汪家坪滑坡的穩(wěn)定性分析與計算

劉銀偉,張紹和

(1.黑龍江有色地勘局706隊,齊齊哈爾161031;2中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院,長沙410083)

1 工程概況

汪家坪滑坡位于四川省什邡市鎣華鎮(zhèn)天寶村汪家坪,地處山區(qū),海拔高度在1 200 m以上?；轮行牡乩碜鴺?biāo):東經(jīng) 103°56′28.2″,北緯 31°17′23.9″?！?.12”地震后,滑坡體地表、滑坡體上方的水渠出現(xiàn)了大量拉裂縫,拉裂縫的寬度在0.03～0.3 m之間,滑坡后緣有發(fā)育高1.2 m的錯臺,前緣有較大規(guī)模的滑塌現(xiàn)象,顯示滑坡體目前處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

2 滑坡地質(zhì)災(zāi)害體特征

2.1 滑坡特征

汪家坪滑坡位于什邡市鎣華鎮(zhèn)天寶村汪家坪,根據(jù)踏勘發(fā)現(xiàn)的錯臺、裂縫及其他地面變形分布情況,結(jié)合鉆孔揭露滑帶深度情況,滑坡體沿主滑方向長280 m,寬 480 m,滑體厚度9～16.9 m,體積170萬m3,為大型第四系覆蓋層滑坡。

滑坡邊界條件:滑坡后援邊界以錯臺、地形突變?yōu)榻?平面形態(tài)呈圈椅形,滑坡兩側(cè)邊界以地表裂縫發(fā)育范圍及地形變化為依據(jù)確定,滑坡前緣以汪家坪東側(cè)陡坡為界,平面面積120萬m2。

2.2 滑體特征

根據(jù)鉆探和槽探結(jié)果,滑體土由第四系堆積物構(gòu)成,主要為崩積、坡積和泥石流堆積的塊石土、碎石土和粉質(zhì)黏土,結(jié)構(gòu)較松散、孔隙度較高?？辈閷俸导?未形成穩(wěn)定潛水位。

2.3 滑床特征

滑床為二疊系深灰色細(xì)晶灰?guī)r夾泥質(zhì)灰?guī)r,厚～中厚層狀,地層產(chǎn)狀變化較大,傾向N30～40°E,傾角25°～34°,地層傾向與主滑方向成大角度斜交關(guān)系?；?guī)r構(gòu)造裂隙及溶蝕裂隙發(fā)育,部分裂隙被方解石充填,部分呈開口狀溶蝕裂隙。完整的灰?guī)r為不透水層,地下水類型為裂隙水和巖溶水,受裂隙發(fā)育情況控制。

2.4 滑動帶特征

(1)滑動帶的物質(zhì)組成:由含碎石的粉質(zhì)黏土組成,碎石由灰?guī)r的碎塊組成,碎石含量變化較大。

(2)結(jié)構(gòu)特征:粉質(zhì)黏土濕—很濕,可塑—硬塑,所含的碎石呈棱角—亞棱角狀,碎石含量多者結(jié)構(gòu)松散。

(3)力學(xué)特性:抗剪強(qiáng)度較滑體土的低,據(jù)滑帶土室內(nèi)直剪試驗,峰值抗剪強(qiáng)度均值為C=15 kPa,Ф=12.0°,殘余抗剪強(qiáng)度均值為C=10.7 kPa,Ф=10.37°。

(4)分布形態(tài):在空間上呈略有起伏的板狀。

(5)埋深:滑帶在 1-1′勘探線埋深 16.9 m,在2-2′勘探線最大埋深 12.9 m,在 3-3′剖面埋深9.3～12.0 m。

(6)分布形態(tài):在空間上呈略有起伏的板狀。厚度:滑動帶厚度幾cm至幾十cm,變化幅度較大。

2.5 滑坡變形破壞特征

該滑坡的變形破壞表現(xiàn)為地表形成錯臺,田坎毀壞,滑坡南區(qū)及滑坡前緣附近張裂縫十分發(fā)育,滑坡前緣路面下陷,前緣高邊坡發(fā)生不同程度的崩塌。

