云南臨滄市某隧道邊坡失穩破壞機理研究

韓振華， 梅雪峰

（1.淄博市周村區建筑工程質量安全環保監督站，山東 淄博 255300；2.山東理工大學，山東 淄博 255049）

0 引言

西南山區邊坡地質災害是影響山區公路、隧道安全運營重大地質問題。邊坡一旦失穩破壞，會對國家財產和人民的生命安全造成巨大損失。大量研究表明，誘發邊坡失穩的因素有很多種，如降雨、地震和開挖等［1］。

仇圣華等［2］基于巖土體破壞實例，定量研究了邊坡的穩定性。Fredlund 及Sammon［3，4］分析了降雨強度對各類土質滑坡穩定性的影響。黃福明［5］基于非飽和土力學理論，研究了黏土、粉砂土及砂土邊坡土體瞬態滲流，揭示了不同土質邊坡在降雨條件下的滲流場及坡體含水量隨時間變化規律。Lee［6］基于馬來西亞新山地區近10年來降雨數據發現，邊坡破壞的關鍵因素是降雨強度與土體滲透率比值。Brian 等［7］通過研究指出，滑坡主要是由于土體基質吸力的降低，引起土體的抗剪強度的下降導致的。黃潤秋和戚國慶的研究表明［8］，隨著雨水入滲，邊坡內部逐漸被水飽和，土體的基質吸力逐漸降低，降低了邊坡的穩定性。

研究點位于云南省臨滄市西北部某隧道左側。據調查，隧道于2020 年5 月建成，由于施工便道大面積開挖，加之持續降雨，2020 年6 月17 日觀察到多處地裂縫、地基下沉等變形跡象。截止2020 年8 月，持續40d的現場檢測表明，鋼筋加工廠累計滑移58.1cm，下沉65cm見圖2（d）；便道擋墻累計滑移43.1cm，下沉51.5cm見圖2（f）；地表裂縫距離隧道左線平距僅有6～12m，距隧頂15m 左右。滑坡變形嚴重影響了隧道主線施工安全以及場內設施、下方施工機械、過往人員的安全。

文中綜合采用野外地質調查、原位試驗及室內物理力學試驗等方法等。分析了邊坡的基本特征，揭示了該滑坡的變形破壞特征。針對其失穩機理提出合理有效的防治措施。文中的研究可為相似工程設計及施工提供科學的理論依據。

1 工程地質概況

研究區位于云南省臨滄市西北部，地處滇西橫斷山系縱谷區南部，東控南汀河，西扼怒江，地域介于東經99°05～99°50，北緯23°45～24°27之間。

區域屬南亞熱帶與北熱帶交匯的河谷季風氣候，具有日照充足、雨量充沛及干濕季分明的氣候特征。降水量主要來源于汛期的5～11 月份。多年平均降水量1300mm，最大蒸發量1600mm，平均氣溫為17～22℃。

研究區出露地層主要有第四系全新統人工填土Q4ml、第四系全新坡殘積積Q4dl+el及石炭系上統魚塘寨組C3y，分述如下：

（1） 第四系全新統人工填土Q4ml。隧道施工便道回填而成，主要為碎石土及塊石土。碎、塊石母巖為千枚狀絹云板巖及片理化變質砂巖。粒徑大于200mm 的塊石占20%，最大粒徑可1-1、達30cm 以上，20～200mm的碎石占30%～45%，2～20mm的角礫占15%～35%，其余粘粉質充填。

（2） 第四系全新統坡殘積層Q4dl+el。主要為碎石土及塊石土或含碎石粉質粘土，碎、塊石以板巖及變質砂巖為主，與崩坡積巖性成分相似。分布于斜坡裂縫圈閉區內，厚度8.0～25m不等。

（3） 石炭系上統魚塘寨組C3y。強風化炭質頁巖：灰黑色，泥質結構，頁理狀構造，巖質軟，手捏可碎，遇水軟化，厚3～32m不等，地層產狀225°∠30°。

強風化砂質泥巖：灰色、灰黑色及黑色，薄-中厚層狀構造，巖質較軟，厚度不均勻，與碳質頁巖互層，厚2～7m。

中風化砂質泥巖：灰黑色，薄-中厚層狀構造，巖質較軟，巖芯多呈餅狀-短柱狀，RQD=40%。

強風化玄武巖：灰黃色，巖質較硬，巖體裂隙發育。

中風化玄武巖：灰綠及深灰色，中風化，塊狀構造，巖體較完整。

研究區地處青藏高原東區滇藏構造帶南部，緊鄰兩大板塊邊界，并受到板塊邊界動力的影響，受喜馬拉雅陸陸碰撞響應及印度板塊向東的斜向俯沖作用，滇西南地區在新生代表現出強烈的構造活動性。由于深大斷裂的重新活動及新構造運動的強烈表現，致使云南地區地震頻繁。

