普賢鄉場滑坡成因機制分析及穩定性評價

熊弢,熊太友,阮正峰,華勇,周旭萌,郭婷婷

(1.昆明理工大學,昆明 650093;2.東方地球物理勘探有限公司,成都 610213;3.云南地礦地質工程有限公司,昆明 650093)

當前國內外大量學者針對各種類型滑坡的影響因素、啟動機理、穩定性評價及防治措施等進行了大量研究[1-20]。

普賢鄉場滑坡位于四川省廣元市普賢鄉場鎮。在極端降雨條件下,普賢鄉場滑坡發生了明顯滑動,滑坡后緣出現裂縫,前緣發現明顯變形,因此推斷該滑坡可能處于欠穩定狀態,形勢已經十分嚴峻,已經嚴重威脅前方房屋及街道上民眾安全。本文采用極限平衡法對普賢鄉場滑坡,分3種工況進行了穩定性研究,并結合相關理論提出針對該滑坡的防治建議,為類似滑坡提供參考依據。

1 地形與地質條件

普賢鄉場滑坡位于廣元市昭化區普賢鄉場鎮,地理坐標東經105°56′2.91″,北緯32°11′2.10″?；虑胺綖檎髽羌皥鲦偨值?地形平緩,后部有村道經過,滑坡區內交通條件較好?；聟^為斜坡地貌,北高南低,滑坡后緣高程815 m左右,前緣高程800 m左右,高差約15 m,滑坡區整體坡度30°～50°,局部發育陡坎及平臺,滑坡后方坡度較緩,平均25°。場區內分布主要地層為第四系滑坡堆積層(Q4del),第四系人工堆積層(Q4ml),侏羅系上統蓬萊鎮組(J3p)。

滑坡區屬四川中坳陷燕山褶皺區,構造線展布方向為北東向。區內構造較為簡單,構造形態主要表現為舒緩寬展的褶皺。其組成地層為侏羅系和白堊系?；聟^主要背斜和向斜有:鹽店場向斜、北廟場背斜;走馬嶺向斜、河灣場背斜。兩翼產狀平緩,一般為5°～6°,個別為13°。向斜揚起和背斜傾伏端傾角3°～4°?；聟^主要發育兩組構造裂隙,北東-北東東向裂隙,北西-北北西向裂隙,兩組裂隙相互切割。節理類型有層面節理、風化節理及構造節理。

滑坡區緊鄰龍門山地震帶,距南坪、松潘、汶川、平武等地強震震中約50～150 km,故歷次地震均受波及。這些地震活動對工作區地質災害的發生具有一定的誘發作用。

2008年汶川地震發生于龍門山斷裂帶上,由于斷裂的破裂是從映秀向北延伸,昭化區距發震斷裂較近,受地震影響強烈,造成不可估量的損失。

根據區域水文地質資料,滑坡區地下水類型主要為第四系松散層孔隙水和基巖裂隙水。第四系松散孔隙水主要分布在松散堆積層中,結構松散,易于大氣降雨的入滲,其排泄方式為沿斜坡向地勢低洼的地方排泄?；鶐r裂隙水賦存于滑坡區的泥質粉砂巖裂隙中,主要靠大氣降水補給,地下水儲量隨季節變化大,其動態變化大,據訪問,暴雨期間,滑坡前緣有大量裂隙水流出。該類地下水賦存量變化較大,補給量大時賦存量大,但補給停止后,迅速排泄,賦存量小。游離CO2含量7.92 mg/l,侵蝕性CO2含量為0 mg/l,pH值7.1,呈弱堿性。區內地下水對鋼筋混凝土結構侵蝕弱。

由于滑坡區位于場鎮街道旁,所以區內人類工程活動較強烈,主要表現為場鎮建設。場鎮建設主要集中于滑坡區下部地帶,場鎮建設對斜坡坡腳進行開挖,形成臨空面,臨空面一般高2～5 m不等,為災害體的形成提供了較好的臨空條件。灌溉水渠沿滑坡后緣通過,受滑坡滑動影響,目前已產生強烈變形。

2 滑坡基本特征

2.1 滑坡地貌形態及邊界特征

滑坡位于普賢鄉政府后側斜坡地帶,滑坡平面呈圈椅狀?；聶M向長110 m,縱向長13～25 m,滑坡體均厚9 m,方量2.48×104m3,為小型基巖滑坡?；潞筮吔缰晾亚赖貛?前緣至斜坡前方陡緩交界地帶,西側以裂縫為界,東側至山脊微地貌地帶?？傮w情況來看,滑坡周界明顯,前緣建筑物主要為政府大樓。目前穩定性差,極端降雨情況可能再次形成滑坡(圖1)。

J3p.侏羅系上統蓬萊鎮組;Q4del.第四系滑坡積物;Q4ml.第四系人工填土;Q4el+dl.第四系殘坡積;1.滑坡區范圍;2.危險區;3.破壞擋墻;4.道路;5.鼓脹變形;6.水溝;7.巖層產狀;8.地質界線;9.剖面線及編號;10.已有建筑圖1 滑坡平面圖

