康欽容，夏緣帝，王亞軍，張衛(wèi)中，祝啟坤，馮超冉

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

隨著經濟的增長，中國基礎交通建設也得到了快速發(fā)展，但在其修建過程中，問題也隨之出現，其中相對較嚴重的便是滑坡問題，而滑坡問題中最常見的便是順層滑坡，其主要發(fā)生在公路、鐵路[1]等大型工程。巖質順層滑坡多是巖層沿層面發(fā)生滑動，在有軟弱巖層或存在人工開挖等情況時易于發(fā)生[1]。對于滑坡的影響因素主要為內部的因素和外部的因素，地質地貌條件是影響其穩(wěn)定性的內在因素，當有較軟弱巖層存在時易造成滑坡。地表水、地下水活動以及人工活動等是影響其穩(wěn)定性的外在因素，當邊坡滲透性較好易于地下水滲透時，將導致土體重度增加，該邊坡造成滑坡的可能性將增大。

近年來，由于滑坡事故的頻發(fā)，越來越多的中外學者對滑坡的穩(wěn)定性及其防護做出研究，探討滑坡的誘發(fā)因素。張修杰等[2]通過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]通過對其在巖質邊坡的滑動平面徑向滑移及其破壞形成機制情況進行統(tǒng)計分析,得出了當張力巖裂隙的土壤充水率高度已經完全達到臨界額定值時其在巖質邊坡的滑動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]通過滑坡形機理分析出該路段由于長期處于飽和狀態(tài)，土體抗剪強度較小，若在原有基礎上加減土體將失去平衡而導致滑坡。汪丁健等[5]通過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]通過分析呂梁地區(qū)高速公路邊坡穩(wěn)定性得出由于邊坡內部水作用降低了邊坡的穩(wěn)定性，導致邊坡失穩(wěn)。在探討邊坡失穩(wěn)的誘因方面，學者們雖然從不同角度進行了分析，但具體的研究方法并不詳細。

針對滑坡穩(wěn)定性分析方法的具體情況，葉唐進等[7]通過探究降雨條件下滾石斜坡失穩(wěn)機理研究推導出適用于滾石斜坡穩(wěn)定性計算法。He等[8]通過分析滑坡地形地貌等內在因素對其進行穩(wěn)定性分析，結果表明，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。Nie等[9]采用邊界元法分析滑坡穩(wěn)定性，再結合強度折減技術使滑面處于極限平衡狀態(tài)，得出非線性接觸的收斂性。徐國強等[10]采用極限平衡條分法對滑坡進行穩(wěn)定性分析，得出影響滑坡穩(wěn)定性的主要原因。

基于此，現以廣州增城至從化高速公路K8+160～K8+515段工程為實例，以監(jiān)控數據分析為理論基礎,深入探討該區(qū)段滑坡的變形特點,采用極限平衡法與數值分析法分別對其進行穩(wěn)定性的分析。從內部的影響因素和其他外部影響因素來分析該段滑坡可能產生的風險,對于該段滑坡問題提出防治措施建議,以期保障高速公路的安全通行,減少工程經濟損失。

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,其山區(qū)地貌多為丘陵地帶,山體整個結構總體上呈上陡下緩,上部的山坡坡度相對較大,中下部的山坡坡度相對較小。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)域處是緯向構造體系與新華夏構造體系之間的一個復合分叉交界點,使得在該區(qū)域內所產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,動態(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)因次生地質地貌構造及邊坡工程施工,造成淺部砂巖表層土體次生地質裂隙融合發(fā)育、連接,形成了砂巖表層淺部網絡狀次生裂隙融合發(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

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

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

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

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

(3)滑坡HP3：位于YK8+280～K8+460右側的邊坡上,未見明顯的后緣,但一級邊坡坡面上的預應力錨頭大多已經翹起、失效,第一級邊坡平臺上的截水溝和第二級邊坡坡腳的斜面已經在局部處出現了裂縫,底部路肩局部出現隆起，K8+450的中逕中橋橋面伸縮縫已有明顯的錯位(圖1)且地表水下滲入邊坡導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，該邊坡呈現出多層滑面且影響較大的特點，由于地下水的下滲，該邊坡存在深層滑面的可能性較大，總體表現為大小不一，深度不同的復雜滑坡群。

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

在進行邊坡深層水平位移監(jiān)測時，主要將其分為三個斷面進行監(jiān)測，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+280一級平臺8.0 m深處，斷面K8+320一級平臺15.0 m深處，K8+240二級平臺深5.5 m和塹頂的深10.0 m，斷面K8+280二級平臺14.0 m處均出現位移的突變，表明該滑坡的潛滑面主要出現在這些位置。根據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)測圖可知，滑坡出現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，坡體已經出現一定程度的變形。一旦外動力作用條件發(fā)生變化，原有的平衡狀態(tài)極易被打破，可能導致路塹邊坡發(fā)生大規(guī)模整體滑動。從監(jiān)測結果分析，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，使其強度軟化，整體穩(wěn)定性發(fā)生突變進而導致滑坡。

3 滑坡穩(wěn)定性分析

3.1 滑面分析

通常情況下認為當邊坡發(fā)生滑動時，最可能發(fā)生滑動的面是安全系數最小的滑動面[11]。該段滑坡在暴雨條件下，坡體出現大量拉張裂縫和防護結構破壞，坡腳公路路肩出現隆起，參考地表位移監(jiān)測成果，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)，具備參數反演條件。

