紅層泥巖大型深層滑坡形成機制及穩(wěn)定性分析

袁寶遠， 唐堯浩， 趙源峰

(河海大學地球科學與工程學院，南京 211100)

0 引言

紅層軟巖[1-2]是一種外觀以紅色為主的陸相碎屑沉積地層，具有親水性強、遇水膨脹崩解、失水收縮干裂、抗風化能力弱等特性。由于紅層泥巖[3-4]工程地質(zhì)性質(zhì)較差，斜坡容易產(chǎn)生變形破壞現(xiàn)象，但大多現(xiàn)象為崩塌與淺層滑動變形破壞[5-7]，深層滑動破壞很少。

隧洞進出口邊坡的穩(wěn)定性是隧洞工程重點關(guān)注的問題，其位置選擇依賴于準確的穩(wěn)定性分析與評價。斜坡穩(wěn)定性分析的理論和方法[8]越來越成熟，極限平衡分析法[9]和數(shù)值計算方法[10]是斜坡穩(wěn)定性分析的主要方法，降雨作用[11]和地震動力作用[12-13]是使巖體邊坡穩(wěn)定性降低的主要因素，成熟數(shù)值計算FLAC3D軟件[14]等的應用使斜坡穩(wěn)定性計算越來越精細。

青海東部地區(qū)紅層泥巖廣泛分布。青海省引黃濟寧工程從黃河干流龍羊峽水庫引水至湟水流域西寧海東地區(qū)。引黃濟寧工程的供水工程區(qū)有大量的紅層泥巖變形破壞現(xiàn)象，在供水工程初步勘察設(shè)計過程中發(fā)現(xiàn)，供水干線16#隧洞的進口邊坡主要由西寧組上段泥巖組成，在隆國村一帶發(fā)現(xiàn)大型深層滑動破壞滑坡體，初步設(shè)計的進口位置在滑坡體前緣。

本文根據(jù)滑坡體特征及周圍地形地質(zhì)條件，建立了隆國村滑坡體破壞前的斜坡地質(zhì)模型，根據(jù)對斜坡地質(zhì)模型的穩(wěn)定性計算，分析了滑坡體的形成機制。對隆國村滑坡體，建立斜坡三維計算模型，分析天然、降雨及地震工況下的滑坡體的穩(wěn)定性，為施工圖設(shè)計階段引水線路供水工程干線16#隧洞的進口位置選擇提供依據(jù)，也為紅層泥巖區(qū)類似工程的分析評價提供借鑒。

1 滑坡體工程地質(zhì)條件

引黃濟寧工程供水干線16#隧洞長6 794.63m，最大埋深306m，隧洞進口位于親仁溝右岸，為滑坡體前緣?；麦w位于親仁鄉(xiāng)溝一帶溝右側(cè)隆國村地段，滑床巖性為古近系泥巖夾砂巖，滑坡體總長1 200m,高差280m，滑坡自然坡度20°～25°，滑坡主滑方向250°，滑坡后緣呈圈椅狀，后壁地形坡度較大，近似直立。自后壁山體分水嶺至前緣有多條“V”形沖溝發(fā)育，切割深度較大，最大切割深度達50m,在沖溝兩側(cè)次級滑坡發(fā)育，多為中小型滑坡，近期滑動現(xiàn)象明顯，土質(zhì)疏松，張拉裂縫發(fā)育，地表水沿裂縫下滲對滑坡體的穩(wěn)定極其不利，綜合判定該滑坡體穩(wěn)定性較差。根據(jù)鉆孔揭露，滑坡體前緣滑動面深度約30m，以泥巖、砂巖碎塊為主，夾砂狀巖屑(圖1)。

滑坡體兩側(cè)斜坡自然坡度35°～40°，主要地層概括如下：

1)西寧組上段。紫紅色、灰紫色中—薄層狀泥巖為主。局部夾中厚層狀粗粒巖屑長石砂巖、粉砂巖。零星見透鏡狀細礫巖，偶見厚2cm左右的石膏層。地層傾向245°～255°，傾角20°。

