貴州大方縣醫(yī)院舊址斜坡變形特征及穩(wěn)定性研究

林德洪，何旭東，田維強(qiáng)

貴州大方縣醫(yī)院舊址斜坡變形特征及穩(wěn)定性研究

林德洪，何旭東，田維強(qiáng)

（貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局114地質(zhì)隊(duì)，貴州省地礦局第二工程勘察院有限公司，貴州 遵義 563000）

通過對貴州大方縣醫(yī)院舊址一帶變形斜坡的變形特征及地質(zhì)環(huán)境條件進(jìn)行詳細(xì)勘查，分析研究了斜坡裂縫特征、斜坡區(qū)巖土結(jié)構(gòu)特征等，總結(jié)了變形破壞機(jī)理。基于強(qiáng)度折減法及有限元數(shù)值法對斜坡穩(wěn)定性進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，結(jié)果與現(xiàn)場較為吻合。認(rèn)為該斜坡變形為不均勻沉降變形，受降雨及地下水動(dòng)態(tài)變化影響明顯，發(fā)生突發(fā)性滑動(dòng)可能性小。

變形斜坡；滑坡；地質(zhì)環(huán)境；穩(wěn)定性計(jì)算；穩(wěn)定系數(shù)

本文在貴州大方縣醫(yī)院舊址一帶變形斜坡勘查資料基礎(chǔ)上，對該斜坡的變形特征、影響因素進(jìn)行分析研究，選取代表剖面進(jìn)行建模計(jì)算，總結(jié)斜坡變形破壞機(jī)理，以期為斜坡變形綜合治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)屬于侵蝕溶蝕中山斜坡地貌區(qū)，海拔1600～1700m，斜坡中部坡面地形相對平緩，坡度為5°～15°，市政建筑物較為密集，坡面呈四級階梯狀。根據(jù)鉆探資料（圖1），斜坡區(qū)地層巖性為第四系人工填土層（Q4ml）及坡積土層（Q4dl）含碎石粉質(zhì)粘土、偶夾大塊石，厚15～26m；以及二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M（P3）泥巖、砂巖、頁巖夾炭質(zhì)頁巖及粉砂巖，巖層產(chǎn)狀：73°∠11°。

圖1 綜合鉆孔柱狀圖及巖性照片

地下水來源于大氣降水，降雨量隨季節(jié)變化大；類型為松散孔隙水和基巖裂隙水，以第四系孔隙水為主，且地下埋深在不同區(qū)域差異較大，一般地下水位埋深5.65～8.60m，局部受地形突變影響出露地表。由于下伏泥巖為隔水巖層，第四系孔隙水在接受大區(qū)降雨入滲補(bǔ)給后，少量入滲補(bǔ)給強(qiáng)風(fēng)化泥巖裂隙，大部分在第四系含碎石粉質(zhì)粘土層的孔隙中向坡腳徑流。第四系含碎石粉質(zhì)粘土孔隙率高，透水性好。選取鉆孔SK1及探井TJ6開展簡易抽水試驗(yàn)，采用110QJ10－100深井潛水泵抽水, 鉆孔抽水水量80～160m3/d（泵位26.9m），探井抽水水量80～160m3/d（泵位7.6m）。通過簡易抽水試驗(yàn)可知研究區(qū)水力坡度i為75%～80%，孔隙水含水層滲透系數(shù)k為1.4 m/d～6.8m/d，給水度μ約為4.7×10-4～6.5×10-2。

2 斜坡變形特征

2.1 斜坡變形區(qū)邊界

變形區(qū)南至?xí)航忠粠?，北?cè)至保定街一帶，東側(cè)至人民北路一帶地勢平緩區(qū)，西側(cè)在連花塘一帶有少量特征不明顯的裂縫，變形區(qū)在不同地段的變形部位差異性較大，斜坡東西向斜坡不均勻沉降區(qū)主要集中于大方縣醫(yī)院舊址至種子公司一帶及二中舊址區(qū)域（圖2）。

