田永鑄

(中鐵十二局集團第三工程有限公司， 太原 030024)

重載鐵路黃土潛在滑動高邊坡整治分析

田永鑄

(中鐵十二局集團第三工程有限公司， 太原 030024)

通過對某重載鐵路黃土潛在滑動高邊坡分析，結(jié)果表明：坡體臨空面發(fā)育、坡體存在軟弱結(jié)構(gòu)面、地表黃土裂隙發(fā)育并嚴重切割坡體、以及連續(xù)強降雨雨水入滲是形成該坡體潛在滑動的主要原因；結(jié)合該潛在滑坡體的地形地貌特征、高邊坡坡體巖性特性以及鐵路線位高程設(shè)置等因素綜合考慮，對潛在滑坡體坡頂?shù)臈壨敛捎们宸綔p載措施，對清方后的坡面采用沖擊碾壓，在潛在滑坡周界設(shè)置截水溝加強潛在滑坡體的防排水，在線路附近的潛在滑坡體前緣設(shè)置抗滑樁和樁板墻抵抗剩余下滑力和土壓力。經(jīng)變形監(jiān)測表明該潛在滑坡體加固效果良好，鐵路運營安全。

黃土高邊坡； 潛在滑坡體； 原因分析； 整治措施

1 概述

由于黃土本身的特性，如濕陷性、大孔隙、力學強度低等，黃土地區(qū)的山體常伴有滑坡等地質(zhì)災害發(fā)生，是造成工程損失的重要原因之一[1-6]。位于黃土邊坡上的鐵路工程建設(shè)應重視這一問題，及時發(fā)現(xiàn)滑坡問題，采取治理措施，避免造成工程損失。

山西某重載鐵路工程DK 20+205～+385段橫穿黃土丘陵地帶，該段工程涉及1處橋梁工點和1處路基工點。該工程施工期內(nèi)發(fā)現(xiàn)，工程左側(cè)160 m至右側(cè)120 m范圍內(nèi)發(fā)生山體變形，經(jīng)現(xiàn)場踏勘發(fā)現(xiàn)，山體出現(xiàn)大量裂縫，大的裂縫主要為3道貫通裂縫，裂縫寬度最大為1.6 m，上下錯臺最大達到2.0 m，同時發(fā)育較多小裂縫及多處地面隆起，部分橋址區(qū)樁基部位地面隆起，具體位置如圖1所示。

圖1 李家塔滑坡地形地貌及滑坡治理方案圖

為消除山體滑動形成滑坡給后續(xù)施工建設(shè)及工程運營造成安全隱患，避免經(jīng)濟損失，對該段工程目前存在的潛在滑坡災害進行了專項治理。本文首先介紹了該段工程內(nèi)的區(qū)域地質(zhì)條件，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合勘查資料分析了潛在滑坡產(chǎn)生的原因；然后給出產(chǎn)生潛在滑坡的誘因，有針對性地給出了潛在滑坡治理的方案。經(jīng)過近三年的山體變形監(jiān)測，表明所用治理方案是恰當?shù)?，目前該區(qū)域內(nèi)的山體邊坡穩(wěn)定，該段鐵路工程運營良好。

2 潛在滑坡區(qū)概況

2.1 地形地貌

潛在滑坡體地處呂梁山西坡黃土丘陵區(qū)，地形起伏較大，高程912.93～1 002.8 m，相對高差40～80 m。工程所在位置為山前黃土緩坡地帶，北側(cè)為一河流，地形單傾，東南高西北低，表覆厚層黃土，發(fā)育4個大的深切黃土沖溝匯入河流，近河岸側(cè)陡坎下部基巖裸露。平時河內(nèi)及沖溝內(nèi)無水。

