某高速公路填方路基滑坡成因及穩(wěn)定性分析

王建偉

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司，山西太原 030032）

隨著社會的發(fā)展，交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中顯得尤為重要，其中，高速公路作為連接區(qū)域之間的紐帶，起著不可替代的作用。高速公路修建過程中會不可避免地產(chǎn)生高填深挖路基，若對其處理不當(dāng)，就會產(chǎn)生邊坡病害，從而對公路的運(yùn)營安全產(chǎn)生嚴(yán)重影響?；伦鳛楣烦Ｒ姷倪吰虏『χ?，除破壞工程設(shè)施和中斷交通運(yùn)輸外，還需要投入較大的資金處治，從而增加了公路運(yùn)營成本[1-2]。對滑坡成因機(jī)理及穩(wěn)定性分析的研究，是制定經(jīng)濟(jì)合理的滑坡防治措施的前提。本文以某高速公路K128+240—K128+633 段高填路基滑坡為例，通過對滑坡區(qū)地質(zhì)條件進(jìn)行詳細(xì)勘察，結(jié)合人類工程活動，分析了滑坡形成的原因，對其穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，同時提出了合理的治理建議。

1 工程概況

該滑坡位于某高速公路K128+240—K128+633 段，該處路基為高填路基，邊坡設(shè)為六級邊坡，一級坡率為1∶1.5，高度8 m；二級坡率為1∶1.75，高度12 m；二級以上坡率為1∶2，每級高度10 m，每級臺階設(shè)一道2 m 寬平臺，坡頂與坡腳最大高差53 m，位于樁號K128+386處。2019 年4 月23 日該邊坡范圍內(nèi)路面不斷出現(xiàn)縱縫、橫縫、沉陷等病害，2020 年1 月15 日對該段路基病害進(jìn)行了處治，主要采取坡腳反壓處理，反壓高度至三級邊坡平臺，反壓土前緣邊坡坡率1∶2，同時在二級邊坡平臺上采用矩形樁與圓形樁組合的抗滑樁進(jìn)行了治理。2021 年10 月1 日前后，該地區(qū)經(jīng)歷了超越歷史同期數(shù)十倍的連續(xù)陰雨天氣，路基發(fā)生沉陷變形，路面及坡面發(fā)育多條張性裂縫，且數(shù)個監(jiān)控點(diǎn)位移呈現(xiàn)出發(fā)散增長趨勢。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

勘察區(qū)地貌單元屬構(gòu)造剝蝕低山區(qū)，微地貌有山梁、山脊、緩坡-中緩坡、沖溝等，地勢整體南高北低，地形起伏變化較大，斜坡坡度在10°～50°之間，區(qū)內(nèi)發(fā)育有兩條近南北向沖溝，其中K128+150 處沖溝溝谷切割深度5～10 m，溝底寬約10～35 m，溝岸較陡，坡角約55°左右，呈“U”字型溝谷；K128+390 處沖溝溝谷切割深度10～20 m，溝底寬約10～40 m，溝岸較陡，坡角在30°～50°之間呈“V”字型溝谷。該填方路段位于K128+390 處沖溝及兩側(cè)溝岸斜坡地帶，現(xiàn)因填方路基施工，改變了原有地貌形態(tài)，形成人工邊坡，坡頂與坡腳最大高差約53 m，滑坡全景圖見圖1。

圖1 滑坡全景圖

2.2 地層分布特征

根據(jù)勘察資料，滑坡區(qū)地層由第四系全新統(tǒng)人工堆積物（Q4me）、第四系上更新統(tǒng)沖洪積物（Q3al+pl）、第四系上更新統(tǒng)殘坡積物（Q3el+dl）和二疊系上統(tǒng)石盒子組（P2s）沉積巖組成，具體如表1 所示。

表1 地層巖性一覽表

2.3 水文地質(zhì)

滑坡區(qū)地下水主要為第四系上層滯水和二疊系上石盒子裂隙含水層系統(tǒng)兩種類型。

a）第四系上層滯水主要形成于第四系地層，富水性弱，其主要接受大氣降水入滲補(bǔ)給和裂隙含水層排泄補(bǔ)給，排泄主要以側(cè)向徑流排泄及蒸發(fā)為主。

b）二疊系上石盒子裂隙含水層主要是大氣降水通過風(fēng)化裂隙、斷裂裂隙等途徑直接滲入補(bǔ)給，部分接受側(cè)向徑流、第四系上層滯水補(bǔ)給；排泄主要通過地下水徑流排泄于沁河、滑坡區(qū)地層，部分以泉的形式排泄于地表，部分排泄于第四系上層滯水。部分地表出水點(diǎn)見圖2、圖3。

