陳云生,劉光彬,張一銘,黃海峰,吳秋軍
(1. 廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530029;2. 廣西巖土災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心,廣西 南寧 530029)
陽朔至鹿寨高速公路(簡稱陽鹿高速公路)K51+940—K52+200段為填方路基,小樁號側(cè)為東高嶺2號大橋,大樁號側(cè)為東高嶺隧道,路堤邊坡自上而下按1:1.5、1:1.75、1:2分三級填筑,最大填高約40 m,其中K52+080—K52+170段右側(cè)填筑路堤坡腳設(shè)有漿砌片石擋墻。2018年3月,時(shí)隔4年復(fù)工建設(shè)后發(fā)現(xiàn)該路堤嚴(yán)重開裂,隨后進(jìn)行了重新碾壓填筑處治。至2019年3月,該段路堤填筑至路床頂并進(jìn)入面層施工。2019年2—4月,因降雨量較大該段再次發(fā)生滑動,地表出現(xiàn)多條裂縫,路堤斜坡局部地段出現(xiàn)剪切裂縫。2019年4月,經(jīng)詳細(xì)勘察及變形監(jiān)測后判斷該路堤所處位置為古滑坡堆積體,局部復(fù)活為新滑坡,因通車在即,急需對其進(jìn)行處治,隨后開展了新滑坡的成因機(jī)理分析,判斷其穩(wěn)定性。2019年5月1日—12日,采取卸載后緣部分滑體+前緣第一、第二期反壓的應(yīng)急處治方案,控制住滑坡的主要變形。截至6月11日,完善了整個(gè)滑坡的防排水系統(tǒng),并完成了坡腳鋼管群樁防護(hù)及前緣第三期反壓,使得滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。
國內(nèi)多是在現(xiàn)場調(diào)查、鉆探等詳細(xì)勘察的基礎(chǔ)上借助數(shù)值模擬或模型試驗(yàn)等手段進(jìn)行滑坡成因分析研究,研究成果多認(rèn)為前緣減載、后緣堆載、地震、降雨等因素為滑坡發(fā)生的主要外因。陽鹿高速K52新滑坡為堆積體中后緣加載型局部復(fù)活滑坡,對于此類滑坡國內(nèi)已有研究。如衛(wèi)童瑤等[1]對三峽庫區(qū)巫山縣塔坪H1滑坡進(jìn)行變形分區(qū),認(rèn)為庫水位周期性波動及短時(shí)強(qiáng)降雨相疊加是誘發(fā)滑坡的主要因素。史文兵等[2]采用有限元軟件分析了某滑坡在多種工況下的變形特征,研究結(jié)果認(rèn)為滑坡發(fā)生的主要成因?yàn)樘钔梁徒涤?。張巖巖等[3]采用資料收集、地調(diào)、鉆探及井探等手段對某特大型滑坡的成因機(jī)制進(jìn)行了研究,研究表明其為自然降雨觸發(fā)的特大型滑坡。閆國強(qiáng)等[4]對三峽庫區(qū)巫山金雞嶺滑坡成因機(jī)制進(jìn)行了研究,研究認(rèn)為降雨、后緣加載、地下水阻斷等是導(dǎo)致其變形的主要因素。何坤等[5]以四川省某古滑坡為案例,采用地調(diào)、航拍、鉆探、物理力學(xué)試驗(yàn)及數(shù)值模擬等手段對其復(fù)活機(jī)制進(jìn)行了研究,研究認(rèn)為獨(dú)特的巖土結(jié)構(gòu)及地形地貌是復(fù)活的內(nèi)因,多雨是復(fù)活的主要外因。
