龙怀高速公路TJ15标路线里程全长7.64km, 标段内共有桥梁9座, 路基挖方128万m³, 互通立交1座。K112+210—K112+630段路基开挖后, 右侧山体边坡因不良地质影响, 施工过程中引发方量达120万m³的巨型滑坡, 且呈多层、多级滑带。滑坡体水平长约300m、斜长约320m, 滑坡上部宽约200m、下部宽约390m, 该滑坡体对坡下李坑村居民生命财产安全造成极大威胁, 如处治不当将严重延误TJ15标路基按时验收, 最终影响整条线路通车任务。经详细地质调查, 发现该滑坡成因复杂, 地质构造多变, 地下水含量极其丰富, 治理困难, 为高效精准、不留后患治理该滑坡, 必须通过开展多手段、多尺度系统研究以确定科学的滑坡体治理方案。

滑坡区所在山体属于剥蚀低山地貌, 冲沟发育, 地形起伏较大, 斜坡自然坡度为30°～45°, 坡向近180°, 地势北高南低, 具有北部呈陡坡向南呈缓坡状延伸的特征, 龙怀高速公路从缓坡处切山体通过 (见图1, 2) 。

滑坡体垂向分布地层由新到老依次为第四系全新统、寒武系、泥盆系中统跳马涧组、泥盆系中统棋梓桥组、泥盆系上统佘田桥组。岩土地质特征如下。

1) 强风化泥岩灰色, 泥质结构, 薄层状构造, 节理裂隙很发育, 岩质极软, 岩体破碎, 偶夹薄层页岩, 揭露厚度1.6～4.20m。

2) 全风化页岩深灰色, 原岩结构基本破坏, 其中孔深1.8～2.1, 2.7～3.1m为强风化碎块夹层, 岩芯呈土状夹碎块状, 揭露厚度0.4～11.80m。

3) 强风化页岩浅灰色, 泥质结构, 薄层状构造, 节理裂隙发育, 岩芯呈块状, 泥质胶结, 岩石风化差异较大, 13.8m处可见岩石断口处有不明显擦痕, 孔深6.1～7.4m为滑动层, 揭露厚度1.90～13.40m。

4) 全风化炭质页岩灰黑色, 原岩结构基本破坏, 岩芯呈土柱状, 偶夹薄层强风化泥质砂岩, 揭露厚度0.60～9.10m。

5) 全风化泥质砂岩黄褐色, 原岩结构基本破坏, 岩芯呈砂土柱状, 手可掰断, 揭露厚度0.40～13.80m。

6) 中风化泥质灰岩青灰色, 隐晶质结构, 薄～中厚层状构造, 节理裂隙很发育, 裂隙方解石脉充填, 岩质较硬, 岩体破碎, 揭露厚度1.20～16.40m。

本区位于华南板块东南缘, 自震旦系以来发生多次构造运动。根据本次勘察结果, 结合补充地质调查资料综合分析, 滑坡区下伏基岩为石炭系下统大塘阶砂岩、泥质砂岩、页岩、炭质页岩等, 滑坡区因构造运动较剧烈, 岩层产状变化极大, 局部见揉皱现象。经基岩露头量测, 滑坡区南部岩层产状为305°～350°∠15°～53°, 滑坡区北部岩层产状为200°～230°∠19°～61°, 总体呈向斜构造, 轴部位于边坡开挖线附近, 根据开挖面基岩出露情况, 地层岩性主要为砂岩、泥质砂岩、页岩、炭质页岩, 多呈透镜体状分布。

滑坡区所在山体坡脚为李坑河, 其为该段主要地表水体, 河面宽约10m, 常年流水, 主要靠大气降水补给, 为当地居民生产、生活主要用水来源。滑坡区冲沟发育, 主要通过4条冲沟汇水, 其特征如图3所示。

