1. 引言
福建西北部地区均为山区,地质灾害广泛分布,其中以滑坡和泥石流为甚。三明地区是福建省滑坡灾害分布最集中的区域之一 [1] ,每年由于滑坡灾害造成的损失就高达数千万元,治理的费用更高于此。全区地质灾害调查结果显示,滑坡在地质灾害中所占比例为75.9%,具有点多面广、突发性强、危害性大等特征,滑坡的主要诱因是强降雨。为减少滑坡灾害造成的损失,学者们对边坡稳定性及预控措施进行了相关研究,伍宇明等 [1] 分析了福建地区台风暴雨型滑坡降雨阈值曲线;杨金旺等 [2] 把降强法与倾斜抬升超载法相结合,提出了预测顺层岩质边坡稳定性的地质力学模型综合试验方法;叶龙珍等 [3] 探讨了福建池头古滑坡特征及其局部复活的影响因素;陈文林 [4] 分析了福建沿海典型潜在滑坡的稳定性;王浩等 [5] 研究了福建山区高速公路路堑高边坡风险分级方法;林兴旺等 [6] 等分析了台风暴雨条件下福建霞碧滑坡的渗流稳定性;刘纪峰等 [7] [8] 等探讨了含水率对边坡土性及其稳定性的影响。
在前人研究的基础上,本文分析三明市梅列区陈碧线公路扩建工程K1 + 390~K1 + 455段典型滑坡的稳定性并探讨滑坡影响因素及预控措施,以期为类似工程提供参考。
2. 工程概况
三明市梅列区陈大镇至碧溪段公路扩建工程,在陈碧线K1 + 390~K1 + 455段边坡开挖拓宽路面过程中,发现该段坡脚处出现鼓张裂缝,距离开挖坡顶约30 m处有不同程度的拉裂缝,经地质调查,该段勘查周界比原招标范围大一倍多(详图1,图2,图2开挖部分为原招标范围,红线部分为滑坡边界),属工程施工引起的滑坡,滑坡土方预估达20万m3,该段滑坡存在多层滑动面,处于不稳定阶段,一旦下滑,将威胁位于坡脚的陈碧线公路及行人的生命、财产安全,需对该滑坡进行勘查、设计和治理。
Figure 1. Original tendering slope range
图1. 原招标范围的边坡
3. 滑坡区地质环境
滑坡勘查区地貌单元主要为低山丘陵区山坡坡地,局部为洪积扇堆积地,地势北东高南西低,区内种植杉木、松木等及灌木,表层植被茂盛。西南侧坡脚处为一拟建宽约8.5 m的二级公路,再往南为宽约9 m的河道,河道与公路平行,滑坡区内河流由北西向南东转变为由南西向北东迳流;西侧为“V”字型小沟谷,北东往南西走向迳流。
原始山坡坡度37~42˚,坡顶标高257.64 m,坡脚标高151.0~153.5 m,坡脚处由于开挖道路,现形成高陡边坡,开挖一个台阶面,阶宽2.1~2.8 m,坡度约55˚,开挖边坡坡顶标高约168~184 m。
边坡面出露古洪积扇堆积物(主要为含泥块石)、全风化花岗岩、强风化花岗岩层等,也有滑坡引起的鼓张裂缝,原始沟谷约为230˚方向,与现有滑动面方向一致。在剖面3、4之间堆载砂卵石层反压层,堆载高度约4.5~5.5 m。
滑坡勘查区出露的覆盖层为古洪积扇堆积物;下覆基岩为泥盆系桃子坑组砂岩、粉砂岩、石英砂岩及燕山期花岗岩(图3)。
勘察期间属于枯水期~丰水期前期,地表水主要为两条常年性流水溪沟,一条位于滑坡前缘约20~30 m处,流向由北向南,宽约9~15 m,实际水流宽度在1.5~6.0 m,水深0.3~1.2 m,流量约0.07~0.13 m3/s,经访问调查,丰水期可达2.0 m3/s;另一条位于滑坡北西侧,沟谷水流量随季节变化明显,在沟谷中上游,有人为设置拦截引水措施,引水措施之上流量在80 ~150 m3/d,丰水期可达800 m3/d;引水措施之下沟谷仅见少量渗水,常会出现干枯现象。
