)文獻(xiàn)[5]，黏聚力(c)和內(nèi)摩擦角(φ)在一定的參數(shù)變化區(qū)間內(nèi)對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響程度比值約為1∶3，故假定參數(shù)黏聚力(c)和安全系數(shù)(Fs)值反算內(nèi)摩擦角(φ)。該滑坡在開(kāi)挖后出現(xiàn)滑移，因此，取開(kāi)挖后的坡體進(jìn)行參數(shù)反演，計(jì)算模型見(jiàn)圖4，參數(shù)反演結(jié)果見(jiàn)表4。

圖4 飽水狀態(tài)下淺層滑面計(jì)算參數(shù)反演模型

狀態(tài)滑面滑帶土天然重度/(kN·m-3)黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)飽水狀態(tài)淺層滑面深層滑面主滑段20.0011.5010.40牽引段20.00032.00主滑段20.0011.8010.50牽引段20.00032.00

(3) 剩余下滑力計(jì)算

卸載后，取主滑面在飽水工況下沿深層滑面滑動(dòng)時(shí)穩(wěn)定安全系數(shù)為1.20，反算剩余下滑力，計(jì)算模型見(jiàn)圖5，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

圖5 主滑帶深層滑面剩余下滑力計(jì)算模型

滑動(dòng)面剩余下滑力/(kN·m-1)滑面Ⅰ主滑面Ⅱ滑面Ⅲ深層滑面297.0395.0312.0

4 治理方案及整治效果

4.1 滑坡治理方案

該處滑坡地層條件差，深層滑面埋深大，同時(shí)坡面坍塌區(qū)域多，滑坡支擋和防護(hù)量大，宜采用削方減載+支擋防護(hù)等綜合治理方案。削方減載可清除表層坍塌巖土體，在減小錨固深度、減小剩余下滑力、降低加固難度和工程量的同時(shí)，降低坡面防護(hù)工程量。

邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)遵循“緩坡率、寬平臺(tái)、固坡腳”的設(shè)計(jì)原則。為了盡量控制開(kāi)挖規(guī)模，將滑坡分兩級(jí)卸載，一級(jí)高度由原設(shè)計(jì)8 m調(diào)整為6 m、二級(jí)邊坡一坡到頂，一級(jí)平臺(tái)寬4 m，第一、二級(jí)坡率變更為1∶1.25；因坡腳松散且已經(jīng)剪出，坡腳設(shè)置2 m寬碎落臺(tái)，并設(shè)置兩排豎向鋼花管注漿，管長(zhǎng)6.0 m，用以加固坡腳土體。

支擋方案：一級(jí)邊坡采用人字形骨架內(nèi)+5～6 cm掛網(wǎng)客土噴播植草防護(hù)，二級(jí)邊坡采用錨桿格梁護(hù)坡，按照3 m間距布設(shè)，錨桿長(zhǎng)度11 m，頂部和底部各增設(shè)一道橫梁加固?？紤]到煤系地層成孔困難，不易錨拉成功，預(yù)應(yīng)力損失大，為根治到底、不留后患，在一級(jí)邊坡平臺(tái)布設(shè)一排抗滑樁?？紤]到區(qū)域降雨頻繁、降水量大，且方形抗滑樁施工難度高、風(fēng)險(xiǎn)大，采用旋挖鉆孔法施工，樁徑取2.0 m，樁間距4 m。錨桿格梁+抗滑樁支擋方案橫斷面設(shè)計(jì)如圖6所示。

4.2 整治效果

該滑坡利用Slope/W軟件進(jìn)行穩(wěn)定性分析計(jì)算，采用錨桿格梁+抗滑樁對(duì)滑坡進(jìn)行治理，得出在非正常工況(飽水狀態(tài))下治理后的滑坡穩(wěn)定性系數(shù)由加固前的1.08提高至1.22，邊坡由欠穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)抗滑樁提供的抗力為450 kN/m，滿足規(guī)范的一般規(guī)定，即抗滑安全系數(shù)對(duì)高速公路宜采用1.2～1.3。后期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，采用該方案加固后，邊坡變形得到顯著控制，處于穩(wěn)定狀態(tài)，治理效果良好。主滑面加固后穩(wěn)定性示意圖如圖7所示。

圖6 K168+510錨桿格梁+抗滑樁支擋方案典型橫斷面設(shè)計(jì)圖(單位：m)

圖7 主滑面加固后穩(wěn)定性示意圖(不考慮地震作用)

5 結(jié)論

通過(guò)地質(zhì)調(diào)繪、病害調(diào)查、專項(xiàng)勘察、位移監(jiān)測(cè)等手段，對(duì)K168+419～K168+573段右側(cè)煤系地層滑坡進(jìn)行多方面分析與評(píng)價(jià)，得出以下結(jié)論：

(1) 煤系地層具有遇水極易軟化、崩解、泥化等特點(diǎn)，比一般巖層水敏感性強(qiáng)，屬于典型的易滑地層，此類邊坡在設(shè)計(jì)和滑坡處治時(shí)更應(yīng)注重防排水設(shè)計(jì)。

(2) 煤系地層具有質(zhì)地軟、強(qiáng)度低、軟硬不均、滲透系數(shù)低等特性，易形成軟弱帶，其層面往往是潛在的滑動(dòng)面，滑坡專項(xiàng)勘察及設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)作為重點(diǎn)考慮，并結(jié)合位移監(jiān)測(cè)、滑坡病害調(diào)查等進(jìn)行驗(yàn)證。

(3) 煤系地層滑坡病害分析及設(shè)計(jì)時(shí)，宜按飽水工況進(jìn)行分析計(jì)算；剩余下滑力的計(jì)算及滑坡治理時(shí)，應(yīng)按深層滑動(dòng)面進(jìn)行分析。

(4) 煤系地層成孔困難，錨桿(索)不易錨拉成功，預(yù)應(yīng)力損失大，此類滑坡處治時(shí)宜采用抗滑樁，并結(jié)合錨桿(索)、防排水設(shè)計(jì)等進(jìn)行綜合治理。

(5) 煤系地層滑坡處治時(shí)，應(yīng)在滑帶土尚未降低至殘余強(qiáng)度前，盡快判明滑坡規(guī)模、性質(zhì)、影響范圍及潛在危害性，及時(shí)加強(qiáng)排水、減重、反壓等措施，遵循治早治小的原則，充分利用巖土體的天然抗力，節(jié)省工程數(shù)量和投資。