某高速公路填方路基滑坡成因及穩定性分析

王建偉

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西太原 030032）

隨著社會的發展，交通基礎設施建設在經濟發展中顯得尤為重要，其中，高速公路作為連接區域之間的紐帶，起著不可替代的作用。高速公路修建過程中會不可避免地產生高填深挖路基，若對其處理不當，就會產生邊坡病害，從而對公路的運營安全產生嚴重影響?；伦鳛楣烦Ｒ姷倪吰虏『χ?，除破壞工程設施和中斷交通運輸外，還需要投入較大的資金處治，從而增加了公路運營成本[1-2]。對滑坡成因機理及穩定性分析的研究，是制定經濟合理的滑坡防治措施的前提。本文以某高速公路K128+240—K128+633 段高填路基滑坡為例，通過對滑坡區地質條件進行詳細勘察，結合人類工程活動，分析了滑坡形成的原因，對其穩定性進行了分析，同時提出了合理的治理建議。

1 工程概況

該滑坡位于某高速公路K128+240—K128+633 段，該處路基為高填路基，邊坡設為六級邊坡，一級坡率為1∶1.5，高度8 m；二級坡率為1∶1.75，高度12 m；二級以上坡率為1∶2，每級高度10 m，每級臺階設一道2 m 寬平臺，坡頂與坡腳最大高差53 m，位于樁號K128+386處。2019 年4 月23 日該邊坡范圍內路面不斷出現縱縫、橫縫、沉陷等病害，2020 年1 月15 日對該段路基病害進行了處治，主要采取坡腳反壓處理，反壓高度至三級邊坡平臺，反壓土前緣邊坡坡率1∶2，同時在二級邊坡平臺上采用矩形樁與圓形樁組合的抗滑樁進行了治理。2021 年10 月1 日前后，該地區經歷了超越歷史同期數十倍的連續陰雨天氣，路基發生沉陷變形，路面及坡面發育多條張性裂縫，且數個監控點位移呈現出發散增長趨勢。

2 工程地質條件

2.1 地形地貌

勘察區地貌單元屬構造剝蝕低山區，微地貌有山梁、山脊、緩坡-中緩坡、沖溝等，地勢整體南高北低，地形起伏變化較大，斜坡坡度在10°～50°之間，區內發育有兩條近南北向沖溝，其中K128+150 處沖溝溝谷切割深度5～10 m，溝底寬約10～35 m，溝岸較陡，坡角約55°左右，呈“U”字型溝谷；K128+390 處沖溝溝谷切割深度10～20 m，溝底寬約10～40 m，溝岸較陡，坡角在30°～50°之間呈“V”字型溝谷。該填方路段位于K128+390 處沖溝及兩側溝岸斜坡地帶，現因填方路基施工，改變了原有地貌形態，形成人工邊坡，坡頂與坡腳最大高差約53 m，滑坡全景圖見圖1。

圖1 滑坡全景圖

2.2 地層分布特征

根據勘察資料，滑坡區地層由第四系全新統人工堆積物（Q4me）、第四系上更新統沖洪積物（Q3al+pl）、第四系上更新統殘坡積物（Q3el+dl）和二疊系上統石盒子組（P2s）沉積巖組成，具體如表1 所示。

表1 地層巖性一覽表

2.3 水文地質

滑坡區地下水主要為第四系上層滯水和二疊系上石盒子裂隙含水層系統兩種類型。

a）第四系上層滯水主要形成于第四系地層，富水性弱，其主要接受大氣降水入滲補給和裂隙含水層排泄補給，排泄主要以側向徑流排泄及蒸發為主。

b）二疊系上石盒子裂隙含水層主要是大氣降水通過風化裂隙、斷裂裂隙等途徑直接滲入補給，部分接受側向徑流、第四系上層滯水補給；排泄主要通過地下水徑流排泄于沁河、滑坡區地層，部分以泉的形式排泄于地表，部分排泄于第四系上層滯水。部分地表出水點見圖2、圖3。

圖2 滑坡區西南側溝谷泉水

圖3 滑坡區東北側泉水

2.4 地質構造及地震

滑坡區以單斜構造為主，局部發育兩翼平緩的波狀褶曲，巖層產狀平緩，總體傾向為SW，傾角3°～7°，斷裂活動處于相對穩定狀態，無影響公路的活動性斷裂構造存在，地質構造簡單?；聟^地震動峰值加速度為0.10g，相對應的地震基本烈度為Ⅶ度區，地震動反應譜特征周期0.45 s。

3 滑坡形態及變形特征

3.1 滑坡形態特征

該滑坡平面上呈半圓形，順主滑方向長約400 m，前緣寬約340 m，總面積約114 848 m2，滑體最大厚度約35.0 m，平均厚度約33.0 m，總體積約3.79×106m3，為大型深層滑坡，主滑動方向北偏西23°左右，垂直于路線走向，后緣位于路線中心附近，見圖4。

