滇西片巖區(qū)古滑坡形成機制及高填方邊坡穩(wěn)定性研究

潘 凱， 謝春慶， 柳天佳， 趙新杰， 吉 鋒

(1.廣東中煤江南工程勘測設(shè)計有限公司，廣州 410440；2.地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室(成都理工大學)，成都 610059)

0 引言

我國是一個滑坡災害極為頻發(fā)的國家，其中大型和巨型滑坡占有突出重要的地位，尤其是在中國的西部地區(qū)，大型滑坡更是以其規(guī)模大、機制復雜、危害大等特點而難于治理[1]?；聻暮Σ粌H對老百姓生命財產(chǎn)造成極大損失，并嚴重影響公路、鐵路、機場、水運及水電站等基礎(chǔ)設(shè)施的安全運營[2-4]。

以機場工程為例，與中東部相比，西部山區(qū)機場受場地條件的制約，建設(shè)中“削山填谷”的情況比較多，土石方量巨大，填方原地基大多是傾斜地面，由于地形、地質(zhì)、水文、巖土條件復雜，加之滑坡災害發(fā)育，地基及高填方邊坡穩(wěn)定問題十分突出[5-9]。以攀枝花機場為例，機場中部12#滑坡2004年至今已經(jīng)發(fā)生了數(shù)次不同規(guī)模的滑移，并堆積于下側(cè)喻家坪老滑坡之上，使老滑坡再次復活[10-11]，滑坡造成機場數(shù)次停航，雖然前后花費數(shù)億元進行了應急搶險和大規(guī)?；轮卫砉ぷ鳎晕赐耆?，嚴重影響到了機場的安全運營和附近老百姓生命財產(chǎn)安全，并造成了不良社會影響。

片巖屬區(qū)域變質(zhì)巖，受結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、礦物成分的影響，具有蠕變性、力學各向異性、遇水軟化、劣化等特性。由于片巖特殊結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及力學性質(zhì)，山區(qū)片巖往往是滑坡高發(fā)區(qū)[12-18]。關(guān)于片巖力學性質(zhì)及滑坡災害已有相關(guān)研究，但針對滇西片巖的相關(guān)研究仍較少。本文依托某機場建設(shè)工程，開展片巖區(qū)古滑坡形成機制及高填方邊坡穩(wěn)定性研究，研究成果對片巖區(qū)滑坡成因機制分析、邊坡穩(wěn)定性分析、抗剪強度參數(shù)取值、土石方工程設(shè)計及災害防治等具有參考作用。

1 滑坡區(qū)現(xiàn)狀特征

1.1 滑坡分布位置及形態(tài)特征

滑坡位于飛行區(qū)西南部跑道軸線北東側(cè)的“石長洼子”，所以命名為“石長洼子滑坡”?；掳l(fā)育于區(qū)內(nèi)F3、F4壓扭性斷層之間的凹槽形斜坡部位，整體呈東南北向展布，主滑方向NE5°，平面形態(tài)呈典型的“圈椅狀”，剖面形態(tài)后緣至中部凹陷，中部到前緣有多級下錯臺坎，剪出口部位發(fā)育陡壁，滑坡前緣距離下側(cè)村莊距離僅70余米?；麦w后緣高程2 224m，前緣高程2 148m，高差約76m，地表平均坡度23°，坡體縱向平均長度約293m，橫向平均寬度約125m，面積約3.6×104m2，滑坡方量約1.03×106m3。

坡體后緣發(fā)育拉線槽，形成長25m，寬8m洼地，滑坡中部至前緣坡度較陡，平均坡度約37°；后緣地形較緩，平均坡度約4°；滑坡體殘留三級滑移堆積平臺，高程約2 200m處為一級平臺，橫向?qū)挾?2～68m，縱向展布長115m；二級平臺高程2 192m，橫向?qū)?5m，縱向延伸約28m；三級平臺位于坡體前緣，長42m，寬38m，古滑坡左邊界可見有局部橫向凹槽發(fā)育，寬度1～2m，深度約1.5m。

滑坡體左側(cè)發(fā)育一條淺切割的溝谷，溝谷切割深度2～3m，在高程約2 186m處與滑坡前緣發(fā)育的溝谷交匯，滑坡左側(cè)以此溝為界。

滑坡前緣因兩側(cè)溝谷交匯而尖滅，淺表層堆積體的前緣剪出口位于高程2 162m溝谷斜坡平臺上，推測深層最不利的剪出口在溝谷底部(圖1)。

圖1 滑坡區(qū)綜合工程地質(zhì)平面Figure 1 Comprehensive engineering geological plan of landslide area

