黄土-泥岩切层型滑坡加载前后稳定性评价及治理措施研究_叶常勇.pdf

DOI：10.19645/j.issn2095-0144.2022.12.006收稿日期：2022-10-17作者简介：叶常勇（1991-），男，四川成都人，工程师，学士，主要从事岩土工程与地质灾害防治工程勘察设计，E-mail：。黄土-泥岩切层型滑坡加载前后稳定性评价及治理措施研究叶常勇，韩俊，王龙，冉 鑫，王晓樱（核工业西南勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610061）摘要：天水市位于西秦岭北缘断裂带，区内活动断裂发育，历史上强震频发，诱发了大量黄土滑坡。基于对天水市某机场场址滑坡群的野外调查，研究了地震滑坡群变形破坏特征，其中HP5滑坡为典型案例，该滑坡属于黄土-泥岩切层老滑坡，规模大，滑体厚度大，经历过多级多次滑动，目前整体处于稳定状态。根据机场设计资料，HP5滑坡位于填方影响范围内，高填方主要位于滑坡中后部，为顺坡向填筑，填方坡比1 3.0，填方厚度4060 m，高度130160 m。填方加载后对滑坡稳定性影响大，从而影响高填方边坡的稳定性。该区域为机场场坪的核心区域，也是填土厚度最大、填土边坡最高的地段。在现场工程地质测绘及勘察的基础上，利用传递系数法、Bishop（毕肖普）法和Janbu（简布）法进行稳定性分析，对HP5滑坡成因进行了分析研究，结合滑坡防治原则和治理目标，对其防治措施进行了分析评价。关键词：高填方；黄土-泥岩切层滑坡；稳定性评价；治理措施中图分类号：P642.22文献标志码：A文章编号：2095-0144（2022）12-0025-08第 58 卷 第 12 期2022 年 12 月GANSU WATER RESOURCES AND HYDROPOWER TECHNOLOGY甘 肃 水 利 水 电 技 术Vol.58，No.12Dec.，20221前言随着城镇化建设的快速推进和“一带一路”战略的深入实施，中国西部地区大量的山区机场已经建成或正在建设之中1。受地形的影响，山区机场不得不填筑众多的高填方边坡。研究区所处的天水市，位于西秦岭北缘断裂带，区内活动断裂发育，历史上强震频发，诱发了大量黄土滑坡2。天水市某机场属于典型的黄土高填方机场，最大垂直填方高度超过60 m，填方边坡最高约160 m。研究区密集分布的滑坡是机场工程建设的重要制约因素，急需开展系统研究。对该机场全场区滑坡群的野外调查发现，全场区共发育滑坡39处，多为老滑坡，其中包括：大型滑坡6处，中型滑坡17处，小型滑坡16处。根据土质地震滑坡类型划分原则，全场区滑坡类型涵盖了黄土层内滑坡、黄土-泥岩接触面滑坡及黄土-泥岩切层滑坡3-4。以黄土-泥岩切层滑坡为研究重点，基于野外调查和现场测绘，剖析了全场区地震滑坡群的变形破坏特征。以滑坡群中的HP5滑坡为例，探讨了山区高填方机场黄土-泥岩切层滑坡加载前后的稳定性及其加固对策，以期为同类型高填方边坡治理提供技术支撑。2滑坡孕灾背景2.1地形地貌研究区属于剥蚀残留的黄土丘陵区，梁峁沟壑纵横，黄土梁南北两侧冲沟发育，切割深度为1050 m，部分冲沟切割到泥岩。沟谷呈“V”形，将山梁侵蚀分割呈条带状，沟梁相间，冲沟处和山梁边缘坡度较大，为2030，局部形成直立的陡崖。这种地貌环境为滑坡发育提供了基础。黄土地形地貌与黄土滑坡发展有着密不可分的关系。2.2地层岩性研究区内发育大量上部黄土加下部泥岩的“双层异质”斜坡结构。黄土为较疏松的结构，具有大孔隙、垂直节理等，也易透水，还具有较强的湿陷性。