圖4 滑坡體工程地質平面圖

滑體組成及特征：該滑坡體主要由填方路基土組成，地層巖性主要為粉質黏土、中-強風化砂泥巖，上部主要為粉質黏土，底部主要為中-強風化砂泥巖；粉質黏土結構疏松多孔隙，從上至下含水量逐漸增大，呈硬塑-可塑狀態，地表局部為可塑-軟塑狀態。該滑坡體前沿位于填方路基處，為半填半挖，沉降最大部位為原始斜坡與填方結合部位?；麦w呈緩坡狀，總體坡度介于10°～20°，填方體坡頂與坡腳的相對高差在20～53 m 之間，其主體部分位于K128+514 處沖溝內，其余部分位于該沖溝兩岸斜坡地帶；第四系殘坡積土覆蓋于填方路基左側山體地表，厚度不大于2.0 m，下伏地層為中-強風化砂泥巖。

滑動面及滑床：滑坡體上部鉆孔揭露，在深約39.2 m處存在明顯的滑動面及擦痕，位于碎石層與強風化泥巖結合處，即土巖結合面；坡體下部利用煤礦勘察資料，滑面深度為30～33 m 左右。該次調查滑坡前緣未見明顯剪出口，如圖5。

圖5 主滑方向工程地質斷面圖

3.2 滑坡變形破壞特征

該滑坡于2021 年6 月起，路面出現了不同程度的裂縫、沉降等現象。進入雨季后，路面病害進一步發展，局部形成錯臺。經歷了10 月初連續強降雨后，路面裂縫及沉降變形日趨嚴重，邊坡坡面發生變形，嚴重威脅行車安全。具體變形表現為：坡體表面橫向拉張裂縫十分發育，裂縫主要分布于路面、路肩及填方路基護坡上。路面發育多處橫向裂縫，在東側路面發育斜向裂縫，并且沉降最為明顯，沉降最大0.55 m；西側主要發育橫向裂縫，裂縫寬3～5 cm，向溝內沉降2～4 cm；路肩局部出現脫空現象，形成寬10～20 cm 裂縫；既有支擋工程南側土體沉降20～30 cm，裂縫寬5～10 cm，以及沿著該裂縫往東坡體下部土體微微開裂；位于填方體下方的排水波紋鋼管涵亦出現明顯拉裂，拉裂寬度約0.1～0.2 m，呈“V”字型變形，需及時進行修復；填方邊坡也出現滑塌，且坡腳局部也發育有數條橫向裂縫，裂縫寬約0.05～0.20 m，深度小于1.0 m。

4 滑坡穩定性分析

4.1 滑坡病害成因

根據滑坡區工程特性及地質條件相關研究[3-4]，認為滑坡病害形成主要有以下因素：

a）地層巖性為滑坡形成提供了內在基礎。該滑坡主要由第四系全新統（Q4me）路基填土組成，下伏地層為第四系上更新統（Q3al+pl）黃土夾卵石、第四系上更新統（Q3el+dl）殘坡積含碎石粉質黏土、第四系中更新統（Q3al+pl）黃土、二疊系上統石盒子組（P2s）中-強風化砂泥巖等。路基填土上、中部主要為粉質黏土，下部主要為碎石；粉質黏土結構疏松多孔隙，從上至下含水量逐漸增大，呈硬塑-可塑狀態，地表局部為可塑-軟塑狀態。通過室內試驗資料可知，路基填筑時采用的粉質黏土膨脹率在40%～51%之間，有弱膨脹性，具體表現為遇水膨脹、失水收縮干裂，導致龜狀裂縫在填方路基表面十分發育，為雨水的入滲提供了通道；土體含風化碎石、塊石較多，其呈骨架排列，且主要由強風化砂巖和泥巖組成，遇水易軟化，軟化后骨架重新排列，導致沉降加劇。另外，該高填方路基基底為濕陷性黃土，受地表水下滲及上部路基填土自重的影響，局部產生濕陷，亦加劇了該填方路基的變形破壞。綜上所述，地層巖性為滑坡形成提供了內在基礎。

b）大氣降水是滑坡形成的重要外在因素?；聟^降雨集中于7—9 月，多為暴雨，其形成地表面徑流由高向低排泄，在此過程中對坡面形成沖刷，在沖蝕作用下，既有裂縫不斷加深、加大，大氣降水入滲比例增大，一部分大氣降水轉化為地下水，導致地下水位升高約10 m左右，增加了浮托力，減少了滑動面處的法向有效應力，從而使抗滑力減??；另一方面，由于巖土體孔隙、裂隙發育，大氣降水入滲后充填空隙，使巖土體的重量增加，導致下滑力增大；再次，地下水自上而下在滲流過程中，會使滲透力增大，從而導致坡體下滑力增大。大氣降水的下滲會導致巖土體內裂縫發展貫通，對結構相對密實的原始地層之上填土起到軟化作用，使其抗剪強度急劇下降，而下伏原地層結構較為緊密，形成相對隔水層，受其阻礙，大氣降水入滲后沿原地面向下游排泄，并軟化坡腳附近巖土體，為滑坡的形成提供了滑動條件。

c）人類工程活動是滑坡形成的主要因素之一?；麦w中下部為某煤礦修建的工業場地，2020 年、2021年分別開挖上、下部場地，對坡體中下部進行了減載，使抗滑力減小，為滑坡的形成起到促進作用。

