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瓮马高速公路低缓顺层边坡失稳机理与反思

发布时间:2020-01-07 16:11所属平台:学报论文发表浏览:

摘要:通过对瓮马高速公路顺层边坡工程地质条件的系统调查与分析,对其变形破坏机制进行深入探讨研究。研究结果表明,顺层边坡破坏为滑移-弯曲-拉裂复合型顺层滑坡,边坡的变形受层间软弱夹层及岩体结构控制作用明显。基于变形机理分析和工程影响的治理措施将

  摘要:通过对瓮马高速公路顺层边坡工程地质条件的系统调查与分析,对其变形破坏机制进行深入探讨研究。研究结果表明,顺层边坡破坏为滑移-弯曲-拉裂复合型顺层滑坡,边坡的变形受层间软弱夹层及岩体结构控制作用明显。基于变形机理分析和工程影响的治理措施将重点放在控制顺层滑坡向上继续滑移拉裂和软弱面滑移剪切控制上。

  关键词:顺层边坡;结构面;变形机制;岩体结构;瓮马高速

高速公路

  岩层走向和倾向与边坡走向和倾向一致的边坡称为顺层或顺倾边坡,其余的叫反倾或斜向边坡。实际工程中,常将边坡走向与岩层走向夹角小于20°倾向接近的边坡视为顺层边坡。顺层边坡易失稳,已是岩土工程界的共识[1-8]。在山区公路的路基工程中,顺层路堑边坡的稳定性问题比较常见和突出,顺层路堑边坡的稳定性往往成为路基工程成败与公路运营安全的关键。

  山区公路若遇区域性单斜地层,形成无法避免的大段落顺层边坡,则将给公路建设造成巨大影响。例如,万梁高速公路全线有20km多的顺层边坡路段[6],沿线顺层边坡为最主要的失稳边坡类型,发生变形滑移的顺层高边坡31处,占全线路堑高边坡的39.7%[5]。袁从华等人[1]介绍的某顺层高边坡开挖过程中产生滑坡,并不断向上发展,造成多次征地,延误工期,增加工程造价,并总结了路线通过顺层边坡造成的各类不利后果。

  龚文惠等[4]结合沪蓉国道主干线湖北宜昌至恩施高速公路的顺层岩质路堑高边坡工程,分析了结构面强度、岩层厚度、岩层倾角等各项因素对顺层岩质路堑边坡稳定性的影响。然而、低矮边坡,缓倾角的顺层边坡往往被工程所忽视,其发生的顺层滑坡也可能造成非常大的影响。翁马高速公路K33+300~K33+700路堑边坡即为顺层边坡,该边坡施工期发生顺层滑动,逐渐向上发展,延缓了工程进度,造成工程费用巨大增加。该路堑边坡设计阶段坡高较矮,岩层倾角16°。

  且对于边坡工程设计而言,首要的问题是找到引起边坡失稳的主要原因,然后再采取有效措施。低路堑、缓岩层顺层滑动具有代表性,值得其他工程借鉴。

  1滑坡概况

  K33+300~K33+700路堑中线最大挖方深度20.43m。开挖后形成的右侧边坡以一级坡、二级边坡(10m一级)为主,最大坡高20.4m。路堑开挖完成第二级边坡,正进行第一级(大里程段落接近路基设计高程)开挖,还未进行防护结构施工时,K33+370~640段右侧山体发生顺层滑坡。滑坡顺路线方宽度约270m,滑体最大长度约187.65m,平均长度104m,厚度平均8.11m,总滑动体积约286769m3。

  滑面为岩层层面,倾向NE45°,倾角16°。山体坡面产生多条裂缝,裂缝最大宽8m、最深约15m。滑坡导致位于山坡上的一根移动光缆被拉断,已开挖完毕的第一级路基平台路基受到挤压,隆起约2m。滑坡产生的最高处的裂缝距路基右侧220kV的高压输电线路铁塔“瓮福回019塔”仅22m,而滑坡有继续发展的趋势,严重威胁电塔“瓮福回019塔”的安全。