这些特征使得黄土构成的坡体易形成陡坡，造成应力集中，同时又利于外动力地质作用的改造，如地表水等的改造。而位于黄土层下部的新近系泥岩不易透水，且遇水易软化、崩解的特性将使其强度降低5，造成地表水下渗后易在黄土层和红层的接触面上集中，加强对上部坡体的破坏作用。因此，黄土和泥岩易滑岩组的结构是滑坡形成与演化的决定性因素，为黄土-泥岩滑坡的发育奠定了基础。252.3断裂活动和强震研究区附近发育有凤凰山断裂，隶属西秦岭北缘大型断裂带。新构造运动表现为大面积、间歇性、不均匀升降运动，历史记载该区强震频发，诱发多处大规模滑坡灾害。研究区内影响较大的历史强震主要有：143年甘谷西7.0级地震，致使山体滑坡，造成大量人员伤亡6；734年天水秦州7.5级地震，造成4 000余人伤亡7；1654年7月21日天水南8.0级地震，造成“黄土谷地山崩水壅，土陷数百尺，桑田沧海”；1718年甘肃通渭7.5级地震，诱发300多处规模宏大的黄土滑坡，伤亡约 40 000 余人，波及天水市3。断裂活动诱发的强震为天水市及周边地区的滑坡发生提供了动力。2.4降雨研究区内的降水量在年内分配很不均匀，7-9月3 个月的降水量为 237.6 mm，占全年降水量的47.3%。区内具有降雨集中、雨强大的特点，最长连续降水达11 d。降水入渗增大斜坡下滑力，软化地层，降低了土体强度，减小抗滑力，增加了动水和静水压力，为该区域滑坡发育的重要动力条件和触发因素。3黄土-泥岩切层型滑坡特征3.1滑坡空间分布特征研究区滑坡位于天水-凤凰山断裂附近，滑坡的形成发育受上述地形地貌、地层岩性、断裂活动和强震、降雨等多因素控制和影响。根据现场工程地质调绘、勘探，研究区滑坡共可分为三级。整体大滑坡为HP5滑坡，该滑坡体上有5处较大规模的次级滑坡，如图1所示。各次级滑坡边界清晰，分别称为HP5-1滑坡、HP5-2滑坡、HP5-3滑坡、HP5-4滑坡和HP5-5滑坡。其中HP5-1滑坡、HP5-2滑坡位于填方范围内，是对工程威胁较大的滑坡。各滑坡在平面上呈舌形或不规则形，滑坡特征如表1所列。该区域在平面上具有典型簸箕形地貌特征，负地形较为明显，剖面上呈“勺”形。HP5滑坡主滑方向约166，纵向长400450 m，平均宽度约450 m，滑体平均厚度20.0 m，体积约360万m3，属中层大型老滑坡。滑坡体最大高差约200 m，滑坡总体坡度较缓（12左右），中部有12级较大的缓坡平台，坡面呈缓坡台阶状，坡体前缘较陡，坡体中部坡面较平缓，后部为不规整的人工梯田台地。整个滑坡规模较大，后期又经历了多级多次滑动分解运动，地貌较为复杂。HP5-1HP5-2HP5-3HP5-4HP5-5填方坡脚线HP5滑坡全貌照图1滑坡全貌滑坡编号HP5HP5-1HP5-2HP5-3HP5-4HP5-5滑坡规模滑体长度/m450320400100150100滑体宽度/m45028030050200200滑体厚度/m20.020.020.04.58.06.0体积/万m3360.0082.00220.002.2524.0012.00规模大型中型大型小型中型中型滑体物质组成黄土、泥岩黄土、泥岩黄土、泥岩黄土、泥岩黄土、泥岩黄土、泥岩滑坡类型黄土-泥岩切层滑坡表1HP5滑坡及次级滑坡特征2022年第12期甘肃水利水电技术第58卷263.2滑坡结构特征根据现场调查并结合钻孔、探井等资料，HP5滑坡为黄土-泥岩切层滑坡，属于老滑坡，经历多级多次滑动。黄土-泥岩切层滑坡滑动面皆沿着泥岩裂隙切割进泥岩内部，具有滑动速度快、滑动距离远、危害较大的特点，滑坡规模一般在百万立方米左右，破坏模式通常为滑移-拉裂-剪断型。