某高速公路“充填式”滑坡變形特征分析

李文強 王 海 董 博

(1.山西省交通規劃勘察設計院有限公司 太原 030006; 2.山西省采空區處治技術創新中心 太原 030006)

“充填式”滑坡往往具有隱蔽性,在地貌形態上一般不具備滑坡的特征,在地質調查和鉆探期間很難揭示出來。這類“滑坡”在自然狀態下不會發生滑動,在工程開挖擾動下才會誘發滑動,其變形范圍、變形特征,以及變形機制不同于常規滑坡。滑動范圍一般與古沖溝邊界密切相關,呈不規則狀或長條狀,后緣破裂范圍往往是邊坡前緣開挖高度的10倍以上,區別于常規的2～3倍;滑體厚度差異較大,與原溝谷地勢起伏程度相關,局部可能分布多條支溝和山梁;坡體變形最初往往以豎向沉降為主;受古地貌影響,坡體內存在明確的透水邊界,在局部容易形成地下水匯集點,邊坡一般存在穩定的地下水位。高速公路為線性工程,一般穿越多個地貌單元,涉及多種構造物類型——橋梁、隧道、深挖路塹、高填、涵洞、通道等,工點數量多,在地形條件、勘察工期,以及勘察成本等因素的制約下,不可避免局部存在勘察的盲區和薄弱地段,這就給“充填式滑坡”造成了可乘之機。目前針對常規滑坡的變形機制、穩定性評價等方面的研究都比較成熟和完善,根據前緣剪出口位置、后緣拉裂范圍、兩側裂縫特征,再結合鉆探及地表監測數據,基本能查清滑坡各要素,但是,針對這種隱蔽性強的“充填式”滑坡,常規的勘察手段難以查清滑坡的范圍、滑動面的位置,以及滑體的空間分布形態。

本文擬在地質調查、工程鉆探、挖探,以及室內試驗的基礎上,增加地球物理勘探和深部位移監測的方法及手段,對滑坡體進行綜合勘察和分析,研究“充填式”滑坡的變形特征及形成機制[1-2]。

1 工程概況

該滑坡位于挖方路段,兩側均為挖方邊坡,最大挖深約17 m,路塹邊坡擬采用臺階狀開挖形式,每8 m高設置2 m寬平臺1道。在施工過程中,路基開挖至設計標高附近時,左側邊坡坡腳發生局部滑塌,坡面出現剪切裂縫,同時坡頂也出現多條裂縫,后緣裂縫距離路線中心約190 m,邊坡平面圖見圖1,坡體附近房屋也出現不同程度的開裂,嚴重威脅邊坡上游居民和下游公路的安全。

圖1 邊坡平面圖

2 工程地質條件

2.1 地形地貌

1) 現地貌特征。該挖方路段地貌單元屬黃土覆蓋基巖山區,微地貌為緩坡。路塹范圍內地形東高西低,西側靠近河流,地面高程580～608 m間,相對高差28 m,坡面較平緩,主要為耕地和村莊,地表排水不暢。滑坡前緣寬約50 m,坡體表層裂縫總體上呈“7”字形,后緣裂縫至前緣約190 m,平面形態呈長條狀,邊坡全貌圖見圖2,坡體總面積約1.35萬m2,滑體主軸方向約300°。

圖2 邊坡全貌圖

2) 古地貌特征。滑坡所處地段地勢相對平坦,前緣開挖僅有17 m左右,后緣裂縫卻延伸了將近200 m,通過調查滑坡前緣發現,兩側邊坡均出現“地塹勢”地貌,兩側為巖石,中間為土層,邊坡前緣地層分界地貌圖見圖3和圖4。

圖3 滑坡前緣地貌

圖4 滑坡對岸地貌

因此,初步推斷該滑坡所處的地段古地貌為一沖溝,后期沖溝被覆蓋層充填,為驗證此推斷,結合該滑坡的自身特點,采用地震影像法探明地層分布情況。

本次勘察共完成地震映象測線5條,測線總長334 m,測點172個,測線方向均為面向線路從左向右布設,地震映像工作量見表1。為提高物探結果的精確度,5條測線均穿過鉆探點,利用鉆探成果輔助解譯并予以驗證,測線位置見表1。

