廣州增城至從化高速公路順層滑坡穩(wěn)定性分析

康欽容，夏緣帝，王亞軍，張衛(wèi)中，祝啟坤，馮超冉

(1.武漢工程大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，武漢 430073；2.武漢工程大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，武漢 430073)

隨著經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，中國(guó)基礎(chǔ)交通建設(shè)也得到了快速發(fā)展，但在其修建過(guò)程中，問(wèn)題也隨之出現(xiàn)，其中相對(duì)較嚴(yán)重的便是滑坡問(wèn)題，而滑坡問(wèn)題中最常見(jiàn)的便是順層滑坡，其主要發(fā)生在公路、鐵路[1]等大型工程。巖質(zhì)順層滑坡多是巖層沿層面發(fā)生滑動(dòng)，在有軟弱巖層或存在人工開(kāi)挖等情況時(shí)易于發(fā)生[1]。對(duì)于滑坡的影響因素主要為內(nèi)部的因素和外部的因素，地質(zhì)地貌條件是影響其穩(wěn)定性的內(nèi)在因素，當(dāng)有較軟弱巖層存在時(shí)易造成滑坡。地表水、地下水活動(dòng)以及人工活動(dòng)等是影響其穩(wěn)定性的外在因素，當(dāng)邊坡滲透性較好易于地下水滲透時(shí)，將導(dǎo)致土體重度增加，該邊坡造成滑坡的可能性將增大。

近年來(lái)，由于滑坡事故的頻發(fā)，越來(lái)越多的中外學(xué)者對(duì)滑坡的穩(wěn)定性及其防護(hù)做出研究，探討滑坡的誘發(fā)因素。張修杰等[2]通過(guò)邊坡病害分析得出邊坡失穩(wěn)破壞的主要因素是人為因素和自然因素。路為等[3]通過(guò)對(duì)其在巖質(zhì)邊坡的滑動(dòng)平面徑向滑移及其破壞形成機(jī)制情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得出了當(dāng)張力巖裂隙的土壤充水率高度已經(jīng)完全達(dá)到臨界額定值時(shí)其在巖質(zhì)邊坡的滑動(dòng)平面在地下水壓力和土壤壓力的相互作用下發(fā)生徑向滑移造成破壞。韋生根等[4]通過(guò)滑坡形機(jī)理分析出該路段由于長(zhǎng)期處于飽和狀態(tài)，土體抗剪強(qiáng)度較小，若在原有基礎(chǔ)上加減土體將失去平衡而導(dǎo)致滑坡。汪丁健等[5]通過(guò)建立降雨入滲模型得出在降雨初期，滑坡穩(wěn)定性迅速下降，隨著降雨的持續(xù)，穩(wěn)定性下降速率放緩。雒昕宇[6]通過(guò)分析呂梁地區(qū)高速公路邊坡穩(wěn)定性得出由于邊坡內(nèi)部水作用降低了邊坡的穩(wěn)定性，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。在探討邊坡失穩(wěn)的誘因方面，學(xué)者們雖然從不同角度進(jìn)行了分析，但具體的研究方法并不詳細(xì)。

針對(duì)滑坡穩(wěn)定性分析方法的具體情況，葉唐進(jìn)等[7]通過(guò)探究降雨條件下滾石斜坡失穩(wěn)機(jī)理研究推導(dǎo)出適用于滾石斜坡穩(wěn)定性計(jì)算法。He等[8]通過(guò)分析滑坡地形地貌等內(nèi)在因素對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性分析，結(jié)果表明，在降雨影響下處于不穩(wěn)定狀態(tài)的滑坡易發(fā)生整體滑動(dòng)。Nie等[9]采用邊界元法分析滑坡穩(wěn)定性，再結(jié)合強(qiáng)度折減技術(shù)使滑面處于極限平衡狀態(tài)，得出非線性接觸的收斂性。徐國(guó)強(qiáng)等[10]采用極限平衡條分法對(duì)滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，得出影響滑坡穩(wěn)定性的主要原因。

