昔格達(dá)地層填方路堤滑坡分析與防治

成永剛，王紅兵，王寒罡，許健

(1.四川公路工程咨詢監(jiān)理公司，成都 610041；2.蘭州交通大學(xué)，蘭州 730070；3.四川省交通運(yùn)輸廳交通勘察設(shè)計(jì)研究院，成都 610017)

昔格達(dá)地層是主要分布于我國四川省攀西地區(qū)的一套半成巖，由形成于第三系晚期和第四系早期的灰黑色、灰綠色、土黃色黏土巖、泥質(zhì)粉砂巖和粉砂巖構(gòu)成，層理多呈水平狀。但在水動力和同生變形構(gòu)造作用下，局部地區(qū)的昔格達(dá)地層也發(fā)育原生交錯(cuò)層理和滑塌構(gòu)造和角度不整合構(gòu)造，有時(shí)在后期地質(zhì)構(gòu)造作用下，也會形成傾斜層理面。

自常隆慶1938年對攀西地區(qū)昔格達(dá)地層進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查研究至今，袁復(fù)禮、王吉貴、張?jiān)葡妗⒘_運(yùn)利、劉東生、蔣復(fù)禮、徐則民等人對昔格達(dá)地層的形成時(shí)間、成因、性質(zhì)等進(jìn)行了研究。指出昔格達(dá)地層形成于第三系晚期和第四系早期，是主要以湖相沉積為主的半成巖[1]。彭盛恩認(rèn)為昔格達(dá)巖土體抗?jié)B透變形較好而可作筑壩材料[2]；劉惠軍等對昔格達(dá)地層的分布范圍和工程性質(zhì)進(jìn)行了研究[3]；聶德新認(rèn)為昔格達(dá)巖土體經(jīng)過適當(dāng)?shù)墓こ檀胧┖罂捎米髀返烫盍蟍4]；周云金認(rèn)為昔格達(dá)地層成巖程度低，富含粘土顆粒及黏土礦物，易風(fēng)化、遇水軟化、脫水崩解，是典型的易滑地層[5]。

昔格達(dá)地層作為一種工程性質(zhì)較差的巖土體，給公路挖方路塹和填方路堤邊坡的穩(wěn)定性帶來了很大的安全隱患。如途經(jīng)該區(qū)的攀田、西攀、麗攀、雅西、攀大等高速公路，在工程施工期間，由于邊坡失穩(wěn)或滑坡造成了高昂工程治理費(fèi)用；在營運(yùn)期間，邊坡與滑坡病害仍常常威脅著公路的安全，幾乎每年都要進(jìn)行專項(xiàng)整治，造成巨大的人力、物力浪費(fèi)和不良的社會影響。

昔格達(dá)地層填方路堤作為人類對自然的改造工程，路堤滑坡是屬于典型的工程滑坡，其穩(wěn)定性受控于自然條件與人為因素[6]。它與自然坡度、地層性質(zhì)、地表水和地下水，以及填料性質(zhì)、路堤高度、排水和支擋工程措施、施工質(zhì)量等密切相關(guān)。對滑坡產(chǎn)生的地質(zhì)因素、人為因素和社會影響等進(jìn)行綜合分析，是昔格達(dá)地層填方路堤滑坡合理治理的靈魂和關(guān)鍵。

1 昔格達(dá)地層填方路堤滑坡的成因

昔格達(dá)地層填方路堤滑坡的成因，主要包括以下6類情況(如圖1)。

(1) 路堤下伏昔格達(dá)地層地下水位較高，造成昔格達(dá)地層性質(zhì)軟弱，在上部路堤重力作用下發(fā)生剪切變形而形成滑坡，見圖1(a)。

(2) 路堤所在昔格達(dá)地層自然斜坡較陡，填方體底面與自然斜坡之間的抗剪力不能有效平衡路堤的下滑力，甚至帶動下部一定厚度的昔格達(dá)地層發(fā)生滑動，見圖1(b)。

(3) 路堤后部未能有效截排坡后地表水和地下水，使路堤在靜水壓力、動水壓力和填土力學(xué)指標(biāo)降低等綜合作用下形成滑坡，尤其是采用昔格達(dá)填料的路堤，其水穩(wěn)性更為敏感。見圖1(c)。