表1 工作量一覽表

根據物探解譯結果,坡體在橫向位置方向土石分界面差異較大,同時也有一定的共同點。H1和H5測線揭示該斷面處的土石界面形態中間低兩側高,古地貌為“V”字形溝谷,H1解譯結果見圖5,H5解譯結果見圖6。

圖5 測線H1解譯成果

圖6 測線H5解譯結果

H2和H4測線揭示該斷面處的土石界面形態比較平直,古地貌地形起伏不大,初步推斷為寬緩溝谷段的谷底,H2解譯結果見圖7,H4解譯結果見圖8;H3測線揭示的土石界面形態為中間高兩端底,類似一個山脊的形態,結合上下游相態分析,古地貌中部發育一小山梁,H3解譯結果見圖9。結合物探解譯成果和鉆探資料,還原了滑坡體縱斷面方向的地貌形態,地貌分界縱斷面圖見圖10,根據縱斷面顯示古地貌沖溝后緣淺、前緣深,在深淺交接地段縱坡較大,不利于充填物的穩定。

圖7 測線H2解譯結果

圖8 測線H4解譯結果

圖9 測線H3解譯結果

圖10 地貌分界縱斷面圖

綜合橫斷段數據,可以推斷滑坡體古地貌形態總體上沿縱斷方向為一沖溝,上游淺、下游深,上游縱坡較小、下游縱坡較大,上下游溝谷均呈“V”字形,中部差異性沖刷,局部分布山脊,中部上游及下游位置溝谷寬緩。溝谷寬窄、陡緩交替,不利于邊坡穩定。

2.2 水文地質條件

滑坡體表層平緩,不利于地表水體排泄,古地貌為一沖溝,有利于地表水的入滲。因此,在勘察期間發現坡體前緣存在多處滲水點,且坡體內存在穩定的地下水位,十分不利于邊坡的穩定,邊坡滲水點見圖11,邊坡各鉆孔水位情況見表2。

表2 各鉆孔水位統計表 m

圖11 邊坡前緣出水點

3 深部位移監測

3.1 監測原理

深部位移動態監測采用鉆孔測斜儀觀測。該套系統性能穩定,對探測坡體深層巖土體側向的變位情況非常有效,不僅能清楚地探測到坡體深層滑動面(帶)的準確位置,同時對坡體滑動變形的方向、位移量、滑動速率都可以直觀求得。

工作原理:通過內置伺服加速度計原理準確量測儀器中軸線與鉛垂線之間夾角的變化值,即測取測斜管的傾斜變化值,也就是每2次測量間隔期監測斜管受力產生傾斜后的變化值[3],測斜儀工作原理圖見圖12,成果曲線圖見圖13。

圖12 測斜儀工作原理圖

圖13 測斜儀成果曲線圖

則每個測量深度的相對位移量和絕對位移量及變形方向分別如式(1)～(3)。

(1)

(2)

α=arctan(ΔXi/ΔYi)

(3)

3.2 監測數據分析

為了及時了解和掌握滑坡的變形規律,準確探測到滑坡滑動面(帶)的埋深位置等,對該邊坡進行了深孔位移監測,設監測孔8個,監測孔編號與地質鉆孔一致。自2023年4月14日設點開始觀測以來,截至2023年7月13日,累計共觀測4次,監測具體數據見表3,從觀測孔的位移曲線看,各鉆孔均具有明顯拐點和滑動變形跡象。

表3 深部位移監測數據一覽表

ZK1、ZK2位移監測曲線圖見圖14、圖15。由圖14、15可見,ZK1距離滑坡前緣最遠,變形深度約4 m,位于土層內,累計變形量17.92 mm,滑動跡象出現晚且速度慢,ZK2變形深度約5.8 m,位于土石分界面附近,累計變形量較大,約148.42 mm,變形速率快。

圖14 ZK1位移監測曲線圖

ZK3、ZK4位移監測曲線圖見圖16、圖17。由圖16、17可見,ZK3變形深度約13.5 m,位于水位線附近,測得有效累計變形量14.47 mm,第三次監測時測斜管已經被剪斷,ZK4變形深度約15.5 m,累計變形約82.92 mm。

圖16 ZK3位移監測曲線圖

ZK5、ZK6位移監測曲線圖見圖18、圖19。由圖18、19可見,ZK5變形深度約17.9 m,位于水位線附近,累計變形量約88.95 mm;ZK6變形深度約15.85 m,累計變形約40.37 mm。