滑坡變形分區(qū)較明顯,根據(jù)地表裂縫分布范圍,滑坡南區(qū)及滑坡前緣區(qū)為強(qiáng)變形區(qū),北區(qū)為弱變形區(qū)。

2.6 滑坡巖、土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

工程區(qū)內(nèi)上覆粉質(zhì)黏土、碎石土,下伏薄層泥質(zhì)灰?guī)r。粉質(zhì)黏土可塑狀的粉質(zhì)黏土組成,夾含量不等的灰?guī)r碎石,為殘積物。碎(塊)石類土為崩塌和滑坡、堆積的巖塊、碎石土組成,結(jié)構(gòu)松散、孔隙度較高。上覆土層沿下伏基巖面易產(chǎn)生滑動,主要分布于汪家坪斜坡和臺地上。

3 滑坡穩(wěn)定性分析

3.1 滑坡穩(wěn)定性影響因素

影響滑坡穩(wěn)定性的綜合因素有:

(1)地質(zhì)構(gòu)造:區(qū)域上位于華夏構(gòu)造體系龍門山褶皺帶中段,經(jīng)歷了三疊系以后褶皺—逆沖推覆—滑脫等多層次、多期次構(gòu)造作用,斷裂多呈北東—南西向展布。八角斷裂和紅星煤礦斷裂位于鎣華鎮(zhèn)東南?？辈閰^(qū)發(fā)育北北東—南西西走向高角度地震裂縫,巖體構(gòu)造節(jié)理裂隙及巖溶裂隙十分發(fā)育,影響了勘查區(qū)巖土體的應(yīng)力分布、受力狀態(tài)、完整性等,構(gòu)造條件成為滑坡發(fā)生的潛在條件,并且各種構(gòu)造結(jié)構(gòu)面往往控制了滑動面的空間位置及滑坡的范圍。第四系覆蓋層與基巖的界面緩傾斜,有利于滑坡的發(fā)生。

(2)地形地貌:汪家坪西側(cè)為海拔高1 928 m的青棡山,與臺地高差近500 m,山脊走向NNE～SSW,呈三面環(huán)山,東臨高差120 m的深谷,滑坡前緣崩塌斜坡坡度約50°～60°?；聟^(qū)域地形呈西高東低、地面坡度10°～15°的階梯狀臺地地形,是滑坡易發(fā)地形。

(3)巖土體性質(zhì):工程區(qū)內(nèi)巖性上覆粉質(zhì)黏土、碎石土,下伏薄層泥質(zhì)灰?guī)r。碎(塊)石類土為崩塌和滑坡、堆積的巖塊、碎石土組成結(jié)構(gòu)松散、孔隙度高、透水性較好;粉質(zhì)黏土由可塑狀的粉質(zhì)黏土組成,夾含量不等的灰?guī)r碎石,為殘積物,主要分布于汪家坪斜坡和臺地上;厚層狀細(xì)晶灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r為主,夾薄層泥質(zhì)灰?guī)r,節(jié)理裂隙及溶蝕裂隙發(fā)育,為水作用、風(fēng)化作用等提供了通道,這樣的巖土條件在水和外力的作用下,易形成滑動帶,上覆土層沿下伏基巖面易產(chǎn)生滑動。

(4)“5.12”地震的影響:地震前汪家坪未見滑坡跡象,“5.12”地震使汪家坪滑坡局部變形加劇,如汪家坪滑坡前緣出現(xiàn)錯臺,樹木傾倒,并且局部出現(xiàn)崩塌,滑坡體中的排水渠和居民住房出現(xiàn)裂縫和沉降。

(5)降雨及地下水的影響:汪家坪滑坡滑體主要為石灰?guī)r風(fēng)化后形成的碎塊石土,碎石含量較高,坡體物質(zhì)透水性較好,降雨多在重力作用下入滲至坡體內(nèi),增加坡體自重,影響坡體穩(wěn)定性。由于“5.12”地震的影響,目前在滑體上有多處拉張裂縫分布,降雨可直接沿裂縫進(jìn)入滑體或至滑坡土巖接觸帶,軟化滑帶影響坡體穩(wěn)定性,同時,在降雨作用下,坡體物質(zhì)飽水,增加滑體重度,因此降雨也是影響汪家坪滑坡的原因之一。