圖2 滑坡區(qū)西南側(cè)溝谷泉水

圖3 滑坡區(qū)東北側(cè)泉水

2.4 地質(zhì)構(gòu)造及地震

滑坡區(qū)以單斜構(gòu)造為主，局部發(fā)育兩翼平緩的波狀褶曲，巖層產(chǎn)狀平緩，總體傾向?yàn)镾W，傾角3°～7°，斷裂活動處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，無影響公路的活動性斷裂構(gòu)造存在，地質(zhì)構(gòu)造簡單?；聟^(qū)地震動峰值加速度為0.10g，相對應(yīng)的地震基本烈度為Ⅶ度區(qū)，地震動反應(yīng)譜特征周期0.45 s。

3 滑坡形態(tài)及變形特征

3.1 滑坡形態(tài)特征

該滑坡平面上呈半圓形，順主滑方向長約400 m，前緣寬約340 m，總面積約114 848 m2，滑體最大厚度約35.0 m，平均厚度約33.0 m，總體積約3.79×106m3，為大型深層滑坡，主滑動方向北偏西23°左右，垂直于路線走向，后緣位于路線中心附近，見圖4。

圖4 滑坡體工程地質(zhì)平面圖

滑體組成及特征：該滑坡體主要由填方路基土組成，地層巖性主要為粉質(zhì)黏土、中-強(qiáng)風(fēng)化砂泥巖，上部主要為粉質(zhì)黏土，底部主要為中-強(qiáng)風(fēng)化砂泥巖；粉質(zhì)黏土結(jié)構(gòu)疏松多孔隙，從上至下含水量逐漸增大，呈硬塑-可塑狀態(tài)，地表局部為可塑-軟塑狀態(tài)。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。滑坡體呈緩坡狀，總體坡度介于10°～20°，填方體坡頂與坡腳的相對高差在20～53 m 之間，其主體部分位于K128+514 處沖溝內(nèi)，其余部分位于該沖溝兩岸斜坡地帶；第四系殘坡積土覆蓋于填方路基左側(cè)山體地表，厚度不大于2.0 m，下伏地層為中-強(qiáng)風(fēng)化砂泥巖。

滑動面及滑床：滑坡體上部鉆孔揭露，在深約39.2 m處存在明顯的滑動面及擦痕，位于碎石層與強(qiáng)風(fēng)化泥巖結(jié)合處，即土巖結(jié)合面；坡體下部利用煤礦勘察資料，滑面深度為30～33 m 左右。該次調(diào)查滑坡前緣未見明顯剪出口，如圖5。

圖5 主滑方向工程地質(zhì)斷面圖

3.2 滑坡變形破壞特征

該滑坡于2021 年6 月起，路面出現(xiàn)了不同程度的裂縫、沉降等現(xiàn)象。進(jìn)入雨季后，路面病害進(jìn)一步發(fā)展，局部形成錯臺。經(jīng)歷了10 月初連續(xù)強(qiáng)降雨后，路面裂縫及沉降變形日趨嚴(yán)重，邊坡坡面發(fā)生變形，嚴(yán)重威脅行車安全。具體變形表現(xiàn)為：坡體表面橫向拉張裂縫十分發(fā)育，裂縫主要分布于路面、路肩及填方路基護(hù)坡上。路面發(fā)育多處橫向裂縫，在東側(cè)路面發(fā)育斜向裂縫，并且沉降最為明顯，沉降最大0.55 m；西側(cè)主要發(fā)育橫向裂縫，裂縫寬3～5 cm，向溝內(nèi)沉降2～4 cm；路肩局部出現(xiàn)脫空現(xiàn)象，形成寬10～20 cm 裂縫；既有支擋工程南側(cè)土體沉降20～30 cm，裂縫寬5～10 cm，以及沿著該裂縫往東坡體下部土體微微開裂；位于填方體下方的排水波紋鋼管涵亦出現(xiàn)明顯拉裂，拉裂寬度約0.1～0.2 m，呈“V”字型變形，需及時進(jìn)行修復(fù)；填方邊坡也出現(xiàn)滑塌，且坡腳局部也發(fā)育有數(shù)條橫向裂縫，裂縫寬約0.05～0.20 m，深度小于1.0 m。