2)上更新統(tǒng)黃土。淺灰黃色風積沙土、黃土，粒度較細。近水平產(chǎn)狀。

青海省引黃濟寧供水工程區(qū)50a超越概率10%時的基巖水平峰值加速度0.195g。

圖1 紅層泥巖深層滑坡典型地質(zhì)剖面Figure 1 Red beds mudstone deep layer landslide typical geological section

2 滑坡形成機制分析

供水干線16#隧洞的進口邊坡所處的地段巖層主要是西寧組上段紅層泥巖，局部夾層狀砂巖，該地段上覆土層為黃土。由于西寧組上段順傾，該地段可能變形破壞方式有兩種，一種是沿地層的表面風化巖形成斜坡淺層滑動變形破壞，一種是沿地層的巖層面滑動破壞。由于第一種破壞形式對工程的影響較小，滑動變形破壞的規(guī)模有限，加上上覆黃土的保護作用，降雨對斜坡的穩(wěn)定性影響也僅限于在坡表面。第二種變形破壞形式可能產(chǎn)生大型滑動破壞，一旦破壞，對工程的影響很大。

紅層泥巖斜坡形成過程中由于應力的調(diào)整，坡體產(chǎn)生變形，一般在坡頂后緣會產(chǎn)生拉應力集中，產(chǎn)生拉裂縫，拉裂縫深度發(fā)展到一定程度，會穿過黃土層，再穿過上部泥巖層，進入砂巖層。暴雨條件下，坡頂雨水匯集，流入深裂縫，穿過黃土、上部泥巖層，到達砂巖層后，由于砂巖層具良好的透水性，雨水在砂巖層中快速入滲到砂巖與下部泥巖的交界面，水沿砂巖與泥巖交界面向下流動，使交界面泥巖一側(cè)大面積軟化，形成飽和軟弱面?；卢F(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，后緣陡坎系拉裂成因，坡頂仍有與陡坎平行的深陡張裂隙，陡坎底部有3m厚砂巖層順傾向出露，砂巖下為順傾向出露的泥巖。根據(jù)上述分析，建立的滑坡破壞前斜坡地質(zhì)模型如圖2所示。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)合鉆探資料分析，得到模型參數(shù)斜坡坡度ɑ為40°，軟弱面傾角β為20°，坡高H約為270m，黃土層厚度約5m，上部裂開泥巖厚度約22m，砂巖底面坡面出露點與坡頂高差h約為240m。

圖2 紅層泥巖滑動破壞前斜坡模型Figure 2 Slope model before red beds mudstone sliding failure

參照黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司與青海省水利水電勘測設(shè)計研究院聯(lián)合完成的黃河引黃濟寧項目初步設(shè)計工程地質(zhì)報告中建議的巖土體力學參數(shù)，確定模型計算參數(shù)見表1。

采用FLAC3D 7.0軟件進行數(shù)值模擬計算，對天然狀態(tài)進行強度折減穩(wěn)定性計算。圖3為天然狀態(tài)下斜坡在強度折減到2.742時最大的剪應變增量圖，從計算結(jié)果可以判斷天然狀態(tài)下的斜坡是處于穩(wěn)定狀態(tài)。

對暴雨工況進行強度折減穩(wěn)定性計算。圖4為暴雨工況下強度折減之后的剪應變增量圖，折減系數(shù)為0.607，可以看出當滑坡體處于飽和狀態(tài)時，滑坡體穩(wěn)定性很差，在接近飽和狀態(tài)時就會處于失穩(wěn)狀態(tài)。從計算結(jié)果可以判斷暴雨可以是滑坡產(chǎn)生的觸發(fā)因素。

圖3 天然工況強度折減下最大剪應變增量Figure 3 Maximum shear strain increment under natural condition strength reduction

