萬(wàn)州曬網(wǎng)壩滑坡變形機(jī)理及穩(wěn)定性規(guī)律跟蹤研究

呂國(guó)軍，肖盛燮，陶慶東，楊 潔

（重慶交通大學(xué)，重慶 400074）

萬(wàn)州曬網(wǎng)壩滑坡變形機(jī)理及穩(wěn)定性規(guī)律跟蹤研究

呂國(guó)軍，肖盛燮，陶慶東，楊 潔

（重慶交通大學(xué)，重慶 400074）

針對(duì)萬(wàn)州曬網(wǎng)壩滑坡地質(zhì)勘查與長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)滑移趨勢(shì)不一致的現(xiàn)狀，進(jìn)行滑移機(jī)理跟蹤，并通過(guò)物探驗(yàn)證跟蹤結(jié)論。研究了135～175 m范圍變化庫(kù)水位及24 h強(qiáng)降水對(duì)該滑坡穩(wěn)定性的影響，揭示了真實(shí)滑移面地質(zhì)狀況，糾正了地勘存在的不足，同時(shí)分析了滑移破壞機(jī)理。結(jié)果表明:該滑坡整體穩(wěn)定、局部緩慢滑移;并提出了埋入式抗滑樁、裂隙封閉及地表排水的維護(hù)方案。

工程地質(zhì);滑坡跟蹤;滑移破壞機(jī)理;水位變化;降雨入滲;治理方案

0 引言

曬網(wǎng)壩滑坡位于重慶市萬(wàn)州曬網(wǎng)村，為三峽庫(kù)區(qū)三期地質(zhì)災(zāi)害防治規(guī)劃搬遷避讓項(xiàng)目。在三峽項(xiàng)目建設(shè)期，居民已搬遷。目前，滑坡前緣175 m以上土地已經(jīng)下滑，無(wú)法耕作。

滑坡邊界特征明顯，前緣為長(zhǎng)江右岸，左右兩側(cè)均為沖溝，后緣基巖出露，剪出口位于長(zhǎng)江岸邊?；麦w平面呈箕形，后緣呈弧形，前部稍寬;剖面形態(tài)呈凸形，前陡后緩。滑坡主滑方向?yàn)?54°，與斜坡坡向一致。其危害性有兩方面:①危害長(zhǎng)江航道的安全，將會(huì)有大量泥砂流入長(zhǎng)江，在江底沉積，降低庫(kù)容;②危害村民生命財(cái)產(chǎn)安全，出現(xiàn)房屋裂縫垮塌、地面開(kāi)裂下沉嚴(yán)重等現(xiàn)象。

2001年8 月，暴雨誘發(fā)滑體變形，滑坡前緣形成“馬刀樹(shù)”，中部公路擋墻開(kāi)裂變形。此后，局部變形進(jìn)一步發(fā)展，從崖前至平壩前緣均發(fā)生次級(jí)滑坡、地裂。之后，局部多處變形，顯示此滑坡正處于滑移活躍期，但無(wú)整體變形破壞跡象。2006年9月，三期蓄水開(kāi)始，滑體前緣逐漸淹沒(méi)至水下，滑體呈現(xiàn)變形加劇趨勢(shì)，民房開(kāi)裂嚴(yán)重，特別是滑體左側(cè)區(qū)域尤為明顯，滑移區(qū)居民已搬遷。12月份地質(zhì)勘查表明該滑坡處于滑移加速狀態(tài)，于是實(shí)施了GPS位移及測(cè)斜儀等同步監(jiān)測(cè)。然而監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，后緣未出現(xiàn)明顯滑移，前緣地表裂縫增多，但滑移較緩。2007年4月1日降雨后，圍繞位于曬網(wǎng)村的QZK3逐漸形成寬約300 m的圈椅狀變形體，之后該滑坡未出現(xiàn)較大滑移。顯然，監(jiān)測(cè)跟蹤結(jié)論與原地勘資料的穩(wěn)定性分析存在較大差異。

筆者將依據(jù)災(zāi)變鏈?zhǔn)嚼碚摚?-2］，以物探驗(yàn)證跟蹤結(jié)論，揭示真實(shí)地質(zhì)構(gòu)造，重新研究其滑移破壞演化機(jī)理，進(jìn)一步評(píng)估庫(kù)水位變化及強(qiáng)降雨對(duì)該滑坡穩(wěn)定性的影響，提出經(jīng)濟(jì)可行的治理方案。

