濟(jì)南市南部山區(qū)水井北村滑坡成因機(jī)制及穩(wěn)定性研究

李志峰，田光彩，王寧，李坤

(山東省魯南地質(zhì)工程勘察院(山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)大隊)，山東 兗州 272100)

0 引言

2019年8月，受臺風(fēng)“利奇馬”影響，濟(jì)南南部山區(qū)水井北村發(fā)生滑坡地質(zhì)災(zāi)害，滑坡發(fā)生在坡體南側(cè)前緣，損毀了坡體前緣的兩處民房，北側(cè)坡體已發(fā)生明顯蠕滑并出現(xiàn)大范圍張拉裂縫?；麦w長度約122m，寬約33m，滑坡體體積約7649m3，已對邊坡下方7戶民居26位村民的生命財產(chǎn)造成一定程度的威脅和破壞。水井北村滑坡是臺風(fēng)誘發(fā)的危害較嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害，作為濟(jì)南市內(nèi)典型的強(qiáng)降水誘發(fā)滑坡，如何認(rèn)識水井北村滑坡類型與成因機(jī)制，如何進(jìn)行滑坡體應(yīng)急調(diào)查與整體穩(wěn)定性評價，不僅具有重要的學(xué)術(shù)意義，也可指導(dǎo)濟(jì)南市類似滑坡體穩(wěn)定性分析[1]。本文在水井北村滑坡工程地質(zhì)特征分析的基礎(chǔ)上，探討了滑坡類型及發(fā)生的地質(zhì)成因機(jī)制，并對滑坡體的整體穩(wěn)定性進(jìn)行了評價。

1 地質(zhì)背景

滑坡體位于低山區(qū)，區(qū)內(nèi)地形整體呈西高東低、北高南低趨勢?；麦w位于山體前緣，早期村民建造房屋切坡形成了陡立面，立面高差6.7～9.8m。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，滑坡體及附近區(qū)域出露的地層主要有寒武紀(jì)九龍群崮山組、炒米店組及第四系：崮山組巖性以灰色薄層疙瘩狀—鏈條狀灰?guī)r、竹葉狀灰?guī)r互層為主，夾薄板狀灰?guī)r；炒米店組巖性以灰色薄層泥質(zhì)條帶灰?guī)r、鮞?；?guī)r、中厚層竹葉狀灰?guī)r為主，為區(qū)內(nèi)主要出露地層，區(qū)內(nèi)巖層整體傾向?yàn)镹NW向，傾角較小，巖層產(chǎn)狀為345°∠4°；第四系主要分布在山間盆地和山麓斜坡上，第四系厚度變化較大，由東向西厚度逐漸變小。

滑坡體位于山體前緣，上部由當(dāng)?shù)鼐用裱仄赂脑斐傻奶萏铮麦w下方(東側(cè))為村民修建的房屋，由于坡腳開挖，形成了高陡邊坡。區(qū)內(nèi)破壞地質(zhì)環(huán)境的人類工程活動較強(qiáng)烈。

2 滑坡體勘查工作概況

在充分收集區(qū)內(nèi)已有地質(zhì)、水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，對水井北村滑坡采取了工程地質(zhì)測繪、地球物理勘探、巖土工程勘察、坑探等多項(xiàng)勘查工作(圖1)[2]。

(1)1∶500工程地質(zhì)測繪

根據(jù)踏勘結(jié)果，開展1∶500工程地質(zhì)測繪，獲得了準(zhǔn)確的邊坡特征，以大比例尺地質(zhì)圖作為基礎(chǔ)，對地物點(diǎn)等實(shí)施測繪上圖，對整個滑坡體與影響范圍進(jìn)行工程地質(zhì)測繪，并進(jìn)行專門的水文地質(zhì)測量與地質(zhì)災(zāi)害測量，此外還輔以走訪調(diào)查，調(diào)查內(nèi)容包括自然地理、地層、水體、裂隙、陡崖、人為活動、滑坡活動性、災(zāi)情和險情等[3]。