切层滑坡的滑面一般发育在下伏近水平或者向坡内倾斜的泥岩层中，坡体高陡，滑动势能较大。3.2.1 滑体滑坡不同部位的物质及结构有所不同，但主要由粉质黏土、强风化泥岩组成，如图2所示。滑坡后部滑体较薄，厚度为7.512.0 m，滑坡中部滑体厚度为 15.020.0 m，滑坡前缘滑体厚度为 10.020.0 m。图2滑体结构特征（b）滑坡前缘（a）滑坡中后部黄土黄土泥岩黄土黄土泥岩3.2.2 滑带（1）滑带分布特征该滑坡为切层老滑坡，滑带主要发育于软弱的泥岩中，由红褐色泥岩、灰绿色泥岩组成，厚度为0.30.5 m，埋深1023 m。其中，滑坡中部滑带埋深较深，一般大于20 m，最深达25 m；前缘和后缘滑带埋深较浅，一般不超过15 m。滑动面总体比较平直，倾角12左右，后缘略陡，倾角2530，前缘倾角最为平缓，滑坡舌处次级小滑动面发育较多，一般倾角较大。滑带擦痕如图3所示。（2）滑带泥岩X射线衍射试验滑带泥岩X射线衍射试验是在成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室完成的。滑带主要由红褐色泥岩、灰绿色泥岩组成，通过对两种颜色泥岩作对比X射线衍射试验进行矿物成分的分析。试验测试了2组滑带泥岩试样（图4），得到了相关衍射图谱（图5），通过分析衍射谱线，可以得到滑带泥岩的矿物成分，见表2。从表2中可以看出，泥岩矿物主要由黏土矿物（伊利石、高岭石、绿泥石）组成，黏土矿物含量（质量分数）平均达到32%，碎屑矿物含量最高的是石（a）（b）图3滑带擦痕（a）红褐色泥岩（b）青灰色泥岩图4研体细化泥岩矿物颗粒第12期叶常勇，等：黄土-泥岩切层型滑坡加载前后稳定性评价及治理措施研究第58卷27d=1.371 7红褐色半成泥岩.raw-1-Dem-Minal2T(0)2 0001 5001 0005000Intensity/Countsd=4.472 6d=4.253 9d=4.026 8d=3.845 9d=3.768 9d=3.342 8d=3.184 9d=3.027 947-1 743Calcite-CaCO346-1 045Quartz,syn-SiO2d=2.593 5d=2.561 9d=2.490 4d=2.455 1d=2.280 4d=2.126 9d=2.088 1d=1.907 8d=1.868 7d=1.817 4d=1.540 5d=1.381 2（b）青灰色试样1020304050607080Two-Theta/deg青灰色半成泥岩.raw-1-Dem-Minal2T(0)2 5002 0001 5001 0005000Intensity/Countsd=4.470 5d=4.250 0d=4.030 7d=3.699 5d=3.489 4d=3.342 6d=3.197 9d=2.891 0d=2.673 3d=2.544 3d=2.406 6d=2.195 6d=2.062 9d=2.015 6d=1.847 8d=1.807 3d=1.789 0d=1.546 346-1 045Quartz,syn-SiO236-0 426Dolomite-CaMg(CO3)2d=1.389 1d=1.466 0（a）红褐色试样1020304050607080Two-Theta/deg图5滑带泥岩X射线衍射图谱编号12试样红褐色泥岩青灰色泥岩试验矿物组成结果/%黏土3727石英2510钾长石20斜长石128方解石240白云石055备注黏土主要由伊利石、高岭石、绿泥石组成黏土主要由伊利石、高岭石、绿泥石组成表2滑带泥岩矿物组成定量分析2022年第12期甘肃水利水电技术第58卷28Q4dcl泥岩（滑带）HP5滑坡Q4dcl粉质黏土（滑带）Q4dcl滑坡泥岩堆积体Q4dcl泥岩（滑带）N 强风化泥岩Q4dcl滑坡黄土堆积体HP5-4滑坡图6填方前典型计算断面图英，其次为斜长石。