基于此，現(xiàn)以廣州增城至從化高速公路K8+160～K8+515段工程為實(shí)例，以監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析為理論基礎(chǔ),深入探討該區(qū)段滑坡的變形特點(diǎn),采用極限平衡法與數(shù)值分析法分別對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性的分析。從內(nèi)部的影響因素和其他外部影響因素來(lái)分析該段滑坡可能產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn),對(duì)于該段滑坡問(wèn)題提出防治措施建議,以期保障高速公路的安全通行,減少工程經(jīng)濟(jì)損失。

1 工程概況

廣州增城至從化高速公路(包括街口的一條支線)K8+160～K8+515段滑坡發(fā)生在廣州市北東側(cè),其山區(qū)地貌多為丘陵地帶,山體整個(gè)結(jié)構(gòu)總體上呈上陡下緩,上部的山坡坡度相對(duì)較大,中下部的山坡坡度相對(duì)較小。高速公路沿著山體的坡腳而行,公路的走向和山脈的走向完全相同。邊坡所在地處于南亞熱帶,區(qū)內(nèi)年平均降雨量1 960 mm。平均最高氣溫為28.5 ℃。由于該區(qū)域處是緯向構(gòu)造體系與新華夏構(gòu)造體系之間的一個(gè)復(fù)合分叉交界點(diǎn),使得在該區(qū)域內(nèi)所產(chǎn)生的斷裂主要是以擠壓式斷裂為主。

地表水主要用于接受天然地下水和大氣中雨量降水的供應(yīng),動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定,受降雨和季節(jié)的影響。另外，滑坡地段的地下水主要是孔隙水、裂隙水。因此,裂隙發(fā)育程度也是影響水量大小的重要因素。邊坡區(qū)因次生地質(zhì)地貌構(gòu)造及邊坡工程施工,造成淺部砂巖表層土體次生地質(zhì)裂隙融合發(fā)育、連接,形成了砂巖表層淺部網(wǎng)絡(luò)狀次生裂隙融合發(fā)育帶,大氣環(huán)境中的大量降水水分沿邊坡區(qū)次生裂隙發(fā)育下滲、富集，形成了表層淺部砂巖土層次生裂隙融合發(fā)育的地帶，整個(gè)邊坡地層的透水性較好，地表水容易入滲。

2 滑坡概況

2.1 滑坡特征

滑坡體走向長(zhǎng)約400 m，向公路兩側(cè)延展寬度平均約100 m，厚度平均大于10 m，滑坡體積約40萬(wàn)m3，因此判定為大型滑坡。

邊坡及邊坡頂上方山坡出現(xiàn)5處較明顯的滑坡，其中在治理邊坡范圍內(nèi)有3處，邊坡頂部上方陡坡上有3處。且5處滑坡的出現(xiàn)有一定的內(nèi)在聯(lián)系。

(1)滑坡HP1：后緣位于YK8+180右70～YK8+230右50,即在第2級(jí)邊坡附近,邊坡表層平面已經(jīng)發(fā)生拉裂、向下的錯(cuò)動(dòng),并且滑體厚6～8 m。前緣位于第1級(jí)邊坡坡腳擋墻處，由于受擋墻的支撐，并未出現(xiàn)隆起。

(2)滑坡HP2：后緣位于YK8+230右110～YK8+280右50，即在三級(jí)邊坡頂部附近，滑體厚8～11 m，前緣位于二級(jí)邊坡的底部平臺(tái)附近。

(3)滑坡HP3：位于YK8+280～K8+460右側(cè)的邊坡上,未見(jiàn)明顯的后緣,但一級(jí)邊坡坡面上的預(yù)應(yīng)力錨頭大多已經(jīng)翹起、失效,第一級(jí)邊坡平臺(tái)上的截水溝和第二級(jí)邊坡坡腳的斜面已經(jīng)在局部處出現(xiàn)了裂縫,底部路肩局部出現(xiàn)隆起，K8+450的中逕中橋橋面伸縮縫已有明顯的錯(cuò)位(圖1)且地表水下滲入邊坡導(dǎo)致邊坡土體重度增加(圖2)。

