五盂高速公路K21～K25段順層滑坡變形特征及破壞原因分析

王 海，郭 銳，趙昀昀

(山西省交通規劃勘察設計院)

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五盂高速公路K21～K25段順層滑坡變形特征及破壞原因分析

王 海，郭 銳，趙昀昀

(山西省交通規劃勘察設計院)

五臺至盂縣高速公路在K21～K25段分布有八段順層路塹邊坡，邊坡巖體中的中～緩傾角結構面及軟弱夾層發育，路塹的開挖已引起七段邊坡發生不同程度的變形或滑動。根據工程地質勘察結果及施工過程中邊坡變形情況，依托代表性的五號高邊坡，從邊坡的地質環境及多次變形特征入手，對其形成原因及破壞機制做了分析研究。研究結果表明，邊坡中軟弱夾層的存在，加之長期的差異風化蝕變、構造作用、降雨、不規范施工等原因，是該邊坡產生滑動的控制性因素。對該邊坡的研究，可為以后類似邊坡(滑坡)勘察及處治提供依據及參考。

邊坡工程；順層滑坡；軟弱夾層；破壞機制

1 引 言

山西五臺至盂縣高速公路K21～K25段位于五臺山東南部阜平穹狀隆起區內，該隆起區以裸露的前長城系結晶基底為特征，受區域變質作用，巖性多以片麻巖和片巖為主，地層產狀較穩定，總體向西傾，傾角15°～28°。由于該路段基本平行于巖層走向布設，因此在路線設計上，不可避免地遇到大量的順層邊坡。這些順層邊坡中，有八段邊坡高度大于30 m，在切坡過程中，就有七段邊坡發生了變形或滑坡。因此，對變質巖順層邊坡破壞規律及處治對策的研究，對高速公路工程建設及滑坡防治具有十分重要的意義。

前人對順層邊坡的破壞機制進行了大量的研究。肖國峰等通過滑坡區的全面監測，研究了硬巖中傾順層邊坡變形特征和破壞機制。黃潤秋、楊天鴻等分析了幾種特殊條件下的順層邊坡變形破壞機制，并據此進行了相應的邊坡穩定性分析。成永剛，楊明亮等，對沉積巖順層滑坡進行了成因分析，并提出了各種治理措施及建議。

基于五盂高速公路K21～K25段中5號深路塹切方開挖引起的滑坡，以地質勘察成果為基礎，追蹤了邊坡整個切坡過程中發生的多次變形及相應的處治對策，系統分析了邊坡每次滑移過程中的變形特征，并結合該邊坡的地形地貌特征、巖性特征、結構面特性及施工條件，研究了變質巖順層邊坡的破壞機制。

2 滑坡區工程地質條件

2.1 地形地貌

該路段位于太行山西側滹沱河一級支流牛道溝東側山體斜坡上，地貌單元屬于構造侵蝕中低山區，溝底與山頂最大高差約400 m。牛道溝兩側山體近南北走向，兩側山體地形地貌截然不同，空間上呈不對稱“V”字型，一側中緩坡，一側陡坡。東側地形相對較緩，坡角一般在20°～30°，侵蝕沖溝較發育，蜿蜒曲折，且延伸距離較長，切割較深，受牛道溝河流的侵蝕作用，坡面上形成多處相對平緩的侵蝕臺階(高階地)，并生長有少量的灌木及雜草，目前已大部分改造為耕地；西側地形較陡，陡坎和絕壁發育，坡角一般在35°～60°，基巖沖溝短，縱坡大。

東、西兩側地形地貌表現出山體的不同侵蝕特征，東側山體反應了巖體沿層理(片理)面被剝蝕侵蝕的特點，西側山體反應了巖體沿節理裂隙侵蝕剝蝕的特點，在剝蝕侵蝕的過程中，東側山體可能以滑坡、滑塌形式侵蝕剝離，西側山體可能以崩塌形式侵蝕剝離。

2.2 地層特征

(1)第四系全新統殘坡積層(Qdl+el4)

該組地層分布于滑坡區中下部位置，厚度變化較大，一般1～3 m，由稍密碎、塊石組成，黏性土充填，碎塊石與黏性土之比約為7∶3；碎塊石巖性主要為強風化斜長片麻巖。該組地層為表層滑體組成部分。

(2)上太古界龍華河群會理組(Ar3h)

