云南龍江特大橋滑坡穩定性及不利因素分析

李俊東

云南地質工程第二勘察院,云南昆明 650200

通過大量的理論研究和工程實踐,國內外大多數專家普遍認為滑坡是內外因素共同作用的結果(陳洪凱等,2000,2001,2002)。對公路邊坡穩定性的研究顯得越來越重要,不僅可為工程設計、施工提供科學的理論依據,而且可對邊坡加固和滑坡的預測預報也具有重要的指導作用(鄭穎人等,2001;胡柳青等,2000)。滑坡產生的根本原因在于組成斜坡的巖土體性質、結構構造和斜坡的外形,這些因素是決定滑坡發生與否及其類別的內部條件,而水的作用、地震和人為因素影響則是誘導或促使加速產生滑坡的外部條件。地質災害的形成條件及影響因素是非常復雜的,是在各種因素作用下的綜合效應(姚玉增等,2010;郭建強等,2003;馮向陽,2007;金小赤等,2008)。地質因素是形成地質災害的基礎,而非地質因素是誘導或觸發條件,加速地質災害的發展過程。因此,在地質災害分析與危害評價、支護與防護措施的制定時,應該首先把握占主導地位的地質因素,同時對各種誘導或觸發因素進行具體問題具體分析。

擬建的保山至騰沖高速公路位于云南省西部、橫斷山脈南段,是云南省干線公路“9210”骨架網、“7719”一般干線網和高速公路網的公路發展總體規劃中的一部分,是昆明至緬甸、印度國際大通道及亞洲公路網的重要組成部分。全線擬建大橋34座,特大橋1座(龍江特大橋)。橋址區路線自龍江鄉邦換村北約500 m處呈南東—北西走向以近垂直的角度跨越龍川江至五合鄉大丙弄村南東,橋軸線走向307°。大橋推薦橋型方案為單跨懸索橋,最大橋高280 m,主跨徑1178 m。其控制性工程——龍江特大橋處于上新統芒棒組玄武巖夾砂礫巖地層區,跨徑逾千米,邊坡高達280 m,邊坡的穩定性對特大橋建設至關重要。

遙感解譯資料(云南地質工程第二勘察院,2005)顯示(圖1),龍江大橋近場區龍江河谷兩岸由滑坡、火山活動等形成的環狀構造特別發育,在云南省地質環境監測總站 2003—2006年完成的騰沖縣及龍陵縣兩縣地質災害調查與區劃報告中,將芒棒盆地地質災害易發性劃分為“特高易發區”。

因此對橋位區附近滑坡的分析研究是十分必要的,滑坡穩定性分析是龍江大橋邊坡穩定性分析中的重要內容之一,一方面,滑坡對大橋工程存在直接影響,另一方面,對既有滑坡破壞模式(范文等,2006)的研究,可作為進行邊坡穩定性分析時的類比對象。

圖1 龍江特大橋周邊待查滑坡分布圖Fig.1 Distribution of landslides to be ascertained around the Longjiang Giant Bridge

滑坡調查是本勘察項目工程地質測繪的主要內容,龍江大橋橋位區則是本次勘察的重點區域,在地面測繪的同時動用了鉆探、物探、淺井、探槽和取樣試驗手段。橋位區外圍近場區其它滑坡主要結合遙感解譯資料,采用測繪手段對重點區域現場進行調查、核實,滑坡區工程地質條件與橋位區類似,對研究橋位區邊坡穩定性有重要的借鑒意義。

整體滑坡形成于1954年,滑坡下滑時產生了堵江現象,滑坡產生時主滑體一次下滑,將龍江右岸向左推移,堰塞湖翻壩后龍江河床左移,原本右凹的河床現變為平直河段。同時,滑坡后緣留下高近百米的陡崖和滑坡洼地,滑坡主滑體滑動結束后,滑體后部陡崖及兩側壁上受滑坡牽引拉張面松動的巖體進一步崩塌、滑塌,使后緣洼地變淺,周界形態進一步改造變化成為現狀下的不規則形狀。另根據滑坡后部陡崖高度推算,滑坡滑動時的垂直位移量約為70～90 m。