圖2 變形區(qū)平面示意圖

2.2 斜坡變形特征

大方縣縣醫(yī)院舊址斜坡變形區(qū)形成歷史久遠(yuǎn)，變形主要表現(xiàn)有地面開裂、建筑物墻體開裂及建筑物整體傾斜、擋土墻變形P等3種方式。

1）地面開裂：分布于種子公司、縣醫(yī)院舊址、原二中舊址操場及二中舊址教學(xué)區(qū)院內(nèi)。變形的水泥地坪裂縫主要有15條（大于50cm 以上）。種子公司—縣醫(yī)院舊址裂縫整體沿隱伏基巖槽谷下錯(cuò)，發(fā)育較為集中裂縫共有8條，發(fā)育方向平行于建構(gòu)筑物成為裂縫帶，多發(fā)育次生裂縫，致使水泥地坪破裂，除縣醫(yī)院舊址進(jìn)院大道（花臺(tái)旁）為車輛碾壓外，其余為不均勻沉降形成。根據(jù)鉆探、結(jié)合收集資料，縣醫(yī)院舊址花臺(tái)中部第四系厚，地裂縫沿花臺(tái)一段基巖為近于南北向延伸槽狀方向傾斜，建筑物沿槽狀部位下座?？h醫(yī)院舊址住院大樓形成近于“八字型”裂縫，家屬樓3單元整體發(fā)生不均沉降、向西側(cè)傾斜。二中舊址教學(xué)樓區(qū)基巖成槽狀，致使建筑及地面在沿槽狀區(qū)下錯(cuò)。

2）建筑物墻體開裂及建筑物傾斜：主要位于縣醫(yī)院舊址住院樓、種子公司、二中舊址教學(xué)樓、二中舊址干砌石圍墻變形。裂縫主要位于建筑物門窗角、墻角、構(gòu)造柱附近的軟弱部位，為地基土不均沉降誘發(fā)。

2.1.3 斜坡變形規(guī)律

通過變形區(qū)勘查，變形具有以下特點(diǎn)：

1）嚴(yán)重變形區(qū)集中，主要分布于種子公司—縣醫(yī)院舊址及二中舊址兩個(gè)建筑物密集區(qū)域。

2）變形主要以沉降為主，變形時(shí)間與工程活動(dòng)期整體接近，局部具有突發(fā)性的特點(diǎn)：縣醫(yī)院至種子公司、二中舊址變形區(qū)，二中前緣干砌石圍墻變形，變形強(qiáng)烈集中于1990—1995年間，與大方縣西大街沿線一帶建設(shè)的時(shí)間基本吻合。

3 變形區(qū)穩(wěn)定性計(jì)算及變形成因分析

3.1 研究方法

斜坡處于緩慢變形狀態(tài)，斜坡變形稍滯后大氣降雨，降雨幾天后斜坡變形加劇，并產(chǎn)生較多新增裂縫。采用強(qiáng)度折減法及有限元數(shù)值模擬法對斜坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。由于勘查時(shí)沒有找到滑動(dòng)帶，采用強(qiáng)度折減系數(shù)法時(shí)假設(shè)斜坡變形為堆積體與下伏基巖接觸面產(chǎn)生蠕滑變形，推測滑動(dòng)面為折線形（李輝等，2020；劉傳正等，2009；聶高波，2020）；選用FLAC3D蠕變模塊進(jìn)行模擬計(jì)算。

3.2 計(jì)算參數(shù)的確定

斜坡區(qū)出露人工填土、含碎石粉質(zhì)粘土、偶夾大塊石，以及砂巖、泥巖、頁巖夾炭質(zhì)頁巖及粉砂巖，勘查對主要巖土層進(jìn)行取樣分析。

1）碎石粉質(zhì)粘土：在不同鉆孔中采取9件土樣作室內(nèi)試驗(yàn)，土體基本參數(shù)及統(tǒng)計(jì)成果見表1。

2）巖體：在勘查中分別從不同的鉆孔巖芯中采集了泥巖樣9件，其室內(nèi)試驗(yàn)指標(biāo)及統(tǒng)計(jì)成果見表2。

表1 含碎石粉質(zhì)粘土物理力學(xué)指標(biāo)數(shù)理統(tǒng)計(jì)表

表2 泥巖物理力學(xué)指標(biāo)數(shù)理統(tǒng)計(jì)

