含煤系地层高边坡变形机理与处治对策研究

蔡智明

（福建省高速公路集团有限公司三明管理分公司，三明 365000）

0 引言

煤系地层通常指含有煤层的沉积岩地层， 其多为连续沉积。其典型的工程地质特征是岩层软硬不均，层间胶结较差，结构松散，且遇水易软化，结构易破坏导致强度丧失等特点； 该地层受地下水或其它外营力作用下易形成软弱夹层，具隔水、含水和强度软弱等特点[1-3]。

在福建台风、持续强降雨多发地区，受地表水入渗影响，坡体内煤系地层遇水软化，力学指标大幅降低，成为路堑高边坡变形、滑坡复活等地质灾害的主要因素，给道路建设和运营安全带来较大的安全隐患。 本文以福建省三明地区某运营高速公路路堑高边坡为例， 对含煤系地层的高边坡变形破坏机理进行探讨， 并对其工程处治方案进行分析，为将来类似的边坡防治提供一定参考借鉴。

1 工程概况

本段边坡位于运营的泉南高速公路K202+365～K202+530 段右侧，边坡坡率较缓，主要防护工程措施是第1 级设置护脚墙与浆砌片石贴坡；第2 级、第3 级坡率均为1∶2，预应力锚索加固防护；第4 级坡率1∶2，拱型骨架植草防护。

2 工程地质条件

2.1 地貌地质

场区为丘陵地貌， 丘陵自然坡度一般为10～30°，地下水和植被较发育，坡顶部较平缓。

边坡岩体主要为第四系覆盖层及二叠系的粉砂岩（图1）。 坡体上覆坡残积砂质粘性土，局部夹角砾；下覆基岩为砂土状至碎块状强风化粉砂岩，粉粒薄层状构造，风化裂隙发育；砂土状强风化至中风化炭质粉砂岩，灰黑色，细粒结构，炭质胶结，薄层状构造，风化裂隙发育。

夹煤系地层，其为黑色，结构面呈黑亮色，薄层状构造，风化裂隙发育。

图1 主断面坡体防护与工程地质图

区内岩体风化严重、节理裂隙发育，为顺层边坡，其中煤系地层含水量较高，为易滑地层，为该边坡发生变形的地质基础。 根据地质赤平投影图（图2）所示，边坡层理为顺倾，为最不利结构面。

图2 节理产状赤平投影

2.2 水文地质

场区属中亚热带海洋性季风气候，雨量充沛，年平均降水量约为1800mm。 区内地表水主要为大气降雨地表水，地表径流条件较差，排水不畅，地表水容易补给地下水，地下水较发育，坡脚仰斜排水孔常流水。 砂土状炭质粉砂岩及煤系地层容易隔水， 造成坡体岩体透水性一般，地下水不易向下顺利排泄，仅能通过煤系地层与上下地层接触面排泄， 诱发坡体容易沿软弱结构面发生变形，场区地下水直接受大气降水补给，具有明显季节特征。

3 变形病害及原因分析

3.1 边坡病害变形现状

坡体变形病害主要表现如下：

坡面结构物破损主要有坡面第2 级局部2 孔锚头崩裂，1 根框架梁断开破坏；地表破坏主要有边坡坡顶2 道张开拉裂，多级边坡平台下错拉裂，第1 级脚墙上部呈现贯通的V 字型剪出变形（图3）。

经调查，本段边坡在工程建设期间曾变形破坏，后采用清理滑体， 放缓边坡， 增设预应力加固等综合措施处治。本次坡体变形主要体现于坡体滑动变形特征，前缘剪出口位于早期变形剪出口位置，变形范围相当。

3.2 变形分析

该滑坡前缘剪出口贯通，中部滑移沉陷，左右侧界基本贯通，后缘产生新张开裂缝，及存在沿前期老滑面变形迹象。 其滑移主轴方向基本与线路垂直， 变形体宽度约85m、长度约78m、最大厚度约16m，滑坡体达3.1×104m3，属于小型的基岩滑坡地质灾害。

滑坡体前缘剪出变形严重，受持续强降雨影响，地表水富集于煤系地层，加剧岩体力学指标的弱化，易加剧现有滑体的变形发展，存在突发滑坡变形可能；同时可诱发滑坡后缘稳定场区次生变形，演变为较大规模滑坡，对滑坡前部高速公路的运营通车形成重大威胁。