1 龍江特大橋1號滑坡區巖層特征和水文地質特征

龍江特大橋1號滑坡發育于龍川江河床至Ⅲ級階地前緣部位新近系上新統芒棒組二段玄武巖夾砂巖、礫巖、粘土巖、透鏡狀粘土巖地層中,共有 3個砂巖、粘土巖夾層。滑坡所處地層環境為:后部陡崖頂出露第四旋回花崗質砂礫巖夾粘土巖,厚度1.3～39 m;后部陡崖及兩側Ⅲ階地前緣至Ⅱ級階地后緣之間陡坡部位出露玄武巖,厚度約 150 m;Ⅱ級階地前緣部位分布有第三旋回底部砂巖、粘土巖,滑坡體上于ZK27、ZK29號鉆孔內滑床穩定地層內揭露到該層位,厚度 6.1～9.3 m;第二旋回底部砂巖、粘土巖夾層位于河床上26 m至下90 m(推測),高程1085～1201 m范圍;第二旋回玄武巖地貌上位于Ⅰ級階地后緣至Ⅱ級階地前緣部位。故H1滑坡發育的地層環境為第二、三旋回的玄武巖。

(1)滑體為第四系松散土層,其中包含礫亞粘土、碎石土、塊石土三個亞層。滑帶土主要分布于玄武巖弱風化層頂面,局部位于強風化層底部或凝灰巖、凝灰質玄武巖、凝灰質砂巖頂部。巖性為強風化砂狀、角礫狀玄武巖;玄武巖、凝灰巖風化的可塑狀粘性土。

(2)滑床主要由芒棒組二段第二、第三旋回旋玄武巖夾兩層砂巖、粘土巖軟弱層構成,玄武巖層弱風化且巖體相對較為完整;第二旋回底部砂巖、粘土巖軟層僅在滑坡前緣出露,第三旋回底部砂巖、粘土巖軟弱層分布高程大致在 1269.8～1281.7 m,大致與橋位區內龍江Ⅱ級階地前緣部位對應。

龍江特大橋1號滑坡產生前,從位于滑坡外圍的分水嶺形態可以看出,龍江特大橋 1號滑坡產生前,坡面上亦是一個以現地表分水嶺為界的獨立匯水區域,斜坡上產生的地表水流通過數條小沖溝匯集后流入龍江,滑坡的產生并未改變原有匯水條件(圖2)。

圖2 龍江特大橋1號滑坡工程地質剖面縮略圖Fig.2 Simp lified engineering geological section of No.1 landslide in Longjiang Giant Bridge area

滑坡體地下水補給來源為大氣降雨,滑體內僅在雨季或雨季后一段時間內存在重力水,滑體上地下水的流動速度快,排泄迅速。地下水位高時,滑體上松散巖類孔隙水于滑體中前部以泉或沿溝溢出的方式排泄。

滑床及周邊玄武巖裂隙孔洞水及砂巖、粘土巖孔隙裂隙水主要接受大氣降雨補給,地下水補給下滲、賦存及運移通道主要為玄武巖中的節理、氣孔及砂巖、粘土巖孔隙三種,逕流方向以坡頂向龍江河谷方向為主,排泄方式有泉、沿溝河溢出等方式。