滑带泥岩的黏土矿物成分及其含量的多少对泥岩的力学性质有着重要的影响。黏土矿物具有极强的亲水性，当水分子进入黏土矿物颗粒之间和晶层之间，将导致矿物体积迅速膨胀，这种不均匀的膨胀作用将在岩石内部产生不均匀的应力，导致泥岩破碎解体，结构变得松散，力学强度大幅度降低。而泥岩作为软弱岩，其力学强度的下降，将会对滑坡的稳定性产生严重的影响8。3.2.3 滑床HP5滑坡的滑床以泥岩为主，红褐色及青灰色，成分主要为黏土矿物。原位泥岩节理裂隙较发育，强度较低，属极软岩。4稳定性分析稳定性分析分为定性和定量两部分。由于工程需要，滑坡范围需要进行填方，填方坡率暂定为1 3.0，所以定量分析分为现状和填方后两部分计算分析。4.1定性分析该滑坡属于老滑坡，为黄土-泥岩切层滑坡，整体上地形较为平缓，未见大的拉裂破坏现象。滑坡主滑段以基岩为主，主要堆积体位于滑坡中前缘。目前，老滑坡体已从原来势能较高的位置滑至现状势能较低的位置，其重力势能已较小，滑坡能量释放较彻底，滑坡后壁上部形成陡坎。滑体上未发现较大裂缝和较大变形迹象，剪出口位置稳定，基岩出露。定性判断认为，滑坡整体较为稳定，前缘受到冲沟影响，仅会出现小规模滑坡。4.2滑坡填方前稳定性定量计算及分析填方前稳定性评价分别采用传递系数法、Bishop法和Janbu法，在3种不同工况下，对填方前滑坡典型断面进行稳定性计算，滑坡的典型断面如图6所示，结果如表3、表4所列。由表3、表4可以看出，滑坡在填方前的现状条表3传递系数法稳定性计算结果计算工况天然工况暴雨工况地震工况稳定性系数1.7631.3911.204安全系数Fst1.351.251.15稳定性评价稳定稳定稳定表4Bishop法和Janbu法稳定性计算结果计算工况天然工况暴雨工况地震工况方法和稳定性评价Bishop法稳定性系数1.7951.5841.204Janbu法稳定性系数1.8031.5971.216稳定性评价稳定稳定稳定件下，天然工况、暴雨工况以及地震工况下的计算结果均为稳定。4.3滑坡填方后稳定性定量计算及分析填方后稳定性评价同样分别采用传递系数法、Bishop法和Janbu法，在3种不同工况下，对填方后滑坡典型断面进行稳定性计算，滑坡的典型断面如图7所示，结果如表5、表6所列。第12期叶常勇，等：黄土-泥岩切层型滑坡加载前后稳定性评价及治理措施研究第58卷29由表5、表6可以看出，填方后整体边坡在天然工况、暴雨工况和地震工况下均处于不稳定状态。5滑坡防治建议5.1滑坡治理方案根据对该滑坡的特征、诱发因素、变形破坏方式、危害范围及危害程度等的综合分析，提出了两种综合治理方案。方案一：按坡率 12.5 并结合马道（综合坡率13.0）进行填筑，采用“抗滑桩+锚索+地基处理”方式对边坡进行支护 图8（a）。采用放缓坡理念，对于填筑体，设计按坡率12.5进行填筑，填筑体间设置宽5 m的马道，填筑后坡体高度约55 m，横向投影长度约144 m。结合设置长6 m的土工格栅，可增加坡体表层的抗冲刷能力，以稳定坡体表层土体。经过验算，填筑体稳定性满足规范要求，该设计方案可行，方案预算投资约2.34亿元。方案二：按坡率1 0.5进行加筋土挡墙填筑，采用“抗滑桩+锚索+地基处理”方式对边坡进行支护图8（b）。对于填筑体，设计按坡率1 0.5进行填筑，结合设置长2037 m加筋带，形成加筋土挡墙。