強降雨下炭質(zhì)巖滑坡群形成機制及治理研究

查 俊，龔文宗，李耀華

(廣西交通設(shè)計集團有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

滑坡是斜坡上的部分巖體或土體受自然或人為因素影響，在重力作用下，沿著斜坡內(nèi)部一定的軟弱面(帶)整體以水平方向為主滑動位移的地質(zhì)現(xiàn)象，是山區(qū)高速公路主要病害之一[1-2]。廣西地處揚子準地臺的南端，炭質(zhì)巖地層分布廣泛，在下古生代時期就有出露，主要發(fā)育于盆地相、斜坡相及臺內(nèi)灘地相[3-4]。炭質(zhì)巖具有風(fēng)化快、崩解性強、崩解后迅速泥化、泥化后常呈軟塑狀、強度低等特點[5-7]，屬易滑地層；其在廣西六河路、桂柳路、宜柳路、三柳路、柳州環(huán)城等工程中廣泛分布，路基穩(wěn)定問題突出[8]。

本文以廣西三柳高速公路柳城互通滑坡群處治工程為例，系統(tǒng)介紹了炭質(zhì)巖滑坡群的特殊工程地質(zhì)特征、發(fā)展演化過程、成因機制、穩(wěn)定性分析方法及工程處治措施，對國內(nèi)炭質(zhì)巖區(qū)滑坡工程防護與處治具有一定的借鑒意義。

1 工程概況

三柳高速公路柳城互通位于柳城縣大埔鎮(zhèn)楓木村附近，主要包括A、C匝道，路線沿山腰、坡腳一帶展布，均為路塹。場地屬剝蝕丘陵地貌，地面高程約110～250 m，地形起伏較大。原設(shè)計坡率為1∶1、1∶1.25、1∶1.25、1∶1.5，A匝道AK1+178～AK1+315段左側(cè)最高為38.1 m，C匝道CK0+280～CK0+358段右側(cè)最高為33.8 m，均為四級坡，坡面采用錨桿格梁+錨網(wǎng)客土噴播防護。開挖后，此兩段均多次發(fā)生滑坡，形成滑坡群，按地段將其細分為Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)滑坡，如圖1所示。

2 特殊工程地質(zhì)特征

2.1 不利的地形地貌

滑坡群原始地形較高陡，重力勢能大。古滑坡和沖溝密集分布：古滑坡1、Ⅰ區(qū)滑坡、沖溝1、Ⅱ區(qū)滑坡、沖溝2、古滑坡2呈弧形連續(xù)分布，形成了規(guī)模較大的滑坡群。

圖1 柳城互通滑坡群工程地質(zhì)平面圖

據(jù)勘察報告，古滑坡1平面呈圈椅狀，長約80 m，最寬約70 m，中間見寬平臺，滑體厚度為20～40 m，總體積約為7.5萬m3；Ⅰ區(qū)滑坡從古滑坡1上部挖方通過；古滑坡2位于C匝道起點段，長約100 m，寬約80 m，滑體厚度為10～15 m，總體積約為6.5萬m3；Ⅱ區(qū)滑坡位于古滑坡2北側(cè)，與古滑坡2有部分重合。古滑坡體均以粉質(zhì)黏土及炭質(zhì)巖風(fēng)化物為主。

2.2 不利的巖土層

滑坡群內(nèi)巖性復(fù)雜，主要特殊性地層有：古滑坡體，結(jié)構(gòu)松散，厚度較大；炭質(zhì)巖，一種含大量炭化有機質(zhì)、呈黑色、污手的巖石類型，以泥巖、頁巖居多，本項目以頁巖及風(fēng)化物為主，力學(xué)性質(zhì)極差；軟硬巖相間，主要為粉砂巖及炭質(zhì)頁巖互層，差異風(fēng)化易導(dǎo)致粉砂巖被拉斷，炭質(zhì)巖被壓剪破壞。

2.3 不利的地質(zhì)構(gòu)造

滑坡群位于柳州山字形構(gòu)造西翼反射弧弧頂，區(qū)域構(gòu)造線以東西向為主，逆沖及次級斷層均非常發(fā)育，如圖2所示形成了疊瓦式構(gòu)造，滑坡位于其間。

滑坡群位于大埔背斜(1)的核部，與甲伴嶺區(qū)域性大斷層(F1)相距4 km，與東泉-柳城逆斷層(F2)最近約500 m，新白芒-楓木斷裂(f2)從滑坡群內(nèi)通過。北側(cè)巖層產(chǎn)狀345°∠35°，為順向坡，傾角小于坡角，穩(wěn)定性較差。

