強降雨條件下風化巖質邊坡滑坡機理及處治技術研究

李天貴

(廣西北投公路建設投資集團有限公司,廣西 南寧 530025)

0 引言

我國西南地區全年降水量偏多,在這些地區的地質不良地段進行路塹邊坡開挖施工,邊坡的穩定性必然會受到較大影響[1-3]。近些年來,隨著我國西部地區交通基礎設施建設的快速發展,出現了較多的邊坡工程穩定性問題,影響了工程建設的快步推進[4-5]。因此,分析邊坡的破壞過程和滑坡機理,提出有效的滑坡處治措施,對于保證路塹邊坡安全穩定性具有重要意義。

風化巖體邊坡在開挖前自身的穩定性較差,當路塹坡體受到開挖擾動后,整體穩定性會進一步下降[6]。如果在降雨條件下進行隧道開挖,坡體的自重會隨著坡體巖土體含水量的增加而不斷增大,從而導致坡體的下滑力增大[7-8]。同時,邊坡巖土體由于含水率的增加,抗剪強度也會下降。如果未采取合理的邊坡加固措施,邊坡會因為地質、地形等條件的不同,產生相應形式的滑坡。因此,當邊坡在開挖過程中出現異常狀況時,需要根據邊坡的地質特征采取合理的加固措施。本文結合我國西南地區一個典型的風化巖質邊坡工程案例,針對其出現滑坡的條件、滑坡機理及處治措施進行分析。

1 滑坡工程地質條件

本文研究的路塹邊坡位于我國的西南部,該地屬于低山丘陵區,地勢起伏較大,坡面的自然坡率為3°～30°。該地區屬于亞熱帶季風區,降雨集中在4～6月,夏季降雨常導致山體發生滑坡和泥石流災害。邊坡所在道路的設計時速為60 km,路基寬度為40 m。該路塹邊坡共分為四級,第一、二級邊坡的斜率為1∶0.75,高度為10 m,坡面采用厚層基材防護,第三、四級邊坡坡率為1∶1.0,高度均為10 m,邊坡平臺寬度均為2 m。圖1為該路塹邊坡的地質斷面圖。

圖1 邊坡地質斷面示意圖

坡體表層主要覆蓋殘坡積含礫碎石粉質黏土,土質較均勻,含有砂礫的粒徑為0.2～2 cm,占比約為10%。土質覆蓋層在坡腳處較厚。下層為中風化和強風化巖石,巖性為泥質粉砂巖夾砂巖,且有構造破碎帶。其中,強風化泥質粉砂巖呈塊狀,質地較軟,屬于軟巖;構造破碎帶受構造擠壓,填充巖石碎塊。下層為中風化泥質粉砂巖和砂礫巖,呈層狀構造,裂隙較發育,較堅硬。中風化巖層中對邊坡穩定性影響較大的節理傾角為340°∠68°,節理傾角與坡面傾角基本一致,與其他節理組合切割邊坡,極易形成潛滑動楔形體,易掉塊或坍塌。根據地質勘察報告,邊坡各土層在干燥和飽和狀態時的物理力學參數如表1所示。

表1 邊坡的實測巖土參數表

2 邊坡破壞過程分析

邊坡開挖由最上部的第四級臺階向下開挖。根據對邊坡破壞的現場觀察,邊坡的破壞主要可以分為兩個階段,且并未造成大規模的破壞。

第一階段滑坡從2021年6月開始,邊坡的部分區域開挖至第三級臺階。此時,由于持續性的強降雨,邊坡頂部發生大范圍的開裂和滑塌,出現一個滑移楔形塌方體,邊坡的頂部出現巨大的拉裂縫。經過現場踏勘,采取了清除滑坡體以保證邊坡穩定性的措施。至9月,邊坡的開挖已經基本完成,但塌方體仍然在持續滑動。此時塌方體的頂部邊緣仍然存在明顯的滑動裂縫。為了保證邊坡的安全,對邊坡采取卸荷和放緩的措施。至12月底,邊坡的卸荷和放緩完成,滑坡體被完全清除。

