凍土區(qū)邊坡熱融滑塌的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與治理

王瑜鑫 蔡德鉤 閆宏業(yè) 張俊德

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

隨著人類(lèi)工程活動(dòng)對(duì)凍土區(qū)的影響不斷加劇，導(dǎo)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(dòng)面上土層的強(qiáng)度指標(biāo)下降，導(dǎo)致斜坡發(fā)生滑塌的一種地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象。

我國(guó)熱融邊坡滑塌災(zāi)害主要發(fā)生在東北高寒區(qū)等地區(qū)，學(xué)者們基于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、理論分析、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)等方法，取得了一定的研究成果。彭惠等［1］通過(guò)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(dòng)式兩類(lèi)，對(duì)防治措施提出了針對(duì)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(duì)工程、環(huán)境造成了一定程度的破壞。牛富俊等［3］以?xún)商師崛诨鸀槔?，分析了其病害原因及破壞特征，并?duì)此類(lèi)災(zāi)變的預(yù)防治理措施提出了針對(duì)性的意見(jiàn)。馬立峰等［4］通過(guò)對(duì)熱融滑坡的破壞運(yùn)動(dòng)過(guò)程及地溫變化進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)每年7月—9月是該類(lèi)災(zāi)害的易發(fā)時(shí)期。靳德武等［5-7］對(duì)熱融型滑坡開(kāi)展了大量研究：對(duì)青藏線熱融滑坡進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)1 年的監(jiān)測(cè)，通過(guò)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)熱融滑坡的變形特征有了較為充分的認(rèn)識(shí)；對(duì)熱融滑坡的機(jī)理進(jìn)行分析，得出質(zhì)點(diǎn)遷移效應(yīng)和滯水潤(rùn)滑效應(yīng)是導(dǎo)致滑塌的主要原因；對(duì)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(duì)熱融滑坡的變形特征、破壞機(jī)理、穩(wěn)定性分析等的研究中結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例對(duì)熱融滑塌穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的研究尚不多見(jiàn)。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(chǎng)勘察及室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)比滑坡的穩(wěn)定性計(jì)算方法的準(zhǔn)確性，并從實(shí)際角度出發(fā)提出可實(shí)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(shù)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(chǔ)工程的施工擾動(dòng)及其他致災(zāi)因素的疊加，公路K315 + 480 —K315 + 720段邊坡及路肩墻、保溫?fù)鯄Τ霈F(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(jí)階地呈緩坡接觸。斜坡地形總體上呈南西高、北東低的特點(diǎn)，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。滑坡體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?；w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(fù)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(yè)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(xì)砂：黃褐色 ～灰褐色，稍密，主要成分為細(xì)砂粒，揭露厚度為0.2 ～4.4 m。

4）三疊系風(fēng)化頁(yè)巖

①?gòu)?qiáng)風(fēng)化頁(yè)巖：灰黑色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，頁(yè)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(fēng)化頁(yè)巖：灰黑色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，頁(yè)片或薄片狀構(gòu)造，巖石質(zhì)量指標(biāo)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(duì)線路有影響的活動(dòng)性斷裂帶通過(guò)，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(guò)4 500 m 主要?dú)庀笠匾?jiàn)表1。此處季節(jié)性?xún)錾罴s2.04 ～ 2.77 m。

