王 潔， 程謙恭*， 李 星， 劉乃康， 張鵬元

(1.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,成都 610031；2.中鐵科學(xué)研究院有限公司,成都 610032)

貴州南部高山地區(qū),滑坡是最常見地質(zhì)災(zāi)害類型之一,同時也是高速公路運(yùn)營階段最大的安全隱患,邊坡一旦失穩(wěn),造成的損失不可估量[1]。

目前,監(jiān)測系統(tǒng)廣泛運(yùn)用于滑坡預(yù)測中,大量學(xué)者將模糊數(shù)學(xué)[2]、3S[3]、多元統(tǒng)計(jì)[4]和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[5]等方法運(yùn)用于滑坡空間預(yù)測,但這些方法仍存在諸多不足,比如模糊數(shù)學(xué)的人為影響因素過大,3S的誤差較大,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所需數(shù)據(jù)庫大。而將監(jiān)測數(shù)據(jù)與滑坡變形相結(jié)合,合理劃分滑體橫縱剖面,能在僅有數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上準(zhǔn)確地獲取滑體內(nèi)部情況。

關(guān)于不同類型滑坡的研究已有大量報(bào)道。徐勇等[6]以宣恩縣干壩滑坡為例對降雨型滑坡進(jìn)行了風(fēng)險評價,肖擁軍等[7]以黃土坡滑坡為例,研究含軟弱夾層型復(fù)雜滑坡的形成機(jī)制,朱要強(qiáng)等[8]以興仁縣龍場鎮(zhèn)某滑坡為例,研究“采空”結(jié)構(gòu)型滑坡的變形機(jī)制。由于滑坡的形成機(jī)制、失穩(wěn)方式、變形特征等存在差異,因此研究不同類型的滑坡對于保護(hù)人類財(cái)產(chǎn)安全具有重要意義。

將淺層滑動轉(zhuǎn)化成深層滑動的滑坡定義為“轉(zhuǎn)化型滑坡”,以余凱高速RK24二次失穩(wěn)邊坡為例,基于僅有的監(jiān)測數(shù)據(jù),對變形量差值進(jìn)行分析,獲取滑體內(nèi)部變形特征,同時,分析轉(zhuǎn)化型滑坡的二次失穩(wěn)成因,以及由淺層滑動逐漸轉(zhuǎn)化為深層滑動原因,并對轉(zhuǎn)化型二次失穩(wěn)邊坡提出有效防護(hù)措施,以期為工程建設(shè)中邊坡防護(hù)與治理提供一定的工程參考價值。

1 滑坡概述

1.1 工程地質(zhì)概況

RK24滑坡位于余凱高速公路K24+520 ～ K24+840段左側(cè),屬沖蝕河谷地貌,地形起伏大,地勢左高右低,山體自然坡度15°～20°,氣候?qū)僦衼啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤氣候,全年83%的降雨量集中在4～10月,每年6月出現(xiàn)暴雨概率最大。

圖1 滑坡概況Fig.1 The landslide situation

場區(qū)位于金坑斷裂帶附近,附近發(fā)育3條斷層[圖1(a)],小樁號出露于K24+200附近,走向與路線斜交；大樁號位于在盆水大橋K25+300附近,走向與路線斜交,傾角85°；線路右側(cè)為主斷裂,與龍洞河平行。位于線路右側(cè)的斷層對坡體穩(wěn)定影響較大,順線路方向發(fā)育,為正斷層,滑坡區(qū)位于正斷層上盤,受其牽引作用影響,巖層產(chǎn)狀多變,總體上巖層順傾,滑坡前緣巖層反翹,滑坡中上部產(chǎn)狀130°～195°∠25°～42°,前緣產(chǎn)狀35°～50°∠8°～35°。

1.2 滑坡形態(tài)及規(guī)模

滑坡平面上呈圈椅狀,后緣高程約873 m,前緣高程約803 m,最大高差約70 m?；麦w主滑方向160°,縱向長約250 m,橫向?qū)捈s100 m,勘察顯示,滑體平均厚度約為15 m,滑坡面積約為1.7×104m2,體積約26×104m3,屬中型牽引式工程滑坡?；氯惨妶D1(b)。