1.2 滑坡體物質(zhì)組成

滑坡區(qū)基巖為前奧陶系瀾滄群大田丫口組，巖性為淺灰、灰色、灰黑色二云母石英片巖，變晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，片狀構(gòu)造，受F3、F4壓扭性斷層影響，區(qū)內(nèi)片巖破碎，裂隙發(fā)育，地下水長期作用加速了片巖的風化、軟化和泥化速率，易形成軟弱夾層。鉆孔揭露，該斜坡深部存在大量含泥的角礫破碎帶，厚度0.5～1.0m，為片巖受構(gòu)造擠壓作用而破碎，并在地下水長期作用下風化、軟化和泥化而形成。

鉆探、井探揭露，滑坡體由粉質(zhì)黏土夾角礫、似層狀片巖巖體組成，厚度0～30m。

通過地質(zhì)測繪、物探、鉆探、井探及地質(zhì)分析得出，滑坡存在兩層滑帶(面)，淺層滑面埋深5.0～12.0m，深層滑面埋深18.0～30.0m。淺層滑帶以可塑-硬塑狀粉質(zhì)黏土夾角礫構(gòu)成，在滑坡前緣地下水位以下，滑帶土呈可塑狀，褐色、深灰色，滑帶土內(nèi)包裹體有一定磨圓和定向排列特征(圖2)。

圖2 探井揭露淺層滑帶特征Figure 2 Exploratory well revealed shallow glide zone features

深層滑帶主要為泥化夾層，鉆探揭露部分深層滑帶中夾次圓狀-次棱角狀的角礫，且具定向排列特征，部分似層狀基巖裂隙面殘留擦痕和鏡面(圖3)。

圖3 鉆探、探井揭露深層滑帯特征Figure 3 Drilling and exploratory well revealed deepglide zone features

滑坡中部至后緣滑床巖性以強—中風化片巖為主，呈黃灰色、灰白色，產(chǎn)狀：40°∠35°～50 °∠60°，滑坡中下部至前緣滑床主要以全風化、強風化片巖為主，中風化片巖埋深一般大于25m，風化巖最深超過42m(圖4)。

1.3 水文地質(zhì)特征

滑坡區(qū)中部及前緣出露多處泉點、滲水區(qū)，泉點流量30～120m3/d，水質(zhì)清澈，水溫15.6～15.8℃。鉆探中發(fā)現(xiàn)，部分鉆孔出現(xiàn)冒水現(xiàn)象，涌水量0.13～0.14L/s。

滑坡后緣地下水位埋深在15.0～18.0m，中部12.0～14.0m，前緣6.0～8.0m，剪出口位置0～1.0m，枯豐水期地下水位動態(tài)變化1.8～2.3m?；虑熬夐_挖探井出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，出水地層為砂狀全風化片巖及碎裂狀強風化片巖、堆積體，出水量70～90m3/d。

圖4 古滑坡體主滑方向典型地質(zhì)斷面Figure 4 Typical geological section of paleo-landslide main slip direction

根據(jù)滲透性，強風化片巖、淺層中風化片巖和碎塊石含量較高的滑坡堆積層為含水層；全風化片巖、深部裂隙弱發(fā)育的中風化—微風化片巖、原生和次生粉質(zhì)黏土為相對隔水層。根據(jù)水文地質(zhì)分析及連通性試驗結(jié)果，受F3、F4壓扭性隔水斷層的影響，滑坡區(qū)與斷層兩側(cè)區(qū)域水力聯(lián)系較弱，而與處于斷層擠壓帶內(nèi)滑坡后緣區(qū)域水力聯(lián)系較強，為滑坡區(qū)地下水的主要補給區(qū)。

2 滑坡及邊坡穩(wěn)定性分析

通過詳細調(diào)繪、調(diào)查訪問及地方國土部門地災檔案資料查詢結(jié)果可知，該滑坡過去至少60a內(nèi)未發(fā)生過大規(guī)模變形和滑動，為一處古滑坡。根據(jù)設(shè)計資料，該區(qū)填方邊坡頂面設(shè)計標高2 243m，最大垂直填方高度約76m，受施工擾動、填方荷載、地下水環(huán)境改變及地震等因素的影響，古滑坡可能再次復活，造成高填方邊坡變形失穩(wěn)。