根據勘察資料，區內該地層巖性為黑云(角閃)斜長片麻巖夾薄層狀(絹)云母(綠泥)片巖，兩者比例約為5∶1(圖1)。在垂直空間上，由于巖性、強度不同，差異風化尤為明顯，其強風化影響深度在30 m左右。該組地層為滑體和滑床的主要組成部分。

黑云(角閃)斜長片麻巖：灰黑色，鱗片變晶結構和粒狀變晶結構，片狀、片麻狀構造，中-薄層為主，局部為中～厚層狀，主要成分為長石、石英、角閃石及黑云母，礦物所占比例變化較大。

薄層狀(絹)云母(綠泥)片巖：棕黃、棕色，鱗片變晶結構，片狀構造，主要成分為絹云母、綠泥石等片狀礦物，含少量長石、石英?？臻g上分布規律較差，厚度不勻，厚度一般小于0.5 m，多呈薄層狀。

2.3 地質構造及節理裂隙

區內地層總體上表現為單斜構造。巖層傾向變化較小，一般在250°～260°左右，巖層傾角變化稍大，滑坡后緣附近傾角在15°～20°之間，滑坡中部至前緣部分，傾角逐漸增大，變化范圍在20°～27°左右。

滑坡區地層節理裂隙較發育，主要發育2組節理。節理1產狀為260°<80°，節理面較平直，延伸長度一般3～5 m，節理密度2～3條/m，無充填物，張開度小于2 mm；節理2產狀為350°<80°，節理面較粗糙，節理密度3-5條/m，為區內主要節理，張開度2～3 mm，鈣質膠結。

2.4 水文氣象

滑坡區內屬溫帶大陸性季風氣候，春季干旱多云，夏季高溫炎熱，秋季涼爽多雨，冬季寒冷少雪。降雨主要集中在7～8月份，年平均降雨量500～618 mm；年平均氣溫8.7 ℃，一月平均氣溫零下6.6 ℃，七月平均氣溫23.1 ℃；凍土深度1.2 m。

2.5 水文地質條件

根據地質勘察，滑坡區為單向斜坡，且三面臨空，排水較暢通，無地表水和地下水分布。

3 邊坡原設計方案

該路段的八段深路塹邊坡，原設計方案為：最下一級設置路塹擋土墻，外邊坡坡率1∶0.75，以上各級坡率為1∶1.25，每8 m高設2 m寬平臺，坡面使用預應力框架錨索防護。其中邊坡最大開挖高度為96 m/12級，位于K21+930處(1號邊坡)，其余七段高邊坡開挖高度均大于30 m。五號邊坡對應里程為K23+375～K23+690，原設計最大坡高51.4 m，共設七級卸荷臺階。

4 邊坡變形破壞歷史

4.1 初次變形

滑坡初次變形始于2011年7月2日連續降雨之后，變形較小，沒得到足夠的重視，認為是正常的卸荷變形。當邊坡繼續開挖至第二級時(坡高40 m)，于2011年9月18日開始發生大規模山體變形，變形持續半年左右。

根據勘察結果，本次變形引起的滑坡，屬于中型基巖順層滑坡，滑坡外輪廓呈近等腰三角形，前緣寬度約300 m，主軸長約280 m，總面積約4.2萬m2，滑體厚度5～15 m，平均厚度約11 m，總體積約46萬m3。其剪出口位于路塹坡腳處，滑面位于以絹云母片巖為主的軟弱夾層結構面上，主滑動方向為265°，傾角約26°?；w由強風化片麻巖夾絹云母片巖和第四系塊碎石土組成。滑坡主軸橫斷面見圖1。

圖1 滑坡剖面

根據滑體規模，坡面主要裂縫分布形態，可將整個滑體劃分為5個次級滑塊(圖3)，各滑塊特征見表1。本次變形致使①和②區后緣出現大的拉張裂縫，縫寬約3.0 m，坡面呈碎裂鑲嵌狀，①區和②區之間產生高約1.0 m的垂直錯臺；③區內2～4級邊坡未錨拉的框架大部分被破壞，部分錨索連根拔起，坡面發育多條貫穿裂縫，坡體凌亂不堪，并且在坡腳剪出口附近出現反翹；④區后緣裂縫貫通，滑體向南側沖溝整體滑動；⑤區屬于牽引段，變形相對較弱，坡體總體較完整，發育有較多較窄的斜裂縫，基本貫通，此時滑坡雛形已現。