滑體主要地層為奧陶系下統(tǒng)桐梓組泥巖,少量白云質(zhì)灰?guī)r及寒武紀(jì)中統(tǒng)的白云巖,上部巖體節(jié)理裂隙發(fā)育,風(fēng)化嚴(yán)重,全風(fēng)化層原巖結(jié)構(gòu)基本已完全破壞,多呈土狀,局部夾層發(fā)育,已風(fēng)化原巖結(jié)構(gòu)大多被破壞,巖體破碎,垂向上風(fēng)化程度隨深度依次降低?；卤韺訛橐粚雍?.9～3.9 m的第四系松散堆積物,在強(qiáng)降雨情況下易發(fā)生表層滑動。

2 滑坡變形特征

2.1 歷史變形

K24+520～840左側(cè)原設(shè)計(jì)為三級坡,坡率均為1∶1,最大高度28 m,采用拱形骨架防護(hù)。2014年3月初,二、三級邊坡開挖成型時,邊坡上方自然坡體出現(xiàn)裂縫,裂縫處距坡口線約50 m,同時K24+590左側(cè)二、三級邊坡出現(xiàn)明顯剪出口,二級坡出現(xiàn)連續(xù)裂縫。2014年3月18日,K24+590～670二、三級出現(xiàn)滑坡,滑坡體積約1×104m3；2014年5月26日暴雨,K24+600～670段坡體全部順基巖面滑塌至公路外側(cè)200 m外,堵塞龍洞河,形成堰塞湖；后緣裂縫發(fā)展至設(shè)計(jì)線外側(cè)200 m處,K24+670～720段發(fā)生坍塌；2014年7月18日設(shè)計(jì)變更,采用擋墻+清方+錨索對滑坡進(jìn)行加固。2014年11月中旬,開挖成型后二、三級坡面出現(xiàn)局部坍塌,K24+570～ 650段出露層面有張開的跡象；2015年6月13日暴雨,錨噴坡面、擋墻、路面于暴雨后有裂縫發(fā)生,擋墻墻腳處路面有輕微隆起現(xiàn)象。后在K24+590～700段一級平臺處增滑樁加固,破體變形逐漸收斂。

2.2 變形監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

該邊坡共設(shè)置18個監(jiān)測點(diǎn)[圖1(c)],監(jiān)測時間為2015年1～12月。選取滑坡體典型橫斷面和縱斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)對滑坡變形進(jìn)行分析。

2.2.1 基本變形情況

2015年1月布置7個鉆孔,圖2(a)所示為具有代表性的5個監(jiān)測點(diǎn)最大累積變形,其中9號監(jiān)測點(diǎn)變形為5.26 mm,該點(diǎn)位于RK24+580段擋墻頂部,擋墻頂部共設(shè)置三個檢測孔,從左至右最大累計(jì)變形量依次遞增,大致推測邊坡右側(cè)較易失穩(wěn)。

圖2 監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.2 The monitoring data

由于2015年6月11～12日連續(xù)異常暴雨作用,邊坡位移突變。暴雨后位移突變,6月17日～7月初,位移速率高達(dá)2～3 mm/周,7月后位移速度基本穩(wěn)定在2 mm/月,圖2(b)為6號監(jiān)測點(diǎn)不同時期隨深度的變形,2015年 5月4日累積變形介于0.07～4.08 mm,位移速率為1 mm/月, 6月14日上午最大變形增至29.48 mm,短短一個月內(nèi)變形增加了25.4 mm,6月14日下午最大變形增至35.52 mm,短短半天變形增加了6.04 mm,10月9日最大變形為42.47 mm,6月期間變形的突變是由強(qiáng)降雨造成的,在自然狀態(tài)下,滑坡相對穩(wěn)定,但由于暴雨作用,加速變形,滑坡極易失穩(wěn)。暴雨后既有工程遭到不同程度的破壞,為了進(jìn)一步掌握滑坡變形情況,增設(shè)了11個深層位移檢測孔。圖3所示為18個監(jiān)測點(diǎn)變形情況,2015年9月10日～10月9日變形相差較大,7號監(jiān)測點(diǎn)變形高達(dá)1.86 mm,2015年10月9日～12月5日變形介于0.26～0.6 mm,滑坡在自然狀態(tài)下相對穩(wěn)定,1～7監(jiān)測點(diǎn)最大累積變形較大,監(jiān)測點(diǎn)分布于滑坡的中后部,說明滑坡變形主要集中在中后部。