(2)地球物理勘探

采用手段主要為高密度電阻率法[4]及地質(zhì)雷達(dá)[5]，通過踏勘布設(shè)了高密度電阻率法物探剖面線6條，每隔1m布設(shè)一個物探點(diǎn)，1,2,3線近平行于等高線布置，4,5,6線近垂直于等高線布置。地質(zhì)雷達(dá)根據(jù)高密度電阻率法勘探情況布設(shè)勘探點(diǎn)用于補(bǔ)充高密度電阻率法的效果，布設(shè)了地質(zhì)雷達(dá)剖面線5條，每隔1m布設(shè)一個物探點(diǎn)，同一物探點(diǎn)采用100MHz和200MHz兩種不同的探測頻率。物探探測深度為0～15m[6]。

(3)鉆探

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查情況，在松散堆，積物分布區(qū)布設(shè)了鉆孔6個，共組成3條勘探剖面?；麦w后緣鉆探孔深為10～13m，滑坡體前緣鉆探孔深為15m。所有鉆孔揭露完整基巖的厚度均大于5m。

(4)坑探

在滑坡體石堰上部的平臺內(nèi)側(cè)布設(shè)9個探坑，探坑平面尺寸0.6m×1.0m，深度0.4～1m不等[2-5]。

3 滑坡體基本特征

將現(xiàn)場調(diào)查、工程地質(zhì)測繪、物探、鉆探、坑探等勘查手段取得的結(jié)果綜合驗(yàn)證，得出了滑坡的基本特征[5]。

3.1 滑坡形態(tài)特征

水井北村滑坡邊坡走向近SN向，傾向E，傾角約40°。該區(qū)已有兩處發(fā)生了滑坡地質(zhì)災(zāi)害，地層巖性主要為炒米店組灰?guī)r和第四系殘坡積層，其南側(cè)可見泥質(zhì)頁巖夾薄層灰?guī)r，巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，裂隙發(fā)育，巖石破碎，完整性差，呈散狀或碎塊狀，力學(xué)強(qiáng)度低。

3.2 滑坡物質(zhì)組成

據(jù)ZK1-ZK06號鉆孔資料表明，滑坡體底部巖石為炒米店組中厚層灰?guī)r、竹葉狀灰?guī)r及薄層泥質(zhì)灰?guī)r，淺部風(fēng)化強(qiáng)烈，裂隙節(jié)理發(fā)育，巖體破碎，其下部巖體裂隙較不發(fā)育，完整性較好。將所有勘查工作的資料進(jìn)行了匯總整理，通過鉆探、物探及坑探的數(shù)據(jù)分析，選取了工程地質(zhì)剖面，繪制了綜合工程地質(zhì)剖面圖(圖2)。

1—粉質(zhì)黏土；2—含碎石粉質(zhì)黏土；3—泥灰?guī)r；4—中厚層灰?guī)r；5—竹葉狀灰?guī)r；6—薄層灰?guī)r；7—鉆孔位置、編號及標(biāo)高；8—探槽位置、編號及標(biāo)高；9—分界深度；10—滑動帶圖2 研究區(qū)綜合工程地質(zhì)剖面圖

滑坡體大部分區(qū)域均被第四系松散物覆蓋，巖土體類型為多層結(jié)構(gòu)中壓縮性巖土體，巖性為粉質(zhì)黏土及泥灰?guī)r、灰?guī)r為主，灰?guī)r差異風(fēng)化明顯，無濕陷性和脹縮性等特殊性土(圖3)。

1—推測斷層；2—推測第四系(松散層)；3—推測基巖圖3 研究區(qū)高密度2線解譯圖

3.3 滑動面特征

根據(jù)不穩(wěn)定斜坡變形的現(xiàn)狀及鉆孔資料揭示情況，該斜坡存在土巖分界面及局部存在兩個結(jié)構(gòu)面，經(jīng)穩(wěn)定性分析，滑坡體可能沿著土巖分界面進(jìn)行滑動，根據(jù)鉆探及物探資料顯示，滑動面特征如下：

