黔張常鐵路白堊系紅層滑坡成因分析及防治建議

楊德宏

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043； 2.陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(中鐵一院)，西安 710043)

1 概述

我國廣泛分布有紅層陸相碎屑巖，包括三疊系、侏羅系、白堊系、古近系等主色調為紅色的泥巖、砂巖、頁巖等[1-10]。紅層在湖南地區分布較廣，以白堊系的紫紅色、磚紅色的泥巖、泥質粉砂巖、砂質泥巖、砂巖、礫巖、頁巖等為主[11-13]。紅層巖體在天然狀態下較完整，巖質較堅硬，巖石強度較高，力學特性較好；在外因作用下，如農業灌溉、降雨入滲等因素的作用下，紅層巖體將在短時間內軟化、崩解，使邊坡安全系數大幅度降低，在重力等因素下造成邊坡失穩[14-21]。2017年6月13日，位于湖南省西北部的黔張常鐵路某路塹工程北側，發生了白堊系緩傾紅(順)層滑坡(圖1)；根據測量和鉆孔資料顯示，滑坡體縱向長度一般為265～418 m，橫向寬度一般為120～160 m，滑坡體厚度介于10～33 m，滑坡體平面面積約4.8萬m2，滑坡體體積約95萬m3，其規模為大型。

圖1 滑坡平面形態及工作量布置

黔張常鐵路長大段落位于白堊系紅層地區，且路塹工程較多，形成了大量人工開挖的紅層邊坡，而紅層巖體具有吸水膨脹、浸水崩解等特殊的工程地質特性[11]，使鐵路沿線存在許多潛在的紅層滑坡，嚴重影響著鐵路的安全運營。因此，分析黔張常鐵路沿線白堊系緩傾紅(順)層滑坡的發育特征和形成機理，提供同類型滑坡的防治措施建議，對該鐵路沿線的滑坡等重力地質災害的防災減災工作尤為重要。

2 滑坡地質背景

2.1 地形地貌

滑坡位于低山丘陵區，上部邊坡坡度為20°～35°，下部邊坡坡度為4°～17°；坡面前部為梯田；緩坡左右兩側各發育1條沿巖層傾向延伸的沖溝。

2.2 地層巖性

根據現場調查和鉆探資料顯示，滑坡體上部主要為第四系坡洪積黏性土(Q4dl1+pl1)，下部主要為白堊系上統上組砂巖夾泥巖夾礫巖(K21Ss+Ms+Cg)。

黏性土主要分布于地表，厚約1.5 m；砂巖夾泥巖夾礫巖地層為厚層狀、褐紅色或青灰色、鈣質砂巖與中厚層狀、棕紅色、泥質粉砂巖互層分布，偶見薄層狀泥巖與礫巖。泥質粉砂巖的單軸干燥抗壓強度約74.9 MPa，單軸干燥抗壓強度約30.8 MPa；泥巖的單軸干燥抗壓強度約22.1 MPa，單軸干燥抗壓強度約7.6 MPa；泥質粉砂巖和泥巖巖質軟弱，遇水易軟化，為滑帶的主要物質組成。

2.3 地質構造

滑坡位于單斜構造—田坪界背斜南東翼。根據現場調查，巖體中的“X”形節理較發育，以N9°～21°W/72°～88°S和N69°～89°E/77°～90°S兩組垂直節理為主，多為張性節理，使巖體較破碎，使地表水可以快速滲入滑坡體內，便于地下水流通。

2.4 水文地質

滑坡附近地下水以基巖裂隙水為主，主要富存于砂巖的節理裂隙中，對鋼筋混凝土不具侵蝕性，以大氣降水補給為主。根據調查資料顯示，滑坡東南側出露2個泉眼(圖1)，其流量分別為18 m3/d和5 m3/d，為常年流水泉。因此，判定坡體內地下水豐富。

2.5 氣象特征

2017年5月以來，滑坡區降雨量打破歷史記錄，根據滑坡西側約700 m的雨量自動監測儀的資料顯示，從當年5月上旬至滑坡發生的44 d中，降雨天數高達25 d，且5月22日和6月10日為暴雨天。

3 滑坡發育特征

滑坡范圍介于N28°56′29″～N28°56′43″、E111°09′48″～E111°09′58″，滑坡后緣最高點海拔約204 m，前緣由于人工開挖路塹工程，形成高約35 m的臨空坡面，坡腳最低點海拔約109 m，相對高差約95 m，為滑坡的形成創造了有利條件。

