哈南村滑坡形成機(jī)理及其穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

趙文輝 王軍偉 閆曉龍 許業(yè)德

(陜西鐵道工程勘察有限公司 ，陜西西安 710043)

1 概述

中國(guó)是世界上黃土分布最廣的國(guó)家，總面積約63×104km2，占中國(guó)陸地面積的6.6%。黃土滑坡是黃土地區(qū)最為嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重制約居民的日常生產(chǎn)、生活，以及區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[1]。另一方面，我國(guó)西部黃土地區(qū)是地震頻發(fā)的幾大區(qū)域之一，而且大部分處于高烈度的地震區(qū)[2]。該區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造也非常特殊，大部分處于地質(zhì)構(gòu)造帶內(nèi)，易由地震引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害[3]。以甘肅隴南為例，根據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，該區(qū)共有4 576處不同類型的滑坡[4]。因此，開(kāi)展黃土滑坡的機(jī)制研究，并在此基礎(chǔ)上對(duì)黃土滑坡地質(zhì)災(zāi)害的防治提供理論依據(jù)，具有重要的理論及實(shí)際意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)黃土滑坡開(kāi)展了大量研究，吳瑋江等[5]認(rèn)為，表層黃土與底部地層存在著不同的結(jié)構(gòu)特性和物理力學(xué)性質(zhì)，是造成我國(guó)西部黃土地區(qū)滑坡災(zāi)害頻發(fā)的主要原因。吳瑋江等[6-7]認(rèn)為，黃土-泥巖順層滑坡一般有低滑速、短滑距等特點(diǎn)，其滑體的滑動(dòng)勢(shì)能未完全釋放，在外力因素的左右下，易再次復(fù)活滑動(dòng)。陳永明等[8-9]認(rèn)為，黃土有較高的地震易損性，在地震烈度達(dá)到Ⅵ度時(shí)就可發(fā)生崩塌和滑坡。

以下以甘肅文縣哈南村滑坡為研究對(duì)象，通過(guò)調(diào)繪、勘探、室內(nèi)試驗(yàn)、穩(wěn)定性計(jì)算、應(yīng)力-應(yīng)變計(jì)算等技術(shù)手段，系統(tǒng)地分析該滑坡的形成條件、影響因素和穩(wěn)定性情況，為該地區(qū)黃土滑坡地質(zhì)災(zāi)害的治理提供理論依據(jù)。

2 哈南村滑坡的特征

2.1 滑坡概況

哈南村滑坡位于甘肅文縣石雞壩鄉(xiāng)哈南村，地處秦巴山區(qū)。哈南村滑坡整體形態(tài)呈舌形，坡體水平長(zhǎng)約2 100 m，寬約350 m，高程為1 097～1 771 m，垂直高差為674 m，滑坡體平均厚度約52 m，滑坡面積為4.2×104m2，體積約為1.89×107m3，屬于特大型滑坡?；缕骄露葹?8°，地形變化較大，中部較為平緩，為臺(tái)階狀，上部、下部較陡，坡腳處近于直立(見(jiàn)圖 1)。

圖1 哈南村滑坡全貌

2.2 地層分布特征

① 滑坡體：全新世黃土，土質(zhì)均勻，稍濕，結(jié)構(gòu)疏松，強(qiáng)度差。

② 滑帶：全-強(qiáng)風(fēng)化泥巖、板巖，層理清晰，含水量較大，接觸面光滑，遇水易軟化，強(qiáng)度差。

③ 滑床：二疊系強(qiáng)風(fēng)化板巖，強(qiáng)度偏低，強(qiáng)風(fēng)化板巖下層為二疊系鈣質(zhì)板巖，強(qiáng)度較高。

2.3 滑坡體特征

① 前緣：位于白水江河漫灘之上，陡坎處有滑帶出露(見(jiàn)圖2)。

圖2 哈南村滑坡滑帶出露

②兩翼：坡體兩翼現(xiàn)存在規(guī)模較大的深V形沖溝(見(jiàn)圖3)，貫通至滑坡后壁，并時(shí)常有坍塌及錯(cuò)落發(fā)生。其右翼有規(guī)模較大的取土場(chǎng)，常年有重型機(jī)械作業(yè)。

