凍土區(qū)邊坡熱融滑塌的穩(wěn)定性評價與治理

王瑜鑫 蔡德鉤 閆宏業(yè) 張俊德

1.中國鐵道科學研究院 研究生部， 北京 100081； 2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所， 北京 100081；3.中鐵西北科學研究院有限公司， 蘭州 730030

隨著人類工程活動對凍土區(qū)的影響不斷加劇，導致了凍土穩(wěn)定性的降低及熱融滑塌的發(fā)生頻率逐漸提升。熱融滑塌是指斜坡冰層受環(huán)境溫度變化影響發(fā)生融化，致使表面及滑動面上土層的強度指標下降，導致斜坡發(fā)生滑塌的一種地質(zhì)災害現(xiàn)象。

我國熱融邊坡滑塌災害主要發(fā)生在東北高寒區(qū)等地區(qū)，學者們基于現(xiàn)場調(diào)查、理論分析、室內(nèi)實驗等方法，取得了一定的研究成果。彭惠等［1］通過青藏線調(diào)查數(shù)據(jù)，將熱融滑坡分為坍塌沉陷式和牽引滑動式兩類，對防治措施提出了針對性的建議。羅京等［2］提出在全球變暖的影響下熱融滑塌發(fā)育現(xiàn)象較為普遍，并對工程、環(huán)境造成了一定程度的破壞。牛富俊等［3］以兩處熱融滑塌為例，分析了其病害原因及破壞特征，并對此類災變的預防治理措施提出了針對性的意見。馬立峰等［4］通過對熱融滑坡的破壞運動過程及地溫變化進行分析，發(fā)現(xiàn)每年7月—9月是該類災害的易發(fā)時期。靳德武等［5-7］對熱融型滑坡開展了大量研究：對青藏線熱融滑坡進行了長達1 年的監(jiān)測，通過監(jiān)測結(jié)果對熱融滑坡的變形特征有了較為充分的認識；對熱融滑坡的機理進行分析，得出質(zhì)點遷移效應和滯水潤滑效應是導致滑塌的主要原因；對凍土斜坡變形特征分析發(fā)現(xiàn)其位移主要發(fā)生在淺部。

現(xiàn)有對熱融滑坡的變形特征、破壞機理、穩(wěn)定性分析等的研究中結(jié)合現(xiàn)場實例對熱融滑塌穩(wěn)定性評價的研究尚不多見。本文依托青海省道312線瑪多至色吾溝公路K315 段熱融滑塌病害，結(jié)合現(xiàn)場勘察及室內(nèi)試驗結(jié)果，對比滑坡的穩(wěn)定性計算方法的準確性，并從實際角度出發(fā)提出可實施的工程措施。

1 工程概況

省道312線瑪多至色吾溝公路是連接青海省果洛州及玉樹州的重要公路之一，公路所處區(qū)域平均海拔4 300 m 以上。隨著公路基礎工程的施工擾動及其他致災因素的疊加，公路K315 + 480 —K315 + 720段邊坡及路肩墻、保溫擋墻出現(xiàn)變形現(xiàn)象。

1.1 地形地貌

滑塌所處位置為山麓斜坡堆積地貌，山麓斜坡堆積地貌與色吾曲河Ⅱ級階地呈緩坡接觸。斜坡地形總體上呈南西高、北東低的特點，自然斜坡坡度約10° ～ 20°，山頂高程約4 392 m，坡底高程約4 323 m，高差約70 m?；麦w位于色吾曲河南岸的斜坡上，滑坡地貌基本保持完整，其前緣、中后部均較平緩，滑塌體范圍內(nèi)高程4 356 ～ 4 323 m，高差約33 m。滑體坡面植被較不發(fā)育，固坡能力差。

1.2 地質(zhì)條件

1.2.1 地層巖性

該地區(qū)工程地質(zhì)條件復雜，根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)繪及鉆孔內(nèi)揭露情況，地層情況如圖1所示。

圖1 地質(zhì)斷面

1）第四系全新統(tǒng)填筑土、草甸土

①填筑土：雜色，稍濕，稍密，主要成分為砂、礫石，為路基填土，鉆孔揭露厚度為0.8 ～ 4.2 m。②草甸土：深褐色，稍濕 ～ 濕，松散，主要成分為粉土，植物根系較發(fā)育厚度為0.1 ～ 0.3 m。

2）第四系熱融滑塌堆積體

①含角礫粉土：灰黑色，稍濕 ～ 濕，稍密。主要成分為粉粒，鉆孔揭露厚度為0.4 ～ 2.6 m。②粉土：黃褐色，稍濕 ～ 濕，稍密，主要成分為粉粒，次為黏粒，鉆孔揭露厚度為0.1 ～ 0.5 m。

