含煤系地層高邊坡變形機理與處治對策研究

蔡智明

（福建省高速公路集團有限公司三明管理分公司，三明 365000）

0 引言

煤系地層通常指含有煤層的沉積巖地層， 其多為連續沉積。其典型的工程地質特征是巖層軟硬不均，層間膠結較差，結構松散，且遇水易軟化，結構易破壞導致強度喪失等特點； 該地層受地下水或其它外營力作用下易形成軟弱夾層，具隔水、含水和強度軟弱等特點[1-3]。

在福建臺風、持續強降雨多發地區，受地表水入滲影響，坡體內煤系地層遇水軟化，力學指標大幅降低，成為路塹高邊坡變形、滑坡復活等地質災害的主要因素，給道路建設和運營安全帶來較大的安全隱患。 本文以福建省三明地區某運營高速公路路塹高邊坡為例， 對含煤系地層的高邊坡變形破壞機理進行探討， 并對其工程處治方案進行分析，為將來類似的邊坡防治提供一定參考借鑒。

1 工程概況

本段邊坡位于運營的泉南高速公路K202+365～K202+530 段右側，邊坡坡率較緩，主要防護工程措施是第1 級設置護腳墻與漿砌片石貼坡；第2 級、第3 級坡率均為1∶2，預應力錨索加固防護；第4 級坡率1∶2，拱型骨架植草防護。

2 工程地質條件

2.1 地貌地質

場區為丘陵地貌， 丘陵自然坡度一般為10～30°，地下水和植被較發育，坡頂部較平緩。

邊坡巖體主要為第四系覆蓋層及二疊系的粉砂巖（圖1）。 坡體上覆坡殘積砂質粘性土，局部夾角礫；下覆基巖為砂土狀至碎塊狀強風化粉砂巖，粉粒薄層狀構造，風化裂隙發育；砂土狀強風化至中風化炭質粉砂巖，灰黑色，細粒結構，炭質膠結，薄層狀構造，風化裂隙發育。

夾煤系地層，其為黑色，結構面呈黑亮色，薄層狀構造，風化裂隙發育。

圖1 主斷面坡體防護與工程地質圖

區內巖體風化嚴重、節理裂隙發育，為順層邊坡，其中煤系地層含水量較高，為易滑地層，為該邊坡發生變形的地質基礎。 根據地質赤平投影圖（圖2）所示，邊坡層理為順傾，為最不利結構面。

圖2 節理產狀赤平投影

2.2 水文地質

場區屬中亞熱帶海洋性季風氣候，雨量充沛，年平均降水量約為1800mm。 區內地表水主要為大氣降雨地表水，地表徑流條件較差，排水不暢，地表水容易補給地下水，地下水較發育，坡腳仰斜排水孔常流水。 砂土狀炭質粉砂巖及煤系地層容易隔水， 造成坡體巖體透水性一般，地下水不易向下順利排泄，僅能通過煤系地層與上下地層接觸面排泄， 誘發坡體容易沿軟弱結構面發生變形，場區地下水直接受大氣降水補給，具有明顯季節特征。

3 變形病害及原因分析

3.1 邊坡病害變形現狀

坡體變形病害主要表現如下：

坡面結構物破損主要有坡面第2 級局部2 孔錨頭崩裂，1 根框架梁斷開破壞；地表破壞主要有邊坡坡頂2 道張開拉裂，多級邊坡平臺下錯拉裂，第1 級腳墻上部呈現貫通的V 字型剪出變形（圖3）。

經調查，本段邊坡在工程建設期間曾變形破壞，后采用清理滑體， 放緩邊坡， 增設預應力加固等綜合措施處治。本次坡體變形主要體現于坡體滑動變形特征，前緣剪出口位于早期變形剪出口位置，變形范圍相當。

3.2 變形分析

該滑坡前緣剪出口貫通，中部滑移沉陷，左右側界基本貫通，后緣產生新張開裂縫，及存在沿前期老滑面變形跡象。 其滑移主軸方向基本與線路垂直， 變形體寬度約85m、長度約78m、最大厚度約16m，滑坡體達3.1×104m3，屬于小型的基巖滑坡地質災害。

滑坡體前緣剪出變形嚴重，受持續強降雨影響，地表水富集于煤系地層，加劇巖體力學指標的弱化，易加劇現有滑體的變形發展，存在突發滑坡變形可能；同時可誘發滑坡后緣穩定場區次生變形，演變為較大規模滑坡，對滑坡前部高速公路的運營通車形成重大威脅。