圖2 滑坡群區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造圖

2.4 不利的水文條件

滑坡群呈倒“C”狀分布，易匯水、積水，難排水。邊坡開挖后排水措施缺失或極不通暢，強降雨時雨水大量入滲，使炭質(zhì)巖呈軟塑狀，部分坡腳積水嚴重，引起支擋結(jié)構(gòu)破壞。

3 滑坡過程及滑坡特征

3.1 滑坡過程

2016年7月匝道邊坡開始施工，2016年11月下旬受降雨影響Ⅰ區(qū)邊坡開始滑坡，其后又多次出現(xiàn)多處滑坍，范圍也逐漸擴大至Ⅱ區(qū)。

2017年5～8月在Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)坡腳設(shè)置了3～5 m擋墻。2017年9月雨季后Ⅰ區(qū)滑坡規(guī)模及范圍仍逐步擴大。2017年底實施了削方+抗滑樁等滑坡治理工程。到2019年7月，在持續(xù)暴雨影響下，Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)又發(fā)生了大面積滑移、抗滑樁開裂等情況。

3.2 滑體群特征

Ⅰ區(qū)滑坡：平面呈馬鞍形，滑坡后緣下錯1～2 m，坡體出現(xiàn)大量拉張裂隙，寬40～60 cm，長3～15 m不等，可視深度達1 m。部分滑體從墻頂剪出，抗滑樁樁體及冠梁開裂，擋墻滑移，樁墻前邊溝蓋板被擠壓破壞、隆起明顯，路面開裂。

Ⅱ區(qū)滑坡：平面呈馬鞍狀，滑坡后緣最大下錯約4 m，擦痕明顯，坡體出現(xiàn)大面積滑移，草皮剪斷，擋墻及路面均出現(xiàn)開裂。

大滑坡群由兩個現(xiàn)狀滑坡(Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)滑坡)和兩個古滑坡組成(古滑坡1和古滑坡2)，總長約400 m，寬約30～65 m，厚約10～40 m，總體積約為15～30萬m3，屬中型牽引式滑坡。

4 基于滑坡力學(xué)的形成機制

筆者認為滑坡是在重力(往下)、構(gòu)造應(yīng)力(當(dāng)與坡面一致時，往外)及外部荷載(作用力方向視具體荷載而定)與滑坡體摩阻力(與滑動方向相反)共同作用后逐步演化而產(chǎn)生的結(jié)果。本文基于滑坡力學(xué)原理歸納本滑坡群形成機制為“四內(nèi)五外共作用機制”。

(1)內(nèi)因1為不利地形地貌。山高坡陡高勢能和松散的古滑坡深切沖溝。山高體大則重力大、重心高、勢能大，滑動力大；深切沖溝則高差大，重力力矩大。

(2)內(nèi)因2為不利地質(zhì)構(gòu)造。棋盤狀的區(qū)域性逆沖斷裂帶使滑坡群內(nèi)儲存了變形能，破壞巖體結(jié)構(gòu)，應(yīng)力與坡面一致時產(chǎn)生推力，開挖卸荷使得初始應(yīng)力釋放，并產(chǎn)生大量卸荷裂隙和順層坡，且傾角小于坡角，邊坡穩(wěn)定性差。構(gòu)造應(yīng)力在巖土體內(nèi)儲存形變能，使土體變形，降低了巖土體的粘聚力c、摩擦角φ及接觸面積，從而降低了巖土體抗滑力。

(3)內(nèi)因3為軟弱巖土體。本項目巖土體主要為古滑體、炭質(zhì)巖、軟硬巖，其在內(nèi)應(yīng)力、水或風(fēng)等作用下力學(xué)性質(zhì)急劇下降。特別是本項目這三類地層中均包括有炭質(zhì)巖，其崩解后遇水軟化成軟塑狀，抗剪強度急劇降低。

(4)內(nèi)因4為水的作用。水能迅速增加滑體重力，減少巖土體的摩阻力。邊坡開挖后未施工相應(yīng)的排水系統(tǒng)，導(dǎo)致地表水無法及時排走而大量入滲坡體，甚至淤積在坡體或墻后。

