三角帶滑坡穩(wěn)定性對極端氣候的響應(yīng)

徐丹梅，杜尚海

(1.河北省地礦局水文工程地質(zhì)勘查院，石家莊050021;2.吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，長春130026)

滑坡作為自然界四大地質(zhì)災(zāi)害之一，常常中斷交通、損毀廠礦、堵塞河道、掩埋村鎮(zhèn)，給人民生命財(cái)產(chǎn)造成巨大損害[1]。為研究滑坡的發(fā)育特征和影響因素，國內(nèi)外專家開展了大量的研究，揭示了滑坡目前的3種誘發(fā)機(jī)理即降雨軟化滑坡土體、坡頂加載和坡腳切割或工程棄渣堆積等人類工程活動、庫水位變化和滑坡體周期性浸泡等[2-3]。

三峽庫區(qū)位于我國西南部多雨潮濕的山區(qū)和丘陵區(qū)，地質(zhì)條件復(fù)雜，地質(zhì)環(huán)境容量有限，是我國地質(zhì)災(zāi)害的多發(fā)區(qū)和重災(zāi)區(qū)[4]。三峽水庫建成蓄水后，非汛期三角帶滑坡將部分淹沒于水下，導(dǎo)致地下水位上升、滑帶土進(jìn)一步軟化、抗剪強(qiáng)度降低，對滑坡穩(wěn)定性將產(chǎn)生不利影響，在暴雨和洪水等極端氣候條件下將發(fā)生滑坡失穩(wěn)[5]。結(jié)合土工實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對滑坡的穩(wěn)定性進(jìn)行綜合評價(jià)，分析三峽水庫蓄水后三角帶滑坡穩(wěn)定性對暴雨與洪水綜合作用的極端氣候的響應(yīng)效果。

1 研究區(qū)概況

三角帶滑坡地處長江凹岸轉(zhuǎn)折處，河岸沖刷侵蝕強(qiáng)烈。在三峽水庫按175～145 m(吳淞高程)蓄水方案運(yùn)行時(shí)，三角帶滑坡處于三峽滿庫水位回水末端，且研究區(qū)屬亞熱帶濕潤氣候，多年平均降雨量1 141.8 mm，降雨多集中在5-9月，約占全年降雨量的70%，且強(qiáng)度較大，暴雨時(shí)有發(fā)生，為地質(zhì)災(zāi)害的重要誘發(fā)因素之一。

三角帶滑坡平面展布為橫長式，東西寬約800 m，南北長200～350 m ，面積約20萬m2，滑體厚度一般為10～35 m，體積約480萬m3，為大型中層土質(zhì)滑坡。滑坡前緣高程155～170 m，后緣高程202～214 m，主滑方向?yàn)?79°。

圖1 三角帶滑坡剖面位置示意圖

根據(jù)已有的觀測資料可以將三角帶滑坡劃分為三個發(fā)展階段:

(1)滑坡快速發(fā)展階段。重鋼1956年建廠初期，原糧食倉庫以南洪水后地面有變形和滑動跡象，并造成糧庫拉裂破壞。1958-1960年，成渝鐵路儲煤場-受煤坑一帶的人工填土表面出現(xiàn)變形裂縫，至1959年變形加劇，古滑坡前緣向南最大位移1 462 mm，后部最大位移640 mm，下錯高差達(dá)400 mm，并形成了長約200 m，寬10 m左右的洼地。1960年，受煤坑附近的變形范圍又向北擴(kuò)展約10 m，儲煤場附近的變形范圍向北擴(kuò)展1 m左右，破裂壁高由原來的400 mm增加到最大1 630 mm。

(2)滑坡穩(wěn)定階段。經(jīng)1962-1966年的三期拋石反壓治理后，上述變形基本得到了控制，拋石工程起到一定的作用，1991-1994年對古滑坡進(jìn)行的位移監(jiān)測資料表明，位于前述變形區(qū)以外的建筑物，無明顯變形。根據(jù)長江水利委員會綜合勘測局1994年10月-1995年2月進(jìn)行的鉆孔測斜儀監(jiān)測資料，位于三角帶滑坡西部的焦?fàn)t區(qū)沒有變形顯示，儲煤場-受煤坑新變形區(qū)沒有變形顯示。

