某厚层碎石土滑坡滑面判定及防治对策
[张劲松1, 3 
, 杨红2 , 叶咸1, 3 , 郑瑞敏1 , 倪洪亮1 ]
, 杨红引用本文
张劲松, 杨红, 叶咸, 郑瑞敏, 倪洪亮. 某厚层碎石土滑坡滑面判定及防治对策[J].中国地质调查, 2024,11(2): 108-115.
ZHANG Jingsong, YANG Hong, YE Xian, ZHENG Ruimin, NI Hongliang. Determination of the slip surface of a thick gravel soil landslide and the prevention and control strategy[J].Geological Survey of China, 2024,11(2): 108-115.
doi: 10.19388/j.zgdzdc.2024.02.13
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ZHANG Jingsong, YANG Hong, YE Xian, ZHENG Ruimin, NI Hongliang. Determination of the slip surface of a thick gravel soil landslide and the prevention and control strategy[J].Geological Survey of China, 2024,11(2): 108-115.
doi: 10.19388/j.zgdzdc.2024.02.13
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某厚层碎石土滑坡滑面判定及防治对策
第一作者简介: 张劲松(1984—),男,高级工程师,主要从事岩土体稳定性与工程环境效应方面的研究工作。Email: 459939207@qq.com。
摘要
碎石土滑坡防治的难点是对其滑动面的准确判定。以大漾云高速公路K14+030—K14+130段左侧厚层碎石土滑坡为例,在地面调查、钻探、原位测试、室内试验、稳定性分析等基础上,充分查明了滑坡范围内地质结构特征及滑坡的成因机制,对碎石土类滑坡稳定性影响最大的因素是地震。对碎石土层中滑动面进行了综合判定,滑坡体颜色为褐黄色,碎石成分以小粒泾碎石为主,同时密实度呈松散状,钻孔岩心有明显擦痕,碎石颗粒有定向排列趋势。在此基础上,经过方案比选,最终提出双排抗滑桩+锚索框格梁边坡防护+截水沟的防治方案,该方案达到了良好的治理效果。研究结果对类似厚层碎石土滑坡滑面判定及防治对策研究具有借鉴意义。
关键词:
山区高速公路; 碎石土滑坡; 成因机制; 滑面判定; 稳定性验算; 防治对策
中图分类号:P642.2
文献标志码:A
文章编号:2095-8706(2024)02-0108-08
Determination of the slip surface of a thick gravel soil landslide and the prevention and control strategy
Abstract
The difficulty of gravel soil landslide prevention and control is the accurate determination of its slip surface. Taking the thick gravel soil landslide on the left side of K14+030—K14+130 section of Dayangyun Expressway as an example, the authors fully identified the characteristics of the geological structure within the scope of the landslide and the mechanism of landslide genesis, on the basis of ground investigation, drilling, in-situ test, indoor test and stability analysis. The most important factor affecting the stability of gravel soil landslide is earthquake. The slip surface in the gravel soil layer was comprehensively investigated. The color of the slope is brown yellow, the graved is mainly in small particle size, and the density is loose. The drilling core has obvious scratches, and the gravel particles have a directional arrangement trend. The prevention and control strategy of double-row anti-slip piles + anchor cable frame lattice beam slope protection + interceptor ditch was finally proposed after selection, and this strategy achieved good management effect. The results of this study could provide some reference for the determination of the slip surface of similar thick gravel soil landslides and the study of prevention and control strategy.