表1 主要?dú)庀笠靥卣髦?/p>

1.3.2 水文

工程所屬區(qū)位于多年凍土區(qū)及季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū)過(guò)渡帶，同時(shí)存在島狀多年凍土分布，地質(zhì)條件復(fù)雜，地表水季節(jié)性波動(dòng)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(lèi)孔隙水、基巖區(qū)孔隙裂隙水兩種地下水的基本類(lèi)型。第四系松散巖類(lèi)孔隙水分布于該段滑坡體前緣色吾曲河Ⅱ級(jí)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(biāo)高4 322.61 ～ 4 322.79 m。基巖區(qū)裂隙水主要存在于三疊系強(qiáng)風(fēng)化頁(yè)巖中，主要為夏季大氣降水和冰雪融水的入滲補(bǔ)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(jiàn)泉眼出露及水草沼澤地。地下水的化學(xué)成分復(fù)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(zhǎng)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(shí)滑塌體前緣因滑動(dòng)土體不斷向前推動(dòng)擠壓成隆起狀。滑塌地貌基本保持完整，斜坡地表有蠕動(dòng)、滑動(dòng)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。滑塌體變形特征如圖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?xún)鐾羶錾罹C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(shè)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(lèi)工程活動(dòng)、水熱侵蝕、凍土活動(dòng)層滑脫［2］。結(jié)合本文熱融滑塌的特征，災(zāi)害誘發(fā)基本過(guò)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(duì)該處斜坡的開(kāi)挖引發(fā)開(kāi)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(kāi)始下滑。

4）暖季坡面有暫時(shí)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(shí)隨著土體滑動(dòng)，原坡體表面積水快速下滲，下滲過(guò)程中遇到凍土上限冰層阻礙，水將沿凍土上限流動(dòng)，產(chǎn)生了“滯水潤(rùn)滑效應(yīng)”［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(qiáng)度指標(biāo)下降，加速了斜坡的熱融滑塌。

3 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

在邊坡病害治理中，首先需要準(zhǔn)確判定坡體的穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)而選取適宜的治理方案。穩(wěn)定性評(píng)價(jià)一般包括結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)變形特征的定性評(píng)價(jià)與通過(guò)理論計(jì)算的定量評(píng)價(jià)。

3.1 定性評(píng)價(jià)

該處熱融滑塌所處位置的季凍層經(jīng)反復(fù)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(dòng)性較強(qiáng)，表層軟土層沿坡向蠕動(dòng)發(fā)展較快，斜坡經(jīng)過(guò)一定時(shí)期的蠕動(dòng)后，滑帶土強(qiáng)度進(jìn)一步降低，造成持續(xù)蠕動(dòng)，在表層形成大量裂縫，如局部遇阻，便形成臺(tái)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(wú)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(biāo)反算

準(zhǔn)確定量評(píng)價(jià)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(yàn)測(cè)定土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)采用不排水剪切試驗(yàn)?zāi)M，盡可能使原位土體中孔隙水壓力特性同室內(nèi)實(shí)驗(yàn)條件類(lèi)似。結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)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(qiáng)度指標(biāo)取值見(jiàn)表2。表中數(shù)值表示天然狀態(tài)，括號(hào)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(píng)價(jià)

在對(duì)斜坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)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(jì)算公式為主要方法，該方法對(duì)斜坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)依賴(lài)于準(zhǔn)確的巖土體強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)參數(shù)及滑動(dòng)面的準(zhǔn)確位置。為準(zhǔn)確分析斜坡的穩(wěn)定狀態(tài)，本文參考文獻(xiàn)［8］中對(duì)熱融滑塌的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法和規(guī)范方法進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.3.1 規(guī)范評(píng)價(jià)結(jié)果

GB 50021—2001 以抗滑力同下滑力的比值來(lái)分析計(jì)算滑坡的穩(wěn)定性，該方法使用較為成熟。規(guī)范中對(duì)邊坡穩(wěn)定性的計(jì)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(qiáng)度參數(shù)隨著凍融狀態(tài)發(fā)生變化，對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定性系數(shù)也在變化。以?xún)鐾辽舷藁w厚度最大處為計(jì)算斷面且滑體均處于飽和狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果

一般而言，滑坡的滑動(dòng)面位置較為固定，而熱融滑塌斜坡的滑動(dòng)面是隨凍融邊界發(fā)生不斷變化的。隨著凍融邊界的動(dòng)態(tài)變化，利用規(guī)范進(jìn)行計(jì)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(cè)規(guī)律確定融化深度隨時(shí)間變化的過(guò)程，僅以融化深度為變量計(jì)算分析熱融滑塌的穩(wěn)定性則較為簡(jiǎn)便。

