北川縣某公路古滑坡成因及工程地質(zhì)比擬法設(shè)計

何瑜， 邱兵

(四川公路工程咨詢監(jiān)理有限公司， 四川 成都 610041)

受青藏高原持續(xù)隆升的影響，中國西部山區(qū)河谷深切，地形地質(zhì)條件復雜，邊坡及滑坡穩(wěn)定問題極為突出。該文以山區(qū)公路建設(shè)路塹開挖施工中遇到的古滑坡為例，分析古滑坡成因，結(jié)合宏觀地質(zhì)分析對古滑坡及邊坡開挖后穩(wěn)定性進行評價，并采用工程地質(zhì)比擬法對滑坡推力的上限及坡形、坡率進行比擬設(shè)計。

1 工程概況

某公路里程K731段原路線位于北川縣禹里鎮(zhèn)大彎村澗江右岸，該岸發(fā)育兩處大型滑坡，路線以路基形式于滑坡體前緣通過，雨季常發(fā)生路塹邊坡垮塌、路基沉陷，時有斷道發(fā)生。由于滑坡規(guī)模大，直接進行工程處治難度極大。為徹底解決滑坡問題，決定采用橋梁兩跨湔江的方案繞避滑坡(見圖1)。

圖1 某公路工程地質(zhì)平面圖

2017年3月，K731+640—900段路塹開挖至距離設(shè)計標高約5 m時，開挖坡口線外40～45 m處產(chǎn)生開裂變形，施工單位立即停工，設(shè)計單位會同業(yè)主、施工、監(jiān)理一起分析病害原因，以確定處治方案。原設(shè)計該段邊坡為風化的板巖、千枚巖，采用1∶0.5坡率放坡，三級邊坡，最大坡高28 m，坡面采用掛網(wǎng)噴砼處置。而現(xiàn)場開挖揭露的坡體主要為碎石土，局部夾風化破碎的板巖、千枚巖核體，堆積體覆蓋于古河床卵石層上，為古滑坡體，最大厚度21.1 m，體積約50萬m3，需進行變更設(shè)計(見圖2)。

圖2 A-A′工程地質(zhì)剖面(單位：m)

2 區(qū)域地質(zhì)環(huán)境

項目區(qū)處于龍門山斷裂帶中央斷裂和后山斷裂之間，距離北川～映秀中央主斷裂的直線距離約10 km，距離“5·12”汶川地震重災區(qū)北川老縣城的直線距離約17 km，沿線山體松散，崩滑災害發(fā)育，汶川地震效應極為明顯。出露地層主要為志留系板巖、千枚巖，受北川～映秀逆沖斷層影響，斷裂褶皺發(fā)育，巖層產(chǎn)狀較紊亂，優(yōu)勢產(chǎn)狀335°～355°∠45°～56°，主要發(fā)育2組構(gòu)造節(jié)理J1、J2，產(chǎn)狀分別為145°∠53°、63°∠72°，節(jié)理隙面較平整，延伸長度10～15 m，微張～閉合。地震基本烈度為Ⅷ度，地震動峰值加速度為0.20 g，地震動反應譜特征周期為0.40 s。

3 古滑坡成因及穩(wěn)定性分析

3.1 古滑坡成因分析

從古滑坡所在斜坡河谷地貌的形成演化分析入手，對滑坡成因進行分析。將全程分為6個階段(見圖3)：第1階段，河谷下切。受地殼隆升的影響，河流不斷下切，邊坡不斷加高，斜坡不斷變陡，形成高山峽谷地貌。第2階段，斜坡傾倒變形。巖體卸荷，在重力作用下，陡傾狀的板狀巖體在自重彎矩作用下開始向臨空方向作懸臂梁彎曲并逐漸向坡內(nèi)發(fā)展。第3階段，巖體彎曲折斷，滑面逐漸形成。彎曲逐漸向坡內(nèi)發(fā)展，彎曲的板梁之間相互錯動并伴隨拉裂，隨著后緣出現(xiàn)拉裂縫，板梁根部折斷，潛在滑動面逐漸形成。第4階段，形成滑坡，堆積河床上。傾倒拉裂跡象發(fā)展，在暴雨等不利因素作用下，潛在滑動面貫通整體滑動堆積于河床，并逐漸穩(wěn)定。第5階段，地殼再次抬升，河流繼續(xù)下切，原古河床懸掛于斜坡上，形成基座階地。由于階地頂面平緩，為阻滑段，且卵石層排水，古滑坡長期穩(wěn)定。第6階段，公路開挖古滑坡前緣，后緣產(chǎn)生拉裂縫，古滑坡復活。