Keyword:
mountain expressway; gravel soil landslide; genetic mechanism; sliding surface judgment; stability check calculation; prevention and control strategy
0 引言
云南属山地高原地形, 省内山区高速公路多沿山坡展布, 常以挖方路基方式穿越坡积群, 此类路基工程在施工开挖后会改变原有的应力平衡, 导致堆积体失稳发生工程滑坡。国内外对碎石土滑坡进行了大量的研究: 许建聪等[1, 2, 3]对碎石土的物理力学性质、渗透性及碎石土滑坡中地下水管网状排泄系统对滑坡稳定性和失稳破坏的作用机制进行分析研究, 认为碎块石粒组的含量和细粒土粒组的含量对其渗透系数的影响最为显著, 同时结合工程实例, 分析了碎石土滑坡的变形解体破坏机制, 认为一定强度的长时间连续降雨或强降雨是中深层碎石土滑坡发生失稳的主要触发因素, 采用考虑降雨作用的大变形弹塑性接触有限元算法, 可以更好地反映该类型滑坡在降雨作用下所处的实际状态及滑坡的滑动过程; Sun等[4]认为地下水管网排水系统对边坡的稳定性有重要影响, 开挖坡脚破坏了滑坡的抗滑段, 降雨作用使得坡体地下水位显著升高, 同时由于坡体内部土石位移, 进一步破坏排水系统, 导致边坡失稳破坏; 姚晓阳等[5]研究了碎石土滑坡滑体的物理力学性质和渗透性质, 得到了碎石土滑坡的工程地质和水文地质模型, 并以此提出了防治措施; 陈志超等[6]以福建省安溪县岩山角落碎石土滑坡为例, 研究了碎石土滑坡内部渗流系统的变形敏感性和降雨敏感性, 认为粗石状碎石土区域以集中渗流为主, 假斑状碎石土区域以管网状渗流为主, 同时有针对性地提出抗滑桩和排水盲沟的治理措施; 孟华君等[7]对都江堰地震滑坡的滑动能力影响因素进行了相关性分析, 得出影响该区地震滑坡滑动能力的主要因素有滑坡体积、滑坡平面形态和滑坡前后缘高差, 并对不同形态地震滑坡建立了有针对性的滑动距离预测关系式。胡时友等[8]通过三排微型桩加固碎石土滑坡的室内模型试验, 研究了微型桩受力变形特性和碎石土滑坡推力传递规律; Gao等[9]研究了光纤布拉格光栅传感器用于滑坡工程的安全监测, 实验数据表明, 通过嵌入光纤布拉格光栅传感器可以有效监测边坡的应力应变变化; 陈家兴等[10]以赤绒碎石土古滑坡为研究对象, 对其复活演化机理进行了研究, 认为大碎石骨架作为降雨下渗通道是滑坡复活的外部因素, 并将古滑坡复活演化过程分成不同阶段; 龙孝等[11]以湖南韶山宋家湾滑坡为例, 对其变形因素、破坏机制及演化过程进行了分析, 并提出了工程防治对策。
国内外学者对碎石土滑坡的研究多集中于数值模拟[12, 13]、渗流影响、应力传递、滑坡影响因素、地震响应及治理措施等方面, 对于碎石土滑坡, 特别是块碎石含量明显较高的碎石土滑坡的滑面判定研究尚有不足。针对碎石土滑坡的治理是在准确查明滑动面位置的基础上进行的, 因此, 对碎石土滑坡滑面位置的判定就显得尤为重要。基于此, 本文以大理— 漾濞— 云龙高速公路 K14+030— K14+130段左侧厚层碎石土滑坡为例, 先通过地质调查对该区域地质结构及地质构造情况进行详细了解, 找出变形区, 再通过地质钻探, 详细了解地层岩性特征及变化规律, 并判别滑坡滑动面的具体位置。在此基础上, 通过原位测试、室内试验确定岩土体物理力学参数, 通过稳定性分析有针对性地提出防治方案。研究旨在总结这类发育于碎石土滑坡的滑面特征及判定依据, 为科学防灾及预防处置提供经验和理论依据。
1 区域地质背景
大理— 漾濞— 云龙高速公路K14+030— K14+130滑坡位于云南省大理白族自治州漾濞县沙坝村, 属构造侵蚀中山地貌区, 微地貌属于山区地貌, 路段区斜坡地势陡峻, 地形起伏较大, 地形标高在1 572.5~1 673.6 m之间, 相对高差为101.1 m。根据地质调查, 该段斜坡位于山坳之间, 横断面呈台阶状, 地表植被发育, 无基岩出露, 覆盖层为厚层碎石土坡积体, 施工期间因前缘坡脚开挖发生工程滑坡, 后缘已经形成明显的贯通性弧形裂缝, 两侧下挫近2 m, 坡脚位置可见明显挤出, 整个滑坡体已有整体滑动的趋势(图1(a))。