對于大型、巨型等規(guī)模大的滑坡,必須對其滑坡所在區(qū)域的地形地貌、地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征及變形機(jī)理等進(jìn)行詳細(xì)研究,為處治方案的選擇提供依據(jù)[6?9]。代貞偉等[10]以三峽庫區(qū)藕塘滑坡為實(shí)例,將該巨型順層巖質(zhì)滑坡劃分為三級,認(rèn)為該滑坡具有“拉裂-滑移-剪斷”、“平面滑移”、“滑移-剪斷”等三種形成機(jī)制。呂俊磊等[11]借助FLAC3D對巴中市某滑坡的成因機(jī)制進(jìn)行了分析,其破壞過程為由前緣向后緣逐漸貫通的牽引式滑坡。易志堅(jiān)等[12]通過室內(nèi)模型試驗(yàn)對唐古棟滑坡的成因機(jī)制進(jìn)行了研究,認(rèn)為該巨型巖質(zhì)滑坡的前緣失穩(wěn)變形是導(dǎo)致整個(gè)邊坡失穩(wěn)破壞的主要原因,并對其變形過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。張杰等[13]結(jié)合無人機(jī)航拍技術(shù)對云南彝良兩河鎮(zhèn)某滑坡的運(yùn)動過程進(jìn)行研究,證明該滑坡經(jīng)歷了三次滑動,堆積體屬“多次疊加堆積”。
文中以筆者親自參加的陽鹿高速K52新滑坡處治設(shè)計(jì)為研究案例,借助地質(zhì)鉆探、巖土測試、試驗(yàn)、變形監(jiān)測及數(shù)值分析等手段,對其變形特征、演化過程、成因分析和變形機(jī)理進(jìn)行了研究,為后續(xù)的處治方案、預(yù)警預(yù)災(zāi)等研究提供理論依據(jù),同時(shí)也為同類工程的勘察設(shè)計(jì)提供參考。
對于古滑坡的判斷,黃曉虎等[14]從微地貌特征、地層結(jié)構(gòu)、巖性特征及現(xiàn)場變形跡象等滑坡特征出發(fā),借助工程實(shí)例對古滑坡及新滑坡進(jìn)行辨別。文中參考了其部分辨別原則。
陽鹿高速公路K52處古滑坡堆積體位于桂林市荔浦市西北約10 km處,屬剝蝕低山地貌,山體絕對高度多在300~650m,相對高差約300 m。古滑坡堆積體位于自然山體中下部,整體輪廓呈近圈椅狀,兩側(cè)發(fā)育沖溝,自然坡度前緩后陡,中部發(fā)育有平臺,后緣局部見基巖裸露,基巖層面光滑,覆蓋層薄,為順層滑動證據(jù);前緣坡度15°~25°,后緣40°~50°,為典型古滑坡堆積體地貌特征(圖1)。
圖1 項(xiàng)目區(qū)工程地質(zhì)平面圖及照片F(xiàn)ig.1 Engineering geological plan of project area and photo
鉆探顯示該區(qū)域由人工填土、古滑坡堆積體、殘坡積層及風(fēng)化基巖組成(圖2)。人工填土屬高速公路路基填筑層,成分為碎石、塊石及黏性土,碎石、塊石約占25%~35%;古滑坡堆積體由兩種物質(zhì)組成,分別為風(fēng)化頁巖及強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖,風(fēng)化頁巖呈土狀,軟?可塑狀,強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖巖質(zhì)較軟,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖芯呈碎塊狀,堆積區(qū)巖層產(chǎn)狀、物質(zhì)成分凌亂;殘坡積層除了BK52-3鉆孔外,其余鉆孔均有揭露,主要由粉質(zhì)黏土混碎石、塊石組成,可?硬塑狀,在古滑坡堆積體底部揭露,與正常沉積順序顛倒;基巖埋深大,中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖及灰?guī)r呈互層狀,含頁巖軟弱夾層,產(chǎn)狀穩(wěn)定,巖層整體傾向坡腳,自然坡為順層坡。產(chǎn)狀、巖土結(jié)構(gòu)及基巖埋深厚度異常是該處歷史上發(fā)生過滑坡的有力證據(jù)。