(1)結(jié)構(gòu)松散，塑性狀態(tài)以軟塑狀態(tài)為主。

(2)導(dǎo)水性較好，地下水的滲透系數(shù)較大。

(3)土巖分界面上部土層含大量碎石，膠結(jié)較差。

(4)土巖分界面上部土層厚度厚薄不一，滑坡體后緣土層厚度在1.5m左右，滑坡體前緣清理前，土層厚2.5～7m。

3.4 滑坡體推測界線

初步推測滑坡體范圍的北部邊界為受災(zāi)房屋北側(cè)，南側(cè)邊界為另一受災(zāi)房屋南側(cè)，東側(cè)邊界為滑坡體前緣、受災(zāi)房屋西側(cè)，西側(cè)邊界為山坡基巖出露處。

3.5 滑床特征

據(jù)鉆孔揭露以及實(shí)地調(diào)查，滑坡中后緣滑床為微風(fēng)化中厚層灰?guī)r，即推測滑坡體以微風(fēng)化中厚層灰?guī)r與第四系松散結(jié)構(gòu)面滑動為主。滑床埋深最大為5m，該層灰?guī)r完整性較好，節(jié)理裂隙閉合，巖體堅硬，工程地質(zhì)性狀較好。

4 滑坡體成因機(jī)制

本滑坡產(chǎn)生的條件十分復(fù)雜，歸結(jié)起來可分為內(nèi)部條件和外部條件兩個方面。不良的地質(zhì)條件是滑坡產(chǎn)生的內(nèi)部條件，人類工程活動、水的作用則是觸發(fā)并產(chǎn)生滑坡的主要外部條件[7-8]。

4.1 滑坡發(fā)育的內(nèi)部條件

(1)地質(zhì)構(gòu)造。區(qū)內(nèi)有小型斷裂構(gòu)造，基巖裂隙較發(fā)育，多個鉆孔揭露灰?guī)r及泥灰?guī)r層間裂隙發(fā)育，局部較破碎。第四系中碎石含量較高，利于地下水的滲入，致使松散層力學(xué)性質(zhì)減弱，兩條斷裂間巖層抬升，加速風(fēng)化，致使風(fēng)化后的松散堆積層厚度較厚，有利于滑坡體的物質(zhì)積累。

(2)地形、地貌因素。滑坡區(qū)處于斜坡地帶，地勢由西向東傾斜?；缕履_是當(dāng)?shù)卮迕裥藿ǚ课蓍_挖形成的臨空面，提供了滑坡向前滑動的空間。

(3)巖層因素。堆積層下伏的灰?guī)r差異風(fēng)化明顯，下伏的薄層灰?guī)r風(fēng)化強(qiáng)烈，風(fēng)化裂隙破壞了巖體的完整性，將土體切割成塊狀和片狀，水沿裂隙活動對巖體的工程性質(zhì)不利。上覆松散層結(jié)構(gòu)松散，抗剪強(qiáng)度低，浸水后易發(fā)生軟化和膨脹，抗滑穩(wěn)定性極差，在自身重力和地形條件下沿土巖分界面發(fā)生滑動。

(4)水文地質(zhì)因素。滑坡區(qū)內(nèi)淺層含水層主要為第四系孔隙水和基巖裂隙水，含水層與大氣降雨關(guān)系密切，對斜坡表層的巖土體影響作用明顯，當(dāng)水滲入上部堆積層后，增大了土石的下滑力，降低其抗剪強(qiáng)度，起到“潤滑劑”的作用，對滑坡下滑起到重要作用[9]。

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)本次滑坡地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)邊坡陡崖高度6.6～22.2m，坡度60°～80°之間，地形條件較為復(fù)雜，滑動方向70°；通過物探和鉆探探明邊坡上存在厚度1.5～6m的松散堆積層，有較好的透水性，下部基巖主要為灰?guī)r，透水性一般，大量降雨后易在巖層交界面形成較好滑動面，存在滑坡有利條件。