(4) 路堤填料壓實(shí)度不足，造成路堤填土內(nèi)部粘聚力和內(nèi)摩擦角較低，無法平衡填方體在重力作用下的潛在下滑力而形成滑坡，見圖1(d)。

(5) 昔格達(dá)地層承載力較低，設(shè)計(jì)失誤造成支擋工程錨固力不足而引發(fā)路堤滑坡，見圖1(e)。

(6) 選線失誤造成填方路堤位于老滑坡等不良地質(zhì)體的后部形成加載而誘發(fā)老滑坡復(fù)活，從而牽引后部路堤發(fā)生滑坡，見圖1(f)。

由于路堤填方的“快速”成型，造成路堤影響區(qū)內(nèi)的應(yīng)力場和滲流場發(fā)生了較大的調(diào)整，因此，在工程施工期間或工后一年左右的時(shí)段內(nèi)，以上6類的路堤滑坡或組合式的路堤滑坡比較常見。而在工后兩年以上的運(yùn)營時(shí)段，由于路堤影響區(qū)內(nèi)的應(yīng)力場和滲流場達(dá)到了新的相對平衡，若沒有地震造成的應(yīng)力場和暴雨造成的滲流場快速調(diào)整，則路堤的穩(wěn)定性是能滿足公路正常的使用安全要求的。反之，若地震造成的應(yīng)力場和暴雨造成的滲流場快速調(diào)整超過了坡體“應(yīng)力場”的自我調(diào)節(jié)能力而失去平衡，則往往會造成路堤填方滑坡的發(fā)生。如2016年9月18日，攀枝花地區(qū)降雨量超過歷史極值1.1倍，特大暴雨造成區(qū)內(nèi)攀田、西攀、麗攀、攀大等多條高速公路近百處昔格達(dá)地層路基發(fā)生沉降、溜滑、滑塌、滑坡、泥石流等病害。

圖1 昔格達(dá)地層填方路堤滑坡的成因

2 典型昔格達(dá)地層填方路堤滑坡分析與防治

西攀高速公路新增鹽邊互通B匝道路堤位于距攀枝花42 km 的金沙江左岸臺地與斜坡過渡帶。見圖2。匝道后部的原高速公路主線以半填半挖形式通過，其路堤邊坡高約6.0～8.0 m。與滑區(qū)緊鄰的攀枝花側(cè)原高速公路主線填方路堤邊坡高度約15.0 m，曾于2007年工程施工期間發(fā)生路堤滑坡而采用抗滑樁支擋。

新增B匝道填方路堤邊坡最大高度約18.0 m，采用普通填料以1∶1.5～1∶1.75的坡率進(jìn)行填筑。2016年9月18日，攀枝花地區(qū)降雨量達(dá)到305.1 mm，超過歷史極大值1.1倍，使基本成型的新增B匝道路堤發(fā)生大面積滑坡變形，且處于不斷的加速發(fā)展變形過程中。形成的弧狀滑坡后壁高約4.0 m、長約130.0 m，并造成西攀高速公路既有主線左幅路基拉裂而封道，滑坡后緣距路基中線約12.0 m。前緣臺地出現(xiàn)多條高約1.0～2.0 m、長約10.0～50.0 m的鼓脹隆起和放射狀裂縫，路堤坡腳發(fā)生多處地下水涌流，出水量達(dá)65.7 m3/d，坡體積約18.2×104m3，嚴(yán)重威脅滑坡前部、高差達(dá)150.0 m左右的省道S310和民居的安全?；乱妶D3和圖4。

2.1 滑坡區(qū)地質(zhì)環(huán)境

(1) 區(qū)內(nèi)以大面積侵入的晉寧期(δO2)石英閃長巖為基座，并在路堤前緣的臺地部位形成“碗狀”形態(tài)，后期第三系上新統(tǒng)(N2X)昔格達(dá)地層與其不整合接觸。在后期風(fēng)化等作用下，在臺地 “碗狀”部位形成了較厚的昔格達(dá)殘坡積層。

(2) 區(qū)內(nèi)昔格達(dá)地層產(chǎn)狀為155°∠5°，順傾于線路方向。線路后部斜坡部位的昔格達(dá)地層呈強(qiáng)-中風(fēng)化，并存在局部滑塌現(xiàn)象。線路前部以強(qiáng)-中風(fēng)化石英閃長巖為基底的“碗狀”臺地平臺部位地下水豐富，以昔格達(dá)為母體形成厚度較大的可塑-硬塑狀粉質(zhì)黏土和全風(fēng)化昔格達(dá)地層。

(3) 路基后部坡體匯水面積大，使地表水沿著傾向線路的斜坡地形和季節(jié)性沖溝，地下水依附于順傾、裂隙發(fā)育的昔格達(dá)地層，共同向線路方向匯流。而路堤前緣的臺地平臺地形上相對較低，加之下伏石英閃長巖的隔水作用，造成滑區(qū)地下水相當(dāng)豐富，且在作為蔬菜基地的臺地平臺“碗狀”部位多有魚塘分布、水池和泉水出露。

1.人工填筑層；2.石英閃長巖；3.剖面線；4.泉點(diǎn)；5.坡殘積層；6.滑坡邊界及滑動方向；7.鉆孔；8.裂縫；9.昔格達(dá)組；10.巖層產(chǎn)狀；11.探槽；12.水池圖2 滑坡治理工程平面圖

