强降雨条件下风化岩质边坡滑坡机理及处治技术研究

李天贵

(广西北投公路建设投资集团有限公司,广西 南宁 530025)

0 引言

我国西南地区全年降水量偏多,在这些地区的地质不良地段进行路堑边坡开挖施工,边坡的稳定性必然会受到较大影响[1-3]。近些年来,随着我国西部地区交通基础设施建设的快速发展,出现了较多的边坡工程稳定性问题,影响了工程建设的快步推进[4-5]。因此,分析边坡的破坏过程和滑坡机理,提出有效的滑坡处治措施,对于保证路堑边坡安全稳定性具有重要意义。

风化岩体边坡在开挖前自身的稳定性较差,当路堑坡体受到开挖扰动后,整体稳定性会进一步下降[6]。如果在降雨条件下进行隧道开挖,坡体的自重会随着坡体岩土体含水量的增加而不断增大,从而导致坡体的下滑力增大[7-8]。同时,边坡岩土体由于含水率的增加,抗剪强度也会下降。如果未采取合理的边坡加固措施,边坡会因为地质、地形等条件的不同,产生相应形式的滑坡。因此,当边坡在开挖过程中出现异常状况时,需要根据边坡的地质特征采取合理的加固措施。本文结合我国西南地区一个典型的风化岩质边坡工程案例,针对其出现滑坡的条件、滑坡机理及处治措施进行分析。

1 滑坡工程地质条件

本文研究的路堑边坡位于我国的西南部,该地属于低山丘陵区,地势起伏较大,坡面的自然坡率为3°～30°。该地区属于亚热带季风区,降雨集中在4～6月,夏季降雨常导致山体发生滑坡和泥石流灾害。边坡所在道路的设计时速为60 km,路基宽度为40 m。该路堑边坡共分为四级,第一、二级边坡的斜率为1∶0.75,高度为10 m,坡面采用厚层基材防护,第三、四级边坡坡率为1∶1.0,高度均为10 m,边坡平台宽度均为2 m。图1为该路堑边坡的地质断面图。

图1 边坡地质断面示意图

坡体表层主要覆盖残坡积含砾碎石粉质黏土,土质较均匀,含有砂砾的粒径为0.2～2 cm,占比约为10%。土质覆盖层在坡脚处较厚。下层为中风化和强风化岩石,岩性为泥质粉砂岩夹砂岩,且有构造破碎带。其中,强风化泥质粉砂岩呈块状,质地较软,属于软岩;构造破碎带受构造挤压,填充岩石碎块。下层为中风化泥质粉砂岩和砂砾岩,呈层状构造,裂隙较发育,较坚硬。中风化岩层中对边坡稳定性影响较大的节理倾角为340°∠68°,节理倾角与坡面倾角基本一致,与其他节理组合切割边坡,极易形成潜滑动楔形体,易掉块或坍塌。根据地质勘察报告,边坡各土层在干燥和饱和状态时的物理力学参数如表1所示。

表1 边坡的实测岩土参数表

2 边坡破坏过程分析

边坡开挖由最上部的第四级台阶向下开挖。根据对边坡破坏的现场观察,边坡的破坏主要可以分为两个阶段,且并未造成大规模的破坏。

第一阶段滑坡从2021年6月开始,边坡的部分区域开挖至第三级台阶。此时,由于持续性的强降雨,边坡顶部发生大范围的开裂和滑塌,出现一个滑移楔形塌方体,边坡的顶部出现巨大的拉裂缝。经过现场踏勘,采取了清除滑坡体以保证边坡稳定性的措施。至9月,边坡的开挖已经基本完成,但塌方体仍然在持续滑动。此时塌方体的顶部边缘仍然存在明显的滑动裂缝。为了保证边坡的安全,对边坡采取卸荷和放缓的措施。至12月底,边坡的卸荷和放缓完成,滑坡体被完全清除。