3.1 滑坡平面形態特征

滑坡邊界均為基巖地層的下錯陡坎，平面形狀總體呈踮起的腳板狀；根據現場調查和測繪資料，結合滑體的變形破壞特征，將滑坡劃分為4個主要區域：以裂縫F1為界，南側為初始滑坡體(Ⅰ)，北側為誘發滑坡體(Ⅱ)；Ⅲ和Ⅳ為滑坡形成后出現的次級崩滑體(圖1)。

(1)初始滑坡體(Ⅰ)：該區位于滑坡前部，邊坡較平緩段落，坡面分布有大量梯田；在其后緣有一條寬度介于0.2～0.5 m、深度介于0.2～5.0 m的錯臺拉裂帶(裂縫F1)，錯臺高差介于0.3～0.5 m，為Ⅰ區和Ⅱ區的分界線；該區巖性主要為棕紅色砂巖夾泥巖夾礫巖，地形平面形態與原地貌基本一致，其前部巖體的完整性較差，原始地層結構已基本被破壞；滑體上裂縫主要為2條橫張裂縫(裂縫F1、F2)及3條縱張裂縫(裂縫F3、F4及F12)。

(2)誘發滑坡體(Ⅱ)：該區位于裂縫F1北側，為一孤峰，坡度20°～35°；區內地層巖性主要為棕紅色砂巖夾泥巖夾礫巖，在向前滑動過程中，由于巖體中原生“X”形節理發育等因素的影響，導致滑坡體內地層松散開裂，形成寬度約35 m的塌陷區，造成該區巖體較破碎，地表裂縫發育。滑坡體上裂縫主要為6條橫張裂縫(裂縫F5～F10)及2條縱張裂縫。

(3)次級崩滑體(Ⅲ、Ⅳ)：二者主要為Ⅰ區和Ⅱ區滑動過程中，由于滑坡體較破碎，部分滑坡體沿豎向發育的節理裂隙向邊坡外側坍塌形成的崩滑體；Ⅲ號次級崩滑體位于Ⅱ號滑坡體西南側，該崩滑體坍塌方向主要為南-西方向，其表面發育有1條橫張裂縫(裂縫F11)；Ⅳ號次級崩滑體位于Ⅰ號滑體西南側，該崩滑體坍塌方向主要為南-西方向，節理裂隙發育。

3.2 滑坡空間結構特征

滑坡區出露的地層主要為白堊系上統上組棕紅色砂巖夾泥巖夾礫巖，巖層產狀一般為N44°～59°E/9°～16°S，與鐵路走向夾角為39°～60°，為典型的緩傾、順層滑坡。受構造和風化作用等因素影響，節理裂隙發育，巖體較破碎，軟弱夾層廣泛分布(圖2)。

圖2 滑坡A-A′工程地質剖面

巖體中的泥質粉砂巖和泥巖，在地下水的浸潤作用下，極易軟化，形成軟弱夾層，最終成為滑帶的主要物質；根據試驗結果，滑動面殘余黏聚力c=10 kPa、內摩擦角φ=6°～8°。圖3(a)為滑坡形成后在棕紅色泥巖中形成的光滑滑面；圖3(b)為較完整的砂巖之間夾的巖質較軟、棕紅色泥巖，其中發育有滑帶。

圖3 滑坡鉆孔巖芯照片

4 數值模擬

為了查明人工開挖、降水等因素在引起滑坡時的影響程度，利用GeoStudio 2018對該滑坡進行模擬，主要應用邊坡穩定性分析(Slope/W)和滲流問題分析(Seep/W)功能。模擬選用路塹邊坡最高的A-A′剖面簡化后進行概化，建立數值模擬計算的模型。

模型邊界按照有限元模擬進行設置，左、右邊界均采用X方向約束，底部采用雙向固定約束；整個模型材料為砂巖夾泥巖；抗滑樁樁長采用20 m，樁寬采用3 m；其物理力學參數見表1。

表1 模型計算參數

采用Morgensrern-Price極限平衡法，分別模擬原始邊坡天然狀態、開挖路塹后的狀態、強降雨后的飽和狀態以及增加抗滑樁4中工況，分別模擬不同工況下的邊坡穩定性。

圖4 A-A′剖面原始邊坡天然狀態邊坡穩定性

工況1原始邊坡天然狀態的安全系數為1.717(圖4)，工況2開挖路塹后的安全系數為0.999(圖5)，工況3開挖路塹后在強降雨作用下的安全系數為0.880(圖6)，工況4增加抗滑樁后的安全系數為3.153(圖7)。因此，在路塹開挖后整個邊坡的安全系數為臨界狀態，人工開挖對邊坡的穩定性狀態改變較大；當開挖后的邊坡遭遇強降雨時，邊坡安全系數下降為0.880，邊坡將失穩形成滑坡；由此可知，人工開挖邊坡極大地降低了邊坡的穩定性，在強降雨的觸發作用下邊坡失穩。當在人工開挖的邊坡上增加抗滑樁后，安全系數顯著提高，說明抗滑樁能防止滑坡的形成。

