工程和環(huán)境聯(lián)合作用下不穩(wěn)定斜坡破壞機(jī)制探討

羅世毅，黃黎明，唐修益

(1.廣西交科集團(tuán)有限公司， 廣西 南寧 530007；2.廣西新柳南高速公路有限公司， 廣西 南寧 530029)

在內(nèi)外動力地質(zhì)作用下，自然界形成了很多類型和規(guī)模的斜坡地形，這些斜坡在自然條件下處于不同穩(wěn)定狀態(tài)[1-6]。隨著工程建設(shè)的進(jìn)行，會造成斜坡初始地形的改變和周邊環(huán)境的改變，不同程度擾動其原有穩(wěn)定狀態(tài)[7-9]。因此，急需開展工程和環(huán)境因素聯(lián)合作用下不穩(wěn)定斜坡災(zāi)變機(jī)制研究，實(shí)現(xiàn)防災(zāi)減災(zāi)目標(biāo)[10-11]。

不穩(wěn)定斜坡相對于滑坡，前者沒有明確的滑面，后者存在歷史滑面[12]；前者處于穩(wěn)定-欠穩(wěn)定狀態(tài)，后者歷史上失穩(wěn)過；前者計(jì)算參數(shù)介于峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度之間，后者往往建議采用殘余強(qiáng)度[13-15]。對于不穩(wěn)定斜坡的研究集中在以下幾方面：(1)工程和環(huán)境聯(lián)合作用下巖土體強(qiáng)度參數(shù)劣化機(jī)制；(2)工程和環(huán)境聯(lián)合作用下斜坡變形破壞機(jī)制和潛在滑面演化機(jī)制；(3)不穩(wěn)定斜坡穩(wěn)定性評價(jià)方法；(4)不穩(wěn)定斜坡安全控制技術(shù)[16-22]。

依托柳州經(jīng)合山至南寧高速公路長弄屯不穩(wěn)定斜坡，采用工程地質(zhì)定性分析和穩(wěn)定性量化評價(jià)相結(jié)合的方法，結(jié)合多期次地面調(diào)查和安全監(jiān)測，綜合評估長弄屯不穩(wěn)定斜坡的穩(wěn)定性演化規(guī)律，揭示斜坡變形破壞機(jī)制，提出綜合安全處置措施，為該區(qū)類似工程提供地區(qū)經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目建設(shè)情況

柳州經(jīng)合山至南寧高速公路K10+340—K10+580右側(cè)路塹位于柳州市柳南區(qū)洛滿鎮(zhèn)高興村長弄屯東南側(cè)，采用整體式路基以路塹的方式從斜坡前緣穿過，路基設(shè)計(jì)高程在235.05 m～236.20 m之間，路基寬度為26.5 m，中線最大挖深約21.38 m，右側(cè)路塹邊坡最大開挖高度為24.25 m，坡頂開挖線距長弄屯民房最近距離約25 m，最遠(yuǎn)約255 m。原設(shè)計(jì)為三級坡開挖，采用錨桿+格梁以及抗滑樁進(jìn)行防護(hù)。2020年3月15日開始施工，邊坡開挖至第二級，K10+340—K10+400段路基中部開挖至標(biāo)高238 m，尚未完成防護(hù)，斜坡后部民房及地表出現(xiàn)裂縫，馬上停止施工，邊坡現(xiàn)狀如圖1所示。

1.2 工程地質(zhì)條件及計(jì)算參數(shù)

該不穩(wěn)定斜坡屬峰叢谷地地貌，地形起伏較大，山體連綿起伏，上部基巖裸露，地形陡峭，呈錐狀，植被發(fā)育，坡度25°～40°，谷地平緩，坡度5°～20°，覆蓋層較厚，溝谷北東走向，在建高速公路沿溝谷西北側(cè)山坡展布，場地最低點(diǎn)位于東側(cè)沖溝溝底，高程約223.50 m；最高點(diǎn)位于村莊后山坡坡頂，高程約313.90 m；附近最高山峰為西北側(cè)的四間山，山頂高程為574.50 m。坡體中上部坡面分布多處土坯和磚混民房，平緩和低洼地段旱地和水田，平面和剖面見圖2。