3.2 滑坡變形破壞機(jī)制

第四系殘坡積層碎(塊)石土,尤其是粉質(zhì)黏土在地下水的軟化作用下抗剪強(qiáng)度降低,在“5.12”地震力的作用下滑坡前緣高陡邊坡發(fā)生崩塌,牽引構(gòu)成滑體的第四系覆蓋層沿著土與基巖接觸面附近發(fā)生蠕滑變形,表現(xiàn)為滑坡體強(qiáng)變形區(qū)地表出現(xiàn)大量張裂縫。弱變形區(qū)處于基本穩(wěn)定—蠕變階段,未見地表明顯變形跡象。勘察期間為旱季,未來的雨季沿裂縫下滲大氣降水,水位升高,孔隙水壓力增加,進(jìn)一步軟化滑帶土,滑坡穩(wěn)定性將進(jìn)一步降低。

4 滑坡穩(wěn)定性定量計算

4.1 確定計算模型

按DZ/T 0219—2006《滑坡防治工程設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》及GB 50330—2002《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)要求,并結(jié)合該滑坡災(zāi)害的特點,采用剛體極限平衡法的傳遞系數(shù)法定量分析計算其穩(wěn)定性與剩余下滑推力[1]。具體計算公式如下:

(1)滑坡穩(wěn)定性計算

式中:Kf——穩(wěn)定系數(shù);

Wi——第i計算條塊的重量,(kN/m);

rU——孔隙壓力比;

V水下——滑體水下體積,(m3);

V總——滑體總體積,(m3);

rw——水的容重,(kN/m3);

A水下——滑體水下面積,(m2);

A總——滑體總面積,(m2);

a——地震加速度,(m/s2);

αi——第i計算條塊滑面傾角,(°);

RDi——滲透壓力產(chǎn)生的平行滑面分力,(kN/m);

TDi——滲透壓力產(chǎn)生的垂直滑面分力,(kN/m);

NWi——孔隙水壓力,(kN/m);

Ai下——浸潤線以下土體的面積,(m2);

βi——第 i計算條塊地下水流向,(°);

φi——第 i計算條塊內(nèi)摩擦角,(°);

ci——第i計算條塊內(nèi)聚力,(kPa);

li——第 i計算條塊滑面長度,(m);

ψj——第i塊段的剩余下滑力傳遞至第i+1塊段時的傳遞系數(shù)(j=i);

Rn——第n計算條塊抗滑力,(kN/m);

Tn——第 n計算條塊下滑力,(kN/m)。

(2)滑坡推力計算

式中:Pi——第 i計算條塊的推力,(kN/m);

Pi-1——第i計算條塊的剩余下滑力,(kN/m);

Ks——設(shè)計的安全系數(shù)。

4.2 計算數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

4.2.1 計算剖面的選取

根據(jù)滑坡變形特征及勘查工作的部署情況,選擇與主滑方向近于平行的,滑坡強(qiáng)變形區(qū)的1-1′、2-2′、3-3′勘探線剖面和弱變形區(qū) 3-3′勘探線剖面進(jìn)行滑坡的推力、穩(wěn)定性計算與評價(如圖1～圖3)。

圖1 1-1′剖面滑移面計算條分圖

圖2 2-2′剖面滑移面計算條分圖

圖3 3-3′剖面滑移面計算條分圖

4.2.2 荷載組合與計算工況的確定

(1)基本荷載

作用在滑坡體上的基本荷載有:滑坡體自重,降雨入滲形成的地下水滲透力、地震力。

滑體自重:天然狀態(tài)下按天然重度計算,暴雨狀態(tài)下按飽和重度考慮。

(2)荷載及計算工況的確定

根據(jù)汪家坪滑坡的地質(zhì)背景及形成機(jī)制和DZ/T 0219-2006《滑坡防治工程設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》,計算中主要考慮地下水、降雨和地震等因素,該滑坡本次穩(wěn)定性和剩余下滑力計算采用以下3種工況:

工況Ⅰ:自重;

工況Ⅱ:自重+暴雨或久雨;

工況Ⅲ:自重+地震。

(3)地質(zhì)災(zāi)害危害程度分級與抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的確定

根據(jù)DZ/T 0219-2006《滑坡防治工程設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定,汪家坪滑坡防治工程分級為Ⅲ級,故其防治工程設(shè)計安全系數(shù)為:抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.20(自重)、1.05(自重+暴雨或久雨)、1.05(自重+地震)。