由于地基土性质较差，经过验算，全断面采用加筋土挡墙方式时，高填方加载后存在地基失稳的可能。又经过调研发现，当地加筋土挡墙设置高度一般在30 m以下。因此，该方案加筋土挡墙高度确定为30 m，下部采用回填反压，以保证地基稳定性。填筑后坡体高度约52 m，横向投影长度约102 m。加筋带以下及反压区域采用级配块碎石分层碾压填筑，并在填方体坡脚处设置锚索抗滑桩，以保证填方体及地基土稳定。经过验算，填筑体稳定性满足规范要求，该设计方案可行，方案预算投资约2.45亿元。5.2治理方案比选（1）费用对比从投资总额上来看，方案一要优于方案二。（2）技术可行性对比方案一本着“以截排水措施为前提，结合地基处理措施，形成回填反压为主，支挡工程为辅”的理念进行治理，可消耗工程开挖出的大量土石方。该方案针对了工程各区域滑坡、边坡的特点，具有较强的技术可行性。方案二本着“以截排水措施为前提，结合地基处理措施，形成以支挡工程为主，回填反压为辅”的理念进行治理。（3）施工难易程度对比方案一、方案二中的土石方回填需按规范要求分层碾压，施工工序较为简单。其中，方案一土石图7填方后典型计算断面图表5传递系数法稳定性计算结果计算工况天然工况暴雨工况地震工况稳定性系数0.9780.9500.772安全系数Fst1.351.251.15稳定性评价不稳定不稳定不稳定表6Bishop法和Janbu法稳定性计算结果计算工况天然工况暴雨工况地震工况方法和稳定性评价Bishop法稳定性系数0.9350.7680.711稳定性评价不稳定不稳定不稳定Janbu法稳定性系数0.9550.7850.722稳定性评价不稳定不稳定不稳定2022年第12期甘肃水利水电技术第58卷30（b）方案二图8滑坡治理方案设计断面平整边线高程（1 630.50 m）21 00020 000单向土工格栅1 0.5加筋格宾1 0.51 0.510 000 10 000 10 00030 00010 00017 5001 5.0回填级配碎块石土工格栅设计填方边坡坡面线植草1 2.5Q3eol湿陷性粉质黏土7 0006 000B型桩35 00010 000Q3eol粉质黏土Q3eol粉质黏土地基处理（灰土挤密桩）N 强风化泥岩30 00025 00010 000方回填方量大，施工范围广；方案二土石方回填方量小，施工范围相对较小，但除了回填施工外，还需按设计要求进行施工工序相对更繁琐、施工质量要求更高的加筋土挡墙施工。因此，方案一在施工难平整边线高程（1 630.50 m）25 0005 00025 0005 0005 0005 00025 00025 00010 000回填土压实1 2.51 2.51 2.51 2.5设计填方边坡坡面线土工格栅植草8 00010 00010 00010 00010 000Q3eol湿陷性粉质黏土Q3eol粉质黏土Q3eol粉质黏土N 强风化泥岩地基处理（灰土挤密桩）C型桩10 00035 00030 000（a）方案一10 00025 000第12期叶常勇，等：黄土-泥岩切层型滑坡加载前后稳定性评价及治理措施研究第58卷31易程度上略优于与方案二。通过上述几方面的比较，两方案均具有技术可行性与施工可行性。按照“安全可靠，经济合理，技术可行，施工方便”的原则，经过综合比选，确定治理费用相对较低的方案一作为推荐方案。6结论该滑坡为区域滑坡群中最典型的滑坡，为地震诱发的滑坡，平面上呈条带状分布，具有滑动规模大、滑面缓、后壁清晰高陡、侧壁几近消失、高位滑动、主滑向近一致等地震滑坡的特点。