潮州至惠州高速公路煤系地層邊坡滑動機理研究

袁 坤，張玉芳

(1.中國鐵道科學研究院，北京 100081；2 中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所,北京 100081)

降雨入滲是邊坡滑動破壞的主要原因之一，特別是煤系地層邊坡，由于煤系地層中炭質泥巖巖質軟弱，含炭量高，吸收熱能強，極易風化、崩解，受干燥-浸水活化作用影響較大，極易活化，且具有不可逆性[1-3]，給高速公路建設和運營帶來極大的安全隱患。據統計，煤系地層邊坡的失穩破壞，絕大多數是由降雨或地下水位的變化引起的，這是目前地質災害預測與防治領域亟待解決的難點與關鍵問題[4-7]。

滑坡的發生與降雨關系密切是早為人知的事實，很多學者對降雨與邊坡穩定之間的關系進行了深入的研究，取得了豐碩的成果[8-11]。但對于煤系地層這一典型邊坡來說，降雨條件下煤系地層邊坡的滑動機理研究還較為少見。因此，本文以廣東省潮惠高速公路煤系地層滑坡為例，研究降雨引起煤系地層邊坡滑動的機理，對于類似的煤系地層邊坡的加固設計及評估具有重要的指導意義。

1 工程概況

1.1 地形地貌

廣東省潮惠高速公路左側路塹邊坡處于構造剝蝕中低山地貌區，地勢由南向北傾斜。原山體斜坡植被發育，斜坡山脊線坡度約14°～16°。線路以路塹邊坡形式從山脊線中下部橫切通過。邊坡兩側為自然沖溝，沖溝兩側自然斜坡坡度約26°。路塹邊坡坡向約339°，線路走向約249°。

1.2 地層巖性

邊坡開挖揭露地層自上而下分別為含碎石粉質黏土、全～強風化泥質粉砂巖及炭質頁巖，泥質粉砂巖與炭質頁巖呈互層分布，如圖1所示。根據勘察資料，泥質粉砂巖及炭質頁巖屬三疊系頭木沖組。

圖1 泥質粉砂巖與炭質頁巖互層

現場調查可知，泥質粉砂巖為中～薄層狀，節理發育，巖體破碎，全～強風化，巖體呈碎塊石夾土狀。炭質頁巖較薄，厚度約0.1～0.6 m；炭質頁巖含水率高，表面風化呈黏土狀，手捏有滑膩感。

1.3 地質構造

現場調查發現，邊坡巖層產狀變化較大。三級邊坡坡面巖層整體順傾，量得2組產狀分別為330°∠30°，326°∠21°；二級邊坡巖層整體近水平，大里程方向局部順傾。

1.4 地質水文條件

根據現場調查，地下水主要是靠地表水補給。

2 病害特征

滑坡后緣裂縫距坡頂刷方線水平距離約30 m，整體下錯1.0～2.0 m，張開約1.0 m。左側界坡體下錯約1.0 m，裂縫張開0.3～1.0 m，同時在坡體發現多條羽狀裂縫；右側界坡體下錯約1.0 m，裂縫張開約0.4 m。從裂縫發展分析判斷，滑動面已整體貫通(如圖2所示)。

圖2 滑坡已整體貫通

滑坡前緣剪出口在二級平臺以下約4 m處。二級平臺以下坡體巖層近水平，由于主滑面下滑力較大，滑坡體在二級平臺以下約4 m處沿水平軟弱層面剪出?；峦屏Φ耐苿?，也使二級平臺及以下巖層發生向外整體擠出或坍塌。

3 滑動機理分析

根據上述對煤系地層邊坡的地層巖性及邊坡滑動破壞狀態分析，煤系地層邊坡滑動主要受降雨的影響。通過運用飽和-非飽和滲流理論[4]對邊坡進行數值分析，分析該邊坡在降雨過程中，土體中孔隙水壓力及體積含水率的變化對邊坡穩定性的影響。

3.1 飽和-非飽和滲流分析

1)模型建立及參數的確定

模型采用該邊坡的典型代表斷面，一級邊坡坡高10 m，坡率1∶0.75，二級邊坡坡高10 m，坡率1∶1，三級邊坡坡高12 m，坡率1∶1.25，分級平臺寬2 m。其后為緩坡。根據現場及室內試驗巖土參數見表1。

表1 巖土體物理試驗參數

采用Van Genuchten模型[4]擬合滲透系數及含水率隨基質吸力變化規律見圖3。

圖3 滲透系數及含水率隨基質吸力的變化規律

由圖3可知，碎石粉質黏土和全～強風化炭質頁巖體積含水率和滲透系數都與基質吸力存在非線性關系，基質吸力越小，巖土體的體積含水率與滲透系數越大。

2)初始條件

穩態流計算初始條件降雨量為0，并作為瞬態流的初始滲流場。根據當時地質鉆孔測得左側邊界的地下水位線高程為56.086 m，右側邊界的地下水位線高程為50.651 m。初始滲流場見圖4。

