西南山區(qū)高填方滑坡變形失穩(wěn)機(jī)制及治理措施
——以攀枝花機(jī)場(chǎng)為例

賴國(guó)泉,楊昊天,尹威江,吳紅剛

(中鐵西北科學(xué)研究院有限公司,甘肅 蘭州 730000)

0 引 言

隨著中國(guó)“一帶一路”倡議、流域生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展等國(guó)家戰(zhàn)略的實(shí)施,越來越多的交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)向西部山區(qū)轉(zhuǎn)移。由于這些地區(qū)復(fù)雜的地形和特殊的地質(zhì)環(huán)境條件,很多工程建設(shè)項(xiàng)目都要進(jìn)行不同程度的開挖或者填筑,由此誘發(fā)的山地災(zāi)害也越來越多。山區(qū)高填方滑坡就是其中一種重要的災(zāi)害。

最大填方高度或填方邊坡高度不小于20 m的工程即高填方工程。目前中國(guó)西部山區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程中,已有較多高填方邊坡工程填筑高度超過100 m,最高已達(dá)164 m[1-4]。大量西部山區(qū)高填方工程在竣工后產(chǎn)生了變形破壞,亟需對(duì)邊坡上填筑的高填方工程變形破壞及其控制和治理措施進(jìn)行研究。

以往對(duì)邊坡問題的研究多集中在自然邊坡或挖方邊坡[5-7],對(duì)填筑高度超過50 m的超高填方工程邊坡研究較少。由于滑坡工程個(gè)體的特殊性,對(duì)于填筑高度大、工期長(zhǎng)、影響因素多、變形預(yù)測(cè)和控制難的山區(qū)高填方邊坡,有效的解決途徑就是通過典型實(shí)例總結(jié)解決此類問題的理念、機(jī)理及治理方法[8]。

攀枝花機(jī)場(chǎng)為一典型山區(qū)高填方機(jī)場(chǎng),填筑高度最高達(dá)123 m,斜坡填筑長(zhǎng)度達(dá)3.6 km,挖方總量達(dá)5 800余萬m3,挖填方量居全國(guó)前列[9]。由于該機(jī)場(chǎng)特殊的地理位置及地質(zhì)條件,填方邊坡變形及高填方沉降變形成為機(jī)場(chǎng)最主要的工程病害。機(jī)場(chǎng)在建設(shè)過程中曾發(fā)生了7次滑坡[10],自2003年通航以來,又發(fā)生了5次高填方滑坡,嚴(yán)重影響機(jī)場(chǎng)正常運(yùn)營(yíng)。

本文以攀枝花機(jī)場(chǎng)東南角高填方邊坡為例,對(duì)其宏觀變形、工程地質(zhì)條件進(jìn)行了分析,探討了該高填方邊坡變形破壞的復(fù)雜力學(xué)機(jī)制,可為應(yīng)急搶險(xiǎn)及工程治理方案制定提供依據(jù)、為類似高填方邊坡的分析與治理提供參考。

1 工程概況

1.1 地形地貌特征

研究區(qū)為山區(qū)峽谷地貌,地形起伏大、高差大(圖1)。機(jī)場(chǎng)建設(shè)前為一條形山脊,建設(shè)后形成高度達(dá)66 m的高填方邊坡。

圖1 滑坡全貌Fig.1 Overall view of landslide

1.2 地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)地層自上而下依次為第四系人工填土層(Q4ml),第四系全新統(tǒng)殘、坡積層(Q4el+dl),下伏基巖為侏羅系下統(tǒng)益門組(J1y)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°。

區(qū)內(nèi)存在一向斜構(gòu)造,走向NNW,向SSE傾伏,其軸部通過跑道中心點(diǎn)附近,滑坡所在區(qū)在該向斜東北翼,地層產(chǎn)狀106°～112°∠18°～21°,見圖2。巖層中發(fā)育有兩組張節(jié)理:① J1節(jié)理產(chǎn)狀65°～87°∠85°～87°,間距3～5 m,閉合-微張開,黏土及硅質(zhì)充填;② J2節(jié)理產(chǎn)狀264°～280°∠82°～86°,間距5～15 m,閉合-微張,黏土或硅質(zhì)充填。

圖2 坡腳基巖露頭Fig.2 Slope toe bedrock

1.3 氣候與氣象條件

研究區(qū)氣候特點(diǎn):降雨集中,高溫、干旱。圖3為機(jī)場(chǎng)2007～2022年降雨量分布。由圖3分析可知,年最大降雨量1 025.2 mm(2017年),年最小降雨量496.0 mm(2012年),年平均降雨量為745.0 mm。圖4為機(jī)場(chǎng)2007～2022年月平均降雨量分布。由圖4分析可知,降雨集中在5～10月,雨季中的降雨量平均占年降雨量的97.8%左右,研究區(qū)降雨具有集中且經(jīng)常暴雨的特征。