圖18 ZK5位移監測曲線圖

ZK7、ZK8位移監測曲線圖見圖20、圖21。由圖20、21可見,ZK7變形深度約15.7 m,位移累計變形量約38.95 mm;ZK8變形深度約18.82 m,位于土石界面附近,累計變形約45.21 mm。

圖20 ZK7位移監測曲線圖

從8個鉆孔的監測曲線圖可以發現以下3個特點。

①滑坡后緣變形跡象明顯晚于前緣;②后緣累計變形量超過前緣,變形速率也大于前緣;③鉆孔變形拐點位置與水位線吻合度較高。

因此,可以初步判斷滑坡為牽引型,前緣變形造成后緣的拉張破壞,由于滑體前緣臨時反壓,前緣運動受阻后,后緣坡體持續向前擠壓,造成了后緣變形量反超前緣,由于滑體整體強度偏低,地下水是誘發滑坡的主要因素。

4 滑坡體結構特征

根據深孔監測數據揭示,滑坡深部位移拐點埋深位于4.0～18.8 m之間(見圖13～20),結合鉆探數據,滑動面主要位于土石界面附近和全風化層內,滑坡縱斷面圖見圖22。因此,滑體主要由石炭系太原組(C3t)全～強風化泥巖、砂巖組成,薄層狀結構,風化嚴重,裂隙節理發育,巖體破碎,局部表層覆蓋第四系黃土,為可塑～硬塑狀態,分布不均勻。滑體平均厚度約13 m,坡體總面積約1.35萬m2,總方量約18萬m3。

圖22 滑坡縱斷面圖(高程:m)

滑動面位置與地下水位埋深基本吻合,這也再次證明滑坡體古地貌為一沖溝,地表排水不暢,大氣降雨極易沿古沖溝邊界往下入滲,在溝谷附近造成地下水匯集,軟化土層和全風化巖層,因此在土層和風化層附近形成軟弱結構面[4-5]。

5 邊坡成因分析

綜上勘察成果分析,該段邊坡滑塌主要有三方面因素。

1) 地形原因。據實地調查并結合勘探資料,滑坡變形區域附近古地貌為一基巖沖溝,隨著地質時代變遷,土體不斷沉積,沖溝逐漸被土體覆蓋,加之后期人為改造,形成了現在的地形地貌。程家莊部分房屋正好位于沖溝后期沉積的土體之上,房屋下部土石接觸面起伏較大,土體厚度不一,地基發生不均勻沉降,地表變形。

2) 地下水原因。該地區降雨量比較豐富且相對集中,大氣降雨易沿表層土體及古地貌沖溝側緣往下入滲,下部泥巖為隔水層,地下水易在土石界面附近聚集,造成附近土體濕軟,地基承載力降低,誘發房屋沉降開裂。根據鉆探和深孔監測揭示,邊坡地下水位位于滑動面附近。

3) 卸荷原因。根據路基開挖揭示,受構造影響,邊坡前緣兩側土石結合部位部分巖體傾角較大,且兩側古地貌沖溝束窄,易造成應力集中,隨著邊坡開挖應力釋放,邊坡前緣部分土體易沿土石界面發生位移。

6 結語

文中通過物探手段,準確查明了滑坡體的邊界,結合鉆孔數據,對古地貌進行了局部還原,掌握了滑體的空間分布特征;根據深部位移監測方法,準確查明了滑動面的分布位置、滑體物質組成、滑坡體的變形量、變形速率,以及地下水動態分布特征,為滑坡的防治提供了精準可靠的地質依據。得出結論如下。

1) 根據深孔監測數據揭示,滑坡目前處于蠕滑階段,穩定性較差。

2) 滑坡前緣滑動面為土石界面,后段為風化巖層,滑動面與地下水位線基本一致,由此判斷邊坡破壞原理主要是坡腳開挖,在卸荷作用下前緣坡體沿充填物界面發生變形,在牽引拉張過程中坡體沿最軟弱部位整體發生破壞。因此,邊坡變形破壞機制為牽引拉張破壞。

3) 坡腳開挖只是邊坡破壞的誘發因素,控制邊坡變形的主要因素是地下水。