地表水分布在項(xiàng)目區(qū)各溝槽內(nèi),受大氣降水補(bǔ)給。地下水水位、水量受降雨控制,長期監(jiān)測測得勘探孔內(nèi)穩(wěn)定地下水位高程340~400 m,堆積體前緣水位位于堆積體內(nèi),后緣水位與滑坡堆積體底面齊平,水位線呈上陡下緩狀(圖2),堆積體前緣可見泉水出露,鉆探及鋼管群樁鉆孔過程中可見地下水沿孔上冒,地下水異常符合古滑坡堆積體的水文地質(zhì)特征。
圖2 2-2'剖面工程地質(zhì)剖面圖Fig.2 Engineering geological section of 2-2'
以上特征可判斷該區(qū)域在歷史發(fā)生過沿頁巖軟弱層滑動的巖質(zhì)順層滑坡,滑坡體堆積在坡腳,覆蓋在原殘坡積層之上,重力搬運(yùn)導(dǎo)致該堆積體結(jié)構(gòu)松散,土巖交替分布,產(chǎn)狀凌亂,經(jīng)過外營力地質(zhì)改造后,形成了目前地貌。經(jīng)詳細(xì)勘察,得出該古滑坡主滑方向?yàn)?2°,滑動方向與高速公路走向呈大角度相交,堆積體前緣延伸至高速公路下邊坡底部沖溝處,主軸長300 m,平面分布72 000 m2,鉆探揭露堆積體均厚40 m,總體積2.88×106m3。
陽鹿高速公路以高填陡坡路堤形式從古滑坡堆積體的中后緣通過(圖2),路堤填筑后,古滑坡堆積體局部復(fù)活為K52新滑坡。根據(jù)鉆探、測斜等綜合成果,該滑坡主滑方向垂直高速路走向,軸長150 m,分布高程340~440 m,具三個(gè)滑面:頂部滑面(A區(qū))面積約62 000 m2,滑面埋深10~20 m,均厚15 m;底部滑面(C區(qū))對應(yīng)面積約25 000 m2,滑面平均埋深21~36 m,均厚約30 m;中部滑面(A+B區(qū))埋深13~28 m,為頂部滑面中部向底部滑面前緣貫通并向溝谷滑動的滑面。新滑坡總體積約為1.68×106m3,依據(jù)規(guī)范[6],屬深層滑坡,各區(qū)結(jié)構(gòu)特征見表1。
表1 新滑坡結(jié)構(gòu)特征Table 1 Structural characteristics of new landslide
2.2.1 地表變形
新滑坡地表主要發(fā)育14條裂縫,典型照片見圖1,裂縫性質(zhì)及規(guī)模見表2。
表2 新滑坡地表主要裂縫特征Table 2 Characteristics of surface cracks in new landslides
受滑坡變形影響,原路堤產(chǎn)生大量裂縫,坡腳漿砌片石擋墻呈整體式剪切變形,致使擋墻裂縫呈近豎直狀,略傾倒,墻身向滑移方向相互錯(cuò)開近1 m,擋墻底部基礎(chǔ)可見整體式滑移擦痕,路堤填石可見明顯的剪切貫穿性斷裂裂縫,典型照片見圖3。
圖3 破壞典型照片F(xiàn)ig.3 Typical photo of damage
2.2.2 地下變形
復(fù)工期間對該滑坡地下變形進(jìn)行了長期監(jiān)測,共布設(shè)了17個(gè)深層位移監(jiān)測,24個(gè)地表位移監(jiān)測,大部分監(jiān)測點(diǎn)因地表施工擾動而損壞或測斜管因滑面變形而折斷。文中取典型剖面2—2′進(jìn)行分析(圖4)。圖4可以看出新滑坡存在兩層明顯滑動面,CX2-2在深度12.5~18 m及32.5~36.5 m之間出現(xiàn)了明顯的位移突變,同一斷面的CX2-4在深8.0~12 m及20.5~25.5 m區(qū)間出現(xiàn)了明顯的位移增大波動,CX2-2在深度12.5~18 m及CX2-4在深度8.0~12 m的局部測斜曲線呈現(xiàn)“D”字形,得出頂部滑面分別位于對應(yīng)測斜孔的15 m、10.5 m處;CX2-4在深度20.5~25.5 m及CX2-2在深度32.5~36.5 m的局部測斜曲線呈現(xiàn)“r”字形,得出中部、底部滑面分別位于對應(yīng)測斜孔的20.5 m、33 m處。測斜滑動面所對應(yīng)位置與鉆孔滑動面位置基本一致(圖4),說明測斜成果是可靠的。監(jiān)測顯示堆積體底部變形不大,微小變形為中部、底部滑面滑動時(shí)牽引所致,說明堆積體未整體復(fù)活。
