楊 紹 平, 王 子 忠
(1.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院 , 成都 崇州 611231;2.四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 ,四川 成都 610072)
黃角樹古滑坡穩(wěn)定性分析
楊 紹 平1, 王 子 忠2
(1.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院 , 成都 崇州 611231;2.四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 ,四川 成都 610072)
根據(jù)黃角樹古滑坡的基本地質(zhì)條件、滑坡體及滑帶土物質(zhì)特征,分析并得出該古滑坡形成機(jī)理,通過模型計(jì)算分析其穩(wěn)定性,得出的結(jié)論是局部存在復(fù)活的可能性,從而為擬建的水利工程和當(dāng)?shù)貓?chǎng)鎮(zhèn)建設(shè)提供了治理依據(jù)。
黃角樹古滑坡;穩(wěn)定性;分析
黃角樹古滑坡位于巴中市某擬建水庫(kù)庫(kù)區(qū)河流左岸,近年來其堆積體前緣出現(xiàn)開裂,滑坡體上的房屋陸續(xù)出現(xiàn)裂縫,表明古滑坡有復(fù)活的跡象,當(dāng)?shù)匾堰M(jìn)行了局部加固治理。當(dāng)擬建水庫(kù)建成蓄水后,古滑坡體前緣處于庫(kù)水位下,一旦失穩(wěn)將危及場(chǎng)鎮(zhèn)居民人身及財(cái)產(chǎn)安全,同時(shí),滑坡形成的涌浪可能會(huì)影響大壩安全,若形成堰塞壩,還將影響庫(kù)容和水庫(kù)運(yùn)營(yíng)調(diào)度。這些問題將成為擬建水庫(kù)成庫(kù)和安全運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵性問題。
為此,筆者針對(duì)滑坡區(qū)的地質(zhì)條件、巖土體結(jié)構(gòu)特征等地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行了調(diào)查,認(rèn)為對(duì)古滑坡形成機(jī)理及復(fù)活性進(jìn)行分析是對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)的前提,亦是對(duì)滑坡處理方案進(jìn)行選擇的前提。
滑坡區(qū)地處華鎣山斷裂帶、大巴山南緣推覆構(gòu)造帶和龍門山斷裂帶圍成的塊體內(nèi),近場(chǎng)區(qū)構(gòu)造形跡主要表現(xiàn)為一系列疏緩寬展的褶皺,兩翼傾角多小于5°?;聟^(qū)為順向坡,坡面平滑,地表物理風(fēng)化強(qiáng)烈。據(jù)野外測(cè)繪與巖芯分析,滑坡堆積層為Q4殘坡積土、崩坡積碎石土、滑坡堆積塊碎石土和沖洪積砂卵石等,基巖為侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組(J3p)砂巖、粉砂巖夾泥巖互層。地層巖性單一,受古滑坡間歇性滑動(dòng)影響,堆積層物質(zhì)出現(xiàn)不均一與疊置現(xiàn)象。
滑坡區(qū)內(nèi)分布孔隙水和基巖裂隙水。孔隙水主要賦存于Q4崩坡積和沖洪積堆積層中,受大氣降水和地表水補(bǔ)給,排泄于河流或沖溝,水量不豐?;鶐r裂隙水主要分布于構(gòu)造裂隙發(fā)育的砂巖夾層中,出露點(diǎn)較分散,流量一般為0.01~0.2L/s,受大氣降水補(bǔ)給,隨季節(jié)變化大,就地排泄于溝谷。