2.1 變形破壞條件

1)地形條件。石長洼子古滑坡高差約76m，地表總體坡度約23°，坡體縱向長度約293m，滑坡左右邊界發(fā)育兩條小型溝谷，前緣發(fā)育一條深切溝谷，坡體后緣為一“月牙狀”積水凹槽，地形地貌條件創(chuàng)造了良好的地表水入滲條件和臨空條件。

2)地質(zhì)構(gòu)造特征?；聟^(qū)發(fā)育區(qū)域性斷裂的次生斷層F3、F4，受斷層構(gòu)造擠壓作用，該區(qū)巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育。構(gòu)造作用破壞了巖體的完整性，加速巖體風化，降低其力學強度，并為地下水的滲流提供了通道。

3)地層巖性特征。滑坡區(qū)基巖為二云母石英片巖，屬于軟巖。片巖具有遇水崩解、軟化、泥化的特性，易形成軟弱夾層。室內(nèi)軟化崩解試驗得出，強風化片巖在浸水12d后崩解率達到24%～30%，全風化片巖在浸水14min后，崩解率達到50%～77%。同時片巖具有蠕變特性，在上覆荷載的作用下易發(fā)生累進性破壞。

4)降雨入滲和地下水條件。研究區(qū)降雨充沛，年降雨量為1 467.3mm，降水以陣性降水為主，連續(xù)性降水多在7—9月。雨季最多降水量為1 687.7mm，最少為814.4mm，干季最多降水量為572.7mm，最少降水量為68.8mm。降雨入滲和地下水作用一方面軟化第四系松散層，并加速片巖的風化、軟化和泥化；另一方面飽水加載和孔隙水壓力作用，將增加滑坡體的下滑力，降低其抗滑力，對斜坡穩(wěn)定不利。

2.2 穩(wěn)定性計算方案

采用傳遞系數(shù)法和數(shù)值分析法進行穩(wěn)定性計算，考慮天然、暴雨、地震三種工況，分別對淺層滑面、深層滑面及其他潛在滑移面進行穩(wěn)定性計算。考慮到古滑坡為巖質(zhì)滑坡，數(shù)值法計算中采用折線形滑面進行最危險滑面搜索。根據(jù)設(shè)計資料，高填方邊坡采用塊碎石料進行填筑，綜合坡比為1∶2，高差間隔10m設(shè)置一級馬道，馬道寬2.0m。研究區(qū)抗震設(shè)防烈度Ⅶ度，設(shè)計基本地震加速度值為0.15g，綜合水平地震系數(shù)αw=0.04。

2.3 穩(wěn)定性計算參數(shù)

本文在對前期勘察報告分析整理的基礎(chǔ)上[19]，進行了室內(nèi)試驗、大型原位抗剪試驗、參數(shù)反演和工程類比等。參數(shù)綜合取值見表1。

2.4 地下水位與降雨入滲深度確定

降雨入滲深度采用經(jīng)驗公式進行計算，見式(1)[19-22]。計算結(jié)果見表2。

(1)

式中：H為降水入滲深度，m；Gs為相對密度；Sr為飽和度，%；ρ為土粒密度，g/cm3；k為飽和滲透系數(shù)，cm/s；i為水力比降；e為孔隙比。

根據(jù)計算結(jié)果，暴雨工況下穩(wěn)定性計算考慮降雨入滲的影響時大致可以分兩種情況：①當降雨歷時≤24h，可大致按照降雨入滲深度6.0m進行考慮，此時地下水位以下及降雨入滲浸潤影響深度的土體采用飽和參數(shù)，地下水位線以上及浸潤線之間的土體采用天然參數(shù)；②當降雨歷時超過≥48h，整個邊坡可按近飽水狀態(tài)進行考慮，采用飽和參數(shù)進行計算。

根據(jù)《滑坡防治工程勘查規(guī)范》(GB/T 32864—2016)[21]，當滑坡體滲透系數(shù)Kv> 1.0×10-7m/s時，應計算地下水的滲透壓力。根據(jù)滲透性試驗成果，含碎石粉質(zhì)黏土滲透系數(shù)Kv=n×10-5～n×10-6m/s，全—強風化片巖滲透系數(shù)Kv=n×10-6～n×10-7m/s，由于淺層滑坡為巖土混合物，且滑面大部分在地下水位面以上，可不考慮地下水滲透壓力的作用；深層滑帶大部分處于地下水位以下，且地下水位以下主要以全強風化片巖為主，滲透系數(shù)Kv>1.0×10-7m/s，需考慮地下水滲透壓力作用。

