傾倒－滑移復合型傾倒變形體發(fā)育特征及滲流穩(wěn)定性分析

江榮昊，羅璟，裴向軍，李天濤，孫昊，李騫

（地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室（成都理工大學），成都 610059）

滑坡是地殼表層巖體的一種地質災變現(xiàn)象，是地質內因以及氣候、工程建設等外部誘因共同作用下的產物［1］，在高陡山區(qū)發(fā)生頻率高、分布范圍廣，對人類生命財產帶來了極大威脅的同時，對環(huán)境和資源都具有極強的破壞性。我國幅員遼闊，地質環(huán)境條件復雜，是世界上滑坡災害最嚴重的國家之一［2］。據(jù)初步統(tǒng)計，我國每年由崩滑地質災害造成的經濟損失在300億元人民幣左右［3］。在2008年汶川地震中崩滑地質災害直接造成2萬余人死亡，約占地震死亡人員總數(shù)的1／4［4］。

由于降雨入滲使坡體內孔隙水壓力升高，基質吸力逐漸降低，降低了斜坡的抗滑力，增大了斜坡的下滑力，從而誘發(fā)滑坡的發(fā)生，是滑坡尤其是堆積體滑坡發(fā)生的主要誘因［5－9］。已有統(tǒng)計資料顯示，60%以上滑坡的發(fā)生與降雨有關［10］。

近10a來，在山區(qū)工程建設和災害防治中，以傾倒變形為主的巖質邊坡穩(wěn)定性問題越發(fā)突出。基于大量工程實踐，黃潤秋等將傾倒變形體劃分為傾倒墜覆區(qū)、強烈傾倒區(qū)、輕微傾倒區(qū)、原巖區(qū)4個具有明確地質－力學含義的區(qū)域［11］。而“墜覆體”早在崔政權從事三峽庫區(qū)庫岸穩(wěn)定研究過程中就有提及［12－14］，主要是原巖在“墜潰”作用下而形成的巨塊或碎石夾雜第四系松散物的堆積體，結構更松散、透水性更強，其結構特征決定了降雨入滲速度、下伏滑床面匯流狀況及水力影響程度，導致這類堆積體對降雨的特殊敏感性［15］。

河北省平泉市桲欏樹鎮(zhèn)南洞子村傾倒變形體因2017年修建公路開挖坡腳產生強烈變形，后經大規(guī)模削坡減載應急治理，變形逐漸收斂。但在2019年和2020年雨季都再次出現(xiàn)明顯變形跡象，變形體寬約200m，縱長約80～100m，方量約30×104m3，對坡腳公路與村莊居民造成嚴重威脅。

鑒于此，本文以南洞子村傾倒變形體為研究對象，在開展大量現(xiàn)場勘察工作揭示其物質組成和結構特征，分析其變形破壞模式和演化階段的基礎上，以飽和－非飽和滲流理論為基礎，結合GeoStudio軟件中SLOPE／W和SEEP／W模塊開展不同重現(xiàn)期降雨強度下傾倒－滑移復合型傾倒變形體滲流場演化規(guī)律及穩(wěn)定性計算，初步確定其整體失穩(wěn)的降雨閾值，研究成果對保障坡腳下的居民生命財產安全和重要基礎設施正常運轉具有重要意義，同時豐富對傾倒變形體變形破壞特征的認識，為傾倒－滑移復合型傾倒變形體的預報預警和防治工作提供一定的科學依據(jù)。

1 工程地質概況

1.1 地形地貌

研究區(qū)地勢總體北東高、南西低，最高點位于北東坡頂處，海拔標高806.28m，最低點位于坡腳河谷處，海拔標高606.17m，地形最大高差200.11 m，山脈整體沿NE－SW展布。區(qū)內存在一季節(jié)性溪流，整體流向近NS，河谷寬約80m，河漫灘、階地不發(fā)育，兩側坡體原始植被覆蓋較好，坡度較緩，多為40°～50°，呈“U”字型河谷地貌。

研究區(qū)內變形體的變形破壞模式與區(qū)內的微地貌存在較好的對應關系。南洞子村傾倒變形體高程為615～688m，后期人類工程活動開挖坡體致使坡表地形發(fā)生改變而呈折線形，整體坡度在40°左右，兩側沖溝發(fā)育，坡體在河谷及兩側沖溝的控制作用下呈現(xiàn)三面臨空的孤立脊狀山梁地貌。