圖3 哈南村滑坡側(cè)翼

③ 滑坡后壁：地勢(shì)陡峭，黃土與基巖形成清晰的圈狀交界痕跡，有泉水出露(見(jiàn)圖4)。后緣基巖坡度約52°，局部風(fēng)化程度較大，其表層已成碎屑狀、片狀。

④ 坡體表面：坡面被雨水沖蝕，小沖溝、落水洞、暗洞非常發(fā)育。沖溝最寬處約80 cm，切割深120 cm(見(jiàn)圖5)，落水洞最大直徑為2.5 m，深約3 m。

圖6 Geo-slope地質(zhì)模型

圖4 哈南村滑坡后緣

圖5 哈南村滑坡體表面

3 坡體穩(wěn)定性分析

3.1 各工況下的坡體穩(wěn)定性

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察及巖土的物理力學(xué)參數(shù)(見(jiàn)表1)，初步定性判斷可能的破壞模式，建立地質(zhì)研究模型(見(jiàn)圖6)。利用Geo-studio軟件對(duì)滑坡在天然狀態(tài)、降雨飽和、地震(Ⅶ度和Ⅷ度)、降雨和地震耦合作用工況下的穩(wěn)定性分別進(jìn)行計(jì)算，得出其穩(wěn)定系數(shù)(見(jiàn)表2)。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)

表2 各工況下穩(wěn)定性系數(shù)

如表2所示，在天然、地震、降雨飽和各工況單獨(dú)作用下，坡體的穩(wěn)定性系數(shù)均大于1(處于穩(wěn)定狀態(tài))。降雨入滲降低了滑帶的黏聚力和內(nèi)摩擦角，增大了坡體自重等，若無(wú)外力的作用，無(wú)法致使滑坡復(fù)活和誘發(fā)新的滑坡。但在降雨和地震耦合作用的條件下，坡體會(huì)處于失穩(wěn)狀態(tài)。降雨入滲降低了土體的力學(xué)參數(shù)，軟化了滑帶，增加了滑坡體的自重。在地震發(fā)生時(shí)，巨大的外力作用打破原有坡體的平衡，致使老滑坡的復(fù)活或者引發(fā)新的次生滑坡。

3.2 地震工況下位移分析

甘肅隴南、天水地區(qū)地震是誘發(fā)大型滑坡的主要因素之一[10]。因此，對(duì)地震工況下坡體的穩(wěn)定性進(jìn)行了模擬計(jì)算。巖土常規(guī)試驗(yàn)參數(shù)采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，動(dòng)荷載則采用汶川地震時(shí)文縣地區(qū)的地震波數(shù)據(jù)，取其中10 s的隨機(jī)波(見(jiàn)圖7)，在坡體最為不穩(wěn)定的地方設(shè)置5個(gè)分析點(diǎn)，研究在10 s內(nèi)的地震作用下，5個(gè)點(diǎn)的相對(duì)位移隨時(shí)間的變化(如圖8所示)。

圖7 文縣地震波

表3 滑坡體各點(diǎn)位移 cm

由圖8可知，在地震作用下，坡體不同部位波形差異較大(見(jiàn)表3)，可知地震發(fā)生后，坡體的最大正向相對(duì)位移均在3～4 cm之間，且均出現(xiàn)在第1 s左右，即坡體整體向后發(fā)生微小移動(dòng)；隨著地震的持續(xù)，坡體開(kāi)始向前(-X方向)移動(dòng)；在2.2 s，前緣出現(xiàn)水平位移峰值(7.8 cm)，之后，最大負(fù)向位移由前緣依次傳遞至后緣；在8.3 s時(shí)，坡體的后緣部分出現(xiàn)約13.4 cm的負(fù)向位移。分析可得，在地震力的作用下，坡體后緣相對(duì)較為“活躍”，率先產(chǎn)生裂紋，隨著地震力的持續(xù)，滑裂面貫通，喪失抗滑力，對(duì)坡體前部造成擠壓，有力地證明了老滑坡為推移式滑坡，坡體的位移介于7～14 cm之間，幅度小，不會(huì)再次發(fā)生滑坡，這也與目前的現(xiàn)狀吻合。