2.5 穩(wěn)定性計算結(jié)果分析

根據(jù)滑坡邊界、滑移方向，結(jié)合高邊坡填筑設(shè)計資料，選取XP02-XP02′主滑方向剖面，進行穩(wěn)定性計算。計算中分別考慮施工前、施工后兩種情況，分別對淺層滑面、深層滑面及潛在滑移面進行穩(wěn)定性計算?；路€(wěn)定性判別依據(jù)《滑坡防治工程勘查規(guī)范》(GB/T 32864—2016)，填方邊坡穩(wěn)定性判別依據(jù)《民用機場巖土工程設(shè)計規(guī)范》MH/T 5027—2013[22]、《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》GB50330—2013[23]相關(guān)規(guī)定進行評價。古滑坡及高填方邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果，見表3。

根據(jù)計算結(jié)果，填方前在天然工況、地震工況下，沿淺層滑面和深層滑面穩(wěn)定性系數(shù)fs均大于1.15，古滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；暴雨工況下，降雨歷時24、48h，沿淺層滑面穩(wěn)定性系數(shù)fs=1.07～1.13，沿深層滑面穩(wěn)定性系數(shù)fs=1.08～1.18，古滑坡處于基本穩(wěn)定性狀態(tài)。

因此在不受填方施工擾動情況下古滑坡整體穩(wěn)定性較好。

表1 滑坡、邊坡穩(wěn)定性計算巖土物理力學參數(shù)綜合取值

表2 降雨入滲深度計算成果

表3 滑坡及填方邊坡定性計算結(jié)果

填方后在填土荷載作用下，古滑坡及填方邊坡穩(wěn)定性急劇降低，天然工況下沿淺層滑面穩(wěn)定性系數(shù)fs=1.0～1.03，沿深層滑面穩(wěn)定性系數(shù)fs=1.02～1.09，邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)；暴雨和地震工況下，沿淺層滑面、深層滑面、潛在滑面B-B′穩(wěn)定性系數(shù)fs均小于1.0，邊坡均處于不穩(wěn)定狀態(tài)；最危險滑面A-A′，天然工況下fs=0.99，暴雨工況下fs=0.81～0.89，地震工況下fs=0.90，fs小于1.0，邊坡不穩(wěn)定。

綜上穩(wěn)定性計算分析得出，填方后天然工況下，高填方邊坡及填方地基(古滑坡體)整體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，暴雨及地震工況下邊坡整體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，填方荷載將誘發(fā)古滑坡復活，造成高填方邊坡整體失穩(wěn)。

通過大量的試算及滑面搜索得出，填方后由于邊坡應力的重新調(diào)整，邊坡并不完全沿古滑面滑移失穩(wěn)，而是沿古滑面、軟弱帶、填方交界面等薄弱面(帶)滑動，然后在填方邊坡的坡坡腳以及古滑坡體中下部合適位置剪出。

2.6 變形及應力應變分析

運用FLAC3D軟件建立高填方邊坡三維地質(zhì)模型，分析滑坡區(qū)填方后邊坡的變形及應力應變特征，建立的三維地質(zhì)模型見圖5。

圖5 古滑坡區(qū)填方后三維地質(zhì)模型Figure 5 Paleo-landslide area after filling 3D geological model

計算得出，高填方邊坡順滑坡主滑方向變形明顯，天然工況下頂部及中上部水平向變形量為60.0～80.0mm，邊坡中下部至坡腳部位水平向變形量為80.0～100.0mm，古滑坡受上部填方荷載作用，前緣出現(xiàn)了顯著的變形和剪應力集中現(xiàn)象，變形量最大達106.8mm，見圖6(a)。

天然工況下填方邊坡主固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降量為120.0～258.0mm，最大沉降區(qū)域位于邊坡中部至坡頂部位，最大沉降量258.0mm，見圖6(b)。

圖6 天然工況下填方位移變化特征Figure 6 Fill displacement variation featuresunder natural condition

暴雨、地震作用下，邊坡應力集中程度和變形量進一步增大，暴雨工況時填方邊坡水平向變形量達100.0～958.6mm，邊坡中部變形量最大，塑性變形量接近1.0m，見圖7(a)。

