某高速公路“充填式”滑坡變形特征分析

李文強(qiáng) 王 海 董 博

(1.山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司 太原 030006; 2.山西省采空區(qū)處治技術(shù)創(chuàng)新中心 太原 030006)

“充填式”滑坡往往具有隱蔽性,在地貌形態(tài)上一般不具備滑坡的特征,在地質(zhì)調(diào)查和鉆探期間很難揭示出來。這類“滑坡”在自然狀態(tài)下不會發(fā)生滑動,在工程開挖擾動下才會誘發(fā)滑動,其變形范圍、變形特征,以及變形機(jī)制不同于常規(guī)滑坡?；瑒臃秶话闩c古沖溝邊界密切相關(guān),呈不規(guī)則狀或長條狀,后緣破裂范圍往往是邊坡前緣開挖高度的10倍以上,區(qū)別于常規(guī)的2～3倍;滑體厚度差異較大,與原溝谷地勢起伏程度相關(guān),局部可能分布多條支溝和山梁;坡體變形最初往往以豎向沉降為主;受古地貌影響,坡體內(nèi)存在明確的透水邊界,在局部容易形成地下水匯集點,邊坡一般存在穩(wěn)定的地下水位。高速公路為線性工程,一般穿越多個地貌單元,涉及多種構(gòu)造物類型——橋梁、隧道、深挖路塹、高填、涵洞、通道等,工點數(shù)量多,在地形條件、勘察工期,以及勘察成本等因素的制約下,不可避免局部存在勘察的盲區(qū)和薄弱地段,這就給“充填式滑坡”造成了可乘之機(jī)。目前針對常規(guī)滑坡的變形機(jī)制、穩(wěn)定性評價等方面的研究都比較成熟和完善,根據(jù)前緣剪出口位置、后緣拉裂范圍、兩側(cè)裂縫特征,再結(jié)合鉆探及地表監(jiān)測數(shù)據(jù),基本能查清滑坡各要素,但是,針對這種隱蔽性強(qiáng)的“充填式”滑坡,常規(guī)的勘察手段難以查清滑坡的范圍、滑動面的位置,以及滑體的空間分布形態(tài)。

本文擬在地質(zhì)調(diào)查、工程鉆探、挖探,以及室內(nèi)試驗的基礎(chǔ)上,增加地球物理勘探和深部位移監(jiān)測的方法及手段,對滑坡體進(jìn)行綜合勘察和分析,研究“充填式”滑坡的變形特征及形成機(jī)制[1-2]。

1 工程概況

該滑坡位于挖方路段,兩側(cè)均為挖方邊坡,最大挖深約17 m,路塹邊坡擬采用臺階狀開挖形式,每8 m高設(shè)置2 m寬平臺1道。在施工過程中,路基開挖至設(shè)計標(biāo)高附近時,左側(cè)邊坡坡腳發(fā)生局部滑塌,坡面出現(xiàn)剪切裂縫,同時坡頂也出現(xiàn)多條裂縫,后緣裂縫距離路線中心約190 m,邊坡平面圖見圖1,坡體附近房屋也出現(xiàn)不同程度的開裂,嚴(yán)重威脅邊坡上游居民和下游公路的安全。

圖1 邊坡平面圖

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

1) 現(xiàn)地貌特征。該挖方路段地貌單元屬黃土覆蓋基巖山區(qū),微地貌為緩坡。路塹范圍內(nèi)地形東高西低,西側(cè)靠近河流,地面高程580～608 m間,相對高差28 m,坡面較平緩,主要為耕地和村莊,地表排水不暢?；虑熬墝捈s50 m,坡體表層裂縫總體上呈“7”字形,后緣裂縫至前緣約190 m,平面形態(tài)呈長條狀,邊坡全貌圖見圖2,坡體總面積約1.35萬m2,滑體主軸方向約300°。

圖2 邊坡全貌圖

2) 古地貌特征。滑坡所處地段地勢相對平坦,前緣開挖僅有17 m左右,后緣裂縫卻延伸了將近200 m,通過調(diào)查滑坡前緣發(fā)現(xiàn),兩側(cè)邊坡均出現(xiàn)“地塹勢”地貌,兩側(cè)為巖石,中間為土層,邊坡前緣地層分界地貌圖見圖3和圖4。

圖3 滑坡前緣地貌

圖4 滑坡對岸地貌

因此,初步推斷該滑坡所處的地段古地貌為一沖溝,后期沖溝被覆蓋層充填,為驗證此推斷,結(jié)合該滑坡的自身特點,采用地震影像法探明地層分布情況。

本次勘察共完成地震映象測線5條,測線總長334 m,測點172個,測線方向均為面向線路從左向右布設(shè),地震映像工作量見表1。為提高物探結(jié)果的精確度,5條測線均穿過鉆探點,利用鉆探成果輔助解譯并予以驗證,測線位置見表1。