(4)滑坡HP4和HP5：后緣分別位于YK8+280右150 m、K8+320右170 m附近的山坡上，屬于淺表層滑塌，滑體厚度小于1 m(圖3)。

因此，該邊坡呈現(xiàn)出多層滑面且影響較大的特點(diǎn)，由于地下水的下滲，該邊坡存在深層滑面的可能性較大，總體表現(xiàn)為大小不一，深度不同的復(fù)雜滑坡群。

圖1 邊坡面滑坡(HP1、HP2、HP3)Fig.1 Slope surface landslide(HP1、HP2、HP3)

圖2 地表水下滲入邊坡Fig.2 Surface water seepage into the slope

2.2 滑坡監(jiān)測(cè)

在進(jìn)行邊坡深層水平位移監(jiān)測(cè)時(shí)，主要將其分為三個(gè)斷面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，即K8+240、K8+280和K8+320斷面。深層位移曲線圖如圖4和圖5所示。

從圖4和圖5中可以看出在斷面K8+280一級(jí)平臺(tái)8.0 m深處，斷面K8+320一級(jí)平臺(tái)15.0 m深處，K8+240二級(jí)平臺(tái)深5.5 m和塹頂?shù)纳?0.0 m，斷面K8+280二級(jí)平臺(tái)14.0 m處均出現(xiàn)位移的突變，表明該滑坡的潛滑面主要出現(xiàn)在這些位置。根據(jù)深層位移曲線圖可以看出，深層位移整體變化較小，位移處于持續(xù)緩慢發(fā)展中。故滑坡最大可能發(fā)生在淺表層。

分析監(jiān)測(cè)圖可知，滑坡出現(xiàn)明顯位移的主要在中后部，前緣區(qū)位移量較小。由此可以判定該滑坡處于蠕滑階段，且中后部滑體受到擠壓，坡體已經(jīng)出現(xiàn)一定程度的變形。一旦外動(dòng)力作用條件發(fā)生變化，原有的平衡狀態(tài)極易被打破，可能導(dǎo)致路塹邊坡發(fā)生大規(guī)模整體滑動(dòng)。從監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，由于6月的連續(xù)暴雨，邊坡在雨水的影響下，依然存在突變的可能，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，在大暴雨期間，由于水流沖刷，使其強(qiáng)度軟化，整體穩(wěn)定性發(fā)生突變進(jìn)而導(dǎo)致滑坡。

3 滑坡穩(wěn)定性分析

3.1 滑面分析

通常情況下認(rèn)為當(dāng)邊坡發(fā)生滑動(dòng)時(shí)，最可能發(fā)生滑動(dòng)的面是安全系數(shù)最小的滑動(dòng)面[11]。該段滑坡在暴雨條件下，坡體出現(xiàn)大量拉張裂縫和防護(hù)結(jié)構(gòu)破壞，坡腳公路路肩出現(xiàn)隆起，參考地表位移監(jiān)測(cè)成果，可以判定目前坡體處于蠕滑變形階段，即近于極限平衡狀態(tài)，具備參數(shù)反演條件。

圖4 一級(jí)平臺(tái)位移監(jiān)測(cè)圖Fig.4 Displacement monitoring chart of first stage platform

圖5 塹頂、二級(jí)平臺(tái)位移監(jiān)測(cè)圖Fig.5 Displacement monitoring chart of cutting top and secondary platform

3.2 定性分析

滑坡變形主要是由于滑坡所產(chǎn)生的地表巖性、山體特征、地勢(shì)風(fēng)貌、降雨和其他影響人類(lèi)在工程中的活動(dòng)而引起的[12]。由工程地質(zhì)情況可知，所在區(qū)域?yàn)閮蓷l斷層相交部位，在構(gòu)造作用下，下伏頁(yè)巖節(jié)理裂隙發(fā)育，在地下水長(zhǎng)期作用下極易形成連貫的薄弱面。一旦外部動(dòng)力條件略微發(fā)生變化，現(xiàn)有的平衡狀態(tài)將會(huì)被打破，很有可能會(huì)直接導(dǎo)致道路邊坡出現(xiàn)大規(guī)模的整體性滑動(dòng)。

