強(qiáng)降雨與地下水作用下公路施工期滑坡分析與治理

孫云龍，王艷坤，劉 杰，段彥福

(1.新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830006；2.石河子大學(xué) 水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832003)

0 引 言

中國(guó)山區(qū)面積約占總地域面積的70%。在山嶺地區(qū)修筑公路時(shí)經(jīng)常會(huì)遇到滑坡地質(zhì)災(zāi)害，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。水是很多滑坡甚至大型滑坡的直接誘發(fā)因素，尤其是強(qiáng)降雨引發(fā)的滑坡，頻度最高[1]。這種情況在工程建設(shè)過(guò)程中相當(dāng)普遍，例如：2010年，受連續(xù)暴雨天氣影響，貴州北部多處在建公路發(fā)生山體滑坡，造成了重大經(jīng)濟(jì)損失；2011年，福建省雙永高速在施工過(guò)程中，強(qiáng)降雨誘發(fā)滑坡，造成7人遇難；2013～2014年，凱羊高速公路在施工過(guò)程中，因開(kāi)挖和降雨等因素先后誘發(fā)多次連續(xù)大變形，引起二級(jí)大型牽引式順層滑坡。

由于公路施工使地形、地貌產(chǎn)生一定的改變，削方減載與填土反壓工程導(dǎo)致巖土體受力狀態(tài)發(fā)生變化，暴雨入滲和地下水位變化，伴生巖土體強(qiáng)度劣化，引起地質(zhì)狀況的急速惡化，導(dǎo)致施工過(guò)程中滑坡的發(fā)生。因此，施工過(guò)程中公路降雨型滑坡成因復(fù)雜多樣，滑坡防治方案比選、優(yōu)化及實(shí)施難度大，如何對(duì)施工過(guò)程中降雨型滑坡進(jìn)行防治，一直是滑坡研究中的熱點(diǎn)問(wèn)題。

不少學(xué)者對(duì)施工過(guò)程中降雨誘發(fā)邊坡滑坡問(wèn)題做了許多研究。王浩等[2]基于沈海復(fù)線高速公路漳州段K65滑坡在路塹開(kāi)挖后被觸發(fā)的治理工程，解釋了路塹高邊坡施工過(guò)程中的降雨觸滑機(jī)制。王鎮(zhèn)輝[3]以松建高速A6合同段左側(cè)邊坡降雨誘發(fā)的較大滑坡為背景，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)繪、鉆孔資料和已有的監(jiān)測(cè)位移進(jìn)行研究，分析了滑坡的變形破壞特征、成因，提出了治理方案和建議。趙建軍[4]以湯屯高速公路大量邊坡為例，通過(guò)對(duì)邊坡工程地質(zhì)條件、巖體結(jié)構(gòu)特征、變形破壞模式等的研究，建立了一套較為完善的山區(qū)公路邊坡穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)方法體系。在研究手段方面，張文華[5]、年廷凱[6-7]等借助有限元分析軟件研究邊坡穩(wěn)定性，安玉科[8]、鄧小鵬[9]、劉英樸[10]、王志明[11]、羅偉[12]、韋秀東[13]結(jié)合實(shí)際工程分析了邊坡滑坡抗滑機(jī)理，這些研究成果為解釋降雨誘發(fā)滑坡機(jī)理奠定了理論基礎(chǔ)，但對(duì)于在施工過(guò)程中的持續(xù)降雨與地下水變化的相互作用下，邊坡變形破壞的復(fù)雜機(jī)制及防治措施卻缺乏研究，將相關(guān)理論應(yīng)用于實(shí)踐，并綜合降雨、地下水位變化、地形地貌特征、巖土體力學(xué)性質(zhì)研究滑坡的失穩(wěn)過(guò)程和防治措施尚不多見(jiàn)。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬成為分析降雨型滑坡失穩(wěn)機(jī)理和穩(wěn)定性最有前景的方法之一。