圖3 滑坡全貌

圖4 滑坡前緣魚塘和膨脹裂縫

(4) 西攀高速公路主線位于自然坡度為5°～15°的臺地向斜坡過渡地帶后部較緩部位，路堤邊坡高為6.0～8.0 m已正常使用約8 a。新增互通B匝道路堤緊鄰西攀高速公路主線填筑，位于臺地向斜坡過渡地帶前部較陡部位和臺地平臺部位，路堤邊坡高為18.0 m左右，采用碎塊石土填筑。

2.2 路堤滑坡成因分析

(1) 滑區(qū)昔格達(dá)地層發(fā)育，其成巖程度低，富含黏土顆粒及黏土礦物，承載力低、易風(fēng)化、水穩(wěn)性差，是典型的易滑地層。與滑區(qū)緊鄰的攀枝花側(cè)原高速公路填高為14.0～15.0 m的主線路堤邊坡，在工程施工期間發(fā)生滑坡正是這種情況的寫照。

(2) 西攀高速公路主線位于自然坡度為5°的臺地向斜坡過渡地帶后部較緩部位，且為半填半挖地段，故路基穩(wěn)定性較好。而新增B匝道填方路堤基本位于臺地向斜坡過渡地帶的自然坡度為15°的較陡部位，且邊坡高度大，屬于高填、陡坡路堤而穩(wěn)定性較差。

(3) 線路后部山體匯水面積大，造成豐富的地下水和地表水易于向滑區(qū)匯集，對路堤產(chǎn)生明顯的水壓力作用，并降低路堤的物理力學(xué)參數(shù)；隔水的石英閃長巖形成的“碗狀”臺地平臺造成地下水難以有效疏排，造成以昔格達(dá)為母體的粉質(zhì)黏土和全風(fēng)化昔格達(dá)地層常年呈可塑-硬塑狀，形成的軟弱地層嚴(yán)重影響上部填方體的穩(wěn)定。

(4) 新增B匝道路堤填方高度大且填筑速度較快，造成了原有坡體的應(yīng)力場和滲流場發(fā)生調(diào)整，打破了“場”間的動態(tài)平衡。尤其是2016年9月18日的特大暴雨，使滑區(qū)地下水位快速上升，滲流場的快速增大超出了坡體應(yīng)力場的調(diào)整能力而造成坡體發(fā)生變形，繼而誘發(fā)滑坡的發(fā)生。

2.3 路堤滑坡治理應(yīng)急方案分析

滑坡發(fā)生后，為確保西攀高速公路的單幅通行安全要求和防止滑坡對前部高差達(dá)150.0 m左右的省道S310和民居形成安全隱患，經(jīng)過現(xiàn)場踏勘，決定采用減載、截排水和“隔斷”為主的應(yīng)急工程措施。

(1) 滑坡的主體和發(fā)生滑坡的直接原因是新增B匝道路堤的加載修建。筆者考慮到滑坡后緣距保通車道的距離約有12.0 m的安全距離，故對新增路堤采用臺階式卸載，從而達(dá)到通過適量卸載以有效扼制滑坡的變形速率，控制其對后部西攀高速公路的牽引和對前部臺地的擠壓作用。而臺階式的適量卸載，防止了臨時(shí)邊坡過高、過陡失穩(wěn)出現(xiàn)變形而對后部高速公路形成牽引作用。卸載規(guī)模依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)取新增路堤總填方8×104m3的1/6～1/7，即約為1.2×104m3，并通過坡體監(jiān)測動態(tài)調(diào)整卸載規(guī)模。

(2) 水是滑坡發(fā)生的主要誘發(fā)因素。筆者提出對西攀高速公路主線后部的邊溝部位設(shè)置基底位于強(qiáng)風(fēng)化石英閃長巖、深為7.0 m左右的截水盲溝，有效截?cái)嗥潞蟮叵滤偷乇硭蚧瑓^(qū)的匯集，減小和控制水對滑坡的不利作用。

(3) 為進(jìn)一步確保右線單幅保通的西攀高速公路主線安全，與會專家提出在高速公路左幅路基中線附近設(shè)置3排直徑為Φ140 mm的注漿鋼管樁對滑坡與主線右幅保通的路基進(jìn)行“隔斷”。

筆者認(rèn)為在對滑體進(jìn)行有效減重和對坡后來水進(jìn)行有效截排后，滑坡對西攀高速公路的牽引和對前部臺地的擠壓作用得到了有效控制，不宜再設(shè)置“隔斷”工程。且長細(xì)比較大的注漿鋼管樁其抗彎能力有限，漿體會造成地下水通道的中斷而可能快速抬高滑坡后緣的地下水位，這是不利于滑坡穩(wěn)定的?；诖耍c會專家在取消未施做的2排鋼管樁的同時(shí)，決定采用直徑Φ1.2 m的鉆孔灌注樁進(jìn)行“隔斷”，共設(shè)置樁長為28 m的灌注樁21根，工程造價(jià)約200萬元。