表1 各滑塊變形特征

本次變形特點：滑坡前緣變形劇烈，坡腳能量釋放迅速，而上部牽引段變形較小；在邊坡的中下部沿單一片理面滑動的，而在滑坡后部滑面則追蹤節理呈弧型或折線延伸至地表；整個坡面的主要裂縫已基本聯通。

4.2 第二次變形

2012年10月10日開始按上述方案進行施工，于2012年10月23日完成了第15、16級邊坡的開挖，在進行第15級(⑤區)拱形骨架的施工時，發現已完成的第16級邊坡拱形骨架及平臺截水溝出現開裂破壞現象，之后數天平臺及坡體開始出現少量裂縫及小規模變形，但對整個坡體影響不大，裂縫未貫通。

本次變形特點：小規模淺層蠕動變形，裂縫主要存在于淺層的全～強風化層內。

應對措施：繼續開挖第12、11級邊坡，第11～13級邊坡暫不進行拱形骨架防護施工，在已開挖完成的邊坡平臺上布設觀測點進行觀測，動態施工。

4.3 第三次變形

2013年3月底，卸載至2～3級坡時，坡體開始滑動，較為劇烈，第2級至第13級坡體均發生大的滑動及變形，裂縫已貫穿整個邊坡，在坡體中上部出現新的拉張裂縫；之后，該裂縫逐漸增大，繼而引起整個坡體破碎，并向下擠壓蠕動變形，最后在裂縫處形成寬5～8 m的凹槽，形成新的滑體。該滑體平面上呈半圓狀，直徑約160 m，滑體厚2～3 m，后壁高2～5 m。

變形特點：滑動影響平面范圍大，深度淺，坡體多為碎塊狀，整個坡面以“碎石流”的形式沿淺層片理面和節理面均勻向下滑動，且具多層滑動特征，后壁巖層高嶺土化嚴重，擦痕光滑，高差大。

應對措施：以卸為主支擋為輔，動態施工，動態設計。

4.4 坡體穩定

2014年4月卸載基本完成，經過監測，坡體穩定。最終方案以卸載為主，卸載綜合坡率約1∶2.6(坡角21°)，開口線離路中心線最遠為310 m，最大坡高約120 m；為保證邊坡足夠的安全系數，在坡前設置抗滑擋墻，墻高8 m，并在墻頂預留寬10～30 m緩沖安全平臺。

5 邊坡破壞成因分析

經對現場工程地質測繪成果、鉆探資料、測試資料、監測工作以及滑坡體三次變形特征進行綜合分析，該滑體的形成有內在因素，也有外在因素。

5.1 施工原因

由于深路塹施工沒有嚴格按照設計文件挖一級錨一級逆作法進行，全斷面開挖邊坡，致使坡腳處應力過渡集中，形成臨空面，邊坡的應力狀態發生改變，為使邊坡達到新的平衡，邊坡應力狀態將不斷發生變化，直到破壞達到新的平衡位置；另外全斷面開挖深路塹后，才開始施工錨索框架，錨索鉆孔的施工，加劇了坡面巖層的破碎和新的節理裂隙產生，沒有及時錨固的框架梁在坡面上增加了坡體自重，這兩方面的影響是產生滑坡的主要因素。

5.2 巖體特性

根據勘察及室內試驗揭示，組成滑體的巖體以斜長(角閃)片麻巖夾(絹)云母(綠泥)片巖為主，所組成的巖體表面上看較完整，整體強度較高。其中片麻巖較為堅硬，性脆，多呈中～薄層狀，節理較發育，在外力作用下易破碎；所夾的(絹)云母(綠泥)片巖，巖質軟，強度低，易風化蝕變(高嶺土化)，為軟弱夾層，在空間上以夾層或互層形成存在，且分布厚度極不均勻。當出現臨空面時，每一層軟弱夾層都可能形成滑動面，這是形成多層、多級滑動面的主要原因之一。

5.3 構造原因

滑坡范圍內地層為單斜構造，滑體中下部傾角25°～27°，上部傾角較為平緩，一般為15°～25°，巖層傾向250°～260°，坡向280°，原設計坡率1∶1.25(坡角39°)，為層狀同向結構；滑坡區節理裂隙較發育，主要發育有2組節理(見前述)，根據結構面極射赤平投影分析(圖2)，巖層層面與邊坡坡向一致，為外傾結構面，巖層層面為軟弱結構面，且傾角小于原設計坡角，與坡面為不利組合關系；由于該軟弱層面的存在，層面與節理面1、節理2組合，均為不利組合關系。外傾軟弱結構面對本次滑坡的形成起到重要的不利作用；另外由于滑體上部傾角較為平緩，初次滑塌后按照1∶2坡率刷坡，并沒有完全清除中上部潛在滑體，導致發生第二次和第三次滑塌變形。

