人類活動對滑坡穩(wěn)定性的影響研究
——以武漢市某滑坡為例

蔣玉冰，曾凱波，丁德民

(武漢綜合交通研究院有限公司,湖北 武漢 430024 )

滑坡在中國分布廣泛,發(fā)生頻率較高,每年造成損失不可估量。隨著人類活動對自然環(huán)境改造加劇,導(dǎo)致滑坡的發(fā)生頻率日漸增高,現(xiàn)人類活動已逐漸成為滑坡變形失穩(wěn)的主要誘因。如大規(guī)模的采礦,導(dǎo)致形成的加拿大Frank滑坡[1]及2009年6月5日下午15時重慶市武隆發(fā)生的雞尾山滑坡[2-6]；如宜昌市三峽庫區(qū)千將坪滑坡[7-10]、白家包滑坡[11-13]、樹坪滑坡[14-15]、八字門滑坡[16-17]等均受到水庫蓄水影響而發(fā)生失穩(wěn)；還有部分滑坡是人類建設(shè)切坡而引起的[18-20]。因此,人類活動是加速滑坡失穩(wěn)變形的一個重要誘導(dǎo)因素。本文以武漢市某滑坡為研究對象,基于滑坡勘察資料及工程地質(zhì)測繪,對滑坡的變形機制進行分析,采用Midas GTS有限元數(shù)值方法模擬計算不同工況下人類活動對滑坡的影響,包括坡腳開挖及坡腳回填,并從滑坡的位移、最大剪應(yīng)變及穩(wěn)定系數(shù)對滑坡的穩(wěn)定性進行評價。

1 滑坡區(qū)地質(zhì)環(huán)境

滑坡區(qū)位于武漢—陽新高速公路武漢段起點鳳凰山北部,中心坐標(biāo)為114°27′18″E,30°24′30″N,緊鄰滑坡北側(cè)原為一廢棄采石場,經(jīng)回填處理后成為垃圾填埋場,滑坡具體地理位置如圖1所示。滑坡區(qū)屬于亞熱帶濕潤性季風(fēng)氣候區(qū),雨量充沛,四季分明。多年平均降水量1 347.7 mm,降雨集中在4—9月,以暴雨為主。

滑坡體地形上呈現(xiàn)上緩下陡,后緣高程85～95 m,前緣高程約45 m,相對高差約50 m；滑坡體自然坡度約25°～35°?；麦w植被發(fā)育,側(cè)緣及后緣植被茂密?；聟^(qū)屬構(gòu)造剝蝕殘丘地貌,位于大付村短軸倒轉(zhuǎn)背斜。該背斜位于流芳嶺南4 km,褶皺近東西向,全長12 km,核部主要為中上統(tǒng)志留系砂、頁巖,翼部為上泥盆統(tǒng)石英砂巖。

圖1 地理位置圖Fig.1 Geographical location map

2 滑坡特征與宏觀變形

2.1 形態(tài)特征

滑坡平面形態(tài)呈舌狀,橫向呈不規(guī)則的“圈椅狀”?；潞缶壱宰呦驗?5°的山脊為界,兩側(cè)分別以沖溝為界,前緣為一平地,現(xiàn)為垃圾填埋場?；w主滑方向為330°,全長90～140 m,平均寬度約750 m,面積約8.3×104m2,滑坡面一般埋深8～16 m,平均厚度約13m,體積約107.3×104m3,屬大型(中層)順層牽引式滑坡。該滑坡的平面圖如圖2所示,典型剖面如圖3所示。

在滑坡體中采用“高密度點法”進行了勘察,其中在南北向、東西向分別布置剖面5條、2條(圖2)，也布置了鉆孔，其典型巖芯如照片1-照片2所示,選取典型縱向剖面2-2′(圖4)和橫向剖面7-7′(圖5)來分析滑面位置。根據(jù)電阻的差異及異常,對滑帶位置進行了初步推測,后結(jié)合現(xiàn)場鉆探結(jié)果,對滑面位置進行了驗證與校核,認為滑面埋深在8～16 m,平均厚度約13 m。

圖2 滑坡工程地質(zhì)平面圖Fig.2 Engineering geological plan of landslide1.第四系人工填土；2.第四系殘坡積碎石土；3.第四系沖擊層卵石；4.志留系中統(tǒng)墳頭組泥質(zhì)粉砂層；5.剖面線；6.滑坡主滑方向；7.滑坡邊界。

