甘肅黃土臺塬區(qū)單體滑坡穩(wěn)定性評價與預測分析

何海顰 萬寶峰

摘 要：為研究甘肅永靖黑方臺黃土臺塬斜坡滑坡穩(wěn)定性情況及原因，本文采用計算模型、荷載組合和幾何作圖法對單體滑坡穩(wěn)定性進行定量分析計算，并對黃土臺塬斜坡穩(wěn)定性計算結果進行定量評價與預測分析。

關鍵詞：滑坡;穩(wěn)定性;定量分析

中圖分類號：P642.22文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）25-0155-04

Abstract： In order to study the stability and cause analysis of the slope of the Loess Tableland of Hefangtai， Yongjing， Gansu province， this paper used the calculation model， load combination and geometric drawing method to conduct quantitative analysis and calculation of the stability of single landslide， and made quantitative evaluation and prediction analysis of the slope stability calculation results.

Keywords： landslide;stability;quantitative analysis

甘肅永靖縣為劉鹽八庫區(qū)（劉家峽、鹽鍋峽、八盤峽庫區(qū)）的重點移民縣。為了安置移民，在區(qū)內(nèi)黃土臺塬上多處建設了灌溉工程，由此誘發(fā)地下水位和巖土體結構發(fā)生改變，引發(fā)多處地質(zhì)災害，其中滑坡災害最為頻繁和嚴重，對移民區(qū)群眾正常生產(chǎn)生活造成了嚴重威脅。

地表形變監(jiān)測是監(jiān)測滑坡的有效手段之一，常被應用于滑坡監(jiān)測、評價與預測中。為了降低滑坡地質(zhì)災害造成的損失，本文對黑方臺臺塬斜坡滑坡穩(wěn)定性進行合理的定量評價與預測。

1 黑方臺滑坡定性評價與預測

黑方臺滑坡主要包括焦家滑坡群、黃茨滑坡群、方臺滑坡群和水管所滑坡群。

焦家滑坡群是黑方臺臺塬滑坡發(fā)育密度最大的地段，該區(qū)域內(nèi)主要為黃土滑坡，具有剪出口位置高、臨空條件好、滑速高、滑體破碎及能量釋放較徹底等特點。黃土層內(nèi)地下水位的抬升導致焦家滑坡群后緣塬30 m寬度范圍內(nèi)，發(fā)育一系列的平行滑坡后壁的弧形張裂縫，延伸長度為幾十米至幾百米不等，裂縫寬度多為幾厘米至幾十厘米，且該范圍內(nèi)滑坡后緣沉陷也較為嚴重。因此，從變形跡象及滑坡發(fā)展趨勢來看，焦家滑坡群處于不穩(wěn)定狀態(tài)，存在隨時滑動的可能。

黃茨滑坡群屬于黃土-基巖滑坡，滑坡滑速較慢，以往發(fā)生過數(shù)次滑動?；w上清晰可見多次滑動形成的梯級臺階，后緣沿臺塬分布有一系列的拉張裂縫，堆積體前緣反翹形成明顯的隆起帶，滑坡變形趨勢與變形跡象說明黃茨滑坡群處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

方臺滑坡群主要發(fā)生在黃土層內(nèi)，滑坡規(guī)模較大，多處滑坡后壁經(jīng)過人工削方減載處理，但目前仍可觀測到較明顯的變形跡象，滑坡后緣塬邊50 m范圍內(nèi)，拉張裂縫與沉陷裂縫密布，耕地內(nèi)的大量落水洞都已貫通，形成塌陷，滑坡整體穩(wěn)定性較差，目前處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

水管所滑坡群屬黃土-基巖滑坡，滑體表面松散破碎。目前，滑體局部地段的變形仍在繼續(xù)，滑坡后壁仍在不斷坍塌，平行于后壁發(fā)育的拉張裂縫延伸長度約200 m，裂縫寬度數(shù)十厘米，裂縫之間最大下錯距為20～30 cm，滑坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

2 區(qū)域穩(wěn)定性評價與預測

2.1 基于DEM計算的滑坡穩(wěn)定性評價與預測

黑方臺臺緣周邊滑坡發(fā)生頻次高，滑坡多表現(xiàn)為原位溯源疊瓦后退式的滑動特征，同一個滑坡呈多期次滑動的相對獨立的動態(tài)演化系統(tǒng)，其變形表現(xiàn)出復雜的非線性演化特征。基于滑坡變形演化方面的不確定性，通過三維激光掃描監(jiān)測獲取黑方臺地區(qū)最新滑坡變形情況，而后結合1977年、1997年及2001年三期次DEM數(shù)據(jù)進行地貌恢復重建，在ArcGIS平臺下分析研究滑坡變形演化特征。

