甘肅隴南某滑坡穩(wěn)定性分析及工程治理效果探討

李國營

(甘肅省地礦局第二地質(zhì)勘查院，甘肅 蘭州 730020)

地震和降雨是引發(fā)山體滑坡的主要因素[1-5]。近年來，由于2008年汶川地震的影響，甘肅隴南地區(qū)由于地震及強降雨引發(fā)的山體滑坡災(zāi)害呈逐年遞增趨勢[4]。西部地區(qū)多為黃土廣泛分布地區(qū)，沉積厚度較厚，遇水后黃土強度顯著降低。因此黃土滑坡災(zāi)害作為最典型的地質(zhì)災(zāi)害成為眾多研究人員研究的熱點問題[6-10]。

本文針對甘肅隴南地區(qū)兩當縣顯龍清真寺滑坡為研究對象，在滑坡工程地質(zhì)調(diào)查及勘察成果基礎(chǔ)上，對滑坡穩(wěn)定性進行計算分析，并提出相應(yīng)防治措施。

1 自然地理概況

顯龍清真寺滑坡位于甘肅省兩當縣，隸屬甘肅省隴南市，甘肅省東南部，地處陜甘川交界的秦嶺山區(qū)，屬長江上游嘉陵江水系。北靠天水，西鄰徽縣，東南二面與陜西寶雞、漢中相連。顯龍清真寺滑坡為一新老滑坡復(fù)合體，2008年以前處于較穩(wěn)定狀態(tài)，后因“5.12”汶川地震、“5.10”強降雨及“7.22”岷漳地震影響，坡體開始出現(xiàn)變形，經(jīng)調(diào)查，滑體前緣中部地帶出現(xiàn)鼓肚現(xiàn)象、通往清真寺小路發(fā)生位移、坡體上下自來水管道彎折自爆。工作區(qū)位于兩當縣顯龍鄉(xiāng)境內(nèi)，顯龍鄉(xiāng)距兩當縣城區(qū)約18 km。

項目區(qū)位于梁坡部位，整個滑坡區(qū)地形相對較為平緩，坡面呈不規(guī)則的臺階狀，坡度為12°～27°，后壁和邊界相對較陡?；潞蟊谏喜慷钢?，向下呈“圈椅狀”，形跡十分清晰，坡度為40°～75°。滑體后緣地帶坡面為耕植區(qū)，地形平緩，寬約50～60m，微向西南傾斜，局部發(fā)育小陡坎。滑坡前緣坡度20°～25°，局部較陡?？辈閰^(qū)內(nèi)因人類工程活動形成的邊坡較多，小型崩塌、滑坡較發(fā)育。項目區(qū)出露的巖層主要為三迭系薄層狀灰?guī)r及新近系棕紅色泥巖、砂礫巖互層，土層主要為第四系中更新統(tǒng)離石黃土、上更新統(tǒng)馬蘭黃土、坡積物黃土狀粉土及滑坡堆積物。

兩當縣屬隴南北部暖溫帶濕潤氣候區(qū)，總的氣候特征是冬季寒冷干燥，降雨量少，夏、秋季溫和多雨。區(qū)內(nèi)年平均氣溫11.4℃，多年平均降雨量在632.5 mm。降雨年內(nèi)分布不均，降雨多集中于7、8、9三個月，其降雨量約占全年降雨量的50%以上。區(qū)內(nèi)降雨多以暴雨、連陰雨的方式出現(xiàn)，1 d最大降雨量122.3 mm，1 h最大降雨量79.9 mm，10 min最大降雨量21.0 mm。兩當縣凍土深度45 cm。受地形、植被等因素的影響，各地降雨量分布很不均勻，南北山區(qū)氣候陰濕，年降雨量在800 mm左右，中部丘陵河谷區(qū)氣候濕潤，勘查區(qū)一帶降雨量在700 mm左右，兩當縣多年平均降雨量如圖1所示。

圖1 兩當縣多年平均降雨量分布圖

2 地質(zhì)災(zāi)害特征

顯龍清真寺滑坡屬基巖-堆積層滑坡，滑坡體形態(tài)呈“舌”狀，東(右側(cè))以新建清真寺為界，西(左側(cè))至梁埡村鄉(xiāng)村小路為界，滑坡前緣位于山體坡腳，后緣以分水梁為界。滑坡后緣高程1 169 m，前緣高程1 103 m，相對高差66m。滑坡體縱向軸長152 m，前緣寬70 m，后緣寬60 m，總面積約9 880 m2，主滑方向30°，根據(jù)圈定的滑坡范圍和鉆探揭露滑體厚度計算確定，滑坡體厚4.5～12.2 m，平均厚10.4 m，滑坡總體積約10.03×104m3，規(guī)模為中型滑坡。滑坡后壁呈現(xiàn)清晰的“圈椅狀”地形，后壁與滑體相對高差約10～14 m，坡度40°～75°，坡腳處為崩塌松散堆積體。兩側(cè)壁平均高出滑體3～12 m，滑體與周圍呈明顯的“凹狀”地形。前緣坡腳為人工開挖形成高2～4 m的邊坡，村民緊臨坡腳建房。由于村民在滑體上開墾耕種，坡面現(xiàn)存4處人工臺地(見圖2)。

