天府新區(qū)某高速公路巖質(zhì)滑坡穩(wěn)定性研究

摘要：四川紅層地區(qū)具備砂、泥巖軟硬相間的特有接觸關(guān)系，是巖質(zhì)滑坡高發(fā)區(qū)，其破壞模式以滑坡后緣快速充灌裂隙水導(dǎo)致巖體順層或順軟弱結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)最為普遍，具有隱蔽性高、突發(fā)性強(qiáng)、成災(zāi)快、處治代價(jià)高等特點(diǎn)，文章以在建的天府新區(qū)經(jīng)眉山至樂山高速公路某滑坡為例，從前期野外地質(zhì)調(diào)繪、水文地質(zhì)調(diào)查和地質(zhì)鉆探成果著手，結(jié)合同類型滑坡經(jīng)驗(yàn)和地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，找到滑面具體深度，明確滑坡成因機(jī)制，采用剛體極限平衡法計(jì)算研究滑坡穩(wěn)定性，為該段路線設(shè)計(jì)施工提供了地質(zhì)勘察依據(jù)。

關(guān)鍵詞：巖質(zhì)滑坡；充灌裂隙水；高速公路；剛體極限平衡；滑坡穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：U416.1+4

0 引言

四川紅層地區(qū)具備砂、泥巖軟硬相間的特有接觸關(guān)系，是巖質(zhì)滑坡的高發(fā)區(qū)，其破壞模式以滑坡后緣快速充灌裂隙水導(dǎo)致巖體順層或順軟弱結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)最為普遍，具有隱蔽性高、突發(fā)性強(qiáng)、成災(zāi)快、處治代價(jià)高等特點(diǎn)。本文以在建的天府新區(qū)經(jīng)眉山至樂山高速公路某滑坡為例，結(jié)合滑坡工程地質(zhì)條件，分析滑坡成因機(jī)制，并采用剛體極限平衡法計(jì)算研究滑坡穩(wěn)定性，為該段路線設(shè)計(jì)施工提供了地質(zhì)勘察依據(jù)。

1 工程概況

該滑坡位于在建的天眉樂高速公路成都天府新區(qū)段籍田街道與黃龍溪鎮(zhèn)交界處，因地理位置特殊，當(dāng)提到成都市范圍的地質(zhì)災(zāi)害時(shí)，大多數(shù)專家學(xué)者通常將注意力集中在龍門山及龍泉山兩大地質(zhì)災(zāi)害帶，而該滑坡發(fā)育于成都平原南部邊緣，隱藏于充滿歷史厚重感的“三線建設(shè)”遺跡深山區(qū)，為四川盆地紅層區(qū)典型的降雨誘發(fā)順層基巖滑坡［1-3］。

2 滑坡工程地質(zhì)條件

2.1 工程概況

滑坡被線路斜穿通過，主滑方向與線路走向大角度相交，位置關(guān)系可見圖1，整體規(guī)模為中等級(jí)別。該段線路構(gòu)筑物設(shè)置為：滑坡北接一高墩大橋，滑坡自身坐落于該橋大樁號(hào)側(cè)橋臺(tái)，南接一段半挖半填路基。滑坡的發(fā)展趨勢(shì)及其穩(wěn)定性直接影響該段高速公路的設(shè)計(jì)和工程建設(shè)。

2.2 氣象水文

滑坡區(qū)屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，擁有得天獨(dú)厚的自然條件，氣候溫和、四季分明、雨水充沛，年平均溫度16.2 ℃，年平均降雨量921 mm，雨季集中在每年7～9月，一年四季氣候宜人。

滑坡區(qū)較周邊地勢(shì)高，不利于地表水的存儲(chǔ)。地下水主要為松散層孔隙水和基巖風(fēng)化裂隙水，受大氣降水的控制和補(bǔ)給，雨季短時(shí)間的驟雨來不及排泄，會(huì)沿巖體豎向直立裂隙及后緣拉裂槽滲入基巖深部，導(dǎo)致地下水位猛然升高，裂隙和拉裂槽會(huì)立刻成為地下水灌注的天然通道。

2.3 地形地貌

滑坡地處四川盆地低山區(qū)，海拔485～530 m，整體位于一長(zhǎng)大斜坡上，整體坡度約10°～25°，地形起伏較大，地勢(shì)西高東低，斜坡頂、底相對(duì)高差約45 m，后緣位于斜坡中部，前緣抵至沖溝。

2.4 地層巖性

滑坡地表覆蓋層主要為第四系全新統(tǒng)崩坡積（Qc+dl4）含塊石粉質(zhì)黏土和滑體本身，下伏基巖為白堊系上統(tǒng)夾關(guān)組（K2j）砂巖夾少量泥巖。地層分布可見圖2。

鉆探揭露含塊石粉質(zhì)黏土厚度約4.6 m，分布于后緣拉裂槽和斜坡地表；滑體組成物質(zhì)主要為中風(fēng)化砂巖，局部含泥巖夾層，厚度約為6.0～16 m；下伏基巖分布厚度較大，發(fā)育直立裂隙，并在砂、泥巖接觸面揭露擦痕，擦痕面光滑，略微起伏，紋路呈梳狀。