2 滑坡形態描述

龍江特大橋 1號滑坡位于龍江橋 K21+208～K21+656段右側149～754 m范圍,主滑體龍江特大橋1號—1平面形態似“馬蹄形”,兩側次級滑塊呈長條形或半圓形。各次級滑塊規模詳見表 1。該滑坡前緣高程1183～1184 m,后緣高程1350 m。滑坡體在軸向剖面線上中前部呈直線型,地形坡度29°。后部存在兩級滑坡平臺,并存在洼地。一級平臺位于主滑體北部,高程 1300～1360 m,平臺呈南北向(垂直滑坡滑動方向)延伸,長 130 m,寬 30～70 m,平臺前緣形成了四面高起中部下凹的洼地。二級平臺位于主滑體南部,高程 1300～1400 m,平臺呈長軸方向南北的橢圓形,長130 m,寬70 m,平臺上存在順滑坡拉張裂縫發育的南北向溝谷及洼地。

3 滑坡破壞模式和形成機制

3.1 破壞模式分析

本次勘察期間對滑坡周邊巖體結構進行調查和統計分析,結果顯示:滑坡周邊發育的 8組優勢結構面,代表性產狀見表2。第⑦組節理對滑坡的形成至關重要,其傾向與坡向相同,傾角較坡略緩,是斜坡巖體在應力作用下破裂面發展過程中追蹤的主要軟弱面。傾向近東、西向(第①組)結構面可作為第⑦組結構面的補充,在滑裂面在沿第⑦組節理發展受阻時可轉沿第①組節理發展,直到與下一段節理面串通,最終形成階梯式滑裂面。

由此可看出,龍江特大橋 1號滑坡存在形成切割邊界的陡傾角結構面組合,亦存在形成滑裂面的結構面組合。從滑坡后部陡崖及南側巖壁形態和結構面發育情況分析,滑坡后部和側面邊界主要由陡傾角結構面控制,而滑動面主要由第⑦組結構面起主控作用,第①組起輔助作用。結構面構成滑坡邊界條件的組合方式如圖3所示。

表1 龍江特大橋1號滑坡次級滑塊形態、規模一覽表Table 1 Morphologies and scales of sub-blocks of No.1 landslide

表2 龍江特大橋1號滑坡后部陡崖優勢結構面代表性產狀一覽表Table 2 Representative attitudes of preferred planes of rear scarps of No.1 landslide

根據鉆探揭露結合周界形態分析,龍江特大橋1號滑坡滑動面為折線型,滑動面傾角17°～34°。如前所述,滑坡周邊巖體內普遍存在傾向與坡向相同,陡傾角和緩傾角的二組節理,其中傾角與滑面傾角相近的一組節理面為巖體變形時破裂面追蹤的主要對象。陡傾角節理面對破裂面形成的貫通起輔助作用,即在破裂面沿⑦組節理面沿伸受阻時,①組節理面可起到溝通作用。

綜上所述,龍江特大橋 1號滑坡形成時的破壞模式為整體滑動型,滑動速度為速滑方式。滑坡產生前,滑坡后部及兩側邊界已存在,此邊界由巖體中節理幾組節理面對巖體交叉切割形成,其中后部邊界由1～3組結構面共同切割巖體形成。

滑動面形成是巖體在重力、地下水壓力等內部應力作用下,巖體沿結構面不斷位移變形且漸進式由上向下擴展。滑動面向下發展到一定程度后,坡體中沿破裂面跡線方向未貫通的巖體難以抵抗上部強大的剪應力而在瞬間破壞,形成快速下滑的滑坡。

圖3 龍江特大橋1號滑坡邊界形成模式解析圖Fig.3 Formation model of the boundary of No.1 landslide

3.2 滑坡形成機制

橋位區所在區域內滑坡、崩塌成因與新構造運動及外動力地質作用密切相關,由前述可知,橋位區周邊滑坡、崩塌基本上產生在龍江河谷或其支流近龍江入口段。存在此分布規律,除因地殼上升、龍江強烈切割形成陡岸坡臨空面外,尚與橋位區內巖體結構面發育密切相關,結構面發育程度和組合方式是玄武巖滑坡形成的關鍵因素。對龍江岸邊滑動方向與河流流向垂直的滑坡,走向近南北向、北北東—北東向、北西—北北西向的1～3組節理可構成其后邊界,以走向近南北向的一組起主控作用。走向近北東向、近東西向及南西向的1～3組結構面可構成其側邊界,其中以近東西向的結構面起主控作用。走向近東西向的緩傾結構面對滑動面起主控作用,近東西向的中、陡傾角結構面可起到溝通輔助作用。構造運動是結構面形成的最主要因素,而橋位區內新近系玄武巖則主要是新構造運動的產物。因此,橋位區周邊滑坡、崩塌發育,歸根結底是新構造運動和河流侵蝕作用的結果。

