引江濟淮江淮分水嶺施工期滑坡原因分析

劉明華，喻雙林，周虹均

(安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司，安徽 合肥 230088)

1 工程概況

引江濟淮工程江淮溝通段J007-1標(J41+681.7—J43+600)位于合肥市蜀山區(qū)小廟鎮(zhèn)，河渠開挖深度22～36m，平均開挖深度27m。河道設計標準斷面：河道底寬60m，底高程13.4m，邊坡坡比巖質邊坡1∶2，土質邊坡1∶3，坡面每抬高6m設一階平臺，一級平臺寬4.0m，二級平臺兼做管護道路，寬8.0m，三級及以上平臺寬3.0m。滑坡段(J43+025—J43+275)左岸設計為五級邊坡，一、二級邊坡坡比為1∶2，三、四、五級邊坡坡比為1∶3，河道開挖自上而下進行，四、五級邊坡于2019年10月開挖完成，一、二、三級邊坡于2019年12月開挖完成，滑坡發(fā)生前河渠開挖底部高程為13.5～13.7m，接近挖到設計高程。河道左岸設計標準斷面如圖1所示。

圖1 河道左岸設計標準斷面

2 滑坡情況

2020年2—7月，樁號J43+025—43+275段河渠左岸一級至五級邊坡及坡頂管護道路先后發(fā)生了四次滑坡，滑坡位置從第一次的三級、四級邊坡逐漸發(fā)展到第四次的一級至五級邊坡及坡頂管護道路，經(jīng)現(xiàn)場測量第一次坍塌面積2500m2，滑坡寬約120m，軸線方向長10～55m，滑坡體隆起高度0.6～1.8m，第四次滑坡滑坡坍塌面積約12000m2，寬約190m，軸線方向長15～90m，滑坡體隆起高度1.0～2.50m。第四次滑坡后現(xiàn)場如圖2所示。

圖2 第四次滑坡后現(xiàn)場

3 工程地質條件

每一次滑坡發(fā)生后，原勘察單位工程地質人員均及時趕到現(xiàn)場開展滑坡后地質測繪取樣工作，對滑坡周界、滑坡形態(tài)及滑面產(chǎn)狀進行測繪、取樣并進行室內試驗，調查滑坡周邊地表水分布情況及滑坡周邊巖體地下水出溢情況，調查滑動面的性質，并研究四次滑動面的相互關系等。

根據(jù)渠道開挖的邊坡揭露地層主要為上更新統(tǒng)粉質壤土、粉質黏土、白堊系粉砂巖、泥質粉砂巖、泥巖。現(xiàn)自上而下分述如下：

⑨層粉砂巖、泥質粉砂巖，局部為粉砂質泥巖、泥巖(K2qz)：該段巖層上部揭露為強風化(⑨1層)一般灰紅色、暗紅色，呈塊及砂狀，層厚約2.0～3.0m；下部為中等風化-新鮮基巖(⑨3層)一般為棕紅色、磚紅色，呈塊狀。上部泥巖與粉砂巖多呈互層狀，下部泥巖多呈薄夾層狀。巖層產(chǎn)狀N55°～85°W，NE∠10°～15°。

場地⑤層粉質壤土滲透系數(shù)一般為i×(10-5～10-7)cm/s，屬弱-極微透水性土層。

強風化粉砂巖一般為弱透水性，中等風化-新鮮基巖一般為微-極微透水性。

根據(jù)現(xiàn)場河道開挖后的斷面顯示，該段高程19.4m以上泥巖和粉砂巖呈互層狀，10～40cm/層，層面發(fā)育，層面較平直規(guī)則、較光滑，巖層產(chǎn)狀N55°～80°W，NE∠10°～15°。泥巖、粉砂質泥巖暗紅色、磚紅色，層面上并夾有5～10cm厚灰白色粉砂質條帶，泥巖內部微裂隙發(fā)育，易破碎呈碎塊狀。所夾泥巖、粉砂質泥巖層面裂隙較發(fā)育，一般10～40cm/條，微裂隙發(fā)育，巖體較破碎，層面并夾有灰白色粉砂質條帶。巖體層面情況如圖3所示。

圖3 巖體層面情況

根據(jù)現(xiàn)場滑坡體特征，滑坡面就發(fā)生在巖體層面上，這些層面只是薄薄的夾層，與夾心餅干類似，地質鉆孔難以揭露，原設計斷面穩(wěn)定計算時未考慮夾層的影響，計算抗滑系數(shù)滿足規(guī)范要求。從現(xiàn)場滑面來看，層面傾角由南向北即左岸傾向右岸，因此左岸發(fā)生滑坡，而右岸則沒有?；碌闹饕硪皇怯赡舷虮钡膶用娲嬖冢菍用嬉虻乇硭疂B入而發(fā)生軟化，摩擦系數(shù)降低，最終導致沿層面發(fā)生滑坡。找出層面性狀改變后的殘余強度，能為分析滑坡原理及后續(xù)治理措施提供至關重要的依據(jù)。為此，地質勘察人員在現(xiàn)場采樣后，對滑帶土進行室內抗剪試驗，同時委托長江水利科學研究院的有關技術人員同步對滑帶附近泥巖進行原狀樣的取樣及試驗工作，最后綜合兩家試驗成果進行最終取值。