暴雨工況下高填方邊坡及高填方地基的沉降和差異沉降都十分明顯，沉降量為0.64～1.59m，沉降量最大的區(qū)域集中在滑坡后緣的填方邊坡頂部位置，最大沉降量達1.59m，見圖7(b)。

圖7 暴雨工況下填方邊坡位移變化特征Figure 7 Fill slope displacement variation featuresunder rainstorm condition

上述計算得出，古滑坡在填方荷載、降雨入滲、地下水等綜合作用下將加速變形，并復活而造成上部高填方邊坡失穩(wěn)，且填方邊坡的變形、滑移過程中，變形影響區(qū)將逐步擴大并向后緣發(fā)展，威脅跑道安全。

2.7 滑距及災害預測分析

石長洼子古滑坡區(qū)淺層滑動規(guī)模約3.2×105m3，深層滑體規(guī)模約為1.03×106m3，填方量約為1.1×106m3，高填方邊坡失穩(wěn)將有1.4×106～2.2×106m3土方下滑。研究中采用經(jīng)驗公式法和森·脅寬公式計算邊坡失穩(wěn)后的滑距[24-25]，得出填方邊坡沿淺層滑面失穩(wěn)滑移后滑距為160～223m，沿深層滑面失穩(wěn)滑移后滑距為170～255m。由于古滑坡下側(cè)村莊距離滑坡前緣僅76.0m左右，若邊坡滑移，將對下側(cè)村莊的安全造成重大威脅，同時跑道距離古滑坡后緣僅40余米，高填方邊坡失穩(wěn)將威脅跑道安全，影響機場的正常建設(shè)和安全運營。

3 治理情況

3.1 治理建議

滑坡區(qū)填方高度和土方量大， 滑坡前緣地形狹窄、臨空，基底巖性以低強度的全強風化片巖為主，直接采用抗滑樁、擋墻、坡腳反壓或挖除滑坡體的治理措施，將難以達到預期的治理效果，且安全風險高和投資大，因此建議采取“避讓為主、防治結(jié)合”的處理方案，盡量避免擾動古滑坡。

1)建議在滿足機場飛行程序要求和投資可行的前提下，將跑道向南西側(cè)平移80～100m，從而最大限度的避開古滑坡。

2)建議在滑坡后緣填方邊坡坡腳部位設(shè)置一排抗滑樁，樁底應嵌入中風化穩(wěn)定基巖一定深度，起到加固滑坡后緣的作用；填方邊坡坡腳采用加筋土擋墻或混凝土樁板墻收坡，避免邊坡土方壓覆于古滑坡后緣，影響滑坡和填方邊坡的穩(wěn)定。

3.2 實施情況

根據(jù)本研究提出的措施建議，綜合考慮土石方平衡、工程安全和投資等因素，設(shè)計單位最終采取“將跑道向南西側(cè)平移80m，跑道頂面設(shè)計標高抬高1.0m，優(yōu)化填方坡比，并采用加筋土擋墻收坡”的治理方案。

目前該區(qū)滑坡治理和土石方施工已完成，見圖8，各項變形監(jiān)測指標未見異常，處理好填方邊坡和老滑坡整體穩(wěn)定性良好。

圖8 治理后研究區(qū)航拍全景Figure 8 Aerial panoramic view of study area after governance

4 結(jié)論

1)研究區(qū)滑坡為片巖地層大型古滑坡，形成機制屬于牽引式和推移式的復合漸進破壞類型，一期深層滑坡屬于推移式剪切破壞，二期淺層滑坡屬于牽引式滑移-拉裂破壞。

2)穩(wěn)定性計算分析得出，高填方邊坡天然工況下整體欠穩(wěn)定，暴雨及地震工況下不穩(wěn)定，古滑坡將受地形、巖性、填方荷載、降雨入滲和地下水的綜合作用而復活，造成上部高填方邊坡失穩(wěn)。

3)大量的試算表明，由于填方邊坡應力重分布，邊坡并不完全沿古滑面滑移失穩(wěn)，而是可能沿古滑面、軟弱帶、填方交界面等薄弱面(帶)滑動，然后在填方邊坡的坡坡腳以及古滑坡體中下部合適位置剪出。

4)滑坡和邊坡的穩(wěn)定性受地形、填方荷載、巖性、降雨和地下水綜合影響，并與地下水作用密切相關(guān)，地下水長期作用，將使片巖逐步軟化、泥化形成軟弱帶，在自重應力和動靜水壓力作用下發(fā)生累進性破壞而失穩(wěn)。