3.3.2 基于超孔隙水壓力的評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)文獻(xiàn)［8］結(jié)論，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)凍土斜坡的計(jì)算評(píng)價(jià)方法主要有5 種，文獻(xiàn)［9］對(duì)這5 種計(jì)算方法進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)只有兩種方法較符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，主要參數(shù)易于獲取，分別采用5 種計(jì)算方法計(jì)算同一凍土斜坡的穩(wěn)定性，只有式（1）的計(jì)算結(jié)果契合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際。式（1）基于有效應(yīng)力理論，認(rèn)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(qiáng)度減小，導(dǎo)致斜坡發(fā)生失穩(wěn)。該方法的理論與熱融破壞的滯水潤(rùn)滑機(jī)理有一定的相似性，且經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)，因此采用此方法對(duì)本文的熱融型邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行檢驗(yàn)計(jì)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(jì)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(jì)算不同融化深度下的穩(wěn)定系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4?？芍畈焕麛嗝嫫骄诨疃葹?.0 m，規(guī)范計(jì)算穩(wěn)定性系數(shù)為0.80，與基于超孔隙水壓力的計(jì)算方法得出的結(jié)論一致。計(jì)算熱融滑塌斜坡穩(wěn)定性時(shí)，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(jì)算更為簡(jiǎn)便。

表4 不同融化深度對(duì)應(yīng)穩(wěn)定系數(shù)

3.3.3 評(píng)價(jià)結(jié)論

定性評(píng)價(jià)、穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算結(jié)論以及基于超孔隙水壓力的計(jì)算結(jié)果均顯示斜坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，需要及時(shí)進(jìn)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(yīng)急處置中最為迅速的方案，一般在滑坡上部卸載，下部實(shí)施反壓，盡可能實(shí)現(xiàn)填挖均衡。該段滑坡位置生態(tài)環(huán)境脆弱，實(shí)施大規(guī)模挖方會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞并對(duì)凍土的上下限產(chǎn)生擾動(dòng)，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(yùn)至滑坡位置進(jìn)行反壓，運(yùn)輸費(fèi)用相對(duì)較為經(jīng)濟(jì)。除反壓外，防排水措施包括：在滑坡中部位置設(shè)置盲溝、在滑坡邊界外設(shè)置擋水捻。為防止色吾溝漲水對(duì)反壓坡腳的沖刷，需設(shè)置坡腳擋墻。反壓方案如圖4所示。

反壓后對(duì)熱融滑塌坡體按暖季最不利條件進(jìn)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(chǎng)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(jìn)行支擋。按最不利斷面地震工況下安全系數(shù)取1.05 計(jì)算抗滑樁設(shè)計(jì)推力為1 775.51 kN/m。項(xiàng)目區(qū)人工挖孔抗滑樁實(shí)施難度大且施工速度較慢，可以采用機(jī)械成孔的圓形抗滑樁進(jìn)行支擋。防排水措施同反壓方案一致。抗滑樁方案如圖5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(jì)性等問(wèn)題，將反壓方案、抗滑樁方案優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 方案對(duì)比

綜合考慮環(huán)境因素、公路等級(jí)及變形控制要求、施工工期、施工材料調(diào)配問(wèn)題，選擇回填反壓的方案對(duì)該處滑坡進(jìn)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(duì)熱融滑塌邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，需要重點(diǎn)分析滑帶土在不同環(huán)境狀態(tài)下的強(qiáng)度參數(shù)并合理選取。

2）基于超孔隙水壓力的評(píng)價(jià)方法同現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況相符，可較為簡(jiǎn)便地計(jì)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(píng)價(jià)。

3）對(duì)熱融型滑坡的治理，應(yīng)盡量減少對(duì)區(qū)域環(huán)境的擾動(dòng)，加強(qiáng)對(duì)多年凍土的保護(hù)。綜合考慮工程經(jīng)濟(jì)性、施工速度、對(duì)凍土的擾動(dòng)程度后選擇反壓治理方案。