 | 图1 K14+030— K14+130滑坡全貌、地理位置及区域地质图Fig.1 Landslide general view, geographic location and regional geologic map of K14+030— K14+130 section |
根据收集的区域地质调查报告及对滑坡区工程地质调查成果, 滑坡区邻近未见断裂构造通过, 岩层呈单斜产出, 其岩层产状为159° ~176° ∠31° ~37° , 优势产状168° ∠33° 。滑坡段范围内分布主要地层有第四系和下白垩统景星组下段(K1j1)泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、砂岩(图1(b))。
滑坡坡脚为漾濞江, 属于澜沧江水系。由于漾濞江距离工程区较远, 对滑坡基本无影响。其余地表水主要有雨水, 调查过程未发现井、泉点出露, 地下水主要为第四系孔隙水及基岩裂隙水。
2 滑坡变形破坏特征、滑面判定及滑坡成因机制分析
2.1 滑坡变形破坏特征
该段斜坡自然坡度约24° ~35° , 整个滑坡体位于冲沟内, 冲沟地形较陡, 汇水明显, 整个滑体比较松散。路线左幅以挖方路堑形式从斜坡坡脚通过, 原设计最大中桩挖方深度为17.63 m, 开挖后左侧将形成高32.5 m的4级边坡, 按原设计开挖至3级边坡时, 坡面及坡脚处存在多处浅层滑塌, 坡体上部山体出现大量裂缝及错台, 裂缝目前已经形成闭合的弧形(图1(a))。原本坡顶175 m左右宽度的机耕道被破坏, 并发生下挫, 路基发生严重坍塌(图2(a)), 坡脚位置可见明显挤出(图2(b)), 滑坡两侧也形成大量裂缝, 裂缝最大下挫近2 m(图2(c)), 目前滑坡体已有整体滑动的趋势。整个滑塌体纵向长约180 m, 宽约100 m, 滑动面平均深度约7.5 m, 滑坡体体积为1.62× 105 m3, 主滑动方向为36° 。该段公路右侧为桥梁工程, 该滑坡一旦失稳会威胁右幅已建成桥梁的安全, 同时, 滑坡威胁到机耕道上部一新建农家乐及旁边三颗高压铁塔(其中两颗高压铁塔为大保铁路专线用电铁塔)。
 | 图2 K14+030— K14+130滑坡破坏现状Fig.2 Current status of landslide damage for K14+030— K14+130 section |
2.2 滑面判定
本次勘察在主滑面K14+110断面上布置5个钻孔, 在碎石土层钻进过程中采用连续动探实验来判别滑面, 各钻孔动探实验数据经过杆长修正后如图3所示。
 | 图3 K14+110断面地质剖面图Fig.3 Geological profile of K14+110 section |
(1)ZK1。0~5.2 m高程范围内, 动力触探平均值为3.9; 5.2~11 m高程范围内, 动力触探平均值为5.14; 11 m 位置以下钻孔岩心为强风化砂岩。根据动力触探实验数据及规范可以判定0~11 m 段落碎石土为松散状。在11 m位置岩心断面上, 碎石土颗粒有明显的擦痕及定向排列迹象(图4(a)), 据此可以判定此钻孔在11 m位置为滑动面。
 | 图4 钻孔岩心中的滑带特征Fig.4 Slip zone characterizations in the drilling core |
(2)ZK2。0~13.3 m高程范围内, 动力触探平均值为4.96; 13.3~29 m高程范围内, 动力触探平均值为16.1; 29 m位置以下钻孔岩心为强风化砂岩。因此判定0~13.3 m段落碎石土为松散状, 13.3~29 m段落碎石土为中密状。从岩心外观判别, 0~13.3 m段落碎石土颜色主要为褐黄色, 碎石成分以小粒径碎石为主, 根据外观判定堆积年代较新, 而13.3~29 m段碎石成分粒径多数大于5 cm, 其次, 0~13.3 m段的钻进速度明显比13.3~29 m段的钻进速度快。因此, 综合判定ZK2的滑面位置在13.3 m位置。
(3)ZK3。0~6 m高程范围内, 动力触探平均值为4.9; 6~23 m高程范围内, 动力触探平均值为21.1; 23 m位置以下钻孔岩心为强风化粉砂质泥岩。因此判定0~6 m 段落碎石土为松散状, 6~23 m 段落碎石土为密实状。从岩心外观上看, 0~6 m段落碎石土颜色主要为褐红色, 碎石成分主要为小粒径碎石为主, 外观判定堆积年代较新, 而6~23 m段碎石成分粒径多数大于6 cm, 0~6 m段的钻进速度明显比6~23 m段的钻进速度快。结合钻孔岩心照片, 在6 m位置可见岩心有明显的擦痕, 碎石颗粒有定向排列的趋势(图4(b)), 因此综合判定ZK3的滑面位置在6 m位置。
