常收中學(xué)后山滑坡變形破壞機(jī)制及穩(wěn)定性分析

陳 剛, 俎全磊, 周玉玲

(湖北省地質(zhì)環(huán)境總站,湖北 武漢 430034)

常收中學(xué)后山滑坡變形破壞機(jī)制及穩(wěn)定性分析

陳 剛, 俎全磊, 周玉玲

(湖北省地質(zhì)環(huán)境總站,湖北 武漢 430034)

通過野外地質(zhì)測量、鉆探、樣品采集和室內(nèi)工程地質(zhì)特性參數(shù)測試等工作,基本查清了常收中學(xué)后山滑坡形成的地質(zhì)環(huán)境條件和特征。在綜合分析滑坡體的基本特征和近期變形特征、坡體結(jié)構(gòu)特征以及影響因素的基礎(chǔ)上,確定該滑坡為一小型土質(zhì)滑坡,變形破壞機(jī)制為滑動—拉裂。在此基礎(chǔ)上采用工程地質(zhì)分析法和反演法等確定了穩(wěn)定性計算參數(shù),用極限平衡法進(jìn)行滑坡穩(wěn)定性計算、評價和分析,并提出了防治工程措施建議,對該滑坡的防治具有指導(dǎo)作用。

滑坡;變形破壞機(jī)制;穩(wěn)定性;極限平衡法

常收中學(xué)后山滑坡位于咸寧市咸安區(qū)大幕鄉(xiāng)大幕村4組常收中學(xué)后山南西側(cè),該滑坡變形始于2007年6月13日,曾數(shù)次發(fā)生變形破壞,滑坡一旦失穩(wěn),直接威脅對象為當(dāng)?shù)?5戶145位居民、過往行人、學(xué)校住宿學(xué)生等的生命財產(chǎn)安全,以及7棟三層磚混結(jié)構(gòu)住宅樓、道路和車輛安全。因此,在全面分析了解滑坡體基本特征的基礎(chǔ)上,研究滑坡變形破壞機(jī)制及其穩(wěn)定性,對保障人民生命財產(chǎn)安全具有重要意義。

1 滑坡基本特征

1.1 滑坡區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件

1.2 形態(tài)特征

該滑坡分布于高程96.7～129.5 m之間,相對高差為32.8 m,主滑方向為267°。滑體平均寬度為46 m,縱長為77 m,滑坡面積為0.354×104m2,滑體厚度為5.9～6.95 m,平均厚度為6.43 m,體積為2.28×104m3,屬于小型土質(zhì)滑坡。滑坡形體特征明顯,邊界較為清晰,滑坡平面上呈簸箕狀(見圖1),整體內(nèi)凹,剖面形態(tài)總體呈陡緩相間折線狀(見圖2)。其中滑坡上部(后緣)壁較陡,坡度35°～40°,滑坡壁走向與滑坡主滑方向垂直;滑體中部坡體較緩,坡度在10°～20°之間;滑坡下部(前緣)為高3～6 m人工切坡形成的陡坎,坡度多在50°～60°(照片1),局部地段近直立。橫向上地形略有起伏,滑坡主滑方向受斜坡坡向控制。

滑坡左側(cè)邊界以一條拉裂縫為界,拉裂縫形成始于2011年,其走向為215°～260°,裂縫寬度0.1～0.2 m,長度為60 m;右側(cè)邊界受一條走向274°～314°跌坎控制(照片2),跌坎長度約6 m,坎高0.3～0.5 m;滑坡后緣受走向為167°～192°弧形拉張裂縫控制(照片3),長約16 m,其東側(cè)為后緣壁,高約5 m,其坡度為35°～40°左右,其北側(cè)可見基巖裸露。

圖1 滑坡地質(zhì)平面圖Fig.1 Geological plan of landslide1.滑坡周界;2.滑坡前緣剪出口;3.滑坡變形分區(qū)界線;4.受滑坡威脅范圍;5.地裂縫;6.鉆孔及編號;7.第四系滑坡堆積層;8.第四系殘坡積層;9.寒武系中統(tǒng)高臺組;10.巖層產(chǎn)狀。

圖2 滑坡地質(zhì)剖面圖Fig.2 Geological profile of landslide1.第四系滑坡堆積層;2.第四系殘坡積層;3.寒武系中統(tǒng)高臺組;4.粘土夾碎石;5.白云質(zhì)灰?guī)r ;6.鉆孔及編號、孔位高程/終孔深度;7.地裂縫及編號;8.巖層產(chǎn)狀;9.地下水水位線;10.建筑物。

