高填路基滑坡變形特征與失穩(wěn)機(jī)理研究

付國茂

（山西交科公路勘察設(shè)計院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

2021年9月底至10月初，山西省中南部區(qū)域經(jīng)歷了降雨量超越歷史同期數(shù)十倍的連續(xù)陰雨天氣，高沁高速公路出現(xiàn)多處相似的路基滑坡，其中K128處路基滑坡規(guī)模較大，也較為典型。該段高填路基最大中心填高為41.5 m、外側(cè)填高50.2 m。在運(yùn)營期內(nèi)，出現(xiàn)過不同程度的路基位移、路面裂縫等問題，2021年9月底，該段路基的數(shù)個位移監(jiān)控點(diǎn)，位移呈現(xiàn)出一定的發(fā)散增長趨勢，路面及坡面出現(xiàn)多條剪張性裂縫，嚴(yán)重影響了公路運(yùn)營的安全性。

本文通過詳細(xì)調(diào)查K128處路基滑坡的地質(zhì)環(huán)境條件、滑坡空間形態(tài)和滑坡變形特征的基礎(chǔ)上，分析了路基滑坡失穩(wěn)機(jī)理，總結(jié)出引起滑坡的共性原因，可為今后類似地質(zhì)情況的路基設(shè)計提供借鑒。

1 滑坡區(qū)基本特征

1.1 地質(zhì)環(huán)境條件

滑坡地貌單元屬構(gòu)造剝蝕低山區(qū)，地勢整體南高北低。區(qū)內(nèi)發(fā)育一條近南北向呈“V”字型溝谷，上游大范圍出露二疊系上統(tǒng)石盒子組（P2s）泥巖、砂巖，下游溝底覆蓋薄層 Q42al+pl粉土及卵石，兩側(cè)溝岸由Q3al+pl黃土、卵石及Q3el+dl含碎石粉質(zhì)黏土組成，局部 P2s砂、泥巖裸露；滑坡區(qū)填方路段位于下游沖溝及兩側(cè)溝岸斜坡地帶?；聟^(qū)地層為第四系填土、粉質(zhì)黏土，下覆二疊系上統(tǒng)石盒子組（P2s）泥巖、砂巖。巖層產(chǎn)狀為63∠5°，無活動性斷裂構(gòu)造，地質(zhì)構(gòu)造簡單。

地下水主要為碎屑巖裂隙水，富水性強(qiáng)，陡坡處含水層裸露或臨空于地表，風(fēng)化裂隙接受大氣降水之后絕大部分隨補(bǔ)隨排，路基或邊坡大部分賦存暫時性的地下水。裂隙水的多寡與大氣降水量相關(guān)。

1.2 滑坡空間形態(tài)

1.2.1 滑坡空間形態(tài)和邊界

滑坡平面上呈不規(guī)則的橢圓形，主軸長約410 m，寬約320 m，其中路面范圍內(nèi)即滑坡后緣寬約110 m，前緣寬330 m，東西兩側(cè)均以溝心為界，總面積約114 850 m2，見圖1。滑體最大厚度約36.0 m，平均厚度約31.0 m，總體積約380萬m3，為大型深層滑坡。主滑動方向北偏西22°，近似垂直于路線走向。

圖1 滑坡規(guī)模平面圖

1.2.2 滑坡的地層及結(jié)構(gòu)特征

該滑坡體主要由第四系全新統(tǒng)（Q4me）路基填土和上更新統(tǒng)（Q3el+dl）殘坡積及二疊系上統(tǒng)石盒子組（P2s）沉積巖組成，見圖2，該滑坡體前沿位于填方路基處，為半填半挖，沉降最大部位為原始斜坡與填方結(jié)合部位。坡體呈緩坡狀，總體坡度介于10°～20°，該填方體坡頂與坡腳的相對高差在20～50 m之間，其主體部分位于K128+514處沖溝內(nèi)，其余部分位于斜坡地帶。

圖2 滑坡地質(zhì)剖面圖

1.3 滑坡變形特征

1.3.1 滑坡變形發(fā)育歷史

2021年6月起，該路段出現(xiàn)路面沉降、裂縫等病害，自2021年9月降雨后，裂縫、沉陷、錯臺等日趨嚴(yán)重，尤其在10月初的連續(xù)強(qiáng)降雨之后，路面裂縫、路面變形加劇，嚴(yán)重危及行車安全。經(jīng)現(xiàn)場實(shí)地踏勘，主要病害狀況有路面開裂、路面沉陷、坡面變形、涵洞變形、兩側(cè)階地張拉裂縫及二級平臺下陷等。