以赤水河谷旅游公路K93+203～K93+496段在施工過(guò)程中發(fā)生的降雨誘發(fā)型滑坡為研究對(duì)象，在現(xiàn)行規(guī)范的基礎(chǔ)上，將有限元分析法和極限平衡法相結(jié)合，考慮地下水位的變化，力圖解釋持續(xù)降雨與地下水變化的相互作用下邊坡的觸滑機(jī)制和治理措施，為類似工程災(zāi)害的防控提供參考和依據(jù)。

1 工程概況

K93滑坡位于赤水河谷旅游公路K93+260～K93+460路線右側(cè)，最大開(kāi)挖高度約17 m，分為二級(jí)邊坡，于2015年5月開(kāi)挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高?；聟^(qū)處于低山河谷地貌，微地貌為赤水河右岸斜坡，邊坡上部為粉質(zhì)黏土和人工填土，下伏基巖為強(qiáng)風(fēng)化～中風(fēng)化泥巖、強(qiáng)風(fēng)化～中風(fēng)化砂巖，為典型的二元結(jié)構(gòu)邊坡?；聟^(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，反應(yīng)譜特征周期為0.35 s，地震基本烈度為Ⅵ度?；聟^(qū)位于象鼻場(chǎng)向斜南翼，地層穩(wěn)定，無(wú)斷層及次級(jí)褶皺，巖體呈單斜產(chǎn)出，巖層產(chǎn)狀98°∠9°，邊坡坡向274°，巖層傾向于邊坡坡向176°，為逆向邊坡?；聟^(qū)距離赤水河水平距離約70 m，高于赤水河約70 m，滑坡區(qū)所在的斜坡上方為一寬緩臺(tái)地，臺(tái)地寬150～240 m。自然坡度約15°～20°，坡面為耕植地、灌木林及少量民房?；碌湫凸こ虜嗝嫒鐖D1所示，滑坡體坡腳位置實(shí)地情況如圖2所示。

圖1 滑坡典型工程斷面

圖2 滑坡體坡腳位置

因施工期遭遇多次強(qiáng)降雨，覆蓋層土體沿巖層面在開(kāi)挖邊坡面上剪出、垮塌，坡面出現(xiàn)不同程度開(kāi)裂，危及滑坡體周邊房屋和滑坡體上部國(guó)道安全。通過(guò)地質(zhì)勘察，發(fā)現(xiàn)滑坡地表形態(tài)清晰，滑壁等保存完整，壁面新鮮，滑體物質(zhì)較松散，裂縫發(fā)育，所以可以判斷該滑坡體為新滑坡體。上部由黏土、粉質(zhì)黏土構(gòu)成，整體工程性質(zhì)較差；下部為強(qiáng)風(fēng)化砂巖(J3p)和泥巖(J3p)，晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀，節(jié)理裂隙極發(fā)育，巖質(zhì)極軟，巖體極破，是該地段斜坡的相對(duì)隔水層。當(dāng)有植被時(shí)，雨水無(wú)法直接滲進(jìn)土層，無(wú)法增加土體的重量，所以植被可以減少滑坡的可能性。

2 地下水和強(qiáng)降雨的影響

2.1 地下水

滑坡處地下水位埋深為13.4～21.6 m，均賦存于第四系松散堆積物中，地下水類型為殘坡積層孔隙水、裂隙水，以及強(qiáng)、中風(fēng)化基巖層裂隙水?；聟^(qū)所在的溝谷底部為赤水河，常年流水，滑坡區(qū)遠(yuǎn)高于赤水河河面，無(wú)穩(wěn)定地下水。K93+340、K93+440處坡面有2條間歇性溪流。降雨期間，滑坡區(qū)上方的平臺(tái)及平臺(tái)之上斜坡接收的降水，主要匯集于這兩條溪流，因此滑坡區(qū)地下水主要由間歇性溪流及大氣降水產(chǎn)生的地表水垂直滲入，遇阻水層產(chǎn)生橫向流動(dòng)，沿斜坡下方排入赤水河，坡體內(nèi)的孔隙水以大氣降水和裂隙水補(bǔ)給為主。由于毛細(xì)作用，豐富的地下水會(huì)沿著土的孔隙向上遷移，遷移的這部分毛細(xì)水有可能進(jìn)入潛滑裂面，增加土的容重，進(jìn)而增加下滑力。