该边坡原设计为4级坡, 坡高均为10m, 其中1级坡坡率1∶1, 2～4级坡坡率均为1∶1.25, 施工过程中坡面多处渗水严重, 经变更后2级坡增设锚索, 但开挖施工过程中堑顶仍然出现大范围滑塌病害 (见图4) 。

为准确判断滑坡范围、发生原因以及整体裂缝分布情况, 通过地质调绘对滑坡产生的裂缝进行编号整理, 并在现场采用挖探、RTK等手段对裂缝进行追索和定位, 并详细记录。共查出大小裂缝75条, 并形成多条贯通裂缝, 裂缝分布如图5, 6所示。

通过滑坡周界量测, 滑坡平面呈簸箕形, 前缘至后缘的水平距离约300m, 滑坡上部宽约200m、下部宽约390m。滑坡体后缘高程约359.000m, 滑坡体后壁可见张拉裂缝及陡坎, 裂缝宽10～100cm (见图7) , 陡坎高度最大可达1.8m。剪出口高程约264.000m, 已开挖边坡的前缘部位可见明显剪出口及地下水流出。

由于该滑坡体内含水量大, 开挖后坡面有多处泉眼状涌水, 且常年不断, 必须探明其分布情况, 并系统治理, 才能从根本上提高其处治后的稳定性, 另外地下水位对后期抗滑桩施工影响也很大。因此, 探明地下水十分必要。

本次物探主要采用高密度电法, 主要用来查明滑坡地层分布、地下水分布及流速, 是钻探的重要补充, 必须在钻探前完成, 以便为钻探提供指导性信息。共布置8条测线、21个排列。其部分电阻率曲线如图8所示。

根据电阻率曲线统计, 发现1线在K112+470—K112+560段、7线在K112+060—K112+135段和K112+160—K112+250段视阻率均较低, 形成低阻异常, 推断低阻异常区为泥质砂岩岩体破碎、裂隙发育含水。抗滑桩施工中发现该处确实含水量大。

为更加准确探明地下水分布情况, 采用EH4进一步勘察, 共布置2条测线、27个测点, 共计2条剖面, 其中散点处理成短剖面。本次的2条线都为长剖面, 整个测区EH4图件色标基本统一, 由低到高的反演颜色由浅色逐渐变为深色, 浅色表示低阻, 深色表示高阻。如图9所示。

由图9a可知, 在工区地下50m处左右, 自西至东变化为低阻-高阻-低阻, 最终又有高阻出现的趋势, 推测风化程度以及含水率也是如此;表层低阻为含碎石的粉质黏土, 中间高阻为全风化基岩层和强风化基岩层。深部低阻为泥质灰岩、砂岩、页岩等。推断低阻异常区为裂隙发育含水或为岩溶发育区。在地下80m处, 明显有地质断层, 推测可能为1条潜在的滑移带;由图9b可知, 工区60m以上浅部含水量丰富, 并且可看到明显的高、低阻分界线, 极可能是岩层风化带造成这样的差异;深层地下370m以上阻值皆在80Ω/m以上, 故该部分的岩层含水较少, 属于稳固地层;370m以下推测为潜水带或地下暗河。这两点现场施工实际基本相符, 说明探测成功。

由于原设计地质勘察资料有限, 在滑坡体范围内为进一步准确判断滑动层位置, 必须请地质勘察单位进行滑坡范围内详细地质补勘, 通过地质钻探查明该滑坡处的地形地貌、地层岩性及构造特征;查明该滑坡处构造的类型、几何要素、岩石风化程度、规模及影响范围;查明该滑坡处含水层、隔水层性质及滑体土的含水性和透水性特征等水文地质条件, 判明地下水类型、补给、径流、排泄条件、地下水腐蚀性;查明该滑坡处岩土物理力学性质, 可为后续有关稳定性计算提供可靠参数, 同时进一步计算和分析边坡开挖前后稳定性。