圖3 年平均降雨量分布Fig.3 Rainfall distribution of average annual

圖4 月平均降雨量分布Fig.4 Distribution of monthly mean rainfall

1.4 建設(shè)期邊坡治理措施

機(jī)場(chǎng)建設(shè)期,自坡頂向坡腳,每?jī)杉?jí)邊坡坡率分別按1∶1.5、1∶1.75、1∶2.0放坡,放坡高度為8.0～10.0 m,放坡平臺(tái)寬2.0 m。建設(shè)期采取了預(yù)加固措施,坡腳設(shè)漿砌片石擋墻,坡體內(nèi)側(cè)設(shè)有阻滑鍵,北側(cè)2級(jí)馬道、5級(jí)馬道處設(shè)有抗滑樁支擋。

2 坡體變形演化階段分析

2.1 變形破壞過程及其特征

滑坡在不同變形階段,會(huì)在坡體的不同變形部位產(chǎn)生拉應(yīng)力、壓應(yīng)力、剪應(yīng)力等局部應(yīng)力集中,并在相應(yīng)部位產(chǎn)生與其力學(xué)性質(zhì)對(duì)應(yīng)的裂縫。因此,坡體裂縫是滑坡啟動(dòng)與發(fā)展演化最直觀的宏觀特征。通過裂縫發(fā)展特征進(jìn)行滑坡演化階段的識(shí)別是一種十分簡(jiǎn)單有效的手段。

2016年10月調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn),該高填方邊坡有變形跡象,因而立即對(duì)滑坡區(qū)進(jìn)行全面宏觀變形調(diào)查。分析表1的各部位裂縫分布特征可知,滑坡體后緣、左右側(cè)、坡腳裂縫表現(xiàn)出的變形特征不同。后緣及坡腳變形較左、右側(cè)及中部強(qiáng)烈。后緣產(chǎn)生基本平行于坡體走向的拉張裂縫,調(diào)查時(shí),3條裂縫還未完全貫通。左右側(cè)均產(chǎn)生了剪切變形跡象,左側(cè)剪切裂縫已有一定的延伸,右側(cè)裂縫呈零星分布,未發(fā)現(xiàn)明顯連續(xù)裂縫。坡腳產(chǎn)生明顯的鼓脹變形,具體為五級(jí)平臺(tái)截水溝被擠壓錯(cuò)斷,擋墻局部?jī)A倒變形。

表1 坡體各部位變形特征

2.2 坡體變形演化階段

由表1可知,滑坡后緣拉張裂縫已形成但未完全貫通,且有下錯(cuò),左右側(cè)界羽狀裂縫有發(fā)育跡象,前緣剪出口已出現(xiàn)擠壓變形,具有推移式滑坡的變形特征。根據(jù)宏觀變形特征,變形特點(diǎn)總結(jié)為后部拉張變形強(qiáng)烈、側(cè)翼剪切變形蠕動(dòng)、坡腳鼓脹擠壓變形突出。由變形特征判斷滑坡中后部向前產(chǎn)生了少量移動(dòng),致使前段抗滑部分受擠壓,此時(shí)中后部滑帶已基本形成。綜合判斷該滑坡處于擠壓變形階段。

3 滑坡基本特征分析

3.1 滑坡形態(tài)特征

滑坡平面呈前緣不對(duì)稱的簸箕狀,縱向北側(cè)寬大,南側(cè)窄小?？v向最大長(zhǎng)約162 m,橫向?qū)捈s246 m,后緣至剪出口高差最大達(dá)68 m,鉆孔揭露滑體最大厚度達(dá)32.3 m,滑體總體積約50.42萬m3,為大型填筑體滑坡。

3.2 滑坡邊界特征

該滑坡周界清晰,滑坡后緣位于土面區(qū)張拉下錯(cuò)裂縫處,裂縫走向24°～33°,與巡場(chǎng)路走向基本一致。左側(cè)周界依附于巡場(chǎng)路至一級(jí)馬道處剪切裂縫,走向327°～21°?；掠覀?cè)以巡場(chǎng)路張開裂縫北端至五級(jí)馬道截水溝溝壁外傾變形段為界?；录舫隹谠谄麦w南側(cè)沿坡腳便道、截水溝溝底展布,至五級(jí)馬道截水溝傾倒損毀處并沿該平臺(tái)向北延伸。