(4)ZK4。0~6 m高程范围内, 动力触探平均值为4.6; 6~29.8 m高程范围内, 动力触探平均值为23.4; 29.8 m位置以下钻孔岩心为强风化砂岩。因此判定0~6 m段落碎石土为松散状, 6~29.8 m段落碎石土为密实状。根据岩心外观、密实程度及钻进速度判别如下: 0~6 m段落碎石土颜色主要为褐黄色, 碎石成分以小粒径碎石为主, 外观判定堆积年代较新; 6~29.8 m段碎石颜色呈褐红色, 碎石粒径多数大于5 cm; 0~6 m段的钻进速度明显比6~29.8 m段的钻进速度快。因此, 综合判定ZK4的滑面位置在6 m位置。
(5)ZK5。位于滑体及裂缝外侧, 主要目的是判别滑坡后缘裂缝外侧的地层情况及滑坡外围地层是否会继续影响该处农家乐的安全。该钻孔0~5.8 m段落主要为人工填土, 动力触探平均值为15.8; 5.8~25.5 m段落为碎石土, 动力触探平均值为22.1; 25.5 m 以下钻孔岩心为强风化泥质粉砂岩。根据动力触探实验数据及规范可以判定0~5.8 m 段填土为中密状, 5.8~25.5 m段碎石土为密实状, 据此判定ZK5的地层为相对稳定地层。
2.3 滑坡成因机制分析
K14+030— K14+130滑坡的发生包括内在因素和外在影响因素。
(1)有利于滑坡发生的地形地貌条件。K14+030— K14+130段为一堆积体斜坡地貌, 此类坡体稳定性较差, 临空面较好, 且对地震波有放大效应, 不利于边坡的稳定。
(2)有利于滑坡产生的地质条件。该段边坡上覆2~30.8 m厚碎石土, 下伏全-强风化紫红色粉砂质泥岩、粉砂岩、砂岩, 自然坡度较陡, 为24° ~35° 。碎石土透水性强, 现场调研时见坡脚存在降雨积水, 短时间大降雨会在土层中形成大的渗透压力, 不利于碎石土的稳定性, 降雨会软化碎石土胶结状态, 为滑坡的形成提供了有利条件。
(3)地震的作用有利于滑坡的产生。2021年5月21日, 在云南省大理州漾濞县发生6.4级地震, 震源深度为8 km, 随后发生多次余震。K14+030— K14+130段边坡距离震中位置小于10 km(震中位置见图1(b))。地震对该边坡上堆积体具有强烈的扰动作用, 地震过后发现坡上发生多处裂缝, 后期雨水沿着裂缝下渗, 进一步软化堆积体, 为滑坡的发生提供了结构基础。
(4)施工开挖及降雨有利于滑坡发生。坡脚开挖形成临空面, 有利于堆积体向坡脚滑移, 同时强烈的施工扰动破坏了土体原有的应力平衡, 加上施工期间的强降雨进一步软化坡体, 极易在坡面施工开挖位置形成剪出口, 最终形成工程滑坡。
3 滑坡稳定性分析
3.1 定性分析
根据滑坡变形破坏特征及形成机制, 滑坡后缘已经下挫近3 m, 滑坡两侧裂缝下挫近2 m, 滑坡前沿从开挖面挤出, 滑坡体上出现多处裂缝及下挫, 滑坡两侧及后缘裂缝已全部贯通。由此可见, 该滑坡已处于欠稳定状态, 雨季前沿剪出口可见地下水从滑体大量渗出, 坡体上可见松散碎石土裹挟泥水往下滑移。如果边坡继续开挖, 或者遇到强降雨情况, 整个边坡将会整体滑移。
3.2 定量分析
本次定量分析选择主滑断面(K14+110)作为计算坡面, 结合滑坡的影响因素, 进行天然工况、暴雨工况、地震工况下的滑坡稳定性分析。
计算参数的选取结合动力触探实验、室内试验、当地经验参数及反算结果综合取值(其中参数反算根据滑坡现状, 滑坡不反压的情况将处于欠稳定状态, 选取滑坡稳定系数K=0.95), 最终选取黏聚力C值为5 KPa, 内摩擦角ϕ 值为27° 。
本次稳定性分析利用GeoStudio软件, 分别分析天然工况、暴雨工况和地震工况下滑坡的稳定性。计算结果如图5— 7所示。
 | 图5 天然工况下稳定性计算结果Fig.5 Stability calculation results under natural working conditions |
 | 图6 暴雨工况下稳定性计算结果Fig.6 Stability calculation results under rainstorm conditions |