第二階段滑坡從2022年2月開始,受降雨影響,邊坡頂部的坡面和邊坡頂部的路面出現裂縫,坡頂再次出現滑塌體。采用重型機械在坡頂對滑坡體上部的巖土體進行清理,導致坡頂土體再次開裂,形成淺層的滑坡體。6月進入梅雨季節,邊坡所在地持續大范圍降雨,滑坡體的后緣產生錯縫,錯動的高度約為30 cm。但經過現場監測和踏勘,發現滑塌范圍較2月份并未發生較大改變。隨后,采取抗滑樁支擋+局部卸載加固,邊坡逐漸趨于穩定。

3 滑坡機理分析

3.1 地質因素

滑坡的根本原因在于坡體中局部剪應力超過巖土體自身的抗剪強度,坡體的受力平衡被打破。邊坡的巖土體自身的抗剪強度是影響坡體穩定性重要因素。邊坡頂部的滑坡體巖性主要為強風化泥質粉砂巖和含碎石粉質黏土,其中邊坡表面的覆蓋層含碎石粉質黏土,組成物質結構松散。強風化巖的力學性質差,抗剪強度低,開挖暴露后遭降雨進一步侵蝕,結構變得松散,極易發生滑坡。下部的中風化巖體的透水性相對于上部含碎石粉質黏土覆蓋層及強風化巖較差,產生一個隔水面,且中風化巖層的層理產狀為239°～253°、傾角為24°～29°,層理與坡向傾角幾乎相同,這也是導致滑坡的地質因素之一。

3.2 降雨

由于連續的強降雨,導致雨水不斷向坡體內入滲,邊坡頂部的粉質黏土層的含水率快速增加,導致邊坡土體剪應力增大且抗剪強度下降。降雨發生后,由于土體的自重增大,邊坡滑動體向下輕微滑動,導致邊坡后緣的粉質黏土層和強風化巖層出現張拉裂縫和錯動裂縫。由于坡體巖層構造的特征,導致潛在滑動體的側緣出現羽毛狀裂縫,雨水很快沿著裂縫進入到坡體內部,產生裂隙水壓力。隨著降雨的持續,邊坡頂部表層的巖土層在張拉裂縫附近首先達到飽和狀態,水在坡體滲流的過程中產生動水壓力,對阻礙水流動的坡體產生推力。因此,與未發生降雨條件下的邊坡相比,坡體下滑力增加了兩個分量:裂隙水壓力、動水壓力[9]。此外,由于含碎石粉質黏土層下的強風化粉質砂巖破碎嚴重,巖體存在大量的節理裂隙,大量雨水會沿強風化砂巖層中的節理裂隙流動,而粉質黏土層和強風化粉質砂巖層下方完整性較好的中風化粉質砂巖層透水性相對較弱,在中風化巖層的頂面形成一層相對隔水層,提高了邊坡對雨水的滯留能力,促進了邊坡土體自重的增加速率。

降雨不僅導致潛在滑動土體外部的受力發生改變,并且改變了邊坡土體自身的物理力學性質。降雨導致邊坡土體的含水率上升,坡體巖土體的基質吸力下降,而基質吸力的下降直接導致巖土體的抗剪強度下降。由于雨水的浸泡,強風化巖層的結構面物理力學性質發生改變,主要體現為土體和巖體結構面中夾雜的填充物從固體狀態向塑性狀態甚至是流動狀態轉化,這導致邊坡的土體和巖體的力學強度大大下降。此外,由于中風化巖層的隔水作用,隨著降雨的持續,坡體內的地下水位不斷上升[10],這使破碎的強風化巖土層中的靜水壓力不斷增加,導致強風化巖層的有效應力和抗剪強度下降。如圖2所示。

圖2 降雨條件下巖土體受力示意圖

4 滑坡綜合處治技術

在路塹邊坡發生滑坡后,主要采用了卸荷+坡面防護的滑坡綜合處治方案。從滑塌的剪出口位置附近進行刷坡放緩,設計坡率為1∶2.5,每級坡高10 m,坡面均采用錨桿框格防護。同時,為了保證邊坡頂部道路附近區域的穩定性,改變原有的道路位置。