1.3 滑坡結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查和鉆孔揭露的滑體垂向物質(zhì)結(jié)構(gòu),常收中學(xué)后山滑坡物質(zhì)組成在空間分布較單一?；w主要由第四系棕褐色粘土夾角礫、碎石組成,角礫、碎石主要成分多為白云質(zhì)灰?guī)r,且地表上零星分布,呈灰白色,雜亂無章排列,大小不一,顆粒級配較差,粒徑1～5 cm,碎石呈棱角—次棱角狀,土石比8∶2～7∶3,土體結(jié)構(gòu)呈松散—稍密,軟塑—可塑狀,稍濕—飽和。該滑體根據(jù)透水性可分為兩層:上部約2.4 m厚土體結(jié)構(gòu)松散,透水性強(qiáng);下部土體結(jié)構(gòu)稍密,可塑,透水性相對較差。

滑體縱向總體呈下部厚、上部薄,前緣緩坡平臺部位厚度最大。根據(jù)鉆孔揭露,上部滑體厚度為5.90 m,下部滑體厚度為6.95 m,平均厚度為6.43 m。橫向上滑體呈中部稍厚、兩側(cè)相對較薄的特點。

根據(jù)調(diào)查和鉆探揭露,該滑坡為堆積層滑坡,滑面為松散堆積物底部與下伏基巖的接觸面,滑面總體傾角15°～20°?；瑤樽睾稚惩翃A角礫,厚度20 cm,飽水,軟—可塑狀,角礫粒徑大多2～5 cm,次圓狀。

滑床由寒武系中統(tǒng)高臺組白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r組成。巖體表部中—弱風(fēng)化,局部見有溶蝕跡象,巖層產(chǎn)狀350°∠56°,表層巖石裂隙較發(fā)育。

1.4 滑坡變形特征

該滑坡變形始于2007年6月13日,主要表現(xiàn)為前緣拉張裂縫。2010年7月14日18:10,因7月12日開始連續(xù)強(qiáng)降雨造成該滑坡前緣突然發(fā)生變形,形成二級滑移跌坎,跌坎高1～3 m(照片4),長10～20 m,近SN向弧形展布,前緣變形體寬30 m,長20 m,厚4 m,體積約2 400 m3,其失穩(wěn)方向與坡向一致。該坍滑體造成前緣右側(cè)近10 m長的漿砌石擋土墻變形,近20 m長的圍墻倒塌,同時右側(cè)近8 m長的鋼筋混凝土擋土墻拉裂,1間房屋毀壞。

照片1 常收中學(xué)后山滑坡前緣Photo 1 The front edge of the landslide behind Changshou Middle School

照片2 滑坡右側(cè)邊界Photo 2 The right boundary of the landslide

照片3 滑坡后緣邊界Photo 3 The trailing edge boundary of the landslide

2011年降雨之后滑坡前緣再次發(fā)生坍滑,其規(guī)模約300 m3,造成前緣1間房屋毀壞,且地表產(chǎn)生新剪切裂縫。2013年5月,該區(qū)降雨量明顯增多,最大日降雨量75 mm,造成滑體飽水,從而使滑坡變形活動進(jìn)一步加劇,滑坡變形范圍明顯擴(kuò)大,目前滑坡變形主要表現(xiàn)其前緣原有地表裂縫寬度有所擴(kuò)大,坡體下座,裂縫走向為180°～314°,裂縫寬度為1～20 cm,長度不等,一般為4～8 m,最長則達(dá)72 m,下座0.1～0.7 m。同時不斷產(chǎn)生新的地裂縫,區(qū)內(nèi)可見11條地裂縫,主要表現(xiàn)為滑坡右側(cè)緣拉張裂縫形成,前緣約30 m擋土墻毀壞變形(照片5)。

綜合分析該滑坡體大致可劃分為2個變形區(qū)[1]:

照片4 2010年滑坡前緣滑移跌坎Photo 4 The slippage drop in front edge of landslide in 2010

照片5 2013年滑坡前緣擋土墻毀壞變形Photo 5 The retaining wall deformation of the front edge of landslide in 2013

(1) 強(qiáng)烈坍滑拉裂變形區(qū):該區(qū)面積0.06×104m2,占整個滑坡面積的16%。主要分布在滑坡前緣右側(cè)及中下部地段,分布高程為100～112 m,其前緣人工切坡臨空條件好,土體在飽水狀態(tài)下,自重過大,沿滑移面發(fā)生小規(guī)模坍滑、地表拉裂縫、剪切裂縫及下座現(xiàn)象,且前緣房屋及擋土墻逐年被毀壞。其拉裂縫長度4～39 m,寬度為1～50 cm,下座10～80 cm,裂縫展布方向與主滑方向垂直,其間距為0.5～3 m,密集分布;剪切裂縫長度約6 m,寬度為1～4 cm,下座30～50 cm,走向與右側(cè)邊界展布方向一致。