通過上述計算發(fā)現(xiàn)：從1977年到2001年，黑方臺滑坡后壁的平均后移距離達到113.07 m，平均后移侵蝕速率為3.01 m/a。近年來，黑方臺滑坡整體穩(wěn)定性變差，滑坡后移速率有加劇的趨勢。如果不采取有效的防治措施，臺塬還將繼續(xù)下錯滑動。

2.2 基于地下水位變化的滑坡穩(wěn)定性評價與預測

引水灌溉使得地下水位抬升是灌區(qū)斜坡失穩(wěn)的一個重要觸發(fā)因素，這主要是因為在地下水水巖作用的范圍內(nèi)，黃土的物理、力學性質(zhì)都發(fā)生了明顯變化，其力學強度降低。為定量分析灌溉作用對水文地質(zhì)條件的影響，建立了區(qū)內(nèi)黑臺水文地質(zhì)模型，模擬分析灌溉前后地下水動力場的演化狀況，預測不同灌溉條件下地下水動力場的發(fā)展趨勢。計算結果表明，在保持現(xiàn)有的灌溉模式和灌溉量的條件下，地下水位尚未達到穩(wěn)定，還將持續(xù)上升，上升速率為平均每年0.35 m。采用FLAC 3D軟件計算地下水上升條件下的斜坡穩(wěn)定性。結果表明，不同地下水位情況下，臺塬整體位移分布規(guī)律基本一致，最大位移均出現(xiàn)在焦家崖頭附近。但是，隨著地下水位的升高，不穩(wěn)定區(qū)域的面積逐漸增加[1-2]。

3 單體滑坡穩(wěn)定性定量評價

3.1 幾點說明

第一，將定量評價計算的重點放在滑坡現(xiàn)狀的穩(wěn)定性計算上。對于按區(qū)域分區(qū)整體治理，采取削方為主，計算滑坡后壁的穩(wěn)定性，因此分別選取焦家村9號滑坡后壁剖面、焦家崖頭滑坡后壁剖面、黨川一帶尚未發(fā)生滑坡的斜坡剖面和方臺滑坡后壁剖面，只計算基巖之上的土體穩(wěn)定性。根據(jù)四個剖面的計算結果分析評價黑方臺分區(qū)斜坡的穩(wěn)定性，為削方設計提供依據(jù)。

根據(jù)實地調(diào)查和勘查結果，擬對加油站滑坡實施抗滑工程治理，故對其進行整體和局部穩(wěn)定性計算，并計算剩余下滑力，為抗滑工程布置提供依據(jù)。

第二，本次取樣受客觀條件所限，除鉆孔中取了少部分樣品外，大部分樣品是沿已發(fā)生滑坡的后壁（滑床）所取。由于所取土樣的后壁長期暴露在外，所取土樣與同深度探井和鉆孔中的土樣相比，含水量明顯偏低，因此其黏聚力（[c]）、內(nèi)摩擦角（[φ]）值偏高。

3.2 計算方案的選取

根據(jù)邊坡的巖土體結構特征及穩(wěn)定程度，選取焦家村9號滑坡后壁（JH9）的a—a′剖面，焦家崖頭13號滑坡后壁（JH13）的b—b′剖面，黨川1號滑坡（DH1）的c—c′剖面和方臺1號滑坡（FH1）的d—d′剖面進行計算。這些剖面與滑坡主滑方向一致。根據(jù)勘查資料，黃土滑坡可看作均質(zhì)土坡，其滑動面為典型的圓弧形，因此穩(wěn)定性分析選用瑞典圓弧條分法進行。

加油站滑坡為黃土-基巖滑坡，整體滑動面為折線形，而據(jù)鉆探資料顯示，其局部不穩(wěn)定滑體滑面也為折線形，因此，加油站滑坡的整體和局部穩(wěn)定性分析均宜采用傳遞系數(shù)法，計算滑坡穩(wěn)定性和滑坡推力。

3.3 物理力學參數(shù)的選取

通過鉆孔、探井和沿滑動面取樣土體的物理力學試驗結果，可得有關計算邊坡穩(wěn)定性各剖面巖土的物理力學參數(shù)（見表1）。

3.4 計算模型及荷載組合

3.4.1 計算模型。根據(jù)滑坡體的結構特征，將黃土斜坡定為模型a—a′、模型b—b′、模型c—c′、模型d—d′，滑坡坡面地形線及滑帶均簡化成折線。計算時取滑坡的單位寬度為1 m，簡化為二維問題進行計算。

根據(jù)滑坡地形線及鉆探揭示的滑動面，將加油站滑坡整體和局部不穩(wěn)定滑體分別劃分為10條和6條塊進行計算。

3.4.2 荷載組合。荷載包括以下四方面。①自重：滑坡體無集中荷載，主要為滑體的自重;②地下水作用力：勘查結果表明，灌溉入滲在黃土滑坡體內(nèi)形成滲流場，因此在黃土滑坡體的穩(wěn)定性計算中，要考慮靜水壓力對邊坡穩(wěn)定性的影響;③連續(xù)降雨或大暴雨;④地震。