2.2 地層巖性

結(jié)合地質(zhì)調(diào)查、鉆探等工作及區(qū)域地質(zhì)資料，該區(qū)地層從新到老分布如下：

(5)第三系上新統(tǒng)(N2)：①粉質(zhì)黏土：棕紅色，堅硬～硬塑，可見黑色鐵錳質(zhì)顆粒，局部含姜石層；②粉土：黃褐色，潮濕，密實，土質(zhì)不均；③中砂：黃褐色，潮濕，密實，主要以長石、石英為主，含少量礫石，一般粒徑2～25 mm。

(6)三疊系下統(tǒng)劉家溝組(T1l)：①砂巖：灰白色，強～弱風化，砂狀結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，主要由長石、石英組成，泥質(zhì)膠結(jié)，局部含泥質(zhì)條帶，巖芯大部分呈短柱狀；②泥巖：灰綠色、紫紅色，全風化～弱風化，主要由黏土礦物組成，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育；③泥質(zhì)砂巖：暗紫紅色、青灰色，強風化～弱風化，砂狀結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，主要由石英、長石、云母等礦物組成，局部相變?yōu)楸幽鄮r。

2.3 特殊巖土

室內(nèi)試驗表明，該區(qū)域內(nèi)新黃土具濕陷性，濕陷系數(shù)δs=0.015～0.079，根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》[4]，該黃土場地為Ⅱ級(中等)自重濕陷性場地。此外，該區(qū)域內(nèi)第三系上新統(tǒng)粉質(zhì)黏土具有弱膨脹性。

2.4 水文地質(zhì)特征

(1)地表水

潛在滑坡區(qū)大氣降水多以線流、片流由坡體自高而下排泄，未見地表水體或溪溝水流，僅在滑坡前緣坡腳分布有一條小河流，平時河內(nèi)無水。

(2)地下水

潛在滑坡區(qū)地下水主要為基巖裂隙水及第四系、第三系孔隙水，基巖裂隙水，賦存于砂巖、泥質(zhì)砂巖裂隙中，地下水水位低于溝底河床，高程為917.00 m。經(jīng)取樣試驗分析地下水具硫酸鹽侵蝕性，環(huán)境作用等級H1。

3 潛在滑坡特征及形成條件分析

3.1 潛在滑坡特征

3.1.1 潛在滑坡形態(tài)特征

潛在滑坡體東西向?qū)捈s220 m，南北向長約260 m。平面面積約為4萬m2。該潛在滑坡整體形態(tài)清晰，輪廓明顯。潛在滑坡后壁呈圈椅狀，東西兩側(cè)邊界明顯，東南后側(cè)為厚層施工棄土覆蓋。潛在滑坡體被眾多裂縫切割，土體整體破碎。該潛在滑坡主滑方向為315°，同時受局部基巖面變化及潛在滑坡周界存在多個臨空面的影響，潛在滑坡體又表現(xiàn)為不同滑向的區(qū)域，依據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及工程地質(zhì)斷面圖、潛在滑坡基巖等高線圖綜合分析將潛在滑坡區(qū)分為5個區(qū)塊，分別為Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)、Ⅳ區(qū)、Ⅴ區(qū)(見圖1)，方向分別為：231°、306°、334°、31°、315°。

3.1.2 潛在滑體巖土特征

潛在滑坡地勢總體東南高西北低，原地表沖溝發(fā)育，新老黃土土體破碎，垂直節(jié)理和裂隙發(fā)育，為地表水入滲的主要通道。潛在滑坡體物質(zhì)主要為新黃土及老黃土，兩側(cè)及前緣厚度稍薄，土石界面東南高，北西低，整體傾向溝心方向，具順層趨勢。受地表水和地下水的影響，潛在滑坡體內(nèi)老黃土含水量較高，一般為16.0%～24.2%，為相對軟弱層，主要分布于坡體中下部，該層上部坡體易沿該層產(chǎn)生新的潛在滑坡。