2.1 滑坡物質(zhì)組成

通過對滑坡布置一條縱向主剖面中所布置的鉆孔、探井及淺層地震揭露和探測以及土體特征可知，組成滑坡深層滑體物質(zhì)為粉質(zhì)粘土及粘土夾碎石，淺層滑體物質(zhì)為粉土。深層滑體由粉質(zhì)粘土及粘土夾碎石構(gòu)成，其中粉質(zhì)粘土分布于滑體中后緣一帶，由滑積后的離石黃土組成，與上層粉土分層明顯。粘土夾碎石分布于滑坡中部及中下部、覆蓋于灰?guī)r之上，顏色紅褐色，土質(zhì)較堅硬。淺層滑體：滑體物質(zhì)由粉土構(gòu)成，分布于滑坡坡面中部及后緣一帶，由崩積后的馬蘭黃土組成，后經(jīng)洪積或人為改造耕地堆積于坡面。構(gòu)成滑體物質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且厚度變化大，不同層位物質(zhì)組成和厚度存在差異，縱向上總體具有上厚下薄的特點，橫向上呈中部厚兩側(cè)薄的凹狀地形。

圖2 滑坡現(xiàn)場及衛(wèi)星照片

2.2 滑坡結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查及勘探孔揭露滑體情況，滑體存在兩處淺層和深層實測滑面。淺層滑面：主要位于粉土與下部粉質(zhì)粘土及粘土夾碎石之間，由于下部粉質(zhì)粘土及粘土粘粒含量大，相對粉土為隔水層，雨水入滲后在接觸面處形成滯留，長期浸潤粉土層底部，易形成軟弱面，導(dǎo)致上部粉土沿此軟弱面發(fā)生滑動。該層與下部粉質(zhì)粘土及紅粘土夾碎石接觸面處存在厚度0.3～0.5 m的飽和含水土層，埋深隨滑體厚度變化而不同，總體上從前緣到后緣，滑帶埋深由淺到深。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，滑體前緣中部地帶出現(xiàn)故鼓脹、清真寺小路發(fā)生明顯位移變形特征，淺層滑體剪出口位于滑體前緣。

深層滑面：滑體上部滑面位于粉質(zhì)粘土與下伏灰?guī)r之間，中部及前緣位于粘土夾碎石與下伏灰?guī)r之間。滑坡縱向中心剖面鉆孔巖芯(鉆孔深度12.2 m)顯示粉質(zhì)粘土與下伏灰?guī)r接觸面，且?guī)r心呈飽和且擾動狀態(tài)。物探資料顯示，滑體前緣基巖面埋深達10.9～12.4 m。若滑坡沿著基巖面持續(xù)滑動，則位于滑坡前緣的居民區(qū)及公共設(shè)施會發(fā)生變形。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，位于滑坡體前緣的村民房屋及道路未發(fā)生變形，且場地已被人為改造為平地，因此可推測滑體前緣未沿著基巖面滑動。根據(jù)沿滑坡體縱向布置地震勘探縱剖面資料顯示，在位于滑體前緣1 105.0～1 115 m之間存在4.9～6.2 m厚碎石集中地層，并因前緣坡腳一帶因人工建房開挖形成高2～4 m臨空面，推測深層滑體剪出口位于前緣削坡建房坡腳處。滑坡順坡方向主剖面工程地質(zhì)剖面如圖3所示。

3 滑坡穩(wěn)定性分析及防治方案設(shè)計

3.1 滑坡穩(wěn)定性分析

淺層滑體由粉土構(gòu)成，滑面較長，屬于折線型，滑床為粉質(zhì)粘土；深層滑坡的滑體由粉質(zhì)粘土及粘土夾碎石構(gòu)成，包含上部粉土，滑床為灰?guī)r，滑面屬折線型。采用折線滑動法計算滑坡安全系數(shù)，并分析滑坡的穩(wěn)定性。安全系數(shù)計算公式為：

(1)

ψj=cos(θi-θi+1)-sin(θi-θi+1)tanφi+1

(2)

Ri=Nitanφi+ciLi

(3)