監(jiān)測曲線(圖4)還可以看出:6月2日之前,CX2-2(5月1日開始監(jiān)測)對應(yīng)頂部滑面平均變形速率為4.9 mm/d,對應(yīng)底部滑面平均變形速率為5.2 mm/d,CX2-4(5月12日開始監(jiān)測)對應(yīng)頂部滑面平均變形速率為5.5 mm/d,對應(yīng)中部滑面平均變形速率為5.5 mm/d,此時(shí)滑坡深部位移不滿足規(guī)范[6]要求,處于急劇變形階段。6月2日之后,隨著應(yīng)急方案、鋼管群樁及防排水系統(tǒng)的完善,變形速率呈現(xiàn)持續(xù)減小的趨勢,日均變形均在0.5 mm以內(nèi)(圖4)。
圖4 典型測斜成果圖Fig.4 Inclinometer results
在歷史時(shí)期該區(qū)域滑動過,滑動過程中巖土體相互撞擊解體,沖至坡腳堆積形成現(xiàn)堆積體,堆積后巖土結(jié)構(gòu)松散,孔隙度大,決定了該古滑坡堆積體風(fēng)化程度厚、力學(xué)參數(shù)低及地下水豐富的結(jié)構(gòu)特征,有利于新滑坡的產(chǎn)生。
滑坡區(qū)整體呈上陡下緩地形,中部分布有臺階,兩側(cè)及坡腳均為沖溝,地形有利于匯水。坡腳沖溝常年有水,切割較深,軟化坡腳,為滑坡剪出創(chuàng)造了天然的臨空面。
滑坡體由人工填土及古滑坡堆積體組成,其中古滑坡堆積體存在力學(xué)參數(shù)相對較低的風(fēng)化頁巖,為滑面的形成創(chuàng)造了物質(zhì)條件。人工填土孔隙率大,屬中~強(qiáng)透水層,古滑坡堆積體中的風(fēng)化頁巖屬弱透水層,強(qiáng)風(fēng)化層屬中~強(qiáng)透水層,殘坡積層的粉質(zhì)黏土屬弱透水層,以上結(jié)構(gòu)特征有利水在風(fēng)化頁巖及粉質(zhì)黏土頂部匯集。
人工活動主要體現(xiàn)以下四點(diǎn)(圖5):①2010年開工建設(shè)陽鹿高速,公路以填方形式從本堆積體的中上部通過,路基填筑增加了下滑力,破壞了原始應(yīng)力平衡,不利穩(wěn)定;②高速公路的修建阻擋了原自然排水通道,增加了集水面積,地表水徑流條件也發(fā)生改變,部分匯集于路堤內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)化為地下水,進(jìn)一步加速新滑坡的形成;③橋梁梁場設(shè)置在滑體上,大量預(yù)制梁堆積在路基上,增加荷載,加大下滑力;④工棚設(shè)置在該滑坡后緣,不僅增加荷載,而且勘察期間可見工棚生活用水源源不斷流入后緣裂縫中。
圖5 人工活動現(xiàn)場圖片F(xiàn)ig.5 Photo of human activities
滑坡區(qū)位于桂林荔浦市,該區(qū)歷年雨量充沛,經(jīng)統(tǒng)計(jì),2010—2020年間年平均降雨日數(shù)為168 d,連續(xù)降雨最長日數(shù)達(dá)28 d,加之路堤填土及滑坡堆積體部分結(jié)構(gòu)松散,停工期間未做任何防排水措施(圖5),有利地表水下滲,水的作用加大了下滑力、減少了抗滑力、降低了滑帶力學(xué)參數(shù)等,不利穩(wěn)定。