圖1 長弄屯不穩(wěn)定斜坡現(xiàn)狀圖

根據(jù)鉆探揭露，斜坡地層由上至下依次為黏土、塊石等覆蓋層，全強(qiáng)風(fēng)化頁巖和砂巖。根據(jù)勘察設(shè)計(jì)資料，各地層巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)建議值統(tǒng)計(jì)列于表1。

表1 不穩(wěn)定斜坡計(jì)算參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》[23](GB 18306—2015)劃分，本區(qū)屬Ⅵ度，可不考慮地震對坡體穩(wěn)定性的影響。

2 不穩(wěn)定斜坡變形破壞機(jī)制分析

2.1 工程地質(zhì)定性分析

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，2020年3月開始施工，三級和二級邊坡開挖高度不超過15 m，4月份在距開挖線約250 m以外的后緣首先出現(xiàn)裂縫，基于工程地質(zhì)層次分析的不穩(wěn)定斜坡失穩(wěn)機(jī)制定性判斷如下：

(1) 構(gòu)造大尺度因素，滑坡體附近有三條規(guī)模較大的斷層，其中韓家至高興逆斷層(F1)距離僅約150 m，受斷層擠壓作用，坡體巖體破碎，裂隙發(fā)育，風(fēng)化厚度大，易形成基巖裂隙水帶，導(dǎo)致巖體軟化，抗剪強(qiáng)度降低，造成坡體往復(fù)變形運(yùn)動。

圖2 不穩(wěn)定斜坡正射投影及主剖面圖

(2) 巖性和地層結(jié)構(gòu)因素，黏土①為膨脹土，具有中等膨脹性，在氣候影響下，干濕頻繁交替變化，土體多次往復(fù)脹縮變形，土體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，抗剪強(qiáng)度顯著降低。全風(fēng)化頁巖和強(qiáng)風(fēng)化頁巖力學(xué)強(qiáng)度較低，遇水易軟化、崩解，其抗剪強(qiáng)度急劇降低，形成軟弱面，產(chǎn)生滑移。土巖界面易形成集水條件，切穿后容易形成土巖界面滑移。這些要素在巖芯照片中清晰可見，多期次運(yùn)動部位有局部泥化現(xiàn)象[24-25]。

(3) 水文地質(zhì)因素，工程區(qū)雨季集中在4月—9月份；67 戶330余人的村莊無統(tǒng)一排水系統(tǒng)，生活滲漏持續(xù)不斷的入滲，造成土巖界面土體持續(xù)劣化；周邊較高山峰地下水持續(xù)補(bǔ)給，場地處于地下水徑流段，坡體內(nèi)地下水埋深較淺，公路邊坡開挖形成明排，造成地下水位下降，引起覆蓋層固結(jié)變形，造成不穩(wěn)定斜坡沿土巖界面產(chǎn)生長距離蠕滑變形[24-25]。

(4) 工程因素，土巖界面切穿，造成原有補(bǔ)徑排關(guān)系破壞，不利面暴露；坡體前緣阻滑段卸載，沒有及時(shí)補(bǔ)償該部分力，造成局部力平衡的破壞；前部形成臨空，為變形發(fā)展提供了空間。

綜上，該不穩(wěn)定斜坡在歷史上持續(xù)蠕動變形，工程建設(shè)加劇了這一進(jìn)程，上述證據(jù)也證明了這一點(diǎn)，詳見圖3。

2.2 基于數(shù)值計(jì)算的穩(wěn)定性量化分析

利用Geo-Studio軟件進(jìn)行考慮降雨和開挖對坡體穩(wěn)定性影響的耦合計(jì)算，根據(jù)實(shí)際降雨資料，在Seep模塊下計(jì)算得到滲流場，作為初始條件調(diào)入Slope模塊計(jì)算得到不同開挖坡體的穩(wěn)定性系數(shù)，以1-1′剖面為例進(jìn)行坡體穩(wěn)定狀態(tài)演化機(jī)制分析，見圖4。