圖3 滑坡3-3′工程地質(zhì)剖面圖Fig.3 3-3′ engineering geological section of landslide1.雜填土；2.碎石土；3.泥巖；4.泥質(zhì)粉砂巖；5.推測滑帶；6.第四系人工填土；7.第四系殘坡積；8.志留系中統(tǒng)墳頭組。

照片1 強風(fēng)化泥巖巖芯Photo 1 Strongly weathered mudstone core

照片2 滑床泥質(zhì)粉砂巖巖芯Photo 2 Core photos of argillaceous siltstone in sliding bed

圖4 滑坡物探典型縱向剖面2-2′Fig.4 2-2′ Typical longitudinal section of landslide geophysical prospecting

圖5 滑坡物探典型橫向剖面7-7′Fig.5 7-7′ typical transverse section of landslide geophysical prospecting

2.3 變形特征

滑體上可見有醉漢林地貌特征?；潞蟊诟叨燃s3～6 m(后壁0.0～0.6 m為殘坡積碎石土,0.6 m以下為強—中風(fēng)化泥砂巖),如照片3所示。處于主線道路中線左側(cè)東部的滑坡后緣位置,發(fā)育有1條近東西走向的裂縫(走向58°),如照片4所示,裂縫張開約0.3 m,延伸長度約80 m,可見裂隙深度為0.3 m。另外滑坡體中部亦可見1～2條橫向張裂縫(照片5),延伸長度10～30 m。在滑坡體中下部設(shè)置有3道干砌片石擋墻,目前擋墻均已產(chǎn)生明顯滑移破壞。

照片4 滑坡后緣發(fā)育裂縫Photo 4 Cracks developed in the back edge of landslide

照片5 滑坡中部裂縫Photo 5 Cracks in the middle of landslide

3 滑坡變形機制分析

3.1 滑坡影響因素

(1) 地質(zhì)因素?；隆俺书L舌狀”,坡度一般為25°,局部達到30°～40°,相對高差約50 m,兩側(cè)發(fā)育多條沖溝。其后緣形成的陡緩交接微地貌利于雨水入滲,為滑坡的變形提供了入滲條件。此外,坡體前緣為平地,臨空條件較好,這些地形條件都控制著滑坡的形成和發(fā)展?；碌陌l(fā)生主要受易滑地層的控制,如含有軟弱面或軟弱層(帶)的層狀巖層。該滑坡發(fā)育于志留系中統(tǒng)墳頭組(S2f)泥巖及泥質(zhì)粉砂巖中,該層局部存在軟弱夾層,經(jīng)前期滑動、揉皺、擠壓形成滑動面。在重力作用下,坡體下部的軟弱層產(chǎn)生蠕動變形,進而牽引上部巖土體產(chǎn)生拉裂變形,形成宏觀上可見的橫向拉張裂縫。

(2) 降雨。降雨對該滑坡的變形影響較大：①雨水入滲軟化了巖層,降低其力學(xué)強度；②巖土體內(nèi)瞬間充水,增加了巖土體內(nèi)的動靜水壓力,使巖土體的穩(wěn)定性降低；③降雨增加了土體的自重,滑坡體表層為粉質(zhì)粘土夾碎石,且易于雨水入滲,大氣降雨是誘發(fā)滑坡變形的主要因素之一。

(3) 人類工程活動?；聟^(qū)主要的人類工程活動為開采石料,滑坡前部開挖石英砂巖,且開挖方向與巖層產(chǎn)狀基本一致,開采石英砂巖至揭露泥巖后轉(zhuǎn)向開采坡角下的砂巖,從而形成高陡臨空面,也暴露了潛在的滑動面,在雨水及風(fēng)化作用下,加速了滑坡的變形。后坡腳開挖處通過回填,起到了一定的壓腳作用,對滑坡的變形具有一定的抑制作用。