圖3 監(jiān)測點(diǎn)變形情況Fig.3 The deformation at all monitoring stations

圖4 各橫剖面內(nèi)部變形情況Fig.4 Internal deformation in every transversale section

2.2.2 橫剖面變形情況

該邊坡分為共五個橫剖面,選取每個橫剖面中部監(jiān)測點(diǎn)代表相應(yīng)橫剖面,圖4所示為路基右側(cè)至山頂各監(jiān)測點(diǎn)隨深度的變化情況,研究時間段2015年9月10日～12月5日。

CX-11代表路基右側(cè),變形最大為1.23 mm,變形差值介于0.02～0.71 mm,說明路基右側(cè)較穩(wěn)定,在深度為20 mm附近出現(xiàn)小幅度異常；CX-8代表擋墻頂部,變形最大為1.87 mm,變形差值介于0.01～0.71 mm,由于擋墻支擋,該剖面存在小幅度錯動,在深度為13 mm附近小幅度異常,剖面深度存在小幅度異常的原因可能是工程原因,施工過程振動效應(yīng)造成內(nèi)部出現(xiàn)小型的裂隙；CX-14代表第二級平臺,最大變形達(dá)到2.65 mm,16 m為一拐點(diǎn),16 m以下變形差值穩(wěn)定于0.01～0.21 mm,16 m以上變形差值由0.81 mm遞增至2.09 mm；CX-16代表第四級平臺,最大變形達(dá)2.94 mm,12 m以下變形差值介于0.01～0.48 mm,25 m附近出現(xiàn)小幅度異常,12 m以上差值從0.57 mm增至2.12 mm；CX-18代表山頂,最大變形高達(dá)3.42 mm,14 m以上變形基本介于0.69～2.03 mm,14～25 m間變形穩(wěn)定在0.5 mm附近,推測25 m可能為古滑坡面,25 m以下巖體較穩(wěn)定?；诂F(xiàn)場檢測,1號和5號監(jiān)測點(diǎn)分別在9 m和11 m處被剪斷,兩點(diǎn)位于滑坡右側(cè),滑面較中部淺,結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)分析,推測拐點(diǎn)為滑面深度。

2.2.3 縱剖面變形情況

該邊坡分為共三個縱剖面,選取擋墻處三個監(jiān)測點(diǎn)代表滑坡左側(cè)、中部和右側(cè)(圖5)。CX-9代表滑坡右側(cè),最大變形4.29 mm,14 m為臨界點(diǎn),14 m以下變形差值低于0.46 mm,存在一些小幅度波動,14 m以上變形差值由1.08 mm增至4.29 mm；CX-8代表中部剖面,見圖5(b)；CX-13代表滑坡左側(cè),最大變形為1.25 mm,7 m為臨界點(diǎn),7 m以下變形差值低于0.29 mm,內(nèi)部出現(xiàn)小型波動,7 m以上變形差值介于0.35～067 mm,變形較小。滑坡內(nèi)部小型波動可能是由于內(nèi)部小裂隙造成的。結(jié)合縱剖面數(shù)據(jù)分析,可確定滑面位置。

圖5 各縱剖面內(nèi)部變形情況Fig.5 Internal deformation in every longitudinal section

2.3 監(jiān)測變形結(jié)果

RK24滑坡變形從左至右、從前至后,變形依次增加,滑面深度為5～25 m,坡體由淺表層滑動逐漸轉(zhuǎn)化成深層滑動。在自然情況下,滑坡相對穩(wěn)定,在連續(xù)異常暴雨作用下,加速滑動,變形量大幅度,極易失穩(wěn)。

