賴國泉,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“一帶一路”倡議、流域生態(tài)保護與高質(zhì)量發(fā)展等國家戰(zhàn)略的實施,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)項目都要進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行研究。

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

攀枝花機場為一典型山區(qū)高填方機場,填筑高度最高達123 m,斜坡填筑長度達3.6 km,挖方總量達5 800余萬m3,挖填方量居全國前列[9]。由于該機場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場最主要的工程病害。機場在建設(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)重影響機場正常運營。

本文以攀枝花機場東南角高填方邊坡為例,對其宏觀變形、工程地質(zhì)條件進行了分析,探討了該高填方邊坡變形破壞的復(fù)雜力學(xué)機制,可為應(yīng)急搶險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)。機場建設(shè)前為一條形山脊,建設(shè)后形成高度達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:降雨集中,高溫、干旱。圖3為機場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為機場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

機場建設(shè)期,自坡頂向坡腳,每兩級邊坡坡率分別按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級馬道、5級馬道處設(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)對應(yīng)的裂縫。因此,坡體裂縫是滑坡啟動與發(fā)展演化最直觀的宏觀特征。通過裂縫發(fā)展特征進行滑坡演化階段的識別是一種十分簡單有效的手段。

2016年10月調(diào)查時發(fā)現(xiàn),該高填方邊坡有變形跡象,因而立即對滑坡區(qū)進行全面宏觀變形調(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)及中部強烈。后緣產(chǎn)生基本平行于坡體走向的拉張裂縫,調(diào)查時,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,具體為五級平臺截水溝被擠壓錯斷,擋墻局部傾倒變形。

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,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,變形特點總結(jié)為后部拉張變形強烈、側(cè)翼剪切變形蠕動、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,致使前段抗滑部分受擠壓,此時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稱的簸箕狀,縱向北側(cè)寬大,南側(cè)窄小?？v向最大長約162 m,橫向?qū)捈s246 m,后緣至剪出口高差最大達68 m,鉆孔揭露滑體最大厚度達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)張拉下錯裂縫處,裂縫走向24°～33°,與巡場路走向基本一致。左側(cè)周界依附于巡場路至一級馬道處剪切裂縫,走向327°～21°?；掠覀?cè)以巡場路張開裂縫北端至五級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,至五級馬道截水溝傾倒損毀處并沿該平臺向北延伸。

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-堅硬狀,層厚度變化較大,最大可達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,見圖7。機場修建時,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,使基巖裂隙水從機場西側(cè)甚至機場山梁西側(cè)直接進入滑體,有了地下通道。機場填筑邊坡時,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,強降雨后,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) 地下水補給充分。滑坡區(qū)地下水補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,具有點暴雨特征。因此,該地區(qū)地下水補給充分。

(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滑坡區(qū)地下水進行了探測,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,二級馬道以上至場坪土面區(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。

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

4.3 滑動機理

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)生了滑動變形。對其原因進行如下分析。

(1) 13 a間,每年的強降雨都是對坡體的一次累進性加載過程。在長期的時間效應(yīng)下,強降雨入滲后,由于填料的不均勻性,填料中細(xì)粒土在長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,相對隔水,滲流通道在泥巖頂部被阻,經(jīng)歷長期的時間作用,細(xì)粒土在此富集,形成了一層灰白色泥膜,即為滑面。良好的補給條件及地下水在坡體內(nèi)的長期賦存,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,滑帶長期處于飽和狀態(tài),導(dǎo)致滑帶土抗剪強度衰減。

(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變形逐漸增大。隨著時間累積,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,需進行工程整治?；抡喂こ痰暮诵膯栴}為滑坡推力的確定。滑坡推力合理計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)場鉆探采取原狀滑帶土與滑床土樣,測試天然及飽和狀態(tài)下滑帶土的強度指標(biāo)。表2為室內(nèi)試驗及原位測試得到的滑帶土、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度的關(guān)系,選取3條主滑剖面進行反算。計算公式采用GB 50330-2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》中的傳遞系數(shù)法進行。根據(jù)反算結(jié)果及試驗取值,類比附近滑坡工點的參數(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)定性評價

在滑坡演化的滑帶土強度衰減、滑動面剪切貫通、滑動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個階段:蠕動階段(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?；抡w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,基本處于滑動前的極限穩(wěn)定狀態(tài)。

滑坡穩(wěn)定性分析計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)法計算,計算結(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)定性計算結(jié)果

5.3 治理工程措施

滑坡推力分析計算是治理工程設(shè)計的關(guān)鍵。采用傳遞系數(shù)法,分別按天然、暴雨及地震等3種工況計算樁位處推力,對應(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。為評價治理工程的可靠性,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,對治理后坡體穩(wěn)定性進行分析,計算結(jié)果見圖10。由圖10可知,治理工程實施后,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)。集水井的實施,使得坡體中地下水及時疏排,保證了巖土體抗剪強度不衰減,有利于坡體的長期穩(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)測點,進行了長期位移監(jiān)測,結(jié)果見圖11。分析圖11可知:各監(jiān)測點曲線基本呈水平狀,滑坡變形得到了有效控制,治理效果良好。

圖11 累計位移(沉降)-時間曲線Fig.11 Accumulated displacement (settlement)-time curves

6 結(jié) 論

本文以攀枝花機場東南角高填方邊坡為例,進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:后部拉張變形強烈、側(cè)翼剪切變形蠕動、坡腳鼓脹擠壓變形突出。基于變形現(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變形逐漸增大。隨著長時間的累積,抗滑支擋結(jié)構(gòu)逐漸被剪斷,產(chǎn)生了累進性的破壞,滑面逐漸貫通。

(3) 根據(jù)室內(nèi)土工試驗及現(xiàn)場直剪試驗的成果進行反算,確定了滑帶土物理力學(xué)參數(shù)?；诤暧^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,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)測結(jié)果表明,該措施治理效果良好。