滑坡體變形跡象明顯,邊界清晰,主要變形跡象為滑坡周邊及水溝開裂下錯,滑坡前緣擋墻出現橫向剪切裂縫及前緣地面隆起?；虑熬壸冃翁卣鬏^明顯,變形主要集中于前緣擋墻墻體、墻前地面、階沿欄桿及陡坎地帶,變形點主要有4處(BX1,BX2,BX3,BX4,見圖3～圖6)?；潞缶壸冃沃饕憩F為出現貫通性較好的裂縫L1和斷續的L2、L3裂縫(圖8～圖10)。裂縫引起地表開裂及后緣渠道底部拉裂(圖2,圖7)。

圖2 滑坡前緣變形點分布圖

圖3 BX1擋墻中上部橫向剪切裂縫

圖4 BX2墻前地面隆起

圖5 BX3階沿隆起、攔桿傾倒

圖6 BX4陡坎垮塌現象

圖7 滑坡中后部裂縫分布圖

圖8 L1裂縫引起渠道開裂

圖9 L2裂縫引起渠道開裂

圖10 L3裂縫引起渠道開裂

目前滑坡已出現開裂下錯、前緣擋墻破壞及地面隆起。據訪問,滑坡變形時前緣有大量地下水涌出,綜合分析,宏觀判斷滑坡出現整體滑動變形,滑動面貫通性好,滑坡當前處于欠穩定-不穩定狀態。

2.2 滑坡物質組成及結構特征

滑坡后部探槽揭露滑坡控制結構面,傾向140°～145°,傾角76°～88°,拉裂縫貫入度大于50 cm,探槽揭露滑坡后緣下錯0.3 m左右,形成張拉裂縫寬3～7 cm。

根據滑坡區鉆孔及探槽揭露的地質條件,綜合判定滑床為下部結構完整、巖質較硬的泥質粉砂巖,細粒結構,中厚層狀,巖層產狀170°∠12°。鉆探取芯也較完整,巖芯多呈長柱狀,未出現軟弱夾層。

滑坡滑體表層為土體,下部為巖體組成。表層土體巖性為粉質粘土夾碎塊石,厚1～1.5 m,褐紅色,可塑狀,含碎塊石,塊徑30～50 cm,石質成分多為泥巖及泥質粉砂巖,含量30%左右。下部巖體主要為泥質粉砂巖,均厚5～13 m,細粒結構,中厚層狀構造,夾泥巖夾層,厚20～30 cm,泥質結構,薄層狀構造,巖質較軟,遇水易軟化呈土狀。

滑帶土巖性為粉質粘土,紅褐色,以粘粒為主,厚度約3～5 cm,處于飽水狀態,受地下水軟化呈土狀,手捏粘性較強,手感細膩,遇水潤滑感增強。與此對應陡坎地帶擋墻出現2條橫向剪切裂縫,中部裂縫長33 m,錯距1～2 cm,下部裂縫長35 m,錯距3～5 cm。

通過鉆孔發現3處軟弱夾層,分布于鉆孔4.4～4.5 m、5.1～5.3 m和6.6～6.8 m段,軟弱夾層呈土狀,手捏粘性較強,含細角礫,塊徑1～2 mm不等,含量5%左右,呈棱角狀,骨架成分為泥巖。對照滑坡區內地層產狀綜合判定,該3處軟弱夾層對應3層滑動面。

滑坡3層滑動面中,1#滑動面在滑坡前緣西側有一定出露,在擋墻上產生橫向剪切裂縫,錯距較小且不連續;2#滑動面在滑坡前緣地帶出露良好,受其影響,滑坡前緣現有擋墻橫向剪切裂縫貫通良好,錯距最大;3#滑動面滑動引起的變形跡象主要集中于滑坡前緣中部地帶,兩側變形跡象不明顯;由于2#滑動面在前緣表現出貫通性較好,變形最為明顯,綜合判定2#滑動面為主滑動面。

3 滑坡成因機制分析

滑坡形成的主要因素有地形地貌因素、地層巖性、降雨及人類工程活動等?；履噘|粉砂巖巖體節理裂隙發育,天然降水沿節理裂隙界面下滲進入巖體中泥質夾層地帶,一方面降低了泥質較弱層的力學強度,另一方面在后緣裂隙面形成水壓力,在滑坡重力及后部裂隙水壓力綜合作用下,滑坡出現滑動變形?；聟^為斜坡地貌,坡度30°～50°,為滑坡的形成提供了地形地貌條件?；滤谶吰掠杀韺油馏w及下伏厚層狀泥質粉砂巖夾薄層狀泥巖構成,泥巖受節理裂隙切割,巖體較破碎,為滑坡的形成提供了良好的巖性條件。大氣降雨沿巖體節理裂隙面進入基巖內部,造成巖體力學強度降低,有時會形成較大的水壓力,降低滑坡穩定性,為滑坡形成的主要誘發因素。區內人類工程活動對坡腳進行了一定開挖,形成了陡峭的臨空面,臨空面高3～6 m,為滑坡的形成提供了較好臨空條件。