4.2 滑坡發(fā)育的外部條件

(1)降雨影響

滑坡發(fā)生正處臺風(fēng)“利奇馬”過境時，臺風(fēng)帶來的降雨下滲進(jìn)入滑坡體松散土體中，增大了土體重度，降低了土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。地表水沿著孔隙下滲，給潛在滑坡提供“潤滑劑”[10]。在長期重力和風(fēng)化作用下，軟弱面逐步向深部擴(kuò)展，出現(xiàn)了與外界貫通的面，坡體結(jié)構(gòu)隨著變形發(fā)展而松動[11]。加上本區(qū)山坡上有季節(jié)性泉眼，雨水和泉水的大量滲入使得基巖接觸面以上的松散土體強(qiáng)度降低，在不利的地形條件下沿軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生滑動。

(2)人類活動的影響

滑坡的表面主要為梯田，四季耕植翻土、挖溝等行為使土層松散，降雨下滲浸潤土體，使坡體物質(zhì)穩(wěn)定性變差。

調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)多處人工開挖形成的臨空面，破壞了坡體的自然平衡條件，坡面形成的裂隙加劇了地下水的下滲，進(jìn)一步影響了坡體的穩(wěn)定性，在自重力作用下，使上部堆積層沿著最危險滑動面產(chǎn)生應(yīng)力松馳，引發(fā)坡體的下滑。

滑坡的形成是自然因素和人為活動因素綜合作用的結(jié)果，水井北村山體滑坡目前整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，局部處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，在持續(xù)不利荷載(人類活動、降雨及地震)的作用下，隨著變形的發(fā)展和加劇，將可能繼續(xù)發(fā)生局部下滑失穩(wěn)情況，危及坡體下村民及村道的安全。

5 滑坡體穩(wěn)定性分析

(1)計算工況

該滑坡變形受水的影響明顯，現(xiàn)選取以下兩種工況組合進(jìn)行計算：工況①：天然工況(自重)；工況②：暴雨工況(自重+50年一遇暴雨)[12]。

(2)計算方法

剛體極限平衡分析法是巖土工程中分析斜坡穩(wěn)定時應(yīng)用最廣的一種方法，其基本思路是：假定巖土體破壞是由于滑體沿滑面滑動造成的，滑動體被看成剛體，不考慮其變形，滑面上巖土體處于極限平衡狀態(tài)，并且滿足摩爾一庫侖準(zhǔn)則[13]。

分析方法選用《滑坡防治工程勘查規(guī)范》(DZ/T0218—2006)推薦的傳遞系數(shù)法，并采用Janbu法(簡布法)進(jìn)行穩(wěn)定性校核，盡可能接近客觀實(shí)際[14-15]。

(3)參數(shù)取值

本次所用計算參數(shù)采用巖礦測試結(jié)果見表1。

表1 水井北村山體滑坡參數(shù)取值表

(4)計算結(jié)果

基于極限平衡原理，采用傳遞系數(shù)法和Janbu法對比計算不同工況下滑坡典型剖面的穩(wěn)定性系數(shù)，計算結(jié)果見表2。

表2 穩(wěn)定性系數(shù)計算結(jié)果一覽表

通過穩(wěn)定性計算，大水井北村山體滑坡在天然條件下，其穩(wěn)定系數(shù)平均值為1.033，整體屬欠穩(wěn)定狀態(tài)。暴雨狀態(tài)下，穩(wěn)定系數(shù)平均值為0.903，坡體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

6 結(jié)論

(1)斷裂發(fā)育、巖層風(fēng)化、地勢傾斜、坡腳臨空面、淺層含水層受降雨影響嚴(yán)重，是水井北村地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)具備滑坡發(fā)生的內(nèi)在條件。

(2)臺風(fēng)帶來的降雨和山坡上原有的季節(jié)性泉水入滲、村民四季耕植翻土挖溝等行為，是滑坡發(fā)生的外在條件。

(3)水井北村山體滑坡在天然條件下，穩(wěn)定系數(shù)平均值為1.033，整體屬欠穩(wěn)定狀態(tài)。暴雨狀態(tài)下，穩(wěn)定系數(shù)平均值為0.903，坡體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。坡體在持續(xù)不利荷載(人類活動、降雨及地震)的作用下，隨著變形的發(fā)展和加劇，將可能繼續(xù)發(fā)生局部下滑失穩(wěn)情況。