表1 工作量一覽表

根據(jù)物探解譯結(jié)果,坡體在橫向位置方向土石分界面差異較大,同時也有一定的共同點。H1和H5測線揭示該斷面處的土石界面形態(tài)中間低兩側(cè)高,古地貌為“V”字形溝谷,H1解譯結(jié)果見圖5,H5解譯結(jié)果見圖6。

圖5 測線H1解譯成果

圖6 測線H5解譯結(jié)果

H2和H4測線揭示該斷面處的土石界面形態(tài)比較平直,古地貌地形起伏不大,初步推斷為寬緩溝谷段的谷底,H2解譯結(jié)果見圖7,H4解譯結(jié)果見圖8;H3測線揭示的土石界面形態(tài)為中間高兩端底,類似一個山脊的形態(tài),結(jié)合上下游相態(tài)分析,古地貌中部發(fā)育一小山梁,H3解譯結(jié)果見圖9。結(jié)合物探解譯成果和鉆探資料,還原了滑坡體縱斷面方向的地貌形態(tài),地貌分界縱斷面圖見圖10,根據(jù)縱斷面顯示古地貌沖溝后緣淺、前緣深,在深淺交接地段縱坡較大,不利于充填物的穩(wěn)定。

圖7 測線H2解譯結(jié)果

圖8 測線H4解譯結(jié)果

圖9 測線H3解譯結(jié)果

圖10 地貌分界縱斷面圖

綜合橫斷段數(shù)據(jù),可以推斷滑坡體古地貌形態(tài)總體上沿縱斷方向為一沖溝,上游淺、下游深,上游縱坡較小、下游縱坡較大,上下游溝谷均呈“V”字形,中部差異性沖刷,局部分布山脊,中部上游及下游位置溝谷寬緩。溝谷寬窄、陡緩交替,不利于邊坡穩(wěn)定。

2.2 水文地質(zhì)條件

滑坡體表層平緩,不利于地表水體排泄,古地貌為一沖溝,有利于地表水的入滲。因此,在勘察期間發(fā)現(xiàn)坡體前緣存在多處滲水點,且坡體內(nèi)存在穩(wěn)定的地下水位,十分不利于邊坡的穩(wěn)定,邊坡滲水點見圖11,邊坡各鉆孔水位情況見表2。

表2 各鉆孔水位統(tǒng)計表 m

圖11 邊坡前緣出水點

3 深部位移監(jiān)測

3.1 監(jiān)測原理

深部位移動態(tài)監(jiān)測采用鉆孔測斜儀觀測。該套系統(tǒng)性能穩(wěn)定,對探測坡體深層巖土體側(cè)向的變位情況非常有效,不僅能清楚地探測到坡體深層滑動面(帶)的準(zhǔn)確位置,同時對坡體滑動變形的方向、位移量、滑動速率都可以直觀求得。

工作原理:通過內(nèi)置伺服加速度計原理準(zhǔn)確量測儀器中軸線與鉛垂線之間夾角的變化值,即測取測斜管的傾斜變化值,也就是每2次測量間隔期監(jiān)測斜管受力產(chǎn)生傾斜后的變化值[3],測斜儀工作原理圖見圖12,成果曲線圖見圖13。

圖12 測斜儀工作原理圖

圖13 測斜儀成果曲線圖

則每個測量深度的相對位移量和絕對位移量及變形方向分別如式(1)～(3)。

(1)

(2)

α=arctan(ΔXi/ΔYi)

(3)

3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

為了及時了解和掌握滑坡的變形規(guī)律,準(zhǔn)確探測到滑坡滑動面(帶)的埋深位置等,對該邊坡進(jìn)行了深孔位移監(jiān)測,設(shè)監(jiān)測孔8個,監(jiān)測孔編號與地質(zhì)鉆孔一致。自2023年4月14日設(shè)點開始觀測以來,截至2023年7月13日,累計共觀測4次,監(jiān)測具體數(shù)據(jù)見表3,從觀測孔的位移曲線看,各鉆孔均具有明顯拐點和滑動變形跡象。

表3 深部位移監(jiān)測數(shù)據(jù)一覽表

ZK1、ZK2位移監(jiān)測曲線圖見圖14、圖15。由圖14、15可見,ZK1距離滑坡前緣最遠(yuǎn),變形深度約4 m,位于土層內(nèi),累計變形量17.92 mm,滑動跡象出現(xiàn)晚且速度慢,ZK2變形深度約5.8 m,位于土石分界面附近,累計變形量較大,約148.42 mm,變形速率快。

圖14 ZK1位移監(jiān)測曲線圖

ZK3、ZK4位移監(jiān)測曲線圖見圖16、圖17。由圖16、17可見,ZK3變形深度約13.5 m,位于水位線附近,測得有效累計變形量14.47 mm,第三次監(jiān)測時測斜管已經(jīng)被剪斷,ZK4變形深度約15.5 m,累計變形約82.92 mm。

圖16 ZK3位移監(jiān)測曲線圖

ZK5、ZK6位移監(jiān)測曲線圖見圖18、圖19。由圖18、19可見,ZK5變形深度約17.9 m,位于水位線附近,累計變形量約88.95 mm;ZK6變形深度約15.85 m,累計變形約40.37 mm。