3.2 變形機制

該滑坡的變形破壞模式屬于蠕滑—拉裂型。坡體是由兩種性質(zhì)不同的巖石構(gòu)成,泥質(zhì)粉砂巖相對于泥巖強度較高,形成上軟下硬的結(jié)構(gòu),兩種巖體的接觸面逐步形成軟弱面,由于坡腳人為開挖采礦,使得滑坡形成較陡的臨空面,導(dǎo)致坡腳應(yīng)力集中,在自重作用下,將沿著軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生變形；滑坡沿著軟弱面蠕滑,坡體表面形成拉裂縫,后緣拉裂下座；雨水通過后緣拉裂縫和松散的地表入滲,軟化泥巖,增加坡體自重,滑坡后緣裂縫和多個剪斷面逐漸貫通。隨后由于對坡腳進行回填,增大了抗滑力,在一定程度抑制了滑坡變形,但一旦軟弱面沿回填區(qū)貫通,滑坡仍會出現(xiàn)整體失穩(wěn)。

4 滑坡穩(wěn)定性評價

4.1 計算模型

采用圖3的3-3′工程地質(zhì)剖面圖作為計算剖面,導(dǎo)入Midas GTS NX軟件。模型長120 m,左右兩側(cè)高度分別為64 m、20 m。模型左右兩側(cè)施加X方向的約束,下邊界施加完全約束,上邊界取自由邊界。巖體的初始應(yīng)力場僅考慮自重應(yīng)力,不考慮構(gòu)造應(yīng)力的影響。巖土體材料采用“莫爾—庫倫本構(gòu)模型”,材料屬性為各向同性的平面應(yīng)變單元。數(shù)值模型共有7 552個節(jié)點和7 679個單元。網(wǎng)格劃分后的數(shù)值模型如圖6所示。

圖6 數(shù)值計算模型Fig.6 Numerical calculation model

4.2 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

計算中所采用的巖土體物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)滑坡勘查的室內(nèi)試驗結(jié)果、相同地區(qū)類似滑坡巖土體力學(xué)參數(shù)取值以及參數(shù)反演法綜合確定,其參數(shù)具體取值見表1。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rock and soil

4.3 計算工況

通過分析滑坡形成機制,發(fā)現(xiàn)人類活動如采石場開挖坡腳以及后期的填埋,對鳳凰山公路滑坡的穩(wěn)定性具有重大影響,因此,主要設(shè)置以下三種工況：①坡腳未開挖前；②因采石場開挖坡腳；③坡腳采石坑回填。

4.4 計算結(jié)果

在Midas GTS中利用求解器計算,通過對不同工況下滑坡的位移、最大剪應(yīng)變和穩(wěn)定系數(shù)進行分析,進而探究人類工程活動對滑坡穩(wěn)定性的具體影響。

(1) 滑坡位移。圖7-圖9為滑坡在三種工況下的水平位移云圖。由圖可知,工況Ⅰ和工況Ⅲ的水平位移分布較相似,最大位移處于滑坡上部,存在一個圓弧滑動面,而工況Ⅱ下由于坡腳開挖,導(dǎo)致坡腳的水平位移最大,前緣出現(xiàn)的變形牽引滑坡上部變形,形成圖3中的橫向拉張裂縫。為了進一步定量分析不同工況下滑坡地表不同位置處水平位移值,在滑坡表面不同位置設(shè)置監(jiān)測點,如圖10所示,并提取各點水平位移,如圖11所示。

圖7 工況Ⅰ水平位移云圖Fig.7 Horizontal displacement nephogram of condition Ⅰ

圖8 工況Ⅱ水平位移云圖Fig.8 Horizontal displacement nephogram of condition Ⅱ

圖9 工況Ⅲ水平位移云圖Fig.9 Horizontal displacement nephogram of condition Ⅲ

圖10 位移監(jiān)測點分布圖Fig.10 Distribution of displacement monitoring points

由圖11可知,工況Ⅰ從坡體上部一直到坡腳,水平位移均較小,B點為5個監(jiān)測點中水平位移最大位置,也僅5.83 cm,坡腳處的E點水平位移最小,為0.54 cm；

圖11 各監(jiān)測點水平位移Fig.11 Horizontal displacement of each monitoring points

而在工況Ⅱ下,坡體表面的水平位移分布出現(xiàn)了較大變化,最大水平位移位置處于坡腳開挖處,達到了160.56 cm,其坡體中后部的B點也達到了20.32 cm,主要是由于坡腳的大變形,牽引中后部坡體,導(dǎo)致上部坡體變形隨著增大；工況Ⅲ下,滑坡水平位移分布與工況Ⅰ類似,最大水平位移依然處于B點處,但數(shù)值卻增大到了23.58 cm,而坡腳的水平位移則較小,這主要是因為坡腳的回填雖增大了抗滑力,但滑坡塑性區(qū)已存在,且B點處應(yīng)力集中,進而導(dǎo)致該點水平位移相對較大。