式中：Fs為穩(wěn)定系數(shù)；θi第i塊段滑動面與水平面的夾角(°)；Ri作用于第i塊段的抗滑力(kN/m)；Ni第i塊段滑動面的法向分力(kN/m)；φi第i塊段土的內(nèi)摩擦角(°)；ci第i塊段土的粘聚力(kPa)；Li第i塊段滑動面長度(m)；Ti作用于第i塊段滑動面上的滑動分力(kN/m)，出現(xiàn)與滑動方向相反的滑動分力時，Ti應(yīng)取負值；ψj第i塊段的剩余下滑動力傳遞至i+1塊段時的傳遞系數(shù)(j=i)。地震情況下，將地震引起的慣性力作為水平向體力加載到各塊段質(zhì)心，模擬地震引起的動荷載，以此計算地震情況下滑坡的安全系數(shù)。主剖面淺層及深層滑體穩(wěn)定性計算條塊劃分如圖4和圖5所示。

圖3 滑坡順坡方向主剖面工程地質(zhì)剖面圖

根據(jù)滑坡形成的實際情況和影響穩(wěn)定性的主要因素，本次穩(wěn)定性計算的工況條件分為3種：即：(1)自重條件；(2)自重+暴雨條件；(3)自重+地震條件。根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖(GB18306-2008)本區(qū)地震動峰值加速度為0.20 g，屬Ⅷ度地震設(shè)防烈度區(qū)[12]。具體滑坡穩(wěn)定性計算選擇主滑方向主剖面對淺層及深層滑體進行計算，并評價滑坡的總體穩(wěn)定性。

圖4 主剖面淺層滑體穩(wěn)定性計算簡圖

圖5 主剖面剖面深層滑體穩(wěn)定性計算簡圖

3.2 滑坡計算參數(shù)反演

由于深層滑帶埋深較大，結(jié)合現(xiàn)場鉆探提取巖芯，發(fā)現(xiàn)深層滑帶土由于基巖裂隙水作用呈飽和狀態(tài)，故本次選取的滑帶土重塑試樣的巖土物理力學(xué)參數(shù)也適用于暴雨狀況。淺層滑帶由粉土、粉質(zhì)粘土構(gòu)成，均具有較強的飽水性。2013年7月，該滑坡淺層滑體由于雨水浸潤，土體達到飽和，發(fā)生蠕滑，致使坡體中上部蓄水池上下水管道受壓彎折自爆、前緣道路局部發(fā)生位移，可見降雨對淺層滑帶巖土物理力學(xué)參數(shù)影響較大，因此采用反演的方法確定淺層滑帶土飽和狀態(tài)下粘聚力c、摩擦角φ值。選取滑坡中心剖面進行計算分析，按暴雨工況穩(wěn)定系數(shù)1.0計算，計算公式如下：

(4)

(5)

反演計算結(jié)果顯示穩(wěn)定系數(shù)取1.0時淺層滑體飽和狀態(tài)下粘聚力c值為4.8 kPa，摩擦角φ值為9.5°。此次滑坡穩(wěn)定性計算相關(guān)參數(shù)的建議值如表1所示。

表1 計算參數(shù)取值表

注：括號內(nèi)數(shù)值為降水條件下采用值。

3.3 滑坡安全系數(shù)計算結(jié)果

將折線滑動法滑坡穩(wěn)定計算公式編制成excel計算表格，添加有關(guān)計算參數(shù)，通過計算機分別進行運算，得出了淺層、深層滑體在自重、自重+暴雨、自重+地震3種不同工況條件下的穩(wěn)定系數(shù)?；掳凑諟\層及深層滑動面計算出的安全系數(shù)如表2所示。

表2 計算結(jié)果及穩(wěn)定狀態(tài)一覽表

依據(jù)《滑坡防治工程勘查規(guī)范》(DZ/T0218-2006)穩(wěn)定性劃分標準：穩(wěn)定系數(shù)Fs≥1.15為穩(wěn)定，1.15>Fs≥1.05基本穩(wěn)定，1.05>Fs≥1.0欠穩(wěn)定，F(xiàn)s<1.0不穩(wěn)定[13]。從計算結(jié)果可以看出，淺層滑體在自重條件下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨、地震條件下處于不穩(wěn)定狀態(tài)；深層滑體在自重條件下處于穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨條件下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，在地震條件下處于欠穩(wěn)定～基本穩(wěn)定狀態(tài)。