(2) 緩慢位移變形區(qū):該區(qū)面積0.34×104m2,占整個滑坡面積的84%。主要分布在滑坡中上部、兩側(cè)緣及SW側(cè),SW側(cè)分布高程為96.7～112 m,目前該段因前期變形破壞之后處于基本穩(wěn)定狀態(tài),中上部、兩側(cè)緣分布高程為112～129.5 m,滑體地形及滑面坡度相對平緩,一般在10°～20°左右?；w厚度相對較薄。且地形及滑面坡度相對平緩,在巖土體的自重作用下,滑體變形不明顯,滑體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。但該區(qū)2011年曾經(jīng)發(fā)生過變形,主要表現(xiàn)為SE側(cè)地表剪切裂縫,裂縫寬度為1～20 cm,長度為16～60 m,平面形態(tài)呈弧形展布,分布高程為96.7～129.5 m,該區(qū)內(nèi)變形主要受前緣變形區(qū)的牽引。

2 滑坡變形破壞影響因素與機(jī)制分析

2.1 影響因素

(1) 地形地貌?；缕露纫话銥?0°～60°,滑坡區(qū)總體為多級折線陡緩相間地形,前緣建房、修路形成高陡臨空面,且多次發(fā)生坍滑變形,形成多級陡坎,改變了原始滑坡地貌形態(tài)。滑坡區(qū)整體地形內(nèi)凹,匯水條件較好。

(2) 滑坡物質(zhì)結(jié)構(gòu)?；麦w物質(zhì)組成主要為粘土夾角礫、碎石,結(jié)構(gòu)松散,透水性強(qiáng),孔隙度大。

(3) 大氣降雨。降雨入滲從而引起巖(土)一系列的物理力學(xué)及化學(xué)性質(zhì)的變化,巖(土)浸水后,強(qiáng)度很快降低,特別是隨著含水量的增大,上部土層從可塑轉(zhuǎn)化為流塑狀態(tài),以泥流的形式垮滑。隨著枯、雨季變化,導(dǎo)致淺部地下水位降低和飽和,其變化過程中伴隨形成許多裂縫,裂縫又為大氣降水的滲入創(chuàng)造了良好的通道,長期的惡性循環(huán),導(dǎo)致滑坡更加容易產(chǎn)生變形。當(dāng)?shù)叵滤疂B入到軟弱結(jié)構(gòu)面,由于下伏基巖相對阻水,使地下水聚集,并泥化、軟化滑帶,使其力學(xué)強(qiáng)度明顯降低,易沿巖土結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生滑坡。通過調(diào)查表明,大氣降雨是該滑坡的主要誘發(fā)因素之一。

(4) 人類工程活動。人類工程活動對滑坡穩(wěn)定性的影響主要表現(xiàn)為坡體表層農(nóng)業(yè)及果木耕植、筑路建房開挖坡腳;頻繁農(nóng)耕破壞了坡體的天然穩(wěn)定狀態(tài),導(dǎo)致樹木減少,坡體裸露,降低了抗沖蝕能力和局部穩(wěn)定性,增加了大氣降雨的入滲速度和入滲量。同時筑路建房開挖坡腳,形成高度3～6 m的陡坎,坡度為50°～60°,為滑坡提供了良好的臨空面,破壞了原始斜坡形態(tài),使其原本平衡的應(yīng)力狀態(tài)被改變,造成應(yīng)力重分布,對斜坡的整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性均產(chǎn)生了不利影響。因此人類工程活動是該滑坡形成的誘發(fā)因素之一。

2.2 機(jī)制分析

滑坡在平面上似一個“簸箕狀”,縱向上呈多級折線型地形,滑體物質(zhì)組成為粘土夾角礫、碎石。滑坡前緣因人工開挖坡腳具有良好的臨空條件,其滑坡表層人類農(nóng)業(yè)活動頻繁,有利于大氣降水沿坡面下滲,且滑坡右側(cè)前緣土體常年飽水,呈可—軟塑狀,該邊坡結(jié)構(gòu)類型、滑體物質(zhì)組成為土體滑移拉裂變形提供了有利條件。該滑坡是土體蠕動—滑移—拉裂變形的結(jié)果,其變形破壞機(jī)制可表現(xiàn)以下三個階段[2-4]:

(1) 前緣蠕動階段。由于前緣有較好的臨空條件,并且坡體表層人類農(nóng)業(yè)活動頻繁,土體結(jié)構(gòu)松散,有利于大氣降水入滲,造成斜坡土體抗剪強(qiáng)度降低,在自重作用下向臨空方向產(chǎn)生剪切蠕動。后部土體由于下部失去了支撐,在重力作用下則沿著已形成的坍滑面繼續(xù)向下蠕動變形;滑體前緣常以淺層地面坍滑及地面開裂變形為主,歷史上前緣曾發(fā)生多次局部地段蠕滑。

(2) 滑移階段。當(dāng)上覆土體向臨空面發(fā)生蠕動,隨著變形進(jìn)一步發(fā)展,拉裂面向深部擴(kuò)展,會造成巖土接觸面剪應(yīng)力集中,導(dǎo)致上覆土體沿巖土接觸面產(chǎn)生滑移。

(3) 拉裂階段。因斜坡前緣臨空,引起應(yīng)力重新分布調(diào)整,在陡緩交界處附近造成應(yīng)力集中,該地段附近最大主應(yīng)力顯著增高,最小應(yīng)力顯著降低,形成最大剪切增高帶,在上覆土體下滑的過程中,在此處產(chǎn)生拉應(yīng)力而造成坡體拉裂,拉裂縫向下逐漸擴(kuò)展與較緩滑移面構(gòu)成一貫通性滑移面,從而形成滑坡。

3 滑坡穩(wěn)定性分析及防治措施建議

3.1 穩(wěn)定性分析

本次穩(wěn)定性計算模型是以常收中學(xué)后山滑坡的1—1′、2—2′等2條縱剖面為實體,根據(jù)勘查所獲取的地形、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、土體物理力學(xué)性質(zhì)等信息,以各剖面單寬實體為研究對象,將滑坡各剖面概化為一個二維空間平面問題而建立分析計算模型(圖3-圖4)。

由于該滑坡目前整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài),但多年來人類工程活動逐年加劇,修路及房屋修建使地質(zhì)環(huán)境條件發(fā)生了改變,暴雨等使坡體變形;由于高程97.5 m以下為開闊平坦地帶,本次重點對97.5 m以上滑體的穩(wěn)定性進(jìn)行分析,在建模時主要考慮滑坡從97.5 m以上剪出的可能,建模中具體考慮沿剖面線滑動面的滑移。

圖3 常收中學(xué)后山滑坡1—1′計算剖面圖Fig.3 1—1′ calculation profile of the landslide behind Changshou Middle School

圖4 常收中學(xué)后山滑坡2—2′計算剖面圖Fig.4 2—2′ calculation profile of the landslide behind Changshou Middle School

根據(jù)常收中學(xué)后山滑坡目前的穩(wěn)定狀態(tài),結(jié)合滑坡所處的地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造部位,擬訂各種計算工況組合條件如下:

工況1 自重+地下水;

工況2 自重+地下水+20年一遇暴雨。

按照《滑坡防治工程勘查規(guī)范》(DZ/T 0218—2006)中的極限平衡理論[5]對該滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性計算。計算參數(shù)根據(jù)工程類比法、參數(shù)反演法以及室內(nèi)土工試驗等方式綜合確定(見表1)。

表1 滑坡體計算參數(shù)綜合取值表Table 1 The calculation parameters of landslide

滑坡穩(wěn)定性計算結(jié)果見表2。

表2 滑坡穩(wěn)定性計算結(jié)果一覽表Table 2 Stability calculation results of landslide

由表2可知,對滑坡1—1′、2—2′剖面在工況1條件下穩(wěn)定系數(shù)均>1.05,整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài),但1—1′、2—2′剖面前緣地表可見開裂下座變形跡象,其滑體處于基本穩(wěn)定與欠穩(wěn)定臨界狀態(tài);但在工況2條件下穩(wěn)定系數(shù)Fs為1.029～1.033,1≤Fs<1.05,整體處于欠穩(wěn)定狀態(tài),計算結(jié)果與實際情況相符。

3.2 防治措施建議

滑坡目前整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài),僅存在局部變形跡象。本著防治工程應(yīng)與環(huán)境保護(hù)、土地利用相結(jié)合,工程設(shè)計必須安全可靠、技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理、施工簡便、遵循各類工程配合使用、綜合治理的原則,根據(jù)各類變形體的性狀特征及危害程度(潛在危害)以維護(hù)坡體整體穩(wěn)定性,避免產(chǎn)生重大地質(zhì)災(zāi)害為原則。常收中學(xué)后山滑坡治理工程重點針對滑體變形區(qū)、滑體前緣居民密集區(qū),主要工程措施:一是對滑坡內(nèi)地裂縫進(jìn)行粘土填埋夯實,避免降雨沿裂縫入滲,提高局部邊坡穩(wěn)定性,保護(hù)居民房屋及人身安全;二是進(jìn)行削方減載,且在滑體近前緣布設(shè)抗滑樁進(jìn)行支擋,有效緩解坡體變形的速度,保護(hù)坡腳居民及道路安全;三是對滑坡周界布設(shè)截水溝,減少降雨下滲。