区内地貌单元为低山丘陵山坡坡地,属地下水补给区和迳流区。场地地下水主要赋存运移于古洪积扇含泥碎石、块石层及风化带孔隙裂隙中的潜水(风化带中局部渗透性突变部位具承压性质)。地下水的补给来源主要为大气降水,上游局部地段有沟谷地表水沿基岩裂隙渗入补给。
勘查区主要人类工程活动为扩建成二级公路,对原山体坡脚处进行开挖,由原坡脚向里侧开挖约10~20 m之后,在坡脚形成了一个高约15~30 m、坡度约55˚的临空面。由于土体卸荷,使得临空面岩土体不断出现鼓张裂缝,山体顶部拉张裂隙不断加大,加剧滑坡体发育(图4)。
4. 滑坡基本特征
滑坡后缘见圈椅状的拉张裂缝,裂缝宽度在0.05~0.35 m,局部达0.5 m以上,外侧下错0.15~0.25 m,裂缝大都呈垂直裂缝,深度在0.5~1.0 m,两侧发育有雁形羽毛状剪切裂缝,裂缝发育长度约150 m,并在开挖坡面ZK13~ZK15钻孔附近发现有不规则鼓张裂缝(图5),局部见坍塌现象,剪出口在公路内侧坡脚排水沟处,该滑坡体上部为古洪积扇堆积物,滑坡体主滑方向230˚。滑坡主轴长120 m,宽200 m,厚度5.0~21.0 m,主滑方向较深,大部分地段大于10 m,两侧稍浅,平均厚度约11.0 m,实测滑坡体面积约1.8万m2,土石方量约19.8万m3。滑坡面位于古洪积扇堆积物中的软弱土层、砂土状强风化花岗岩以及全风化花岗岩层中,平面呈半圆形滑坡,为牵引式中层岩土质滑坡。
实测滑坡后缘裂缝从ZK23孔东侧19 m开始到ZK28孔12 m,长度约150 m。滑坡主滑方向为230˚,滑坡体东侧界线以山脊为界;滑坡体西侧界线以小山沟为界,滑坡前缘以实际开挖坡脚面为界。
现有滑坡滑床与滑体接触关系主要沿软弱土层、古洪积扇堆积物与基岩接触面以及岩土胶结面为标
Figure 4. Irregular shear cracks in the front of slope foot
图4. 坡脚前缘地带出现不规则剪出口
Figure 5. Tensional cracks in the excavated steps
图5. 开挖边坡台阶处出现鼓张裂缝
志面。上段主要在古洪积扇堆积层存在软弱土层,遇水易软化,透水性强,软化现象较明显,粘性土呈粘滑感。其下部风化基岩工程性质较好,透水性差,地下水主要该基岩面向下游迳流,在地下水作用下,滑坡体软化,沿岩土风化面和软弱土层下滑。下段滑带则分布在全风化~砂土状强风化花岗岩中,最低剪出口处在新建公路内侧坡脚排水沟处,现已被堆载反压覆盖(图6)。
综合,现有滑坡可能失稳的主要原因是由于前缘坡脚地段边坡开挖,形成一个高陡临空面,对后部土体失去支撑而导致滑动,由下向上逐步发展变形。按照滑坡受力状态,滑坡应属于牵引式滑坡。
5. 滑坡影响因素及形成机制
5.1. 地形地貌
滑坡区地形较陡,原始山坡坡度在35˚~45˚,在长期的重力作用下,斜坡的整体平衡状态仅保持着脆
Figure 6. Collapse at the foot of the slope
图6. 坡脚地带处出现坍塌现象
弱的平衡。
5.2. 岩层因素
滑坡体存在古洪积扇堆积物,堆积物为含泥碎石、块石层,厚度较大,透水性好,并且存在于堆积物中的软弱土层遇水后易软化,下伏基岩为强风化~中风化、砂岩、粉砂岩及花岗岩,滑坡沿软弱土层、古洪积扇堆积物与基岩接触面以及岩土胶结面滑动。
5.3. 诱发因素
