楊德宏

(1.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043； 2.陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院)，西安 710043)

1 概述

我國廣泛分布有紅層陸相碎屑巖，包括三疊系、侏羅系、白堊系、古近系等主色調(diào)為紅色的泥巖、砂巖、頁巖等[1-10]。紅層在湖南地區(qū)分布較廣，以白堊系的紫紅色、磚紅色的泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖、礫巖、頁巖等為主[11-13]。紅層巖體在天然狀態(tài)下較完整，巖質(zhì)較堅(jiān)硬，巖石強(qiáng)度較高，力學(xué)特性較好；在外因作用下，如農(nóng)業(yè)灌溉、降雨入滲等因素的作用下，紅層巖體將在短時(shí)間內(nèi)軟化、崩解，使邊坡安全系數(shù)大幅度降低，在重力等因素下造成邊坡失穩(wěn)[14-21]。2017年6月13日，位于湖南省西北部的黔張常鐵路某路塹工程北側(cè)，發(fā)生了白堊系緩傾紅(順)層滑坡(圖1)；根據(jù)測(cè)量和鉆孔資料顯示，滑坡體縱向長度一般為265～418 m，橫向?qū)挾纫话銥?20～160 m，滑坡體厚度介于10～33 m，滑坡體平面面積約4.8萬m2，滑坡體體積約95萬m3，其規(guī)模為大型。

圖1 滑坡平面形態(tài)及工作量布置

黔張常鐵路長大段落位于白堊系紅層地區(qū)，且路塹工程較多，形成了大量人工開挖的紅層邊坡，而紅層巖體具有吸水膨脹、浸水崩解等特殊的工程地質(zhì)特性[11]，使鐵路沿線存在許多潛在的紅層滑坡，嚴(yán)重影響著鐵路的安全運(yùn)營。因此，分析黔張常鐵路沿線白堊系緩傾紅(順)層滑坡的發(fā)育特征和形成機(jī)理，提供同類型滑坡的防治措施建議，對(duì)該鐵路沿線的滑坡等重力地質(zhì)災(zāi)害的防災(zāi)減災(zāi)工作尤為重要。

2 滑坡地質(zhì)背景

2.1 地形地貌

滑坡位于低山丘陵區(qū)，上部邊坡坡度為20°～35°，下部邊坡坡度為4°～17°；坡面前部為梯田；緩坡左右兩側(cè)各發(fā)育1條沿巖層傾向延伸的沖溝。

2.2 地層巖性

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和鉆探資料顯示，滑坡體上部主要為第四系坡洪積黏性土(Q4dl1+pl1)，下部主要為白堊系上統(tǒng)上組砂巖夾泥巖夾礫巖(K21Ss+Ms+Cg)。

黏性土主要分布于地表，厚約1.5 m；砂巖夾泥巖夾礫巖地層為厚層狀、褐紅色或青灰色、鈣質(zhì)砂巖與中厚層狀、棕紅色、泥質(zhì)粉砂巖互層分布，偶見薄層狀泥巖與礫巖。泥質(zhì)粉砂巖的單軸干燥抗壓強(qiáng)度約74.9 MPa，單軸干燥抗壓強(qiáng)度約30.8 MPa；泥巖的單軸干燥抗壓強(qiáng)度約22.1 MPa，單軸干燥抗壓強(qiáng)度約7.6 MPa；泥質(zhì)粉砂巖和泥巖巖質(zhì)軟弱，遇水易軟化，為滑帶的主要物質(zhì)組成。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

滑坡位于單斜構(gòu)造—田坪界背斜南東翼。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，巖體中的“X”形節(jié)理較發(fā)育，以N9°～21°W/72°～88°S和N69°～89°E/77°～90°S兩組垂直節(jié)理為主，多為張性節(jié)理，使巖體較破碎，使地表水可以快速滲入滑坡體內(nèi)，便于地下水流通。

2.4 水文地質(zhì)

滑坡附近地下水以基巖裂隙水為主，主要富存于砂巖的節(jié)理裂隙中，對(duì)鋼筋混凝土不具侵蝕性，以大氣降水補(bǔ)給為主。根據(jù)調(diào)查資料顯示，滑坡東南側(cè)出露2個(gè)泉眼(圖1)，其流量分別為18 m3/d和5 m3/d，為常年流水泉。因此，判定坡體內(nèi)地下水豐富。

2.5 氣象特征

2017年5月以來，滑坡區(qū)降雨量打破歷史記錄，根據(jù)滑坡西側(cè)約700 m的雨量自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀的資料顯示，從當(dāng)年5月上旬至滑坡發(fā)生的44 d中，降雨天數(shù)高達(dá)25 d，且5月22日和6月10日為暴雨天。