圖5 A-A′剖面開挖路塹后邊坡穩定性

圖6 A-A′剖面強降雨后邊坡穩定性

圖7 A-A′剖面增加抗滑樁后邊坡穩定性

數值模擬結果表明，邊坡開挖后在長期的施工振動等因素影響下，邊坡穩定性已經處于滑動的臨界狀態。因此，對于紅層地區夾有泥巖等軟巖的順層邊坡，人工開挖后，應當及時采取支護措施，以防止該類型邊坡的滑移失穩破壞。

通過極限平衡法進行的數值模擬，計算了紅層地區順層邊坡在不同因素影響下的邊坡穩定性，獲得了影響邊坡穩定性的關鍵因素，為有針對性地制定防治方案提供了重要依據。因此，數值模擬方法是分析該類型邊坡變形機理和穩定性的有效方法。

5 滑坡形成機理討論

滑坡的形成原因，一直是重力地質災害研究的重要內容，一般認為滑坡形成的原因主要包括人類工程活動、地質構造、降雨、河流侵蝕、重力地質作用、地震震動等[22]。綜合分析現場調查、地質鉆探等資料后認為，該滑坡的形成主要受人類工程活動、地層巖性、地質構造、降水強度、水文地質特征等影響。

5.1 滑坡形成與人類工程活動的關系

滑坡區原始地貌為連續緩坡，坡腳無臨空面，原始邊坡處于穩定狀態。當鐵路以路塹工程穿過原始邊坡前部時，由于人工開挖，在原始邊坡前部形成高約35 m的臨空坡面，在重力的作用下，原始邊坡的抗滑力減小，原始邊坡上開始出現裂縫；路塹工程上由于超重卡車、大噸位壓路機等大重型機械頻繁通過，產生的振動將加速原始邊坡上裂縫的擴大、延伸，極易造成原始邊坡的失穩破壞。

5.2 滑坡形成與地層巖性的關系

原始邊坡巖性主要為褐(棕)紅色砂巖夾泥巖夾礫巖，巖層產狀一般為N44°～59°E/9°～16°S，與鐵路走向夾角為39°～60°，為典型的緩傾角、順層滑坡，非常有利于滑坡的形成；地層中的棕紅色泥質粉砂巖和泥巖巖質軟弱，遇水極易軟化，為滑帶的主要物質組成。

5.3 滑坡形成與地質構造的關系

原始邊坡位于田坪界背斜南東翼，坡體內的垂直節理裂隙非常發育，且以張性裂隙為主(圖8)；大氣降水、農業灌溉水等地表水可沿大量的張性裂隙滲入坡體內部，軟化棕紅色泥質粉砂巖和泥巖等軟質巖形成軟弱結構面，加速滑坡的形成；另外，滲入原始邊坡內的大量地表水又起到“潤滑劑”的作用，為滑坡的形成提供了有利條件。

圖8 滑體上的張裂隙

5.4 滑坡形成與降水強度的關系

滑坡區所在的湖南地區，常年降雨充沛。2017年5月以來，該地區降雨量更是打破歷史記錄，從5月上旬至滑坡發生的44 d中，降雨天數高達25 d，5月22日和6月10日均降下暴雨。通過分析2017年5月～6月當地的日降水量與滑坡的日變形量關系(圖9)可知，降雨對于滑坡的形成有直接關系；以圖1 J-1位移監測點為研究對象，在5月23日，路塹工程施工人員發現路基面上出現鋸齒狀裂紋之前，滑坡區存在5 d的連續降雨，且5月23日為暴雨天；在5月31日至6月1日的連續降雨中，6月1日為中雨天，6月2日滑體的單日沉降量達到了極值10 mm；6月10日為暴雨天，6月11日滑體的單日沉降量達到了極值50 mm。因此，降雨對滑坡的形成起到了“催化劑”的作用。

圖9 2017年5月-6月日降水量與滑坡日變形量關系

5.5 滑坡形成與水文地質特征的關系

根據調查資料顯示，滑坡東南側出露2個泉眼，且為常年流水泉(圖10)，泉水沿棕紅色泥巖等隔水層上部滲出。由此可知，坡體內基巖裂隙水較發育，泥巖等軟弱巖層分布較廣，形成一連續隔水面，使地下水在坡腳滲出，均有利于滑坡的形成。