監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取與處理越來越多樣化,張敏敏等引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),張純志引入回歸模型對滑坡數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[9],雖有著一定的指導(dǎo)意義,但與實(shí)際情況仍存在較大的差異。引入數(shù)學(xué)中拐點(diǎn)定義,通過合理劃分橫縱剖面對相應(yīng)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,能在有限的監(jiān)測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,準(zhǔn)確地獲得滑體三維空間內(nèi)變形情況,拐點(diǎn)處為滑面,穩(wěn)定區(qū)域局部異常點(diǎn)裂隙發(fā)育。

3 滑坡成因分析

RK24滑坡為轉(zhuǎn)化型二次失穩(wěn)邊坡典例,研究其成因機(jī)制十分重要,著重分析“轉(zhuǎn)化”原因。主要從地質(zhì)條件、降雨和人類活動三個方面分析[10]。

3.1 地質(zhì)條件因素

RK24滑坡為順層滑坡,滑體主要為奧陶系梓桐組下統(tǒng)泥巖,上部泥巖基本已完全風(fēng)化,其原巖結(jié)構(gòu)已被完全破壞,這為滑坡的形成提供了充足的松散物源,是加固后邊坡進(jìn)一步滑動的物質(zhì)基礎(chǔ),也是滑坡由淺層滑動轉(zhuǎn)向深層位移的基本條件。

區(qū)域內(nèi)發(fā)育三條斷層,位于路基右側(cè)的正斷層,易導(dǎo)致滑體沿著斷層面剪出。巖體內(nèi)部節(jié)理發(fā)育,主要發(fā)育一組陡傾X型節(jié)理面,節(jié)理面附近巖體嚴(yán)重風(fēng)化,層面與節(jié)理裂隙形成不良組合,為邊坡失穩(wěn)提供了邊界,也為水的運(yùn)移提供了良好通道,是降雨加速滑動的基礎(chǔ)條件之一。

3.2 降雨

降雨或地震是導(dǎo)致滑坡形成的主要誘導(dǎo)因素[11],聶超等[12]研究了不同程度的降雨對邊坡的影響。據(jù)歷史變形可知,RK24滑坡在建設(shè)過程中,由于暴雨已引起一次失穩(wěn),結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示,降雨引起滑坡變形加劇,因此認(rèn)為降雨誘導(dǎo)滑坡形成。降雨造成變形加劇的主要原因:由于坡面沖溝不發(fā)育,表層土體松散,滲透性好,雨水主要沿著坡面下滲,導(dǎo)致巖土體容重增大,強(qiáng)度降低,部分雨水沿裂隙下滲,一方面與全風(fēng)化泥巖作用,起潤滑作用,降低滑面抗剪強(qiáng)度；另一方面形成動水壓力和靜水壓力,增加下滑力,加速蠕滑。既有工程泄水有限,導(dǎo)致暴雨天氣滑坡變形加劇。

3.3 人類活動

邊坡在自然狀態(tài)下穩(wěn)定,但由于路塹開挖,導(dǎo)致應(yīng)力重分布,由于影響因素考慮不全,邊坡雖已支擋加固,但所提供的抗滑力不足。路塹邊坡開挖過程中,淺表層巖體發(fā)生卸荷回彈,使得原生巖體中原生及次生結(jié)構(gòu)面張拉開裂,巖體完整性遭受較大程度的破壞,提供滑坡滑動面,造成多次局部失穩(wěn)變形。

