文冠谷堆積層滑坡預警監(jiān)測

張 宇，劉 鍇，邢仕文，曹小紅，2

(1.新疆工程學院，烏魯木齊 830000； 2.新疆地質災害防治重點實驗室，烏魯木齊 830000)

0 引言

新疆地處亞歐大陸腹地，地質環(huán)境復雜，氣候條件多樣，地質災害頻發(fā)[1-2]。為有效應對新疆地區(qū)滑坡災害，需要建立合理有效的邊坡防護體系并開展預警監(jiān)測意義重大。水的外動力地質作用是誘發(fā)該滑坡的主導因素，其他因素為次要因素，對滑坡因素進行監(jiān)測對于減少損失、提升監(jiān)測治理方案的有效性具有重要意義。通過布設鉆孔傾斜儀和土壓力傳感器監(jiān)測儀器，在降水量監(jiān)測和凍土監(jiān)測的基礎上開展監(jiān)測預警[3-5]。

以新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市文冠谷邊坡監(jiān)測為工程實例，對邊坡地表位移、地下位移、地表水流速進行監(jiān)測，并結合室內剪切試驗、固結試驗，分析邊坡失穩(wěn)原因，所得實驗結果可以用來指導邊坡防護設計。

文冠谷位于王家溝斷裂的一條分斷裂帶上，該斷裂帶為近東西走向，位于一條斜坡之上，地表可以明顯觀察到斷層造成的裂縫隙和地面沉降等現象。文冠谷地勢狹窄，不利于使用全站儀等遠程監(jiān)測設施進行監(jiān)測，故使用鉆孔傾斜儀對邊坡變形進行監(jiān)測，可以探測邊坡實時變形，并可以證實和確定正在發(fā)生位移的特征和部位。除了自然因素對邊坡的影響，人工活動也對邊坡的穩(wěn)定性有著顯著影響。2020年，有車輛在文冠谷北坡進行砂土開采。2021年，距離文冠谷大約500 m處進行了宿舍樓施工。這些工程活動對文冠谷內邊坡的穩(wěn)定性都產生了一定的影響。通過地表位移監(jiān)測、地下變形監(jiān)測、周邊環(huán)境監(jiān)測，對文冠谷內的邊坡進行監(jiān)測，結合其他單位的地質調查資料和氣象資料，對地層巖性、地質構造、水文地質條件、工程活動對滑坡的影響進行分析，利用文冠谷附近的凍土觀測站，分析凍土對邊坡穩(wěn)定性的影響。

1 工程地質背景

文冠谷堆積層滑坡位于新疆烏魯木齊頭屯河區(qū)新疆工程學院主校區(qū)東側溝谷一帶，滑坡點坐標N43°50′44″ E87°25′17″。烏魯木齊地處中國西北地區(qū)，地勢起伏懸殊，山地面積廣大，三面環(huán)山，位于天山北麓(博格達峰)，是新疆新構造運動較為強烈的地區(qū)之一，含有新生代褶皺，多有地震發(fā)生，包含西山斷層、白楊南溝斷層、雅瑪里克斷層、九家灣斷層、王家溝斷層組等多條斷層。文冠谷堆積層滑坡位于王家溝斷裂帶附近。王家溝斷裂帶錯斷了王家溝東岸的三級階地和部分礫石臺地，地表主要呈現出一些大斷裂帶、斷層陡坎和擠壓鼓包。由于斷層多發(fā)易導致周邊巖土體結構不穩(wěn)定，常出現斷層泥、斷層角礫巖、破裂巖等，從而易導致滑坡發(fā)生，對周邊居民、建筑工程都有影響。

研究區(qū)地段整體是由坡積或洪積-河床相發(fā)展的過程，其中有大面積的淺湖相或湖心相，存在小型裂隙，局部存在卸荷張拉節(jié)理，存在交錯層理夾層。此新構造運動決定著外力過程的性質和強度，如在強烈抬升的高原和山岳地區(qū)，地形切割強，坡度大，所以常形成重力堆積物、山岳冰川堆積物和洪積物等。而在以沉降運動為主的平原和盆地地區(qū)，則以湖沼沉積物和沖積物等最為發(fā)育。