1 滑動(dòng)破壞機(jī)理

1.1 地質(zhì)條件

曬網(wǎng)壩滑坡地處萬(wàn)州向斜北西翼，巖層產(chǎn)狀153°∠4°?；w平面形態(tài)呈弓形，主滑方向4°，前緣高程258～265 m，后緣高程317～328 m，滑體橫寬約1 280 m，縱長(zhǎng)約為390 m，厚23 m，面積49.92×104m2，體積1 148×104m3，為土質(zhì)滑坡?；w物質(zhì)主要由褐黃色粉質(zhì)黏土夾砂巖碎塊石、泥巖角礫組成，滑帶土為粉質(zhì)黏土夾碎石角礫組成;滑床為侏羅系上統(tǒng)遂寧組泥巖及砂巖組成。

1.2 滑動(dòng)帶及滑移面分析

該滑坡從2007年開(kāi)始實(shí)施專業(yè)監(jiān)測(cè)（圖1），主要監(jiān)測(cè)手段為GPS地表位移監(jiān)測(cè)和深部位移鉆孔傾斜儀監(jiān)測(cè)。選Ⅱ-Ⅱ'剖面研究，根據(jù)地質(zhì)勘查資料，鉆孔布置剖面及擬定滑動(dòng)帶如圖2。監(jiān)測(cè)結(jié)果由圖3可以看出，目前位移變化不明顯，滑坡中部及后緣處于穩(wěn)定狀態(tài)，而通過(guò)力學(xué)穩(wěn)定性計(jì)算此結(jié)構(gòu)面為失穩(wěn)階段，二者矛盾?；虑熬壩锾斤@示，滑動(dòng)帶中前緣深部存在巨型巖石凸?fàn)罘雌?，阻斷滑移進(jìn)一步演化，如圖4。對(duì)比圖2及圖4可以看出，由于鉆孔間距較大，跨越了滑體凸?fàn)罘雌禄?，未能揭示滑?dòng)面形狀阻尼真實(shí)滑動(dòng)狀況，導(dǎo)致穩(wěn)定性及滑移破壞機(jī)理的評(píng)估出現(xiàn)較大偏差。

圖1 監(jiān)測(cè)平面布置Fig.1 Layout of tracking

圖2 地質(zhì)勘探Ⅱ-Ⅱ'剖面Fig.2 Geologic sections ofⅡ-Ⅱ'

圖3 跟蹤變形位移Fig.3 Curves of tracking displacement

圖4 物探剖面Fig.4 Geophysical section

1.3 破壞機(jī)理

該滑坡影響因素主要有地形地貌、土層性質(zhì)、大氣降雨、人類工程活動(dòng)等4個(gè)方面?；麦w前緣地形坡度較大，且堆積較厚的易滑土層;滑坡的后部巖層露頭較多，易于透水，從中部到前緣，巖塊巖屑含量降低，而黏土質(zhì)含量增多，堆積物結(jié)構(gòu)由松散變得較為致密，從而透水性由好變差，堆積物中孔隙水易于在前緣蓄積;大氣降水補(bǔ)給第四系土層，增加了其自重壓力，松散土層易于透水，遇水軟化，抗滑力降低;人類活動(dòng)的影響，如過(guò)度開(kāi)墾、植被破壞、坡面加載等，促使滑坡加劇。

滑坡體土體結(jié)構(gòu)松散，與下伏基巖接觸面構(gòu)成重要軟弱界面，滑坡體前緣形成臨空面，且滑床坡度大。巖石凸?fàn)罘雌卤趁嫱馏w受到滑動(dòng)面形狀阻尼作用，整體穩(wěn)定;正面前緣土體，在自重應(yīng)力長(zhǎng)期作用下發(fā)生緩慢而持續(xù)的變形，與巖石面之間形成斷裂帶，在庫(kù)水位變化及大氣降雨特別是暴雨的誘發(fā)作用下，土體軟化，裂縫擴(kuò)張，導(dǎo)致滑體前緣土體下沉，形成局部滑移。

2 有限元數(shù)值模擬

陳祖煜［3］和趙尚毅，等［4］利用有限元對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并對(duì)各種支護(hù)方案進(jìn)行大量模擬。研究表明，數(shù)值計(jì)算具有可行性。

采用ABAQUS軟件，土體破壞準(zhǔn)則依據(jù)非關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則的Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，塑性勢(shì)面采用連續(xù)光滑橢圓函數(shù)。其特點(diǎn)是參數(shù)獲取簡(jiǎn)單，屈服面塑性流動(dòng)方向明確?；鶐r采用線彈性模型。非飽和土體強(qiáng)度由有效應(yīng)力控制［5-6］。

以物探剖面為依據(jù)，建立二維有限元模型，穩(wěn)定性分析采用強(qiáng)度折減法。巖土力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，該參數(shù)在重復(fù)剪實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，考慮到現(xiàn)場(chǎng)巖土與所取試驗(yàn)樣本存在區(qū)別，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，乘以一定折減系數(shù)所得。

表1 巖土力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of rock and soil masses