  2工程地质条件

  2.1地形地貌

  K33+300~K33+700右侧边坡位于福泉市龙井村境内,该处路线走向约128°。边坡处于陂陇沟左侧岸坡中部,总体地形属于斜坡地貌,高程范围1020.0~1090.0m。山间仅有小路通过,通行条件差。

  2.2气象与水文

  滑坡所在福泉市境内气候属中亚热带季风气候区,年均气温14.7℃,年均降水1190.8mm,年平均日照时数1167.9h,年无霜期平均270d。灾害气候主要为干旱、倒春寒、冰雹和暴雨等。滑坡区内无地表水体。地下水主要为基岩中的裂隙水及岩溶水,主要靠大气降水下渗补给。滑坡调查及补充勘察中,均未揭露地下水。

  2.3地层岩性

  边坡上部覆盖第四系坡积成因粘土,分布厚度0~0.8m;下伏基岩为三叠系中统关岭组白云质灰岩,隐晶质结构,中厚层构造,节理裂隙发育,裂隙见少量方解石脉充填,裂隙面铁泥质浸染。层状白云质灰岩层间有粘土夹层,灰绿色,厚度约1cm。滑坡发生后现场踏勘,滑面粘土处于软塑状态。

  2.4地质构造

  滑坡范围未见区域性断层通过。下伏三叠系中统关岭组白云质灰岩岩层产状为45°∠16°。滑坡范围发育两组节理节理裂隙J1:165°∠70°;节理裂隙J2:66°∠69°。

  3滑坡特征

  (1)滑坡平面形态及发展

  滑坡周界上的滑坡裂缝清晰可见。顺路线纵向方向,滑坡范围起于桩号K33+380,止于桩号K33+640。横向上,滑坡范围从K33+380桩号开始,横向范围逐渐增大,到K33+480附近达到横向范围最大值,横向长度约187m(从路线中线至滑坡裂缝后边界的水平距离);然后逐渐减小,在桩号K33+550附近,横向长度约100m;K33+550至33+620附近,滑坡后缘裂缝基本与路线平行。

  但自2013年12月12日至2014年2月14日,滑坡仍在蠕动,滑坡裂缝已经向后有所发展,局部断裂脱离的块体接近静止不动。截止2014年3月4日,除K33+550至K33+620范围滑坡裂缝向高处发展10m外,其它范围滑坡裂缝基本没有再扩大发展。

  (2)滑面及滑动特征

  该滑坡主滑面为粘土夹层,夹于厚层白云质灰岩之间,滑面平直。滑面物质为粘土,灰绿色,厚度约1cm。滑坡发生后现场踏勘,滑面粘土处于软塑状态。已经出露的滑坡滑面上,擦痕和阶步特征明显。实测擦痕方向与岩层倾向一致,为NE45°,证明该滑坡是典型的顺层滑坡。

  (3)滑坡体裂缝

  滑坡周界裂缝和滑体内部裂缝发育。滑坡后缘裂缝拉开宽度0.2~7m。滑坡体内部裂缝亦见1~2m者。滑坡周界裂缝深度2~14m。滑坡裂缝多沿发育的2组构造节理发展,将滑体切割成大小不同块体。其中存在部分块体前后均脱离并长期停止滑动的现象。滑坡体前沿放射状裂缝发育,在已开挖坡面上形成从上至下的垂直裂缝,裂缝发展方向与坡面垂直。由于放射状裂缝极其发育,使原有厚层白云质灰岩碎裂成碎裂结构。

  (4)滑坡鼓丘

  滑坡体前沿K33+470~33+510附近,在已经开挖的路基位置形成滑坡鼓丘。滑坡鼓丘高出原有路基开挖基准面约2m。鼓丘上出现鼓胀裂缝。由此推断,该滑坡前沿弯折断裂位置即为鼓丘发生位置,鼓丘外形成抗滑体。