4 滑坡成因分析

4.1 滑坡主要特征

根據(jù)施工單位提供的情況說明，2019年12月31日完成一、二、三級邊坡開挖，春節(jié)前的施工即告結束。2020年2月22日節(jié)后復工排查時發(fā)現(xiàn)滑坡，滑動時間應在前述兩時間點之間。另從2020年2月4日中國資源衛(wèi)星日新圖衛(wèi)片中發(fā)現(xiàn)，當日滑坡已存在。再結合近期氣象資料分析，認為第一次滑坡的滑動時間應在2020年1月下旬。后來經(jīng)歷2020年上半年雨量較為豐富的雨季，滑坡陸續(xù)擴大。

整體上看，該段的四次滑動的時間可以分為兩個大的階段，第一階段：2020年1月下旬的第一次滑動；第二階段：2020年6月26日—7月27日的第二次～第四次滑動。第三、四次滑坡滑動速度較第二次慢的多，可能與河渠中水位較高，起到一定的頂托作用有關。4次滑坡均為順泥巖的層面滑動，屬順層滑坡。

第四步：運用分類討論的思想方法．當直線繞原點旋轉運動的過程中,討論兩個函數(shù)圖象交點的個數(shù),得出滿足條件的a的取值范圍為

4.2 滑坡成因分析

根據(jù)前述可知，滑面垂直于河道方向的傾角僅9°左右。過去的經(jīng)驗一般認為，結構面的傾角至少要大于10°，一般要15°以上才可能產(chǎn)生滑動，不然就沒有足夠的下滑力推動。該滑坡在傾角僅9°～10°的情況即產(chǎn)生滑動，足見其在滑動時邊界條件的惡劣?，F(xiàn)分三方面分述其成因。

4.2.1 地形、地質條件

該滑坡位于引江濟淮河渠樁號J43+080～J43+200段左側，該處河渠走向由N64°W向N85W°轉折，左岸為凸岸，河渠開挖后形成弧狀坡形，邊坡整體坡度約17°。滑坡段河渠走向為N75°～65°W，左岸邊坡傾向相應為N15°～25°E?；聨r體由泥巖和粉砂巖構成，且呈互層狀，層面發(fā)育，10～40cm/層，層面較平直規(guī)則，面較光滑，巖層產(chǎn)狀N55°W，NE∠10°，層面與邊坡傾向交角較小，僅10°～20°。為近順坡向緩傾角結構面，對邊坡穩(wěn)定不利。另滑坡巖體內發(fā)育有多組陡傾角裂隙，產(chǎn)狀分別為：①N75°W，SE∠85°；②N32°W，NE∠86°；③N50°W，NW∠60°，陡傾角裂隙與層間結構面構造組合，巖體被切割分離成不連續(xù)狀態(tài)，在邊坡上易形成拉張裂隙，導致陡傾角裂隙的進一步擴大，為滑坡形成提供了必要條件。

從巖土類型上看，滑坡段四、五級邊坡主要為弱膨脹的黏性土，一至三級邊坡主要為極軟巖粉砂巖、泥巖，粉砂巖強度較泥巖稍高，尤其在泥巖遇水軟化后，形成軟硬相間的巖層坡面，這種巖體是產(chǎn)生滑坡的物質基礎。

經(jīng)地質勘察單位室內試驗、長江水利科學研究院試驗成果、工程類比取值以及對滑動面進行反演計算分析，得出滑動層面抗剪強度最終取值：層面在天然狀態(tài)下C=50kPa，φ=19°，遇水軟化、泥化后逐漸降低至C=4kPa，φ=9°。

4.2.2 氣象、水文條件

合肥市多年平均降水量995mm，降水量最高的月份是7月，7月多年平均降水量162mm。而工程區(qū)2019年全年降水量僅426mm，僅是正常年份的43%，為幾十年來的大旱之年。而到了2020年1月又遭遇連續(xù)雨雪天氣，1月份累計降水量達117mm，是合肥1月多年平均降水量35.9mm的3倍以上。相當于邊坡在較短時間內，經(jīng)歷了一次強烈的干濕交替作用。