3.3 極限平衡定量分析

根據(jù)滑坡監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，該邊坡的穩(wěn)定性分析可分為三個(gè)區(qū)進(jìn)行(圖6)。Ⅰ區(qū)為K8+160～K8+270，Ⅱ區(qū)為K8+270～K8+400，Ⅲ區(qū)為K8+400～K8+515。三個(gè)區(qū)分別選取 C-C、A-A、E-E三個(gè)典型斷面進(jìn)行滑坡穩(wěn)定性計(jì)算與分析，如圖7所示。

圖6 鉆探勘探布置圖Fig.6 Drilling and exploration layout

Ⅰ區(qū)為K8+160～K8+270，選取C-C典型斷面的滑面C-1進(jìn)行參數(shù)反演，對(duì)滑面C-2進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。Ⅱ區(qū)為K8+270～K8+400，選取A-A典型斷面的滑面A-1進(jìn)行參數(shù)反演，對(duì)滑面A-2、A-3進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。Ⅲ區(qū)為K8+400～K8+515，選取E-E典型斷面的滑面E-1進(jìn)行參數(shù)反演，對(duì)滑面E-2進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。滑面參數(shù)如表1所示,滑面采用計(jì)極限平衡法進(jìn)行參數(shù)反演，計(jì)算公式為

(1)

(2)

圖7 斷面圖Fig.7 Sectional drawing

式中：Ci為第i條塊的內(nèi)聚力，kPa；RDi為滲透壓力產(chǎn)生的垂直分力，kPa；Rn為第n條塊底面抗滑力的合力，kPa；TDi為滲透壓力產(chǎn)生的平行滑面分力，kPa；Tn為第n條塊底面下滑力的合力，kPa；φi為第i條塊內(nèi)摩擦角，(°)；Li為第i條塊滑面長(zhǎng)度，m；ai為第i條塊滑面傾角，(°)；βi為第i條塊地下水流向，(°)；A為地震加速度(重力加速度g)；rU為孔隙壓力比；Kf為穩(wěn)定系數(shù)；Wi為第i條塊的重度(kN·m-3)；ψj為第i塊段的剩余下滑力傳遞至第i+1塊段時(shí)的傳遞系數(shù)(j=i)，即

ψj=cos(αi-αi+1)-sin(αi-αi+1)tanφi+1

(3)

計(jì)算得斷面的滑面安全系數(shù)如表2所示。

(1)I區(qū)：根據(jù)斷面安全系數(shù)分析可知，在暴雨或持續(xù)降雨工況下，淺層滑面C-1，經(jīng)計(jì)算安全系數(shù)為0.99，處于不穩(wěn)定狀態(tài)；深層潛在滑面C-2計(jì)算得到安全系數(shù)為1.53，其狀態(tài)較穩(wěn)定。

表1 滑面參數(shù)Table 1 Sliding surface parameters

表2 典型斷面的滑面安全系數(shù)Table 2 Slip surface safety factor of typical section

(2)Ⅱ區(qū)：在相同工況下，淺層滑面A-1，安全系數(shù)為0.99，處于不穩(wěn)定狀態(tài)；深層潛在滑面A-2的安全系數(shù)1.00，狀態(tài)欠穩(wěn)定；滑面A-3的安全系數(shù)1.43，狀態(tài)較穩(wěn)定。

(3)Ⅲ區(qū)：在暴雨或持續(xù)降雨工況下，淺層滑面E-1，安全系數(shù)為0.99，滑面狀態(tài)不穩(wěn)定；滑面E-2的安全系數(shù)1.02，滑面狀態(tài)欠穩(wěn)定。