圖4 初始狀態下的滲流場

3)降雨條件

根據邊坡所在區域當時的氣象資料查得，12 h的降雨量為27.95 mm，換算成單位降雨強度為6.47×10-7m/s，降雨歷時3 d，計算總時長6 d。

4)計算結果分析

根據上述的模型參數、邊界條件和降雨條件對煤系地層邊坡進行飽和-非飽和滲流分析，得出邊坡在不同降雨歷時巖土體體積含水率的變化情況見圖5，其中圖5(a)—圖5(d)為降雨過程中邊坡巖土體體積含水率變化情況，圖5(e)—圖5(f)為降雨停止后邊坡巖土體體積含水率變化情況。

圖5 不同降雨歷時邊坡體積含水率等勢線

由圖5可知，邊坡巖土體體積含水率的大小及分布在降雨過程中及降雨后均有不同的變化；在不同的降雨歷時，降雨入滲的深度不同，在降雨72 h時入滲深度約4 m。在降雨歷時48～72 h邊坡坡腳地表水下滲與地下水逐漸連通，在72 h坡腳煤系地層土體達到飽和狀態，軟化、強度低，邊坡下切破壞。降雨過程中，碎石粉質黏土由初始體積含水率0.26變化到0.34；坡腳全～強風化炭質頁巖體積含水率由0.20變化到0.35；全～強風化炭質頁巖與碎石粉質黏土接觸帶的體積含水率由0.14變化到0.20。在降雨停止后，隨著地表的蒸發，地表水繼續下滲，表層土體的體積含水率逐漸減小，孔隙水壓力繼續增大。

降雨引起地下水位從坡腳開始上升，坡腳處的煤系地層遇水軟化，強度迅速降低，導致坡腳失穩，牽引上部邊坡產生張拉裂縫;持續降雨沿張拉裂縫入滲，在煤系地層接觸面上匯流并沿著巖層向坡腳貫通，形成了煤系地層軟化的滑動帶，促使其發生滑動。

3.2 飽和-非飽和邊坡穩定性分析

1)飽和-非飽和強度理論分析

根據Fredlund等(1978)提出的擴展Mohr-Coulomb準則將破壞面投影于剪應力與凈法向應力平面，擴展的Mohr-Coulomb準則抗剪強度理論公式[4]為

τf=c′+(σf-μw)ftanφ′

(1)

c′=c′+(μa-μw)tanφb

(2)

式中：c′為基質吸力和凈法向應力均為0時的黏聚力,即有效黏聚力；(σf-μw)f為土體破壞時，其破壞面上的凈法向應力狀態；φ′ 為與(σf-μw)f有關的內摩擦角；μa-μw為基質吸力值；φb為與基質吸力μa-μw對應的內摩擦角。

式(1)、式(2)中抗剪強度參數φ′，φb及c′均與含水率有關，因此，通過參考凌華等[12]非飽和土強度隨含水率變化的規律，采用改裝的三軸儀進行試驗，得到該地層的黏聚力c、內摩擦角φ與含水率ω之間的關系。

圖6 強度參數與含水率的關系

通過現場對碎石粉質黏土層與全～強風化炭質頁巖層接觸帶土體取樣進行三軸試驗，共做了7組試驗，試驗結果見圖6。對試驗數據進行線性回歸分析，得出黏聚力與含水率之間的關系為c=-5.687ω+178.82，內摩擦角與含水率之間的關系為φ=-3.62ω+82.07。

因此擴展的Mohr-Coulomb準則抗剪強度理論公式可以寫成τf=c(ω)+σtanφ(ω)，即τf=-5.687ω+178.82+σtan(-3.62ω+82.07)。

2)邊坡穩定性分析

根據飽和-非飽和滲流計算分析結果及室內三軸試驗數據擬合出的Mohr-Coulomb準則抗剪強度理論公式，計算不同降雨歷時的邊坡穩定性，結果見表2。

表2 降雨歷時對邊坡穩定性影響

由表2可知：在降雨過程中邊坡穩定性安全系數由1.283降低到1.012，而降雨停止后48 h邊坡穩定性安全系數由1.012降低到0.983，144 h 邊坡的穩定性安全系數為0.995。由此可知，在降雨停止時，邊坡穩定性繼續下降，在降雨停止48 h后邊坡穩定性最低。

4 結論

1)煤系地層邊坡巖土體體積含水率的大小及分布在降雨過程中及降雨后均不同；在不同降雨歷時，降雨入滲的深度不同，在降雨72 h時入滲深度約4 m。

2)降雨引起邊坡中的地下水位從坡腳開始上升，坡腳處的煤系地層遇水軟化，強度迅速降低，導致坡腳失穩，牽引上部邊坡產生張拉裂縫;持續降雨沿張拉裂縫入滲，在煤系地層接觸面上匯流并沿著巖層向坡腳貫通，形成了煤系地層軟化的滑動帶，促使其發生滑動。

3)碎石粉質黏土層與全～強風化炭質頁巖層接觸帶土體隨著含水率增大，強度明顯減小，且在一定含水率范圍內，強度指標與含水率呈線性關系。

4)降雨停止后邊坡的穩定性繼續降低，當降雨停止48 h后邊坡穩定性達到最低。

5)該煤系地層邊坡滑動機理是坡腳土體遇水強度降低，降雨下滲，沿著碎石粉質黏土層與全～強風化炭質頁巖層接觸帶發生滑動。