通过研究分析滑坡与工程建设的相互影响，提出了安全可靠、经济合理的滑坡综合治理设计方案，并获得了以下主要研究结论。（1）该地震滑坡体由数个次级滑坡体组成。滑体切割新近系顶部强风化带泥岩，为第四系黄土及新近系泥岩混杂堆积物，滑床为强风化带泥岩，属黄土-泥岩切层滑坡。（2）滑坡填方前，在各工况下均处于稳定状态，填方后边坡处于不稳定状态，填方边坡的稳定性不能满足工程要求，对该滑坡进行治理是必要的。（3）通过技术、经济等方面的综合分析，提出了按坡率1 2.5并结合马道（综合坡率1 3.0）进行填筑，采用“抗滑桩+锚索+地基处理”方式对边坡进行支护的综合治理方案，以降低各级滑坡变形对工程建设的威胁。研究结果可应用于该区域相似地质环境条件下，滑坡体进行填方加载时的边坡治理。参考文献：1李天斌，刘吉，任洋，等.预加固高填方边坡的滑动机制:攀枝花机场12#滑坡J.工程地质学报，2012，20（5）：723-731.2张树轩，杨为民，程小杰，等.甘肃天水红旗山黄土滑坡群成因及稳定性分析J.中国地质，2017，44（5）：924-937.3陈永明，石玉成.中国西北黄土地区地震滑坡基本特征J.地震研究，2006，29（3）：276-280.4吴玮江，王念秦.黄土滑坡的基本类型与活动特征J.中国地质灾害与防治学报，2002，13（2）：36-40.5辛存林，杨国林，赵志鹏，等.甘肃天水市北山地质灾害类型及成因分析J.中国地质灾害与防治学报，2012，23（2）：89-95.6袁道阳，雷中生，葛伟鹏，等.对143年甘谷西7级地震史料的新见解J.西北地震学报，2007，29（1）：58-63.7雷中生，袁道阳，葛伟鹏，等.734年天水7级地震考证与发震构造分析J.地震地质，2007，29（1）：51-62.8幸新涪，周火明，卢阳，等.泥岩力学参数遇水软化特性试验研究J.地下空间与工程学报，2016，12（增刊2）：498-503.甘肃省水利厅喜获第六届中国青年志愿服务项目大赛全国赛铜奖由共青团中央、中央文明办、民政部、水利部、文化和旅游部、国家卫生健康委员会、中国残疾人联合会联合举办的第六届中国青年志愿服务项目大赛全国赛落下帷幕，甘肃省水利厅报送的“甘肃省水利厅 节水普法进校园 志愿服务项目”斩获铜奖。“节水普法进校园”志愿服务项目秉持甘肃省节约用水办公室统筹、厅团委承办、对口部门合作、社会化运作的运营思路，是宣传贯彻习近平总书记“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”治水思路以及推动黄河流域生态保护和高质量发展重要讲话精神的具体行动，也是省水利厅志愿服务队积极开展水利普法进校园的一次实践。通过面向兰州市大中小学生开展节水宣传教育，使广大在校师生了解国家节水政策法规和相关知识，了解掌握甘肃省水情，养成珍惜水、爱护水的良好品质，把中国水文化、节水新理念等内容根植于祖国的年轻一代，让中国水文化和传统美德更好地继承和发扬下去。据统计，过去两年来该项目共开展服务10次，参与志愿者750人次，服务对象25万人，志愿服务总时长320小时，已成为西北志愿服务品牌活动，产生了良好的社会效益。据统计，该次大赛共有41个省级或行业赛会单位组织动员全国14 000多个志愿服务项目参与，1 199个项目入围全国赛。项目类型涵盖乡村振兴、环境保护、文明实践、关爱少年儿童、为老服务、阳光助残、卫生健康、应急救援与疫情防控、社区治理与邻里守望、节水护水、文化传播与旅游服务、法律服务与禁毒教育和其他等13个领域。（来源：甘肃省水利厅网站 2022-12-02）2022年第12期甘肃水利水电技术第58卷32