2.2 強(qiáng)降雨

圖3 降水滲透深度-潛在滑裂面關(guān)系示意

集中的雨水下滲至下部相對(duì)隔水的巖層后形成相對(duì)的軟弱層，為滑坡形成提供有利條件。另外，滑坡區(qū)有2條間歇性溪流，增加了該地段斜坡的不穩(wěn)定性，上述特殊的坡體地質(zhì)結(jié)構(gòu)、三面臨空的地形條件、溪流的沖刷及集中降雨等有利條件共同導(dǎo)致了該滑坡的形成。根據(jù)降水滑坡的影響可知，降水越均勻、持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，安全穩(wěn)定性越低[14]。圖4為降水持續(xù)時(shí)間與安全系數(shù)的關(guān)系。

圖4 降水持續(xù)時(shí)間與安全系數(shù)的關(guān)系曲線

3 滑坡分布形態(tài)及滑面和滑帶土特征

3.1 滑坡分布形態(tài)

3.1.1 地面裂縫分布規(guī)律及滑坡特征

K93+415～K93+460段裂縫分布于邊坡開(kāi)挖線上方斜坡60 m范圍內(nèi)，主要為張拉裂縫，近似沿順坡面等高線分布。裂縫長(zhǎng)度為13～80 m，開(kāi)裂寬度為5～50 cm，錯(cuò)落0～50 cm。邊坡開(kāi)挖面有剪出、坍塌。K93+260～K93+355段裂縫主要分布于開(kāi)挖線上方斜坡9 m范圍內(nèi)，主要為張拉裂縫，近似沿順坡面等高線分布，裂縫長(zhǎng)10～15 m，開(kāi)裂寬度為2～5 cm，錯(cuò)落0～50 cm，邊坡開(kāi)挖面有剪出，最大剪出約15 cm。K93+355～K93+415段開(kāi)挖邊坡無(wú)剪出、坍塌，但在開(kāi)挖線35 m外裂縫發(fā)育。因該段邊坡及邊坡開(kāi)挖線上斜坡穩(wěn)定，因此該裂縫的產(chǎn)生由K93+415～K93+460段引起。

3.1.2 基巖面分布規(guī)律

滑坡區(qū)基巖面外傾，傾向赤水河，其中K93+260～K93+340段外傾角度為16°～17°，K93+260～K93+340段外傾角度為3°～4°。

3.1.3 基巖面上土體分布規(guī)律

K93+340～K93+460段滑坡邊坡開(kāi)挖線外斜坡上覆蓋層土體厚度為6.1～8.7 m，50 m外由于為填方路基，回填土加原狀土厚度達(dá)13 m。K93+260～K93+340段滑坡邊坡開(kāi)挖面覆蓋層土體厚度為5～7 m，開(kāi)挖線外斜坡土體逐漸增厚，至斜坡與平臺(tái)轉(zhuǎn)折處厚度為11～12.4 m。K93+336沖溝處邊坡開(kāi)挖面土體厚度為12～13 m。

2.1 蝦稻鱖綜合種養(yǎng)投入情況 蝦稻鱖綜合種養(yǎng)模式中，水產(chǎn)苗種及飼料投入較大，其中水產(chǎn)苗種(蝦、鱖魚(yú))成本占總投入的28.9%，水產(chǎn)飼料(蝦飼料+餌料魚(yú)+餌料魚(yú)飼料)成本占總投入的33.1%，共占總投入的62.0%(表2)。

3.2 滑面和滑帶土特征

根據(jù)鉆孔和現(xiàn)場(chǎng)踏勘，此滑坡的滑動(dòng)面有上陡下緩和次級(jí)滑面的特點(diǎn) ?；瑤怯珊穸燃s6 m左右含水量較高的粉質(zhì)黏土組成。滑動(dòng)體長(zhǎng)期處于蠕滑狀態(tài)，該段路基開(kāi)挖后，加劇了滑動(dòng)體的滑移，在大氣降雨和水流沖刷的作用下，滑體坡腳處土質(zhì)穩(wěn)定性變差，從而失穩(wěn)形成了滑體前部的牽引式破壞和滑體后部的落水洞及張拉裂縫。另外，滑坡左側(cè)界受沖溝影響，在局部溝幫位置發(fā)生蠕變，形成多條縱向張拉裂縫。