圖3 古滑坡成因演化過程

從上述斜坡演化過程來看，斜坡變形破壞的基本地質(zhì)力學模式為“彎曲—傾倒—拉裂”，古滑坡成因為陡傾角板巖彎曲、傾倒、拉裂、產(chǎn)生巖質(zhì)滑坡。

3.2 古滑坡穩(wěn)定性分析

古滑坡經(jīng)歷汶川地震考驗，且滑坡堆積于基座階地卵石層上，排水條件良好，長期排水疏干作用，滑坡體局部保留原巖結(jié)構(gòu)，整體較密實，現(xiàn)場施工采用1∶0.5開挖20 m高邊坡仍能保持穩(wěn)定即是證明?，F(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)邊坡開挖坡口線附近無裂縫，僅后緣基巖與覆蓋層產(chǎn)生貫通性拉張裂縫，未見側(cè)緣剪切裂縫，前緣坡腳段無擠壓剪出等跡象，目前滑坡處于早期蠕動擠壓階段,綜合判斷現(xiàn)狀古滑坡處于欠穩(wěn)～基本穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定系數(shù)為1.05～1.15。因目前距離設(shè)計標高約5 m，處于中后部蠕動變形、前緣擠壓階段，如繼續(xù)開挖卸載，滑坡的整體穩(wěn)定難以保證，需采用支擋工程恢復平衡或清方減載減小下滑力。

4 工程地質(zhì)比擬法設(shè)計

滑坡推力和坡形、坡率是工程設(shè)計的2個基本參數(shù)。以工程地質(zhì)比擬法探討滑坡推力設(shè)計的上限及邊坡設(shè)計的坡形和坡率，并從中尋找定量參數(shù)作為設(shè)計依據(jù)。

4.1 基于被動土壓力的滑坡推力上限的工程地質(zhì)比擬法設(shè)計

對于開挖穩(wěn)定的滑坡，滑坡推力與被動土壓力的關(guān)系為：1) 如開挖坡腳至一定深度未產(chǎn)生任何變形跡象或僅產(chǎn)生后緣主裂縫，未產(chǎn)生前緣擠壓剪切裂縫，則目前滑動面以上殘留土體的被動土壓力Ep2大于滑坡推力F，即F

圖4 滑坡推力與被動土壓力的關(guān)系示意圖

根據(jù)前述分析，滑坡后緣緩坡有貫通主裂縫，切坡腳一帶無剪出裂縫，故距離設(shè)計標高以上5 m覆土(見圖5中ABCD土體)產(chǎn)生的被動土壓力應大于滑坡從坡腳以下剪出的滑坡推力，設(shè)計標高以上殘留土體的被動土壓力Ep可作為加固支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計的依據(jù)?？蓪D看成墻背，在CD面上受到滑坡推力的水平分力Fh，ABCD土體中產(chǎn)生CE被動破裂面，破裂面與水平面的夾角∠BCE=45°-φ/2=22.5°，滑動楔形體為DCE，且有Fh

1 塊碎石土；2 卵石土；3 板巖、千枚巖

朗肯被動土壓力為：

Ep=0.5γh2Kp=1 382 kN/m

(1)

式中：γ為土體容重，γ=19 kN/m3；h為滑動面上覆土厚度，h=5 m；Kp為被動土壓力系數(shù)，Kp=tan2(45°+φ/2)=5.82；φ為綜合內(nèi)摩擦角，φ=45°。

因滑坡停工期間經(jīng)歷幾次暴雨天氣后仍處于欠穩(wěn)～基本穩(wěn)定狀態(tài)，則暴雨工況下穩(wěn)定系數(shù)K=1.05～1.15，滿足規(guī)范要求。因此，設(shè)計滑坡推力采用1 382 kN/ m可滿足設(shè)計需求。設(shè)計采用截面尺寸為1.75 m×2.50 m的錨索抗滑樁(間距5 m)，樁頂設(shè)2排錨索，單根錨索設(shè)計抗拔力600 kN，保證滑坡整體穩(wěn)定性。開挖邊坡碎石土原設(shè)計邊坡1∶0.5(63°)，過陡，設(shè)計以45°為破裂角，對邊坡采用錨桿框架植草進行加固，以保證局部邊坡穩(wěn)定(見圖6)。

圖6 錨索抗滑加固示意圖(單位：m)

