舟曲縣瓜咱壩3號(hào)滑坡成因機(jī)理分析及防治對(duì)策

吳冠仲

(中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，蘭州 730000；國家文物局石窟保護(hù)技術(shù)重點(diǎn)科研基地，蘭州 730000；甘肅省巖土文物保護(hù)工程技術(shù)研究中心，蘭州 730000)

大型深層、復(fù)合型滑坡具有防范難度大、成因復(fù)雜、運(yùn)移距離長、破壞性強(qiáng)等特點(diǎn)[1-3]。關(guān)于此類滑坡的變形破壞特征和成因機(jī)理的研究，目前主要是通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)合數(shù)值模擬等手段進(jìn)行分析[4-7]。在實(shí)際生活中，此類滑坡將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失甚至是人員傷亡，因此在查明滑坡成因機(jī)理和變形破壞特征的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)滑坡防治對(duì)策研究具有重要意義。

2010年8月8日凌晨，舟曲縣城北部三眼峪溝和羅家峪溝同時(shí)暴發(fā)特大山洪泥石流，特大地質(zhì)災(zāi)害造成了嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。舟曲縣峰迭鄉(xiāng)瓜咱壩安置區(qū)是災(zāi)后恢復(fù)重建的重點(diǎn)規(guī)劃區(qū)域，其地質(zhì)災(zāi)害防治工作是保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)、保證交通暢通的首要任務(wù)。

以大型深層、復(fù)合型滑坡——舟曲瓜咱壩3號(hào)滑坡為例，分析研究滑坡形態(tài)規(guī)模、變形跡象、破壞特征及破壞機(jī)理，進(jìn)行滑坡穩(wěn)定性計(jì)算，設(shè)計(jì)防治治理措施，并采用三維數(shù)值模擬方法，對(duì)比分析加固前后滑坡的變形情況，驗(yàn)證工程措施的合理性，為該地區(qū)后續(xù)相似的滑坡防治治理工程提供參考依據(jù)。

1 滑坡環(huán)境地質(zhì)條件

1.1 自然環(huán)境

勘察區(qū)屬溫暖帶，多年平均氣溫12.9 ℃，最高平均氣溫23.0 ℃，最低平均氣溫1.7 ℃；區(qū)內(nèi)降水少而不均，降雨集中在7—8月，常以連陰雨和暴雨形式出現(xiàn)，年平均降雨量為435.8 mm，日最大降雨量96.77 mm。

1.2 地形地貌

勘察區(qū)地處南秦嶺山地，是典型的高山峽谷地貌。山高、谷深、巖石多、坡陡、土薄、水流急，導(dǎo)致區(qū)內(nèi)泥石流、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)[8]。峰迭鄉(xiāng)瓜咱壩勘察區(qū)呈構(gòu)造侵蝕中低山地地貌，滑坡發(fā)育于其中的陡峻谷坡，主要是受構(gòu)造侵蝕和流水沖蝕的共同作用形成。

1.3 地層巖性

1.4 地質(zhì)構(gòu)造

滑坡區(qū)小型褶皺斷裂發(fā)育，軟巖分布廣，巖體破碎，風(fēng)化程度深。區(qū)內(nèi)巖層走向?yàn)镹W～NWW，巖層傾向變化較大，由坡腳部位NE向上逐步轉(zhuǎn)變?yōu)镾W，巖體中結(jié)構(gòu)面比較發(fā)育，結(jié)構(gòu)面主要有：①45°～70°∠30°～90°；②0°～22°∠20°～78°；③300°～315°∠15°～65°。其中③為與北西向褶皺和同生斷層、小錯(cuò)斷同期生成的結(jié)構(gòu)面，是破碎巖石滑坡的緩傾角控制結(jié)構(gòu)面，①、②、③結(jié)構(gòu)面組合，控制著滑坡的后緣及滑面。

1.5 水文地質(zhì)條件

堆積層上層滯水賦存于黃土質(zhì)黏土底部、砂礫石層及崩殘坡積等土體中，堆積層內(nèi)含水量、水位隨降水、氣候、季節(jié)等的變化而變化；基巖裂隙水賦存于滑坡區(qū)強(qiáng)風(fēng)化破碎帶中，以潛水為主要儲(chǔ)存形式，受大氣降水調(diào)節(jié)控制，并在滑坡前緣以一泉水形式出露，涌水量約1 000 m3/d，常年有水；松散巖類孔隙水主要賦存于滑坡周界沖溝溝谷，呈帶狀分布，多為潛水，接受大氣降水、地表水入滲補(bǔ)給和基巖裂隙水側(cè)向補(bǔ)給，向河谷內(nèi)排泄或沿含水層向下游徑流。