應(yīng)急工程在實(shí)施截水工程和減載1.1×104m3時(shí)，通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，滑坡位移收斂而趨于“穩(wěn)定”，故沒有再實(shí)施其余0.1×104m3的減載工程，有效達(dá)到了工程應(yīng)急的目的，為滑坡永久工程的設(shè)計(jì)和勘察贏得了時(shí)間。但為確保西攀高速公路主線的“萬無一失”，采用鉆孔灌注樁的“隔斷”工程隨后仍進(jìn)行了實(shí)施。

2.4 路堤滑坡治理永久治理方案分析

在采取應(yīng)急方案的基礎(chǔ)上，經(jīng)過地質(zhì)勘察，考慮到滑坡在填方體內(nèi)部存在由最大剪應(yīng)力形成的圓弧形滑面，以及存在由昔格達(dá)殘坡積層、風(fēng)化層和下伏基巖之間形成的多層滑面，決定在路堤前部設(shè)置抗滑樁+反壓+排水工程進(jìn)行治理。見圖5。

(1) 抗滑樁設(shè)置于路堤坡腳部位雖然可有效減小征地面積，但存在淺層滑坡“越頂”的問題，故結(jié)合位于昔格達(dá)殘坡積層與風(fēng)化層之間、風(fēng)化層與下伏石英閃長巖之間的滑面形態(tài)，在路堤坡腳約27.0 m的部位設(shè)置抗滑樁對滑坡的中層和深層滑體進(jìn)行支擋，并不再考慮樁前由粉質(zhì)黏土層和全風(fēng)化昔格達(dá)地層形成的主動土壓力；在抗滑樁后部設(shè)置厚約5.0 m的反壓工程對淺層滑體進(jìn)行治理。

(2) 為疏排滑區(qū)內(nèi)的地下水，與會專家提出在路堤坡腳和滑坡前緣各設(shè)置一道橫向滲溝，并沿滑坡主滑方向在橫向滲溝之間設(shè)置8條縱向滲溝對地下水進(jìn)行疏排，滲溝埋深為4.0～7.0 m，總長為560.0 m，工程造價(jià)約155萬元。

筆者認(rèn)為，在應(yīng)急工程時(shí)設(shè)置于路基內(nèi)側(cè)、基底位于強(qiáng)風(fēng)化閃長巖的橫向截水盲溝和邊溝已兼顧了工程作為永久截排水的目的，能有效截排坡體后部的地下水和地表水，而不宜再設(shè)置多條樹枝狀滲水盲溝，這也在應(yīng)急工程實(shí)施后坡體地下水位的有效控制和泉水消失等現(xiàn)象中直接得到應(yīng)證。且抗滑樁后反壓體高度較小，下伏地基承載力能有效滿足反壓工程的需求。但在工程治理審查時(shí)，為確?；轮卫淼摹叭f無一失”，設(shè)計(jì)單位仍采用了樹枝狀滲溝工程，實(shí)是遺憾。

圖5 滑坡治理工程地質(zhì)斷面圖

3 結(jié)論

(1) 昔格達(dá)地層成巖程度低，富含黏土顆粒及黏土礦物，承載力低、易風(fēng)化、水穩(wěn)性差，是典型的易滑地層。

(2) 昔格達(dá)地層填方路堤滑坡主要由于下伏昔格達(dá)地層軟弱、自然斜坡較陡、路堤截排水欠佳、支擋工程錨固力不足、老滑坡失穩(wěn)牽引、路堤填筑質(zhì)量欠佳等6種因素所致。

(3) 昔格達(dá)地層路堤滑坡地下水和地表水的截、排，以及對路堤填方進(jìn)行適時(shí)、適量的必要卸載，是有效控制填方路堤滑坡變形的主要應(yīng)急工程手段。

(4) 昔格達(dá)地層填方路堤滑坡的治理，應(yīng)充分考慮填方體內(nèi)部由最大剪應(yīng)力控制形成的圓弧形滑面，以及由昔格達(dá)殘坡積層、風(fēng)化層和下伏基巖之間形成的多層滑面，在有效采取截、排水措施的基礎(chǔ)上，積極采用支擋和反壓工程對多層滑體進(jìn)行治理。

(5) 路堤滑坡治理方案的確定，應(yīng)考慮道路的正常保通、社會影響、施工工期、工程造價(jià)等綜合因素，但不宜過量設(shè)置工程措施而導(dǎo)致工程費(fèi)用的大幅攀升。

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