陳文宇等[13]對基坑爆破施工中動力響應(yīng)進(jìn)行了研究,王立緯等[14]以數(shù)值模擬為手段,研究地震響應(yīng)對滑坡的影響,說明施工過程中產(chǎn)生的震動效應(yīng)影響滑坡的失穩(wěn)。該地區(qū)巖層風(fēng)化嚴(yán)重,呈土狀,施工和運(yùn)移過程都會存在一定的震動效應(yīng),導(dǎo)致具有裂隙的結(jié)構(gòu)面進(jìn)一步擴(kuò)大,深部裂隙增加,為地表水入滲和地下水運(yùn)移提供良好的通道,深部裂隙的組建貫通導(dǎo)致邊坡發(fā)展為深層滑動。既有工程未考慮深層滑坡的形成,以致抗滑力不足以抵抗滑體位移,這是導(dǎo)致滑坡二次滑動的主要原因之一。

3.4 成因分析

唐然等[15]以龍頭山滑坡為例,研究平推式滑坡的發(fā)育過程及失穩(wěn)原因,李安旺等[16]以蘭州市某滑坡為例,一定程度上研究了復(fù)發(fā)型滑坡的成因,崔鵬等[17]分析了自然工況和施工情況下,山區(qū)道路滑坡的形成原因。基于RK24滑坡成因分析和已有邊坡典例總結(jié),豐富松散物源、優(yōu)勢節(jié)理構(gòu)造為轉(zhuǎn)化型二次邊坡失穩(wěn)提供了基礎(chǔ)條件,強(qiáng)降雨或地震是誘發(fā)此類失穩(wěn)邊坡的主要原因,人類活動加速滑坡形成,包括邊坡開挖過程中卸荷回彈、工程建設(shè)與運(yùn)移過程中的震動作用等,震動作用有助于裂隙形成與貫通,導(dǎo)致邊坡由淺層滑動逐漸轉(zhuǎn)化為深層滑動,既有工程的抗滑力不足導(dǎo)致邊坡發(fā)生二次滑動。

4 邊坡穩(wěn)定性分析

選取典型斷面,運(yùn)用極限平衡法對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。根據(jù)滑帶土的力學(xué)指標(biāo),綜合確定不同工況下滑坡的安全系數(shù)和穩(wěn)定性系數(shù),如表1所示。

表1 不同工況下滑坡的安全系數(shù)和穩(wěn)定性系數(shù)

數(shù)據(jù)表明,在天然狀態(tài)下,邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài),具有失穩(wěn)的可能。在暴雨天氣下,邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài),極易失穩(wěn)。為了保證滑坡的穩(wěn)定,防止滑坡威脅生命財(cái)產(chǎn)安全,必須進(jìn)行進(jìn)一步的治理。

5 邊坡防治措施

為保證公路的安全通行,采用“放坡+鋼管樁+錨索地梁+擋墻+排水”進(jìn)行治理,在既有工程的基礎(chǔ)上,防止滑坡進(jìn)一步失穩(wěn),增設(shè)“抗滑樁+排水”進(jìn)行綜合整治措施(圖6)。

圖6 工程治理Fig.6 Countermeasures of the engineering treatments

5.1 既有工程及評價

邊坡放坡后,形成六級邊坡,一級采用“抗滑擋墻+錨索地梁+排水”防護(hù),二、三級放坡斜率1∶2,坡面均采用“錨索地梁+主動網(wǎng)噴射混凝土”防護(hù),四、五、六級邊坡放坡斜率1∶2.5,四級邊坡采用“錨索地梁+掛鋼筋網(wǎng)噴射混凝土”防護(hù),五、六級邊坡采用“鋼管樁+掛鋼筋網(wǎng)噴射混凝土”防護(hù)。

一級邊坡K24+580、K24+590處擋墻錯動約3 cm,其他擋墻墻體較完整,一定程度阻止坡體滑動,坡面布設(shè)仰斜排水孔,孔深較淺,長度較短,排水有限。部分坡面開裂,防滲效果削弱,四級邊坡K24+548、K24+552錨索地梁錯動3～4 cm,其余地梁無較大變形破壞。五、六級邊坡樁頂系梁在滑坡側(cè)界有錯段跡象,樁長較短,既有錨索地梁和樁頂系梁對淺層滑坡治理效果顯著,但對深層滑坡作用不大[18,19]。