3.3 滑坡結(jié)構(gòu)特征

勘察鉆孔揭示:坡體地層自新向老依次為坡頂人工填土,色雜,以強(qiáng)風(fēng)化砂巖、炭質(zhì)泥巖角礫、碎石為主,有黏土充填,最大厚度達(dá)33 m;下覆全風(fēng)化殘坡積角礫土、碎石土,黃褐-灰褐色,黏土充填,含水量較高,呈可塑-堅(jiān)硬狀,層厚度變化較大,最大可達(dá)12 m;基底基巖為侏羅系下統(tǒng)益門組砂巖、炭質(zhì)泥巖,呈互層狀產(chǎn)出。

滑面位置依據(jù)鉆孔巖心結(jié)合鉆進(jìn)縮孔情況、物探揭示和地質(zhì)綜合分析確定,見圖5。該滑坡發(fā)育有一層滑帶(面),主滑段滑動(dòng)帶(面)依附于全風(fēng)化殘、坡積層?；瑤烈詺埰路e層中灰白色黏土夾層為主,含水量高,呈軟塑狀,泥膜呈灰白色;滑面泥膜處可見明顯粗粒土擦痕,揉皺嚴(yán)重,見圖6。傾角隨滑面位置的不同而略有變化,主滑段滑面傾角12°～17°,滑面埋深最大達(dá)32.3 m,橫向呈中間深、兩側(cè)淺,在南、北兩側(cè)受原地面控制。

圖5 典型工程地質(zhì)斷面Fig.5 Typical engineering geology section

圖6 鉆孔及樁坑中揭露滑面Fig.6 Expose sliding surfaces in boreholes and pile pits

4 滑坡成因分析

4.1 坡體結(jié)構(gòu)不利于排水

工程地質(zhì)調(diào)查結(jié)果表明:滑坡區(qū)山體具有單斜構(gòu)造特點(diǎn),見圖7。機(jī)場(chǎng)修建時(shí),邊坡上分層填筑了塊碎石土,且覆蓋于表層未完全清除的全風(fēng)化含泥質(zhì)砂巖、炭質(zhì)泥巖殘坡積層之上;填筑土以下基巖為侏羅系炭質(zhì)泥巖、砂巖,緩傾互層狀產(chǎn)出;由此,形成特殊的上軟下硬順傾坡體結(jié)構(gòu)。

圖7 滑坡區(qū)地層結(jié)構(gòu)示意(距離單位:m)Fig.7 Schematic diagram of strata structurein in landslide area

野外調(diào)查巖層產(chǎn)狀為106°～112°∠18°～21°,巖層走向與邊坡走向小角度相交,與滑坡的滑動(dòng)方向一致。區(qū)內(nèi)單向順傾的炭質(zhì)泥巖、砂巖互層,使地下水向同一個(gè)方向匯集后具有沿層面滲流的條件;基巖中發(fā)育的2組張性節(jié)理,形成了基巖中裂隙水流通的通道,使基巖裂隙水從機(jī)場(chǎng)西側(cè)甚至機(jī)場(chǎng)山梁西側(cè)直接進(jìn)入滑體,有了地下通道。機(jī)場(chǎng)填筑邊坡時(shí),由于底部及填筑體內(nèi)設(shè)置的排水措施偏少,而滑坡后緣為寬大的土面區(qū)平臺(tái),強(qiáng)降雨后,大部分降水下滲至坡體內(nèi),因滑體填土層黏土含量高、賦水性較好、孔隙連通性差、徑流不暢,降水下滲后難以向水位較低的臨空方向滲流消散。

4.2 坡體富水

(1) 地下水補(bǔ)給充分?；聟^(qū)地下水補(bǔ)給主要通過降雨入滲。由圖3可知:近幾年來,該地區(qū)年降雨量普遍較大,尤其近3 a降雨較以前明顯增大。由圖4可知:該地區(qū)降雨集中,雨季集中了全年95%以上的降雨,雨季特大暴雨多,具有點(diǎn)暴雨特征。因此,該地區(qū)地下水補(bǔ)給充分。

(2) 坡體地下水豐富。工程地質(zhì)勘察階段采用高密度電法對(duì)滑坡區(qū)地下水進(jìn)行了探測(cè),結(jié)果見圖8。物探成果表明:土面區(qū)及坡體內(nèi)部含水豐富,二級(jí)馬道以上至場(chǎng)坪土面區(qū)地段電阻率明顯偏低,說明該處為滑坡體主要富水區(qū)域,具有窩狀不連續(xù)分布特征,呈明顯的成層性。通過分析鉆孔中含水層段巖心,結(jié)果表明:含水層具有黏土含量高、賦水性較好、孔隙連通性差、徑流不暢,坡內(nèi)地下水難以快速消散等特點(diǎn)。