荷載組合：第一，自重;第二，自重+地震;第三，自重+連續(xù)降雨或大暴雨;第四，自重+連續(xù)降雨或大暴雨+地震。

4 單體滑坡穩(wěn)定性定量分析計算

4.1 計算方法

根據(jù)幾何作圖法，先確定滑動面的圓心，采用水平力法對黃土斜坡的主軸剖面進行計算，求得穩(wěn)定系數(shù)[K]，按表2中規(guī)范提供的滑坡穩(wěn)定狀態(tài)劃分標準評價穩(wěn)定性，并以此復核驗證定性分析的結論。

由于影響滑坡穩(wěn)定性的主要因素是大水漫灌所形成的入滲水的作用，另外由于該地區(qū)處于地震烈度Ⅷ度區(qū)，所以為評價滑坡在現(xiàn)狀條件下的穩(wěn)定程度及未來環(huán)境惡化條件下的發(fā)展趨勢，選取四種方案評價滑坡穩(wěn)定性。

方案一：現(xiàn)狀條件下，無連續(xù)降雨或大暴雨且無地震的情況。

方案二：現(xiàn)狀條件下，無連續(xù)降雨或大暴雨但有地震的情況。

方案三：現(xiàn)狀條件下，有連續(xù)降雨或大暴雨但無地震的情況。

方案四：現(xiàn)狀條件下，有連續(xù)降雨或大暴雨且有地震的情況。

4.2 計算結果評價

斜坡剖面穩(wěn)定性計算結果如表3所示。

驗算表明，不考慮水的作用和地震力的影響，焦家村滑坡后壁的穩(wěn)定系數(shù)為1.000 2，處于欠穩(wěn)定狀態(tài);方臺滑坡后壁的穩(wěn)定系數(shù)為1.121 8，表明在這種狀態(tài)下，這一帶的邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài);焦家崖頭斜坡和黨川一帶斜坡的穩(wěn)定系數(shù)分別為1.288 9和1.157 4，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

考慮水的作用力時，除黨川一帶的邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.062 5，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)之外，臺塬其余地帶邊坡的穩(wěn)定系數(shù)都小于1，斜坡將進入失穩(wěn)滑動狀態(tài)。

考慮地震力的影響時，焦家村滑坡、焦家崖頭滑坡、黨川一帶滑坡、方臺滑坡的穩(wěn)定系數(shù)分別為0.757 4、0.909 6、0.735 1和0.838 6，表明在地震影響下，斜坡將失穩(wěn)滑動。

既考慮水的作用力又考慮地震力的影響時，焦家村滑坡、焦家崖頭滑坡、黨川一帶滑坡、方臺滑坡的穩(wěn)定系數(shù)都小于1，表明在這種極端情況下，斜坡也將失穩(wěn)滑動。

5 結論

上述分析與野外調(diào)查和工程地質(zhì)定性分析的結論基本吻合，表明黑方臺地區(qū)的斜坡在目前現(xiàn)狀條件下，總體上處于次穩(wěn)定狀態(tài)，但焦家村滑坡群的后壁斜坡目前處于臨界狀態(tài)。當水動力條件惡化以后，除黨川一帶的斜坡仍然處于次穩(wěn)定狀態(tài)之外，焦家村滑坡后壁、焦家崖頭邊坡和方臺滑坡后壁的任何一處斜坡都有可能出現(xiàn)失穩(wěn)滑動的現(xiàn)象。綜上，有必要對這些斜坡段實施一些輔助性的治理措施。

加油站滑坡在現(xiàn)狀條件下穩(wěn)定系數(shù)為1.261 2，整體穩(wěn)定，即使在最不利的方案四的工況下也能維持欠穩(wěn)定而不滑動。而在其右中部地下水溢出帶處，受地下水的影響，現(xiàn)狀條件下已處于臨界狀態(tài)，在遇到暴雨或者地震等突發(fā)情況下，該局部滑體將失穩(wěn)滑動，末塊剩余下滑力分別是1 127 kN/m和1 539 kN/m。有必要針對該局部滑體布置抗滑工程，同時配合做好排水工作[3]。

參考文獻：

[1]李天磊.地下水誘發(fā)黃土滑坡機理及其穩(wěn)定性分析[D].北京：中國地質(zhì)大學（北京），2018.

[2]王瀟.灌溉入滲效應及其對斜坡穩(wěn)定性的影響[D].西安：西北大學，2018.

[3]亓星.突發(fā)型黃土滑坡監(jiān)測預警研究[D].成都：成都理工大學，2017.