3 滑坡發(fā)育特征

滑坡范圍介于N28°56′29″～N28°56′43″、E111°09′48″～E111°09′58″，滑坡后緣最高點(diǎn)海拔約204 m，前緣由于人工開挖路塹工程，形成高約35 m的臨空坡面，坡腳最低點(diǎn)海拔約109 m，相對(duì)高差約95 m，為滑坡的形成創(chuàng)造了有利條件。

3.1 滑坡平面形態(tài)特征

滑坡邊界均為基巖地層的下錯(cuò)陡坎，平面形狀總體呈踮起的腳板狀；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和測(cè)繪資料，結(jié)合滑體的變形破壞特征，將滑坡劃分為4個(gè)主要區(qū)域：以裂縫F1為界，南側(cè)為初始滑坡體(Ⅰ)，北側(cè)為誘發(fā)滑坡體(Ⅱ)；Ⅲ和Ⅳ為滑坡形成后出現(xiàn)的次級(jí)崩滑體(圖1)。

(1)初始滑坡體(Ⅰ)：該區(qū)位于滑坡前部，邊坡較平緩段落，坡面分布有大量梯田；在其后緣有一條寬度介于0.2～0.5 m、深度介于0.2～5.0 m的錯(cuò)臺(tái)拉裂帶(裂縫F1)，錯(cuò)臺(tái)高差介于0.3～0.5 m，為Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)的分界線；該區(qū)巖性主要為棕紅色砂巖夾泥巖夾礫巖，地形平面形態(tài)與原地貌基本一致，其前部巖體的完整性較差，原始地層結(jié)構(gòu)已基本被破壞；滑體上裂縫主要為2條橫張裂縫(裂縫F1、F2)及3條縱張裂縫(裂縫F3、F4及F12)。

(2)誘發(fā)滑坡體(Ⅱ)：該區(qū)位于裂縫F1北側(cè)，為一孤峰，坡度20°～35°；區(qū)內(nèi)地層巖性主要為棕紅色砂巖夾泥巖夾礫巖，在向前滑動(dòng)過程中，由于巖體中原生“X”形節(jié)理發(fā)育等因素的影響，導(dǎo)致滑坡體內(nèi)地層松散開裂，形成寬度約35 m的塌陷區(qū)，造成該區(qū)巖體較破碎，地表裂縫發(fā)育?；麦w上裂縫主要為6條橫張裂縫(裂縫F5～F10)及2條縱張裂縫。

(3)次級(jí)崩滑體(Ⅲ、Ⅳ)：二者主要為Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)滑動(dòng)過程中，由于滑坡體較破碎，部分滑坡體沿豎向發(fā)育的節(jié)理裂隙向邊坡外側(cè)坍塌形成的崩滑體；Ⅲ號(hào)次級(jí)崩滑體位于Ⅱ號(hào)滑坡體西南側(cè)，該崩滑體坍塌方向主要為南-西方向，其表面發(fā)育有1條橫張裂縫(裂縫F11)；Ⅳ號(hào)次級(jí)崩滑體位于Ⅰ號(hào)滑體西南側(cè)，該崩滑體坍塌方向主要為南-西方向，節(jié)理裂隙發(fā)育。

3.2 滑坡空間結(jié)構(gòu)特征

滑坡區(qū)出露的地層主要為白堊系上統(tǒng)上組棕紅色砂巖夾泥巖夾礫巖，巖層產(chǎn)狀一般為N44°～59°E/9°～16°S，與鐵路走向夾角為39°～60°，為典型的緩傾、順層滑坡。受構(gòu)造和風(fēng)化作用等因素影響，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，軟弱夾層廣泛分布(圖2)。

圖2 滑坡A-A′工程地質(zhì)剖面

巖體中的泥質(zhì)粉砂巖和泥巖，在地下水的浸潤作用下，極易軟化，形成軟弱夾層，最終成為滑帶的主要物質(zhì)；根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，滑動(dòng)面殘余黏聚力c=10 kPa、內(nèi)摩擦角φ=6°～8°。圖3(a)為滑坡形成后在棕紅色泥巖中形成的光滑滑面；圖3(b)為較完整的砂巖之間夾的巖質(zhì)較軟、棕紅色泥巖，其中發(fā)育有滑帶。