4.1 邊坡防護

對卸荷后的部分坡面設置框格錨桿防護,對各級坡面采用噴播植草和厚層基材進行綠化防護,灌木比例適當增大。為增大坡腳的穩定性,在坡腳位置增加擋墻。

4.2 排水設計

在坡頂內側設置矩形混凝土邊溝,各坡面平臺設置平臺截水溝,并與邊溝順接,最后匯入主線水溝。

4.3 改路設計

改路位于第五級坡頂上方。路基標準寬度為5 m,開挖坡率為1∶1.5,坡面采用錨噴支護。內側水溝凈尺寸為40 cm×40 cm,采用C20混凝土澆筑。

4.4 邊坡監測

為了進一步驗證邊坡綜合處治的效果,保證滑坡不在發生,需要對邊坡進行監測。邊坡監測主要包括地表監測和地下位移監測兩部分。地表監測包括水平位移監測、豎向位移監測和裂隙監測。水平位移監測采用全站儀,豎向位移采用水準儀,裂隙監測采用直尺和裂縫計。地下位移監測通過布設測斜管,進行坡體深部水平位移監測,獲得潛在滑動面的深度和滑動體的滑動方向。測斜管總共布設三根,深度均為15 m。如圖3所示。

圖3 邊坡監測點布設示意圖

為突出分析重點,簡化分析過程,選取典型的邊坡位移監測數據進行分析。選取地表位移監測點M1、P3及測斜管M2、M3進行邊坡穩定性分析。圖4為邊坡P1和P3兩個典型監測點位置的地表位移監測曲線圖。

(a)監測點P1

由圖4可知,隨著監測時間的增加,兩個位移監測點位置的邊坡土體在三個方向的變形最終均趨于穩定。在監測初期,位移增加最快,隨著監測時間的增加,位移變形速率逐漸下降。表明邊坡加固措施發揮了較好的加固作用。其中,位移監測點P1位置Z方向的位移最大,最大位移量為28.52 mm;位移監測點P3位置也是在Z方向的位移最大,最大位移量為22.51 mm。兩個位置的最大位移量均在合理的變形范圍之內,并且位移均趨于穩定。

圖5為邊坡監測數據穩定時的坡體深部巖體位移監測曲線圖。由圖5可知,兩個監測位置的深部位移均在正常范圍內。M2和M3兩個測斜孔以下12 m發生了明顯的位移突變,表明邊坡深部巖體在深度12 m附近存在潛在滑動帶。在潛在滑動帶以下位置巖體發生的位移方向與潛在滑動帶以上位置的巖體位移方向相同。隨著測斜孔的深度增加,巖體的位移量逐漸減小。在地表位置的位移量最大,M2和M3兩個測斜孔的最大位移量分別為22.3 mm、27.8 mm。結合地質調查,在M2和M3兩個測斜孔位置地表下11 m附近為強風化巖層和中風化巖層的分界面,并且強風化巖層破碎嚴重,含水量高,是邊坡加固措施設計時考慮的重點。但總體上坡體的位移處于正常范圍內,表明邊坡的加固措施發揮了明顯的加固效果。

圖5 邊坡深部巖體位移監測曲線圖

5 結語

(1)在風化嚴重的巖質邊坡開挖施工期間,持續性的降雨下滲會引起邊坡的破碎巖體含水率上升,導致坡體下滑力增加,巖體的抗剪強度下降,加之開挖施工的擾動,引起邊坡的應力分布發生變化,是誘發風化巖質邊坡滑坡的主要內因和外因。

(2)降雨持續條件下,在不同風化程度的巖層界面,由于下層巖層界面的隔水作用,坡體內的水位持續上升,引起上層巖層中的靜水壓力增加,巖體的有效應力和抗剪強度下降,容易產生潛在滑動面。

(3)針對風化巖質邊坡穩定性差、巖體強度易受降雨影響的特點,采取“卸荷+坡面防護”的綜合措施,對滑坡后的邊坡進行處治。同時,對臨近邊坡的道路進行改道,以減小對邊坡穩定性的影響。現場坡體位移監測結果表明,邊坡經過綜合處治后,滑坡綜合處治措施對滑坡的治理效果明顯,邊坡的穩定性顯著提升。