庫(kù)水及雨水滲透過(guò)程中，水力滲透系數(shù)與基質(zhì)吸力關(guān)系為［5］:

式中:kw為滲透系數(shù);aw，bw，cw為參數(shù);kws為飽和土滲透系數(shù);ua，uw分別為孔隙氣壓力和孔隙水壓力，文中僅考慮孔隙水壓力。

水-力特征曲線，即飽和度與基質(zhì)吸力關(guān)系為［5］:

式中:Sr為綜合飽和度;Si為殘余飽和度;Sn為最大飽和度;as，bs，cs根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定的參數(shù)。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 自重作用穩(wěn)定性分析

分兩個(gè)計(jì)算步:自重作用和強(qiáng)度折減。網(wǎng)格采用CPE4R，共18 513個(gè)單元。

從塑性區(qū)分布看，巖石滑移面正面土體下沉，但未滑移，背面及后緣土體處于穩(wěn)定狀態(tài)，如圖5。表明滑坡整體穩(wěn)定，局部欠穩(wěn)定，與GPS監(jiān)測(cè)結(jié)論一致。從σx來(lái)看，滑移帶水平向應(yīng)力集中出現(xiàn)在與巖石結(jié)構(gòu)面交界部位，其它部位沒(méi)有出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，這與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況比較吻合。

圖5 自重作用塑性區(qū)分布Fig.5 Distribution of plastic zone on gravity

在自重作用下，剪出口無(wú)明顯位移變化，土體強(qiáng)度折減后，位移突變，塑性區(qū)貫通，穩(wěn)定性系數(shù)為1.07，如圖 6。

圖6 剪出口水平位移隨折減系數(shù)變化Fig.6 Curve of horizontal displacement and reduction coefficients in shear zone

巖石正面土體逐漸滑移，如圖7，說(shuō)明土體與巖石交界面抗拉能力較弱，出現(xiàn)15.5 cm裂縫，此處為鏈?zhǔn)窖莼娜鮿?shì)環(huán)節(jié)，穩(wěn)定性較低，在其它因素作用下容易局部失穩(wěn)破壞。

圖7 土石結(jié)合面位移變化Fig.7 Curve of displacement of interface between rock and soil

3.2 庫(kù)水位變化計(jì)算結(jié)果分析

引入自重作用應(yīng)力場(chǎng)作為初始應(yīng)力，網(wǎng)格采用CPE4P，共18 592個(gè)單元?？疾鞄?kù)水位分別為135，145，155，165，175 m時(shí)剪出口及角點(diǎn)水平位移變化情況。計(jì)算結(jié)果如圖8。

圖8 庫(kù)水位變化時(shí)剪出口及角點(diǎn)處水平位移Fig.8 Curves of horizontal displacement in shear zone and corner point under different reservoir level

庫(kù)水位為135 m時(shí)，剪出口與角點(diǎn)均未滑移，滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài);隨著庫(kù)水位的升高，剪出口與角點(diǎn)逐漸滑動(dòng);當(dāng)水位升高到165 m以上時(shí)，剪出口發(fā)生位移突變，產(chǎn)生滑動(dòng)，而角點(diǎn)滑動(dòng)加速，但未突變，且塑性區(qū)未貫通?？梢?jiàn)，在庫(kù)區(qū)水位變化范圍內(nèi)，該滑坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，但是在165 m以上較高水位時(shí)，滑坡剪出口可能發(fā)生局部滑移，隨著抗力的減小，進(jìn)而影響整體穩(wěn)定性。

3.3 強(qiáng)降水作用計(jì)算結(jié)果分析

強(qiáng)降水為坡面滲透和裂縫靜水壓力耦合作用。分析降水強(qiáng)度為10，20，30 mm/h，持續(xù)時(shí)間為24 h時(shí)的邊坡穩(wěn)定性，計(jì)算結(jié)果如圖9。降雨強(qiáng)度隨時(shí)間變化系數(shù)見(jiàn)表2。

表2 降雨強(qiáng)度隨時(shí)間變化系數(shù)Table 2 Changes of precipitation intensity coefficients

圖9 不同降雨強(qiáng)度剪出口及角點(diǎn)處水平位移Fig.9 Curves of horizontal displacement in shear zone and corner point under different precipitation intensity