3）第四系坡洪積、沖洪積

①含粉土角礫：灰黑色，稍密。母巖成分為頁巖，粉黏粒占全重的19.4% ～ 21.6%，鉆孔揭露厚度為0.5 ～6.6 m。②圓礫：雜色，稍密。其成分礫石粒占全重50% ～ 60%，卵石粒占全重的10%～15%，滑坡體前緣鉆孔有揭露，揭露厚度為1.8 ～ 6.6 m。③細砂：黃褐色 ～灰褐色，稍密，主要成分為細砂粒，揭露厚度為0.2 ～4.4 m。

4）三疊系風化頁巖

①強風化頁巖：灰黑色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，頁片或薄片狀構(gòu)造，斜坡處均有分布，揭露厚度為3.6 ～ 16.0 m。②中風化頁巖：灰黑色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，頁片或薄片狀構(gòu)造，巖石質(zhì)量指標為15% ～ 35%。斜坡處均有分布，本次勘察未揭穿，揭露厚度為1.20 ～ 11.30 m。

1.2.2 地質(zhì)構(gòu)造

勘察區(qū)未發(fā)現(xiàn)對線路有影響的活動性斷裂帶通過，區(qū)域穩(wěn)定性較好。

1.3 氣象水文條件

1.3.1 氣象條件

曲麻萊縣地處青海省西南部，平均海拔超過4 500 m 主要氣象要素見表1。此處季節(jié)性凍深約2.04 ～ 2.77 m。

表1 主要氣象要素特征值

1.3.2 水文

工程所屬區(qū)位于多年凍土區(qū)及季節(jié)性凍土區(qū)過渡帶，同時存在島狀多年凍土分布，地質(zhì)條件復雜，地表水季節(jié)性波動大。結(jié)合坡體前緣的季節(jié)性流水及降雨特征分析，該地區(qū)主要存在第四系松散巖類孔隙水、基巖區(qū)孔隙裂隙水兩種地下水的基本類型。第四系松散巖類孔隙水分布于該段滑坡體前緣色吾曲河Ⅱ級階地及河漫灘。根據(jù)鉆探結(jié)果，滑塌體前緣鉆孔有穩(wěn)定的地下水位，水位埋藏深度0.3 ～ 1.8 m，水位標高4 322.61 ～ 4 322.79 m?；鶐r區(qū)裂隙水主要存在于三疊系強風化頁巖中，主要為夏季大氣降水和冰雪融水的入滲補給?；鶐r區(qū)裂隙水在本段滑坡體范圍未出現(xiàn)明顯的滲水現(xiàn)象，未見泉眼出露及水草沼澤地。地下水的化學成分復雜，水質(zhì)較好，礦化度低。

2 熱融滑塌形態(tài)及成因分析

2.1 空間形態(tài)及破壞特征

該邊坡熱融滑塌位于瑪色公路K315 + 480 —K315 +720 天然斜坡上，自然坡度約15°，滑塌范圍縱向長約120 m，寬240 m。夏季熱融滑塌速率增大，后緣裂縫明顯，寬度約10 cm，同時滑塌體前緣因滑動土體不斷向前推動擠壓成隆起狀?；孛不颈３滞暾?，斜坡地表有蠕動、滑動痕跡，地表沿周界有裂縫發(fā)育，平面呈簸箕狀，滑體坡面植被不發(fā)育情況差，固坡能力差?；w變形特征如圖2所示。

圖2 滑坡變形特征（夏季）

根據(jù)鉆探揭示滑體堆積物，結(jié)合地面調(diào)查分析及多年凍土上限、季節(jié)性凍土凍深綜合分析，該處滑塌一般埋深1.2 ～ 3.0 m，屬淺層熱融滑塌。工程建設后，該段斜坡出現(xiàn)多處裂縫，路肩擋墻外移約3 cm，下沉約5 cm。變形情況如圖3所示。