圖8 典型剖面物探成果Fig.8 Typical section geophysical results

4.3 滑動(dòng)機(jī)理

該段高填方邊坡按一定穩(wěn)定坡率填筑后,采取了支擋結(jié)構(gòu)加固,但是該預(yù)加固的高填方邊坡在維持了13 a的穩(wěn)定后,產(chǎn)生了滑動(dòng)變形。對(duì)其原因進(jìn)行如下分析。

(1) 13 a間,每年的強(qiáng)降雨都是對(duì)坡體的一次累進(jìn)性加載過程。在長(zhǎng)期的時(shí)間效應(yīng)下,強(qiáng)降雨入滲后,由于填料的不均勻性,填料中細(xì)粒土在長(zhǎng)期滲透力的拖拽作用下,向填筑體的下部富集;而坡體下部為單向順傾的炭質(zhì)泥巖、砂巖互層,泥巖滲透系數(shù)遠(yuǎn)小于上部填筑體,相對(duì)隔水,滲流通道在泥巖頂部被阻,經(jīng)歷長(zhǎng)期的時(shí)間作用,細(xì)粒土在此富集,形成了一層灰白色泥膜,即為滑面。良好的補(bǔ)給條件及地下水在坡體內(nèi)的長(zhǎng)期賦存,導(dǎo)致滑坡中后部土體飽和,自重增加,滑體匯集的地下水向滑帶下滲,滑帶長(zhǎng)期處于飽和狀態(tài),導(dǎo)致滑帶土抗剪強(qiáng)度衰減。

(2) 該段邊坡填筑厚度大,邊坡自重應(yīng)力大,又由于坡體中孔隙水壓力和滲透壓力的聯(lián)合作用,填筑體沿殘坡積層蠕動(dòng)變形逐漸增大。隨著時(shí)間累積,在坡體已有的支擋結(jié)構(gòu)附近形成應(yīng)力集中,抗滑支擋結(jié)構(gòu)逐漸被剪斷,產(chǎn)生了累進(jìn)性的破壞,滑面逐漸貫通。

5 穩(wěn)定性分析及治理措施

由前述坡體宏觀變形、坡體特征分析可知,該滑坡處于擠壓變形階段,需進(jìn)行工程整治?；抡喂こ痰暮诵膯栴}為滑坡推力的確定?；峦屏侠碛?jì)算的首要問題即滑坡體巖土物理力學(xué)參數(shù)選取、滑坡穩(wěn)定性的綜合分析。

5.1 巖土物理力學(xué)參數(shù)選取

通過現(xiàn)場(chǎng)鉆探采取原狀滑帶土與滑床土樣,測(cè)試天然及飽和狀態(tài)下滑帶土的強(qiáng)度指標(biāo)。表2為室內(nèi)試驗(yàn)及原位測(cè)試得到的滑帶土、滑床基巖的基本物理力學(xué)參數(shù)。由表2分析可知,滑帶土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、φ值應(yīng)結(jié)合原位直剪、反復(fù)直剪結(jié)果綜合選取。綜合比較后,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果選取c=14 kPa、φ=14°。

表2 巖土體參數(shù)

為了解滑坡穩(wěn)定性與滑帶土抗剪強(qiáng)度的關(guān)系,選取3條主滑剖面進(jìn)行反算。計(jì)算公式采用GB 50330-2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》中的傳遞系數(shù)法進(jìn)行。根據(jù)反算結(jié)果及試驗(yàn)取值,類比附近滑坡工點(diǎn)的參數(shù)后,最終選取的指標(biāo)見表3。

表3 推薦巖土參數(shù)

5.2 滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

在滑坡演化的滑帶土強(qiáng)度衰減、滑動(dòng)面剪切貫通、滑動(dòng)周界延展閉合等過程中,滑坡整體穩(wěn)定度不斷變化。一般滑坡變形分為4個(gè)階段:蠕動(dòng)階段(1.05

根據(jù)表1所描述的滑坡變形空間特征分析,其后緣已產(chǎn)生局部貫通的拉裂縫、左側(cè)界產(chǎn)生一基本貫通羽狀裂縫,右側(cè)未形成連續(xù)性貫通裂縫,前緣剪出口已產(chǎn)生,局部擋墻也已垮塌。通過變形特征分析,擠壓變形微地貌特征已基本發(fā)育完全。滑坡整體處于擠壓變形階段,在自然工況下,其穩(wěn)定系數(shù)為1.03～1.00,基本處于滑動(dòng)前的極限穩(wěn)定狀態(tài)。