2.5 新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及地震

滑坡范圍構(gòu)造區(qū)域處于龍門山和龍泉山構(gòu)造帶之間，屬四川盆地弱活動(dòng)斷裂構(gòu)造區(qū)，附近無全新世活動(dòng)斷裂通過。地震基本動(dòng)峰值加速度為0.10 g，地震基本動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45 s，地震基本烈度為Ⅶ度。

3 滑坡變形特征及成因機(jī)制分析

3.1 滑坡空間形態(tài)特征

該滑坡整體位于一長(zhǎng)大斜坡，地勢(shì)西高東低，形如馬蹄狀，線路從后緣斜穿，主滑方向和線路走向夾角約為100°，面積約為0.5×104 m2，方量約為7.5×104 m3，滑面深度在地面以下約6～16 m，整體為中等規(guī)模順層巖質(zhì)滑坡。

3.2 滑坡變形特征

滑坡變形主要表征為后緣拉裂槽和地面凹陷。拉裂槽又包含主拉裂槽和一次級(jí)拉裂槽，兩槽之間的基巖發(fā)育緊閉或充填泥質(zhì)的豎向直立裂縫。

（1）主拉裂槽平面上呈弧形，立面上呈“V”字形向上張開，內(nèi)部被崩坡積物（主要為含塊石粉質(zhì)黏土）填充后形成“U”字形寬槽，槽內(nèi)無水，底部寬約8.5 m，頂部寬約10.5 m，頂、底高差約7～8 m，拉槽內(nèi)可容鉆機(jī)作業(yè)，見大塊石堆積，并生長(zhǎng)出了茂盛的竹林，兩側(cè)為砂巖陡壁。

（2）次級(jí)拉裂槽形態(tài)與主拉裂槽相似，只是規(guī)模比主拉裂槽要小，可見深度約為2.0～2.5 m，呈“V”字形，頂部開口寬約1.8～2.0 m，內(nèi)部也被崩坡積物（主要為含塊碎石粉質(zhì)黏土）填充，兩側(cè)為砂巖陡壁。

（3）從滑坡側(cè)緣進(jìn)入主裂縫中時(shí)，會(huì)經(jīng)過一片明顯的地面凹陷，下凹深度約為1.0 m，也零亂分布著砂巖塊石、碎石，反映出該滑坡脫離母體時(shí)產(chǎn)生了下錯(cuò)，對(duì)周邊地形產(chǎn)生了改造。

3.3 滑坡成因機(jī)制分析

3.3.1 斜坡穩(wěn)定性分析

滑坡所處斜坡主要由緩傾層狀巖體構(gòu)成，巖性為厚層狀砂巖夾薄層狀泥巖。層面D產(chǎn)狀為94°∠10°，坡面P產(chǎn)狀94°∠25°，發(fā)育3組裂隙：L1：319°∠80°、L2：87°∠85°、L3：95°∠47°，各裂隙面赤平投影見圖3。

可以看出，巖體發(fā)育兩處不利結(jié)構(gòu)面組合：（1）層面D位于自然坡面P同側(cè)，傾坡外，傾向相同，且傾角小于P，是最不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，極易引起順層滑動(dòng)；（2）D和L1的交線位于自然坡面P同側(cè)，傾坡外，且傾角小于P，是最不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。其余結(jié)構(gòu)面及其組合交線與自然坡面組成穩(wěn)定或較穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

3.3.2 滑坡成因機(jī)制分析

經(jīng)當(dāng)?shù)卮迕窠榻B，后緣拉裂槽為20世紀(jì)70年代一場(chǎng)連續(xù)一周的強(qiáng)降雨后形成。由于砂巖自身發(fā)育一系列傾向坡外、傾角75°～90°的直立裂隙，在強(qiáng)降雨時(shí)迅速充灌地下水，裂縫內(nèi)水頭急速上升，產(chǎn)生較大的靜水壓力，短時(shí)間內(nèi)匯集的地下水得不到及時(shí)排導(dǎo)，順裂隙下滲到不透水的泥質(zhì)巖層時(shí)滲透通道被阻斷，便沿砂、泥巖接觸面向坡外方向運(yùn)移。在此運(yùn)移過程中，對(duì)泥質(zhì)巖夾層這種不透水介質(zhì)產(chǎn)生水膜化效應(yīng)，不斷軟化、潤(rùn)滑，使其抗剪指標(biāo)等力學(xué)性質(zhì)迅速衰減［4］；同時(shí)，對(duì)通道上部巖體產(chǎn)生揚(yáng)壓力，當(dāng)坡體前緣排水量小于后方供水量時(shí)，這種壓力會(huì)逐步增大。在這一系列演化過程中，巖體經(jīng)歷后緣靜水壓力的“推”，底部水揚(yáng)壓力的“抬”，以及水膜作用的“潤(rùn)”，最終導(dǎo)致巖體極限平緩狀態(tài)被破壞，地下水的平緩滲流路徑演變?yōu)榛?，被灌水的豎向裂縫即為后邊界，此時(shí)若前緣具備臨空面，便形成滑坡。