通過(guò)以上的計(jì)算分析結(jié)果表明,邊坡在自然狀態(tài)下基本保持穩(wěn)定,飽水狀態(tài)下,邊坡的穩(wěn)定性大大降低,并且系數(shù)小于1,導(dǎo)致了邊坡的發(fā)生滑移或者破壞。加之邊坡的挖掘嚴(yán)重破壞了路塹的穩(wěn)定性,其中以斷面A-A為例表現(xiàn)最明顯。由此可以得出Ⅰ區(qū)的滑坡主要是發(fā)生在較淺的地面,Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)都存在著發(fā)生較大深層滑動(dòng)的危險(xiǎn)。

3.4 滑坡數(shù)值分析

滑坡巖土體變形破壞滿(mǎn)足修改的莫爾-庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則，計(jì)算模型中采用的物理力學(xué)參數(shù)如表3所示。

3.4.1 Ⅰ區(qū)C-C斷面

根據(jù)邊坡開(kāi)挖前后FLAC模擬結(jié)果分析顯示C-C斷面穩(wěn)定性主要受邊坡巖土含水量影響，天然-飽和狀態(tài)穩(wěn)定性系數(shù)如表4所示，天然狀態(tài)和飽和狀態(tài)下邊坡塑性區(qū)分布如圖8和圖9所示。

分析圖8和圖9可知，天然狀態(tài)下開(kāi)挖前后塑性區(qū)變化不大，而在降雨后塑性區(qū)分布有明顯的變化，說(shuō)明開(kāi)挖對(duì)斷面穩(wěn)定性的影響遠(yuǎn)小于降雨帶來(lái)的影響。斷面無(wú)論是天然狀態(tài)下還是飽和狀態(tài)下破壞均發(fā)生在表面，無(wú)深層發(fā)展的可能。

3.4.2 Ⅱ區(qū)A-A斷面

根據(jù)邊坡數(shù)值模擬計(jì)算出斷面在不同情況下的穩(wěn)定性系數(shù)如表5所示。該斷面對(duì)應(yīng)的塑性分布如圖10所示。

表3 計(jì)算參數(shù)取值表Table 3 Calculation parameter value table

表4 C-C斷面天然-飽和狀態(tài)穩(wěn)定性系數(shù)Table 4 C-C section natural-saturated state stability coefficient

圖8 C-C斷面天然狀態(tài)下開(kāi)挖前、后的塑性區(qū)分布Fig.8 Distribution of plastic zone before and after excavation in section C-C in natural state

圖9 C-C斷面飽和狀態(tài)下開(kāi)挖前、后塑性區(qū)分布Fig.9 Distribution of plastic zone before and after excavation under the saturated state of section C-C

表5 A-A斷面天然-飽和狀態(tài)穩(wěn)定性系數(shù)Table 5 A-A section natural-saturated state stability coefficient

圖10 A-A斷面飽和狀態(tài)開(kāi)挖前、后塑性區(qū)分布Fig.10 Distribution of plastic zone before and after excavation in saturated state of section A-A

根據(jù)結(jié)果顯示，該邊坡在天然狀態(tài)下均保持穩(wěn)定。說(shuō)明邊坡的開(kāi)挖與否并不是造成滑坡的主要因素。飽和狀態(tài)下的邊坡穩(wěn)定性總體下滑,且在開(kāi)挖后處于飽和狀態(tài)時(shí)欠穩(wěn)定。從飽和狀態(tài)開(kāi)挖前后塑性區(qū)分布可以看出在降雨后邊坡發(fā)生了一定程度的滑移。由此可知Ⅱ區(qū)坡體發(fā)生滑移的主要原因是由于人為的開(kāi)挖導(dǎo)致坡體前緣臨空，在連續(xù)降雨后土壤重度增加，導(dǎo)致該邊坡出現(xiàn)一定程度的滑移。

3.4.3 Ⅲ區(qū)E-E斷面

斷面天然-飽和狀態(tài)穩(wěn)定性系數(shù)如表6所示。E-E斷面天然-飽和狀態(tài)下塑性分布如圖11～圖12所示。

表6 E-E斷面天然-飽和狀態(tài)穩(wěn)定性系數(shù)Table 6 E-E section natural-saturated state stability coefficient