4.2 基于穩(wěn)定斜坡坡形、坡率的工程地質(zhì)比擬設(shè)計

地貌是巖性和地質(zhì)構(gòu)造與臨空面發(fā)育的直觀反映。當前地貌是地殼活動下地質(zhì)構(gòu)造奠定基本格局，后又受河流切割、地震、氣候及人類工程活動等長期作用改變而成。因此，要從地形地貌的形成，特別是當?shù)睾庸鹊陌l(fā)育和演變及斜坡的變形至破壞過程留下的殘跡等找到病害生產(chǎn)部位、范圍及發(fā)展趨勢。可通過分析軟弱巖土的分布與地貌的關(guān)系、軟弱結(jié)構(gòu)面的分布與臨空面的關(guān)系，判斷穩(wěn)定坡、極限穩(wěn)定坡、不穩(wěn)定坡，找出相應的的坡形、坡率供設(shè)計參考，逐步從定性到定量。

工程區(qū)澗江兩岸地貌不對稱，左岸為逆向坡，自然斜坡高陡，基巖裸露，在坡腳有一低矮緩山坡帶，植被較發(fā)育，反映總體斜坡較穩(wěn)定。從上下游對比分析結(jié)果來看，該坡腳緩坡段大致與二級階地高程相當，地質(zhì)歷史時期有一個相對平穩(wěn)期，山后崩滑體堆積于該階地上形成現(xiàn)今地貌格局。右岸斜坡為順向坡，坡度35°～45°，中前部較陡，后緣有緩坡平臺的凹陷圈弧地貌，可能是病害發(fā)育地貌，前緣位于河流沖刷凹岸，長期受湔江沖刷，前緣產(chǎn)生松弛滑塌等淺表層病害，從國道路基沉陷邊坡蠕動可得到反映。

左岸古滑坡坡體植被茂密，無馬刀樹及變形跡象，且覆蓋于古河床卵石層上，卵石層透水性好，對滑坡體地下水有疏干作用，是滑坡能保持長期穩(wěn)定的主要原因。原邊坡角是適應坡體巖性、氣候、地震等長期自然作用后形成的穩(wěn)定坡率，綜合坡角約45°，后緣緩坡平臺為15°，上述坡率可作為比擬設(shè)計的數(shù)據(jù)。邊坡設(shè)計采用1∶1放坡，每級坡高8 m，設(shè)2 m寬平臺，綜合坡角為40°，K=tan45°/tan40°=1.2，安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。坡頂采用1∶4刷坡?？紤]到路面積水、行車濺水、地下水集中坡腳排泄等易軟化坡腳，在坡腳設(shè)置3 m高腳墻，并對坡面進行植草防護，坡頂設(shè)置截水溝(見圖7)。

圖7 削方減載設(shè)計示意圖

通過兩方案對比分析，方案二即清方減載方案的造價節(jié)省，施工快速，實施后已經(jīng)過兩個雨季考驗。圖8為施工完成后邊坡。

圖8 施工完成后邊坡

5 結(jié)論

(1) 滑坡是一種地質(zhì)現(xiàn)象，是內(nèi)外地質(zhì)作用下斜坡演化過程中變形破壞的產(chǎn)物。地質(zhì)過程機制分析就是分析斜坡變形、破壞基本規(guī)律，研究滑坡形成的基本地質(zhì)力學模式，通過追溯斜坡演化全過程，對斜坡穩(wěn)定性發(fā)展趨勢作出評價和預測。機理分析是定量計算的基本前提，切忌脫離實際盲目計算。

(2) 河谷斜坡變形破壞的基本地質(zhì)力學模式為“彎曲—傾倒—拉裂”，滑坡成因是斜坡巖體向河谷方向彎曲、傾倒、拉裂而產(chǎn)生的巖質(zhì)滑坡，滑坡形成后堆積于古河床卵石層上。路塹邊坡開挖產(chǎn)生主裂縫，是古滑坡整體復活的跡象，但前緣未產(chǎn)生擠壓剪出裂縫，處于蠕動擠壓階段，綜合判斷目前滑坡處于欠穩(wěn)～基本穩(wěn)定狀態(tài)。

(3) 古滑坡下覆卵石層為滑坡天然排水廊道，有助于滑坡長期穩(wěn)定。采用工程地質(zhì)比擬法，可采用滑動面以上殘留土體被動土壓力作為支擋設(shè)計的依據(jù)。通過比擬自然穩(wěn)定滑坡的坡形、坡率，采取造價節(jié)省的清方減載方案進行處置，并取得了成功。

(4) 當前仍是山區(qū)公路建設(shè)高潮，公路工程由于建設(shè)周期短、地質(zhì)復雜多變，加上前期地質(zhì)勘探工作不足，施工、運營過程中邊坡滑坡穩(wěn)定問題較突出。工程地質(zhì)比擬法是一種可在短時間內(nèi)摸清山體基本地質(zhì)情況從中找出設(shè)計所需參數(shù)，并指導設(shè)計的一種捷徑，特別在應急搶險時其優(yōu)勢明顯，運用恰當可起到事半功倍的效果。