 | 图7 地震工况下稳定性计算结果Fig.7 Stability calculation results under seismic conditions |
其中, 暴雨工况下考虑了渗流对滑坡的稳定性影响, 地震工况下水平地震力为0.2 g, 垂直地震力为0.1 g。根据稳定性分析结果, 在天然工况下, 滑坡处于基本稳定状态, 在暴雨工况下, 滑坡处于欠稳定状态, 在地震工况下, 滑坡将处于不稳定状态。同时通过计算也可以看出, 对滑坡稳定性影响最大的因素是地震。
4 滑坡治理方案
根据上述分析, 结合实际施工水平和现场地质条件, 提出两种处置方案。
4.1 方案一
方案一为削坡+锚索框格梁边坡防护+抗滑桩+截水沟的防治方案(图8)。
 | 图8 方案一防治工程布置Fig.8 Layout of prevention and control works for Option 1 |
(1)在原有机耕道边上设置10颗1.5 m× 2 m, 距桩中心5 m的抗滑桩, 桩长为22 m, 出露 3~4 m, 埋深为18 m。在抗滑桩顶设置冠梁将桩连成一体, 在桩顶下1.0 m的位置设置一道锚索, 长度为25 m。待抗滑桩施工完毕以后, 恢复原有机耕道及边沟, 通过机耕道排水沟拦截滑坡范围的地表水。同时, 通过这排抗滑桩拦挡机耕道上面的农家乐遭到进一步破坏。这一步的目的主要为稳定滑坡周界, 保护顶部农家乐及高压铁塔的安全。
(2)在完成顶部机耕道边上抗滑桩施工及锚索张拉以后, 对其下部边坡从上而下采用大平台削坡(1∶ 0.75~1∶ 1.25坡率削坡, 平台宽5~15 m)。坡面采用锚索框格梁防护, 锚索长度为25 m, 锚固长度为10 m, 锚索倾角为30° 。同时, 坡面裂缝未被完全清理的位置要进行防水处理, 即采用防渗土工布包裹地表土对裂缝进行封堵。
加固后采用GeoStudio软件对主滑面建立地质模型, 并进行稳定性分析, 得出天然及暴雨工况下稳定系数K均大于1.3, 边坡稳定, 但地震工况下边坡稳定性系数为1.01, 达不到稳定性要求。
4.2 方案二
方案二为双排抗滑桩+锚索框格梁边坡防护+截水沟的防治方案(图9)。
 | 图9 方案二防治工程布置Fig.9 Layout of prevention and control works for Option 2 |
(1)斜坡坡体及水塘防渗补裂, 在坡体两侧新建截水沟截排滑坡范围内的地表水, 同时翻修机耕道内侧排水沟。
(2)在K14+030— K14+130左侧路基第一级平台位置设置一排抗滑桩, 桩长为22 m, 桩间距为5 m, 共21颗抗滑桩。
(3)边坡采用1∶ 0.75坡率削坡, 平台宽2 m。坡面采用锚索框格梁防护, 锚索长度为25~32 m, 锚固长度为10 m, 锚索倾角为22°
(4)待前3步施工完毕以后, 在原有机耕道边上设置第二排抗滑桩(同方案一中第(1)步的抗滑桩), 该排抗滑桩底部应尽量置于基岩面以下。
加固后经过稳定性计算, 在天然、暴雨及地震工况下安全系数均满足稳定性要求。
最后结合工程造价、工期及后期运营的安全性综合比选之后, 选择方案二为实施方案。从方案比选过程可以得出, 针对碎石土滑坡, 采用抗滑桩治理是比较安全可靠的途径。
5 结论
(1)根据K14+030— K14+130段左侧厚层碎石土滑坡稳定性计算结果得出, 对碎石土类滑坡稳定性影响最大的因素是地震。
(2)本文在地质调查、钻探、原位测试、室内试验等基础上, 对K14+030— K14+130段左侧厚层碎石土滑坡滑动面进行了综合判定, 滑坡体颜色为褐黄色, 碎石成分以小粒径碎石为主, 同时密实度呈松散状, 钻进速度较快, 一般堆积年代较新, 钻孔岩心有明显的擦痕, 碎石颗粒有定向排列的趋势。在此基础上, 经过方案比选, 最终提出双排抗滑桩+锚索框格梁边坡防护+截水沟的防治方案, 该方案达到了良好的治理效果。研究结果对类似厚层碎石土滑坡滑面判定及防治对策研究具有借鉴意义。
(3)对于滑动面的判定方法, 除了本文提到的观察钻孔岩心(颜色、状态、堆积先后顺序及滑面擦痕)和原位测试外, 还有钻孔位移监测、物探等手段, 由于本研究工期原因未能使用其余方法验证滑动面位置, 这将是未来研究的方向。
(责任编辑: 刘丹)
参考文献
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