東苗家滑坡穩(wěn)定性分析及處理方式研究

胡江春, 鄒正盛, 李 晨, 劉曉陽, 郭乃勝

(1.中原工學(xué)院， 鄭州 450007； 2.河南理工大學(xué) 深部礦井建設(shè)省重點(diǎn)學(xué)科開放實(shí)驗(yàn)室， 河南 焦作 454000 )

東苗家滑坡穩(wěn)定性分析及處理方式研究

胡江春1, 鄒正盛2, 李 晨1, 劉曉陽1, 郭乃勝1

(1.中原工學(xué)院， 鄭州 450007； 2.河南理工大學(xué) 深部礦井建設(shè)省重點(diǎn)學(xué)科開放實(shí)驗(yàn)室， 河南 焦作 454000 )

以小浪底東苗家滑坡體為例，在調(diào)查分析該滑坡的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造和巖體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，運(yùn)用三維有限元分析方法分析該滑坡體的穩(wěn)定性狀況，得出該滑坡主滑動(dòng)方向及其滑動(dòng)變形最大部位，并給出處理建議，為小浪底水庫水位變化后東苗家滑坡穩(wěn)定性分析提供技術(shù)支持。

滑坡穩(wěn)定性；工程地質(zhì)條件；三維有限元

我國水利水電建設(shè)在日益滿足人們需求的同時(shí)，也引發(fā)了一系列地質(zhì)環(huán)境問題。很多學(xué)者已對(duì)此展開研究，取得了相應(yīng)的研究成果[1-4]，其中最常見的地質(zhì)災(zāi)害問題是庫岸滑坡。庫岸滑坡既有一般山地滑坡的共性，又有其特殊的一面。其特殊性在于它的活動(dòng)與庫水位的升降有很大的關(guān)系[5-8]。因此，研究水庫蓄水后滑坡穩(wěn)定性的變化顯得尤為必要。

本文以小浪底東苗家滑坡體為例，在綜合分析該滑坡地質(zhì)條件、基本特征的基礎(chǔ)上，運(yùn)用三維有限元分析方法分析該滑坡體的穩(wěn)定性狀況，并給出處理建議，為小浪底水庫水位變化后東苗家滑坡穩(wěn)定性分析提供技術(shù)支持。

1 地質(zhì)概況

東苗家滑坡體位于小浪底水庫下游黃河右岸，狂口背斜東北翼，出露巖層主要為層狀鈣、硅質(zhì)砂巖、細(xì)砂巖與泥質(zhì)粉砂巖、黏土巖等[9]。具體描述如下。

1.1 巖層

(1)T14巖組。紫紅色硅質(zhì)、鈣硅質(zhì)細(xì)砂巖，厚60 m左右。出露于東苗家山梁西、南側(cè)沖溝243 m高程以下。

(2)T15巖組。紫紅色硅、鈣質(zhì)細(xì)砂巖與泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)黏土巖互層。主要分布于滑坡南部高程200 m以上，厚度一般為10～25 m。

(3)T17巖組。棕紅色粉砂質(zhì)黏土巖夾鈣質(zhì)細(xì)砂巖，揭露厚度40 m左右，其中滑帶以上T17-4厚一般為10～25 m。T17-4下伏之T17-3巖層為紫紅色鈣質(zhì)細(xì)砂巖與鈣泥質(zhì)粉砂巖互層。

(4)T21巖組。黃綠、灰綠色砂巖，揭露厚度5～32 m，為滑體主要組成物質(zhì)，其底面高程一般在170 m以上。

1.2 第四系地層

(1)al+plQ2。分布于滑坡后緣南側(cè)山梁上，組成物質(zhì)為棕黃、棕紅色粉質(zhì)壤土及粉質(zhì)黏土，富含鈣質(zhì)結(jié)核，底部為砂礫石層。

(2)delQ3+4。表層為3～5 m厚的灰黃色均質(zhì)大孔隙的粉質(zhì)壤土，其下為灰黃色輕粉質(zhì)壤土和中粉質(zhì)壤土，土中含較多鈣質(zhì)結(jié)核。底部為黃河階地砂礫石層，該層廣泛分布于滑坡體上部，厚5～20 m。

(3)del+colQ3+4?；⒈浪逊e物，主要分布在滑體前部，厚20～40 m。主要組成物質(zhì)為紫紅色、灰綠色塊石夾土(泥)、巖屑等。

(4)alQ3+4。黃河沖積砂礫石層，主要分布在黃河漫灘及河床部位，揭露厚度大于40 m。其表層為松散堆積的Q4粉細(xì)砂、壤土及砂卵石，厚3～7 m。下部為Q3卵礫石夾砂層，含砂率30%左右；礫石成分主要為石英巖、安山巖等，夾砂層主要為粉細(xì)砂，厚度可達(dá)5～10 m。

(5)rQ4。人工堆積塊石夾土，主要分布于滑坡兩側(cè)沖溝等處。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