圖4 暴雨工況強度折減下最大剪應變增量Figure 4 Maximum shear strain increment under rainstorm condition strength reduction

采用加動載法計算地震工況下滑坡體的穩(wěn)定性， 選取加速度為50a超越概率為10%的基本地震動峰值加速度為0.10g的地震波(圖5)。

圖5 地震工況強度折減1.1最大剪應變增量Figure 5 Maximum shear strain increment under earthquake condition strength reduction factor 1.1

由圖5可以判斷該地震工況下滑坡體強度折減穩(wěn)定性系數(shù)約為1.05。由滑坡周圍斜坡還受該滑坡影響處在破壞過程中，滑坡的形態(tài)特征也表明該滑坡形成時間不長，該區(qū)幾百年內(nèi)也沒有強震記錄，斜坡在地震作用下也處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。可以判定地震不是該滑坡的觸發(fā)因素。

綜上分析可知，隆國村紅層泥巖大型深層滑坡的形成機制：傾向坡外的西寧組上段泥巖斜坡，坡面長期蠕變使斜坡后緣產(chǎn)生拉裂縫，裂縫穿過上覆黃土層，進一步使西寧組上段泥巖裂開，達到西寧組上段中的砂巖夾層。在暴雨時，雨水順裂縫穿過黃土層和上部泥巖到達砂層后，穿過砂巖到達砂巖和下部泥巖分界面。由于泥巖透水性差，雨水改變流向，順砂巖泥巖界面向坡腳方向流動，同時由于浸泡作用，使界面附近的泥巖軟化成飽和狀態(tài)，強度降低，使斜坡產(chǎn)生順砂巖泥巖界面滑動，從而產(chǎn)生深層滑動破壞。

表1 紅層泥巖滑動破壞前斜坡模型參數(shù)Table 1 Red beds mudstone before sliding failure slope model parameters

在引黃濟寧工程供水工程區(qū)，紅層泥巖傾角以小于10°的近水平產(chǎn)狀為主，20°左右的緩傾產(chǎn)狀較少，紅層泥巖區(qū)坡度和高度組合達到產(chǎn)生深大裂縫的可能性也較小，裂縫發(fā)育連通砂巖夾層的幾率也小，強降雨能大量灌入裂縫使界面軟化，從而使斜坡達到失穩(wěn)也需要一定的降雨強度并且坡面有一定的匯水面積。因此紅層泥巖深層滑坡發(fā)生的幾率很小。但由于形成深層滑坡要有一定的坡度和坡高條件，滑面又在深部的層面上，一旦形成滑坡，其規(guī)模較大。因而，研究紅層泥巖滑坡體的穩(wěn)定性及其預防還是具體一定的現(xiàn)實意義。

3 滑坡體穩(wěn)定性分析

對供水干線16#隧洞的進口邊坡所處的隆國村附近的滑坡體，采用FLAC3D 7.0軟件進行三維數(shù)值模擬，其三維數(shù)值模擬模型建立基于工程地質(zhì)資料。模型整體有40 016個節(jié)點，78 961個網(wǎng)格。其中模型從上到下共分為3組。第一組為滑坡體，第二組為強風化古近系泥巖，第三組為弱風化古近系泥巖。數(shù)值計算模擬模型見圖6。

圖6 紅層泥巖滑坡數(shù)值模擬模型Figure 6 Red beds mudstone landslide numerical simulation model

參照黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司與青海省水利水電勘測設(shè)計研究院聯(lián)合完成的黃河引黃濟寧項目初步設(shè)計工程地質(zhì)報告中建議的巖土體力學參數(shù)，確定滑坡計算模型參數(shù)見表2。

圖7為天然狀態(tài)下斜坡在強度折減到1.66時最大的剪應變增量三維云圖，可以看出，天然狀態(tài)下的斜坡是處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7 天然工況強度折減下最大剪應變云圖Figure 7 Nephogram of maximum shear strain under natural condition strength reduction