(2) 最大剪應(yīng)變。大量實踐表明,滑坡破壞的主要位置就是最大剪應(yīng)變分布區(qū)域,在有限元邊坡穩(wěn)定性分析中,應(yīng)變分析是一個重要的內(nèi)容。最大剪切應(yīng)變與巖土體最薄弱部位分布幾乎一致,很多工程案例分析結(jié)果都表明滑坡都是沿著最大剪切應(yīng)變帶發(fā)生滑動的。圖12-圖14分別為工況Ⅰ、工況Ⅱ及工況Ⅲ的最大剪應(yīng)變圖。在圖12中,工況Ⅰ下滑坡的剪應(yīng)變基本呈條帶狀分布,在坡頂局部分布,但主要分布在滑坡后部第2臺階中部,一直延伸到邊坡中下部,其中在邊坡中后部剪應(yīng)變達到最大,為0.005,形成了1個潛在的滑動帶,但未貫穿,因此滑坡較為穩(wěn)定；而在圖13中,由于前緣采礦切坡,形成高約8 m的臨空面,導(dǎo)致坡腳應(yīng)力集中,最大剪應(yīng)變自坡頂一直延伸到坡腳,呈帶狀分布,且全部貫通,最大剪應(yīng)變出現(xiàn)在坡腳處,達到0.145,此時滑坡不穩(wěn)定,會從坡腳剪出；圖14中,前緣坡腳開挖處進行了回填且壓實,可看出最大剪應(yīng)變在滑坡前緣消失,其分布形似類似于工況Ⅰ,其最大剪應(yīng)變依然處于邊坡中后部,約為0.035。

(3) 穩(wěn)定系數(shù)。根據(jù)計算,三種工況下的穩(wěn)定系數(shù)的變化趨勢如圖15所示。在工況Ⅰ、工況Ⅱ及工況Ⅲ下的穩(wěn)定系數(shù)分別為1.12、0.98、1.02。根據(jù)規(guī)范[21]來劃分滑坡的穩(wěn)定狀態(tài),在天然工況,工況Ⅰ即坡腳未開挖前,滑坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài),工況Ⅱ即坡腳采石開挖后,滑坡處于不穩(wěn)定狀態(tài),工況Ⅲ即坡腳采石坑回填后,滑坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。由此可看出,坡腳開挖不利于滑坡穩(wěn)定,而坡腳回填則相當(dāng)于前緣進行填土反壓,增大了滑坡的抗滑力,利于滑坡的穩(wěn)定。

圖12 工況Ⅰ最大剪應(yīng)變分布圖Fig.12 Distribution diagram of maximum shear strain under condition Ⅰ

圖13 工況Ⅱ最大剪應(yīng)變分布圖Fig.13 Distribution diagram of maximum shear strain under condition Ⅱ

圖14 工況Ⅲ最大剪應(yīng)變分布圖Fig.14 Distribution diagram of maximum shear strain under condition Ⅲ

5 結(jié)論

(1) 滑坡變形失穩(wěn)模式屬于蠕滑—拉裂型?；滤幍牡刭|(zhì)因素對滑坡的形成發(fā)展起著重要的控制作用,為滑坡的形成與發(fā)展提供了條件。

(2) 人類活動誘導(dǎo)了滑坡變形,降雨加速了滑坡變形。由于采礦開挖坡腳,滑坡出現(xiàn)較大變形,而坡腳回填后,滑坡變形受到抑制；降雨降低巖土體力學(xué)強度增加了巖土體內(nèi)的動靜水壓力,使其穩(wěn)定性降低,增加了自重,加速了滑坡變形。

圖15 滑坡穩(wěn)定系數(shù)變化趨勢圖Fig.15 Variation trend of landslide stability coefficient

(3) 人類滑坡對滑坡穩(wěn)定性具有重要影響?；略谄履_未開挖時基本穩(wěn)定；而開挖坡腳后,滑坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)；坡腳回填后滑坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。