指標(biāo)數(shù)值密度（g/cm3）單軸抗壓強(qiáng)度(Mpa)抗剪強(qiáng)度力學(xué)指標(biāo)單軸壓縮指標(biāo) 粘聚力C(Mpa)內(nèi)摩擦角φ彈性模量E50（104Mpa）泊松比μ50 計(jì)數(shù)9 9 9 9°9 9 最大值2.64 24.50 2.67 31.20°2.74 0.34 最小值2.58 14.70 1.43 25.80°1.23 0.31 frm平均值(MPa)2.61 19.43 2.03 27.96°1.97 0.33 σ標(biāo)準(zhǔn)差0.02 3.67 0.44 1.91°0.54 0.01 δ變異系數(shù)0.01 0.19 0.22 0.07°0.27 0.03 ψ休正系數(shù)1.005080.881990.863690.95716°0.828250.97914 frk標(biāo)準(zhǔn)值(MPa)2.6257717.13991.7523326.758°1.631640.32094

3）建筑物：綜合按C35混泥土考慮，其彈性模量取3.15e10kpa、泊松比取0.2，附加建筑荷載按30KN/層來計(jì)算。

3.3 強(qiáng)度折減法計(jì)算

3.3.1 計(jì)算模型選取及工況

根據(jù)前述斜坡變形破壞模式分析，大方縣醫(yī)院舊址斜坡整體穩(wěn)定性計(jì)算公式均采用《滑坡防治工程勘查規(guī)范》（DZ/T0218-2006）附錄E.1.1、E.1.2、E.2.1進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)斜坡的變形特征和巖土結(jié)構(gòu)，選擇2-2′剖面作為代表驗(yàn)算剖面（圖3）。

計(jì)算工況為最不利荷載組合。

工況1：自重+地下水+荷載

工況2：自重+地下水+100年一遇特大暴雨+荷載。

3.3.2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述確定的計(jì)算參數(shù)（力學(xué)參數(shù)選用峰值）和計(jì)算剖面對變形區(qū)在工況1、工況2分別進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，計(jì)算成果見表4。

圖3 代表計(jì)算剖面模型圖

表4 不穩(wěn)定斜坡穩(wěn)定性系數(shù)和剩余下滑推力成果統(tǒng)計(jì)

3.4 數(shù)值模擬

將2-2′代表剖面根據(jù)建模要求延長得到二維剖面模型（圖4）。土層由上到下所確定的本構(gòu)關(guān)系分別為：Elastic、Burgers Model、Mohr-Coulomb。使用與強(qiáng)度折減法相同的參數(shù)。選取自重+建筑荷載工況，選用FLAC3D蠕變模塊進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果見圖5～8。

圖4 網(wǎng)格劃分圖

由圖5豎向位移云圖可知，在建筑荷載施加平臺(tái)出現(xiàn)的位移最為明顯，其位移值大于其前端剪出口的位移值。同時(shí)圖6也反映平臺(tái)的水平位移大于剪出口的位移值。一般情況下，斜坡在其自身重力作用下，坡體剪出口位置的位移肯定是最大的，在坡腳還會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中。本分析條件下最大位移并不是出現(xiàn)在剪出口，進(jìn)而說明斜坡平臺(tái)在在建筑荷載作用下坡體產(chǎn)生蠕變，平臺(tái)處的位移值都是大于剪出口的位移值。圖7和圖8是布置在坡體監(jiān)測點(diǎn)得到的位移變化曲線，其橫坐標(biāo)是蠕變時(shí)間步，縱坐標(biāo)是位移。由圖7可知id=1100出現(xiàn)的水平位移最大，該點(diǎn)位與平臺(tái)前緣。而布置在剪出口id=1545的位移值最小。圖8也反映了id=1679的豎向變形最大，剪出口的位移值較小。

3.5 斜坡穩(wěn)定性綜合評價(jià)

通過強(qiáng)度折減法驗(yàn)算，變形斜坡在工況1時(shí)和工況2時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)均＞1.15。數(shù)值模擬也發(fā)現(xiàn)，無論是水平位移還是豎向位移，斜坡剪出口的變形始終小于平臺(tái)產(chǎn)生的水平位移和豎向位移。這與現(xiàn)場變形基本一致，斜坡自90年代初出現(xiàn)變形以來，并沒有出現(xiàn)整體移動(dòng)現(xiàn)象，這與現(xiàn)場的宏觀狀態(tài)相吻合，斜坡不會(huì)發(fā)生整體滑移變形。