由此可明確該滑坡成因機(jī)制為：多組結(jié)構(gòu)面切割的巖體在后緣豎向裂隙快速充水時(shí)沿軟化面產(chǎn)生順層滑動(dòng)破壞。在過去的幾十年里滑坡變形未加劇。

4 滑坡穩(wěn)定性計(jì)算研究

4.1 計(jì)算模型和計(jì)算公式

針對(duì)滑坡現(xiàn)狀，考慮巖體在裂縫中充水的靜水壓力和沿滑面空隙水揚(yáng)壓力的聯(lián)合作用［1-2］，將滑坡視為一個(gè)整體運(yùn)動(dòng)的簡(jiǎn)單塊體，采用剛體極限平衡法，預(yù)設(shè)天然、暴雨、地震（7度）三種工況，選取典型剖面對(duì)滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算分析，計(jì)算模型見圖4。

計(jì)算公式如下：

對(duì)于天然工況1，穩(wěn)定性系數(shù)為：

對(duì)于地震工況3，穩(wěn)定性系數(shù)為：

K=（Wcosβ-Qsinβ）tanφ+cL/（Wsinβ+Qcosβ）（5）

式中：V——后緣拉裂槽水壓力（kN/m）；

U——塊體底滑面揚(yáng)壓力（kN/m）；

h——后緣拉裂槽充水高度（m），取裂隙深度1/3H；

L——塊體底界面長(zhǎng)度（m）；

γw——水的重度，取10 kN/m；

Q——地震力（kN/m）；

K——滑坡穩(wěn)定性系數(shù)；

c——塊體底滑面內(nèi)聚力（kPa）；

φ——塊體底滑面摩擦角（kPa）；

β——塊體底界面傾角（°），外傾取正，內(nèi)傾取負(fù)；

W——塊體自重（kN/m3）。

4.2 計(jì)算參數(shù)選取

現(xiàn)場(chǎng)多個(gè)鉆孔巖芯揭示了擦痕面光滑、平順，略微呈梳狀起伏，連通可組成一軟弱結(jié)構(gòu)面，即滑面，結(jié)合程度很差。根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30-2015）表3.7.3-1、表3.7.3-2，以及其他相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)對(duì)結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的確定方法，并結(jié)合類似滑坡工程處治經(jīng)驗(yàn)，提出滑動(dòng)面抗剪強(qiáng)度指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值為：天然工況下內(nèi)摩擦角φ=12.8°，粘聚力c=19.0 kPa；暴雨工況下內(nèi)摩擦角φ=10.2°，粘聚力c=16.2 kPa；各指標(biāo)計(jì)算參數(shù)和各工況計(jì)算結(jié)果見表1、表2。

由計(jì)算結(jié)果知，滑坡在天然和地震工況下處于穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨工況下，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但安全儲(chǔ)備不足，滑坡穩(wěn)定狀態(tài)未達(dá)到滑坡防治工程安全系數(shù)要求，需進(jìn)行處治。

5 結(jié)語

（1）該滑坡成因機(jī)制為：多組結(jié)構(gòu)面切割的巖體在后緣裂隙快速充水時(shí)沿層間軟弱面產(chǎn)生的順層滑動(dòng)破壞。

（2）采用剛體極限平衡法，對(duì)滑坡進(jìn)行建模和穩(wěn)定性計(jì)算研究，滑坡在天然和地震工況下處于穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨工況下，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但安全儲(chǔ)備不足，穩(wěn)定狀態(tài)未達(dá)到工程安全系數(shù)要求。

（3）針對(duì)研究成果，向設(shè)計(jì)和施工單位建議橋臺(tái)錐坡和半挖路基采用錨桿防護(hù)，坡腳沖溝進(jìn)行回填，拉裂槽外設(shè)截水溝，內(nèi)設(shè)過水管涵等綜合措施進(jìn)行處治，目前高速公路正在施工，未發(fā)現(xiàn)新的變形跡象，證明本文的研究成果是可靠的。

參考文獻(xiàn)

［1］許 強(qiáng)，唐 然，等.降雨誘發(fā)紅層滑坡研究——以四川盆地為例［M］.北京：科學(xué)出版社，2020.

［2］張倬元，王士天，王蘭生.工程地質(zhì)分析原理［M］.北京：地質(zhì)出版社，1994.

［3］孔紀(jì)名，陳自生.川東89.7暴雨過程中的紅層滑坡［A］.滑坡文集（9）［C］.北京：中國鐵道出版社，1989.

［4］殷坤龍，簡(jiǎn)文星，汪 洋，等.三峽庫區(qū)萬州區(qū)近水平地層滑坡和堆積體成因機(jī)制與防治工程研究［M］.武漢：中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2005.

收稿日期：2024-03-21

作者簡(jiǎn)介：王 龍（1988—），高級(jí)工程師，主要從事公路地質(zhì)勘察工作。