(3)滑坡重新活動階段。近年來，三角帶滑坡變形跡象在不斷擴(kuò)大，主要表現(xiàn)為地面多條平行的橫向拉張裂縫、側(cè)向的羽狀拉裂、房屋建筑物開裂變形、管道變形、鐵路路基下沉、電桿傾斜等。滑坡中后部形成多級平臺及錯落坎，地表出現(xiàn)多處拉裂縫，寬者達(dá)10 cm左右，延伸性好，中后緣木料加工廠墻體出現(xiàn)拉裂。東側(cè)壁道路中曾出現(xiàn)4條羽狀拉裂縫，裂縫呈羽狀平行排列，大致自NWW向SEE延伸。1999年6月-2004年8月，鐵路路基累計(jì)下沉1.1 m，累計(jì)外移0.75 m，而且年年發(fā)生下沉和外移，且日趨加大，2000-2001年，路基平均每年下沉15 cm和外移8 cm，2002-2004年平均每年下沉26 cm和外移13 cm。

2 滑坡穩(wěn)定性評價(jià)的計(jì)算方法和參數(shù)獲取

2.1 滑坡穩(wěn)定性計(jì)算方法

滑坡滑體物質(zhì)主要由第四系人工填土、粉質(zhì)黏土夾砂巖、泥巖塊碎石組成。計(jì)算時(shí)以 1-1′、2-2′、3-3′、4-4′、5-5′與 B-B′縱剖面為計(jì)算剖面(見圖2)，選取三角帶滑坡的深層滑面、淺層滑面及高焦?fàn)t古滑坡的滑面分別計(jì)算其穩(wěn)定性。各剖面的滑面位置根據(jù)監(jiān)測到的滑帶(滑面)位置、勘探揭露的滑帶位置、地表變形資料及地貌特征，并考慮整個滑面的空間分布綜合確定。4-4′剖面鐵路抗滑樁治理后的滑面，根據(jù)監(jiān)測到的變形位置、地貌特征及抗滑樁的位置綜合分析后確定。該滑坡滑體坡面地形線及滑帶均簡化成折線，其穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算采用傳遞系數(shù)法。計(jì)算時(shí)取滑坡的單位寬度為1.0 m。穩(wěn)定性計(jì)算公式:

式中:FS——滑坡 穩(wěn)定性系 數(shù);ψj——傳遞系數(shù);Ri——第i計(jì)算條塊滑體抗滑力(kN/m);Ti——第i計(jì)算條塊滑體下滑力(kN/m)。

2.2 工況設(shè)計(jì)

三角帶滑坡處于長江三峽大壩上游，在汛期基本不受庫水位的影響，但非汛期受庫水位的影響，屬于涉水滑坡，本滑坡工程級別為Ⅰ級，結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際情況，將極端氣候條件設(shè)計(jì)為3種工況:50年一遇暴雨、50年一遇洪水以及50年一遇洪水與暴雨的遭遇條件，并進(jìn)行無暴雨和洪水條件下的滑坡穩(wěn)定性評價(jià)，以分析暴雨和洪水極端氣候?qū)θ菐Ц骰碌挠绊懶Ч?，本次研究設(shè)計(jì)的4種工況見表1。

表1 三角帶滑坡穩(wěn)定性評價(jià)工況設(shè)計(jì)表

圖2 計(jì)算剖面圖

2.3 滑坡穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)選取

本次研究土體自重參數(shù)分為兩種情況，地下水位以上采用天然重度，地下水位以下采用浮重度，且根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)值和現(xiàn)場大重度試驗(yàn)綜合確定天然重度取21.0 kN/m3，飽和重度取21.5 kN/m3。