圖18 ZK5位移監(jiān)測曲線圖

ZK7、ZK8位移監(jiān)測曲線圖見圖20、圖21。由圖20、21可見,ZK7變形深度約15.7 m,位移累計變形量約38.95 mm;ZK8變形深度約18.82 m,位于土石界面附近,累計變形約45.21 mm。

圖20 ZK7位移監(jiān)測曲線圖

從8個鉆孔的監(jiān)測曲線圖可以發(fā)現(xiàn)以下3個特點。

①滑坡后緣變形跡象明顯晚于前緣;②后緣累計變形量超過前緣,變形速率也大于前緣;③鉆孔變形拐點位置與水位線吻合度較高。

因此,可以初步判斷滑坡為牽引型,前緣變形造成后緣的拉張破壞,由于滑體前緣臨時反壓,前緣運(yùn)動受阻后,后緣坡體持續(xù)向前擠壓,造成了后緣變形量反超前緣,由于滑體整體強(qiáng)度偏低,地下水是誘發(fā)滑坡的主要因素。

4 滑坡體結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)深孔監(jiān)測數(shù)據(jù)揭示,滑坡深部位移拐點埋深位于4.0～18.8 m之間(見圖13～20),結(jié)合鉆探數(shù)據(jù),滑動面主要位于土石界面附近和全風(fēng)化層內(nèi),滑坡縱斷面圖見圖22。因此,滑體主要由石炭系太原組(C3t)全～強(qiáng)風(fēng)化泥巖、砂巖組成,薄層狀結(jié)構(gòu),風(fēng)化嚴(yán)重,裂隙節(jié)理發(fā)育,巖體破碎,局部表層覆蓋第四系黃土,為可塑～硬塑狀態(tài),分布不均勻。滑體平均厚度約13 m,坡體總面積約1.35萬m2,總方量約18萬m3。

圖22 滑坡縱斷面圖(高程:m)

滑動面位置與地下水位埋深基本吻合,這也再次證明滑坡體古地貌為一沖溝,地表排水不暢,大氣降雨極易沿古沖溝邊界往下入滲,在溝谷附近造成地下水匯集,軟化土層和全風(fēng)化巖層,因此在土層和風(fēng)化層附近形成軟弱結(jié)構(gòu)面[4-5]。

5 邊坡成因分析

綜上勘察成果分析,該段邊坡滑塌主要有三方面因素。

1) 地形原因。據(jù)實地調(diào)查并結(jié)合勘探資料,滑坡變形區(qū)域附近古地貌為一基巖沖溝,隨著地質(zhì)時代變遷,土體不斷沉積,沖溝逐漸被土體覆蓋,加之后期人為改造,形成了現(xiàn)在的地形地貌。程家莊部分房屋正好位于沖溝后期沉積的土體之上,房屋下部土石接觸面起伏較大,土體厚度不一,地基發(fā)生不均勻沉降,地表變形。

2) 地下水原因。該地區(qū)降雨量比較豐富且相對集中,大氣降雨易沿表層土體及古地貌沖溝側(cè)緣往下入滲,下部泥巖為隔水層,地下水易在土石界面附近聚集,造成附近土體濕軟,地基承載力降低,誘發(fā)房屋沉降開裂。根據(jù)鉆探和深孔監(jiān)測揭示,邊坡地下水位位于滑動面附近。

3) 卸荷原因。根據(jù)路基開挖揭示,受構(gòu)造影響,邊坡前緣兩側(cè)土石結(jié)合部位部分巖體傾角較大,且兩側(cè)古地貌沖溝束窄,易造成應(yīng)力集中,隨著邊坡開挖應(yīng)力釋放,邊坡前緣部分土體易沿土石界面發(fā)生位移。

6 結(jié)語

文中通過物探手段,準(zhǔn)確查明了滑坡體的邊界,結(jié)合鉆孔數(shù)據(jù),對古地貌進(jìn)行了局部還原,掌握了滑體的空間分布特征;根據(jù)深部位移監(jiān)測方法,準(zhǔn)確查明了滑動面的分布位置、滑體物質(zhì)組成、滑坡體的變形量、變形速率,以及地下水動態(tài)分布特征,為滑坡的防治提供了精準(zhǔn)可靠的地質(zhì)依據(jù)。得出結(jié)論如下。

1) 根據(jù)深孔監(jiān)測數(shù)據(jù)揭示,滑坡目前處于蠕滑階段,穩(wěn)定性較差。

2) 滑坡前緣滑動面為土石界面,后段為風(fēng)化巖層,滑動面與地下水位線基本一致,由此判斷邊坡破壞原理主要是坡腳開挖,在卸荷作用下前緣坡體沿充填物界面發(fā)生變形,在牽引拉張過程中坡體沿最軟弱部位整體發(fā)生破壞。因此,邊坡變形破壞機(jī)制為牽引拉張破壞。

3) 坡腳開挖只是邊坡破壞的誘發(fā)因素,控制邊坡變形的主要因素是地下水。