3.1.3 滑床巖土特征

根據(jù)勘探揭露潛在滑坡體滑床巖性主要為三疊系劉家溝組(T1l)泥巖、泥質(zhì)砂巖、砂巖，其次為第四系粉質(zhì)黏土。在潛在滑坡體后部滑床巖性為粉質(zhì)黏土，呈棕紅色，土體較致密，含大量鈣質(zhì)結(jié)核；在潛在滑坡體中前部滑床巖性主要為泥巖、泥質(zhì)砂巖、砂巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，呈全風化～弱風化。

3.1.4 滑動面特征

潛在滑坡不同部位其潛在滑面形態(tài)和特征是不同的，經(jīng)現(xiàn)場勘察及調(diào)查，潛在滑坡前緣剪出口較為明顯，同時通過槽探開挖可見粉質(zhì)黏土與基巖接觸面有光滑面，并且有擦痕，在潛在滑坡體中部，鉆探孔中土石界面處薄層粉質(zhì)黏土中均可見充填黃土，土體明顯擾動擠壓；在潛在滑坡體后部，鉆孔揭示新黃土與粉質(zhì)黏土界面中粉質(zhì)黏土有充填黃土。潛在滑坡體整體滑動界面順層傾向溝心，埋深5～30.7 m，屬深層潛在滑坡。

潛在滑坡Ⅰ區(qū)滑面前段主要為粉質(zhì)黏土的頂面，后段在新老黃土中；潛在滑坡Ⅱ區(qū)滑面主要為粉質(zhì)黏土的頂面，部分前段為土石界面；潛在滑坡Ⅲ區(qū)滑面主要為土石界面，后緣段在土層中；潛在滑坡Ⅳ區(qū)滑面主要在土層中，前段為土石界面；潛在滑面Ⅴ區(qū)滑面主要為土石界面。從以上總結(jié)可以看出，潛在滑坡體滑面主要為粉質(zhì)黏土與新老黃土分界面以及土石界面。

3.2 潛在滑坡形成條件分析

結(jié)合現(xiàn)場踏勘及詳細的地質(zhì)勘查成果，總結(jié)潛在滑坡體的變形原因如下：

(1)復雜的地形地質(zhì)條件以及隱蔽的軟弱結(jié)構(gòu)面是潛在滑坡發(fā)生的內(nèi)在原因。

(2)潛在滑坡區(qū)位于溝河三級階地，地勢高，臨空面發(fā)育。河流下切作用強烈，沿河一、三級堆積階地發(fā)育明顯，二級階地(基巖階地)發(fā)育較弱，三級階地(高程985 m)與河床(高程915 m)之間高差達70 m，與一級階地(高程929 m)之間高差達56 m。三級階地順河斷續(xù)分布，受地表水流侵蝕的影響，沖溝極為發(fā)育，在潛在滑坡區(qū)周圍分布了4條大的沖溝，將潛在滑坡體分割成不同的小單元，形成眾多臨空面，且相對高差較大，易發(fā)生滑坡重力地質(zhì)現(xiàn)象。

(3)潛在滑坡區(qū)地層軟弱，特殊巖土發(fā)育。定測期間以及后續(xù)的鉆探均表明，潛在滑坡區(qū)上覆的新老黃土孔隙大，具有濕陷性，且垂直節(jié)理發(fā)育，是良好的地表水下滲潛蝕的介質(zhì)。第三系粉質(zhì)黏土厚度不大，相對隔水，下伏基巖頂部的泥巖是良好的隔水層，但由于粉質(zhì)黏土、泥巖本身含有的親水礦物的特性，具弱膨脹性，在水的浸潤下極易軟化，強度降低，容易形成軟弱帶或滑面。