圖3 滑坡鉆孔巖芯照片

4 數(shù)值模擬

為了查明人工開挖、降水等因素在引起滑坡時(shí)的影響程度，利用GeoStudio 2018對(duì)該滑坡進(jìn)行模擬，主要應(yīng)用邊坡穩(wěn)定性分析(Slope/W)和滲流問題分析(Seep/W)功能。模擬選用路塹邊坡最高的A-A′剖面簡(jiǎn)化后進(jìn)行概化，建立數(shù)值模擬計(jì)算的模型。

模型邊界按照有限元模擬進(jìn)行設(shè)置，左、右邊界均采用X方向約束，底部采用雙向固定約束；整個(gè)模型材料為砂巖夾泥巖；抗滑樁樁長采用20 m，樁寬采用3 m；其物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 模型計(jì)算參數(shù)

采用Morgensrern-Price極限平衡法，分別模擬原始邊坡天然狀態(tài)、開挖路塹后的狀態(tài)、強(qiáng)降雨后的飽和狀態(tài)以及增加抗滑樁4中工況，分別模擬不同工況下的邊坡穩(wěn)定性。

圖4 A-A′剖面原始邊坡天然狀態(tài)邊坡穩(wěn)定性

工況1原始邊坡天然狀態(tài)的安全系數(shù)為1.717(圖4)，工況2開挖路塹后的安全系數(shù)為0.999(圖5)，工況3開挖路塹后在強(qiáng)降雨作用下的安全系數(shù)為0.880(圖6)，工況4增加抗滑樁后的安全系數(shù)為3.153(圖7)。因此，在路塹開挖后整個(gè)邊坡的安全系數(shù)為臨界狀態(tài)，人工開挖對(duì)邊坡的穩(wěn)定性狀態(tài)改變較大；當(dāng)開挖后的邊坡遭遇強(qiáng)降雨時(shí)，邊坡安全系數(shù)下降為0.880，邊坡將失穩(wěn)形成滑坡；由此可知，人工開挖邊坡極大地降低了邊坡的穩(wěn)定性，在強(qiáng)降雨的觸發(fā)作用下邊坡失穩(wěn)。當(dāng)在人工開挖的邊坡上增加抗滑樁后，安全系數(shù)顯著提高，說明抗滑樁能防止滑坡的形成。

圖5 A-A′剖面開挖路塹后邊坡穩(wěn)定性

圖6 A-A′剖面強(qiáng)降雨后邊坡穩(wěn)定性

圖7 A-A′剖面增加抗滑樁后邊坡穩(wěn)定性

數(shù)值模擬結(jié)果表明，邊坡開挖后在長期的施工振動(dòng)等因素影響下，邊坡穩(wěn)定性已經(jīng)處于滑動(dòng)的臨界狀態(tài)。因此，對(duì)于紅層地區(qū)夾有泥巖等軟巖的順層邊坡，人工開挖后，應(yīng)當(dāng)及時(shí)采取支護(hù)措施，以防止該類型邊坡的滑移失穩(wěn)破壞。

通過極限平衡法進(jìn)行的數(shù)值模擬，計(jì)算了紅層地區(qū)順層邊坡在不同因素影響下的邊坡穩(wěn)定性，獲得了影響邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，為有針對(duì)性地制定防治方案提供了重要依據(jù)。因此，數(shù)值模擬方法是分析該類型邊坡變形機(jī)理和穩(wěn)定性的有效方法。

5 滑坡形成機(jī)理討論

滑坡的形成原因，一直是重力地質(zhì)災(zāi)害研究的重要內(nèi)容，一般認(rèn)為滑坡形成的原因主要包括人類工程活動(dòng)、地質(zhì)構(gòu)造、降雨、河流侵蝕、重力地質(zhì)作用、地震震動(dòng)等[22]。綜合分析現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、地質(zhì)鉆探等資料后認(rèn)為，該滑坡的形成主要受人類工程活動(dòng)、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、降水強(qiáng)度、水文地質(zhì)特征等影響。

5.1 滑坡形成與人類工程活動(dòng)的關(guān)系

滑坡區(qū)原始地貌為連續(xù)緩坡，坡腳無臨空面，原始邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)鐵路以路塹工程穿過原始邊坡前部時(shí)，由于人工開挖，在原始邊坡前部形成高約35 m的臨空坡面，在重力的作用下，原始邊坡的抗滑力減小，原始邊坡上開始出現(xiàn)裂縫；路塹工程上由于超重卡車、大噸位壓路機(jī)等大重型機(jī)械頻繁通過，產(chǎn)生的振動(dòng)將加速原始邊坡上裂縫的擴(kuò)大、延伸，極易造成原始邊坡的失穩(wěn)破壞。