根據相關規范［9，10］，抗震設防烈度為Ⅷ度，地震動峰值加速度值為0.30g；地震動反應譜特征周期為0.45s，屬較不穩定區。

2 滑坡基本特征

2.1 滑坡形態及規模特征

滑坡前緣高程960m，后緣高程1086m，相對高差126m。整體地勢南高北低，后緣至前緣坡腳平均坡度在30°左右。現坡面由于邊坡開挖以及Z字形施工便道挖方，坡體多為臺階狀梯地，每級平臺寬5～18m，高12～18m，平均坡度介于39°～70°。滑體后壁為12.5m高陡坡，坡度約42°。

研究區平面形態呈倒水滴型。縱向長度約250m，平均寬度約190m，總面積約4.7×104m2，滑坡潛在滑動方向146°如圖1 所示。由于滑坡中部的多級開挖卸荷，兩側和后緣裂縫明顯，圈閉裂縫基本揭示了淺層滑坡邊界。根據現場調查，變形失穩破壞主要發生在淺表層，平均厚度約18m，總方量約70×104m3。根據變形跡象，淺層滑坡又可分為H1強變形區、H2強變形區、H3強變形區和弱變形區4個部分。

圖1 滑坡地形地貌特征

2.2 滑坡變形特征特征

H1強變形區平面形態略呈簸箕形見圖2（a），前緣以挖坡腳為界，后緣以拉裂縫為界見圖2（b）。該區縱向長度約80m，橫向平均寬度約87m，面積約0.7×104m2，平均坡度28～34°，滑向約146°，推測滑體厚度9～16m，平均厚度約15.0m，總體積約10.5×104m3。

H2強變形區兩側邊界向下穿越施工便道。受路塹邊坡開挖及地下水的影響，變形區后緣及兩側側向裂縫明顯。變形區縱向長度約150m，寬度80～115m，面積約1.4×104m2，平均坡度30°，坡向約146°，平均厚度約18m，總體積約25.2×104m3見圖2（d）。

H3強變形區右側邊界以靠近H2強變形區左側邊界的沖溝為界。該強變形區縱向長度約100m，寬度40～65m，面積約0.5×104m2，平均坡度31°，坡向約184°，滑體平均厚度約17m，總體積約8.5×104m3。現場調查表明，H3強變形區坡腳處，已有2700m3的土體坍塌見圖2（c），且前緣擋墻發生明顯的錯動變形如圖2（f）所示。

弱變形區是除強變形區以外的區域，地貌形態為坡殘積斜坡體。區域右側以山體凸地形為界，左側以沖溝為界，后緣以滑坡拉裂縫為界圖2（e），前緣以H1強變形區邊界和后方高邊坡為界。平面形態近馬蹄形，縱長約50～100m，橫寬230m，溝道走向近46°，坡降約23°，前后緣高差約20m，平面面積約1.5×104m2。

圖2 典型變形特征

2.3 滑坡地質結構特征

根據現場調查及鉆探得到該滑坡典型剖面圖見圖4，進一步將滑坡劃分為淺層滑坡和深層滑坡，其中淺層滑坡滑體、滑帶及滑床屬于深層滑體的一部分。

圖4 典型剖面圖2-2

（1） 滑體特征。淺層滑體為第四系全新統坡殘積物Q4dl+el，主要為碎石土，母巖為砂質泥巖及碳質頁巖等。粒徑一般介于2～10cm，最大塊徑可達30cm 以上，碎塊石含量占50%～65%。勘探揭露厚度一般8～20m，最大厚度達30m 見圖3（a）。淺層滑體也是此次斜坡失穩變形的主要區域。

深層滑體除淺層滑體物質，還包含下覆石炭系上統魚塘寨組C3y的強風化碳質頁巖見圖3（b）。其中強風化碳質頁巖呈灰黑色，泥質結構，頁理狀構造。鉆孔揭露深度內不均勻分布多層，厚8～10m 不等；強風化砂質泥巖呈灰色、灰黑色及黑色，薄-中厚層狀構造，厚度不均勻，通常與碳質頁巖互層，厚2～7m。深層滑體厚度28～55m不等，平均厚40m。