從監(jiān)測數(shù)據(jù)(圖6)可以看出,新滑坡深部位移分別在5月7日—5月9日、5月18日—5月20日、5月26日—5月28日發(fā)生過跳躍式突變,與強(qiáng)降雨呈明顯對應(yīng)關(guān)系,說明滑坡變形受降雨影響明顯,隨著應(yīng)急搶險(xiǎn)、鋼管群樁及防排水等措施的完善,該滑坡變形逐步減小,處于穩(wěn)定狀態(tài)。
圖6 頂部、中部、底部滑面變形實(shí)測圖(CX2-2、CX2-4)Fig.6 Measured deformation diagram of the sliding surface
不良地質(zhì)、微地貌及獨(dú)特的巖土體結(jié)構(gòu)為新滑坡產(chǎn)生的內(nèi)因,人工活動及降雨為新滑坡產(chǎn)生的主要外因。
為研究新滑坡的變形過程,利用Midas NX軟件建模,編制了導(dǎo)入FLAC3D軟件的程序,進(jìn)行三維有限差分分析。計(jì)算剖面選取2—2′,計(jì)算模型見圖7,模型長416 m,寬10 m,高136 m,模型共劃分7 154個(gè)單元,11 007個(gè)單元節(jié)點(diǎn)。
圖7 FLAC3D數(shù)值分析模型圖Fig.7 Numerical analysis model of FLAC3D
物理力學(xué)參數(shù)通過FLAC3D計(jì)算變形與實(shí)測變形相擬合反演、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)及經(jīng)驗(yàn)綜合得出,計(jì)算采用MC本構(gòu)模型。數(shù)值分析所用計(jì)算參數(shù)見表3。
表3 巖土體物理力學(xué)參數(shù)Table 3 Physical and mechanical parameters of rock and soil
取路基填筑后連續(xù)暴雨工況進(jìn)行分析,分析成果見圖8。
(1)由圖8(a)可知,路基堆載后,首先在填方坡腳產(chǎn)生應(yīng)力集中,但未形成滑動面,同時(shí)在頂部、底部滑面的后緣出明顯的現(xiàn)拉張變形。由圖8(b)可知,隨著路基堆載時(shí)間的增加及降雨的持續(xù),在路基堆載體的正下方滑面位置出現(xiàn)剪應(yīng)變集中,這是因?yàn)樘钔磷灾睾奢d向正下方傳遞,致使該處滑帶首當(dāng)其沖。由圖8(c)可知隨著時(shí)間的增加,底部滑面自前緣向后緣貫通,中部滑面自中部向前緣逐步擴(kuò)展,但此時(shí)最大剪應(yīng)變增量仍位于填方路堤的下部,說明處于蠕滑階段,前緣還未發(fā)生剪切破壞,頂部滑面由中部向前緣貫通,但還未形成貫通的滑動面,此時(shí)底部滑面為主滑面。由圖8(d)可知運(yùn)行結(jié)束時(shí)中部滑面后緣向中部逐步貫通,頂部滑面的最大剪應(yīng)變增量轉(zhuǎn)移至后緣,中部滑面的最大剪應(yīng)變增量由中部轉(zhuǎn)移至前緣,前緣出現(xiàn)剪切破壞,說明滑體A已由原來向頂部滑面?zhèn)鬟f荷載變?yōu)橄蜇炌ǖ闹胁炕鎮(zhèn)鬟f荷載,路基開裂嚴(yán)重,滑坡失穩(wěn),此時(shí)中部滑面轉(zhuǎn)變?yōu)橹骰?,由監(jiān)測數(shù)據(jù)可知,對應(yīng)中部滑面的變形速率也是最大。由上可知:頂部滑面、中部滑面大剪應(yīng)變增量由后緣向中部及中部向前緣貫通,底部滑面由前緣逐步向后緣貫通。
圖8 剪應(yīng)變增量Fig.8 Contour of shear strain increment
(2)由剪應(yīng)變增量變化情況可知,堆積體底部未產(chǎn)生明顯滑動,堆積體未整體復(fù)活。