圖4 降雨對不穩(wěn)定斜坡穩(wěn)定性影響圖

根據(jù)實(shí)際降雨資料，結(jié)合不同開挖階段，計(jì)算得到了耦合條件下的斜坡穩(wěn)定性，由圖4(a)—圖4(e)可以看出，初始地形斜坡穩(wěn)定性系數(shù)1.071，坡體基本穩(wěn)定；三級坡開挖，斜坡穩(wěn)定性系數(shù)1.065，坡體基本穩(wěn)定；二級坡開挖，斜坡穩(wěn)定性系數(shù)1.058，坡體基本穩(wěn)定；一級坡開挖，斜坡穩(wěn)定性系數(shù)1.049，坡體欠穩(wěn)定，所以工程擾動只是造成坡體穩(wěn)定性劣化，沒有造成斜坡失穩(wěn)。持續(xù)降雨作用下，在6月14日坡體穩(wěn)定性系數(shù)接近1.000，這也是進(jìn)入6月之后出現(xiàn)變形加速的原因，所以雨季以來的持續(xù)超同期降雨是造成長弄屯不穩(wěn)定斜坡變形失穩(wěn)的主要因素。

2.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)揭示的變形量與氣象的關(guān)系

2.3.1 高溫多雨與變形的關(guān)系

氣象資料顯示2020年1月至9月底該區(qū)累積降雨量已達(dá)1 814.3 mm，遠(yuǎn)超2017年、2018年、2019年同期累積降雨量。邊坡于3月15日至4月5日進(jìn)行第三級坡開挖，開挖期間區(qū)內(nèi)遭遇了近三年來春季最極端的降雨歷程，累積降雨量達(dá)232.4 mm(前三年分別為192.3 mm、45.9 mm、153.1 mm)，施工期間僅有5 d未降雨。據(jù)當(dāng)?shù)卮迕穹从常?月份斜坡后緣開始出現(xiàn)微小裂縫。4月5日至5月25日進(jìn)行二級坡開挖；5月16日前，區(qū)內(nèi)降雨量較往年偏小，開挖過程中未見明顯的邊坡變形跡象。5月16日至6月26日，斜坡區(qū)迎來第一輪強(qiáng)降雨天氣，累積降雨量達(dá)527.3 mm(前三年分別為265.7 mm、159.6 mm、239.5 mm)，雖然此時(shí)邊坡已停止了開挖，但強(qiáng)降雨導(dǎo)致斜坡裂縫數(shù)量增加，裂縫寬度和深度不斷加大。7月份區(qū)內(nèi)迎來三次強(qiáng)降雨過程，使多棟房屋產(chǎn)生較嚴(yán)重的開裂，地表裂縫寬度最大達(dá)4 cm，地面下沉約5 cm～10 cm。

由圖5位移-降雨曲線可知，斜坡位移整體呈現(xiàn)先陡增后緩增的變形趨勢，斜坡變形的陡增階段出現(xiàn)在7月20日的一次強(qiáng)降雨后，但隨后的斜坡變形隨降雨的進(jìn)行，出現(xiàn)明顯的滯后特點(diǎn)，可能與長期的降雨導(dǎo)致表層膨脹土基質(zhì)膨脹，孔隙閉合，雨水入滲速度降低有關(guān)。

由裂縫位移-時(shí)間曲線可知，8月31日開始對后緣藍(lán)炳慶家房屋裂縫沉降變形進(jìn)行了監(jiān)測，曲線揭示房屋的下沉和裂縫的開裂值在9月11日極端強(qiáng)降雨后明顯增加，隨后進(jìn)入緩增階段，與累積降雨量變化趨勢較為一致，見圖6。

綜上，由于缺少前期相關(guān)監(jiān)測資料，開挖和變形的相關(guān)性難以準(zhǔn)確進(jìn)行分析，但從后期監(jiān)測結(jié)果來看，自5月25日停止開挖后，裂縫在降雨作用下加速發(fā)展，后期變形與降雨具有很強(qiáng)的相關(guān)性。

圖5 降雨與變形量關(guān)系曲線

圖6 監(jiān)測和調(diào)查確定的變形范圍

2.3.2 測斜孔揭示的變形深度和范圍

坡體出現(xiàn)裂縫后，結(jié)合勘探孔共布設(shè)了7個(gè)深層水平位移監(jiān)測孔，監(jiān)測孔平面布設(shè)位置和合成矢量如圖7所示。16號孔很快變形超界不能續(xù)測。

