天府新區(qū)某高速公路巖質滑坡穩(wěn)定性研究

摘要：四川紅層地區(qū)具備砂、泥巖軟硬相間的特有接觸關系，是巖質滑坡高發(fā)區(qū)，其破壞模式以滑坡后緣快速充灌裂隙水導致巖體順層或順軟弱結構面滑動最為普遍，具有隱蔽性高、突發(fā)性強、成災快、處治代價高等特點，文章以在建的天府新區(qū)經(jīng)眉山至樂山高速公路某滑坡為例，從前期野外地質調繪、水文地質調查和地質鉆探成果著手，結合同類型滑坡經(jīng)驗和地區(qū)經(jīng)驗，找到滑面具體深度，明確滑坡成因機制，采用剛體極限平衡法計算研究滑坡穩(wěn)定性，為該段路線設計施工提供了地質勘察依據(jù)。

關鍵詞：巖質滑坡；充灌裂隙水；高速公路；剛體極限平衡；滑坡穩(wěn)定性

中圖分類號：U416.1+4

0 引言

四川紅層地區(qū)具備砂、泥巖軟硬相間的特有接觸關系，是巖質滑坡的高發(fā)區(qū)，其破壞模式以滑坡后緣快速充灌裂隙水導致巖體順層或順軟弱結構面滑動最為普遍，具有隱蔽性高、突發(fā)性強、成災快、處治代價高等特點。本文以在建的天府新區(qū)經(jīng)眉山至樂山高速公路某滑坡為例，結合滑坡工程地質條件，分析滑坡成因機制，并采用剛體極限平衡法計算研究滑坡穩(wěn)定性，為該段路線設計施工提供了地質勘察依據(jù)。

1 工程概況

該滑坡位于在建的天眉樂高速公路成都天府新區(qū)段籍田街道與黃龍溪鎮(zhèn)交界處，因地理位置特殊，當提到成都市范圍的地質災害時，大多數(shù)專家學者通常將注意力集中在龍門山及龍泉山兩大地質災害帶，而該滑坡發(fā)育于成都平原南部邊緣，隱藏于充滿歷史厚重感的“三線建設”遺跡深山區(qū)，為四川盆地紅層區(qū)典型的降雨誘發(fā)順層基巖滑坡［1-3］。

2 滑坡工程地質條件

2.1 工程概況

滑坡被線路斜穿通過，主滑方向與線路走向大角度相交，位置關系可見圖1，整體規(guī)模為中等級別。該段線路構筑物設置為：滑坡北接一高墩大橋，滑坡自身坐落于該橋大樁號側橋臺，南接一段半挖半填路基。滑坡的發(fā)展趨勢及其穩(wěn)定性直接影響該段高速公路的設計和工程建設。

2.2 氣象水文

滑坡區(qū)屬亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，擁有得天獨厚的自然條件，氣候溫和、四季分明、雨水充沛，年平均溫度16.2 ℃，年平均降雨量921 mm，雨季集中在每年7～9月，一年四季氣候宜人。

滑坡區(qū)較周邊地勢高，不利于地表水的存儲。地下水主要為松散層孔隙水和基巖風化裂隙水，受大氣降水的控制和補給，雨季短時間的驟雨來不及排泄，會沿巖體豎向直立裂隙及后緣拉裂槽滲入基巖深部，導致地下水位猛然升高，裂隙和拉裂槽會立刻成為地下水灌注的天然通道。

2.3 地形地貌

滑坡地處四川盆地低山區(qū)，海拔485～530 m，整體位于一長大斜坡上，整體坡度約10°～25°，地形起伏較大，地勢西高東低，斜坡頂、底相對高差約45 m，后緣位于斜坡中部，前緣抵至沖溝。

2.4 地層巖性

滑坡地表覆蓋層主要為第四系全新統(tǒng)崩坡積（Qc+dl4）含塊石粉質黏土和滑體本身，下伏基巖為白堊系上統(tǒng)夾關組（K2j）砂巖夾少量泥巖。地層分布可見圖2。

鉆探揭露含塊石粉質黏土厚度約4.6 m，分布于后緣拉裂槽和斜坡地表；滑體組成物質主要為中風化砂巖，局部含泥巖夾層，厚度約為6.0～16 m；下伏基巖分布厚度較大，發(fā)育直立裂隙，并在砂、泥巖接觸面揭露擦痕，擦痕面光滑，略微起伏，紋路呈梳狀。