1.6 巖土工程特性

根據(jù)鉆孔巖芯取樣并進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，獲取其物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physico-mechanical parameters of rock material

注：試樣取自滑坡鉆孔49.0～50.2 m深度處。

綜上所述，滑坡區(qū)域軟巖分布廣，巖體破碎，風(fēng)化程度深，易孕育滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。

2 滑坡變形特征

2.1 形態(tài)規(guī)模

3號(hào)滑坡位于瓜咱壩新區(qū)陰山溝西側(cè)的自然斜坡上，滑坡成天地勢(shì)呈西北高南東低，高程1 760～1 475 m，相對(duì)高差285 m。

滑坡體呈圈椅狀，滑坡坡面呈傾斜平面，坡度約38°～50°，滑坡分級(jí)處的地形稍緩，坡度約28°～35°。滑坡沿坡面橫寬約285 m左右，縱長約455 m，其中北側(cè)縱長較大，向南縱長減小。滑坡體積約為440×104m3，屬于大型深層滑坡。

按照滑坡兩側(cè)沖溝及貫通剪切裂縫為界，將滑坡分為南北兩個(gè)大條塊，每個(gè)條塊中又有多級(jí)、多層滑坡，如圖1所示?；卤睏l塊主滑方向NE80°，南條塊主滑方向NE85°。

圖1 滑坡地貌Fig.1 Landslide landform

2.2 變形跡象

此滑坡明顯變形始于2011年春節(jié)前后，因滑坡前緣大范圍坡體挖方，導(dǎo)致坡腳抗滑段被挖除，坡體應(yīng)力重分布而松弛，逐級(jí)向后牽引，產(chǎn)生拉張裂縫和下錯(cuò)陡坎。

滑坡變形邊界明顯：滑坡后緣為高陡的下錯(cuò)陡壁，高約12～20 m，長約200 m，陡壁傾角65°～80°，拉裂縫寬約10～30 cm，呈倒“V”字形，在后緣探槽中可見滑動(dòng)擦痕；滑坡南北兩側(cè)以近EW的自然溝為界，自然溝從山脊發(fā)育至坡腳，下切深度15～20 m，剪切裂縫發(fā)育明顯；前緣坡腳由于人工開挖形成了較大挖方區(qū)，形成滑坡剪出口，在前緣一級(jí)緩坡平臺(tái)自然溝部位出露二級(jí)滑坡剪出口；坡體裂縫密集發(fā)育且貫通性強(qiáng)，寬約0.2～1 m，下錯(cuò)0.2～1.5 m，可視深約3～5 m。

2.3 破壞特征

2.3.1 滑體

該滑坡屬于堆積層-破碎巖石復(fù)合型滑坡?；w厚度約31～52.5 m，其中上覆第四系堆積土石結(jié)構(gòu)厚度約20～45 m；下伏反傾破碎角礫狀片巖最大厚約22.5 m。

2.3.2 滑帶(面)

滑坡北條塊分為多級(jí)，滑面為基巖頂面的全風(fēng)化片巖破碎帶，滑面最深達(dá)45 m，在ZK1-3孔深20 m處可見有滑帶，滑帶巖性為全風(fēng)化土狀片巖黏土?；履蠗l塊代分為兩級(jí)，前級(jí)有兩層深層滑帶，深約25.7 m的滑帶為不同成因堆積層界面，深約46.5 m的滑帶為基巖頂面破碎帶，在ZK3-2孔深43.5、46.5 m處可見滑帶；后級(jí)滑面為全風(fēng)化片巖破碎帶，有25.7、42 m兩層滑面，如圖2所示。