  由于该处为白云质灰岩,岩质坚硬,能产生滑坡鼓丘,说明滑坡推力较大,也说明构造及风化节理切割原有岩体,岩体结构破碎。另外,施工爆破对产生滑坡鼓丘或有一定影响。综上所述,从滑坡体积上判断,该滑坡属于中型滑坡;从滑面深度判断,该滑坡属于中层滑坡。从滑坡形态上判断,该滑坡属于典型顺层滑坡。

  4滑坡机理

  岩层倾向与边坡坡向近乎一致,岩层倾向NE45°,开挖形成边坡坡面坡向NE38°,岩层倾向与坡向相差7°,为顺层边坡。且节理J2倾向与边坡坡向呈小角度相交,为陡倾节理,是潜在的顺层滑动后缘边界,对边坡稳定不利。而J1又与坡面近乎垂直,形成滑动块体侧缘边界(或沿节理追溯)。

  坡体中存在粘土夹层和泥岩夹层,夹层内灰绿色泥岩具有遇水软化特性,为顺层滑动主要内因。由于岩体节理裂隙发育,致使滑体裂缝多沿节理裂隙发展,将滑体切割成不规则块体,形成坡体内众多滑坡裂缝。随着后缘裂缝扩大,为后缘上部岩体构成了新的临空面,使得后缘上部岩体产生沿着岩层面和软弱夹层滑动的趋势,宜是滑坡逐渐向上发展的内在原因。岩质边坡变形是受岩性、构造、水文诸因素控制的,但其中主导因素、起决定性作用的因素为岩性和岩体结构,但由于滑坡发生时为冬季少雨季节,并未发生降雨入渗造成的滑带物质软化或裂隙内净水压力、水动力作用等。

  因此,该滑坡发生的机理应为:由于人工开挖坡脚切坡为诱因,顺层的岩体结构和粘土夹层为内因产生的顺层滑动+弯曲断裂+拉裂复合破坏型滑坡;滑坡前缘弯曲断裂破坏,表象为滑坡鼓丘;后缘主要为拉裂破坏,表象为宽裂缝;中部以滑移破坏为主。且拉裂破坏逐渐向后缘发展,滑坡后缘出现新裂缝既是有力佐证。

  5反思

  该岩质路堑边坡高度未达到深路堑30m的判断高度,滑坡范围超出顺层滑动临界长度y一般考虑的范围[7],值得深入反思。(1)小于30m的顺层岩质路堑边坡,存在一定的失稳风险,设计阶段应排查该类边坡,做特殊工点设计。(2)对于缓倾岩层,存在失稳可能下,且失稳后涉及的范围较大,向上牵引扩展将引起较大损失。(3)路堑边坡上部存在房屋、高压铁塔、光缆等结构物时,需加强边坡稳定性分析,否则,顺层滑坡向上发展造成的损失严重。

  (4)对于顺层边坡,如果事先没有明确路线通过位置顺层边坡的稳定性与可治性,并且不进行避绕而强行通过,则很可能会出现施工中由于开挖引起的顺层滑坡,或者在高速公路运营过程中,边坡岩土体长期受水的软化和支护结构强度损失造成运营期间的顺层滑坡。(5)对于顺层边坡,需从大区域构造着手,由面到点,研究避绕的可能性。对于区域性背斜或向斜形成的沿轴线延伸的河谷,应避开大段落顺层边坡。(6)低高度、缓倾角的顺层边坡,在人工开挖卸载后,有可能发生顺层滑动+弯曲断裂+拉裂复合破坏型滑坡。因此防治此类破坏要从抵抗滑移和拉裂着手,并消除弯曲形式的破坏。

  6结论

  根据该滑坡工程地质条件及形成机理分析,可以得出如下结论:(1)滑坡属于缓倾角基岩顺层滑坡,是典型的人工切坡诱发滑坡。在本滑坡中水的作用不明显,人工开挖坡脚切坡为主导诱因,顺层的岩体结构和粘土夹层为主控内因。(2)顺层滑坡机制为顺层滑动+弯曲断裂+拉裂复合破坏型。(3)高速公路设计中,低高度、缓倾角的顺层岩质边坡可引起大范围顺层滑动,在设计阶段需研究避绕方案,否则需事先研究加固处理措施。

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