本次勘察共布置纵向勘探线4条, 其中过钻孔LJBKZK46, LJBKZK47, LJBKZK48, LJBKZK49, LJBKZK50的剖面1—1, 过钻孔LJBKZK43, LJBKZK44, LJBKZK45, LJBKZK50的剖面2—2, 过钻孔LJBKZK32, LJBKZK33, LJBKZK34, LJBKZK41, LJBKZK42的剖面3—3'及过钻孔LJBKZK38, LJBKZK35, LJBKZK36, LJBKZK37, LJBKZK39, LJBKZK40的剖面4—4', 如图10所示。

从钻探芯样可看到该滑坡地质岩性差异很大, 但多数钻孔均含有1～2层煤系土, 该类土遇水变软, 极易造成滑动面, 经过与监测成果对比, 其位置与测斜孔位移十分吻合。

边坡监测可有效监测滑坡深层位移情况, 通过深孔监测可有效量测滑坡变形、移动方向。同时辅以补勘钻孔芯样, 可准确判断滑动层位置, 本段滑坡共布设21个测斜孔, 形成4个典型的监测断面, 分别为K112+310, K112+360, K112+430正向垂直路线走向断面, 以及K112+575与路线斜向相交断面, 布置如图11所示。

采用活动式测斜仪沿预埋管中刻槽方向按固定间距 (0.5m) 从孔底向孔口测量, 每测读1次, 即得出对应该深度上下两点之间的相对位移, 以孔底为参照点, 累计位移即是孔口相对孔底的位移, 当测读数据显示某点相对孔底不动点位移量发生突变, 则此处可能存在滑动面, 如图12所示。图12中, L·sinθ表示一个测距内上一点相对于下一点的位移量, L为两测点间固定间距, 通常为0.5m, θ表示上一点相对于下一点的偏斜角度。ΣL·sinθ为孔口相对于孔底不动点的累计位移量。

以K112+575断面测斜孔BPCX12为例, 当时布置完后连续测量20d, 其位移速率与累计位移数据特征十分明显, 布置在1级 (坡高10m) 平台顶的测斜点, 其累计位移拐点发生在孔口以下9.5m, 滑动面在路床以下约1.5m位置, 后期随着边坡不断发展, 发现该坡路床出现上拱现象, 进一步验证其滑动面处于路床之下, 同时根据地质勘察资料显示, 该处刚好芯样显示为煤系地层, 属于易滑地层, 经过两者印证, 基本可较准确地判断出深层滑动位置, 为后期设计方案确定提供科学依据。

通过裂缝分布、钻探、监测资料综合分析, 可知滑坡的形成原因为: (1) 路堑实施开挖切削边坡坡脚, 形成新的临空面, 破坏原有斜坡应力平衡; (2) 地形条件滑坡发生区域坡体前缓后陡, 发生变形的前部缓坡自然坡面坡率为15°～20°, 后部陡坡自然坡面坡率为30°～45°, 属于易滑地形、地貌; (3) 地质条件滑坡处于局部褶皱发育区, 岩体破碎, 岩层由砂泥岩夹炭质页岩构成, 属于易滑地层; (4) 水的影响斜坡体上部地形相对低洼, 汇水面积大, 且在2016年7—10月又遇到持续降雨, 地表汇水下渗转换为地下水, 增加岩土体的饱和重度, 加大下滑力, 地表水下渗至全风化岩等相对隔水层时, 沿该层岩土体顶面渗流, 并形成软弱面, 降低抗滑力, 导致斜坡体失稳下滑。综上所述, 本滑坡为沿全风化页岩、炭质页岩软弱带产生的牵引式巨型滑坡。