4 滑坡穩(wěn)定性分析

4.1 滑坡病害成因

根據(jù)滑坡區(qū)工程特性及地質(zhì)條件相關(guān)研究[3-4]，認(rèn)為滑坡病害形成主要有以下因素：

a）地層巖性為滑坡形成提供了內(nèi)在基礎(chǔ)。該滑坡主要由第四系全新統(tǒng)（Q4me）路基填土組成，下伏地層為第四系上更新統(tǒng)（Q3al+pl）黃土夾卵石、第四系上更新統(tǒng)（Q3el+dl）殘坡積含碎石粉質(zhì)黏土、第四系中更新統(tǒng)（Q3al+pl）黃土、二疊系上統(tǒng)石盒子組（P2s）中-強(qiáng)風(fēng)化砂泥巖等。路基填土上、中部主要為粉質(zhì)黏土，下部主要為碎石；粉質(zhì)黏土結(jié)構(gòu)疏松多孔隙，從上至下含水量逐漸增大，呈硬塑-可塑狀態(tài)，地表局部為可塑-軟塑狀態(tài)。通過室內(nèi)試驗(yàn)資料可知，路基填筑時采用的粉質(zhì)黏土膨脹率在40%～51%之間，有弱膨脹性，具體表現(xiàn)為遇水膨脹、失水收縮干裂，導(dǎo)致龜狀裂縫在填方路基表面十分發(fā)育，為雨水的入滲提供了通道；土體含風(fēng)化碎石、塊石較多，其呈骨架排列，且主要由強(qiáng)風(fēng)化砂巖和泥巖組成，遇水易軟化，軟化后骨架重新排列，導(dǎo)致沉降加劇。另外，該高填方路基基底為濕陷性黃土，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。綜上所述，地層巖性為滑坡形成提供了內(nèi)在基礎(chǔ)。

b）大氣降水是滑坡形成的重要外在因素?；聟^(qū)降雨集中于7—9 月，多為暴雨，其形成地表面徑流由高向低排泄，在此過程中對坡面形成沖刷，在沖蝕作用下，既有裂縫不斷加深、加大，大氣降水入滲比例增大，一部分大氣降水轉(zhuǎn)化為地下水，導(dǎo)致地下水位升高約10 m左右，增加了浮托力，減少了滑動面處的法向有效應(yīng)力，從而使抗滑力減?。涣硪环矫?，由于巖土體孔隙、裂隙發(fā)育，大氣降水入滲后充填空隙，使巖土體的重量增加，導(dǎo)致下滑力增大；再次，地下水自上而下在滲流過程中，會使?jié)B透力增大，從而導(dǎo)致坡體下滑力增大。大氣降水的下滲會導(dǎo)致巖土體內(nèi)裂縫發(fā)展貫通，對結(jié)構(gòu)相對密實(shí)的原始地層之上填土起到軟化作用，使其抗剪強(qiáng)度急劇下降，而下伏原地層結(jié)構(gòu)較為緊密，形成相對隔水層，受其阻礙，大氣降水入滲后沿原地面向下游排泄，并軟化坡腳附近巖土體，為滑坡的形成提供了滑動條件。

c）人類工程活動是滑坡形成的主要因素之一?；麦w中下部為某煤礦修建的工業(yè)場地，2020 年、2021年分別開挖上、下部場地，對坡體中下部進(jìn)行了減載，使抗滑力減小，為滑坡的形成起到促進(jìn)作用。

綜上所述，在各因素的共同作用下，最終導(dǎo)致滑坡產(chǎn)生，該滑坡運(yùn)動形式以推移式為主。大氣降水及地下水位抬升是影響滑坡穩(wěn)定性的最主要因素。

4.2 滑坡穩(wěn)定性分析

4.2.1 滑坡穩(wěn)定性分析

對滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，共利用了9 處沉降、位移觀測點(diǎn)，從6 月下旬至1 月下旬累計沉降最大值309.6 mm，位移最大值282.56 mm，最大變形點(diǎn)為9 號監(jiān)測點(diǎn)（見圖6、圖7）。K128+390 處涵洞及二級平臺布設(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86.0 mm，位移最大值245.7 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，并趨于平穩(wěn)，但9 月21日后變形又開始加速，且變形一直持續(xù)到10 月下旬，這和雨季汛期是對應(yīng)的，屬于雨季階躍型變化（見圖8）。從監(jiān)測結(jié)果看，9 月20 日前以沉降變形為主，水平變形相對較小，9 月20 日至11 月2 日以水平變形為主，沉降變形相對較小，之后又以沉降變形為主。綜合監(jiān)測數(shù)據(jù)判斷，該滑坡現(xiàn)處于蠕動變形階段。