坡度在幾何特征上會影響邊坡的分布，坡度越陡，松散固體物質和碎屑顆粒越容易分布堆積。在對研究區(qū)周邊地形地質勘察和查閱相應文獻基礎上發(fā)現，邊坡坡度大于40°時，崩塌、滑坡、泥石流的發(fā)生頻率較高；而坡度小于10°，邊坡較平緩時，滑坡的發(fā)生頻率相對減少。此地存在安全隱患，坡角都在34°～47°，坡角較大，邊坡穩(wěn)定性不太好。土體的凍脹融沉作用引起的路基裂縫。

文冠谷滑坡發(fā)生在2020年7月2日，滑坡在東西兩向上展布，沖壞了周邊格擋圍欄向北爬高了約5 m,后攜帶著被破壞的草木植被以泥流形式向西運動，最終沿溝向西運動了150 m。在現場考察基礎上，認為降水和人工灌溉是誘發(fā)滑坡的主要因素，滑坡土體以“氣墊船”的方式發(fā)生活動。

對圖1中土體取樣進行固結、直剪試驗，第一階固結實驗時，第一階陡坎和第二階陡坎較為明顯，分別出現在施加壓力為100 kPa和400 kPa時。在第二階實驗時，第二階陡坎出現較為明顯，施加壓力為400 kPa時，第一階陡坎并不明顯，見圖3、4。

圖1 滑坡形狀(鏡頭向南)Fig.1 Landslide shape(the lens to the south)

圖2 滑坡上掉落的澆灌水管Fig.2 Water pipe that fell from a landslide

圖3 第一次固結實驗p-s曲線(橫坐標為p壓力、縱坐標為s位移，單位分別為kPa、mm)Fig.4 P-s curve of the first concretion experiment(x-coordinate p means pressure, y-axis s means kPa, mm)

根據實驗數據分析，一次固結實驗數據如圖3所示，二次固結實驗如圖4所示。

圖4 第二次固結實驗p-s曲線(橫坐標為p壓力、縱坐標為s位移，單位分別為kPa、mm)Fig.4 P-s curve of the second concretion experiment(x-coordinate p means pressure, y-axis s means kPa, mm)

根據直剪試驗所測得的剪切位移及儀器所固定不變的量力環(huán)校正系數C(C=10.075 kPa/0.01 mm)、環(huán)刀的橫截面積A=32.2 m2。根據公式τ=CR,σ=P/A,P為所施加的法向應力，可以計算出對應的τ和σ的值，繪制圖如圖5。截距為內聚力c，斜率為tanφ，則可得出土樣的內聚力c和土樣顆粒的內摩擦角φ，繪制出表1。而已知土的內聚力和內摩擦角越大，則土的抗剪強度越高，即土坡越穩(wěn)定。

表1 土樣剪切試驗數據分析Tab.1 Analysis of shear test data of soil samples

圖5 邊坡工程監(jiān)測機制Fig.5 Slope engineering monitoring mechanism

2 邊坡工程監(jiān)測

為獲取施工前后和施工期間邊坡變形、力學性質、周邊環(huán)境等信息，以指導施工、預報險情，需要對邊坡的地表位移、地下變形和周邊環(huán)境進行監(jiān)測。若早冬時天氣較暖或溫度變化幅度大、冷暖交替頻繁，土體凍結速度會變得緩慢，水分能夠充分遷移到土體內部，使得凍脹量相對較大；若冬季溫度較低、降溫速度特別快，凍結速度也會變快，土體在較短時間內就能到達最大凍深處，水分無法充分快速地遷移，從而使得凍脹量變小。而凍結鋒面較長時間地停留在一個地方時，會使水分向上移動并在這一位置處積聚形成聚冰層，使得該處的濕度較大，易超過液限。在春天融化期的降雨，上層部分融化的冰水不能及時快速排到外面，容易導致翻漿。