受斷層切割影響，滑坡體附近的基巖在斷層以北主要為三疊系下統(tǒng)和尚溝組和中統(tǒng)二馬營組地層，斷層以南為三疊系下統(tǒng)劉家溝組地層。東苗家滑坡體的地層主要為三疊系下統(tǒng)和尚溝組T17巖組及中統(tǒng)二馬營組T21巖組砂巖、黏土巖；受滑塌影響，滑坡中后部有三疊系下統(tǒng)劉家溝組T15巖組覆蓋于T21巖組之上。此外，斷層以南的滑坡周圍地區(qū)還出露有三疊系下統(tǒng)劉家溝組T14巖組地層。

東苗家滑坡位于狂口背斜東北翼的傾覆端，并臨近背斜軸部，其下正常巖體為單斜地層，巖層傾向北東，傾角6°～10°，為典型的順向坡。

滑坡周圍地區(qū)斷裂構(gòu)造比較發(fā)育，其中與滑坡關(guān)系密切的主要為一斷層F1。斷層帶物質(zhì)以泥為主，含角礫及巖粉，擠壓緊密，具隔水性。斷層影響帶一般表現(xiàn)為碎裂巖塊及節(jié)理密集帶，對(duì)滑坡體影響不大。斷層帶附近地層受斷層運(yùn)動(dòng)影響，產(chǎn)狀變陡，其北側(cè)地層傾角達(dá)45°，南側(cè)地層傾角為15°～20°。由此可知，該斷層為滑坡體的后緣切割分離面。

在F1斷層南側(cè)，還分布有F231、F230、f2等斷層。這些斷層走向均為近東西向，傾角較陡，斷層帶規(guī)模相對(duì)較小，對(duì)滑坡影響不大，常與陡傾角節(jié)理一起構(gòu)成滑坡后緣淺部滑帶的組成部分。

1.4 巖體結(jié)構(gòu)

滑坡體所在區(qū)域的巖體主要為層狀鈣、硅質(zhì)砂巖、細(xì)砂巖與泥質(zhì)粉砂巖、黏土巖等，巖體結(jié)構(gòu)的主要特征為巖層分布軟硬相間，軟巖受構(gòu)造影響，形成大面積泥化夾層。分析認(rèn)為，形成泥化夾層的地質(zhì)營力與形成褶皺、斷裂等構(gòu)造的地質(zhì)作用一致。此外，滑坡等外動(dòng)力作用也可以形成泥化層。軟弱夾層大都為隔水層，堅(jiān)硬巖層中的節(jié)理僅發(fā)育于硬巖內(nèi)，一般不穿透軟巖夾層。

2 滑坡穩(wěn)定性分析

2.1 確定計(jì)算邊界條件

東苗家滑坡體長(zhǎng)約400 m，東西寬約300 m，最大

厚度約80 m，范圍較大，并且有斷層、節(jié)理切割，計(jì)算模型較為復(fù)雜。在計(jì)算區(qū)域內(nèi)共剖分2 258個(gè)結(jié)點(diǎn)，1 710個(gè)8結(jié)點(diǎn)空間單元。圖1為東苗家滑坡體三維有限元剖分圖。

圖1 滑坡體三維有限元剖分圖

東苗家滑坡體周圍約束的單元采用鉸支連接，在滑坡后部X、Y、Z方向全部約束，東西兩側(cè)僅Y方向約束。鑒于滑面深部T17-1層巖體完整堅(jiān)硬，故在滑坡底部X、Y、Z方向全部約束。而滑坡前部、滑坡面等采用自由面。

滑坡體的荷載采用自重應(yīng)力。該滑坡體地下水位在滑面以下，坡體上部基本處于干燥狀態(tài)，故在進(jìn)行穩(wěn)定性分析時(shí)僅考慮地下水在140 m高程以下時(shí)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

2.2 選取計(jì)算參數(shù)

選取計(jì)算參數(shù)時(shí)，考慮到組成邊坡巖體的巖性、風(fēng)化強(qiáng)度和層面、斷層等因素，將滑坡體分成7種材料區(qū)。參照相應(yīng)層位現(xiàn)場(chǎng)巖石力學(xué)試驗(yàn)值，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，選取的計(jì)算參數(shù)如表1所示，所有巖土材料全部按各向同性考慮。圖2 為滑坡穩(wěn)定性分析中的材料分區(qū)圖。

考慮到非連續(xù)巖體本構(gòu)關(guān)系的復(fù)雜性，以及巖體參數(shù)的空間變異性和不確定性，在進(jìn)行滑坡穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)，采用在彈性分析的基礎(chǔ)上增加非線性校正的方法，即完整、均一、變形小的巖體按彈性材料處理，而軟弱面按非線性材料處理，應(yīng)力釋放區(qū)分別采用抗拉強(qiáng)度準(zhǔn)則和莫爾—庫倫準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算。