4 滑坡的穩定性分析評價

4.1 土體物理力學性質

根據斜坡的土體物質結構特征差異較小,本次勘查取樣位置主要在滑坡區,采用室內試驗手段,獲取土體相關物理力學指標。

本次勘查土體的物理力學指標主要采用取樣室內試驗和利用附近工程經驗數據?；瑤馏w的天然重度20.3 kN/m3,飽和重度20.5 kN/m3,孔隙比0.7;含水率標準值23.93%;液性指數平均值為0.33。粉質粘土天然峰值抗剪強度:C=30.56 kPa,φ=14.59 °;飽和峰值抗剪強度:C=24.52 kPa,φ=11.81°;天然殘值抗剪強度:C=19.32 kPa,φ=12.08°;飽和殘值抗剪強度:C=15.22 kPa,φ=9.81°。根據《建筑抗震設計規范》(GB 50011-2010),工作區地震設防基本烈度為Ⅶ度,地震動峰值加速度為0.10 g。

4.2 計算剖面

本次滑坡勘查選擇1-1′(圖11)、2-2′(圖12)、3-3′(圖13),各剖面的布置情況見平面圖(圖1)。

Q4ml.第四系人工填土;Q4el+dl.第四系殘坡積層;170°∠12°.巖層產狀;J3p.侏羅系上統蓬萊鎮組;1.人工填土;2.粉質黏土夾碎石;3.泥質砂巖;4.擬建抗滑樁;5.現有擋墻;6.地層分界線;7.強風化線;8.滑動面圖11 1-1′工程地質剖面圖(比例尺1∶200)

Q4ml.第四系人工填土;Q4el+dl.第四系殘坡積層;170°∠12°巖層產狀;J3p.侏羅系上統蓬萊鎮組;1.人工填土;2.粉質黏土夾碎石;3.泥質砂巖;4.擬建抗滑樁;5.現有擋墻;6.地層分界線;7.強風化線;8.滑動面圖13 3-3′工程地質剖面圖(比例尺1∶200)

4.3 計算工況

根據滑坡區具體情況,為全面分析滑坡整體所處的各種工況下的穩定狀態,本次穩定性分析采用3種工況進行計算分析:

工況Ⅰ(天然工況):計算和評價時考慮荷載為:自重+現狀地下水;安全系數取1.25。

工況Ⅱ(暴雨工況):計算和評價時考慮荷載組合為:自重+地下水;安全系數取1.10。

工況Ⅲ(地震工況):計算和評價時考慮荷載組合為:自重+現狀地下水+地震。安全系數取1.05。

4.4 計算方法

極限平衡法計算公式如下:

式中,W為巖塊的重量(kN/m);α為滑面傾角(°);A為地震加速度(重力加速度g);C為巖石的內聚力(kPa);L為滑面的長度(m);V為后緣裂縫靜水壓力;

U為沿滑面揚壓力;

Kf為穩定系數。

當滑面揚壓力大于滑體重時,滑動面正壓力為零,此時滑坡抗滑力只考慮滑面的C值。

4.5 計算結果

滑坡穩定性計算結果見表1。

表1 滑坡穩定性計算結果表

4.6 Midas數值模擬論證

本文通過Midas建立模型,其采用的巖土體尺寸及物理力學參數均與實際滑坡一致。模擬結果如下(圖14、圖15、圖16)。

圖14 天然工況模擬結果

模擬結果表明:天然工況下穩定性系數為1.732 8;暴雨工況下穩定性系數為0.987 9;地震工況下穩定性系數為1.168 7,與表1穩定性計算結果基本一致。

4.7 滑坡穩定性評價

由表1和數值模擬結果可知:滑坡在天然工況及地震工況下處于穩定狀態,在暴雨工況下處于欠穩定狀態。計算結果與滑坡的變形特征吻合。

5 主要治理措施

根據災害體變形破壞特征及受保護對象分布情況,結合場鎮規劃,對滑坡采用改溝及棄渣回填工程+抗滑樁+拉裂縫封填。首先進行改溝及棄渣回填,再進行抗滑樁施工,主體工程在雨季之前完工,最后再對拉裂縫進行封填。施工期間應注意與場地平整的銜接,截排水工程根據現場實際進行施工。施工順序不必拘泥一格,應視現場情況而定。

圖15 暴雨工況模擬結果

圖16 地震工況模擬結果

6 結論

針對普賢鄉場滑坡現狀的危險性,通過穩定性分析計算與Midas數值模擬結合的手段,得到以下結論:

(1) 極端降雨是誘發該滑坡失穩變形的最直接因素。

(2) 通過極限平衡法與Midas數值模擬相結合能更準確判斷滑坡的變形破壞機制及潛在滑動面位置。

(3) 依據災害體變形失穩情況,對滑坡采用改溝及棄渣回填工程+抗滑樁+拉裂縫封填,以達到防災減災的目的,為類似滑坡的治理提供參考。