古滑體堆積于河道,使得河流由凹岸變?yōu)橥拱?,在古滑體東部邊緣分布拉裂形成的近南北向陡崖。古滑坡下游左岸階地發(fā)育,保存完整?;娉雎陡叱虨?52m(擬建水庫(kù)死水位高程357m),水庫(kù)蓄水后滑面處于庫(kù)水位以下,受水位變動(dòng)影響,地下水水壓力及浮托力將影響滑坡的穩(wěn)定性。
2.1 古滑坡的判別及邊界確定
據(jù)野外調(diào)查得知:其地形地貌具有明顯的河流改道現(xiàn)象,改道河流長(zhǎng)度約為250m,滑坡堵河使得滑體上游受到河水的側(cè)蝕作用形成一個(gè)凹岸。從巖性巖相觀察分析得知,現(xiàn)場(chǎng)出露的地層為J3p砂泥巖互層,其在堆積體的上游、下游和后緣部位都出露有相同的砂巖陡壁,鉆探揭示堆積體內(nèi)出現(xiàn)該砂巖塊碎石,巖芯顯示有以粘土夾塊碎石為主的滑帶,滑動(dòng)擦痕清晰可見。從巖層產(chǎn)狀可見:在前緣岸邊出現(xiàn)因古滑坡在下滑過程中前緣受阻而發(fā)生的前緣巖土體鼓脹-彎折引起的反翹;同時(shí),其堆積體上建有場(chǎng)鎮(zhèn),這些跡象均表明這是一個(gè)古滑坡。
滑坡在河流上游側(cè)的邊界根據(jù)基巖陡壁展布方向、基巖在地表的出露位置、地表裂縫分布和前緣河岸邊大塊石堆積區(qū)邊界綜合確定,上游側(cè)邊界總體較平直;下游側(cè)邊界根據(jù)基巖陡壁展布方向,基巖在地表的出露位置、鉆孔資料綜合確定,下游側(cè)邊界總體呈弧狀;后緣邊界以基巖陡壁為依據(jù)進(jìn)行圈定;前緣邊界以河流和下游階地周界確定,其前緣和中部稍寬,后緣則逐步收斂,在平面上滑坡體邊界整體上成圈椅狀?;麦w縱長(zhǎng)(近似垂直河流方向)約為390m,橫寬(近似平行河流方向)約為280m,面積約為1.01×105m2,堆積體平均厚度約19m,滑體方量約1.9×106m3。
2.2 古滑坡區(qū)巖土體物質(zhì)結(jié)構(gòu)特征
古滑坡發(fā)育于砂泥巖互層地區(qū)。筆者通過對(duì)6個(gè)鉆孔巖樣進(jìn)行分析得知,泥巖或滑帶土中伊利石的含量均大于20%,具有明顯的膨脹性。
據(jù)鉆探資料,該滑坡滑動(dòng)面埋深約4~33m,滑動(dòng)帶下部為J3p弱風(fēng)化灰白~淺紫色泥質(zhì)粉砂巖夾粉砂質(zhì)泥巖,而滑動(dòng)帶上部主要為碎石土堆積層,碎石主要為紫紅色砂巖、泥質(zhì)粉砂巖。筆者結(jié)合古滑坡體地表以及鉆孔內(nèi)的物質(zhì)特征,將古滑坡體物質(zhì)結(jié)構(gòu)分為三個(gè)區(qū):
(1)前緣孤石-漂石堆積區(qū):地形坡度約為8°~10°,自滑坡前緣上游側(cè)邊界向下游長(zhǎng)約250m、寬約20~50m的范圍堆積了具有一定磨圓的孤石和漂石,粒徑約0.3~2m,巖性以紫紅色泥質(zhì)粉砂巖為主,下部偶有紫紅色粉砂質(zhì)泥巖出露,出現(xiàn)巖層反翹現(xiàn)象。
(2)中部塊石-孤石堆積區(qū):位于370~400m高程范圍,坡度約為11°~14°。覆蓋層較厚,大部分區(qū)域被粉質(zhì)粘土夾砂巖、泥質(zhì)粉砂巖塊碎石層覆蓋,粉質(zhì)粘土主要呈紫紅色,地表植被較發(fā)育。沖溝內(nèi)可見棱角狀砂巖塊石-孤石,塊徑約為0.2~1m。