第二阶段滑坡从2022年2月开始,受降雨影响,边坡顶部的坡面和边坡顶部的路面出现裂缝,坡顶再次出现滑塌体。采用重型机械在坡顶对滑坡体上部的岩土体进行清理,导致坡顶土体再次开裂,形成浅层的滑坡体。6月进入梅雨季节,边坡所在地持续大范围降雨,滑坡体的后缘产生错缝,错动的高度约为30 cm。但经过现场监测和踏勘,发现滑塌范围较2月份并未发生较大改变。随后,采取抗滑桩支挡+局部卸载加固,边坡逐渐趋于稳定。

3 滑坡机理分析

3.1 地质因素

滑坡的根本原因在于坡体中局部剪应力超过岩土体自身的抗剪强度,坡体的受力平衡被打破。边坡的岩土体自身的抗剪强度是影响坡体稳定性重要因素。边坡顶部的滑坡体岩性主要为强风化泥质粉砂岩和含碎石粉质黏土,其中边坡表面的覆盖层含碎石粉质黏土,组成物质结构松散。强风化岩的力学性质差,抗剪强度低,开挖暴露后遭降雨进一步侵蚀,结构变得松散,极易发生滑坡。下部的中风化岩体的透水性相对于上部含碎石粉质黏土覆盖层及强风化岩较差,产生一个隔水面,且中风化岩层的层理产状为239°～253°、倾角为24°～29°,层理与坡向倾角几乎相同,这也是导致滑坡的地质因素之一。

3.2 降雨

由于连续的强降雨,导致雨水不断向坡体内入渗,边坡顶部的粉质黏土层的含水率快速增加,导致边坡土体剪应力增大且抗剪强度下降。降雨发生后,由于土体的自重增大,边坡滑动体向下轻微滑动,导致边坡后缘的粉质黏土层和强风化岩层出现张拉裂缝和错动裂缝。由于坡体岩层构造的特征,导致潜在滑动体的侧缘出现羽毛状裂缝,雨水很快沿着裂缝进入到坡体内部,产生裂隙水压力。随着降雨的持续,边坡顶部表层的岩土层在张拉裂缝附近首先达到饱和状态,水在坡体渗流的过程中产生动水压力,对阻碍水流动的坡体产生推力。因此,与未发生降雨条件下的边坡相比,坡体下滑力增加了两个分量:裂隙水压力、动水压力[9]。此外,由于含碎石粉质黏土层下的强风化粉质砂岩破碎严重,岩体存在大量的节理裂隙,大量雨水会沿强风化砂岩层中的节理裂隙流动,而粉质黏土层和强风化粉质砂岩层下方完整性较好的中风化粉质砂岩层透水性相对较弱,在中风化岩层的顶面形成一层相对隔水层,提高了边坡对雨水的滞留能力,促进了边坡土体自重的增加速率。

降雨不仅导致潜在滑动土体外部的受力发生改变,并且改变了边坡土体自身的物理力学性质。降雨导致边坡土体的含水率上升,坡体岩土体的基质吸力下降,而基质吸力的下降直接导致岩土体的抗剪强度下降。由于雨水的浸泡,强风化岩层的结构面物理力学性质发生改变,主要体现为土体和岩体结构面中夹杂的填充物从固体状态向塑性状态甚至是流动状态转化,这导致边坡的土体和岩体的力学强度大大下降。此外,由于中风化岩层的隔水作用,随着降雨的持续,坡体内的地下水位不断上升[10],这使破碎的强风化岩土层中的静水压力不断增加,导致强风化岩层的有效应力和抗剪强度下降。如图2所示。

图2 降雨条件下岩土体受力示意图

4 滑坡综合处治技术

在路堑边坡发生滑坡后,主要采用了卸荷+坡面防护的滑坡综合处治方案。从滑塌的剪出口位置附近进行刷坡放缓,设计坡率为1∶2.5,每级坡高10 m,坡面均采用锚杆框格防护。同时,为了保证边坡顶部道路附近区域的稳定性,改变原有的道路位置。