由圖7可知，兩側(cè)變形趨小變淺，主滑厚度約20 m～30 m，變形體左右寬約280 m，縱向長約270 m，面積約60 000 m2，變形平均深度約20 m，變形體體積約120×104m3，主軸變形方向約150°。

2.4 災(zāi)變機(jī)制總結(jié)

經(jīng)過上述定性和定量分析，結(jié)合調(diào)查和監(jiān)測資料，認(rèn)為長弄屯不穩(wěn)定斜坡災(zāi)變機(jī)制如下：

(1) 斜坡成因及軟弱面的存在是長弄屯不穩(wěn)定斜坡災(zāi)變的物質(zhì)基礎(chǔ)，該段斜坡是后部陡崖巖體崩落向前滑移演化而成的崩滑堆積體，原有的滑面形成了天然的弱面。斜坡內(nèi)巖體風(fēng)化厚度大，巖土體巖性復(fù)雜、層序混亂，下伏的頁巖力學(xué)強(qiáng)度低，遇水易軟化崩解、泥化，斜坡體內(nèi)巖體結(jié)構(gòu)松散，孔隙大，斜坡上土坯房存在的老裂縫表明斜坡處于持續(xù)緩慢蠕滑狀態(tài)。

(2) 降雨是誘發(fā)斜坡穩(wěn)定性劣化的外部因素，一方面增加了重度，造成下滑力增加，同時(shí)軟化、濕化效應(yīng)造成巖土體力學(xué)性質(zhì)劣化，阻滑性能下降。表層中等膨脹性黏土，干濕作用下極易產(chǎn)生脹縮裂隙，為雨水下滲提供優(yōu)勢通道。這些均是降雨造成的不利影響，是坡體穩(wěn)定狀態(tài)急劇劣化的主要因素。

(3) 匯水條件，斜坡區(qū)地形平緩，地表徑流弱，雨水大多滲入坡體，不能及時(shí)排泄，導(dǎo)致坡體地下水位快速上升，沿坡面傾向方向的地下水滲透力不僅增大了下滑力，還會在相對隔水層附近產(chǎn)生超靜孔隙水壓力，加劇邊坡變形。本段斜坡由于地下水埋深淺，在開挖至高程250 m左右時(shí)地下水出露；在245 m附近，地下水流量明顯增加，在坡腳形成積水，地下水徑流條件的改變也對斜坡穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響。

(4) 前部卸載，斜坡前緣邊坡的開挖，一方面降低了前緣阻滑段的抗滑力，產(chǎn)生了新的臨空面。同時(shí)開挖改變了地下水的徑流條件，加速了地下水的排泄，使斜坡體地下水位下降(位于斜坡后部水井原水位深約30 cm，現(xiàn)在水位深約1.70 m)，水位下降使斜坡上部黏性土產(chǎn)生固結(jié)沉降，同時(shí)徑流條件的改變也增加下滑方向的滲透壓力。

因此，僅開挖引起的地下水位下降導(dǎo)致的土層沉降變形及滲透力不足以使斜坡產(chǎn)生較大的失穩(wěn)變形。但當(dāng)斜坡遭遇極端降雨時(shí)，沿開挖處泉眼流出的水流量難以充分將雨水排出，導(dǎo)致地下水位的進(jìn)一步上升，降雨停止后，地下水位又快速下降。反復(fù)的地下水位升降使斜坡土體不斷產(chǎn)生變形，最終在斜坡上產(chǎn)生較大的地表裂縫。斜坡地表裂縫形成后，大量雨水又將以優(yōu)勢流的方式進(jìn)入坡體。該部分雨水在裂縫中快速聚集形成水柱，產(chǎn)生靜水壓力，使斜坡的穩(wěn)定性惡化。

綜上所述，長弄屯不穩(wěn)定斜坡為典型的推移式變形體，特殊的地質(zhì)結(jié)構(gòu)及演化歷史是孕育斜坡變形的內(nèi)在條件，在降雨和工程開挖耦合作用下，誘發(fā)原本不穩(wěn)定的斜坡產(chǎn)生了推移式蠕滑變形。

3 加固設(shè)計(jì)和后續(xù)處置建議

3.1 加固設(shè)計(jì)所需參數(shù)