研究區(qū)每年在10月底至11月初進入凍結期，到第二年的3月底出現凍融情況仍然比較明顯。而此過程將會持續(xù)5個月左右，已經近乎占到了全年的1/2。在天然條件下發(fā)現凍結層起初只是在地表形成，而后發(fā)現逐漸由地表向土體深部發(fā)展?，F在發(fā)現的最大凍土層發(fā)育深度可達1.0～1.5 m。凍結期降水(雪)因氣溫持續(xù)處于過低的情況下從而不能融化，并且由于溫度一直低于零下，也就是水體仍然處于凍結情況，則該凍土上的雪體在地表積蓄變厚，最大積雪厚20～30 cm。每年3月底和4月初進入凍融期，凍結層和積雪開始融化。凍融期一般不超過1個月[6]。

2.1 地表位移監(jiān)測

進行地表位移監(jiān)測前，需對邊坡進行人工勘察，查明坡體是否存在地表裂縫、地面鼓脹等現象，邊坡整平后需對滑坡填充段每日一檢，防止填充土不密實造成的二次滑坡。地表位移的監(jiān)測采用GPS法和位移計法相結合的方式，將遙感技術與地表接觸監(jiān)測相結合提高邊坡地表位移監(jiān)測的精確度。

進行GPS法邊坡監(jiān)測前需檢查邊坡周圍是否有信號塔、高壓電線等干擾信號的設施，經檢查邊坡附近并無干擾信號的設施。GPS法邊坡監(jiān)測使用南方測繪S86GPS接收機接收GPS衛(wèi)星信號，以文冠谷西側的蓄水池、實習工廠為基準點，在邊坡坡腳10 m處布設一臺GPS接收機全天候實時監(jiān)測邊坡地表位移情況，并將監(jiān)測信息同步傳導至計算機中。整理統(tǒng)計數據，繪制沉降量折線圖。

坡頂處每間隔4 m設置一個滑線電阻式位移計，該位移計的優(yōu)點在于適用于邊坡表層的素填土，并可以測量土體各個方向的位移?；€型需要較穩(wěn)定的電源，可以將蓄水池處的電源與位移計相連通，位移計測量期間需要定期進行人工巡測，確保位移計性能完好。位移計測量間隔設置為24h一次監(jiān)測，將所得數據導出、儲存、打印，與GPS法測量相對照。

2.2 地下變形監(jiān)測

地下變形監(jiān)測設計使用鉆孔傾斜儀監(jiān)測和土壓力傳感器監(jiān)測。

鉆孔傾斜儀用來監(jiān)測邊坡地下傾斜狀況，在文冠谷西側第一個拱形骨架處，坡頂處打入3.5 m深、直徑30 cm的鉆孔，在鉆孔內放置固定型鉆孔傾斜儀，設置每隔8 h測量一次，通過測量時夾角的變化，繪制傾斜角度隨時間變化的曲線。

布設土壓力傳感器用來監(jiān)測地下應力情況。選用鋼弦式土壓力計，在邊坡坡腳、邊坡坡頂等容易產生應力集中的地點設置土壓力計，監(jiān)測期間根據邊坡實際狀況可以加設土壓力計。土壓力計埋設采用鉆孔法，每個鉆孔根據實際情況可放置多個土壓力計。采用頻率儀測得埋設土壓力的頻率數值，從而換算出土壓力計所受的土壓力大小，并繪制土壓力變化過程曲線及隨深度的分布曲線。

2.3 周邊環(huán)境監(jiān)測

周邊環(huán)境監(jiān)測主要側重于降水量監(jiān)測和凍土監(jiān)測。在邊坡坡頂放置3個雨量計，記錄工程區(qū)域的雨量變化，繪制降水量隨時間變化的曲線。利用邊坡對坡已有的凍土觀測站和凍融循環(huán)機，對邊坡土體在凍融循環(huán)作用下的強度變化進行定期測試。

3 結語

針對文冠谷堆積層滑坡，在前期土體力學試驗基礎上，建立合理有效的邊坡工程監(jiān)測機制。通過對地表位移、地下形變及降水和凍土監(jiān)測，對該滑坡進行監(jiān)測，對減災防災具有重要意義。