某山區(qū)機場高填方滑坡變形特征分析

馬 翔，賴國泉

(1.四川省機場集團有限公司，四川 成都 610000； 2.中鐵西北科學研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

受地形條件限制，山區(qū)支線機場修建過程中出現(xiàn)了大量的貼坡高填方工程，部分高填方工程填筑高度甚至超過50 m以上。大量機場高填方工程在運營期產(chǎn)生了變形破壞，比如宜昌三峽機場燈光帶滑坡[1]、云南麗江機場西側跑道滑坡[2]、貴州六盤水機場滑坡[3]、四川九黃機場滑坡[4]等?？梢灶A見，大量山區(qū)支線機場高填方工程在運營階段存在極高的安全風險。

近年來，針對高填方邊坡失穩(wěn)頻發(fā)，許多學者進行了此方面的研究。馬閆等[5]，朱才輝等[6]，張碩等[7]針對黃土高填方邊坡失穩(wěn)與沉降變形問題進行了研究。謝春慶等[8]以西南某機場高填方邊坡為例，分析邊坡變形滑塌的機制，并針對性地提出災害治理措施。姚仰平[9]針對高填方邊坡建造過程中諸多問題，建立了全生命周期監(jiān)測系統(tǒng)。

通過分析近年來針對高填方邊坡相關的研究成果表明，大多針對高填方施工期產(chǎn)生的變形問題，而針對運營期高填方邊坡相關研究較少。本文以西南地區(qū)某運營支線機場高填方滑坡?lián)岆U治理工程的應急監(jiān)測工程為例，探討了基于監(jiān)測結果所采取的應急治理措施，成果可為此類高填方滑坡工程治理參考。

1 滑坡區(qū)工程地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

滑坡區(qū)屬侵蝕、剝蝕的中山丘陵、山區(qū)峽谷地貌，見圖1。地勢由西北向東南傾斜，地形起伏，高差懸殊。地貌具有山高谷深、盆地交錯分布的特點。受區(qū)域地質(zhì)構造及機場建設等因素影響，地形起伏變化較大。機場建設前：整體上為一走向N-S向條形山脊。機場建設后東側填筑形成高填方區(qū)，高達八級，最大高度66 m。

圖1 滑坡全貌Fig.1 The appearance of this landslide

1.2 地層巖性及地質(zhì)構造

滑坡區(qū)出露地層主要為第四系人工填土層。下伏侏羅系炭質(zhì)泥巖、砂巖，緩傾互層狀產(chǎn)出，巖層傾向與坡體傾向相近，傾角18°～21°。地層巖性特征見表1。

勘察區(qū)內(nèi)為一向斜構造，軸向北北西向，向南南東傾覆，其軸部通過跑道中心點附近，滑坡所在區(qū)為向斜東北翼，地層產(chǎn)狀106°～112°∠18°～21°。有一組產(chǎn)狀為154°∠90°的張性節(jié)理和一組產(chǎn)狀為69°∠90°的剪性節(jié)理。

1.3 氣象、水文地質(zhì)條件

該區(qū)域氣候具有夏季長、溫度日變化大、四季不分明、氣候干燥、降雨集中、日照多、太陽輻射強、氣候垂直差異顯著以及高溫、干旱等特點。根據(jù)機場氣象臺2007年至2017年觀測數(shù)據(jù)(圖2)，年平均降雨量753.4 mm，年最大降雨量1 025.2 mm(2017年)，年最小降雨量496 mm(2012年)，由圖3可知，該區(qū)降雨主要集中在5～10月，雨季中的降雨量平均占年降雨量的97.8%左右，降雨具有集中，點暴雨特征。10月下旬至次年5月為旱季。