(5)外因1為降雨及極端天氣。大量調(diào)查發(fā)現(xiàn)，滑坡多發(fā)生在持續(xù)降雨后。持續(xù)降雨形成的雨滴壓力、地表水流形成的沖刷力、地下水形成的滲透力、水的浮托力及飽和后減小的基質(zhì)吸力等，這些力的存在都對邊坡穩(wěn)定極為不利。

(6)外因2為人類活動。本項目主要為邊坡開挖卸載，坡率較陡，卸載后坡體重心上移、力矩增大，勢能相對增大。同時，水平向失去支撐，拉張卸荷裂隙開展并往坡體內(nèi)發(fā)育，坡面及坡體巖土體力學(xué)性質(zhì)及摩阻力降低。

(7)外因3為風(fēng)化作用。炭質(zhì)巖邊坡開挖后易風(fēng)化崩解，遇水后又軟化成泥，因而風(fēng)化為降低巖土體的c、φ值創(chuàng)造了條件。

(8)外因4為溫度應(yīng)力作用。據(jù)了解，開挖的坡面大、長時間裸露，炭質(zhì)巖在溫度應(yīng)力的作用下，易產(chǎn)生裂縫，降低摩阻力。

(9)外因5為震動。本項目主要為鉤機及汽車動荷載(有的項目有地震)等，會對邊坡產(chǎn)生震動推力，當(dāng)推力與坡向一致時，會加速邊坡滑動。

5 滑坡穩(wěn)定性分析

滑坡穩(wěn)定性分析方法與步驟：(1)進行精細滑坡地質(zhì)測繪，找出滑坡范圍、后緣、剪出口，測出滑動面，繪制成圖；(2)選擇典型剖面進行勘察，在滑坡帶內(nèi)取樣試驗，得出c、φ值，與反演參數(shù)進行對比，綜合取值；(3)根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及勘察成果判定滑坡機制，選擇計算模式，進行滑坡監(jiān)測；(4)根據(jù)監(jiān)測成果對滑坡趨勢做定性定量分析，形成具體可行的滑坡治理方案；(5)滑坡治理后的監(jiān)測預(yù)警、動態(tài)設(shè)計。

5.1 滑坡監(jiān)測

根據(jù)滑坡監(jiān)測報告，2020-03-10至2020-03-31監(jiān)測點累計水平位移0.01～4.71 mm，最大累計水平位移點為BZK 8號孔，階段變化速率為0.197～0.357 mm/d。深部位移監(jiān)測傳感器出現(xiàn)輕微變形跡象，變形量不大。從滑坡的變形特征、監(jiān)測情況分析，枯雨季節(jié)，滑坡整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但在連續(xù)暴雨的狀態(tài)下，極有可能發(fā)生滑坡失穩(wěn)(見圖3)。

圖3 滑坡監(jiān)測累計位移曲線圖

5.2 滑坡推力計算

滑坡變形特征明顯，根據(jù)鉆探資料并結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)已基本確定滑面位置，滑面基本貫穿，具備反演求參條件。在Ⅰ、Ⅱ滑坡區(qū)分別選取1-1′和4-4′剖面進行反演計算，在飽和狀態(tài)下，滑坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，取其穩(wěn)定系數(shù)為0.95，取c值為13.85 kPa，Ⅰ區(qū)反算得φ值為17.0°，Ⅱ區(qū)反算得φ值為12.3°。

滑坡的滑動面呈折線型，按照《滑坡防治工程勘查規(guī)范》(GB/T32864-2016)推薦的公式對滑坡的穩(wěn)定性進行計算。

(1)計算工況組合。

工況Ⅰ：天然工況，安全系數(shù)1.30。

工況Ⅱ：飽和工況，安全系數(shù)1.15。

(2)計算結(jié)果。

采用理正巖土計算軟件(6.5 PB2版)對滑坡的穩(wěn)定性進行計算，計算結(jié)果如表1所示。

表1 天然工況和飽和工況滑坡穩(wěn)定性計算結(jié)果統(tǒng)計表

6 滑坡處治設(shè)計

6.1 處治方案確定

本滑坡群處治從兩個方面考慮：(1)解決降雨及地下水對邊坡的影響問題；(2)解決滑坡的下滑問題。對于前者，由于炭質(zhì)巖類邊坡巖體破碎，遇水極易軟化、崩解，因此擬采用全坡面掛網(wǎng)噴混凝土進行封閉，并增設(shè)截水溝、平臺排水溝、急流槽、深層泄水孔，墻背開挖換填粗粒料或無砂大孔混凝土等；對于后者，擬采用放緩邊坡、增加支擋以降低滑動力、增加抗滑力的方案。