天然抗剪指標(biāo)根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)天然快剪峰值、殘值和原位大型剪切試驗(yàn)值綜合取值，飽和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)根據(jù)室內(nèi)土工試驗(yàn)峰值抗剪強(qiáng)度、殘余抗剪強(qiáng)度、原位大型剪切試驗(yàn)成果、反演分析結(jié)果和已有工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行綜合取值。由于三角帶滑坡存在上層滯水，淺層滑帶土多處于飽水狀態(tài);高焦?fàn)t古滑坡滑帶滑床頂部強(qiáng)風(fēng)化層中存在基巖裂隙水，滑帶土多處于飽水狀態(tài)，因此二者采用飽和狀態(tài)的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，各滑帶土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)取值見表2。

表2 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)取值[6]

3 三角帶滑坡穩(wěn)定性評價(jià)結(jié)果

3.1 三角帶滑坡深層滑面穩(wěn)定性評價(jià)

從三角帶滑坡深層滑面的評價(jià)結(jié)果可以看出，總體上處于基本穩(wěn)定到欠穩(wěn)定狀態(tài)，各評價(jià)斷面間穩(wěn)定性大小依次為:1斷面＞2斷面＞3斷面＞4斷面＞B斷面(圖3)，對比4個工況的評價(jià)結(jié)果可以看出，暴雨和洪水對各剖面滑坡穩(wěn)定性影響均較大，由基本穩(wěn)定向欠穩(wěn)定狀態(tài)變化。

圖3 三角帶滑坡深層滑面穩(wěn)定性評價(jià)結(jié)果

3.2 三角帶滑坡淺層滑面穩(wěn)定性評價(jià)

從三角帶滑坡淺層滑面的評價(jià)結(jié)果看出，各斷面在暴雨和洪水作用下出現(xiàn)基本穩(wěn)定、欠穩(wěn)定和不穩(wěn)定狀態(tài)，各評價(jià)斷面間穩(wěn)定性大小依次為:3斷面＞1斷面＞4斷面＞B斷面＞2斷面(圖4)，對比4個工況的評價(jià)結(jié)果看出，暴雨和洪水對3斷面和1斷面穩(wěn)定性的作用效果不明顯，4斷面和B斷面的穩(wěn)定性呈現(xiàn)由基本穩(wěn)定向欠穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變，而2斷面的穩(wěn)定性受到暴雨和洪水的作用效果明顯，由基本穩(wěn)定向欠穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)化，在暴雨和洪水雙重作用下呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3 高焦?fàn)t古滑坡滑面穩(wěn)定性評價(jià)

從三角帶滑坡深層滑面的評價(jià)結(jié)果可以看出，總體上各斷面處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，即使是在暴雨和洪水的雙重作用下，穩(wěn)定性有所下降，但依然處于穩(wěn)定狀態(tài)，且各評價(jià)斷面中，3斷面穩(wěn)定性最大，2斷面、5斷面和B斷面次之，4斷面最不穩(wěn)定(圖5)，但評價(jià)結(jié)果依然屬于穩(wěn)定層次。

圖4 三角帶滑坡淺層滑面穩(wěn)定性評價(jià)結(jié)果

圖5 高焦?fàn)t古滑面穩(wěn)定性評價(jià)結(jié)果

3.4 滑坡穩(wěn)定性敏感因素分析

選取三角帶滑坡深層滑面4-4′剖面在工況1條件下進(jìn)行敏感性分析見表3。從表中可以看出，滑帶土抗剪強(qiáng)度(c、φ值)對滑坡穩(wěn)定性較為敏感，當(dāng)φ值一定，c值每降低1 kPa，滑坡體穩(wěn)定系數(shù)降低0.02;c值一定，φ值每降低1°，滑坡體穩(wěn)定系數(shù)降低0.16。φ值與c值比較，φ值對滑坡穩(wěn)定系數(shù)的敏感性較大。