表1 滑坡區(qū)地層特征表

勘察區(qū)內(nèi)地下水為松散堆積層孔隙水及基巖裂隙水?？辈靺^(qū)內(nèi)炭質(zhì)泥巖為相對隔水層，一般不含水或含少量裂隙水。砂巖中含有一定量的裂隙水，無統(tǒng)一地下水位。由于區(qū)內(nèi)為單斜構造，基巖裂隙水主要在場機場跑道西側由砂巖段受大氣降水補給。其徑流、富水性受砂巖內(nèi)裂隙的發(fā)育程度及連通性的控制，沿構造面向低地勢區(qū)排泄?？紫端饕x存于填土層及殘坡積層中，受大氣降水的直接下滲補給，在坡體低地勢臨空面滲流排泄，坡體內(nèi)孔隙水具有賦水性較好、孔隙連通性差、徑流不暢的特征。

圖2 年平均降雨量分布圖Fig.2 The distribution map of average annual rainfall

圖3 月平均降雨量分布圖Fig.3 The distribution of monthly mean rainfall

2 宏觀變形特征

2.1 坡體宏觀變形產(chǎn)生與發(fā)展

圖4 滑坡變形Fig.4 The deformation of this landslide

2016年10月下旬，在一次雨季剛結束不久的常規(guī)巡查中，發(fā)現(xiàn)該機場東南角填筑體P45～P57段(寬度240 m)巡場路內(nèi)側截水溝蓋板與溝壁張開、土面區(qū)出現(xiàn)下錯裂縫，并向南東方延伸過坡肩直至填筑體1級馬道處。同時，坡腳5級馬道處截水溝受壓損毀，其南側排水溝溝壁開裂、漿砌塊石擋墻外傾并產(chǎn)生開裂變形，以上變形見圖4。

2.2 變形發(fā)展趨勢分析

裂縫是滑坡變形發(fā)展變化最直觀的體現(xiàn)，通過對裂縫變形特征的研究，可以判斷滑坡變形處于何種演化階段。以下通過坡體后緣土面區(qū)張拉裂縫、左右側剪切裂縫及坡腳鼓脹裂縫綜合分析該段坡體變形性狀。

現(xiàn)場調(diào)查表明，土面區(qū)有3條張拉下錯裂縫，裂縫走向NE24°～33°，與巡場路走向基本一致，單條裂縫延伸最大長61.7 m，張開度最大約17 cm，裂縫深度在0.7 m以上，具明顯的下錯特征，最大下錯量約15 cm。

坡體左側，受坡體下錯蠕動影響，形成一處形成“羽狀”剪切裂縫，裂縫自巡場路延伸至一級馬道平臺處，走向SW21°～SE33°，延伸52 m，張開最大約11 cm，下錯0.2～2 cm；坡體右側，巡場路、坡面及放坡平臺截水溝尚未形成連續(xù)的剪切裂縫，巡場路外側坡肩發(fā)現(xiàn)一羽狀剪切裂縫，一級馬道平臺、截水溝可見微裂縫發(fā)育。

坡腳剪出口，滑坡擠壓鼓脹特征明顯，剪出口在坡體南側沿坡腳便道、截水溝溝底展布，至五級馬道截水溝傾倒損毀處沿該平臺向北延伸。其坡前受滑坡向坡腳蠕滑擠壓影響，導致坡腳擋墻開裂，該滑坡沿坡腳的反翹剪出趨勢，導致坡腳水泥便道發(fā)生鼓脹開裂，形成兩條明顯的鼓脹開裂裂縫，走向NE65°，延伸長17 m，張開最大約8 cm，鼓脹約0.5～2 cm，沿水泥路面及溝底伴有多處放射狀裂縫的發(fā)育，其走向與滑坡主滑方向小角度相交；坡腳的鼓脹亦導致坡腳截水溝多處損毀及溝底鼓脹裂縫的發(fā)育。

王恭先等[10]認為一般滑坡的發(fā)育過程為，蠕動、擠壓、滑動、劇滑、趨穩(wěn)五個階段，并根據(jù)滑動跡象判斷其處于何種階段。由坡體各部分裂縫的宏觀描述可以看出，目前滑坡后緣裂縫已經(jīng)基本貫通且有下錯，左右側界羽狀裂縫發(fā)育，前緣剪出口也已出現(xiàn)擠壓變形，綜合判斷滑坡中后部向前產(chǎn)生了少量移動，致使前段抗滑部分受擠壓，此時除前部抗滑段，中后部滑帶已基本形成。符合文獻[10]提出的坡體處于擠壓變形狀態(tài)的特征，因此綜合判斷該滑坡處于擠壓變形階段。