下一步工作應(yīng)結(jié)合防治工程效果監(jiān)測,在滑坡區(qū)內(nèi)設(shè)立完善適宜的變形監(jiān)測系統(tǒng),組建相應(yīng)的變形監(jiān)測機(jī)構(gòu),與當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)災(zāi)害群測群防工作相結(jié)合,全面開展變形監(jiān)測與防治工程效果監(jiān)測,以掌握變形動態(tài),及時了解地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生發(fā)展規(guī)律,檢驗防治工程效果,為不斷完善地質(zhì)災(zāi)害防治方案提供依據(jù)。

4 結(jié)論

通過對常收中學(xué)后山滑坡的勘查及各種室內(nèi)資料綜合分析研究及穩(wěn)定性計算,可以得出以下結(jié)論:

(1) 常收中學(xué)后山滑坡為小型土質(zhì)滑坡,根據(jù)滑坡空間特性及近期變形特征分析,大氣降水、滑坡區(qū)環(huán)境地質(zhì)條件及自身特點有關(guān)的地形地貌、滑坡物質(zhì)結(jié)構(gòu)和組成條件、地質(zhì)構(gòu)造以及坡體植被覆蓋程度為影響滑坡穩(wěn)定性的自然因素,人類工程活動為其人為因素,其中大氣降水及人類工程活動是滑坡穩(wěn)定性的主要誘發(fā)因素。

(2) 該滑坡在天然狀態(tài)下處于基本穩(wěn)定狀態(tài),暴雨狀態(tài)下處于欠穩(wěn)定狀態(tài),計算結(jié)果與實際情況相符。

(3) 常收中學(xué)的變形破壞模式為滑動—拉裂型,其變形破壞機(jī)制表現(xiàn)為以下三個階段:①前緣蠕動階段;②滑移階段;③拉裂階段。在該變形破壞機(jī)制基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析,提出了該滑坡合理防治措施建議,具有一定的指導(dǎo)意義。

[1] 陳剛,劉家闊.咸寧市咸安區(qū)大幕鄉(xiāng)常收中學(xué)后山滑坡勘查報告[R].武漢:湖北省地質(zhì)環(huán)境總站,2013.

[2] 張倬元,王士天,王蘭生.工程地質(zhì)分析原理[M].北京:地質(zhì)出版社,1994.

[3] 焦振華,杜飛.甘肅舟曲泄流坡滑坡變形破壞機(jī)制研究[J].資源環(huán)境與工程,2015,29(5):593-597.

[4] 郭素芳,趙其華,何文秀,等.加林村滑坡的變形破壞機(jī)制[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù),2007,18(4):12-14.

[5] 中華人民共和國國土資源部.滑坡防治工程勘查規(guī)范:DZ/T 0218—2006[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2006.

(責(zé)任編輯：陳姣霞)

Deformation Failure Mechanism and Stability Analysisof the Landslide Behind Changshou Middle School

CHEN Gang, ZU Quanlei, ZHOU Yuling
(HubeiProvinceGeologicalEnvironmentTerminus,Wuhan,Hubei430034)

Through field geological survey,drilling,sample collection and indoor engineering geological characteristic parameter test,the geological environment conditions and characteristics of the formation of the landslide behind the Changshou Middle School were found out.Based on comprehensive analysis of the landslide deformation characteristics,the recent structural characteristics of slope and the influence factors,this landslide can be determined as a small-sized soil landslide,and the failure mechanism of the landslide is slip-tension crack.The stability parameters were determined by engineering geological analysis and inversion method,the limit equilibrium method was used for calculating,evaluating and analyzing the stability of the landslide,some engineering prevention suggestions were put forward,which provide a guiding rule for the prevention and treatment of landslide.

landslide; deformation failure mechanism; stability; the limit equilibrium method

2016-08-29;改回日期:2016-11-09

陳剛(1982-),男,工程師,土木工程專業(yè),從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)工作。E-mail:rapherchg@163.com

P642.22

A

1671-1211(2017)02-0178-06

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.02.012

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170314.0825.028.html 數(shù)字出版日期:2017-03-14 08:25