圖6 各觀測點(diǎn)累計水平位移

圖7 各觀測點(diǎn)累計沉降位移

圖8 沁水縣2021年各月降水量圖

4.2.2 推力計算

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)降雨是滑坡發(fā)生的最不利條件，在該工況下斜坡整體處于蠕動變形階段，故穩(wěn)定性計算時以該工況為條件，并取整體穩(wěn)定系數(shù)為1.025。目前常利用反算法計算巖土抗剪強(qiáng)度參數(shù)，當(dāng)穩(wěn)定系數(shù)及滑動面等已知時通過反算得到的巖土強(qiáng)度參數(shù)是可靠的[5]。以圖9 所示的1-1、2-2 斷面為計算斷面，得到穩(wěn)定性相關(guān)計算參數(shù)，見表2。

表2 穩(wěn)定性相關(guān)計算參數(shù)

圖9 滑坡推力計算簡圖

該邊坡形態(tài)較為簡單，根據(jù)《公路路基設(shè)計規(guī)范》（JTG D30—2015）的邊坡穩(wěn)定性相關(guān)要求[6]，連續(xù)降雨?duì)顟B(tài)下邊坡安全系數(shù)取1.2。用傳遞系數(shù)法計算滑坡推力，如圖9 所示將斷面1-1 和2-2 為計算斷面，穩(wěn)定系數(shù)Ks及剩余推力Ei的計算如式（1）、式（2）：

式中：Wi為第i條塊的重量；αi為滑面傾角；Ci為黏聚力；φi為內(nèi)摩擦角；Li為條塊滑面長度；ψj為傳遞系數(shù)，。

經(jīng)計算，可得到連續(xù)降雨工況條件下1-1、2-2 斷面滑坡剩余下滑力如表3 所示，其剖面抗滑力均小于下滑力，該邊坡穩(wěn)定性不滿足相關(guān)規(guī)范要求，安全儲備不足，需進(jìn)行處治。

表3 滑坡推力計算結(jié)果 單位：kN/m

4.3 治理建議

根據(jù)滑坡形態(tài)、工程地質(zhì)條件、變形特征以及裂縫的長度、寬度與分布特征，結(jié)合工程特點(diǎn)及斜坡穩(wěn)定性分析成果，認(rèn)為該滑坡處于欠-不穩(wěn)定狀態(tài)，目前變形一直在發(fā)展，主要發(fā)生在坡體上部后沿，有整體發(fā)生滑動的可能。若后期有強(qiáng)降雨，則會演變?yōu)榇笮蜕顚踊?。為保證路基邊坡穩(wěn)定及公路運(yùn)營安全，需對滑坡進(jìn)行治理。

根據(jù)該滑坡誘因及工程特點(diǎn)，建議首先對路基坡面、路面、中央分隔帶加強(qiáng)截、排水措施，防止雨水進(jìn)一步滲入路基內(nèi)，同時對坡體裂縫進(jìn)行封填，并對路基軟-可塑填土進(jìn)行加固。在保證地表水疏導(dǎo)完善的基礎(chǔ)上，在路肩和坡腳處采用抗滑樁加錨索的治理措施，同時做好坡面防護(hù)等工程，定時對坡體變形進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警，以保護(hù)民眾生命財產(chǎn)安全。

5 結(jié)論

本文以某高速公路K128+240—K128+633 段高填路基滑坡為例，通過對該滑坡路段開展工程地質(zhì)勘察及穩(wěn)定性分析得到以下結(jié)論：

a）該滑坡為大型深層土質(zhì)滑坡，其運(yùn)動形式以推移式為主，表現(xiàn)為坡體及后緣路面裂縫、錯臺及沉降，前緣坡腳擠壓變形。

b）極端強(qiáng)降雨是誘發(fā)該滑坡病害的主要外在因素，加之前緣坡腳及坡體開挖卸載使抗滑力減小，在多因素共同作用下，導(dǎo)致坡體產(chǎn)生滑動變形，降雨強(qiáng)度及入滲量是影響斜坡病害活躍程度的主要因素。

c）該斜坡處于欠-不穩(wěn)定狀態(tài)，存在整體蠕動擠壓變形，安全儲備不滿足規(guī)范要求。連續(xù)降雨或其他不利條件下，極易發(fā)生整體滑動，嚴(yán)重威脅前緣企業(yè)及公路的運(yùn)營安全。

d）建議首先做好地表截、排水措施及封堵坡面裂縫工作，然后通過抗滑樁+錨索處治方案進(jìn)行支擋，同時對坡體變形進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)警。