3 滑坡變形特征分析

3.1 變形監(jiān)測

為及時掌握該段高邊坡地表變形速率、變形方向及發(fā)展趨勢，采用全站儀對該段邊坡進行地表位移監(jiān)測。監(jiān)測平面布置網(wǎng)采用網(wǎng)格型，共布設監(jiān)測點15點，同時觀測水平位移及沉降。監(jiān)測平面布置示意圖(圖5)。具體各監(jiān)測點布設信息及編號見表2。監(jiān)測頻率按1次/1天。

表2 監(jiān)測點信息

圖5 監(jiān)測平面布置示意圖Fig.5 Monitoring plan layout diagram

3.2 變形特征分析

(1)地表變形

根據(jù)現(xiàn)場變形范圍分析，地表監(jiān)測點在滑坡周界以外。圖6、圖7分別為土面區(qū)三個監(jiān)測點自2016年11月5日至2017年1月14日監(jiān)測周期內(nèi)累計水平位移-時間曲線及累計沉降-時間曲線。由圖6、圖7分析可以看出，監(jiān)測曲線基本處于震蕩狀態(tài)，累計水平位移及累計沉降均較小，說明周界以外土面區(qū)基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 地表監(jiān)測點累計水平位移—時間曲線Fig.6 The cumulative horizontal displacement-time curve by soil surface area

圖7 地表監(jiān)測點累計沉降—時間曲線Fig.7 The cumulative sedimentation-time curve by soil surface area

(2)各級馬道變形

許強等[11-12]提出滑坡變形監(jiān)測曲線演化具有如圖8所示的三階段特征。第一階段為初始變形階段，第二階段為等速變形階段，第三階段為加速變形階段。斜坡進入加速變形階段是滑坡發(fā)生的基礎，尤其是滑坡進入加速變形階段的時間對于滑坡的預警預報具有重要意義。一旦滑坡進入臨滑階段，預示著斜坡演化已進入整體失穩(wěn)破壞的臨界狀態(tài)，滑坡即將發(fā)生。

圖8 斜坡變形三階段示意圖[11]Fig.8 Sketch of three phases of slope deformation[11]

圖9～圖12為巡場路邊、一級、三級、五級馬道監(jiān)測點位移-時間曲線。通過累計位移-時間曲線可以看出，2016年11月5日至2016年12月16日左右，監(jiān)測曲線基本呈一段斜直線，變形特點基本符合圖8所示的等速變形階段曲線特征。

圖9 巡場路邊監(jiān)測點累計水平位移—時間曲線Fig.9 The cumulative horizontal displacement-time curve of tour field of the road

圖10 一級馬道監(jiān)測點累計位移—時間曲線Fig.10 The cumulative horizontal displacement-time curve of berm in level one

圖11 三級馬道監(jiān)測點累計位移—時間曲線Fig.11 The cumulative horizontal displacement-time curve of berm in level tree

從坡體宏觀變形分析，本監(jiān)測開始時，坡體后緣已經(jīng)發(fā)育有多條拉張裂縫，坡腳也有明細擠壓變形，因此通過地表宏觀變形判斷該滑坡監(jiān)測自開始之日起，已經(jīng)處于等速變形狀態(tài)，監(jiān)測工作錯過了初始變形階段的監(jiān)測。

圖12 五級馬道監(jiān)測點累計位移—時間曲線Fig.12 The cumulative horizontal displacement-time curve of berm in level five