龍江特大橋1號滑坡的成因除上述因素外,水文地質條件亦是不可忽視的因素。前已述及,龍江特大橋 1號滑坡區存在一獨立的匯水單元,后部陡崖上方發育數條小沖溝,沖溝水流長期沿裂縫滲入是促成滑面形成貫通的重要因素。地層巖性是構成邊坡的物質基礎。巖性決定了巖石的強度、抗風化能力、遇水軟化等性質,這些都會直接影響邊坡的穩定性。地層中的軟弱夾層及其空間分布組合若形成順坡向夾層,則這些軟弱夾層就構成邊坡穩定性的控制層位,如該區玄武巖中的凝灰巖、砂巖中的粘土巖。其自身強度均較低,抗風化能力差也易于軟化,強度若進一步降低,由其控制的邊坡穩定性較差。

雖然地表的殘坡積松散層和全-強風化層處在地表,其穩定性相對較差。但其影響深度和范圍有限,對橋基區影響較小。主要是靠近橋基區的松散層和全-強風化層會對橋基有一定影響,更重要的是結構面組合條件以及強度可能產生潛在較深層的巖層失穩,這會影響橋基區的穩定性。

4 穩定性計算與分析

4.1 定性分析

龍江特大橋1號滑坡為一次滑動徹底(自地形高處滑至地形最低處)、形成時間長的老滑坡,滑坡形成時已有54年。根據見證者所述,滑坡主滑體一次滑動至龍江河床,主滑體及南側龍江特大橋 1號～2號次級滑體后再未產生過進一步活動。目前滑體后部裂縫、后緣洼地已大部分被陡崖上方崩落的巖塊及水流沖積物充填,兩側邊界處除地形上的溝谷和滑坡邊界兩側地層巖性的突變外,其它滑坡特征已消失殆盡,整個滑體上已長滿植被。滑坡體上施工的 4個勘探孔中所揭露滑帶均含角礫粘土,已固結成密實狀。由此判斷,滑坡目前處于穩定狀態。

4.2 滑面確定

根據現場工程地質調查和對滑坡進行實測,選取有代表性的剖面15-1(圖4)。初步判斷可能存在的滑動面,再利用地質鉆孔資料進一步分析判斷滑動面,對滑坡體剖面在極限平衡狀態下進行穩定性分析。結合龍江特大橋邊坡的情況,經綜合分析確定龍江特大橋 1號滑坡安全控制標準為:在考慮地震影響時穩定安全系數取 1.05;暴雨或連續降雨工況下取1.1;天然狀態下取1.30。

龍江特大橋邊坡工程安全等級屬一級邊坡。邊坡處于地震等荷載作用狀態下的工況取 1.05～1.15;邊坡處于暴雨或連續降雨狀態下的工況取 1.1～1.2;邊坡處于天然狀態下的工況取1.20～1.30。

4.3 參數取值

滑帶土的抗剪強度,對滑坡穩定性計算和抗滑工程設計是一個非常重要的參數,它的正確選擇直接影響到滑坡穩定性計算的準確性和抗滑工程設計的合理性。

圖4 龍江特大橋1號滑坡15-1剖面滑裂面計算圖Fig.4 Calcula tion diagram of slip surface along 15-1 profile of No.1 landslide