圖2 滑坡1-1工程地質(zhì)剖面圖Fig.2 Engineering geological section of the landslide 1-1

2.3.3 滑床

3 發(fā)生機(jī)理及演化過程

人為削切坡腳是滑坡發(fā)生的起始因素。坡腳抗滑段被挖除改變了坡體臨空條件和坡體應(yīng)力狀態(tài)。

陰山溝底持續(xù)沖刷是滑坡不斷滑動(dòng)的主要因素?；露逊e物多次阻塞堆積于陰山溝底，但溝底沖蝕沖刷作用又再次使剪出口暴露。

巖性結(jié)構(gòu)差異是滑體沿滑帶產(chǎn)生滑帶的重要內(nèi)因。構(gòu)成滑體的第四系堆積層及破碎角礫狀片巖，結(jié)構(gòu)松散、空隙大、透水性較強(qiáng)、強(qiáng)度低，而下部滑床板巖則結(jié)構(gòu)相對(duì)緊密、強(qiáng)度較高?；w與滑床接觸面向谷底傾斜，基本與斜坡面傾向一致。

降雨是滑坡發(fā)生的主要誘因。水的作用加劇和控制滑坡發(fā)生的速度和強(qiáng)度，水的入滲使得滑體容重急劇增加，水沿裂隙、空隙、孔隙入滲，對(duì)巖土體及結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生浸潤、泥化、軟化作用，削弱巖土體強(qiáng)度，降低滑體和滑帶的穩(wěn)定性。

綜上所述，在內(nèi)外因素共同作用下，滑坡后緣拉裂縫、側(cè)界剪切裂縫、坡體裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展、張開、貫通，滑帶巖土體強(qiáng)度降低，抗滑力削弱，最終導(dǎo)致坡體發(fā)生多條多級(jí)多層的、堆積層-破碎巖石復(fù)合型、牽引式變形破壞[2]。破碎巖石和松散碎屑為泥石流的形成提供了豐富的固體物質(zhì)來源；暴雨降水既是泥石流的重要組成部分，又是其激發(fā)條件和搬運(yùn)介質(zhì)；滑坡區(qū)坡陡溝深、縱坡降大、植被生長不良，地形地貌利于固體物質(zhì)和水的集中和流通，使得泥石流能迅猛直瀉。瓜咱壩3號(hào)滑坡-泥石流發(fā)生機(jī)理及演化過程如圖3所示。一旦滑坡發(fā)生變形破壞，極可能引發(fā)大型泥石流災(zāi)害的再次發(fā)生，將堵塞陰山溝，對(duì)瓜咱壩新城區(qū)造成威脅。

圖3 滑坡-泥石流發(fā)生機(jī)理及演化過程Fig.3 The occurrence mechanism and evolutionary process of landslide to debris flow

4 穩(wěn)定性分析

采用基于極限平衡理論的折線型滑動(dòng)面的傳遞系數(shù)法[9]來評(píng)價(jià)滑坡的穩(wěn)定性，滑動(dòng)面簡化成折線。取土體的單位寬度為1 m，簡化為二維問題進(jìn)行計(jì)算；根據(jù)巖土體室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)、反演計(jì)算結(jié)果及經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，綜合確定主滑段的力學(xué)參數(shù)指標(biāo)；設(shè)計(jì)工況為自重、自重+暴雨、自重+地震三種。

根據(jù)定性判斷及定量計(jì)算分析，北條塊前級(jí)滑坡目前處于不穩(wěn)定狀態(tài)，淺層穩(wěn)定系數(shù)為0.95，深層穩(wěn)定系數(shù)0.97。南條塊前級(jí)滑坡目前處于極限穩(wěn)定狀態(tài)，淺層穩(wěn)定系數(shù)為1.0，深層穩(wěn)定系數(shù)1.01?；抡w處于滑動(dòng)階段，目前處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

5 防治對(duì)策研究

根據(jù)舟曲瓜咱壩3號(hào)滑坡變形特征及穩(wěn)定性，提出防治對(duì)策以前緣回填反壓、樁板墻支擋、地表水和地下水排導(dǎo)等綜合防治為主[10-12]。

(1)針對(duì)滑坡坡腳人為削切及溝底持續(xù)沖刷，在滑坡前緣坡腳采用回填反壓，改變坡體應(yīng)力場(chǎng)，以及坡體外形和臨空條件，增強(qiáng)滑坡坡腳的抗滑力。

(2)在滑坡前緣設(shè)計(jì)支擋結(jié)構(gòu)，底部埋設(shè)于滑面以下，以提高結(jié)構(gòu)面的抗滑能力、改善滑面剪應(yīng)力的分布狀況、降低沿滑面發(fā)生累進(jìn)性破壞的可能性。針對(duì)本坡體設(shè)計(jì)樁板式擋土墻，由懸臂樁和擋土板組合而成，懸臂樁采用人工挖孔樁，樁長25 m，深入地下15 m，地上10 m，樁頂設(shè)置通常冠梁；擋土板采用鋼筋混凝土板。