5.2 滑坡形成與地層巖性的關(guān)系

原始邊坡巖性主要為褐(棕)紅色砂巖夾泥巖夾礫巖，巖層產(chǎn)狀一般為N44°～59°E/9°～16°S，與鐵路走向夾角為39°～60°，為典型的緩傾角、順層滑坡，非常有利于滑坡的形成；地層中的棕紅色泥質(zhì)粉砂巖和泥巖巖質(zhì)軟弱，遇水極易軟化，為滑帶的主要物質(zhì)組成。

5.3 滑坡形成與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系

原始邊坡位于田坪界背斜南東翼，坡體內(nèi)的垂直節(jié)理裂隙非常發(fā)育，且以張性裂隙為主(圖8)；大氣降水、農(nóng)業(yè)灌溉水等地表水可沿大量的張性裂隙滲入坡體內(nèi)部，軟化棕紅色泥質(zhì)粉砂巖和泥巖等軟質(zhì)巖形成軟弱結(jié)構(gòu)面，加速滑坡的形成；另外，滲入原始邊坡內(nèi)的大量地表水又起到“潤滑劑”的作用，為滑坡的形成提供了有利條件。

圖8 滑體上的張裂隙

5.4 滑坡形成與降水強(qiáng)度的關(guān)系

滑坡區(qū)所在的湖南地區(qū)，常年降雨充沛。2017年5月以來，該地區(qū)降雨量更是打破歷史記錄，從5月上旬至滑坡發(fā)生的44 d中，降雨天數(shù)高達(dá)25 d，5月22日和6月10日均降下暴雨。通過分析2017年5月～6月當(dāng)?shù)氐娜战邓颗c滑坡的日變形量關(guān)系(圖9)可知，降雨對(duì)于滑坡的形成有直接關(guān)系；以圖1 J-1位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)為研究對(duì)象，在5月23日，路塹工程施工人員發(fā)現(xiàn)路基面上出現(xiàn)鋸齒狀裂紋之前，滑坡區(qū)存在5 d的連續(xù)降雨，且5月23日為暴雨天；在5月31日至6月1日的連續(xù)降雨中，6月1日為中雨天，6月2日滑體的單日沉降量達(dá)到了極值10 mm；6月10日為暴雨天，6月11日滑體的單日沉降量達(dá)到了極值50 mm。因此，降雨對(duì)滑坡的形成起到了“催化劑”的作用。

圖9 2017年5月-6月日降水量與滑坡日變形量關(guān)系

5.5 滑坡形成與水文地質(zhì)特征的關(guān)系

根據(jù)調(diào)查資料顯示，滑坡東南側(cè)出露2個(gè)泉眼，且為常年流水泉(圖10)，泉水沿棕紅色泥巖等隔水層上部滲出。由此可知，坡體內(nèi)基巖裂隙水較發(fā)育，泥巖等軟弱巖層分布較廣，形成一連續(xù)隔水面，使地下水在坡腳滲出，均有利于滑坡的形成。

圖10 滑坡東南側(cè)出露泉點(diǎn)

6 滑坡形成過程演化分析

為了歸納總結(jié)紅層滑坡的形成模式，明確滑坡形成各階段的控制、影響因素，直觀展示滑坡形成過程的演化，將該滑坡的形成過程分為4個(gè)階段(圖11)，具體如下。

(1)原始邊坡應(yīng)力重分布階段

原始邊坡由于人工開挖形成高陡臨空面，在重力作用下，原始邊坡的抗滑力減小，坡腳出現(xiàn)集中剪切應(yīng)力，滑坡體坡面開始出現(xiàn)裂縫，原始邊坡穩(wěn)定性變差。

(2)原始邊坡裂縫和軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育階段

原始邊坡在重力作用和工程機(jī)械荷載的作用下，坡面裂縫的數(shù)量逐漸增多，裂縫的寬度和長度不斷增大，加之地下水對(duì)泥質(zhì)粉砂巖和泥巖的軟化作用，原始邊坡體內(nèi)開始形成不連續(xù)的軟弱結(jié)構(gòu)面，其穩(wěn)定性進(jìn)一步降低。

(3)降雨導(dǎo)致原始邊坡穩(wěn)定性加速降低階段

進(jìn)入雨季后，滑坡區(qū)的降雨逐漸增多，更出現(xiàn)多次暴雨天，單次集中降雨后，巖體中棕紅色泥質(zhì)粉砂巖和泥巖在入滲雨水的作用下進(jìn)一步軟化，加之雨水的“潤滑劑”作用，邊坡表面裂縫的數(shù)量和規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，坡體的日沉降量就會(huì)明顯增大，在重力作用的持續(xù)影響下，原始邊坡體內(nèi)的不連續(xù)的軟弱結(jié)構(gòu)面不斷擴(kuò)大，小型多個(gè)軟弱結(jié)構(gòu)面不斷發(fā)育成單個(gè)大型軟弱結(jié)構(gòu)面，原始邊坡已接近破壞狀態(tài)。