4 邊坡穩(wěn)定性分析

4.1 折線法邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)該工程滑坡滑裂面形態(tài)，查閱巖土相關(guān)規(guī)范，得到滑坡穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算公式，見(jiàn)式(1)，其中傳遞系數(shù)ψj由式(2)表示，滑動(dòng)力Ri由式(3)表示。

式中：Fs為穩(wěn)定系數(shù)；θi為第i塊段滑動(dòng)面與水平面的夾角(°)；Ri為作用于第i塊段的滑動(dòng)力(kN·m-1)；θi為第i塊段土的內(nèi)摩擦角(°)；ci為第i塊段土的黏聚力(kPa)；Li為第i塊段滑動(dòng)面的長(zhǎng)度(m)；Ti為作用于第i塊段滑動(dòng)面上的滑動(dòng)分力(kN·m-1)，出現(xiàn)與滑動(dòng)方向相反的滑動(dòng)分力時(shí)Ti取負(fù)值；ψj為第j塊段的剩余下滑動(dòng)力傳遞至第j+1塊段時(shí)的傳遞系數(shù)。

根據(jù)滑坡體坡面特征，給滑坡體土條編號(hào)①～⑤，如圖5所示。分別進(jìn)行分析計(jì)算，得到每個(gè)滑塊的安全系和抗滑力，如表1所示。從表1可以看出，①～④號(hào)安全系數(shù)Fs小于最低安全系數(shù)1，該邊坡為不穩(wěn)定坡，需要采取措施進(jìn)行加固處理。

圖5 滑體示意

根據(jù)巖土相關(guān)規(guī)范，滑坡推力采用折線形滑面?zhèn)鬟f系數(shù)法計(jì)算，見(jiàn)式(4)。通過(guò)表1中土的物理參數(shù)計(jì)算抗滑樁抵抗的最大推力，為5.87×103kN·m-1。

表1 抗滑力分析計(jì)算

Ti=FsWisinαi+ψiTi-1-Wicosαitanθi-ciLi

(4)

式中：Ti，Ti-1為第i和第i-1滑塊剩余下滑力(kN·m-1)；Fs為穩(wěn)定安全系數(shù)；Wi為第i滑塊的自重力(kN·m-1)；αi，αi-1為第i和第i-1滑塊對(duì)應(yīng)滑面的傾角(°)；θi為第i滑塊滑面的內(nèi)摩擦角(°)；ci為第i滑塊滑面的黏聚力(kN·m-1)；Li為第i滑塊的滑面長(zhǎng)度(m)；ψi為傳遞系數(shù)。

邊坡開(kāi)挖造成覆蓋層土體沿外傾基巖面滑動(dòng)，根據(jù)計(jì)算擬于下列幾處設(shè)置樁板墻：K93+400～450段右側(cè)50 m處，即G546填方路基邊坡腳外側(cè)1.5～2 m處；K93+420～450段邊坡開(kāi)挖線外10 m處；K93+260～325段邊坡開(kāi)挖線外10 m處。K93+325～340段在一級(jí)邊坡上設(shè)置抗滑樁。

4.2 滑坡穩(wěn)定性有限元數(shù)值分析

4.2.1 模型建立

室內(nèi)、室外試驗(yàn)得到黏聚力c、摩擦角θ、法向剛度和切向剛度等參數(shù)，它們是模型屬性參數(shù)的重要依據(jù)，從室內(nèi)試驗(yàn)和地勘報(bào)告獲取，如表2所示。有限元分析模型如圖6所示。

表2 巖土層物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)圖1，選取最不利斷面建立有限元數(shù)值分析模型，如圖6所示。模型由兩部分組成：第一部分為邊坡土體，厚度為20～30 m；第二部分為混凝土抗滑樁，網(wǎng)格尺寸約為2 m，網(wǎng)格類型為混合網(wǎng)格。