1.2 地層巖性

研究區(qū)主要出露第四系及長城系地層，巖性以第四系（Q4）沖、洪積砂礫石及粉砂質黃土以及長城系常州溝組（Chc）灰白色石英砂巖、灰黑色石英砂巖夾薄層頁巖為主。其中長城系常州溝組（Chc）地層總體走向255°，傾向NW，傾角約40°；第四系（Q4）覆蓋層為殘坡積物，覆蓋于長城系常州溝組（Chc）地層之上，其下部為褐黃色含礫亞砂土，礫石呈棱角狀，成分多為灰白色石英砂巖，上部為黃土，以粉砂質亞砂土為主，夾少量粘土及細砂，主要分布于南洞子村坡體及山麓邊坡地帶。

1.3 地質構造

研究區(qū)位置處于華北地臺（華北板塊）中的燕山造山帶的三級構造單元——馬蘭峪復背斜的北部。區(qū)內發(fā)育了馮家店－老毛家－岔溝、南老洞、以及老杜家斷層。其中，南老洞斷層為逆斷層，走向近EW，傾向南，傾角75°～85°。區(qū)內褶皺構造較為發(fā)育，其中黃杖子向斜出露于變形體北部，產于常州溝組（Chc）地層內，向斜北西翼產狀142°∠12°，南東翼產狀0°∠24°，走向NE64°（圖1）。根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306－2015），抗震設防烈度為Ⅵ，區(qū)域穩(wěn)定性較好。

圖1 研究區(qū)地理位置及地質背景

2 南洞子村傾倒變形體特征

2.1 物質組成及結構特征

南洞子村傾倒變形體發(fā)育于黃杖子向斜南東翼，且受西側南老洞斷裂的影響，構造活動跡象明顯，其右側沖溝內發(fā)育大量揉皺現(xiàn)象，存在多處明顯彎曲和架空折斷現(xiàn)象（圖3）。

圖3 傾倒變形體局部構造跡象

由現(xiàn)場勘察所揭示坡體不同部位巖土體結構和變形的差異（圖4），可將坡體由表及里劃分為傾倒墜覆區(qū)、強烈傾倒區(qū)、輕微傾倒區(qū)和原巖區(qū)（表1、圖11）。傾倒墜覆區(qū)高程介于630～680m，主要由雜亂的石英砂巖組成，極少保持原巖結構。強烈傾倒區(qū)出露于變形體的中下部，高程介于618～645m，主要由泥質粉砂巖和灰黑色頁巖組成。由于頁巖抗風化能力遠低于粉砂巖，風化剝蝕較為厲害，故兩者間發(fā)育大量空腔或凹槽，使得巖層在上覆壓力作用下發(fā)生彎折。此外，該區(qū)域巖層傾角自北向南從70°逐漸變緩至近乎水平（圖6），說明坡體整體呈現(xiàn)向南西方向發(fā)生傾倒。

圖4 鉆孔巖芯質量特征

表1 南洞子村傾倒變形體分區(qū)特征

圖6 強烈傾倒區(qū)巖層產狀變化

此外，大部分鉆孔在傾倒墜覆區(qū)與強烈傾倒區(qū)過渡部位揭示了一層厚約20cm的灰白色－白色粉質粘土，土體含水量較高，近飽和狀態(tài)，多呈軟塑狀（圖5）。

圖5 灰白色－白色粉質粘土

2.2 變形破壞特征及演化過程

南洞子村傾倒變形體坡腳楊三線公路于2016年6月開始修建，受坡腳開挖影響，變形體于2017年向西方向發(fā)生變形，在高程介于660～665m的后緣發(fā)育拉裂縫，寬5～10cm；由于變形不斷加劇，2018年采用削方減載＋截排水溝措施進行治理，于2019年初完成；治理完成后，于2019年7月再次發(fā)生變形，在1～3級臺階處均有明顯的出水口，后緣出現(xiàn)明顯錯臺。

2020年8月變形跡象進一步加劇，錯臺高度增加，裂縫明顯擴展并圈閉（圖7）。結合2020年5月和8月對坡表變形跡象的兩次編錄結果（圖8），發(fā)現(xiàn)南洞子村傾倒變形體主要發(fā)育3組貫通性裂縫：（1）變形體后緣下錯裂縫，長約30m，形成高2～3.5 m的錯臺。（2）變形體中部拉張裂縫，長約60m，張開度達1.3～1.5m。（3）變形體兩側發(fā)育多條剪切裂縫，截排水溝多處被剪斷破壞。