(4)滑坡的形成和穩(wěn)定階段

在人類工程活動(dòng)、降水等外因和地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等內(nèi)因的共同作用下，原始邊坡內(nèi)的巖體物理力學(xué)性質(zhì)不斷降低，當(dāng)原始邊坡體的下滑力大于抗滑力時(shí)，其內(nèi)部的不連續(xù)軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育成一個(gè)完整的滑面，滑坡形成；當(dāng)滑坡前緣滑動(dòng)至路塹工程南側(cè)的人工邊坡時(shí)，由于滑體受到阻擋、擠壓而上抬，滑體前緣形成反坡，從而使滑體的滑速降低，直至最終穩(wěn)定；滑坡體前緣巖體在滑動(dòng)過程中的擾動(dòng)作用和路塹工程南側(cè)人工邊坡的擠壓作用下，變得破碎。

圖11 滑坡形成過程演化示意

7 類似滑坡防治措施建議

(1)基于INSAR、GPS監(jiān)控等高精度遙感技術(shù)，對(duì)鐵路工程沿線的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

(2)根據(jù)勘察資料，在紅層地區(qū)，篩選出存在順層人工邊坡的路塹工程，現(xiàn)場(chǎng)逐一排查邊坡的穩(wěn)定性；單個(gè)順層人工邊坡適當(dāng)設(shè)置位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)邊坡有無變形跡象，防范風(fēng)險(xiǎn)于未然。

(3)滑坡所在的湖南地區(qū)，屬于降雨充沛地區(qū)，雨季期間，特別是集中降雨過后，應(yīng)加強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性排查工作。

(4)對(duì)監(jiān)測(cè)、排查過程中發(fā)現(xiàn)存在變形跡象的邊坡進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，合理設(shè)置位移沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，利用信息化工具實(shí)時(shí)采集邊坡變形數(shù)據(jù)。

(5)對(duì)有變形跡象的邊坡，建議對(duì)其上部及后緣進(jìn)行削方減載，并在前緣路基坡面上設(shè)置必要的抗滑、擋護(hù)工程，同時(shí)進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。

(6)對(duì)排查過程中發(fā)現(xiàn)的張拉裂縫，應(yīng)及時(shí)采取填入黏性土或注入混凝土等措施，防止農(nóng)業(yè)灌溉水、大氣降水等地表水的入滲，導(dǎo)致邊坡體內(nèi)的棕紅色泥巖或泥質(zhì)巖體遇水軟化而降低邊坡穩(wěn)定性。

(7)對(duì)鐵路工程沿線一定范圍內(nèi)存在耕地的邊坡，進(jìn)行退耕還林，并因地制宜的設(shè)置防排水措施。

8 結(jié)論

(1)黔張常鐵路位于湖北省西北部的紅層地區(qū)，分布有大量緩傾順層邊坡，巖性以白堊系棕紅色砂巖夾泥巖夾礫巖為主；人工開挖該類型邊坡降低了其穩(wěn)定性，在長期的人類活動(dòng)、降水等外因和地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等內(nèi)因的共同作用下，原始邊坡內(nèi)巖體的物理力學(xué)性質(zhì)不斷降低，坡體的抗滑力逐漸減小，在強(qiáng)降雨等因素的誘發(fā)作用下，邊坡將滑移失穩(wěn)破壞，形成滑坡。

(2)數(shù)值模擬結(jié)果表明，紅層地區(qū)順層邊坡開挖后，邊坡穩(wěn)定性已處于滑動(dòng)臨界狀態(tài)，降雨誘發(fā)了滑坡的形成，抗滑樁能防止滑坡的形成。因此，人工開挖該類型邊坡后，應(yīng)當(dāng)及時(shí)采取支護(hù)措施，以防止其滑移失穩(wěn)破壞。

(3)紅層地區(qū)順層滑坡的形成分為4個(gè)階段：原始邊坡應(yīng)力重分布階段；原始邊坡裂縫和軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育階段；降雨導(dǎo)致原始邊坡穩(wěn)定性加速降低階段；滑坡的形成和穩(wěn)定階段。針對(duì)滑坡形成的不同階段，應(yīng)采取對(duì)應(yīng)的防治措施。