圖2 滑坡穩(wěn)定性分析材料分區(qū)圖

參數(shù)1234567彈模E/GPa12.010.05.09.50.99.59.9泊松比μ0.300.250.330.250.40.250.25重度γ/(kN·m-3)26.029.027.0272026.025.0摩擦系數(shù)f0.750.520.220.220.450.240.5黏聚力c/kPa301718201025

2.3 分析計(jì)算結(jié)果

圖3為滑坡穩(wěn)定性分析中的σ1等值線圖，圖4為滑坡穩(wěn)定性分析中的σ3等值線圖，圖5為滑坡穩(wěn)定性分析中的水平方向位移等值線圖。

圖3 滑坡穩(wěn)定性分析σ1等值線圖

圖4 滑坡穩(wěn)定性分析σ3等值線圖

圖5 滑坡穩(wěn)定性分析水平方向位移等值線圖

由圖3、圖4、圖5可以看出，東苗家滑坡體在后緣出現(xiàn)張應(yīng)力區(qū)，說明該滑坡在重力作用下，其后緣處于開裂破壞區(qū)，縫端以張性破壞為主，而滑面轉(zhuǎn)折處坡體內(nèi)應(yīng)力集中。坡體主滑方向基本以向黃河河床方向?yàn)橹鳎騼蓚?cè)的變形位移不大?；麦w上部位移較大，說明該部分以滑動(dòng)變形為主。

3 處理建議

東苗家滑坡體前部滑塌堆積體凸入黃河中，對(duì)中后部滑體的進(jìn)一步變形破壞起著限制作用。但滑坡體在地震和高水位條件下將有失穩(wěn)的可能[9]。考慮到水庫運(yùn)行條件下泄洪水流及發(fā)電尾水會(huì)對(duì)滑坡前緣造成進(jìn)一步的沖刷，同時(shí)降水及泄流水霧亦將對(duì)滑坡穩(wěn)定性帶來不利影響，為防止滑坡失穩(wěn)，確保工程運(yùn)行安全，針對(duì)滑體較厚及該滑坡底滑帶埋藏較深(不宜采用抗滑樁)的情況，提出以下處理建議：

(1)設(shè)置泄水渠控導(dǎo)工程及滑坡體前部防護(hù)工程，盡量避免或減少對(duì)岸泄水水流對(duì)坡腳的沖刷破壞。

(2)對(duì)滑坡中后部滑體采取地表與地下排水措施。地表排水應(yīng)以修建橫向截水溝與縱向排水溝為主，輔以坡面整治工程。地下排水可考慮利用原有探洞布置排水洞，并在排水洞內(nèi)設(shè)置排水孔幕。

(3)布置必要的地表與地下變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的布置應(yīng)考慮滑坡不同地段的變形破壞特點(diǎn)。

(4)為確保人民生命財(cái)產(chǎn)安全，對(duì)滑坡體可能影響范圍內(nèi)的居民，應(yīng)考慮給予安置。

4 結(jié) 語

通過對(duì)小浪底東苗家滑坡工程地質(zhì)條件和穩(wěn)定性的分析及處理方式的研究，得出如下結(jié)論：

(1)東苗家滑坡歷史上曾有過多次滑動(dòng)，其滑坡體的滑動(dòng)受工程地質(zhì)條件限制；

(2)由滑坡的穩(wěn)定性分析可知該滑坡體主滑動(dòng)方向以向著黃河河床方向?yàn)橹?。其上部有部分巖土體滑動(dòng)變形位移較大，對(duì)該處公路的路基、路面影響很大；

(3)滑坡的防治要堅(jiān)持預(yù)防為主，避讓為先。

(感謝小浪底水利樞紐建設(shè)管理局張金水高工為本文撰寫提供資料)

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(責(zé)任編輯：張同學(xué))

Dongmiaojia Landslide Stability Evaluation and
Treatment Method

HU Jiang-chun1, ZOU Zheng-sheng2, LI Chen1, LIU Xiao-yang1, GUO Nai-sheng1

(1.Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 450007;
2.Opening Laboratory for Deep Mine Construction, Henan Polytechnic University,
Jiaozuo 454000, China )

In the paper, Dongmiaojia landslide as an example, strata condition, rock mass structure and engineering geology condition of the landslide are analyzed. The stability of the landslide is researched using three-dimensional finite element. The results show that the main landslide sliding direction is pointing to the riverbed of Yellow river and the maximum sliding deformation area is the upper of 4# road. Then, the treatment method is proposed. The results can provide technical support for the landslide stability of Xiaolangdi reservoir bank when water level changes.

landslide stability; the engineering geological conditions; three-dimensional finite element

2015—09—12

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51074196, 51574296 )；河南理工大學(xué)深部礦井建設(shè)省重點(diǎn)學(xué)科開放實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(2014KF-03)

胡江春(1971—)，男，河南靈寶人，副教授，博士，主要研究方向?yàn)閹r土工程。

1671-6906(2015)06-0057-04

P642.22

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2015.06.013