由以上從監(jiān)測曲線及宏觀變形兩方面綜合判斷，該滑坡自變形監(jiān)測開始，變形演化具有兩階段特征即等速變形階段及加速變形階段。

當滑坡演化進入臨滑階段后，累積變形量、變形速率以及加速度均會急劇增長。2016年12月16～20日后，累計位移-時間曲線形態(tài)出現(xiàn)了明顯的變化，短時間內(nèi)呈彎曲上揚形態(tài)，坡體變形進入了加速變形階段。表3給出了圍場路邊、一級馬道各監(jiān)測點兩階段累積變形量、變形速率以及加速度。由表3可知， 2016年11月5日～2016年12月16日等速變形階段，水平位移變形速率在2.9～6.25 mm/d，沉降變形速率在-3.74～-7.91 mm/d。水平位移加速度在0.05～0.12 mm/d2，沉降加速度在-0.07～-0.15 mm/d2。2016年12月16～20日～2016年12月30日加速變形階段，水平位移變形速率在14.74～39.38 mm/d，沉降變形速率在-23.56～-67 mm/d。水平位移加速度在1.41～3.86 mm/d2，沉降加速度在-1.69～-7.46 mm/d2。兩階段比較，無論是變形速率還是加速度，坡體進入加速變形階段后成倍增加。

表3 巡場路邊、一級馬道各監(jiān)測點監(jiān)測成果統(tǒng)計

注：括號內(nèi)數(shù)字表示相對應沉降結果統(tǒng)計值。

2016年12月26日后，根據(jù)圖9-圖12監(jiān)測曲線形態(tài)及變形速率、加速度變化綜合判斷，坡體進入了加速變形階段的加加速階段，坡體隨時有整體垮塌的可能性。此種情況下，只有采用臨時應急治理措施，才能保障機場的正常運營。2016年12月30日，在各方的努力下，迅速實施了滑坡體后部刷方減載，坡腳堆載反壓的應急治理措施。應急治理措施實施后，坡體變形速率迅速減小，由圖9～圖12監(jiān)測曲線可以看出，實施應急治理措施后，監(jiān)測曲線趨于水平，坡體暫時處于緩慢蠕動變形階段，為后續(xù)永久治理該滑坡爭取了寶貴時間。

4 應急治理工程

該滑坡應急監(jiān)測開始后，同時實施了該滑坡的工程地質(zhì)勘察及治理方案設計。經(jīng)現(xiàn)場勘察及物探表明，坡體含水豐富。坡體中后部富水是引起該滑坡變形主要原因之一。對于該滑坡擬采用支擋工程結合疏排排地下水的方案進行。具體治理方案為：在坡體中下部實施錨索抗滑樁工程，坡體中后部實施集水井排水,治理工程斷面見圖13。

圖13 治理工程斷面Fig.13 Engineering layout section drawing

該滑坡治理工程于2016年12月1后開始實施，具體為跳樁開挖第一批抗滑樁。自抗滑樁開挖后，隨著開挖深度的增加，滑坡變形呈加劇態(tài)勢，特別是2016年12月26日后，坡體變形進入了加速階段，坡體進入臨界狀態(tài)，已無法進行抗滑樁挖樁作業(yè)。在及時實施了應急治理措施后，坡體變形迅速呈現(xiàn)放緩趨勢，為抗滑樁開挖作業(yè)爭取了時間。

本次應急治理工程只在坡體后部刷方2.5×104m3左右，約占滑坡總體積的1/20,在坡腳反壓回填1×104m3左右。但應急處理效果非常明顯，為永久治理工程治理爭取了時間，事實證明，采取后部刷方減載，坡腳堆載反壓在滑坡應急搶險階段是完全正確的。

5 結論

通過對西南地區(qū)某山區(qū)支線機場高填方滑坡變形監(jiān)測及地表宏觀變形綜合分析，可以得出以下幾方面的認識：

(1)通過對滑坡各特征部位裂縫變形性狀的綜合分析得出坡體處于擠壓變形階段。

(2)通過地表變形監(jiān)測曲線分析，由于錯過了初始變形階段的監(jiān)測，該滑坡變形一開始就處于等速變形階段。該滑坡在抗滑樁開挖過程中，變形明顯加劇，坡體變形進入加速階段后，變形速率及變形加速度較等速變形階段成倍增加。

(3)在變形進入臨界狀態(tài)前，及時實施了坡體后部刷方減載，坡腳堆載反壓的應急治理措施。應急治理措施實施后，坡體變形速率迅速減小，為永久治理工程的實施爭取了時間。