高填路基滑坡变形特征与失稳机理研究
时间：2023-06-20 09:15:03 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
付国茂
（山西交科公路勘察设计院有限公司，山西 太原 030032）
2021年9月底至10月初，山西省中南部区域经历了降雨量超越历史同期数十倍的连续阴雨天气，高沁高速公路出现多处相似的路基滑坡，其中K128处路基滑坡规模较大，也较为典型。该段高填路基最大中心填高为41.5 m、外侧填高50.2 m。在运营期内，出现过不同程度的路基位移、路面裂缝等问题，2021年9月底，该段路基的数个位移监控点，位移呈现出一定的发散增长趋势，路面及坡面出现多条剪张性裂缝，严重影响了公路运营的安全性。
本文通过详细调查K128处路基滑坡的地质环境条件、滑坡空间形态和滑坡变形特征的基础上，分析了路基滑坡失稳机理，总结出引起滑坡的共性原因，可为今后类似地质情况的路基设计提供借鉴。
1.1 地质环境条件
滑坡地貌单元属构造剥蚀低山区，地势整体南高北低。区内发育一条近南北向呈“V”字型沟谷，上游大范围出露二叠系上统石盒子组（P2s）泥岩、砂岩，下游沟底覆盖薄层 Q42al+pl粉土及卵石，两侧沟岸由Q3al+pl黄土、卵石及Q3el+dl含碎石粉质黏土组成，局部 P2s砂、泥岩裸露；
滑坡区填方路段位于下游冲沟及两侧沟岸斜坡地带。滑坡区地层为第四系填土、粉质黏土，下覆二叠系上统石盒子组（P2s）泥岩、砂岩。岩层产状为63∠5°，无活动性断裂构造，地质构造简单。
地下水主要为碎屑岩裂隙水，富水性强，陡坡处含水层裸露或临空于地表，风化裂隙接受大气降水之后绝大部分随补随排，路基或边坡大部分赋存暂时性的地下水。裂隙水的多寡与大气降水量相关。
1.2 滑坡空间形态
1.2.1 滑坡空间形态和边界
滑坡平面上呈不规则的椭圆形，主轴长约410 m，宽约320 m，其中路面范围内即滑坡后缘宽约110 m，前缘宽330 m，东西两侧均以沟心为界，总面积约114 850 m2，见图1。滑体最大厚度约36.0 m，平均厚度约31.0 m，总体积约380万m3，为大型深层滑坡。主滑动方向北偏西22°，近似垂直于路线走向。
图1 滑坡规模平面图
1.2.2 滑坡的地层及结构特征
该滑坡体主要由第四系全新统（Q4me）路基填土和上更新统（Q3el+dl）残坡积及二叠系上统石盒子组（P2s）沉积岩组成，见图2，该滑坡体前沿位于填方路基处，为半填半挖，沉降最大部位为原始斜坡与填方结合部位。坡体呈缓坡状，总体坡度介于10°～20°，该填方体坡顶与坡脚的相对高差在20～50 m之间，其主体部分位于K128+514处冲沟内，其余部分位于斜坡地带。
图2 滑坡地质剖面图
1.3 滑坡变形特征
1.3.1 滑坡变形发育历史
2021年6月起，该路段出现路面沉降、裂缝等病害，自2021年9月降雨后，裂缝、沉陷、错台等日趋严重，尤其在10月初的连续强降雨之后，路面裂缝、路面变形加剧，严重危及行车安全。经现场实地踏勘，主要病害状况有路面开裂、路面沉陷、坡面变形、涵洞变形、两侧阶地张拉裂缝及二级平台下陷等。
1.3.2 地表及浅部变形
地表变形主要表现在路基沉降，路面、填方路堤及农田开裂。最大沉降位于K128+294—K128+350段中分带处，沉降路面与原路面标高高差约60 cm左右。裂缝主要发育在路面、填方路堤和农田处，裂缝类型有拉张裂缝、剪切裂缝和鼓张裂缝。详见表1。
表1 主要裂缝调查测量统计表
为了解路面以下沉陷变形情况，2021年9月对高沁高速K128+240—K128+633段路基沉陷病害进行了地质雷达探测，共布置测线10条，得出以下结论：K128+240—K128+633段，深度范围在0.4～1 m范围存在轻微脱空，1.5～2.5 m存在不密实层，局部存在疑似空洞。图3中，浅色范围为脱空或不密实异常，深色为疑似空洞区域。
图3 路基沉陷地质雷达探测平面示意图
1.3.3 深部变形
为了确定滑动面的准确位置及深部变形情况，设置深部测斜孔H24，并进行监测，图4为2021年9月1日至9月20日4次监测数据结果，位移在深度27 m处出现明显变化，表明在该位置27 m处出现滑动，并且滑动变形在不断发展中。
图4 深部测斜孔监测情况（H24号监测孔深层土体水平位移图）
通过在滑坡路基段典型断面布设4处变形监测点，得到监测数据以便分析滑坡变形趋势变化，见图5，从8月下旬至11月上旬累计沉降最大值309 mm，位移最大值282 mm；