2.5 新構造運動及地震

滑坡范圍構造區(qū)域處于龍門山和龍泉山構造帶之間，屬四川盆地弱活動斷裂構造區(qū)，附近無全新世活動斷裂通過。地震基本動峰值加速度為0.10 g，地震基本動反應譜特征周期為0.45 s，地震基本烈度為Ⅶ度。

3 滑坡變形特征及成因機制分析

3.1 滑坡空間形態(tài)特征

該滑坡整體位于一長大斜坡，地勢西高東低，形如馬蹄狀，線路從后緣斜穿，主滑方向和線路走向夾角約為100°，面積約為0.5×104 m2，方量約為7.5×104 m3，滑面深度在地面以下約6～16 m，整體為中等規(guī)模順層巖質滑坡。

3.2 滑坡變形特征

滑坡變形主要表征為后緣拉裂槽和地面凹陷。拉裂槽又包含主拉裂槽和一次級拉裂槽，兩槽之間的基巖發(fā)育緊閉或充填泥質的豎向直立裂縫。

（1）主拉裂槽平面上呈弧形，立面上呈“V”字形向上張開，內部被崩坡積物（主要為含塊石粉質黏土）填充后形成“U”字形寬槽，槽內無水，底部寬約8.5 m，頂部寬約10.5 m，頂、底高差約7～8 m，拉槽內可容鉆機作業(yè)，見大塊石堆積，并生長出了茂盛的竹林，兩側為砂巖陡壁。

（2）次級拉裂槽形態(tài)與主拉裂槽相似，只是規(guī)模比主拉裂槽要小，可見深度約為2.0～2.5 m，呈“V”字形，頂部開口寬約1.8～2.0 m，內部也被崩坡積物（主要為含塊碎石粉質黏土）填充，兩側為砂巖陡壁。

（3）從滑坡側緣進入主裂縫中時，會經(jīng)過一片明顯的地面凹陷，下凹深度約為1.0 m，也零亂分布著砂巖塊石、碎石，反映出該滑坡脫離母體時產(chǎn)生了下錯，對周邊地形產(chǎn)生了改造。

3.3 滑坡成因機制分析

3.3.1 斜坡穩(wěn)定性分析

滑坡所處斜坡主要由緩傾層狀巖體構成，巖性為厚層狀砂巖夾薄層狀泥巖。層面D產(chǎn)狀為94°∠10°，坡面P產(chǎn)狀94°∠25°，發(fā)育3組裂隙：L1：319°∠80°、L2：87°∠85°、L3：95°∠47°，各裂隙面赤平投影見圖3。

可以看出，巖體發(fā)育兩處不利結構面組合：（1）層面D位于自然坡面P同側，傾坡外，傾向相同，且傾角小于P，是最不穩(wěn)定結構，極易引起順層滑動；（2）D和L1的交線位于自然坡面P同側，傾坡外，且傾角小于P，是最不穩(wěn)定結構。其余結構面及其組合交線與自然坡面組成穩(wěn)定或較穩(wěn)定結構。

3.3.2 滑坡成因機制分析

經(jīng)當?shù)卮迕窠榻B，后緣拉裂槽為20世紀70年代一場連續(xù)一周的強降雨后形成。由于砂巖自身發(fā)育一系列傾向坡外、傾角75°～90°的直立裂隙，在強降雨時迅速充灌地下水，裂縫內水頭急速上升，產(chǎn)生較大的靜水壓力，短時間內匯集的地下水得不到及時排導，順裂隙下滲到不透水的泥質巖層時滲透通道被阻斷，便沿砂、泥巖接觸面向坡外方向運移。在此運移過程中，對泥質巖夾層這種不透水介質產(chǎn)生水膜化效應，不斷軟化、潤滑，使其抗剪指標等力學性質迅速衰減［4］；同時，對通道上部巖體產(chǎn)生揚壓力，當坡體前緣排水量小于后方供水量時，這種壓力會逐步增大。在這一系列演化過程中，巖體經(jīng)歷后緣靜水壓力的“推”，底部水揚壓力的“抬”，以及水膜作用的“潤”，最終導致巖體極限平緩狀態(tài)被破壞，地下水的平緩滲流路徑演變?yōu)榛妫还嗨呢Q向裂縫即為后邊界，此時若前緣具備臨空面，便形成滑坡。