圖6 有限元數(shù)值分析模型

4.2.2 無(wú)抗滑樁時(shí)的穩(wěn)定性數(shù)值分析

無(wú)抗滑樁的二維模型安全性模擬結(jié)果如圖7所示，模擬的安全系數(shù)為0.823，可以得到滑坡滑裂面的大致位置?？梢钥闯?，不設(shè)置抗滑樁的情況下，一旦滑坡雨水滲透邊坡，就會(huì)發(fā)生二次連續(xù)滑坡，因此需要選擇合理的加固措施對(duì)邊坡進(jìn)行加固處理。通過(guò)有限元數(shù)值分析可以看出，滑動(dòng)面位置與鉆孔結(jié)果一致，說(shuō)明有限元數(shù)值模型參數(shù)合理，計(jì)算結(jié)果可靠，可以較為準(zhǔn)確地確定邊坡滑動(dòng)面的位置。

圖7 數(shù)值分析滑裂面位置

4.2.3 有抗滑樁時(shí)的受力分析

圖8為抗滑樁外側(cè)被動(dòng)推力產(chǎn)生的應(yīng)力云圖，抗滑樁外側(cè)的被動(dòng)推力主要是由內(nèi)側(cè)主動(dòng)推力產(chǎn)生的。圖9為抗滑樁內(nèi)側(cè)推力產(chǎn)生的應(yīng)力云圖。從受力面積來(lái)看，內(nèi)側(cè)的應(yīng)力較集中，外側(cè)應(yīng)力比較分散。這是由于，內(nèi)側(cè)抗滑樁的某個(gè)位置恰好在滑裂帶上，滑裂帶以上土體要相對(duì)抗滑樁移動(dòng)，抗滑樁抵抗移動(dòng)使樁產(chǎn)生抗滑力。

圖8 抗滑樁外側(cè)被動(dòng)推力

圖9 抗滑樁內(nèi)側(cè)主動(dòng)推力

圖10為抗滑樁軸力云圖，從圖中看出，樁底左側(cè)比右側(cè)所受的軸力大，這是由于滑坡體的推力作用導(dǎo)致樁自身重力與樁體不平行所致，在這種狀態(tài)下樁有向右傾到的趨勢(shì)。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，說(shuō)明滑坡體的推力比抗滑樁的抗滑力要大。從樁身整體受力來(lái)看，樁身左側(cè)比右側(cè)應(yīng)力分布均勻，樁整體受力部分在樁長(zhǎng)度的2/3處，如圖11所示。

圖10 抗滑樁軸力受力云圖

圖11 整體應(yīng)力云圖

5 結(jié) 語(yǔ)

以赤水河谷旅游公路K93+203～K93+496段降雨誘發(fā)滑坡為研究對(duì)象，綜合分析了滑坡的變形破壞機(jī)制，揭示滑坡機(jī)理，為工程防治提供依據(jù)，主要結(jié)論如下。

(1)從滑體的形態(tài)特征成因看，邊坡穩(wěn)定性與土體類型、降雨強(qiáng)度以及坡面傾角等因素有關(guān)，該滑坡目前的穩(wěn)定性差，強(qiáng)降雨和地下水相互作用為滑坡形成的主要誘因，間歇性溪流水下滲使穩(wěn)定性惡化，進(jìn)而導(dǎo)致滑體整體失穩(wěn)。

(2)滑動(dòng)面位置與邊坡土體的透水性相關(guān)，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)與強(qiáng)降雨時(shí)間有一定相關(guān)性，邊坡深層失穩(wěn)發(fā)生在不透水邊界上，不透水邊界位置與巖土體透水性、降雨強(qiáng)度、地下水位變化有關(guān)，與有限元數(shù)值分析結(jié)果一致。

(3)從抗滑樁樁身整體受力來(lái)看，樁身左側(cè)比右側(cè)應(yīng)力分布均勻，樁整體受力部分在樁長(zhǎng)度的2/3處，樁底左側(cè)軸力比右側(cè)大，從受力面積上來(lái)看內(nèi)側(cè)的應(yīng)力較集中，外側(cè)應(yīng)力比較分散。