6.2 處治方案設(shè)計

6.2.1 滑坡Ⅰ區(qū)

在原抗滑樁后4～5 m處增設(shè)一排抗滑樁，樁徑為2.0 m，樁長為25 m，樁間距為4 m，前后排抗滑樁間采用斷面尺寸為1.2 m×1 m的C30混凝土連系梁連接(如圖4、圖5所示)。新增抗滑樁內(nèi)側(cè)設(shè)置8 m平臺，然后按1∶1.75～1∶2.5(局部為1∶2.75)邊坡坡率分級開挖放坡，坡頂處削坡卸載，以減小邊坡下滑推力。增設(shè)深層泄水孔，全坡面采用掛網(wǎng)噴混凝土防護。AK1+182～AK1+224抗滑樁段第2～3級邊坡采用格梁錨索進行坡面防護加固。

圖4 滑坡Ⅰ區(qū)抗滑樁平面布置圖

6.2.2 滑坡Ⅱ區(qū)

對常規(guī)重力式擋土墻段，采用錨筋樁加固。錨筋樁作用于擋墻墻頂及墻后邊坡平臺，頂部通過縱、橫向連接鋼筋連成整體，現(xiàn)澆混凝土封閉。錨筋樁設(shè)置3～4排，排間距為1 m，第1、2排位于墻身處。錨筋樁樁體鋼筋組采用5根φ36 mm鋼筋，設(shè)計孔徑為215 mm，孔深為20 m，縱向間距為1.5 m，按梅花形交錯布置，如圖6所示。對CK0+330～CK0+295古滑坡段，在現(xiàn)有擋土墻后設(shè)一排抗滑樁，抗滑樁直徑為2 m，樁長為25 m，樁間距為4 m。

圖5 滑坡Ⅰ區(qū)抗滑樁設(shè)計斷面圖

圖6 滑坡Ⅱ區(qū)處治設(shè)計斷面圖(cm)

6.3 設(shè)計驗算

6.3.1 材料抗剪力計算

抗滑樁樁徑為2.0 m，采用HPB400鋼筋，鋼筋抗拉強度設(shè)計值為360 MPa，抗剪強度按抗拉強度的35%取值，不考慮樁基混凝土部分抗剪，安全系數(shù)取1.3，則單根抗滑樁所能提供的抗剪力為：0.076 364×360 000×0.35/1.3=7 401 kN，單樁所承擔(dān)滑坡推力為：885×4.0=3 540 kN，抗滑樁所能提供的抗剪力大于承擔(dān)的滑坡推力。

6.3.2 水平承載力驗算

根據(jù)《樁基規(guī)范》5.7.2第6款(式5.7.2-2)計算，樁的水平變形系數(shù)α=0.229(1/m)，樁身抗彎剛度EI=24 699 913.868(kN·m2)，樁頂水平位移系數(shù)vx=2.441，樁頂位移取30 mm時，單樁水平承載力特征值Rha=2 725.393(kN)，抗滑樁安全系數(shù)分別為Fs1=2 725.393×2/(4.0×885)=1.539，F(xiàn)s2=2 725.393/(4.0×552)=1.234，均符合規(guī)范和設(shè)計要求。

7 結(jié)語

目前該滑坡群已按現(xiàn)有方案施工完成一段時間，現(xiàn)狀穩(wěn)定，表明滑坡群處治方案是合理的。結(jié)合本工程處治經(jīng)驗，得出如下結(jié)論：

(1)公路工程選線時宜盡量避開古滑坡群或大型斷裂影響區(qū)域，應(yīng)選擇區(qū)域地質(zhì)穩(wěn)定性較好的地段通過。

(2)對炭質(zhì)頁巖等易崩解的軟質(zhì)巖邊坡，應(yīng)盡量放緩邊坡坡率，及時進行全坡面封閉處理，并充分做好邊坡截、排水措施。

(3)采用抗滑樁或重力式擋土墻作為邊坡支擋結(jié)構(gòu)時，應(yīng)充分考慮邊坡土體飽和、地下水位上升、坡腳土體浸水軟化崩解或邊溝開挖造成抗滑樁懸臂段增加或地基承載能力不足等情況。

(4)對于重要邊坡工程，應(yīng)加強監(jiān)控量測，以更好地指導(dǎo)施工或及時調(diào)整防護方案。