圖8為暴雨工況下強度折減之后的剪應變增量三維云圖，折減系數(shù)為0.643.可以看出當滑坡體處于飽和狀態(tài)時，滑坡體穩(wěn)定性很差，在接近飽和狀態(tài)時就會處于失穩(wěn)狀態(tài)。

圖8 滑坡暴雨工況強度折減后剪應變增量Figure 8 Shear strain increment after landslide rainstorm condition strength reduction

采用加動載法計算地震工況滑坡體的穩(wěn)定性，選取加速度為50a超越概率為10%的基本地震動峰值加速度為0.10g的地震波(圖9)。

圖9 地震波時程曲線Figure 9 Seismic wave time-travel curve

圖10 為地震波作用40s時剪應變增量云圖，顯示該地震工況下斜坡穩(wěn)定性較好。圖11是強度折減系數(shù)為1.3對應的剪應變增量圖，可以判斷該地震工況下滑坡體強度折減穩(wěn)定性系數(shù)約為1.25。

表2 滑坡體穩(wěn)定計算模型參數(shù)Table 2 Landslide mass stability computation model parameters

圖10 40s時剪應變增量云圖Figure 10 Nephogram of shear strain increment at 40s

圖11 地震荷載下強度折減系數(shù)1.3的剪應變增量Figure 11 Shear strain increment under seismic load strength reduction factor 1.3

圖12為在0.1g地震波作用下加速度放大系數(shù)等值線圖。由圖12可以看出，地震波加速度在滑坡體上部與坡腳處方法系數(shù)明顯增大。在坡腳處加速度放大系數(shù)達到了4倍，而在上部加速度放大系數(shù)達到了2.8左右。可以看出在坡體內(nèi)也會有相對的放大系數(shù)集中，坡體內(nèi)的放大系數(shù)極值為2.8左右。

圖12 加速度放大系數(shù)等值線Figure 12 Isogram of acceleration amplification factors

綜合以上分析，滑坡體在天然狀態(tài)下穩(wěn)定性較好，地震作用下也基本穩(wěn)定，但在暴雨條件下滑坡體達到飽和狀態(tài)，滑坡體穩(wěn)定性較差，降雨仍然是可能引起滑坡體再失穩(wěn)的最重要因素。地震作用下滑坡體加速度局部放大系數(shù)較高，在設(shè)計過程中也應引起重視。由穩(wěn)定性計算也可以判斷，滑坡體以下滑床的泥巖受各種不利因素的影響較小，在各個工況下都處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)論

1)引黃濟寧工程的供水工程干線16#隧洞進口邊坡主要地層為西寧組上段紅層泥巖， 隆國村附近的大型深層滑坡的穩(wěn)定性是施工圖設(shè)計中應充分考慮的問題。若進口設(shè)在滑坡體兩側(cè)的山體中，應注意分析進口附近邊坡有無形成深層滑動的條件，避開潛在的深層滑動破壞。

2)隆國村大型深層滑坡形成的主要條件包括：傾向坡外的緩傾角紅層泥巖中有能在坡腳附近出露的透水性好的砂巖夾層，坡面長期蠕變使斜坡后緣形成穿過黃土層和砂巖夾層上部的泥巖層的拉裂縫，持續(xù)的降雨使雨水灌入裂縫并通過砂層后順砂巖泥巖界面向坡腳方向流動，砂巖泥巖層界面附近泥巖大面積軟化使強度減低到使斜坡能沿界面產(chǎn)生滑動破壞。

3)隆國村大型深層滑坡天然工況下穩(wěn)定性較好，地震工況下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，暴雨條件下可能處于失穩(wěn)狀態(tài)。隧洞的進口施工圖設(shè)計時也可以考慮避開滑坡體或隧洞深埋至滑面以下一定深度，并考慮進口與滑坡前緣保持一定距離或考慮加固措施。