(3)后緣假基巖堆積區(qū):位于400~415m高程范圍,坡度約為4°~7°。分布強(qiáng)風(fēng)化的崩殘坡積體,地表表現(xiàn)為大塊塊石堆積形成的假基巖,假基巖出露長(zhǎng)度一般為10~40m,厚度則大于1m。巖性主要為淺紫色砂巖夾粉砂質(zhì)泥巖。堆積體覆蓋層厚度小于10m,植被較為發(fā)育。
2.3 古滑坡滑帶土特征及力學(xué)參數(shù)
據(jù)鉆孔揭示,古滑坡體內(nèi)不同深度有多個(gè)軟弱夾層,成分為粘土夾粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖塊碎石,塊碎石呈次棱~次圓狀。部分鉆孔內(nèi)揭露的軟弱夾層含水量較高,塊碎石磨圓度較好,有細(xì)微擾動(dòng)擦痕。軟弱夾層作為滑體內(nèi)強(qiáng)度相對(duì)較弱的結(jié)構(gòu)面,滑坡的蠕變變形或復(fù)活均可能沿軟弱夾層進(jìn)行。在地質(zhì)剖面中對(duì)比軟弱夾層的空間位置,相鄰鉆孔內(nèi)的部分軟弱夾層在空間上可以連成比較順直的潛在滑移面。
對(duì)鉆孔資料進(jìn)行分析得知:各鉆孔內(nèi)滑帶物質(zhì)組成基本相同,厚度不均一,平均厚度約0.6m?;瑤廖镔|(zhì)組成主要為粘土夾塊碎石,塊碎石多呈次棱~次圓狀,滑帶土多有擠壓錯(cuò)動(dòng)痕跡,斷面見擦痕鏡面?;瑤Ы缑嬉韵聞t多見厚至巨厚層狀灰白色~淺紫色細(xì)砂巖,細(xì)粒結(jié)構(gòu),裂隙不發(fā)育。
通過取樣對(duì)滑帶土進(jìn)行物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)得到的滑帶土物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見表1。
3.1 古滑坡成因及變形破壞發(fā)育史
現(xiàn)場(chǎng)分析和鉆孔資料顯示,該古滑坡為大型基巖順層滑坡,因此,追溯其變形破壞發(fā)育歷史要從滑坡區(qū)內(nèi)的巖層特征入手。據(jù)鉆孔資料,區(qū)內(nèi)基巖為J3p砂泥巖互層,巖層緩傾坡外,發(fā)育有兩組構(gòu)造節(jié)理,傾角多在70°~80°之間。這種軟硬巖相間又緩傾坡外的巖體容易產(chǎn)生蠕滑并發(fā)生拉裂變形。開闊的斜坡具備臨空條件,區(qū)內(nèi)降雨充足,地形平緩利于地表水入滲,從而使泥巖軟弱層抗剪強(qiáng)度降低形成滑動(dòng)面。因存在這樣的地質(zhì)背景,古滑坡孕育于軟硬巖相間又緩傾坡外的基巖巖層內(nèi),中厚層的巖層沿其下覆相對(duì)較軟弱的泥巖層產(chǎn)生蠕滑拉裂變形,且?guī)r層蠕滑產(chǎn)生的拉裂縫不斷向山體深部和高處發(fā)展,逐步貫通形成滑移面,受前緣出口地形的約束和滑移方向變化帶來的阻力作用,基巖滑坡的變形模式轉(zhuǎn)化為滑移彎曲型破壞,經(jīng)前緣剪切段被完全剪穿,基巖滑坡發(fā)生潰決性的下滑并逐步堆積穩(wěn)定后形成如今的形態(tài)。
表1 滑帶土反復(fù)剪切試驗(yàn)成果表
3.2 古滑坡形成機(jī)制分析
通過對(duì)該滑坡體進(jìn)行調(diào)查與分析,得到其變形破壞的演化過程及變形破壞機(jī)制:
(1)緩傾坡外的巖體在構(gòu)造節(jié)理、層理及風(fēng)化裂隙的切割下被分割為似塊狀巖體。在自重作用下,下部軟弱層變形造成其向臨空方向發(fā)生蠕變,節(jié)理裂隙進(jìn)一步擴(kuò)大,為水的入滲運(yùn)移提供了通道。