圖8 滑坡體各點(diǎn)位移

3.3 滑坡體的應(yīng)力-應(yīng)變

為了研究滑坡體目前的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)，采用Sigma模塊，對(duì)坡體在地震條件下坡體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系加以分析。通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和計(jì)算分析，得到滑坡體各部分的參數(shù)(見(jiàn)表4)，地震工況下的總應(yīng)力、最大剪應(yīng)力、X位移(見(jiàn)圖9和圖10)。

圖9 坡體總應(yīng)力

圖10 坡體剪應(yīng)力

序號(hào)名稱彈性模量/MPa泊松比天然重度/(kN/m3)黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)1基巖50000.4224.21200482滑床10700.2223.4320383滑帶層1200.2819.213.624.24卵礫石層1000.3219.51834.35滑坡體900.3516.213.333.56黃土900.3416.216.525.3

4 滑坡形成機(jī)理分析及治理建議

4.1 形成機(jī)理分析

結(jié)合滑坡的地形地貌條件、地質(zhì)條件、自然因素、人為因素等，以及穩(wěn)定性分析及應(yīng)力-應(yīng)變分析，得出哈南村滑坡具體的形成機(jī)理。

(1)有利滑動(dòng)的地層巖性和坡體結(jié)構(gòu)

滑帶以全風(fēng)化板巖和黃土膠結(jié)所形成的薄層泥巖為主，均屬軟弱易滑地層，其風(fēng)化程度高，具軟化性和膨脹性，同時(shí)又是良好的隔水層，遇水強(qiáng)度迅速降低。此外，坡體為傾向坡外的黃土-基巖緩傾結(jié)構(gòu)，垂直節(jié)理裂隙、沖溝及落水洞發(fā)育，雨水極易滲入坡體。這些是滑坡產(chǎn)生的內(nèi)在因素。

(2)復(fù)雜的構(gòu)造環(huán)境

地應(yīng)力資料表明，區(qū)域內(nèi)主應(yīng)力方向呈北東-南西向，與秦嶺構(gòu)造帶相垂直， 區(qū)內(nèi)活動(dòng)斷裂發(fā)育(各構(gòu)造形跡的復(fù)合部位有溫泉出露，說(shuō)明該地區(qū)現(xiàn)今仍有強(qiáng)烈的構(gòu)造活動(dòng))，屬于較不穩(wěn)定工程地質(zhì)區(qū)。此外，滑坡為第四系黃土沉積于二疊系板巖之上，與板巖接觸的接觸面為軟弱面[12]，在地震誘發(fā)作用下，滑坡穩(wěn)定性會(huì)迅速降低。

(3)降雨

研究區(qū)內(nèi)降雨強(qiáng)度大且時(shí)間相對(duì)集中，雨水入滲不僅增大了土體自重，還使泥巖迅速軟化，滑帶強(qiáng)度降低。此外，在暴雨作用下，坡面形成多條沖溝及落水洞，且規(guī)模不斷增大，加速了雨水的下滲，沖蝕下切坡體的兩翼，減小了側(cè)翼抗滑力。

(4)江水、溝谷水流的侵蝕沖刷

白水江常年侵蝕滑坡前緣，使得前緣出現(xiàn)近于垂直的陡坎至基巖面，基本喪失抗滑力。此外，泥流下蝕、側(cè)蝕和前蝕側(cè)翼，降低了抗滑基準(zhǔn)面[13]，為滑坡形成創(chuàng)造了有利的條件。