4.2.3 計算參數(shù)的確定

(1)地勘報告推薦

根據(jù)勘察報告室內(nèi)試驗成果推薦的天然狀態(tài)抗剪強(qiáng)度為:c=10 kPa,φ=9°～10°,飽和狀態(tài)抗剪強(qiáng)度為:c=11 kPa,φ=12°[2]。

(2)工程地質(zhì)類比

根據(jù)大量滑坡治理工程經(jīng)驗,滑帶土黏聚力c與滑帶黏性土含量相關(guān),黏性土含量多者取高值,碎石含量多者取低值,內(nèi)摩擦角φ一般小于滑面傾角,根據(jù)相似工程,含碎石的粉質(zhì)黏土滑帶土的c一般在 10 ～ 13kPa,φ在 8°～ 15°之間。

(3)反演分析

根據(jù)滑坡穩(wěn)定性現(xiàn)狀,假設(shè)目前安全系數(shù)Ks,利用下式固定黏聚力c求內(nèi)摩擦角φ,亦可固定 φ求c。

式中:c——滑動面土的黏聚力,(kPa);

Ks——穩(wěn)定系數(shù),滑坡處于整體暫時穩(wěn)定-變形狀態(tài):Ks=1.02;滑坡處于整體變形-滑動狀態(tài):Ks=0.95～1.00;該滑坡取Ks=1.02;

Wi——第i條塊的單寬重力,(kN/m);

αi——第i條塊的滑動面傾角,(°);

φ——滑動面土的摩擦角,(°);

l——滑動面長度,(m)。

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查和勘察所取得的地質(zhì)資料,及DZ/T 0219-2006《滑坡防治工程設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》中關(guān)于滑坡滑帶參數(shù)確定的相關(guān)說明,現(xiàn)在滑坡體正處于蠕滑變形階段,取坡體現(xiàn)狀安全系數(shù)Ks=1.02,分別按式(11)和式(12)反算巖土的參數(shù),沿主滑方向選取典型的2-2′橫斷面天然狀態(tài),進(jìn)行反算[3]。

(4)參數(shù)選取

滑動面抗剪強(qiáng)度參數(shù)的準(zhǔn)確取值直接影響滑坡計算、分析的可靠性。根據(jù)滑坡體發(fā)生、發(fā)展的過程及現(xiàn)狀綜合室內(nèi)試驗成果以及反分析來確定?；瑤У牧W(xué)參數(shù)為天然 c=13 kPa,φ=11.00°,飽和c=11 kPa,φ=11.00°,滑體天然容重取 20 kN/m3,飽和容重取21 kN/m3。

4.3 滑坡穩(wěn)定性綜合評價

根據(jù)《滑坡防治工程勘查規(guī)范》第9.4.6條的規(guī)定,滑坡穩(wěn)定性的分級評價標(biāo)準(zhǔn)見表1,滑坡的穩(wěn)定性計算結(jié)果見表2。

表1 滑坡穩(wěn)定狀態(tài)分級

表2 滑坡穩(wěn)定系數(shù)計算成果表

通過滑坡在3種工況下穩(wěn)定性計算的結(jié)果,表明滑坡在不同工況下穩(wěn)定性是不同的:

(1)1-1′剖面在天然工況下處于穩(wěn)定狀態(tài),在地震工況下,穩(wěn)定系數(shù)為1.10,處于基本穩(wěn)定狀態(tài),在暴雨工況下穩(wěn)定系數(shù)為1.01,處于欠穩(wěn)定狀態(tài);

(2)2-2′剖面在天然工況下穩(wěn)定系數(shù)為1.20,處于穩(wěn)定狀態(tài),在地震工況下,穩(wěn)定系數(shù)為1.06,處于基本穩(wěn)定狀態(tài),在暴雨工況下穩(wěn)定系數(shù)為1.03,處于欠穩(wěn)定狀態(tài);

(3)3-3′剖面在天然工況、暴雨工況和地震工況,穩(wěn)定系數(shù)在1.36～1.19之間,處于穩(wěn)定狀態(tài)。

由此可見,在暴雨工況下,滑坡的穩(wěn)定性受到嚴(yán)重威脅,在雨季即將來臨之前,應(yīng)以暴雨工況作為設(shè)計依據(jù),對滑坡進(jìn)行治理。