根據(jù)勘察及取樣試驗成果，泥巖具膨脹性和強崩解性，泥巖在失水情況下，收縮開裂，導致層間結構面張開，為后期地下水提供了滲水通道。大量降雨后，雨水沿陡傾角裂隙下滲，再沿泥巖層面下滲。在滑坡面及一級平臺處現(xiàn)仍有滲水現(xiàn)象存在，下滲后的水導致泥巖膨脹、崩解軟化，抗剪強度降低，產(chǎn)生水壓力，增大巖土體容重，同時水的存在又起到了潤滑作用，為滑坡形成提供了充分條件。

從4次滑坡的時間上看，均處于強降雨之后，說明降雨對滑坡的產(chǎn)生起到關鍵性的誘發(fā)作用。

4.2.3 其他因素

河渠邊坡主要由超固結的膨脹土和崩解軟巖組成，河渠開挖卸載后，打破了原有的應力平衡，地應力向坡面集中，在應力釋放過程中，坡面容易產(chǎn)生張拉裂隙，為各組結構面連接貫通創(chuàng)造了條件。

受春節(jié)假期和新冠肺炎疫情的影響，該段開挖坡面未能及時進行水泥改性土覆蓋施工，造成邊坡放置時間較長，為泥巖層遇水軟化提供了充足的時間，同時由于1月份降雨量偏大，施工臨時排水系統(tǒng)不健全，裸露邊坡反復干濕交替，加劇表面裂隙發(fā)展，導致雨水滲入后，軟化泥巖夾層，抗剪強度降低，形成滑坡。第一次滑坡后，未能及時對滑坡進行加固處理，放置時間較長，也是發(fā)生再次滑坡的原因之一。

綜上，復雜的地形、地質構造條件加上開挖卸荷、邊坡暴露時間較長、施工期降雨量偏多等綜合因素，造成了本段滑坡的發(fā)生。

4.3 滑坡體抗滑穩(wěn)定系數(shù)復核

4.3.1 計算工況

滑坡段河道膨脹土主要分布邊坡頂部，均位于渠道防洪水位25.53m以上，由于滑坡發(fā)生在施工期，因此本次只計算施工期工況，即非常運用條件Ⅰ：施工期河道迎水坡。渠內無水，地下水處于穩(wěn)定滲流，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)允許值1.25～1.20。

4.3.2 計算參數(shù)取值

未軟化的的泥巖、粉砂巖抗剪斷強度取值：C=50kPa，φ=19°，層面抗剪強度取值：C=0，φ=16°；未滑軟化泥巖層面抗剪強度取值：C=17kPa，φ=11°；已滑完全軟化的泥膜抗剪強度取值：C=4kPa，φ=9°；上部膨脹土參數(shù)采用原設計參數(shù)。各層面強度指標取值見表1。

表1 各土層物理力學指標取值表

4.3.3 計算模型

通過現(xiàn)場調查，本段軟巖邊坡為泥巖和粉砂巖錯層分布，坡腳以上有4層泥巖夾層，第一層出露較少，計算不再考慮，咨詢會上專家認為第四層埋藏較深，雨水下滲導致其軟化的可能性較小，但第四次滑坡發(fā)生以后，根據(jù)現(xiàn)場調查及地質探坑揭示，最深滑動面已發(fā)展至第四層泥巖夾層，且從渠底坡腳附近滑出。本次穩(wěn)定分析簡化為平面問題，依據(jù)SL 386—2007《水利水電工程邊坡設計規(guī)范》進行計算分析，具體計算采用南京水準科技有限公司編制的Autobank 7.7程序，計算方法采用摩根斯頓法，計算模型簡圖如圖4所示。

圖4 計算模型簡圖

4.3.4 計算成果

選擇滑坡段斷面沿坡面夾層(第一層泥巖)、潛在滑動面(第二層泥巖)、深層滑動面(第三層泥巖)計算施工期的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)見表2。

表2 典型斷面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)表

對上述穩(wěn)定計算成果分析可見，在邊坡泥巖夾層遇水軟化的情況下，抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)不滿足SL 386—2007《水利水電工程邊坡設計規(guī)范》要求，深層滑動面的計算抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均小于1.0，極易向下發(fā)生滑移。

5 結語

綜上，引江濟淮江淮分水嶺河道邊坡在施工期發(fā)生較大滑坡主要是“天災人禍地害”等多種因素作用的結果，其中“天災”是指邊坡開挖即將完成時遭遇連續(xù)長時間降雨天氣，“人禍”是指當年新冠疫情爆發(fā)，“地害”是指場地自身地質條件復雜、難以通過地質鉆孔完全揭露出下部泥巖中存在遇水軟化的傾斜夾層。在連續(xù)長時間降雨天氣及新冠疫情下，邊坡無法及時進行下一道工序，較長時間暴露，導致雨水下滲，軟化泥巖夾層，最終造成坡面沿層面向河底滑動。