(4)地層結(jié)構(gòu)復雜，結(jié)構(gòu)面眾多，軟弱帶具隱蔽性。根據(jù)勘察新老黃土與粉質(zhì)黏土界面、土石分界面與下伏基巖產(chǎn)狀呈基本一致的形態(tài)，傾角很小但均傾向于河流，略帶順層。根據(jù)區(qū)域地殼活動，以及從沉積的地層層序、厚度以及階地發(fā)育情況可以判斷，潛在滑坡所屬區(qū)域內(nèi)第三系與三疊系、第三系與第四系中更新統(tǒng)之間為地殼抬升沉積間斷期，存在兩次古老的侵蝕剝蝕面，恰好形成了潛在滑坡范圍內(nèi)第三系粉質(zhì)黏土的頂面與底面，雨水入滲后成為潛在滑坡體內(nèi)隱蔽的軟弱帶或滑面。

(5)連續(xù)幾年降雨入滲量增大，浸潤了土體及軟弱結(jié)構(gòu)面，誘發(fā)了坡體變形。根據(jù)當?shù)?001～2010年各月降雨量統(tǒng)計表明：自2007年以后本區(qū)年降雨量較前期明顯有所增大，降雨多集中于雨季(6～9月)，超過全年降雨量的50%。2007～2009年降雨量較大，尤其最大降雨量發(fā)生在2009年8月達188.7 mm。降雨量近幾年的不斷增大，地表入滲量也相應增大。降雨入滲后，土體容重增大，浸潤軟化土體中的結(jié)構(gòu)面，尤其是潛在滑坡區(qū)位于河流的南側(cè)屬于陰坡不利蒸發(fā)地段，加之新老黃土屬于良好的入滲介質(zhì)，促使粉質(zhì)粘土及泥巖遇水軟化形成軟弱部位。因此，降雨入滲量的增大促使了坡體變形的發(fā)生。

3.3 潛在滑坡形成原因總結(jié)

綜上所述，線路經(jīng)過的黃土峁梁區(qū)，地形地貌、巖性特征、地層結(jié)構(gòu)均屬于地質(zhì)條件極為復雜地段，其臨空面發(fā)育，巖性軟弱，結(jié)構(gòu)面復雜，在特定條件下容易產(chǎn)生土體失穩(wěn)等不良地質(zhì)現(xiàn)象，在連續(xù)幾年降雨量增大的不利條件下，因該范圍沖溝發(fā)育，雨水容易下滲，而降雨入滲浸潤使土體容重增大，形成軟弱面引起土體強度降低，破壞了自然平衡條件，是引發(fā)坡體潛在滑動的根本原因。

4 潛在滑坡整治

4.1 整治思路

本段線路內(nèi)潛在滑坡體以新黃土為主，地表裂縫發(fā)育，潛在滑坡體被裂縫切割破碎，針對變形坡體破碎、裂縫封堵措施實施困難，同時考慮到在坡體后緣堆填施工棄土是產(chǎn)生坡體變形滑動的因素，故本段潛在滑坡整治措施以清方減載為主，輔以支擋抗滑、加強地表防排水措施。

4.2 下滑力計算

綜合分析潛在滑坡區(qū)地形圖和工程地質(zhì)縱斷面，對于潛在滑坡主軸滑面及前緣臨空斷面進行穩(wěn)定性分析，穩(wěn)定性分析采用勘察資料推薦的潛在滑面力學指標c=2 kPa，φ=8°，抗滑安全系數(shù)K=1.25。在對潛在滑坡體后緣進行清方減載后再計算抗滑支擋結(jié)構(gòu)的下滑力，并與支擋結(jié)構(gòu)的土壓力結(jié)果進行比較，取計算力中的大值。

4. 3 潛在滑坡整治措施

綜合考慮引起潛在滑坡體滑動的地形地貌等因素，以及通過對潛在滑坡體下滑力的計算結(jié)果，采取如下整治措施。

(1)清方減載

將引起潛在滑坡體滑動的施工棄土清除。結(jié)合坡體地形地貌條件、潛在滑面高程、潛在滑坡主滑方向與線路走向的關(guān)系、路肩高程等工程實際情況，同時考慮到棄土高程與路肩高程基本相同，故確定清方高程至路肩設(shè)計高程。通過以上大幅的清方減載，可有效的減小潛在滑坡的剩余下滑力，防止坡體局部產(chǎn)生越頂?shù)目赡苄?，降低了坡體進一步滑動的風險，如圖2所示。