本文采用反算和試驗綜合取值確定滑坡抗剪強度參數,具體過程如下:根據野外實測和勘察成果,繪制出滑坡主滑斷面的工程地質剖面圖;然后進行大剪試驗,測定在外力作用下,特大橋所處邊坡的砂礫巖、玄武巖及其軟弱夾層巖土體本身的抗剪強度和變形的試驗,求出特大橋邊坡巖土體的正應力與剪應力的關系,為驗算特大橋邊坡的穩定性提供巖土體評價基礎的依據。通過綜合取值(云南地質工程第二勘察院,2008)大致確定滑動面及各有關巖層的容量、粘聚力、內摩擦角的取值范圍。相關參數和抗剪強度如表3、表4。

表3 滑坡土體物理力學指標統計表Table 3 Phy sical and mechanical indexes of landslide soil mass

表4 滑坡抗剪強度統計表Table 4 Statistics of shear strength of landslide

表5 龍江特大橋1號滑坡穩定性計算結果表Table 5 Calculation results of stability of No.1 landslide

4.4 安全系數計算

由于各滑裂面巖層分布復雜,結合滑坡區地形起伏、巖性分層、地下水位及其變化、滑坡區堆積體地形、地質及水文特征等綜合分析,粘聚力和摩擦角綜合計算值,分別使用斯賓塞法(Spencer法)、傳遞系數法(顯式)、畢肖普簡化法(Bishop簡化法),沙爾瑪法(Sarma法)和瑞典圓弧法(方玉樹,2008;張健等,2005)進行綜合計算。表中給出了滑裂面各種工況下安全系數。計算結果見表5。

從表 5中可以看出,該滑坡在各工況下均處于穩定狀態,安全系數在標準值以上,與滑坡目前整體穩定狀態一致。所以滑坡目前處于穩定狀態。

5 不利因素分析

(1)造成滑坡產生的主導因素——龍江對滑坡前緣的側蝕作用依然強烈,滑坡前緣原為龍江河流凹岸,因滑坡下滑改造,目前成為平直河段,河床內現有2～10 m寬的河漫灘,漫灘后存在2～8 m高的松散堆積層陡坎,多見新鮮坍塌的痕跡,為汛期洪水沖蝕作用的結果。河流側蝕使滑坡前緣陡崖進一步變陡,可促使滑坡整體或局部復活。

(2)滑體后部陡崖上方數條小沖溝,溝水流向滑體,于后壁頂部貫通地表的裂縫及滑體后部塊石、碎石層滲入補給滑體內地下水,這是影響滑坡及后部陡崖穩定的重要因素。

(3)滑坡后部陡崖卸荷節理發育,自陡崖頂起算,卸荷帶最寬處80 m,卸荷節理延伸到地表寬度最大20 cm,地表可見的延伸長度 80 m。陡崖高度70～90 m,陡崖面坡度55°～70°,目前陡崖面上仍不時發生小規模崩塌,龍江特大橋 1號滑坡后部陡崖屬不穩定邊坡。

6 結論

(1)通過對滑坡穩定性以及不利因素的分析,得出龍江特大橋 1號滑坡目前處于穩定狀態,但在前緣河流側蝕及后部溝水匯入的長期影響下,滑坡仍有可能出現整體復活或局部復活。滑坡再次活動,會使后部陡崖進一步變得高陡,促使陡崖卸荷變形帶變寬,向后擴展影響到右岸橋墩。

(2)目前,對龍江特大橋 1號滑坡穩定性存在不利影響的自然及人為因素尚有多個方面。因此提出幾點防治建議:

a、滑坡前緣修筑人工河堤,消除河流對滑坡的側蝕作用。

b、滑坡后部陡崖上方結合陡崖邊坡防治設置排水工程,將后部小沖溝水流引從兩側穩定沖溝排除邊坡區。

c、保護滑坡區地表植被和地質環境,禁止在滑坡體上進行大面積切坡開挖。