圖4 一級平臺位移監(jiān)測圖Fig.4 Displacement monitoring chart of first stage platform

圖5 塹頂、二級平臺位移監(jiān)測圖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生的地表巖性、山體特征、地勢風貌、降雨和其他影響人類在工程中的活動而引起的[12]。由工程地質情況可知，所在區(qū)域為兩條斷層相交部位，在構造作用下，下伏頁巖節(jié)理裂隙發(fā)育，在地下水長期作用下極易形成連貫的薄弱面。一旦外部動力條件略微發(fā)生變化，現有的平衡狀態(tài)將會被打破，很有可能會直接導致道路邊坡出現大規(guī)模的整體性滑動。

3.3 極限平衡定量分析

根據滑坡監(jiān)測結果分析，該邊坡的穩(wěn)定性分析可分為三個區(qū)進行(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。三個區(qū)分別選取 C-C、A-A、E-E三個典型斷面進行滑坡穩(wěn)定性計算與分析，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進行參數反演，對滑面C-2進行穩(wěn)定性驗算。Ⅱ區(qū)為K8+270～K8+400，選取A-A典型斷面的滑面A-1進行參數反演，對滑面A-2、A-3進行穩(wěn)定性驗算。Ⅲ區(qū)為K8+400～K8+515，選取E-E典型斷面的滑面E-1進行參數反演，對滑面E-2進行穩(wěn)定性驗算?；鎱等绫?所示,滑面采用計極限平衡法進行參數反演，計算公式為

(1)

(2)

圖7 斷面圖Fig.7 Sectional drawing

式中：Ci為第i條塊的內聚力，kPa；RDi為滲透壓力產生的垂直分力，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條塊內摩擦角，(°)；Li為第i條塊滑面長度，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；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塊段時的傳遞系數(j=i)，即

ψj=cos(αi-αi+1)-sin(αi-αi+1)tanφi+1

(3)

計算得斷面的滑面安全系數如表2所示。

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

表1 滑面參數Table 1 Sliding surface parameters

表2 典型斷面的滑面安全系數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1.00，狀態(tài)欠穩(wěn)定；滑面A-3的安全系數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，安全系數為0.99，滑面狀態(tài)不穩(wěn)定；滑面E-2的安全系數1.02，滑面狀態(tài)欠穩(wěn)定。

通過以上的計算分析結果表明,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,并且系數小于1,導致了邊坡的發(fā)生滑移或者破壞。加之邊坡的挖掘嚴重破壞了路塹的穩(wěn)定性,其中以斷面A-A為例表現最明顯。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)生較大深層滑動的危險。

3.4 滑坡數值分析

滑坡巖土體變形破壞滿足修改的莫爾-庫侖強度準則，計算模型中采用的物理力學參數如表3所示。

3.4.1 Ⅰ區(qū)C-C斷面

根據邊坡開挖前后FLAC模擬結果分析顯示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，說明開挖對斷面穩(wěn)定性的影響遠小于降雨帶來的影響。斷面無論是天然狀態(tài)下還是飽和狀態(tài)下破壞均發(fā)生在表面，無深層發(fā)展的可能。

3.4.2 Ⅱ區(qū)A-A斷面

根據邊坡數值模擬計算出斷面在不同情況下的穩(wěn)定性系數如表5所示。該斷面對應的塑性分布如圖10所示。

表3 計算參數取值表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Table 4 C-C section natural-saturated state stability coefficient

圖8 C-C斷面天然狀態(tài)下開挖前、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Table 5 A-A section natural-saturated state stability coefficient

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

根據結果顯示，該邊坡在天然狀態(tài)下均保持穩(wěn)定。說明邊坡的開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,且在開挖后處于飽和狀態(tài)時欠穩(wěn)定。從飽和狀態(tài)開挖前后塑性區(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挖導致坡體前緣臨空，在連續(xù)降雨后土壤重度增加，導致該邊坡出現一定程度的滑移。

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Table 6 E-E section natural-saturated state stability coefficient

圖11 E-E斷面天然狀態(tài)下開挖前，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

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

數值分析可以明確邊坡初始位置和展現邊坡漸進破壞過程[13-14]。極限平衡原理計算出的滑面穩(wěn)定性系數與數值模擬分析的結果基本相同。通過對數值的分析表明,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,導致了邊坡的發(fā)生滑移或受到破壞。因此,從總體上來說，Ⅰ區(qū)由于受到的破壞都是發(fā)生在坡體的表面,可能會出現淺層滑坡,Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)從塑性的狀態(tài)來說坡體均會發(fā)生一部分滑移,則Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)均有可能出現深層滑動。

4 結論

(1)通過工程地質條件，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，其結構較為松散，穩(wěn)定性較差，透水性較好，易發(fā)生滑塌。

(2)根據極限平衡法和數值分析的計算結果判定出邊坡的潛滑面，以便及時對邊坡采取防護措施。建議選擇放坡法、排水法、支擋法為主,并輔之以錨固法、注漿法針對該類滑坡實施綜合性的治理。

(3)產生滑坡的主要原因為由于工程需要，在施工時對坡腳進行了第三級人工邊坡的開挖，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構松散，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圍農田荔枝林的灌溉，導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，要想標本兼治，治水是關鍵，水的治理主要是截、疏和排。

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

(5)邊坡穩(wěn)定性現狀分為三個區(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，需對淺層進行加固處理；Ⅱ區(qū)淺層狀態(tài)欠穩(wěn)定，深層處于極限平衡狀態(tài)，需對淺層進行加固處理，同時防止深層滑坡；Ⅲ區(qū)整體屬于欠穩(wěn)定狀態(tài)，必須加強該區(qū)的防護。