(3)從表2可以看出,A區(qū)后緣先發(fā)生變形開裂,隨后A、B區(qū)兩側(cè)出現(xiàn)剪切裂縫,緊接著A、B區(qū)前緣出現(xiàn)鼓脹裂縫,最后C區(qū)兩側(cè)及后緣出現(xiàn)剪切及拉張裂縫,裂縫先后順序與變形演化過程基本相符合,說明本次變形演化過程模擬是可靠的。
高速公路修建前古滑坡堆積體處于穩(wěn)定狀態(tài),此時(shí)堆積體應(yīng)力處于平衡狀態(tài),路基填筑后,下滑力增加,新環(huán)境使堆積體不斷變形來尋找新的應(yīng)力平衡,而堆積體中的風(fēng)化頁巖為相對軟弱夾層,堆載后優(yōu)先在風(fēng)化頁巖產(chǎn)生變形,使得該滑坡處于蠕變狀態(tài)。
隨后經(jīng)歷近4年的間隙降雨入滲,對滑坡的影響如下:一是雨水沿著松散路基填筑層及堆積體下滲并在風(fēng)化頁巖中匯集,軟化崩解巖土降低了滑面力學(xué)參數(shù),使后緣巖土體自重增加,加大了下滑力,降低了滑帶土的有效應(yīng)力及基質(zhì)吸力[15?16];二是滑坡前緣基巖面平緩,后緣陡峭,前緣有利于地下水匯集,暴雨使得前緣水位抬升,巖土浮力增加,止滑力減??;三是暴雨工況下形成的滲透力易使堆積體粗顆粒中的細(xì)顆粒逐步?jīng)_走,土體逐步架空,滲透力不僅加大下滑力,土體架空后還加劇變形。降雨是誘發(fā)新滑坡的催化劑。
隨著降雨的持續(xù),滑帶土一直在變形,結(jié)合4.1節(jié)的變形演化及表2的裂縫先后順序可知,對于滑體A及滑體B,堆載作用首先在新滑坡后緣出現(xiàn)拉張變形及中部出現(xiàn)剪切變形,隨后從后緣及中部逐步向前緣貫通,符合推移式滑坡規(guī)律。對于滑體C,首先在后緣出現(xiàn)拉漲裂縫及前緣出現(xiàn)剪切變形,后由前緣逐步向后緣貫通,符合牽引式滑坡規(guī)律。中部滑面貫通后,前緣出現(xiàn)應(yīng)力集中,當(dāng)抗滑段滑帶土變形超過土的最大剪應(yīng)變時(shí)將出現(xiàn)剪切破壞,新滑坡失穩(wěn)。
綜上所述,新滑坡中上部路基、梁場等堆載首先向滑坡前緣擠壓,形成推移式滑體A及推移式滑體B,滑體C隨后受滑坡A、滑體B向前變形臨空牽引而形成。產(chǎn)生過程為:后緣拉張變形-中部剪切蠕變-滑體A、B推移剪出失穩(wěn)-滑體C前緣臨空牽引失穩(wěn),屬前段推移后段牽引型復(fù)合式滑坡,具多級、逐級及漸進(jìn)滑動特點(diǎn)。
(1)K52新滑坡為古滑坡堆積體中局部復(fù)活的滑坡,該古滑坡堆積體內(nèi)部發(fā)育軟-可塑狀軟弱夾層風(fēng)化頁巖,為新滑坡的主要滑帶土。
(2)K52新滑坡具三層滑動面,失穩(wěn)前底部滑面為主滑面,失穩(wěn)階段中部滑面為主滑面,產(chǎn)生過程為后緣拉張變形-中部剪切蠕變-滑體A、B推移剪出失穩(wěn)-滑體C前緣臨空牽引失穩(wěn),屬前段推移后段牽引型復(fù)合式滑坡,具多級、逐級及漸進(jìn)滑動特點(diǎn)。
(3)古滑坡堆積體未產(chǎn)生整體復(fù)活,誘發(fā)K52新滑坡的主要內(nèi)因?yàn)椴涣嫉刭|(zhì)、微地貌及獨(dú)特的滑坡體結(jié)構(gòu)特征,主要外因?yàn)樵谥泻蟛慷演d、填土改變地表水徑流路徑、向滑坡排放生活用水及降雨。
(4)K52新滑坡在人工堆載后,暴雨工況下處在急劇變形狀態(tài),依據(jù)規(guī)范[17],需進(jìn)行處治,處置重點(diǎn)應(yīng)防止頂部、中部及底部三個(gè)滑動面繼續(xù)變形,同時(shí)應(yīng)防止古滑面及古滑坡堆積體內(nèi)部其余風(fēng)化頁巖夾層產(chǎn)生次級滑動。
中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)2022年1期