最大变形点为D1号监测点。K128+390处涵洞及二级平台抗滑桩顶布设沉降位移观测点4个，从8月中旬至10月下旬累计沉降最大值86 mm，位移最大值245 mm，最大变形位于D1监测点。从变形趋势看，2021年8月3日至2021年8月10日变形突然加速，然后又平稳，再到9月21日后变形又开始加速，持续时间长，一直到10下旬，这和雨季汛期相对应，属于雨季阶跃型。11月份变形有所趋缓，变量为1～4 mm/d，变形和降雨期基本对应。依据地表监测数据结果，得出滑坡现处于蠕动变形阶段，其变形随着雨量的减小，逐步趋稳的结论。
图5 2021年8月21日—11月6日各监测点累计水平位移值
3.1 地形条件
滑坡路段属陡坡路堤，为半填半挖路段。地势整体南高北低，原地表斜坡坡度在 10°～40°之间，为滑坡提供了较好的地形条件。
3.2 地层结构
路基填土的地层结构及岩性特征为滑坡形成提供了内在基础[1]。路基填土物质成分主要由碎石、粉质黏土组成，结构较疏松，含水量自上而下逐渐增大，粉质黏土多呈可塑状态，靠近原地面附近多为软塑状态。土体含风化碎石块石较多，骨架排列，而碎石主要由强风化砂岩和泥岩组成，遇水易软化，强度降低，碎石棱角软化后土体骨架重新排列，导致沉降加剧。另外，该半挖半填路基位于Ⅰ级非自重（轻微）湿陷性黄土之上，受地表水下渗及上部路基填土自重的影响，局部产生湿陷，亦加剧了该填方路基的变形破坏。
3.3 大气降水影响
滑坡区内降水集中，多为暴雨，对坡面进行冲刷、侵蚀破坏，使得既有裂缝不断发育增大，大气降水入渗比例增大，滑体重量增加，下滑力增大，滑坡的稳定性降低。另外，滑坡区内降水集中，持续时间长，大部分大气降水形成地表面径流，自高处向低处排泄，地表水下渗及地下基岩裂隙水的补给，一方面使得滑体重量增加，下滑力增大，滑坡的稳定性降低；
另一方面，降水在相对隔水层（泥岩顶面和土体结合面）附近赋存，对隔水层顶面土体进行浸泡软化，使其抗剪强度降低；
再者，地下水位抬升或流动，增加了滑体的动、静水压力，根据勘察中钻孔、深部位移测斜管、泉、水文孔中地下水水位，得出工作区近2年时间内水位最大处上升约10 m，平均上升了7.2 m，其加剧了滑坡的变形速率，降低了滑坡的稳定性。
通过对监测位移资料及降雨量情况进行对比，如图6，滑坡变形速率与大气降水关系显著，呈现边坡变形速率随大气降水强度增大而增大的规律。
图6 2021年沁水县大气降雨量与滑坡水平位移对比（单位：mm）
3.4 地表水与地下水
滑坡区地表水主要为沟谷季节性流水，沟谷汇水面积为0.155 km2，按年平均降雨量为610 mm计算，沟内汇水体积为94 550 m3/年，每天平均汇水量为262 m3，该部分水为滑坡坡体主要的补给来源。
地下水是影响该滑坡稳定性的主要不利因素，地下水还具有水量较为稳定、对滑坡作用具有长期性的特点。渗透水进入岩土体的孔隙和裂缝中，使岩土的抗剪强度降低[2]；
除此之外，还存在滑带孔隙水压力增高和基岩裂隙水对滑带侵蚀作用。
3.4.1 滑带孔隙水压力增高
根据钻孔揭露地下水位位于基岩面上，并随基岩面高低而起伏，表明地下水受基岩层间裂隙水渗流影响，一方面在泥岩顶面土岩结合面附近赋存，对滑带土体进行浸泡软化，孔隙水压力增大，使其抗剪强度降低；
另一方面，地下水位抬升或流动，增加了滑体的动、静水压力，降低了滑坡的稳定性[3]。
3.4.2 基岩裂隙水层间渗流对滑带侵蚀作用
长时间的降雨入渗，形成大量的基岩裂隙水，形成层间径流，自高处向低处排泄，侵蚀软化基岩附近土体，并造成滑带内盐分胶结作用的易溶盐溶解，使得其抗剪强度急剧下降，形成劣化软弱层[4]。
根据以上滑坡变形特征与滑坡成因机制分析，水在滑坡成因中起到了主要作用，如何做好降水排水设计最为关键。见图7，在1～3级坡设置5排仰斜式排水孔，减低坡体上部土体含水量和疏导上部基岩裂隙水，在滑坡中部设置地下排水隧洞，隧洞顶部设置渗水井，渗水井间距10 m，起到降低滑坡坡体水位和排出中上部基岩裂隙水的作用。通过以上措施排水降水后，该路基滑坡基本稳定，并在雨季时依然起到很好的效果。
图7 滑坡处治设计示意图
通过分析滑坡地形地貌、地质构成及结构特征、地下水特征及情况，得出地质组成和结构特征是滑坡失稳的内因，大气降水及碎屑岩裂隙水层间渗流是影响滑坡稳定性的主要外因。为滑坡防治提供参考依据，同时也为路基设计提供借鉴，应尽量避免在碎屑岩裂隙水丰富的地段设置高填路基。
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