滑坡穩(wěn)定性分析計(jì)算以平面極限平衡法為依據(jù),將滑體垂直分條,采用傳遞系數(shù)法計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見表4。由表4可知,自然、暴雨工況下滑坡整體處于欠穩(wěn)定狀態(tài),地震工況下滑坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

表4 穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

5.3 治理工程措施

滑坡推力分析計(jì)算是治理工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。采用傳遞系數(shù)法,分別按天然、暴雨及地震等3種工況計(jì)算樁位處推力,對(duì)應(yīng)安全系數(shù)分別取1.20,1.15,1.10,具體見表5。

表5 工程位置處推力計(jì)算

由于該滑坡滑面深,滑坡推力大且地下水豐富,治理方案采用支擋工程與排水工程相結(jié)合的方式。根據(jù)滑坡推力大小,支擋結(jié)構(gòu)采用普通抗滑樁、預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁強(qiáng)支擋。地下排水結(jié)構(gòu)措施采用集水井聯(lián)合井內(nèi)仰斜排水孔疏排地下水。工程斷面布置見圖9。為評(píng)價(jià)治理工程的可靠性,采用數(shù)值模擬方法,依據(jù)圖9工程治理斷面建立數(shù)值模型,對(duì)治理后坡體穩(wěn)定性進(jìn)行分析,計(jì)算結(jié)果見圖10。由圖10可知,治理工程實(shí)施后,最大塑性剪應(yīng)變區(qū)集中于坡體原始滑帶(面)部位,滑體后部的塑性變形已不明顯,抗滑樁及坡腳擋墻無變形,說明抗滑樁及坡腳擋墻防治效果較好。治理后穩(wěn)定系數(shù)Fs=1.38,坡體處于穩(wěn)定狀態(tài)。集水井的實(shí)施,使得坡體中地下水及時(shí)疏排,保證了巖土體抗剪強(qiáng)度不衰減,有利于坡體的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

圖9 典型工程治理斷面Fig.9 Cross-section of typical engineering management

圖10 塑性區(qū)分布Fig.10 Plastic differential layout

治理工程施工完畢后,在樁頂設(shè)置了監(jiān)測(cè)點(diǎn),進(jìn)行了長(zhǎng)期位移監(jiān)測(cè),結(jié)果見圖11。分析圖11可知:各監(jiān)測(cè)點(diǎn)曲線基本呈水平狀,滑坡變形得到了有效控制,治理效果良好。

圖11 累計(jì)位移(沉降)-時(shí)間曲線Fig.11 Accumulated displacement (settlement)-time curves

6 結(jié) 論

本文以攀枝花機(jī)場(chǎng)東南角高填方邊坡為例,進(jìn)行了滑坡變形治理研究,得到以下結(jié)論。

(1) 分析坡體宏觀變形可知:該段坡體變形具有推移式滑坡的變形特征:后部拉張變形強(qiáng)烈、側(cè)翼剪切變形蠕動(dòng)、坡腳鼓脹擠壓變形突出?；谧冃维F(xiàn)狀,綜合研判滑坡處于擠壓變形狀態(tài)。

(2) 通過工程地質(zhì)勘察,查明了滑坡平面形態(tài)特征、邊界特征及空間結(jié)構(gòu)特征。特殊的上軟(填筑體)下硬(砂泥巖層)、單斜、緩順傾坡體結(jié)構(gòu)是該滑坡發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)。由此導(dǎo)致坡體有利于降雨下滲,但不易排出。坡體富水是滑坡的誘發(fā)因素。在長(zhǎng)期孔隙水壓力和滲透壓力的聯(lián)合作用下,填筑體沿殘坡積層蠕動(dòng)變形逐漸增大。隨著長(zhǎng)時(shí)間的累積,抗滑支擋結(jié)構(gòu)逐漸被剪斷,產(chǎn)生了累進(jìn)性的破壞,滑面逐漸貫通。

(3) 根據(jù)室內(nèi)土工試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)的成果進(jìn)行反算,確定了滑帶土物理力學(xué)參數(shù)。基于宏觀變形特征,結(jié)合傳遞系數(shù)法分析,結(jié)果表明:滑坡整體在自然、暴雨工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài),在地震工況下處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

(4) 基于該滑坡特點(diǎn),提出抗滑樁支擋與集水井疏排地下水的綜合治理措施。工后監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,該措施治理效果良好。