圖3 鉆孔揭露的滑體與滑帶特征

（2） 滑帶特征。根據鉆探資料分析，滑動面近流線型。滑面平均傾角26°～29°，埋深介于15～23m。目前該滑坡處于前期發展階段，僅見后緣及兩側裂縫圈閉及坡體橫向張裂縫，未形成典型滑動面，亦未見前緣剪出口。鉆探揭露松散層碎塊石土中可見相對軟弱層，層內碎石含量明顯降低，呈軟塑飽水狀，多分布于松散堆積層底，下伏基巖面之，因此該滑坡潛在滑面即為基覆界面處。滑帶土為含碎石粉質粘土或角礫土，含量一般在35%～45%左右，厚度介于30～90cm見圖3（c）。

滑坡深層滑帶位于全～強風化碳質頁巖與強風化砂巖或強風化玄武巖交界位置，埋深介于30～50m，平均深度約40m。其中全～強風化碳質頁巖呈泥狀或細碎角礫狀，遇水容易軟化見圖3（d）。

3 滑坡穩定性分析

3.1 滑坡形成條件及誘發因素

研究點位于南汀河右岸斜坡中部，地界溝西側。區內山地切割程度稍高，山體多為“V”型谷，地勢南高北低，后緣至前緣坡腳平均坡度在30°左右，為滑坡的形成提供了良好的地質條件。研究區以第四系松散堆積物以碎石土為主，局部為含碎石粉質粘土、粉土，內部粘聚力較低，內摩擦角稍低，透水性佳，易于大氣降雨滲入，導致軟弱結構面巖土體的抗剪強度降低。此外調查發現，在坡體上可見地下水露頭。雨季豐富的地下水導致滑坡體及軟弱結構面巖土體長期處于飽水狀態，抗剪強度低，滑體容重增大，下滑力增大，斜坡土體易失穩滑動。

綜合分析，該滑坡的變形破壞是以其地形地貌、地層巖性和水文地質條件為內在前提；雨期降雨豐沛導致土體抗剪強度降低是變形破壞的主要誘因。

3.2 巖土體力學參數

計算參數是根據試驗資料與類似地區經驗值綜合獲取。淺層滑體物質組成主要為碎石土，滑帶為碎石土、含碎石角礫；深層滑體組成為碎石土和全～強風化碳質頁巖，滑帶物質為全～強風化碳質頁巖，滑床物質為中分化砂質泥巖或強風化玄武巖。文中滑坡穩定性計算參數見表1。分析計算工況主要有：

表1 滑帶土強度參數綜合取值

（1） 工況1：自重+地下水。

（2） 工況2：自重+暴雨。

（3） 工況3：自重+地震荷載。

3.3 穩定性計算結果

采用傳遞系數法計算了5條典型縱剖面在不同工況下的穩定系數并匯總見表2。結果表明：①淺層滑坡滑體在天然工況下處于基本穩定狀態，暴雨及地震工況下處于不穩定-欠穩定狀態；②淺層滑坡各強變形區在天然狀態下處于欠穩定-基本穩定狀態，暴雨及地震工況下處于不穩定狀態；③滑坡深層1-1剖面在天然工況下處于基本穩定狀態，暴雨及地震工況下處于欠穩定狀態，滑坡深層2-2剖面在各級工況下均處于穩定狀態。

表2 滑坡穩定性計算結果

此外，從平面圖上可以看出，后緣與兩側裂縫均已圈閉，坡體尚未出現整體滑動，但坡體滲水點較多，失穩隱患較大。整個強變形區域在暴雨或地震影響下有較大滑動可能。弱變形區若處理不當，形成高陡臨空面或受強變形區下滑牽引亦存在失穩可能。另外弱變形區變形加劇可能導致變形范圍擴大而影響整體穩定性。

4 結語

（1） 研究區滑坡平面形態呈倒水滴型，縱向長度約250m，平均寬度約190m，總面積約3.8×104m2，總方量約115×104m3，規模等級為大型。

（2） 據滑坡空間形態和變形特征，滑坡分為淺層滑動和深層滑動，目前滑坡變形主要發生在淺表層，平均厚度約18m，總方量約70×104m3。根據滑坡的變形運動方式，該滑坡屬于后退牽引式。

（3） 穩定性計算結果表明，淺層滑坡在天然工況下處于基本穩定-欠穩定狀態，在暴雨和地震工況下處于不穩定狀態；深層滑坡在天然工況下處于穩定狀態，在暴雨和地震工況下處于欠穩定狀態。

（4） 根據現場調查及滑坡穩定性計算，建議在H1強變形區挖方邊坡處設置格構錨索進行淺層加固；在滑坡中前緣設置抗滑樁進行深層加固。