(5)人類活動(dòng)

取土使得坡體中下部近于直立，導(dǎo)致坡體前緣的抗力減小。另一方面，附近居民在坡體上種田、灌溉，加劇了裂縫變形和水體下滲，造成大面積水土流失，為滑坡形成創(chuàng)造了有利的條件。

(6)地震

研究區(qū)地震烈度為Ⅶ～Ⅷ度[14]。根據(jù)穩(wěn)定性分析結(jié)果可得知，在地震的作用下，坡體的穩(wěn)定性驟然下降，隨著地震烈度的增加，坡體的穩(wěn)定性也會(huì)越來(lái)越差。在降雨和地震的共同作用條件下，坡體的穩(wěn)定性系數(shù)小于1，處于失穩(wěn)狀態(tài)。

綜上所述，哈南村滑坡是在特定的地質(zhì)構(gòu)造背景和地層巖性等內(nèi)在條件基礎(chǔ)上，在降雨、江水沖刷、人類活動(dòng)等多種外部因素共同作用下，由地震誘發(fā)的巨型黃土-基巖推移式滑坡。

4.2 治理建議

(1)當(dāng)?shù)氐慕涤瓿Ｒ员┯旰瓦B陰雨的形式出現(xiàn)，可采取坡面整治、夯填裂縫、平整坡面、坡面綠化，設(shè)置環(huán)形截水溝、樹(shù)枝狀排水系統(tǒng)[15]、落水洞填埋夯實(shí)等排水工程。

(2)目前，滑坡體及其周界是祁連山取土場(chǎng)的取土基地。因此，可制定取土規(guī)則，合理安排取土，對(duì)坡體后緣部分進(jìn)行削方，以減少下滑力；同時(shí)對(duì)滑坡體前緣進(jìn)行回填，以增大抗滑力。

(3)要求附近的村民停止對(duì)前緣的開(kāi)挖，對(duì)坡體兩翼的沖溝進(jìn)行綜合治理，設(shè)置排導(dǎo)槽以及攔擋壩，以減少泥石流對(duì)坡體的下切、沖刷。

5 結(jié)論

(1)哈南村滑坡是在有利滑動(dòng)的地層巖性和坡體結(jié)構(gòu)、復(fù)雜的構(gòu)造環(huán)境、降雨、江水泥石流沖刷侵蝕、人類活動(dòng)等各種因素綜合作用下，由地震誘發(fā)的特大型黃土—基巖推移式滑坡。

(2)由穩(wěn)定性計(jì)算可知，在天然狀態(tài)下，坡體穩(wěn)定性最好；在降雨飽和工況下或地震工況下，坡體的穩(wěn)定性系數(shù)有所降低，但仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)坡體在地震和降雨共同作用下，會(huì)誘發(fā)老滑坡復(fù)活或者引發(fā)次生滑坡。因此，在防治時(shí)應(yīng)注重對(duì)雨水的防治，避免降雨作用與地震作用的疊加。

(4)在地震作用下，坡腳處的應(yīng)力、應(yīng)變相對(duì)較小，坡體后緣的應(yīng)力、應(yīng)變相對(duì)較大。因此，后緣容易發(fā)生結(jié)構(gòu)變形破壞，產(chǎn)生裂縫、滑面貫通，對(duì)坡體前部進(jìn)行擠壓推移，造成推移式滑坡。

(5)根據(jù)研究區(qū)的工程地質(zhì)條件，結(jié)合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、技術(shù)指標(biāo)、環(huán)境影響等，對(duì)哈南村滑坡提出了治理意見(jiàn)：坡面整平、夯填裂縫、周圍設(shè)置截水溝、坡面設(shè)置樹(shù)枝狀支溝、坡面禁止開(kāi)墾種田而換成固坡植被、合理開(kāi)挖坡體、前緣反壓、對(duì)兩側(cè)大沖溝設(shè)置攔擋壩、安裝檢測(cè)系統(tǒng)等治理檢測(cè)措施。