1.3.2 地表及淺部變形

地表變形主要表現(xiàn)在路基沉降，路面、填方路堤及農(nóng)田開裂。最大沉降位于K128+294—K128+350段中分帶處，沉降路面與原路面標(biāo)高高差約60 cm左右。裂縫主要發(fā)育在路面、填方路堤和農(nóng)田處，裂縫類型有拉張裂縫、剪切裂縫和鼓張裂縫。詳見表1。

表1 主要裂縫調(diào)查測量統(tǒng)計表

為了解路面以下沉陷變形情況，2021年9月對高沁高速K128+240—K128+633段路基沉陷病害進(jìn)行了地質(zhì)雷達(dá)探測，共布置測線10條，得出以下結(jié)論：K128+240—K128+633段，深度范圍在0.4～1 m范圍存在輕微脫空，1.5～2.5 m存在不密實(shí)層，局部存在疑似空洞。圖3中，淺色范圍為脫空或不密實(shí)異常，深色為疑似空洞區(qū)域。

圖3 路基沉陷地質(zhì)雷達(dá)探測平面示意圖

1.3.3 深部變形

為了確定滑動面的準(zhǔn)確位置及深部變形情況，設(shè)置深部測斜孔H24，并進(jìn)行監(jiān)測，圖4為2021年9月1日至9月20日4次監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果，位移在深度27 m處出現(xiàn)明顯變化，表明在該位置27 m處出現(xiàn)滑動，并且滑動變形在不斷發(fā)展中。

圖4 深部測斜孔監(jiān)測情況（H24號監(jiān)測孔深層土體水平位移圖）

2 滑坡變形趨勢分析

通過在滑坡路基段典型斷面布設(shè)4處變形監(jiān)測點(diǎn)，得到監(jiān)測數(shù)據(jù)以便分析滑坡變形趨勢變化，見圖5，從8月下旬至11月上旬累計沉降最大值309 mm，位移最大值282 mm；最大變形點(diǎn)為D1號監(jiān)測點(diǎn)。K128+390處涵洞及二級平臺抗滑樁頂布設(shè)沉降位移觀測點(diǎn)4個，從8月中旬至10月下旬累計沉降最大值86 mm，位移最大值245 mm，最大變形位于D1監(jiān)測點(diǎn)。從變形趨勢看，2021年8月3日至2021年8月10日變形突然加速，然后又平穩(wěn)，再到9月21日后變形又開始加速，持續(xù)時間長，一直到10下旬，這和雨季汛期相對應(yīng)，屬于雨季階躍型。11月份變形有所趨緩，變量為1～4 mm/d，變形和降雨期基本對應(yīng)。依據(jù)地表監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果，得出滑坡現(xiàn)處于蠕動變形階段，其變形隨著雨量的減小，逐步趨穩(wěn)的結(jié)論。

圖5 2021年8月21日—11月6日各監(jiān)測點(diǎn)累計水平位移值

3 滑坡成因機(jī)制分析

3.1 地形條件

滑坡路段屬陡坡路堤，為半填半挖路段。地勢整體南高北低，原地表斜坡坡度在 10°～40°之間，為滑坡提供了較好的地形條件。

3.2 地層結(jié)構(gòu)

路基填土的地層結(jié)構(gòu)及巖性特征為滑坡形成提供了內(nèi)在基礎(chǔ)[1]。路基填土物質(zhì)成分主要由碎石、粉質(zhì)黏土組成，結(jié)構(gòu)較疏松，含水量自上而下逐漸增大，粉質(zhì)黏土多呈可塑狀態(tài)，靠近原地面附近多為軟塑狀態(tài)。土體含風(fēng)化碎石塊石較多，骨架排列，而碎石主要由強(qiáng)風(fēng)化砂巖和泥巖組成，遇水易軟化，強(qiáng)度降低，碎石棱角軟化后土體骨架重新排列，導(dǎo)致沉降加劇。另外，該半挖半填路基位于Ⅰ級非自重（輕微）濕陷性黃土之上，受地表水下滲及上部路基填土自重的影響，局部產(chǎn)生濕陷，亦加劇了該填方路基的變形破壞。