滑坡稳定性分析采用传递系数法分条块计算滑坡各段剩余推力, 以剖面1—1计算为例, 根据钻孔揭露地层情况绘出滑坡滑动计算剖面, 如图13所示。

剩余下滑力计算设计2个重要指标即内摩擦角φ值和黏聚力c值, 其取值直接关系到计算结果可靠性, 本次勘察在滑坡体及上部采取土样进行饱和剪切试验及残余剪切试验, 结合滑坡体现在稳定性情况的反算成果综合确定。滑坡体土重度值取γ=20kN/m³。通过直接剪切试验测定土的抗剪强度, 以抗剪强度τ为纵坐标, 垂直压力σ为横坐标, 绘制τ-σ关系曲线 (见图14) 。根据图上各点绘一视测直线。直线的倾角为内摩擦角φ, 直线在纵坐标轴上的截距为黏聚力c。

内摩擦角和黏聚力与抗剪强度的关系可用库仑公式表达:

样品土抗剪强度如表1所示。

c, φ值根据试验数据并综合参考当地同类地层残余抗剪强度经验数据, 计算用滑带土综合抗剪强度指标:天然状态下, 全风化岩类黏聚力c=24kPa, 内摩擦角φ=10.5°;饱和状态下, 全风化岩类黏聚力c=22kPa, 内摩擦角φ=10°。

通过精细化建模后, 在FLAC3D软件中进行原始边坡自然状态下的模拟分析, 如图15所示。

由模拟分析可见, 自然状态下的完整边坡仅仅在研究区域的左边界处有小块塑性区, 但没有形成自上而下的贯通区域, 同时, 在图15显示的位置还能看到零星的拉伸塑性区域, 但不足以形成破坏。在位移云图中模拟位移的y向和z向的最大位移为0.05m, 分布于模型左边界的后部区域。绝大部分位移均在0.01m以下, 总体上看, 整个边坡稳定。

1) 滑坡体特征该滑坡体的物质组成主要为含碎石粉质黏土、全风化页岩、全风化泥质砂岩、强风化泥质砂岩等, 滑坡体中部厚度较大, 一般为25～30m, 下部及上部厚度略小, 一般为8.0～9.0m, 总体平均厚度约20m, 滑体方量约186万m³ (按 (200+420) ×300×20/2计算) 。

2) 滑床特征该滑坡滑床主要由石炭系下统大塘阶测水组 (C₁^dc) 强～中风化砂岩、泥质砂岩、石磴子段 (C₁^ds) 灰岩、泥质灰岩等组成, 根据现场地质调绘及钻孔资料综合分析, 该段岩层稳定, 未见滑动痕迹, 为稳定层。

3) 滑动带特征勘察资料显示, 该滑坡滑动带主要为全风化页岩、炭质页岩软弱带。

4) 计算参数确定本次勘察在滑坡体及上部采取土样进行饱和剪切试验及残余剪切试验, 滑带土c, φ值参考当地同类地层残余抗剪强度经验数据, 结合滑坡体现在稳定性情况的反算成果综合确定。滑坡体土重度值取γ=20kN/m³;计算用滑带土综合抗剪强度指标:天然状态下, 全风化岩类黏聚力c=24kPa, 内摩擦角φ=10.5°;饱和状态下, 全风化岩类黏聚力c=22kPa, 内摩擦角φ=10°。

5) 计算工况本滑坡稳定性验算选择饱和状态为最不利工况, 滑坡体主要为含碎石粉质黏土、全风化、强风化页岩及全风化、强风化泥质砂岩, 滑坡稳定性验算按自重+暴雨的不利工况考虑。

6) 安全系数及安全标准根据JTG D30—2015《公路路基设计规范》中第7.2.2条第1款规定, 本边坡安全系数按高速公路标准, 取1.25, 考虑暴雨作用, 但不考虑地震力作用, 未进行折减, 稳定性评价采用:<1.0为不稳定, 1.0～1.05为欠稳定, 1.05～1.25为基本稳定, >1.25为稳定。

7) 稳定性计算根据潜在边坡的破坏边界条件和可能失稳方式, 滑坡沿最危险滑动面滑动, 按此破坏模式, 根据《公路路基设计规范》中传递系数法公式计算如下:

式中:T_i, T_i-1为第i和第i-1滑块的剩余下滑力 (kN/m) , 当T_i<0时, 应取T_i=0;F_s为稳定系数;W_i为第i滑块自重力 (k N/m) ;α_i, α_i-1为第i和第i-1滑块的对应滑面倾角 (°) ;φ_i为第i滑块滑面的内摩擦角 (°) ;c为第i滑块滑面的岩土黏聚力 (kN/m) ;L_i为第i滑块滑面长度 (m) ;ψ_i为传递系数。

稳定性计算结果如表2所示。

制订3种方案进行比选: (1) 强支挡方案; (2) 抗滑明洞方案; (3) 以卸载为主的弱支挡方案。

方案1由于滑坡剩余下滑力巨大, 需设置多排大尺寸抗滑桩进行支挡, 且需设置方形抗滑桩。方案2左侧形成浅挖边坡的路段设置隧洞明洞, 明洞上部回填6m土体, 通过回填土对滑坡进行反压;按反压形成的条件, K112+335—K112+515设置长180m明洞, 其余段落同方案1, 对边坡进行支挡。方案3尽可能多卸载滑坡上部土体, 一方面开挖土石方效率相对较高, 施工周期短;另一方面可有效减小剩余下滑力, 减小抗滑桩的支挡规模。

方案1和2造价高, 施工周期长, 龙连高速公路预计2017年年底通车, 因此经方案评审会意见推荐选择方案3, 即卸载+弱支挡方案。

在方案制订初期, 项目部要尽量坚持施工安全风险小、难度系数小的方案, 如在本方案制订过程中, 开始业主、设计方坚持增设方形抗滑桩, 该型桩抗滑效果好, 但其人工挖孔施工安全风险非常大, 也不便于机械化组织, 施工周期长, 项目部积极与业主沟通, 最终将支挡的方形抗滑桩改为圆形抗滑桩, 为滑坡成功治理打下基础。

K112+210—K112+520段滑动方向近160°, K112+520—K112+630段滑动方向近175°, 取典型断面K112+280, K112+350, K112+430正向垂直于路线走向计算卸载后剩余下滑力。由于K112+575斜向变形一致性, 滑面深厚、变形量大, 因此K112+575斜向也作为计算断面。

计算参数取用滑坡稳定性分析获取的反算参数, 考虑卸载后可能发生的潜在滑动面, 4处典型断面计算结果如图16所示。

滑坡卸载后, 后部形成高边坡, 稳定性不满足要求, 需进行强力支挡。考虑到岩土体工程性质差, 基岩面较深, 如采用锚索支护则锚索长度近50m, 施工难度大, 因此选用钢花管注浆进行处治。

抗滑桩施工主要采用大型旋挖钻施工, 对于强～全风化岩施工效率较高, 但对于中风化岩则效率会打折扣, 需采用先钻小孔后采用筒钻逐渐扩大的方法慢慢施工。

对于个别底部中风化岩层, 考虑成本因素, 可采用冲击钻+旋挖钻的方法施工, 但现场组织较困难, 需合理规划场地, 科学安排各桩基施工工序。

1) 圆形抗滑桩虽然较方形抗滑桩抗滑能力弱一些, 但经过适当加强配筋, 并调整间距, 完全可满足受力要求。

2) 由于圆形抗滑桩便于机械化作业, 安全风险较小, 在处治滑坡体时, 如设计必须增加抗滑桩, 则最好采用圆形, 虽然成本稍高, 但工期可大大加快。

3) 经过大范围卸载并增设抗滑桩综合治理后, 滑坡体剩余下滑力已大大减弱, 抗滑桩起到固定坡脚的作用, 经过FLAC3D计算边坡的稳定性系数可达1.18, 满足《公路路基设计规范》要求。

4) 边坡处治结束后, 监测单位对抗滑桩内测斜点进行监测, 结果表明边坡在经过一定时期的变形协调后, 目前几个关键点位移基本处于0.0～0.2mm/d, 整个边坡处于稳定状态。