綜上所述，在各因素的共同作用下，最終導致滑坡產生，該滑坡運動形式以推移式為主。大氣降水及地下水位抬升是影響滑坡穩定性的最主要因素。

4.2 滑坡穩定性分析

4.2.1 滑坡穩定性分析

對滑坡穩定性進行分析，共利用了9 處沉降、位移觀測點，從6 月下旬至1 月下旬累計沉降最大值309.6 mm，位移最大值282.56 mm，最大變形點為9 號監測點（見圖6、圖7）。K128+390 處涵洞及二級平臺布設沉降位移觀測點4 個，從8 月中旬至10 月下旬累計沉降最大值86.0 mm，位移最大值245.7 mm，最大變形位于D1 監測點。從變形趨勢看，2021 年8 月3 日至2021 年8 月10 日變形突然加速，并趨于平穩，但9 月21日后變形又開始加速，且變形一直持續到10 月下旬，這和雨季汛期是對應的，屬于雨季階躍型變化（見圖8）。從監測結果看，9 月20 日前以沉降變形為主，水平變形相對較小，9 月20 日至11 月2 日以水平變形為主，沉降變形相對較小，之后又以沉降變形為主。綜合監測數據判斷，該滑坡現處于蠕動變形階段。

圖6 各觀測點累計水平位移

圖7 各觀測點累計沉降位移

圖8 沁水縣2021年各月降水量圖

4.2.2 推力計算

根據現場監測發現，強降雨是滑坡發生的最不利條件，在該工況下斜坡整體處于蠕動變形階段，故穩定性計算時以該工況為條件，并取整體穩定系數為1.025。目前常利用反算法計算巖土抗剪強度參數，當穩定系數及滑動面等已知時通過反算得到的巖土強度參數是可靠的[5]。以圖9 所示的1-1、2-2 斷面為計算斷面，得到穩定性相關計算參數，見表2。

表2 穩定性相關計算參數

圖9 滑坡推力計算簡圖

該邊坡形態較為簡單，根據《公路路基設計規范》（JTG D30—2015）的邊坡穩定性相關要求[6]，連續降雨狀態下邊坡安全系數取1.2。用傳遞系數法計算滑坡推力，如圖9 所示將斷面1-1 和2-2 為計算斷面，穩定系數Ks及剩余推力Ei的計算如式（1）、式（2）：

式中：Wi為第i條塊的重量；αi為滑面傾角；Ci為黏聚力；φi為內摩擦角；Li為條塊滑面長度；ψj為傳遞系數，。

經計算，可得到連續降雨工況條件下1-1、2-2 斷面滑坡剩余下滑力如表3 所示，其剖面抗滑力均小于下滑力，該邊坡穩定性不滿足相關規范要求，安全儲備不足，需進行處治。

表3 滑坡推力計算結果 單位：kN/m

4.3 治理建議

根據滑坡形態、工程地質條件、變形特征以及裂縫的長度、寬度與分布特征，結合工程特點及斜坡穩定性分析成果，認為該滑坡處于欠-不穩定狀態，目前變形一直在發展，主要發生在坡體上部后沿，有整體發生滑動的可能。若后期有強降雨，則會演變為大型深層滑坡。為保證路基邊坡穩定及公路運營安全，需對滑坡進行治理。

根據該滑坡誘因及工程特點，建議首先對路基坡面、路面、中央分隔帶加強截、排水措施，防止雨水進一步滲入路基內，同時對坡體裂縫進行封填，并對路基軟-可塑填土進行加固。在保證地表水疏導完善的基礎上，在路肩和坡腳處采用抗滑樁加錨索的治理措施，同時做好坡面防護等工程，定時對坡體變形進行監測預警，以保護民眾生命財產安全。

5 結論

本文以某高速公路K128+240—K128+633 段高填路基滑坡為例，通過對該滑坡路段開展工程地質勘察及穩定性分析得到以下結論：

a）該滑坡為大型深層土質滑坡，其運動形式以推移式為主，表現為坡體及后緣路面裂縫、錯臺及沉降，前緣坡腳擠壓變形。

b）極端強降雨是誘發該滑坡病害的主要外在因素，加之前緣坡腳及坡體開挖卸載使抗滑力減小，在多因素共同作用下，導致坡體產生滑動變形，降雨強度及入滲量是影響斜坡病害活躍程度的主要因素。

c）該斜坡處于欠-不穩定狀態，存在整體蠕動擠壓變形，安全儲備不滿足規范要求。連續降雨或其他不利條件下，極易發生整體滑動，嚴重威脅前緣企業及公路的運營安全。

d）建議首先做好地表截、排水措施及封堵坡面裂縫工作，然后通過抗滑樁+錨索處治方案進行支擋，同時對坡體變形進行監測和預警。