圖7 變形歷史遙感圖

圖8 多期裂縫發(fā)育分布圖

2.3 變形機制分析

南洞子村傾倒變形體的發(fā)展演化過程經歷了漫長的地質時期，早期變形受控于坡體結構和上硬下軟的巖性組合特征（上部以厚層－中厚層狀石英砂巖為主、下部以薄層狀粉砂巖夾頁巖為主），在上部陡傾硬巖壓力作用下，下部相對較軟的巖層發(fā)生彎曲變形，上部硬巖向著最大臨空方向（SW向）發(fā)生傾倒、折斷，變形破壞模式為壓縮－彎曲－傾倒，與瓦倫西亞（西班牙）的露天礦邊坡相似［16］。在修建楊三線公路過程中，因坡腳開挖，抗滑力降低，坡體應力發(fā)生改變，變形從受坡體結構控制轉化為受粉質粘土層控制，破壞模式轉變?yōu)槿浠眩?，且變形方向向南發(fā)生偏轉。

通過2020年安裝的雨量和地表位移監(jiān)測發(fā)現(xiàn)（圖2），南洞子村傾倒變形體在8月份的多期降雨累加影響后，地表位移監(jiān)測數(shù)據(jù)均出現(xiàn)陡增，且垂直于公路方向上的G02和G04監(jiān)測點位移量相對更大，故將其連線方向（275°）判斷為主滑方向。而所有的監(jiān)測點在非降雨時段位移數(shù)據(jù)幾乎沒有變化，都說明現(xiàn)階段南洞子村傾倒變形體的變形破壞受控于降雨的影響（圖9～10）。

圖2 南洞子村傾倒變形體全貌圖

圖9 地表總位移曲線圖

圖10 累計沉降位移曲線圖

3 坡體滲流分析及穩(wěn)定性計算

3.1 模型及邊界條件設定

根據(jù)南洞子村傾倒變形體的物質組成、結構特征及現(xiàn)階段變形特征，選取主滑方向上的典型剖面（見圖11）建立數(shù)值分析模型（圖12），共有2 288個節(jié)點、2 175個單元。

圖11 南洞子村傾倒變形體地質剖面圖

圖12 數(shù)值分析模型

根據(jù)鉆孔揭示的低下水位線設置初始水位。模型底部設定為零流量和不透水層邊界。針對表面降雨入滲分析，考慮不同情況以給定表面邊界賦予相應單位流量［17］。

3.2 參數(shù)選取

在SEEP／W模塊中進行瞬態(tài)滲流分析時，除材料的基本物理力學參數(shù)外，還需要體積含水量和水力傳導率。GeoStudio提供了幾種典型含水量樣本函數(shù)，只需給定其飽和土水含量，再采用模塊的體積含水量數(shù)據(jù)點函數(shù)進行估算，可得某材料的土水特征曲線，即體積含水量與基質吸力關系曲線（圖13）。水力傳導率采用滲透系數(shù)數(shù)據(jù)點函數(shù)，運用Fredlund＆Xing方法及結合其體積含水量函數(shù)的方式估算，得到滲透性函數(shù)特征曲線，即水力傳導率與基質吸力關系曲線（圖14）。

圖13 材料土水特征曲線

圖14 材料滲透性函數(shù)特征曲線

在SLOPE／W模塊分析中除原巖區(qū)采用不滑動層模型外，其余均采用Mohr-Coulomb模型。為了提高巖土體物理力學參數(shù)取值的準確性和合理性，采用室內試驗結合相關資料查閱、及反演分析綜合確定。其中反演工況基于2020年8～9月監(jiān)測數(shù)據(jù)確定，以日最大降雨量67.4mm，即單位流量為7.8×10－7m3·s－1·m－2為邊界條件，設計平穩(wěn)持續(xù)性降雨24h（1d）。當各區(qū)物理力學參數(shù)如表2所示時，邊坡次級及整體穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.024（欠穩(wěn)定狀態(tài)）、1.079（基本穩(wěn)定狀態(tài)），與實際情況相符（圖15），故選作模型的物理力學參數(shù)值。

表2 各區(qū)巖土體物理力學參數(shù)取值

圖15 巖土體物理力學參數(shù)反演分析

3.3 不同降雨條件下坡體滲流與穩(wěn)定性分析

3.3.1 方案設計

（1）降雨入滲情況下坡體瞬態(tài)滲流場的分布服從達西定律［18］，在降雨強度和降雨歷時相同的條件下不同降雨雨型對坡體穩(wěn)定性的影像較?。?9］，因此本設計主要考慮平穩(wěn)持續(xù)性降雨。