圖5 豎向位移圖

圖6 水平位移圖

圖7 水平位移監(jiān)測曲線

圖8 沉降監(jiān)測曲線

3.6 斜坡變形成因分析

通過上述計(jì)算和驗(yàn)算排除斜坡滑移變形后，認(rèn)為斜坡變形是不均勻的巖土體結(jié)構(gòu)、特殊的水文地質(zhì)環(huán)境，為斜坡的變形提供了動(dòng)態(tài)條件，在后期不合理的工程活動(dòng)中（建筑基礎(chǔ)處理不當(dāng)、集中抽排地下水等）為斜坡區(qū)的變形提供了外部動(dòng)力條件產(chǎn)生的以沉降為主的變形。通過對斜坡區(qū)的地表、房屋變形特征進(jìn)行調(diào)查后，并結(jié)合勘查資料分析，認(rèn)為引發(fā)斜坡區(qū)的變形主要有自然因素與人為因素兩方面的原因（黃健等，2020；杜文舉和景淑媛，2020；丁秀美，2005）。

3.6.1 自然因素

1）根據(jù)鉆探、井探，物探等勘察手段，并結(jié)合地質(zhì)調(diào)查，區(qū)內(nèi)碎石土的碎、塊石含量在不同部位差異性大。一是在平面上，種子公司—縣醫(yī)院舊址變形區(qū)及二中變形區(qū)的碎塊石含量明顯高于其它區(qū)域，而在縣醫(yī)院家屬樓舊址—縣醫(yī)院住院部舊址一帶至二中圍墻舊址之間的斜坡地帶碎塊含量最大。二是在剖面上，碎石土在不同部位，不同深度范圍差異性大，從高密度電法物探圖（圖9）像反映出碎石土的不均勻性，電性表現(xiàn)為：高電阻率團(tuán)構(gòu)成的的碎塊石團(tuán)塊呈透鏡體分布，中—低電阻區(qū)的碎石土碎石含量低，且碎石粒徑小，這處分布規(guī)律性較差。為地表產(chǎn)生不均勻沉降提供了良好的巖土結(jié)構(gòu)環(huán)境。

圖9 研究區(qū)4-4高密度電法物探示意圖

2）抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，地下水徑流速度較大，孔與孔之間水力聯(lián)系較強(qiáng)，水力坡降大；另外大方縣曾有“99口井”之稱。說明研究區(qū)地下水十分豐富，地下水主要賦存在碎石土層中，碎石土具有孔隙率高，透水性好的特點(diǎn)，加之土體中存在大量巨塊石，是地下水富集、運(yùn)移的良好場所，為地下水徑流主要通道。豐富且活躍的地下水導(dǎo)致第四系土層很持續(xù)的難排水固結(jié)，一旦地下水位出現(xiàn)較強(qiáng)烈的下降將致使土體發(fā)生差異排水固結(jié)沉降，當(dāng)?shù)叵滤惶之a(chǎn)生土體軟化及潛蝕作用導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)松散，如此循環(huán)則是研究區(qū)長期出現(xiàn)地表變形的主要因素（蔣忠信，2003；王飛，2019；萬宏宇等，2020；李剛和李恩興，2020）。

3.6.2 人為因素

1）現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，斜坡區(qū)已變形的建構(gòu)物均為淺基礎(chǔ)變形區(qū)的變形時(shí)間均集中在建筑物修建后1～3年內(nèi)或者建設(shè)初期。分析認(rèn)為變形斜坡體地處大方縣城中心地段，區(qū)內(nèi)低矮建筑構(gòu)物基礎(chǔ)均置于雜填土中，雜填土結(jié)構(gòu)松散，且為1990年以后堆積，為久固結(jié)土，承載力較低；部份建筑地基形式為雜填土和碎石土的混合地基，建筑物在兩種土的接觸部位未設(shè)置沉降縫，而造成不均勻沉降；部份基礎(chǔ)位于不均勻的碎石土中，由于碎石土的碎塊石含量在不同部位差異性較大，巖土體級配較好的地段建筑變形較弱，較差的部位變形較強(qiáng)；建筑物密布，受相鄰基礎(chǔ)影響，易產(chǎn)生不均勻沉降。