表3 敏感性分析分析計(jì)算表

3.5 滑坡穩(wěn)定性綜合評價(jià)

三峽庫水位主要影響三角帶滑坡，其邊界條件清晰，滑坡堆積粉質(zhì)黏土夾碎塊石、人工填土層構(gòu)成了三角帶滑坡的滑體，厚度10～35 m。主要受控于高焦?fàn)t古滑面及人工填土界面，并具有多級滑動的特點(diǎn)。三角帶滑坡近50 a來一直在緩慢、持續(xù)的變形，并具有季節(jié)性，現(xiàn)狀處于蠕動階段。

已有研究結(jié)果表明，暴雨和洪水是三峽庫區(qū)多數(shù)滑坡變形的主要外因[7]。暴雨的發(fā)生會提高土體的含水量，由此引起巖土重度增大，降低其抗剪強(qiáng)度，對不透水層上的巖土層起到潤滑作用，且當(dāng)?shù)叵滤诓煌杆畬禹斆嫔蠀R集成層時(shí)，產(chǎn)生的浮力加劇了滑坡體的變形;洪水的發(fā)生會伴隨著三峽庫區(qū)水位的漲落，滑坡體地下水位升高，孔隙水壓力增大引起滑坡體巖土物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，滑帶抗剪強(qiáng)度降低，引起滑坡的穩(wěn)定性下降。本次研究結(jié)果表明，三角帶滑坡深層滑帶現(xiàn)狀處于蠕動狀態(tài)，遇汛期庫水位浸泡或庫水位升降、暴雨時(shí)穩(wěn)定系數(shù)降低，將變?yōu)椴环€(wěn)定狀態(tài)而失穩(wěn)。

2003年9月-2006年6月鐵路部門在滑坡東部實(shí)施了抗滑樁治理工程，同期開展了位移監(jiān)測，根據(jù)治理工程竣工后的監(jiān)測資料，抗滑樁以上的變形近期已明顯減弱，抗滑樁以下部分沒有任何變形收斂跡象。三角帶滑坡淺層滑帶現(xiàn)狀處于穩(wěn)定-基本穩(wěn)定狀態(tài)，在遇暴雨、庫水位浸泡及庫水位升降時(shí)穩(wěn)定系數(shù)降低，部分剖面段變?yōu)榛痉€(wěn)定-欠穩(wěn)定狀態(tài)，局部可能失穩(wěn)。三角帶滑坡是高焦?fàn)t古滑坡的一部分，三角帶滑坡范圍內(nèi)變形強(qiáng)烈，三角帶滑坡以西、以北也存在微弱的變形，遇庫水位降落時(shí)，三角帶滑坡將失穩(wěn)，三角帶滑坡以西、以北的高焦?fàn)t古滑坡也會引起部分或整體的變形，古滑坡的穩(wěn)定狀況也會發(fā)生變化。

4 結(jié)論

(1)在洪水和暴雨極端氣候條件下，高焦?fàn)t古滑坡各種工況條件下各剖面均處于穩(wěn)定狀態(tài);三角帶滑坡淺層滑面基本穩(wěn)定向欠穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變，局部出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài);三角帶滑坡深層滑面由基本穩(wěn)定向欠穩(wěn)定狀態(tài)變化;

(2)通過參數(shù)敏感性分析可以看出，當(dāng)φ值一定，c值每降低1 kPa，滑坡體穩(wěn)定系數(shù)降低0.02;c值一定，φ值每降低1°，滑坡體穩(wěn)定系數(shù)降低0.16。φ值與c值比較，φ值對滑坡穩(wěn)定系數(shù)的敏感性較大。

(3)綜合分析結(jié)果表明，三個滑坡穩(wěn)定性評價(jià)結(jié)果為:三角帶滑坡深層滑面＜三角帶滑坡淺層滑面＜高焦?fàn)t古滑坡，且在暴雨和洪水的雙重極端氣候影響下均發(fā)生一定的穩(wěn)定性下降現(xiàn)象。

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