圖10 滑坡東南側出露泉點

6 滑坡形成過程演化分析

為了歸納總結紅層滑坡的形成模式，明確滑坡形成各階段的控制、影響因素，直觀展示滑坡形成過程的演化，將該滑坡的形成過程分為4個階段(圖11)，具體如下。

(1)原始邊坡應力重分布階段

原始邊坡由于人工開挖形成高陡臨空面，在重力作用下，原始邊坡的抗滑力減小，坡腳出現集中剪切應力，滑坡體坡面開始出現裂縫，原始邊坡穩定性變差。

(2)原始邊坡裂縫和軟弱結構面發育階段

原始邊坡在重力作用和工程機械荷載的作用下，坡面裂縫的數量逐漸增多，裂縫的寬度和長度不斷增大，加之地下水對泥質粉砂巖和泥巖的軟化作用，原始邊坡體內開始形成不連續的軟弱結構面，其穩定性進一步降低。

(3)降雨導致原始邊坡穩定性加速降低階段

進入雨季后，滑坡區的降雨逐漸增多，更出現多次暴雨天，單次集中降雨后，巖體中棕紅色泥質粉砂巖和泥巖在入滲雨水的作用下進一步軟化，加之雨水的“潤滑劑”作用，邊坡表面裂縫的數量和規模持續擴大，坡體的日沉降量就會明顯增大，在重力作用的持續影響下，原始邊坡體內的不連續的軟弱結構面不斷擴大，小型多個軟弱結構面不斷發育成單個大型軟弱結構面，原始邊坡已接近破壞狀態。

(4)滑坡的形成和穩定階段

在人類工程活動、降水等外因和地層巖性、地質構造等內因的共同作用下，原始邊坡內的巖體物理力學性質不斷降低，當原始邊坡體的下滑力大于抗滑力時，其內部的不連續軟弱結構面發育成一個完整的滑面，滑坡形成；當滑坡前緣滑動至路塹工程南側的人工邊坡時，由于滑體受到阻擋、擠壓而上抬，滑體前緣形成反坡，從而使滑體的滑速降低，直至最終穩定；滑坡體前緣巖體在滑動過程中的擾動作用和路塹工程南側人工邊坡的擠壓作用下，變得破碎。

圖11 滑坡形成過程演化示意

7 類似滑坡防治措施建議

(1)基于INSAR、GPS監控等高精度遙感技術，對鐵路工程沿線的邊坡穩定性進行監測。

(2)根據勘察資料，在紅層地區，篩選出存在順層人工邊坡的路塹工程，現場逐一排查邊坡的穩定性；單個順層人工邊坡適當設置位移監測點，實時監測邊坡有無變形跡象，防范風險于未然。

(3)滑坡所在的湖南地區，屬于降雨充沛地區，雨季期間，特別是集中降雨過后，應加強邊坡穩定性排查工作。

(4)對監測、排查過程中發現存在變形跡象的邊坡進行重點監測，合理設置位移沉降監測點，利用信息化工具實時采集邊坡變形數據。

(5)對有變形跡象的邊坡，建議對其上部及后緣進行削方減載，并在前緣路基坡面上設置必要的抗滑、擋護工程，同時進行變形監測。

(6)對排查過程中發現的張拉裂縫，應及時采取填入黏性土或注入混凝土等措施，防止農業灌溉水、大氣降水等地表水的入滲，導致邊坡體內的棕紅色泥巖或泥質巖體遇水軟化而降低邊坡穩定性。

(7)對鐵路工程沿線一定范圍內存在耕地的邊坡，進行退耕還林，并因地制宜的設置防排水措施。

8 結論

(1)黔張常鐵路位于湖北省西北部的紅層地區，分布有大量緩傾順層邊坡，巖性以白堊系棕紅色砂巖夾泥巖夾礫巖為主；人工開挖該類型邊坡降低了其穩定性，在長期的人類活動、降水等外因和地層巖性、地質構造等內因的共同作用下，原始邊坡內巖體的物理力學性質不斷降低，坡體的抗滑力逐漸減小，在強降雨等因素的誘發作用下，邊坡將滑移失穩破壞，形成滑坡。

(2)數值模擬結果表明，紅層地區順層邊坡開挖后，邊坡穩定性已處于滑動臨界狀態，降雨誘發了滑坡的形成，抗滑樁能防止滑坡的形成。因此，人工開挖該類型邊坡后，應當及時采取支護措施，以防止其滑移失穩破壞。

(3)紅層地區順層滑坡的形成分為4個階段：原始邊坡應力重分布階段；原始邊坡裂縫和軟弱結構面發育階段；降雨導致原始邊坡穩定性加速降低階段；滑坡的形成和穩定階段。針對滑坡形成的不同階段，應采取對應的防治措施。