2）變形斜坡前緣西大街沿線一帶在90年代進(jìn)行全方位的工程建設(shè)，大量的工程建設(shè)中抽排地下水，致使區(qū)內(nèi)地下水位降幅較大，土體因失水而產(chǎn)生固結(jié)、沉降變形，而當(dāng)停止抽排地下水后水位恢復(fù)，變形逐漸減弱，如此反復(fù)，加劇土體的變形，形成地基的不均勻沉降。另外老城區(qū)大量生活污水順坡、溝漫流，說明區(qū)內(nèi)的排污、排水系統(tǒng)多處受損或堵塞，造成大量生活污水直接入滲，對區(qū)內(nèi)地下水水位變幅存在一定的影響，同時(shí)加劇斜坡的變形。

4 結(jié)論

研究表明斜坡地表及建筑物變形不一定全部都是滑動(dòng)變形，也可能是其它形式的變形。如大方縣醫(yī)院舊址斜坡變形區(qū)通過穩(wěn)定性驗(yàn)算后發(fā)現(xiàn)發(fā)生滑動(dòng)的可能性小，是在不良巖土條件和復(fù)雜的水文地質(zhì)條件，在自然和人為活動(dòng)的影響下，發(fā)生持續(xù)的水-土循環(huán)耦合作用引發(fā)以不均勻沉降為主的斜坡地表變形。

李輝，趙建青，馬佰衡，等．2020．石家莊太行山區(qū)殘坡積土滑坡變形破壞機(jī)理研究[J]．水力發(fā)電，46(11)：40-44+80．

劉傳正，劉艷輝，溫銘生，等．2009．中國地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域預(yù)警方法與應(yīng)用[M]．北京：地質(zhì)出版社．

聶高波．2020．基于強(qiáng)度折減法的土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性研究[D]．河南大學(xué)．

黃健，胡卸文，賀書恒．2020．九寨溝景區(qū)熊貓海上游右岸危巖發(fā)育特征及失穩(wěn)機(jī)理分析[J]．四川地質(zhì)學(xué)報(bào)，40(02)：284-289+308．

杜文舉，景淑媛．2020．FLAC-3D在黃土滑坡變形特征分析中的應(yīng)用[J]．四川地質(zhì)學(xué)報(bào)，40(04)：638-641．

丁秀美．2005．西南地區(qū)復(fù)雜環(huán)境下典型堆積（填）體斜坡變形及穩(wěn)定性研究[D]．成都理工大學(xué)．

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A Study of Deformation Characteristics and Stability of Slope at the Former Site of Dafang County Hospital in Guizhou Province

LIN De-hong HE Xu-dong TIAN Wei-qiang

(The 114th Geological team, Guizhou Bureau of Geology and Exploration and Exploitation of Mineral Resources; The Second Engineering Survey Institute, Guizhou Bureau of Geology and Exploration and Exploitation of Mineral Resources Co.,Ltd., Zunyi, Guizhou 563000)

Based on the detailed investigation of the deformation characteristics and geological conditions of the deformed slope at the former site of the Dafang County Hospital in Guizhou Province, this paper has a discussion on the characteristics of the slope cracks, rock and soil structure in the slope area and deformation and failure mechanism of the slope. The stability of the slope is calculated by means of the strength reduction method and finite element numerical method. The calculation results are in good agreement with the field data. It is considered that the slope deformation belongs to non-uniform settlement deformation which is obviously affected by rainfall and groundwater dynamic change with a low possibility of sudden sliding.

deformed slope; landslide; geological environment; stability calculation; stability factor

2021-03-19

貴州省地礦局青年科研項(xiàng)目[黔地礦科合（2015）13號]

林德洪（1983— ），男，云南馬龍人，水工環(huán)高級工程師，主要從事環(huán)境地質(zhì)、生態(tài)修復(fù)等工作

P642.2

A

1006-0995（2021）02-0277-06

10.3969/j.issn.1006-0995.2021.02.019