(2)入滲水與泥巖發(fā)生物理化學(xué)作用,降低了泥巖的抗剪強(qiáng)度,上覆砂巖在自重作用下沿泥巖軟弱帶發(fā)生蠕滑變形。因砂巖與泥巖的變形速率存在差異,使其之間產(chǎn)生了剪切裂縫。滲入泥巖的地下水逐漸使泥巖裂隙充水,造成裂隙周圍巖體強(qiáng)度因軟化而降低。
(3)隨著時(shí)間推移,變形位移的差異導(dǎo)致構(gòu)造節(jié)理和風(fēng)化裂隙被不斷拉開,加劇了水巖作用,上覆砂巖與下伏泥巖間的剪切拉裂面逐漸貫通。在略高于坡腳的部位,巖層下滑受阻發(fā)生彎曲隆起。
(4)隨著斜坡變形加大,應(yīng)力在前緣逐步集中,當(dāng)應(yīng)力集中到大于斜坡前緣的阻滑力時(shí),累進(jìn)的變形使貫通的拉裂面也逐漸與前緣的彎曲拉裂面貫通,古滑坡的滑面形態(tài)最終形成,斜坡變形體突然沖出并發(fā)展為滑坡,前緣堆積物沖進(jìn)河中形成堵河并使河流改道。
(5)河水不斷壅高,使位于河床部位的滑坡堆積體不斷被河水沖蝕帶走,河流的形態(tài)也逐漸向滑坡前的形態(tài)恢復(fù)。因滑坡堆積物前緣結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定、受河流沖刷的影響較小,河流在地形地貌上出現(xiàn)改道現(xiàn)象。由于滑坡前緣彎曲鼓脹,最后沖出后前緣巖層出現(xiàn)反翹。
變形破壞的模式隨滑坡變形過程發(fā)生變化。初始以蠕滑拉裂為主,隨著拉裂縫不斷發(fā)展,砂泥巖交界面處的剪切拉裂縫也不斷貫通,由局部破壞轉(zhuǎn)為整體破壞。隨著變形破壞的加劇,在前緣受阻的條件下,破壞模式由蠕滑拉裂轉(zhuǎn)為滑移彎曲,隨著前緣彎曲段的潰決性剪斷,其頂部的砂巖快速?zèng)_出形成大滑坡。
4.1 影響滑坡復(fù)活的因素
目前古滑坡前緣已出現(xiàn)明顯的拉裂縫,說明該古滑坡已經(jīng)局部復(fù)活,通過對(duì)當(dāng)?shù)鼐用裨L問得知,這些拉裂縫是伴隨近年來暴雨出現(xiàn)的,每逢強(qiáng)降雨天氣,拉裂縫的變形速率會(huì)加快。
強(qiáng)降雨是滑坡復(fù)活最重要的觸發(fā)因素和動(dòng)力來源,它引起滑坡土體靜水壓力、動(dòng)水壓力、浮托力、巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)、非飽和土中的基質(zhì)吸力及滲流過程等因素改變,從而降低了滑坡體的穩(wěn)定性。潛在滑帶透水性差,在地下水長(zhǎng)期物理化學(xué)作用下呈可塑狀或軟塑狀。降水入滲、特別是擬建水庫(kù)蓄水后,庫(kù)水位高于滑動(dòng)面,將進(jìn)一步加速滑體內(nèi)部的泥化過程,使滑帶土軟弱層進(jìn)一步軟化,進(jìn)而為古滑坡的復(fù)活創(chuàng)造有利條件。
滑坡前緣河流洪水期的側(cè)蝕是古滑坡局部復(fù)活的重要誘發(fā)因子。主汛期河水暴漲,流速急,對(duì)古滑坡前緣變形體的強(qiáng)烈沖刷侵蝕削弱了坡腳的支撐力,造成坡腳應(yīng)力集中而發(fā)生破壞。水庫(kù)蓄水使地下水位上升,對(duì)古滑坡前緣抗滑段具有浮托減重作用,降低了其抗滑力,可能會(huì)出現(xiàn)局部失穩(wěn)。
堆積體上城鎮(zhèn)規(guī)模的擴(kuò)大加大了外荷載,起到了助滑作用。種植活動(dòng)破壞了地表排水系統(tǒng),使地表水更容易滲入到滑體中,促使了滑坡失穩(wěn)。
4.2 古滑坡復(fù)活演化過程數(shù)值模擬
4.2.1 地質(zhì)模型的建立