(3)截?cái)嗥旅嫠骷芭懦叵滤鳎匀趸饨缫蛩氐挠绊?，防治坡體軟化、消除滲透變形、降低坡體空隙水壓力和靜水壓力。針對(duì)本滑坡，在滑坡后緣設(shè)置地表截排水措施，在坡面鋪砌自然溝排水，在回填土上部設(shè)置排洪溝排導(dǎo)陰山泥石流溝的下泄物質(zhì)，同時(shí)在滑坡的中前部設(shè)置仰斜排水孔疏排地下水。

6 數(shù)值模擬對(duì)比分析

利用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)3號(hào)滑坡的破壞形態(tài)進(jìn)行分析，對(duì)治理效果進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)比分析天然狀態(tài)和采取加固措施后的滑坡變形情況。

建立數(shù)值模型時(shí)，巖體材料采用理想彈塑性模型，破壞準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。靜力邊界條件為底部邊界設(shè)定水平和豎直方向位移約束，側(cè)向邊界設(shè)定水平位移約束，頂部為自由邊界。

選取滑坡Ⅰ-Ⅰ斷面進(jìn)行對(duì)比分析，天然狀態(tài)和采取加固措施后滑坡斷面的位移云圖和塑性區(qū)如圖4、圖5所示。

圖4 滑坡Ⅰ-Ⅰ斷面位移云圖Fig.4 Displacement nephogram of section Ⅰ-Ⅰ of landslide

圖5 滑坡Ⅰ-Ⅰ斷面塑性區(qū)Fig.5 The plastic zone of section Ⅰ-Ⅰ

由位移云圖4(a)可知，天然狀況下坡體前緣陡緩交界處位移最大，即件出口位置，其次為坡體中部的二級(jí)滑坡前緣處，其余中上部土體受牽引機(jī)制發(fā)生變形，滑坡變形具有整體性且方向具有一致性。由圖4(b)可知，采取前緣回填壓腳及樁板墻支擋后，坡體的位移較大處僅位于前緣附近且位移量明顯減小，而坡體中部和后部基本不發(fā)生變形。

由塑性區(qū)云圖5(a)可知，天然狀態(tài)下滑坡前緣陡緩交界處發(fā)生剪切變形，推斷此處為剪出口位置；前緣陡傾坡面及上部坡表發(fā)生拉伸變形，推測(cè)為向上方后緣牽引產(chǎn)生的拉裂破壞；沿滑帶主要為剪切變形即發(fā)生剪切破壞。由圖5(b)可知，采取前緣回填壓腳及樁板墻支擋后，坡體塑性區(qū)減少，前緣不存在明顯剪切變形的剪出口，回填土坡表存在拉伸變形，滑坡中上部坡表拉伸變形明顯減少。

7 結(jié)論

(1)瓜咱壩3號(hào)滑坡為堆積層-破碎巖石復(fù)合型、大型深層滑坡，具多條、多級(jí)、多層的滑動(dòng)特征?；鲁嗜σ螤?，變形邊界明顯，滑坡后緣拉張裂縫、側(cè)界剪切裂縫、前緣鼓脹裂縫、前緣剪出口、坡體裂縫持續(xù)發(fā)展。目前滑坡整體處于滑動(dòng)階段，在不利工況影響下不排除發(fā)生劇滑的可能性。

(2)滑坡滑動(dòng)變形的主要使為人為開挖坡腳、溝底持續(xù)沖刷、巖性結(jié)構(gòu)差異以及降雨等內(nèi)、外因綜合作用的結(jié)果。該滑坡發(fā)生失穩(wěn)破壞將堵塞陰山溝，同時(shí)給潛在的泥石流災(zāi)害提供大量的固體物質(zhì)來源，對(duì)瓜咱壩新區(qū)的居民人、構(gòu)建筑物的人身財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生巨大威脅。

(3)該防治治理對(duì)策主要為前緣回填反壓、樁板墻支擋、地表水和地下水排導(dǎo)。通過三維數(shù)值模擬，對(duì)比分析了加固前后滑坡體的位移和塑性區(qū)變化情況，驗(yàn)證了加固措施的有效性和合理性。