圖2 清方減載代表性斷面

(2)加強防排水措施

地下水和地表水歷來是引起滑坡的主要原因。為了避免地表水下滲至滑面，引起潛在滑面土體強度的降低，軟化滑動面土層，首先對潛在滑坡體清方后的表面進行沖擊碾壓，人工加速土體密實過程，消除地表產(chǎn)生的裂縫，防止地表水的下滲；在潛在滑坡體外側(cè)5 m的邊界處設(shè)置梯形排水溝，同時在潛在滑坡體中上部設(shè)置一橫向排水溝，并與周邊排水溝組成通暢的地表排水系統(tǒng)，保證潛在滑坡體的地面水能夠及時的排到坡體外側(cè)，坡體外側(cè)的地表水不進入潛在滑坡體。

(3)增設(shè)抗滑樁(樁板墻)支擋結(jié)構(gòu)

在清方減載加強防排水的基礎(chǔ)上，對清方減載后尚有剩余下滑力的地段布設(shè)抗滑樁(樁板墻)進行抗滑支擋，并在大橋末墩和臺尾設(shè)置鋼筋混凝土圍護樁。由于該潛在滑坡前緣較寬，中部較窄，且線路從潛在滑坡中部穿過，將抗滑樁布設(shè)在潛在滑坡中部下滑段前緣。這樣做既有效對潛在滑坡體進行抗滑，又能夠減少抗滑樁的布設(shè)根數(shù)，便于施工，并節(jié)省投資。

抗滑樁分兩大類：① 路基工點抗滑樁設(shè)置為樁板墻結(jié)構(gòu)，設(shè)置在路基右側(cè)，共設(shè)12根抗滑樁，該結(jié)構(gòu)可兼具收坡及抗滑的作用；② 橋梁工點抗滑樁屬埋入式抗滑樁，共16根，布設(shè)在橋梁范圍大里程橋臺外側(cè)。所有抗滑樁樁間距6.0 m，樁截面尺寸2.5 m×3 m，如圖2、圖3所示。

圖3 橋梁墩臺埋式抗滑樁

(4)橋梁墩臺加強措施

增設(shè)橋梁墩臺圍護樁：考慮到潛在滑坡體滑動對大橋末墩及臺尾基礎(chǔ)的影響，于大橋末墩及臺尾橋梁承臺基礎(chǔ)外側(cè)3 m(凈距)，設(shè)置鋼筋混凝土圍護樁，樁徑1.25 m，樁長23～25 m，樁間距1.8～1.85 m，圍護樁頂采用1.5 m(寬)×1.0 m(高)冠梁連接， 如圖4所示。

圖4 橋梁基礎(chǔ)圍護加固

橋梁墩臺基礎(chǔ)加強：考慮到圍護樁并不能使滑動過的破碎土層恢復到天然狀態(tài)下的承載能力，尤其是末墩和臺尾處在滑坡體的中下部，土層很破碎，已經(jīng)喪失原有承載能力，故對墩臺樁基礎(chǔ)進行加強。為滿足剛度及樁身受力要求，將末墩基礎(chǔ)由8根1 m直徑樁調(diào)整為8根1.25 m直徑樁，樁長由27 m調(diào)整為33 m，相應承臺由5 m×10.4 m×2 m調(diào)整為7.5 m×12.7 m×2.5 m；臺尾基礎(chǔ)由9根1 m樁基調(diào)整為9根1.25 m樁，樁長由27 m調(diào)整為28 m，相應承臺由8.4 m×8.8 m×2 m調(diào)整為9.1 m×9.1 m×2.5 m。