4.4 滑坡推力計算結(jié)果評述

根據(jù)滑坡3個剖面在3種工況下的穩(wěn)定性計算結(jié)果,表明滑坡剩余下滑力在不同的工況下,變化較大。

1-1′剖面在暴雨工況下穩(wěn)定系數(shù)為1.01,取斜坡推力安全系數(shù)KS=1.05時,對應(yīng)的剩余下滑力為448.67 kN/m;2-2′剖面在暴雨工況下穩(wěn)定系數(shù)為1.03,取斜坡推力安全系數(shù)KS=1.05時,對應(yīng)的剩余下滑力為273.75 kN/m;3-3′剖面在暴雨工況下的穩(wěn)定系數(shù)為1.20,取斜坡推力安全系數(shù)KS=1.05時,對應(yīng)的剩余下滑力為199.20 kN/m。

該滑坡在天然和地震工況處于穩(wěn)定—基本穩(wěn)定狀態(tài),滑坡不會發(fā)生整體失穩(wěn)。

4.5 影響因素敏感性分析

影響滑坡穩(wěn)定性的主要因素為滑帶土的黏聚力c、內(nèi)摩擦角c-Fs。本滑坡穩(wěn)定性敏感因素分析范圍定為c=7～ 15 kPa,φ=7°～14°。敏感系數(shù)計算的基準(zhǔn)值:滑帶土c=7～15 kPa,φ=10.50°,Fs=1.01為基準(zhǔn)值,敏感系數(shù)按下式計算[4]:

式中:S——敏感系數(shù);

ΔX——某因素變化量;

Δ Fs——Fs對應(yīng) ΔX 的變化量;

Fso——Fs的基準(zhǔn)值;

Xmax-Xmin——某因素最大變化量。

由上述計算成果可知:滑動面的c、φ值與滑坡的穩(wěn)定系數(shù)之間存在明顯的線性關(guān)系;滑坡φ值對滑坡穩(wěn)定性敏感系數(shù)為55.4%～60.1%,c值對滑坡穩(wěn)定性敏感系數(shù)為7.92%～15.84%,由此可見φ值對滑坡穩(wěn)定性的影響比c值對滑坡穩(wěn)定性影響大。

5 滑坡穩(wěn)定性評價結(jié)論

根據(jù)踏勘、勘查資料,在對該滑坡進(jìn)行了定性和定量的穩(wěn)定性分析后,表明其在天然工況下處于穩(wěn)定狀態(tài),在暴雨工況,1-1′、2-2′剖面處于欠穩(wěn)定狀態(tài),3-3′剖面處于穩(wěn)定狀態(tài);在地震工況下,1-1′、2-2′剖面處于基本穩(wěn)定狀態(tài),3-3′剖面處于穩(wěn)定狀態(tài)?？梢娀虏粫w失穩(wěn),明顯存在強(qiáng)變形區(qū)和弱變形區(qū)的分區(qū)特征。由于汪家坪滑坡前緣臨空,坡度較陡,并且“5.12”地震影響,滑坡中前部出現(xiàn)多處裂縫,滑坡體地表、滑坡體上方的水渠出現(xiàn)了大量拉裂縫,拉裂縫的寬度在0.03～0.3 m之間,滑坡后緣有發(fā)育高1.2 m的錯臺,前緣有較大規(guī)模的滑塌現(xiàn)象。在未來持續(xù)暴雨的作用下,降雨在重力影響下入滲至坡體,會降低滑坡穩(wěn)定性,可能出現(xiàn)滑坡變形加劇。

可見,該中層大型滑坡無論是考慮工程自身穩(wěn)定性,還是考慮到該地質(zhì)災(zāi)害將造成的直接經(jīng)濟(jì)損失、對緊缺的土地資源的威脅和對環(huán)境的破壞,都必須采取工程措施對其進(jìn)行治理,而且應(yīng)盡可能做到早發(fā)現(xiàn)、早治理,一次根治,不留后患,既穩(wěn)定滑坡又節(jié)約投資。

[1]GB 50330—2002,建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范[S].

[2]GB 50021—2001,巖土工程勘察規(guī)范[S].

[3]秦四清.深基坑工程優(yōu)化設(shè)計[M].北京:地震出版社,1998:124-129.

[4]陳希哲.土力學(xué)地基基礎(chǔ)[M].北京:清華大學(xué)出版社,1998:243-280.