在边坡开挖前,原始山坡已形成滑坡体,处在基本稳定状态(弱变形阶段,主滑段滑动带在蠕变形,滑坡体尚未沿滑动带移动,稳定系数大于1.05)。坡脚公路建设开挖后,形成较陡边坡,产生临空面,破坏土体应力平衡,在自重力作用下,使上部土层沿软弱土层、古洪积扇堆积物与基岩接触面以及岩土胶结面产生滑动。
5.4. 水文地质因素
地下水是滑坡体形成的重要条件,上游地表水沿基岩裂隙迳流到滑坡体内,使土体饱和,软化,抗剪强度降低,使上部土体沿软弱带下滑。此外,连续强降雨是滑坡体形成的主要诱发条件。过量的水使土体饱和,沿剪切面孔隙水压力过大造成了滑动破坏的条件。
滑坡在以上各种因素的综合作用,先在一个点或一个局部范围发生剪断破坏,然后逐渐发展形成贯通的剪切破坏面、滑动面,最后在滑动力大于抗滑力时产生下滑。庆幸的是从2014年底至今雨量较少,尚未导致滑坡体整体下滑,目前滑坡尚处在强变形阶段,现根据剖面及实际情况,在滑坡后缘地带存在软弱土层地段,上段滑动面已形成贯通面,中段滑动面在强风化花岗岩层中,尚未形成贯通面,属欠稳定状态。
综上所述,该滑坡体属中层中型牵引式岩土质滑坡。
6. 滑坡监测
根据场地条件,布设3个深层水平位移监测孔(ZK3、ZK8、ZK22孔)。从2015年4月17日开始进行孔内监测,至2015年6月2日共监测14次,ZK3和ZK8孔累计最大位移量分别139.0 mm、35.9 mm,其中ZK22孔监测位移量很小,并在滑坡外缘,目前可认为是稳定的。5月19日至31日,持续多天强降雨,ZK3孔监测最大位移量比5月27日多出141.5 mm,ZK8孔在16 m处监测管断裂(图7,图8)。
7. 滑坡稳定性评价
7.1. 滑坡稳定性的定性分析
目前,滑坡尚处在强变形阶段,部分已形成贯通剪切面,属欠稳定状态,安全系数在1.0~1.05。滑
注:图中最右侧曲线为6月2日监测,最大位移出现在20~22 m处。根据上图可以确定ZK3孔滑动剪切面在27.5 m附近。
Figure 7. Monitoring results in ZK3 hole
图7. ZK3孔内监测结果
注:由于6月2日监测管断裂,图中5月27日监测值和4月17日监测(初始值)位移量一致,在3.0~13.0 m,说明出现整体滑动。根据上图可以确定ZK8孔滑动剪切面在16.0 m附近。
Figure 8. Monitoring results in ZK8 hole
图8. ZK8孔内监测图表
坡主要沿软弱土层、古洪积扇堆积物与基岩接触面以及岩土胶结面滑动。现地下水位均较深,在暴雨或岩土层长期饱水状态下,软弱土层和全~强风化土层均易软化,土体中的土颗粒容易流失,从而进一步影响滑坡体稳定性,将有可能整体下滑,该滑坡体发生的破坏模式为折线形滑动。
7.2. 滑坡稳定计算
滑动面抗剪强度参数的准确取值直接影响边坡计算、分析的可靠性。本次勘查除ZK21孔揭露粘性土外,其余地段均未揭露粘性土层,未取得原状样。一是滑坡区浅部土层主要为古洪积扇含泥碎石、块石等,受沉降环境影响,其土层性质不均匀,局部碎石、块石含量较高,原位测试试验困难,测试成果离散型较大。另一方面软弱土层以粘性土和碎石为主,土质变化大,干钻困难,取土器无法取得原状土样,仅采取相应的原位测试试验,测试成果离散性较大,并且,滑坡体折线形滑动面较为复杂。因此,本次相关岩土体物理力学参数主要结合现场原位测试、相同工程经验以及反算结果而得。
根据剖面情况及经验参数,选取主滑剖面8-8、9-9进行参数反演。计算软件为理正岩土,在通用方法中选用剩余下滑力,在自重+地下水状态或自重+地下水+暴雨状态,在已知安全系数反算c、ϕ值模块计算,计算结果如表1所示。