5.2 抗滑樁加固

由于邊坡前部擋墻K24+580、K24+590已發(fā)生明顯的較大錯動位移,擋墻阻滑力不足,設(shè)置抗滑樁加固支擋,治理范圍為RK24+590～700段,共設(shè)置23根抗滑樁,其中 K24+590～610、K24+670～700段為2×3 m,K24+610～670段為3×4 m,樁中心間距為5 m。K24+590～610、K24+670～700段樁長25 m,K24+610～ 670段樁長30 m,樁頂采用系梁使抗滑樁連成整體,錨固深度不小于14 m。

5.3 排水

既有工程一級擋墻設(shè)置仰斜排水孔,孔深較淺,長度較短,且采用的排水管道材質(zhì)不佳,雖起到一定泄水作用,但在暴雨天氣排水效果不佳,加速邊坡變形速率,影響邊坡安全,因此,需要增設(shè)排水設(shè)施。在路基右側(cè)布設(shè)三排仰斜式排水孔,孔深68～93 m,孔徑110 m。

6 結(jié)論

以RK24滑坡為例,通過變形特征、形成原因及防治措施分析與總結(jié),對轉(zhuǎn)化型二次失穩(wěn)邊坡有以下認(rèn)識。

(1)通過合理的劃分橫縱剖面,有限的監(jiān)測數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確反映滑坡三維空間內(nèi)的變形情況,拐點(diǎn)處為滑面,穩(wěn)定區(qū)域局部異常點(diǎn)裂隙發(fā)育。對于RK24滑坡,在自然情況下,滑坡變形很小,基本穩(wěn)定,在暴雨工況下,滑坡變形呈陡崖式上升,短短數(shù)天內(nèi),變形量高達(dá)近30 mm。根據(jù)滑坡監(jiān)測數(shù)據(jù)分析顯示,總體變形情況后緣大于前緣,右側(cè)大于左側(cè),各監(jiān)測點(diǎn)隨深度變化變形差值拐點(diǎn)處為滑面深度,滑動深度為5～25 m,穩(wěn)定深度區(qū)域內(nèi)部出現(xiàn)局部異常時,內(nèi)部存在小型裂隙。

(2)豐富松散物源、優(yōu)勢節(jié)理構(gòu)造是形成轉(zhuǎn)化型二次失穩(wěn)邊坡的基礎(chǔ)條件,集中性降雨和地震是誘發(fā)此類邊坡失穩(wěn)的主要原因,施工和運(yùn)移過程中的震動效應(yīng)及干擾作用促使工程滑坡淺層向深層轉(zhuǎn)化。對于RK24滑坡,未考慮深層滑坡和既有工程抗滑力不足是造成滑坡二次滑動的重要原因。強(qiáng)風(fēng)化的奧陶系梓桐組下統(tǒng)的泥巖為滑坡提供了充足的松散物源,區(qū)域內(nèi)發(fā)育的正斷層和一組陡傾X型節(jié)理為滑坡提供了滑面和滑坡邊界,集中性強(qiáng)降雨為滑坡啟動和加速變形的主要誘發(fā)因素,人工活動為深層滑坡的形成奠定了重要的基礎(chǔ),包括施工過程中的震動效應(yīng)。

(3)工程治理需綜合考慮二次滑面深度、失穩(wěn)原因和既有工程的破壞情況等,由于強(qiáng)降雨導(dǎo)致的轉(zhuǎn)化型二次失穩(wěn)邊坡,需加強(qiáng)排水引流；由于震動效應(yīng)所引起的此類失穩(wěn),需加強(qiáng)支擋加固。對于RK24滑坡,初次滑坡采用“放坡+鋼管樁+錨索地梁+擋墻+排水”進(jìn)行治理,由于排水設(shè)施較差,抗滑力不足,工程竣工后二次滑動,為了防止進(jìn)一步變形,加設(shè)“抗滑樁加固+排水”。該滑坡由于考慮因素不全造成邊坡的二次滑動,不僅增加經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān),還威脅生命財(cái)產(chǎn)安全,在實(shí)際工程中盡量避免,該實(shí)例具有很好的參考價值。