3.3 變形原因分析

結合邊坡施工、工程地質條件、變形發展等分析，邊坡發生變形主要因素如下：

2017 年6 月至8 月， 該地區遭遇持續性強降雨，連續的強降雨成為該滑坡的誘發外因[4]。

邊坡巖體結構破碎，節理裂隙發育，風化劇烈，空隙、裂隙較多，有利于大氣降雨的地表水下滲補給；而砂土狀炭質粉砂巖及煤系地層容易隔水， 地下水僅能通過煤系地層與上下地層接觸面排泄， 誘發坡體沿軟弱結構面發生變形；同時煤系地層遇水浸泡抗剪強度降低，形成軟弱滑帶，這是發生坡體變形的主要內因。

邊坡曾發生淺層變形失穩， 原滑坡松散體未完全清除，受地表水入滲影響，易吸水飽和，增加滑體重量，加劇坡體變形；同時，原既有滑面未刷方清除，成為本次坡體變形的軟弱滑動面，致使滑坡沿原滑坡變形發展。

4 穩定性分析

結合巖土勘察指標，利用反演法，通過邊坡極限平衡理論反算坡體滑帶力學強度指標。

結合前文分析， 本滑坡現階段變形發展處于蠕動擠壓階段，評價其主斷面坡體穩定狀態約為1.0～1.05。 以邊坡主斷面K202＋460 進行量化計算分析， 選用較為嚴格的剛體極限平衡方法——Morgensten&Price 法， 采用Slide 軟件進行滑坡穩定性反演計算，計算上、下層滑坡穩定系數淺層為1.01，深層為1.045，如圖4 所示[5-7]。

圖4 K202＋460 斷面穩定性分析

反算滑帶巖體強度指標詳見表1。

表1 滑坡巖體強度指標表

5 治理工程方案

5.1 方案分析

通過上述對本段邊坡變形發展過程、工程地質條件、變形影響因素等綜合分析， 對本段邊坡變形病害提出三個綜合治理方案。

方案一：坡面原位預應力補強加固。其主要工程措施為，在邊坡坡面空隙部位增設第1 級700kN，第2 級、第3級設450kN 預應力錨索加固工程。 邊坡加固后穩定性分別為淺層1.496，深層1.233，工程造價約460 萬元。

圖5 坡面原位加固穩定性計算

方案二：抗滑樁結合坡面錨索補強加固。其主要工程措施為，在第2 級平臺上增設13 根2.5m×2m 抗滑樁，第3 級增設8 片預應力錨索框架。 邊坡加固后穩定性分別為淺層4.636，深層1.242，工程造價約625 萬元。

方案三：刷方卸荷及坡面補強加固。其主要工程措施為，考慮邊坡刷方征地線控制，第2 級設置22m 寬平臺，第3 級坡率為1∶1.25，第4 級坡率為1∶1.5，對滑坡上部進行刷方卸載；同時在第1 級、第2 級、第3 階增設預應力錨索框架加固。 邊坡加固后深層穩定性1.242，工程造價約430 萬元。

圖6 抗滑樁支擋穩定性計算

圖7 卸載加固穩定性計算

5.2 方案比選

方案一采用原位加固措施，考慮邊坡具體情況，主要依靠預應力錨索等對松散滑體進行強加固， 其長期有效性和可靠性難以滿足； 且由于坡體存在既有滑面等薄弱面，受外界降雨等影響，可持續弱化，邊坡存在再次變形可能，難以根治。

方案二采用抗滑樁支擋方案， 其可以有效對滑坡進行工程治理，且邊坡上部坡率較緩，有寬平臺，具備設置抗滑樁條件。但鑒于本滑坡下部存在煤系地層等軟層，且本滑坡變形量值較大， 開挖抗滑樁坑， 存在一定安全風險，同時采用抗滑樁治理費用較高，總體上該方案施工安全性與經濟性稍差。

方案三采用卸載加固方案， 其有效的對滑坡上部進行卸載，并清除部分淺層滑體，有效減小下滑力；同時，考慮既有滑面影響，對坡體下部和上部坡體進行分級加固，其針對性較強。綜合對比，選擇該方案對本滑坡進行工程治理。

同時，在方案三基礎上結合地表截排水、坡體平孔排水、坡面修復等措施對其進行綜合治理。

6 結語

本段邊坡高約36m，坡率平緩，受坡體內含煤系地層等影響，邊坡層多次發生變形，采用預應力加固防護后，安全運營近10 年，受多年強降雨影響，坡體再次發生滑移變形破壞，且對高速公路運營造成較大安全影響。以本段邊坡為案例，通過對含煤系地層的變形機理、穩定性評價及多個處治方案的對比分析， 提出了卸載減載結合預應力加固的有效處治方案，取得了良好的工程處治效果。由此可總結， 對于類似含煤系地層、 軟層等不良地質邊坡，應結合邊坡具體情況，清除變形體、滑動面，或上部多卸載、下部支擋加固等綜合措施可有效對其進行根治，本文對工程建設的此類問題具有較大參考意義。