3.3 大氣降水影響

滑坡區(qū)內(nèi)降水集中，多為暴雨，對坡面進(jìn)行沖刷、侵蝕破壞，使得既有裂縫不斷發(fā)育增大，大氣降水入滲比例增大，滑體重量增加，下滑力增大，滑坡的穩(wěn)定性降低。另外，滑坡區(qū)內(nèi)降水集中，持續(xù)時間長，大部分大氣降水形成地表面徑流，自高處向低處排泄，地表水下滲及地下基巖裂隙水的補(bǔ)給，一方面使得滑體重量增加，下滑力增大，滑坡的穩(wěn)定性降低；另一方面，降水在相對隔水層（泥巖頂面和土體結(jié)合面）附近賦存，對隔水層頂面土體進(jìn)行浸泡軟化，使其抗剪強(qiáng)度降低；再者，地下水位抬升或流動，增加了滑體的動、靜水壓力，根據(jù)勘察中鉆孔、深部位移測斜管、泉、水文孔中地下水水位，得出工作區(qū)近2年時間內(nèi)水位最大處上升約10 m，平均上升了7.2 m，其加劇了滑坡的變形速率，降低了滑坡的穩(wěn)定性。

通過對監(jiān)測位移資料及降雨量情況進(jìn)行對比，如圖6，滑坡變形速率與大氣降水關(guān)系顯著，呈現(xiàn)邊坡變形速率隨大氣降水強(qiáng)度增大而增大的規(guī)律。

圖6 2021年沁水縣大氣降雨量與滑坡水平位移對比（單位：mm）

3.4 地表水與地下水

滑坡區(qū)地表水主要為溝谷季節(jié)性流水，溝谷匯水面積為0.155 km2，按年平均降雨量為610 mm計算，溝內(nèi)匯水體積為94 550 m3/年，每天平均匯水量為262 m3，該部分水為滑坡坡體主要的補(bǔ)給來源。

地下水是影響該滑坡穩(wěn)定性的主要不利因素，地下水還具有水量較為穩(wěn)定、對滑坡作用具有長期性的特點(diǎn)。滲透水進(jìn)入巖土體的孔隙和裂縫中，使巖土的抗剪強(qiáng)度降低[2]；除此之外，還存在滑帶孔隙水壓力增高和基巖裂隙水對滑帶侵蝕作用。

3.4.1 滑帶孔隙水壓力增高

根據(jù)鉆孔揭露地下水位位于基巖面上，并隨基巖面高低而起伏，表明地下水受基巖層間裂隙水滲流影響，一方面在泥巖頂面土巖結(jié)合面附近賦存，對滑帶土體進(jìn)行浸泡軟化，孔隙水壓力增大，使其抗剪強(qiáng)度降低；另一方面，地下水位抬升或流動，增加了滑體的動、靜水壓力，降低了滑坡的穩(wěn)定性[3]。

3.4.2 基巖裂隙水層間滲流對滑帶侵蝕作用

長時間的降雨入滲，形成大量的基巖裂隙水，形成層間徑流，自高處向低處排泄，侵蝕軟化基巖附近土體，并造成滑帶內(nèi)鹽分膠結(jié)作用的易溶鹽溶解，使得其抗剪強(qiáng)度急劇下降，形成劣化軟弱層[4]。

4 處治設(shè)計

根據(jù)以上滑坡變形特征與滑坡成因機(jī)制分析，水在滑坡成因中起到了主要作用，如何做好降水排水設(shè)計最為關(guān)鍵。見圖7，在1～3級坡設(shè)置5排仰斜式排水孔，減低坡體上部土體含水量和疏導(dǎo)上部基巖裂隙水，在滑坡中部設(shè)置地下排水隧洞，隧洞頂部設(shè)置滲水井，滲水井間距10 m，起到降低滑坡坡體水位和排出中上部基巖裂隙水的作用。通過以上措施排水降水后，該路基滑坡基本穩(wěn)定，并在雨季時依然起到很好的效果。

圖7 滑坡處治設(shè)計示意圖

5 結(jié)語

通過分析滑坡地形地貌、地質(zhì)構(gòu)成及結(jié)構(gòu)特征、地下水特征及情況，得出地質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)特征是滑坡失穩(wěn)的內(nèi)因，大氣降水及碎屑巖裂隙水層間滲流是影響滑坡穩(wěn)定性的主要外因。為滑坡防治提供參考依據(jù)，同時也為路基設(shè)計提供借鑒，應(yīng)盡量避免在碎屑巖裂隙水豐富的地段設(shè)置高填路基。