4.1 边坡防护

对卸荷后的部分坡面设置框格锚杆防护,对各级坡面采用喷播植草和厚层基材进行绿化防护,灌木比例适当增大。为增大坡脚的稳定性,在坡脚位置增加挡墙。

4.2 排水设计

在坡顶内侧设置矩形混凝土边沟,各坡面平台设置平台截水沟,并与边沟顺接,最后汇入主线水沟。

4.3 改路设计

改路位于第五级坡顶上方。路基标准宽度为5 m,开挖坡率为1∶1.5,坡面采用锚喷支护。内侧水沟净尺寸为40 cm×40 cm,采用C20混凝土浇筑。

4.4 边坡监测

为了进一步验证边坡综合处治的效果,保证滑坡不在发生,需要对边坡进行监测。边坡监测主要包括地表监测和地下位移监测两部分。地表监测包括水平位移监测、竖向位移监测和裂隙监测。水平位移监测采用全站仪,竖向位移采用水准仪,裂隙监测采用直尺和裂缝计。地下位移监测通过布设测斜管,进行坡体深部水平位移监测,获得潜在滑动面的深度和滑动体的滑动方向。测斜管总共布设三根,深度均为15 m。如图3所示。

图3 边坡监测点布设示意图

为突出分析重点,简化分析过程,选取典型的边坡位移监测数据进行分析。选取地表位移监测点M1、P3及测斜管M2、M3进行边坡稳定性分析。图4为边坡P1和P3两个典型监测点位置的地表位移监测曲线图。

(a)监测点P1

由图4可知,随着监测时间的增加,两个位移监测点位置的边坡土体在三个方向的变形最终均趋于稳定。在监测初期,位移增加最快,随着监测时间的增加,位移变形速率逐渐下降。表明边坡加固措施发挥了较好的加固作用。其中,位移监测点P1位置Z方向的位移最大,最大位移量为28.52 mm;位移监测点P3位置也是在Z方向的位移最大,最大位移量为22.51 mm。两个位置的最大位移量均在合理的变形范围之内,并且位移均趋于稳定。

图5为边坡监测数据稳定时的坡体深部岩体位移监测曲线图。由图5可知,两个监测位置的深部位移均在正常范围内。M2和M3两个测斜孔以下12 m发生了明显的位移突变,表明边坡深部岩体在深度12 m附近存在潜在滑动带。在潜在滑动带以下位置岩体发生的位移方向与潜在滑动带以上位置的岩体位移方向相同。随着测斜孔的深度增加,岩体的位移量逐渐减小。在地表位置的位移量最大,M2和M3两个测斜孔的最大位移量分别为22.3 mm、27.8 mm。结合地质调查,在M2和M3两个测斜孔位置地表下11 m附近为强风化岩层和中风化岩层的分界面,并且强风化岩层破碎严重,含水量高,是边坡加固措施设计时考虑的重点。但总体上坡体的位移处于正常范围内,表明边坡的加固措施发挥了明显的加固效果。

图5 边坡深部岩体位移监测曲线图

5 结语

(1)在风化严重的岩质边坡开挖施工期间,持续性的降雨下渗会引起边坡的破碎岩体含水率上升,导致坡体下滑力增加,岩体的抗剪强度下降,加之开挖施工的扰动,引起边坡的应力分布发生变化,是诱发风化岩质边坡滑坡的主要内因和外因。

(2)降雨持续条件下,在不同风化程度的岩层界面,由于下层岩层界面的隔水作用,坡体内的水位持续上升,引起上层岩层中的静水压力增加,岩体的有效应力和抗剪强度下降,容易产生潜在滑动面。

(3)针对风化岩质边坡稳定性差、岩体强度易受降雨影响的特点,采取“卸荷+坡面防护”的综合措施,对滑坡后的边坡进行处治。同时,对临近边坡的道路进行改道,以减小对边坡稳定性的影响。现场坡体位移监测结果表明,边坡经过综合处治后,滑坡综合处治措施对滑坡的治理效果明显,边坡的稳定性显著提升。