3.3 变形原因分析

结合边坡施工、工程地质条件、变形发展等分析，边坡发生变形主要因素如下：

2017 年6 月至8 月， 该地区遭遇持续性强降雨，连续的强降雨成为该滑坡的诱发外因[4]。

边坡岩体结构破碎，节理裂隙发育，风化剧烈，空隙、裂隙较多，有利于大气降雨的地表水下渗补给；而砂土状炭质粉砂岩及煤系地层容易隔水， 地下水仅能通过煤系地层与上下地层接触面排泄， 诱发坡体沿软弱结构面发生变形；同时煤系地层遇水浸泡抗剪强度降低，形成软弱滑带，这是发生坡体变形的主要内因。

边坡曾发生浅层变形失稳， 原滑坡松散体未完全清除，受地表水入渗影响，易吸水饱和，增加滑体重量，加剧坡体变形；同时，原既有滑面未刷方清除，成为本次坡体变形的软弱滑动面，致使滑坡沿原滑坡变形发展。

4 稳定性分析

结合岩土勘察指标，利用反演法，通过边坡极限平衡理论反算坡体滑带力学强度指标。

结合前文分析， 本滑坡现阶段变形发展处于蠕动挤压阶段，评价其主断面坡体稳定状态约为1.0～1.05。 以边坡主断面K202＋460 进行量化计算分析， 选用较为严格的刚体极限平衡方法——Morgensten&Price 法， 采用Slide 软件进行滑坡稳定性反演计算，计算上、下层滑坡稳定系数浅层为1.01，深层为1.045，如图4 所示[5-7]。

图4 K202＋460 断面稳定性分析

反算滑带岩体强度指标详见表1。

表1 滑坡岩体强度指标表

5 治理工程方案

5.1 方案分析

通过上述对本段边坡变形发展过程、工程地质条件、变形影响因素等综合分析， 对本段边坡变形病害提出三个综合治理方案。

方案一：坡面原位预应力补强加固。其主要工程措施为，在边坡坡面空隙部位增设第1 级700kN，第2 级、第3级设450kN 预应力锚索加固工程。 边坡加固后稳定性分别为浅层1.496，深层1.233，工程造价约460 万元。

图5 坡面原位加固稳定性计算

方案二：抗滑桩结合坡面锚索补强加固。其主要工程措施为，在第2 级平台上增设13 根2.5m×2m 抗滑桩，第3 级增设8 片预应力锚索框架。 边坡加固后稳定性分别为浅层4.636，深层1.242，工程造价约625 万元。

方案三：刷方卸荷及坡面补强加固。其主要工程措施为，考虑边坡刷方征地线控制，第2 级设置22m 宽平台，第3 级坡率为1∶1.25，第4 级坡率为1∶1.5，对滑坡上部进行刷方卸载；同时在第1 级、第2 级、第3 阶增设预应力锚索框架加固。 边坡加固后深层稳定性1.242，工程造价约430 万元。

图6 抗滑桩支挡稳定性计算

图7 卸载加固稳定性计算

5.2 方案比选

方案一采用原位加固措施，考虑边坡具体情况，主要依靠预应力锚索等对松散滑体进行强加固， 其长期有效性和可靠性难以满足； 且由于坡体存在既有滑面等薄弱面，受外界降雨等影响，可持续弱化，边坡存在再次变形可能，难以根治。

方案二采用抗滑桩支挡方案， 其可以有效对滑坡进行工程治理，且边坡上部坡率较缓，有宽平台，具备设置抗滑桩条件。但鉴于本滑坡下部存在煤系地层等软层，且本滑坡变形量值较大， 开挖抗滑桩坑， 存在一定安全风险，同时采用抗滑桩治理费用较高，总体上该方案施工安全性与经济性稍差。

方案三采用卸载加固方案， 其有效的对滑坡上部进行卸载，并清除部分浅层滑体，有效减小下滑力；同时，考虑既有滑面影响，对坡体下部和上部坡体进行分级加固，其针对性较强。综合对比，选择该方案对本滑坡进行工程治理。

同时，在方案三基础上结合地表截排水、坡体平孔排水、坡面修复等措施对其进行综合治理。

6 结语

本段边坡高约36m，坡率平缓，受坡体内含煤系地层等影响，边坡层多次发生变形，采用预应力加固防护后，安全运营近10 年，受多年强降雨影响，坡体再次发生滑移变形破坏，且对高速公路运营造成较大安全影响。以本段边坡为案例，通过对含煤系地层的变形机理、稳定性评价及多个处治方案的对比分析， 提出了卸载减载结合预应力加固的有效处治方案，取得了良好的工程处治效果。由此可总结， 对于类似含煤系地层、 软层等不良地质边坡，应结合边坡具体情况，清除变形体、滑动面，或上部多卸载、下部支挡加固等综合措施可有效对其进行根治，本文对工程建设的此类问题具有较大参考意义。