（2）降雨強度（R）根據(jù)《中國暴雨統(tǒng)計參數(shù)圖集》中暴雨量等值線圖及皮爾遜Ⅲ型曲線，通過模比系數(shù)計算出4個極端降雨工況等級下的設計雨強值，見表3，時間設置為7d，其中降雨持續(xù)時間均為1d（24h），剩余6d降雨量為0，考慮降雨強度和歷時對坡體穩(wěn)定性的影響。

表3 不同工況下24h降雨強度（mm）特征值表

3.3.2 結果分析

（1）在SEEP／W模塊中分別開展4種降雨工況下瞬態(tài)滲流計算，揭示坡體內部孔隙水壓力隨降雨入滲的響應特征（圖16）。結果表明：降雨入滲造成地下水位逐漸抬升，巖土體含水率不斷增加，地下水對變形體的浮托作用及滑帶土的軟化作用也不斷增大；隨著降雨強度的增大，模型中后部負孔隙水壓力范圍逐漸變小，當降雨強度R＞220.8mm（50a一遇）時，負孔隙水壓力逐漸不再變小，而當降雨強度大于巖土體滲透能力時，雨水在坡表形成徑流而流走，因此坡體內負孔隙水壓力不能無限制減小。

圖16 不同重現(xiàn)期降雨下孔隙水壓力圖

（2）將4種工況下瞬態(tài)滲流結果作為SLOPE／W模塊極限平衡穩(wěn)定性計算的孔隙水壓力初始條件進行耦合模擬計算，結果見圖17，并得到不同降雨強度、降雨歷時與坡體穩(wěn)定性系數(shù)關系曲線（圖18）。

圖17 不同重現(xiàn)期降雨下最小穩(wěn)定性系數(shù)圖

圖18 降雨強度、歷時與坡體穩(wěn)定性系數(shù)關系曲線

從以上關系曲線可得，坡體穩(wěn)定性系數(shù)在4種降雨工況下都是減小的，隨著降雨強度的增大，穩(wěn)定系數(shù)減小得越快，12h內尤為明顯；隨降雨歷時增加，水位浸潤線不斷抬升，基質吸力越來越小，坡體穩(wěn)定性越來越差；當降雨強度為108mm／d（5a一遇）時穩(wěn)定系數(shù)下降幅度和斜率最小，降雨強度為256mm／d（100a一遇）時穩(wěn)定系數(shù)下降幅度和斜率最大；隨著降雨結束一段時間后，坡體內水逐漸排出，孔壓逐漸消散，穩(wěn)定系數(shù)逐漸回升。

綜上所述：降雨強度對該變形體的影響較大，且當降雨強度R≥176mm／d（20a一遇）時，穩(wěn)定性系數(shù)將小于1，該變形體將發(fā)生整體失穩(wěn)破壞。

4 結論

（1）南洞子村傾倒變形體受南老洞斷裂的影響，局部構造活動跡象明顯；根據(jù)坡體結構及變形差異性，可將其劃分為傾倒墜覆區(qū)、強烈傾倒區(qū)、輕微傾倒區(qū)和原巖區(qū)。

（2）該變形體早期變形受控于坡體結構和上硬下軟的巖性組合特征，變形破壞模式為壓縮－彎曲－傾倒；而后期由于坡腳修路的開挖和降雨的影響，變形破壞模式轉變?yōu)槿浠眩啤?/p>

（3）結合監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，目前該變形體明顯受控于降雨的影響，特別是淺表層的墜覆區(qū)；降雨強度越大，坡體后部負孔隙水壓力范圍越小，整體穩(wěn)定系數(shù)減小速率越快；當降雨強度大于巖土體滲透能力時，雨水在坡表形成徑流，負孔隙水壓力不再減小；降雨結束后，隨歷時增加，雨水排泄，孔壓逐漸消散，穩(wěn)定系數(shù)逐漸回升，表現(xiàn)出顯著的滯后效應。

（4）降雨強度對該變形體穩(wěn)定性影響程度較大，當降雨強度R≥176mm／d（20a一遇）時，墜覆體穩(wěn)定性系數(shù)小于1，將發(fā)生整體失穩(wěn)破壞；該閾值對其安全預警及防治具有指導意義。