由此可明確該滑坡成因機制為：多組結構面切割的巖體在后緣豎向裂隙快速充水時沿軟化面產(chǎn)生順層滑動破壞。在過去的幾十年里滑坡變形未加劇。

4 滑坡穩(wěn)定性計算研究

4.1 計算模型和計算公式

針對滑坡現(xiàn)狀，考慮巖體在裂縫中充水的靜水壓力和沿滑面空隙水揚壓力的聯(lián)合作用［1-2］，將滑坡視為一個整體運動的簡單塊體，采用剛體極限平衡法，預設天然、暴雨、地震（7度）三種工況，選取典型剖面對滑坡進行穩(wěn)定性計算分析，計算模型見圖4。

計算公式如下：

對于天然工況1，穩(wěn)定性系數(shù)為：

對于地震工況3，穩(wěn)定性系數(shù)為：

K=（Wcosβ-Qsinβ）tanφ+cL/（Wsinβ+Qcosβ）（5）

式中：V——后緣拉裂槽水壓力（kN/m）；

U——塊體底滑面揚壓力（kN/m）；

h——后緣拉裂槽充水高度（m），取裂隙深度1/3H；

L——塊體底界面長度（m）；

γw——水的重度，取10 kN/m；

Q——地震力（kN/m）；

K——滑坡穩(wěn)定性系數(shù)；

c——塊體底滑面內聚力（kPa）；

φ——塊體底滑面摩擦角（kPa）；

β——塊體底界面傾角（°），外傾取正，內傾取負；

W——塊體自重（kN/m3）。

4.2 計算參數(shù)選取

現(xiàn)場多個鉆孔巖芯揭示了擦痕面光滑、平順，略微呈梳狀起伏，連通可組成一軟弱結構面，即滑面，結合程度很差。根據(jù)《公路路基設計規(guī)范》（JTG D30-2015）表3.7.3-1、表3.7.3-2，以及其他相關規(guī)范、標準對結構面抗剪強度指標的確定方法，并結合類似滑坡工程處治經(jīng)驗，提出滑動面抗剪強度指標標準值為：天然工況下內摩擦角φ=12.8°，粘聚力c=19.0 kPa；暴雨工況下內摩擦角φ=10.2°，粘聚力c=16.2 kPa；各指標計算參數(shù)和各工況計算結果見表1、表2。

由計算結果知，滑坡在天然和地震工況下處于穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨工況下，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但安全儲備不足，滑坡穩(wěn)定狀態(tài)未達到滑坡防治工程安全系數(shù)要求，需進行處治。

5 結語

（1）該滑坡成因機制為：多組結構面切割的巖體在后緣裂隙快速充水時沿層間軟弱面產(chǎn)生的順層滑動破壞。

（2）采用剛體極限平衡法，對滑坡進行建模和穩(wěn)定性計算研究，滑坡在天然和地震工況下處于穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨工況下，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但安全儲備不足，穩(wěn)定狀態(tài)未達到工程安全系數(shù)要求。

（3）針對研究成果，向設計和施工單位建議橋臺錐坡和半挖路基采用錨桿防護，坡腳沖溝進行回填，拉裂槽外設截水溝，內設過水管涵等綜合措施進行處治，目前高速公路正在施工，未發(fā)現(xiàn)新的變形跡象，證明本文的研究成果是可靠的。

參考文獻

［1］許 強，唐 然，等.降雨誘發(fā)紅層滑坡研究——以四川盆地為例［M］.北京：科學出版社，2020.

［2］張倬元，王士天，王蘭生.工程地質分析原理［M］.北京：地質出版社，1994.

［3］孔紀名，陳自生.川東89.7暴雨過程中的紅層滑坡［A］.滑坡文集（9）［C］.北京：中國鐵道出版社，1989.

［4］殷坤龍，簡文星，汪 洋，等.三峽庫區(qū)萬州區(qū)近水平地層滑坡和堆積體成因機制與防治工程研究［M］.武漢：中國地質大學出版社，2005.

收稿日期：2024-03-21

作者簡介：王 龍（1988—），高級工程師，主要從事公路地質勘察工作。