圖2 結構面極射赤平投影圖

5.4 降雨原因

邊坡巖體所含軟弱夾層為滑塌形成的內因，軟弱夾層巖性多為(絹)云片(綠泥)巖，此類巖石含有較多的(絹)云母，為相對隔水層，邊坡開挖后，適逢雨季，連續的強降雨，坡面雨水來不及順坡面及沖溝排泄，沿巖體節理裂隙逐漸下滲，匯集于軟弱夾層層面，使巖層變軟，抗剪強度降低，繼而沿軟弱夾層滑動。

綜上所述，該邊坡多次變形滑塌的產生有人為因素，也有自然因素。人為因素包括未按要求施工開挖，優化設計失誤等因素，自然因素包括軟弱夾層，巖體節理裂隙發育，坡腳構造應力集中，強降雨等因素。

6 結 語

五號邊坡的變形特征和破壞機制，基本上可以反映出五盂高速公路K21～K25段變質巖順層邊坡的變形特征和破壞機制。根據五號邊坡整個切坡過程中發生的多次變形及處治對策的分析研究，得出以下結論，并提出相應的應對措施及建議。

(1)當出現臨空面，下滑力大于其抗剪強度時，順層邊坡中存在的每層軟弱夾層都可能形成滑動面，是形成多層、多級滑動面的主要原因之一。建議在山區公路選線時，必須重視沿線地質情況，特別是在層狀同向結構軟夾層存在的斜坡上，切忌大開挖、大爆破；邊坡勘察中不應以點代面，應綜合分析軟弱夾層的分布規律；施工中必須嚴格按照逆作法進行，挖一級，錨一級，一旦坡體發生大的變形，補救代價太大。

(2)受區域變質作用的影響，變質巖的片理(片麻理)及節理產狀變化較大，形成的滑動面可能為緩變和折線形。邊坡設計時，不宜采用單一坡率進行刷坡，建議根據現場揭露的地質條件，動態設計。

(3)中-薄層狀脆性硬質巖夾軟巖形成的順層邊坡，沿片理(片麻理)面進行刷坡設計時，建議考慮施工過程中對坡面巖體完整性的影響，以免形成淺層滑動的“碎石流”滑坡。建議設計坡率略小于片理(片麻理)面傾角。

(4)由于受到區域變質作用的影響，該類型滑坡體巖層主要結構面產狀變化較大，在滑體初次變形后，如處治方案以卸載為主，卸載面難以控制，巖體易破碎，在施工過程中容易形成新的滑動面和剪出口，可能會引起更大規模的順層滑坡，并且大規模山體開挖卸載，對環境破壞較嚴重。建議在滑坡初次變形(蠕動擠壓階段)，整個滑面未貫通，滑帶土強度也未完全達到其殘余強度時，采用以抗滑支擋為主的預加固措施，充分利用土體自身的強度，減少卸載或支擋工程量及工程投資，將大規模滑塌變形消滅在初始階段和萌芽狀態。

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Research on Deformation and Failure Mechanism of Bedding Landslides Between 21 to 25 Kilometers of Wutai-yuxian Expressway

WANG Hai，GUO Rui，ZHAO Yun-yun

(Transportation planning survey and design institute of Shanxi Province)

There are eight period of bedding cutting slope between K21 to K25 kilometers of Wutai to Yuxian expressway, rock mass contains many gently dipped structure planes and soft intercalations, cutting excavation has caused seven slopes deformation or sliding of different degree. According to engineering geology investigation results and the slope deformation of the construction, depending on the representation of the no.5 slope, starting from the geological environment of slope and multiple deformation characteristics, the causes of their formation and failure mechanism analysis are made and research. The research results show that the slope of soft intercalation, coupled with long-term difference weathering alteration, tectonic action, rainfall, non-standard construction, which is the controlling factors of the slope sliding. The conclusion may be useful for geological exploration and treatment of similar engineering.

slope engineering；bedding landslides；soft intercalation；failure mechanism

2015-04-15

王海(1984-)，男，工程師。

TH133; TP183

C

1008-3383(2015)11-0004-03