圖3 路肩墻變形特征（冬季）

2.2 成因分析

大部分的熱融滑塌主要誘發(fā)因素為人類工程活動、水熱侵蝕、凍土活動層滑脫［2］。結(jié)合本文熱融滑塌的特征，災害誘發(fā)基本過程為：

1）隨著氣候暖濕化引發(fā)的極端高溫及降雨增多，斜坡的凍土上限在氣溫及水熱侵蝕的雙重作用下逐漸退化。

2）修建公路對該處斜坡的開挖引發(fā)開挖面小規(guī)模坍塌，暖季坍塌面上尚未融化的冰層暴露并迅速融化。

3）上部已發(fā)生融化的土體失去坍塌面的支撐并開始下滑。

4）暖季坡面有暫時性面流，由于坡體頂部地形較緩，坡度在15°，雨季易匯集水，且上覆草甸土、粉土、含角礫粉土厚度較薄且易滲透同時隨著土體滑動，原坡體表面積水快速下滲，下滲過程中遇到凍土上限冰層阻礙，水將沿凍土上限流動，產(chǎn)生了“滯水潤滑效應”［6］。

5）下滲水及融化產(chǎn)生的水一方面使滑體含水率增高、重度加大；另一方面使土體的強度指標下降，加速了斜坡的熱融滑塌。

3 穩(wěn)定性評價

在邊坡病害治理中，首先需要準確判定坡體的穩(wěn)定狀態(tài)，進而選取適宜的治理方案。穩(wěn)定性評價一般包括結(jié)合現(xiàn)場變形特征的定性評價與通過理論計算的定量評價。

3.1 定性評價

該處熱融滑塌所處位置的季凍層經(jīng)反復凍脹與熱融發(fā)生軟化，在重力作用下沿坡向蠕滑變形。斜坡自然坡度較緩，坡角10° ～ 20°，在雨季及冰雪消融季節(jié)的活動性較強，表層軟土層沿坡向蠕動發(fā)展較快，斜坡經(jīng)過一定時期的蠕動后，滑帶土強度進一步降低，造成持續(xù)蠕動，在表層形成大量裂縫，如局部遇阻，便形成臺階狀鼓丘。鉆探資料顯示該地段下伏基巖分布穩(wěn)定且連續(xù)，無軟弱下臥層。目前正處在蠕滑變形階段，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 指標反算

準確定量評價滑坡的穩(wěn)定系數(shù)需要建立在合理的巖土體參數(shù)取值之上。由于土體天然重度與飽和重度相差不大，室內(nèi)試驗測定土體抗剪強度指標采用不排水剪切試驗模擬，盡可能使原位土體中孔隙水壓力特性同室內(nèi)實驗條件類似。結(jié)合室內(nèi)試驗及滑坡目前變形特征綜合分析，反算滑坡穩(wěn)定系數(shù)取0.95，巖土體強度指標取值見表2。表中數(shù)值表示天然狀態(tài)，括號內(nèi)數(shù)值為飽和狀態(tài)。

表2 巖土參數(shù)取值

3.3 穩(wěn)定性評價

在對斜坡的穩(wěn)定性評價中，目前以GB 50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范》中穩(wěn)定系數(shù)的計算公式為主要方法，該方法對斜坡的穩(wěn)定性評價依賴于準確的巖土體強度實驗參數(shù)及滑動面的準確位置。為準確分析斜坡的穩(wěn)定狀態(tài)，本文參考文獻［8］中對熱融滑塌的穩(wěn)定性評價方法和規(guī)范方法進行對比，驗證結(jié)果的準確性。

3.3.1 規(guī)范評價結(jié)果

GB 50021—2001 以抗滑力同下滑力的比值來分析計算滑坡的穩(wěn)定性，該方法使用較為成熟。規(guī)范中對邊坡穩(wěn)定性的計算，分為自然工況、暴雨工況、地震暴雨疊加工況。熱融滑塌斜坡的巖土體強度參數(shù)隨著凍融狀態(tài)發(fā)生變化，對應的穩(wěn)定性系數(shù)也在變化。以凍土上限滑體厚度最大處為計算斷面且滑體均處于飽和狀態(tài)進行計算分析，結(jié)果見表3。

表3 穩(wěn)定性評價結(jié)果

一般而言，滑坡的滑動面位置較為固定，而熱融滑塌斜坡的滑動面是隨凍融邊界發(fā)生不斷變化的。隨著凍融邊界的動態(tài)變化，利用規(guī)范進行計算需要重新確定滑面位置并以條分法分割滑體，步驟較為繁瑣。若根據(jù)地溫監(jiān)測規(guī)律確定融化深度隨時間變化的過程，僅以融化深度為變量計算分析熱融滑塌的穩(wěn)定性則較為簡便。