將地質(zhì)資料概化后建立地質(zhì)模型,考慮邊界效應(yīng),橫斷面方向長(zhǎng)度800m建立模型。指定沿高程增大方向?yàn)閆軸正向,沿邊坡坡外方向?yàn)閅軸負(fù)向,垂直YZ面向外為X軸正向,計(jì)算范圍選為X軸方向取800m,Z軸方向取300m,Y軸方向取800m,進(jìn)行三維分析。
根據(jù)滑坡區(qū)地形圖,選取模型長(zhǎng)寬高為800m×800m×300m。通過軟件讀取地形圖中的坐標(biāo),通過sufer軟件進(jìn)行插值,將地形圖中的數(shù)據(jù)提取出來生成模型,結(jié)合一系列ANSYS生成FLAC3D文件,導(dǎo)入FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值分析。
4.2.2 靜力邊界條件及巖土體力學(xué)參數(shù)
計(jì)算中,地應(yīng)力僅考慮巖土層自重,設(shè)置計(jì)算模型的位移邊界:左面邊界(X=0m)、右面邊界(X=800m)約束X方向位移;前面邊界(Y=0m)、后面邊界(Y=800m)約束Y方向位移;模型的底面(Z=200m)為固定邊界,約束三個(gè)方向的位移。在FLAC3D計(jì)算中,巖、土體采用摩爾-庫(kù)侖彈塑性材料模型,輸入巖石力學(xué)參數(shù):體積模量(K)、剪切模量(G)、彈性模量(E)、泊松比(u)。
4.2.3 不同工況下滑坡穩(wěn)定性計(jì)算分析
(1)天然狀態(tài)下滑坡穩(wěn)定性分析。
在自重作用下的初始應(yīng)力場(chǎng),計(jì)算得到的最大豎向應(yīng)力σzz=6.06MPa(模型中Z方向?yàn)樨Q直方向),σxx=σyy=0.97MPa;通過應(yīng)力應(yīng)變特征計(jì)算,該古滑坡體變形最為明顯的區(qū)域位于古滑坡體的前緣,位移為0.475m,該區(qū)域也是剪應(yīng)力最為集中的地區(qū),與野外觀察到的變形跡象一致。
(2)暴雨?duì)顟B(tài)下滑坡穩(wěn)定性分析。
據(jù)氣象資料,當(dāng)?shù)刈畲笕战涤炅窟_(dá)到135mm/d,利用modelflow軟件進(jìn)行暴雨條件下地下水位變動(dòng)分析得知,在暴雨條件下,地下水位上升0.4m,對(duì)潛在滑坡前緣起到了浮托減重作用。通過計(jì)算得知,在暴雨條件下,滑坡位移量增大,其中位移速率最大的地方是前緣變形體處,最大位移增量達(dá)到0.67m,相對(duì)天然狀態(tài)下位移量增大了0.2m,同時(shí),在暴雨?duì)顟B(tài)下,前緣變形體剪應(yīng)力不斷增大。
對(duì)比天然條件與強(qiáng)降雨條件滑坡應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算結(jié)果得知:在暴雨條件下,降水使坡體自重增加,同時(shí)形成靜水壓力與動(dòng)水壓力,從而增大了滑體的下滑力;強(qiáng)降雨的滲入,導(dǎo)致巖體C、φ值降低,抗剪強(qiáng)度減小;降水入滲,潛在滑坡體含水量增大,基質(zhì)吸力減小,抗滑力減小,使得前緣位移量相對(duì)于天然狀態(tài)增大。
4.3 古滑坡復(fù)活變形破壞機(jī)制分析
古滑坡地形及滑面整體平緩,前緣地層反翹,基本不具有再整體滑動(dòng)的可能性。鉆探資料顯示,其存在粘性土含量相對(duì)較高的潛在滑動(dòng)帶,易引發(fā)局部或淺層滑移。通過對(duì)古滑坡體變形跡象進(jìn)行調(diào)查,在前緣見拉裂縫,局部地段拉裂縫分布密集,表明潛在滑動(dòng)區(qū)穩(wěn)定性亦不均一,從潛在滑坡的巖土體結(jié)構(gòu)特征及裂縫發(fā)育速率看,滑坡現(xiàn)處于蠕滑變形階段。