根據(jù)表1參數(shù)，利用理正巖土軟件，計(jì)算得到了不同開挖條件下的坡體穩(wěn)定性系數(shù)和剩余推力，統(tǒng)計(jì)列于表2，可用于后續(xù)加固設(shè)計(jì)。

表2 不穩(wěn)定斜坡加固設(shè)計(jì)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

由表2可知，橫坡方向，由3-3′剖面到1-1′剖面穩(wěn)定性逐步提高，中部穩(wěn)定性最低是軟弱地層和滑體厚度造成的；余推力是中部最大，3-3′剖面位置次之，1-1′剖面位置最低，與穩(wěn)定性正好相反。依據(jù)邊坡的余推力需要采用抗滑樁方案，開挖完成則下滑力過大，一排抗滑樁不夠，局部需要兩排抗滑樁。2-2′剖面自然工況余推力大于降雨工況是安全標(biāo)準(zhǔn)不同造成的，設(shè)計(jì)時(shí)以大值為準(zhǔn)。

3.2 工程處置建議

目前長弄屯不穩(wěn)定斜坡后緣裂縫發(fā)育，周界清晰，兩側(cè)變形跡象不明顯，呈典型的降雨主導(dǎo)工程誘發(fā)的推移式滑動模式，目前處于蠕滑階段。

由于中部滑體厚度最大約30.5 m，說明下部的頁巖層已經(jīng)發(fā)生擾動，可以適當(dāng)在滑坡中后部削坡減載；坡角設(shè)置抗滑樁，樁底進(jìn)入中風(fēng)化穩(wěn)定地層3倍～5倍樁徑為宜。其下部坡面采取常規(guī)錨桿框格梁加固措施。

后續(xù)治理應(yīng)重視地表水與地下水的引排，可以考慮地表截排，深部設(shè)置排水廊道、集水井或者仰斜疏排，有效降低坡體地下水位，同時(shí)可有效提高滑帶土的強(qiáng)度，如采取該措施可以考慮滑帶土內(nèi)摩擦角提高1°～2°。

4 結(jié) 論

通過追蹤長弄屯不穩(wěn)定斜坡的成因，結(jié)合多期次地面調(diào)查、監(jiān)測、定性和定量分析，綜合論證了長弄屯不穩(wěn)定斜坡的災(zāi)變機(jī)制，所得結(jié)論如下：

(1) 長弄屯不穩(wěn)定斜坡由后部陡崖巖體崩落向前滑移演化而成的崩滑堆積體，坡體內(nèi)形成集水軟弱層+土巖界面+全強(qiáng)風(fēng)化砂頁巖等易滑結(jié)構(gòu)。

(2) 表層膨脹土體的干縮裂隙造成雨水入滲條件，下伏易崩解、易擾動等水理性差巖體，是其長期蠕滑的物質(zhì)基礎(chǔ)；雨季長時(shí)間強(qiáng)降雨是其加速滑移的外部環(huán)境因素，坡體水位較高，前部容易匯流是破壞的根本原因。工程開挖只是誘發(fā)啟動因素。

(3) 開挖和降雨聯(lián)合作用下，初始地形斜坡穩(wěn)定性系數(shù)1.071，三級坡開挖造成斜坡穩(wěn)定性系數(shù)最小到1.049，降雨持續(xù)到6月14日坡體處于臨界狀態(tài)。因此，開挖只會劣化坡體穩(wěn)定狀態(tài)，是誘發(fā)因素；降雨入滲造成地下水位過高，來不及在臨空面疏排，形成超孔壓，才是坡體加劇蠕滑趨于臨界的主導(dǎo)因素。

(4) 現(xiàn)狀坡體剩余推力994.6 kN/m～2 541.3 kN/m，全部開挖到位則剩余推力最大4 421.7 kN/m。綜合處置可考慮在中上部水位淺的部位設(shè)置截水槽、集水井降低坡體內(nèi)地下水位，下部坡面出滲位置設(shè)置仰斜排水孔和盲溝疏排，坡面設(shè)置截排水溝；滑體厚度14 m～31 m，可以考慮中后部滑體厚度較大位置適當(dāng)減載，下部坡面采取常規(guī)錨桿框格梁加固，坡腳采取抗滑樁支擋。