3.3.2 基于超孔隙水壓力的評價結(jié)果

根據(jù)文獻［8］結(jié)論，目前國內(nèi)外學者針對凍土斜坡的計算評價方法主要有5 種，文獻［9］對這5 種計算方法進行分析發(fā)現(xiàn)只有兩種方法較符合現(xiàn)場實際，主要參數(shù)易于獲取，分別采用5 種計算方法計算同一凍土斜坡的穩(wěn)定性，只有式（1）的計算結(jié)果契合現(xiàn)場實際。式（1）基于有效應力理論，認為凍土層阻礙了融水排出，形成的超孔隙水壓力使得土體抗剪強度減小，導致斜坡發(fā)生失穩(wěn)。該方法的理論與熱融破壞的滯水潤滑機理有一定的相似性，且經(jīng)過實踐檢驗，因此采用此方法對本文的熱融型邊坡穩(wěn)定性進行檢驗計算。

式中：FS為穩(wěn)定性系數(shù)；γw為水的重度，取10 kN/m3；Dw為滑面上水頭，取0.05 m；γ為土的重度，取21 kN/m3；Z為融化深度，取0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 m 分別計算；?′為有效內(nèi)摩擦角，取11.1°；β為平均坡度，取15°；C′為有效黏聚力，取1 kPa。

按式（1）分別計算不同融化深度下的穩(wěn)定系數(shù)，計算結(jié)果見表4?？芍?，最不利斷面平均融化深度為2.0 m，規(guī)范計算穩(wěn)定性系數(shù)為0.80，與基于超孔隙水壓力的計算方法得出的結(jié)論一致。計算熱融滑塌斜坡穩(wěn)定性時，伴隨融化深度的改變，穩(wěn)定性系數(shù)不斷改變，在明確凍融深度變化的情況下，此方法計算更為簡便。

表4 不同融化深度對應穩(wěn)定系數(shù)

3.3.3 評價結(jié)論

定性評價、穩(wěn)定系數(shù)的計算結(jié)論以及基于超孔隙水壓力的計算結(jié)果均顯示斜坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，需要及時進行治理。

4 滑坡治理

4.1 治理方案

4.1.1 反壓方案

反壓是滑坡應急處置中最為迅速的方案，一般在滑坡上部卸載，下部實施反壓，盡可能實現(xiàn)填挖均衡。該段滑坡位置生態(tài)環(huán)境脆弱，實施大規(guī)模挖方會對生態(tài)環(huán)境造成嚴重破壞并對凍土的上下限產(chǎn)生擾動，不符合治理的基本原則。該段公路路基施工后剩余大量土石方，土石方可快速調(diào)運至滑坡位置進行反壓，運輸費用相對較為經(jīng)濟。除反壓外，防排水措施包括：在滑坡中部位置設置盲溝、在滑坡邊界外設置擋水捻。為防止色吾溝漲水對反壓坡腳的沖刷，需設置坡腳擋墻。反壓方案如圖4所示。

反壓后對熱融滑塌坡體按暖季最不利條件進行穩(wěn)定性分析，自然工況下穩(wěn)定性系數(shù)為1.49、暴雨工況1.37、地震工況1.25，均為穩(wěn)定狀態(tài)。

4.1.2 抗滑樁方案

根據(jù)現(xiàn)場地勘資料，該處基巖埋深較淺，且滑坡剩余下滑力小，可考慮抗滑樁進行支擋。按最不利斷面地震工況下安全系數(shù)取1.05 計算抗滑樁設計推力為1 775.51 kN/m。項目區(qū)人工挖孔抗滑樁實施難度大且施工速度較慢，可以采用機械成孔的圓形抗滑樁進行支擋。防排水措施同反壓方案一致?？够瑯斗桨溉鐖D5所示。

圖5 抗滑樁方案

4.2 治理方案選擇

方案的選擇需充分考慮工期、防治效果、工程經(jīng)濟性等問題，將反壓方案、抗滑樁方案優(yōu)缺點進行對比，結(jié)果見表5。

表5 方案對比

綜合考慮環(huán)境因素、公路等級及變形控制要求、施工工期、施工材料調(diào)配問題，選擇回填反壓的方案對該處滑坡進行治理。

5 結(jié)論

1）采用GB 50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范》中的方法對熱融滑塌邊坡進行穩(wěn)定性評價，需要重點分析滑帶土在不同環(huán)境狀態(tài)下的強度參數(shù)并合理選取。

2）基于超孔隙水壓力的評價方法同現(xiàn)場實際情況相符，可較為簡便地計算出隨著熱融邊界變化斜坡的穩(wěn)定性變化情況，適宜用于熱融型滑坡的穩(wěn)定性評價。

3）對熱融型滑坡的治理，應盡量減少對區(qū)域環(huán)境的擾動，加強對多年凍土的保護。綜合考慮工程經(jīng)濟性、施工速度、對凍土的擾動程度后選擇反壓治理方案。