5 潛在滑坡變形監(jiān)測

潛在滑坡變形監(jiān)測項目主要包括地表變形監(jiān)測、深部位移監(jiān)測。潛在滑坡整治施工完成后，在坡體的如下位置布置了監(jiān)測系統(tǒng)，以確保鐵路安全。

(1)潛在滑坡主要滑動方向；

(2)重要的鐵路工程結(jié)構(gòu)物，如李家塔大橋的12號橋墩和臺尾，路基樁板墻；

(3)潛在滑坡的前緣，中部，后緣等影響坡體穩(wěn)定的重要部位；

(4)潛在滑坡地質(zhì)剖面界限處，如土石界限，潛在滑動面等。

監(jiān)測過程中采用射線網(wǎng)法建立了觀測網(wǎng)。在潛在滑坡外側(cè)穩(wěn)定坡上設(shè)置A、B兩個置鏡點，每個置鏡點覆蓋滑坡設(shè)置4～5個觀測斷面，觀測斷面相交處為觀測樁。采用水準儀、經(jīng)緯儀或全站儀測量，監(jiān)測邊坡水平、垂直位移等變形狀態(tài)。

此外，還在潛在滑坡沿土石分界面等潛在滑動面處開展了深部位移監(jiān)測。通過埋設(shè)測斜管，測斜管內(nèi)安裝雙向測斜傳感器，精確測量了巖土層內(nèi)部水平位移。

目前該潛在滑坡體整治完成至今已將近3年時間，目前鐵路已經(jīng)開通運營，經(jīng)過對各觀測點位的長時間觀測，整個坡體范圍均未出現(xiàn)變形及位移，線路狀況良好。

6 結(jié)束語

(1)該段線路經(jīng)過地質(zhì)條件復雜的黃土峁梁區(qū)，地表溝壑節(jié)理發(fā)育，黃土地層軟弱，是誘發(fā)潛在滑坡災害的內(nèi)在原因。在連續(xù)幾年降雨量增大的不利條件下，遇水下滲，進一步引起土體強度降低，破壞了自然平衡條件，是形成潛在滑坡體的根本原因。

(2)潛在滑坡整治首先通過棄土清方處理，有效地減小了變形坡體的下滑力，防止了局部產(chǎn)生越頂?shù)目赡苄裕档土藵撛诨麦w進一步滑動的風險；其次，加強了疏排水設(shè)施，減小遇水入滲引起的土體強度降低，保證土體有足夠的強度抵抗下滑變形；最后，采用在關(guān)鍵部位增設(shè)抗滑樁、加強原有工程基礎(chǔ)的方式，有效阻止了潛在滑坡體的進一步蠕動，并且保證了原有工程的穩(wěn)定性。

(3)經(jīng)過近3年的變形潛在滑坡體變形監(jiān)測，結(jié)果表明：目前該潛在滑坡體并未出現(xiàn)進一步變形，鐵路運營狀況良好。

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Control Analysis on Loess High Slope with Potential Landslide of Heavy Haul Railway

TIAN Yongzhu

(The 3th Engineering Co.,Ltd. of China Railway 12th Bureau Group，Taiyuan 030024， China)

Through the analysis on loess high slope with potential slide of a heavy haul railway, the results show that: the development of slope free face, weak structural surface of slope, surface loess fracture development and severely cut slope as well as continuous heavy rainfall infiltration is the main reason for potential slope slide; combining with the terrain features of potential landslide , high slope lithologic characteristics and railway line elevation setting, on the crest of a potential landslide , then impact rolling is adopted for the slope and drainage ditch is set at potential landslide perimeter to strengthen the waterproof and drainage of potential landslide, anti-slide pile and pile plate wall are set in the line near the leading edge of a potential landslide to resist soil pressure and sliding force. The deformation monitoring shows that the potential landslide reinforcement effect is good, railway operations are safe.

high loess slope; potential landslide; cause analysis; control measures

2016-04-08

田永鑄(1974-)，男，高級工程師。

1674—8247(2016)03—0082—05

U239.4

A