根据计算结果,在自重+地下水状态下,滑动面参数采用综合法取值c = 22.0 MPa、ϕ = 27.85˚。在自重+地下水+暴雨状态下,滑动面综合值取c = 19.0 MPa、ϕ = 25.55˚。
地质调查及勘查表明,滑坡形态较为复杂,根据8-8'、9-9'两条剖面,滑坡体为折线形滑动面,可采用福建省滑坡勘查技术规范(试行)传递系数法隐式解计算相关参数选取反算结果值,其计算模型如下(图9)。
(1)
Figure 9. Calculation sketch of transfer coefficient method of folded line sliding surface
图9. 折线形滑面传递系数法计算简图
式中:Pn-第n条块单位宽度剩余下滑力(kN/m);
Pi-第i计算条块与第i + 1计算条块单位宽度剩余下滑力(kN/m);当Pi < 0(i < n)时取Pi = 0;
Ti-第i计算条块单位宽度重力及其他外力引起的下滑力(kN/m);
Ri-第i计算条块单位宽度重力及其他外力引起的抗滑力(kN/m);
ψi-1-第i − 1计算条块对第i计算条块的传递系数;
Fs-滑坡稳定性系数;
ci-第i计算条块滑面粘聚力(kPa);
ϕi-第i计算条块滑面内摩擦角(˚);
li-第i计算条块滑面长度(m);
θi-第i计算条块滑面倾角(˚),滑面倾向与滑动方向相同时取正值,反之取负值;
Ui-第i计算条块滑面单位宽度总水压力(kN/m);
Gi-第i计算条块单位宽度自重(kN/m);
Gbi-第i计算条块单位宽度竖向附加荷载(kN/m);方向指向下方时取正值,指向上方时取负值;
Qi-第i计算条块单位宽度水平荷载(kN/m);方向指向坡外时取正值,指向坡内时取负值;
hwi,hw,i-1-第i及第i − 1计算条块滑面前端水头高度(m);
采用理正岩土软件计算,滑坡稳定性验算结果见表2。滑坡稳定状态划分表3。
7.3. 滑坡稳定性评价
根据上述代表性剖面线稳定性验算,滑坡体在自重+地下水状态下安全系数为1.00~1.00,处于欠稳定状态,小于设计规定的稳定性安全系数1.25;在自重+地下水+暴雨状态下安全系数均小于1.00,处于不稳定状态,需采取相应的治理措施,也说明验算结果跟实际情况是相符合的,具体计算结果详见计算书。建议滑面参数选取自重+地下水+暴雨状态下c = 19.0 MPa、ϕ = 25.55˚作为设计参数。
8. 结论
通过以上研究,可得出如下结论:
1) 滑坡防治工程等级为二级,滑坡勘查地质条件复杂,该滑坡体属中厚层中型牵引式岩土质滑坡。
2) 场地内岩土体组成复杂,场地抗震设防烈度为6度,设计基本地震加速度为0.05 g;设计地震分组为第一组;场地类别属Ⅱ类,特征周期0.35 s。
3) 滑坡治理应考虑滑坡类型成因、滑坡形态、工程地质和水文地质条件、滑坡稳定性、工程重要性、
Table 2. Stability calculation results
表2. 稳定性验算结果表
Table 3. Classification of stable state of slopes
表3. 滑坡稳定状态划分
施工影响等因素,采用排水、削方减载、支挡、锚固等工程措施进行综合治理。
4) 施工时应加强施工验槽。若发现异常情况(与勘察报告有差异时),应进行施工勘察。
基金项目
三明市科技计划项目(2017-S-1);工程材料与结构加固福建省高校重点实验室(三明学院)开放基金项目(B170001-5)。