4 治理效果分析

根據(jù)滑坡的發(fā)育特征，穩(wěn)定性綜合評價結(jié)果、危害對象以及場地實際條件，在充分考慮治理工程安全性與可行性、經(jīng)濟合理性等因素，對滑坡治理工程提出總體抗滑、坡面截水、坡腳反壓的綜合治理方案。1)抗滑工程。為防止滑坡整體滑動，治理工程選用抗滑樁進行抗滑支擋，抗滑樁布設(shè)于滑坡前緣，樁下錨固段為灰?guī)r。采用普通式及錨拉式抗滑樁，即在抗滑樁樁頭段增設(shè)預(yù)應(yīng)力錨索。通過布設(shè)抗滑樁有效提高滑坡整體的穩(wěn)定性，在治理深層滑坡的同時兼顧淺層滑體，從而起到事半功倍、徹底防治的效果。2)樁后反壓。鑒于新滑體具有上陡下緩、上厚下薄的特點，治理工程利用樁后懸臂段回填反壓措施對其進行防治，以防止滑體有越頂滑動的可能。3)坡面截排水。水是導(dǎo)致滑坡滑動的直接原因之一，選用在滑坡治理中常用的截排水渠工程，是穩(wěn)固滑體的有效治理措施之一，鑒于區(qū)內(nèi)降雨量大、降水集中的特點，治理工程建議在滑體外圍及橫向上布設(shè)截排水渠工程，從而防止滑坡外圍來水進入滑體。4)坡面防護。根據(jù)對滑坡前緣人工邊坡現(xiàn)場調(diào)查及穩(wěn)定性計算結(jié)果分析，雨水入滲是導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的主要因素，因此對該邊坡進行坡面防護治理措施，建議修建護面墻。

5 結(jié)語

通過對甘肅兩當縣顯龍清真寺滑坡的調(diào)查及研究，得出以下幾點結(jié)論：

(1) 研究區(qū)降雨時間集中于7—9月，且降雨量較大，是導(dǎo)致顯龍清真寺滑坡不穩(wěn)定的主要因素。研究區(qū)全年蒸發(fā)量普遍大于降雨量，雨季期間滑坡土體容易處于非飽和狀態(tài)更易造成滑坡失穩(wěn)滑動。

(2)通過滑坡穩(wěn)定性計算分析可知，顯龍清真寺滑坡淺層滑體在自重條件下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨或地震條件下安全系數(shù)普遍小于1，即出現(xiàn)滑動失穩(wěn)；深層滑體在自重條件下處于穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨條件下安全系數(shù)接近1，即處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，而在地震條件下發(fā)生失穩(wěn)滑動。

(3)根據(jù)滑坡的發(fā)育特征，穩(wěn)定性綜合評價結(jié)果、危害對象以及場地實際條件，本文針對顯龍清真寺滑坡提出總體抗滑、坡面截水、坡腳反壓的綜合治理方案。

(4)通過抗滑+樁后反壓+坡面截排水+坡面防護的綜合治理措施，能夠有效減小淺層及深層滑體的下滑力，防止暴雨情況下坡體的變形，有效降低滑坡在暴雨及地震條件下失穩(wěn)滑動的風險。

[1]汪丁建, 唐輝明, 李長冬, 等. 強降雨作用下堆積層滑坡穩(wěn)定性分析[J]. 巖土力學(xué).2016.37(02): 439-445.

[2]喬建平, 楊宗佶, 田宏嶺. 降雨滑坡預(yù)警的概率分析方法[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報.2009.17(03): 343-348.

[3]周創(chuàng)兵, 李典慶. 暴雨誘發(fā)滑坡致災(zāi)機理與減災(zāi)方法研究進展[J]. 地球科學(xué)進展.2009.24(05): 477-487.

[4]殷躍平, 王文沛. 論滑坡地震力[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報.2014.22(04): 586-600.

[5]王家鼎，張倬元． 地震誘發(fā)高速黃土滑坡的機理研究[J]. 巖土工程學(xué)報.1999.21(6): 670-674．

[6]盧應(yīng)發(fā), 黃學(xué)斌, 劉德富. 推移式滑坡漸進破壞機制及穩(wěn)定性分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報.2016.35(02): 333-345.

[7]吳瑋江, 宿星, 劉偉, 等. 黃土-泥巖接觸面滑坡的特征與成因[J]. 冰川凍土.2014.36(05): 1167-1175.

[8]雍睿, 胡新麗, 唐輝明,等. 推移式滑坡演化過程模型試驗與數(shù)值模擬研究[J]. 巖土力學(xué).2013.34(10): 3018-3027.

[9]許強. 滑坡的變形破壞行為與內(nèi)在機理[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報.2012.20(02): 145-151.

[10]張茂省, 李同錄. 黃土滑坡誘發(fā)因素及其形成機理研究[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報.2011.19(04): 530-540.

[11]中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖 (GB18306-2008)[S].2008.

[12]滑坡防治工程勘查規(guī)范 (DZ/T 0218-2006)[S].2006.