結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果和滑坡復(fù)活因素判定古滑坡局部復(fù)活機(jī)制為:古滑坡逐步穩(wěn)定后,伴隨著城鎮(zhèn)建設(shè)規(guī)模擴(kuò)大,在古滑坡體上建設(shè)了越來越多的建筑物,加大了古滑坡體的荷載,在降水入滲以及水庫(kù)蓄水使地下水位變動(dòng)的背景下,古滑坡體內(nèi)部碎石土與水發(fā)生水巖作用,使得古滑坡體物質(zhì)泥化程度增加,易于形成連貫性的滑動(dòng)面;近年來強(qiáng)降雨天氣頻發(fā),降水入滲提高了滑坡體的含水量,孔隙水壓力增大,基質(zhì)吸力減小,降低了有效應(yīng)力,導(dǎo)致古滑坡體內(nèi)部巖土體的抗剪強(qiáng)度下降;降水入滲,受到潛在滑面滲透系數(shù)低的控制,入滲的降水在潛在滑面處聚集,形成靜水壓力并沿著潛在滑面發(fā)生滲流,形成揚(yáng)壓力和動(dòng)水壓力,促進(jìn)了古滑坡局部失穩(wěn)復(fù)活。同時(shí),強(qiáng)降雨天氣能在短時(shí)間內(nèi)提高河水位使水流流速加快,對(duì)滑坡前緣的沖蝕作用增強(qiáng),為古滑坡復(fù)活創(chuàng)造了有效的臨空面,并且降低了古滑坡前緣的抗滑力,進(jìn)而降低了古滑坡前緣的穩(wěn)定性。
通過河流改道、地層巖性特征和巖層反翹及堆積體上建場(chǎng)鎮(zhèn)可以判定該滑坡為一古滑坡?;麦w物質(zhì)主要為紫紅色砂巖,滑帶土以泥夾塊碎石為特征且泥質(zhì)成分具有明顯的膨脹性。古滑坡孕育于砂巖泥巖互層的巖層內(nèi),軟硬巖相間且緩傾坡外的巖層在陡傾的節(jié)理控制下,砂巖層沿其下覆相對(duì)較軟弱的泥巖層產(chǎn)生蠕滑拉裂變形,巖層蠕滑產(chǎn)生的拉裂縫不斷向山體深部和高處發(fā)展,至貫通形成滑移面;受前緣剪出口地形的約束,基巖滑坡的變形模式轉(zhuǎn)化為滑移彎曲型破壞,待前緣剪固段被完全剪穿、基巖滑坡發(fā)生潰決性下滑并產(chǎn)生堆積。
該古滑坡體經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定期,近年來遇強(qiáng)降雨,堆積體前緣地表產(chǎn)生劇烈變形,造成古滑坡復(fù)活。筆者結(jié)合前緣復(fù)活體的變形跡象進(jìn)行分析得知:新復(fù)活體還處于蠕滑-拉裂階段,滑面尚未整體貫通,但預(yù)計(jì)在后期暴雨或庫(kù)區(qū)蓄水影響下新復(fù)活體可能沿潛在滑面推移-滑出。為此,需進(jìn)一步研究其在不同工況下失穩(wěn)的可能性,以及失穩(wěn)后涌浪對(duì)大壩和城鎮(zhèn)的沖擊、滑坡堰塞壩形成預(yù)測(cè)及對(duì)水庫(kù)功能的影響等。
(責(zé)任編輯:李燕輝)
2016-08-08
TV7;[TV221.2];TV
B
1001-2184(2017)01-0091-04
楊紹平(1963-),男,四川劍閣人,系主任,副教授,高級(jí)工程師,碩士,從事水文與工程地質(zhì)、巖土工程教學(xué)與生產(chǎn)科研工作;
王子忠(1964-),男,四川劍閣人,副總工程師,教授級(jí)高級(jí)工程師,博士,從事水利水電工程勘察設(shè)計(jì)工作.