圖11 E-E斷面天然狀態(tài)下開(kāi)挖前，后塑性區(qū)分布Fig.11 Distribution of plastic zone before and after excavation in section E-E in natural state

圖12 E-E斷面飽和狀態(tài)下開(kāi)挖前，后塑性區(qū)分布Fig.12 Distribution of plastic zone before and after excavation under saturation of section E-E

計(jì)算結(jié)果顯示，斷面在天然狀態(tài)與飽和狀態(tài)下穩(wěn)定性均較差，路塹開(kāi)挖對(duì)穩(wěn)定性無(wú)直接影響，從塑性區(qū)分布形態(tài)看，塑性區(qū)在基本面上擴(kuò)展邊續(xù)，邊坡潛在深層滑移的可能很大。

數(shù)值分析可以明確邊坡初始位置和展現(xiàn)邊坡漸進(jìn)破壞過(guò)程[13-14]。極限平衡原理計(jì)算出的滑面穩(wěn)定性系數(shù)與數(shù)值模擬分析的結(jié)果基本相同。通過(guò)對(duì)數(shù)值的分析表明,邊坡在天然狀態(tài)下保持基本穩(wěn)定,飽水狀態(tài)下,邊坡的穩(wěn)定性降低,導(dǎo)致了邊坡的發(fā)生滑移或受到破壞。因此,從總體上來(lái)說(shuō)，Ⅰ區(qū)由于受到的破壞都是發(fā)生在坡體的表面,可能會(huì)出現(xiàn)淺層滑坡,Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)從塑性的狀態(tài)來(lái)說(shuō)坡體均會(huì)發(fā)生一部分滑移,則Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)均有可能出現(xiàn)深層滑動(dòng)。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)工程地質(zhì)條件，邊坡上堆積有一層厚度較大的崩坡積碎石土層，含有較多的塊碎石，其結(jié)構(gòu)較為松散，穩(wěn)定性較差，透水性較好，易發(fā)生滑塌。

(2)根據(jù)極限平衡法和數(shù)值分析的計(jì)算結(jié)果判定出邊坡的潛滑面，以便及時(shí)對(duì)邊坡采取防護(hù)措施。建議選擇放坡法、排水法、支擋法為主,并輔之以錨固法、注漿法針對(duì)該類(lèi)滑坡實(shí)施綜合性的治理。

(3)產(chǎn)生滑坡的主要原因?yàn)橛捎诠こ绦枰谑┕r(shí)對(duì)坡腳進(jìn)行了第三級(jí)人工邊坡的開(kāi)挖，增加了邊坡發(fā)生滑坡的可能性，改變了原有地形，第四系覆蓋層堆積厚度大且結(jié)構(gòu)松散，最主要的誘因是在連續(xù)降雨后大量地表水的入滲加上公路周?chē)r(nóng)田荔枝林的灌溉，導(dǎo)致地下水入滲為滑坡創(chuàng)造了有利條件，破壞了邊坡的穩(wěn)定性。因此，要想標(biāo)本兼治，治水是關(guān)鍵，水的治理主要是截、疏和排。

(4)該滑坡具有多個(gè)大小深度不一的滑面，且各個(gè)滑面存在一定的聯(lián)系，整體上屬于牽引式滑坡。另外，對(duì)邊坡頂部出現(xiàn)的裂縫應(yīng)盡快回填，防止地表水的入滲。

(5)邊坡穩(wěn)定性現(xiàn)狀分為三個(gè)區(qū)：Ⅰ區(qū)淺層處于狀態(tài)欠穩(wěn)定，深層處于狀態(tài)穩(wěn)定，需對(duì)淺層進(jìn)行加固處理；Ⅱ區(qū)淺層狀態(tài)欠穩(wěn)定，深層處于極限平衡狀態(tài)，需對(duì)淺層進(jìn)行加固處理，同時(shí)防止深層滑坡；Ⅲ區(qū)整體屬于欠穩(wěn)定狀態(tài)，必須加強(qiáng)該區(qū)的防護(hù)。