隨著降雨強(qiáng)度的增加，出現(xiàn)局部滑移，在8～16 h時(shí)間段內(nèi)，滑移速度較快，之后隨著降雨強(qiáng)度的減小，滑移變慢。由于孔隙壓力的增大，造成有效應(yīng)力降低，導(dǎo)致最大位移出現(xiàn)在內(nèi)部，而非滑坡表面，這與吳禮舟，等［7］的研究結(jié)果一致。降雨強(qiáng)度為10 mm/h，持續(xù)時(shí)間為24 h時(shí)，剪出口及角點(diǎn)均未出現(xiàn)位移突變，處于緩慢滑移狀態(tài);降雨強(qiáng)度為20 mm/h，持續(xù)時(shí)間為8 h時(shí)，剪出口及角點(diǎn)出現(xiàn)加速滑移，但塑性區(qū)未貫通，處于欠穩(wěn)定狀態(tài);降雨強(qiáng)度為30 mm/h，持續(xù)時(shí)間為5 h時(shí)即出現(xiàn)滑移加速及塑性區(qū)貫通，處于失穩(wěn)狀態(tài)。可見(jiàn)，持續(xù)強(qiáng)降雨會(huì)導(dǎo)致該滑坡加速滑移破壞。

4 治理方案

根據(jù)曬網(wǎng)壩滑坡的地質(zhì)特征、滑移演化規(guī)律、形成原因及穩(wěn)定狀態(tài)，綜合考慮各種治理方案的可行性、經(jīng)濟(jì)效益以及施工工期等多方面因素，建議采取以下治理方案。

4.1 地表及裂隙周圍防排水

在地表建立相互干擾較小的排水網(wǎng)絡(luò)，且由于滑坡土體和巖體為膨脹巖類，濾水管易堵塞，故應(yīng)考慮濾水管四周填礫，以達(dá)到長(zhǎng)期排水的效果［8］;巖石面后壁設(shè)置截水溝，防止強(qiáng)降水時(shí)斜坡上地表徑流滲透進(jìn)入滑動(dòng)面。

4.2 裂縫封閉處理

對(duì)于巖土拉裂區(qū)，采用黏土夯填密實(shí)及混凝土封閉，防止大量積水引起坡體失穩(wěn)。

4.3 抗滑樁支護(hù)

前緣設(shè)置埋入式抗滑樁［9］，不僅防止庫(kù)水位變化及強(qiáng)降水共同作用下，局部發(fā)生滑移，相比全長(zhǎng)式抗滑樁，還大大降低了工程費(fèi)用。

5 結(jié)論

曬網(wǎng)壩滑坡滑移趨勢(shì)逐漸變緩，與鉆孔監(jiān)測(cè)及分析計(jì)算結(jié)果相差較大。通過(guò)物理力學(xué)探測(cè)及數(shù)值模擬，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:

1）滑動(dòng)面內(nèi)存在巨型巖石凸?fàn)罘雌旅?，阻止了滑坡的進(jìn)一步滑移，糾正了鉆孔監(jiān)測(cè)引起的較大誤差。重新評(píng)估滑移破壞機(jī)理，自然狀態(tài)下中部到后緣處于穩(wěn)定狀態(tài)，前緣緩慢滑移與巖石塊交界面產(chǎn)生拉裂區(qū)。

2）研究了兩種主要因素對(duì)該滑坡穩(wěn)定性的影響。庫(kù)水位變化引起的整體滑移可能性較小，165 m以上水位導(dǎo)致剪出口局部滑移;強(qiáng)降水導(dǎo)致裂隙間孔隙水壓較大，在滲透共同作用下，引起巖石塊正面較大范圍土體滑移。通過(guò)設(shè)置抗滑樁、裂隙封閉和地表排水措施，即可保證滑坡穩(wěn)定。

3）僅考慮基質(zhì)吸力與飽和度的關(guān)系，從有效應(yīng)力原理研究了流固耦合作用及滑移演化機(jī)理。然而滲流水對(duì)土體的軟化，也是形成滑坡的重要因素。內(nèi)聚力和摩擦角與飽和度的關(guān)系有待深入研究。

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Follow-up Study on Failure Mechanism and Stability of Shaiwangba Landslide in Wanzhou

Lv Guojun，Xiao Shengxie，Tao Qingdong，Yang Jie
（Chongqing Jiaotong University，Chognqing 400074，China）

In the light of the inconformity between the geological exploration and long-term monitoring sliding trend of the Shaiwangba in Wanzhou，the sliding failure mechanism was tracked.The tracking conclusions were verified by object diction.The influences of the water level variation between 135m and 175m and the heavy precipitation for 24 hours on the stability of the dam were studied.This study revealed the real geological structure and rectified the problems in geological exploration through physical mechanics detection.The results showed that the whole landslide was stable and the partial slipped slowly and proposed spud for anti-slip，fissure closure and surface drainage.

engineering geology;landslide tracking;failure mechanism;water level change;soil infiltration;preventive treatment

P642

A

1674-0696（2013）02-0297-05

10.3969/j.issn.1674-0696.2013.02.26

2012-04-28;

2012-09-02

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（50879097）

呂國(guó)軍（1983—），男，湖北應(yīng)城人，博士研究生，主要從事邊坡穩(wěn)定性及治理方案的研究。E-mail:bloglgj@163.com。