淺析山西地區(qū)半成巖地層滑坡的發(fā)育特征

摘 要：本文對山西武鄉(xiāng)某滑坡進行現(xiàn)場勘察，綜合分析滑坡的基本特征、巖土體結(jié)構(gòu)特征和變形破壞特征。分析勘察資料可知，半成巖地層在降雨作用和地表水入滲條件下，抗剪強度指標會加速降低，導(dǎo)致產(chǎn)生滑面，進而形成目前的滑坡體。坡體內(nèi)部形成貫通的滑動面，發(fā)生整體失穩(wěn)。本文采用有限元數(shù)值模擬對其成因機制進行研究，所得結(jié)果與現(xiàn)場實際變形特征基本吻合，表明發(fā)生在第三系半成巖地層中的滑坡，在坡度較緩的前提下，由于半成巖具有易軟化的特性，抗剪強度指標大幅度降低，因此發(fā)生滑坡變形。本文揭示的滑坡的變形破壞過程和誘發(fā)機制對類似半成巖滑坡研究具有一定參考價值。

關(guān)鍵詞：滑坡；半成巖地層；數(shù)值模擬

中圖分類號：P 642" " " " " " 文獻標志碼：A

地層巖性是坡體的主要物質(zhì)組成，是滑坡產(chǎn)生的主要地質(zhì)條件。山西省的滑坡主要發(fā)育在第四系黃土、上新統(tǒng)至下更新統(tǒng)的雜色黏土巖、上新統(tǒng)紅色黏土和三疊系泥巖、砂頁巖地層之內(nèi)，也分布于二疊系煤系地層中[1]。山西省東南部廣泛分布一套沉積相對連續(xù)的上第三系上新統(tǒng)地層榆社群，前人在此進行了大量的地質(zhì)調(diào)查和研究。錢程[2]對山西榆社盆地新近紀沉積演化和古環(huán)境進行了分析，將本地區(qū)地層沉積環(huán)境進行了分類。相興華[3]簡要敘述了榆社群地層的工程特性。鄭仲[4]以實際地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查項目揭示了榆社群樓則峪組地層與滑坡地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)系。胡杰[5]對晉中市榆社群地層滑坡形成機理進行了分析，并就風(fēng)險防控提出建議。張壽釗[6]對榆社群的灰綠色黏土進行了較詳細的研究，研究干濕循環(huán)對灰綠色黏土的抗剪強度影響規(guī)律和土體的微觀結(jié)構(gòu)特征，同時研究榆社群地層中滑坡形成機理和邊坡穩(wěn)定性評價。前人研究雖然涉及榆社群上覆第四系地層的滑坡研究，但是多以綜述的形式簡單敘述，本文結(jié)合武鄉(xiāng)地區(qū)某滑坡實例，采用現(xiàn)場勘察與數(shù)值模擬深入研究具體實例，淺析半成巖地層滑坡的發(fā)育特征。

1 地層描述

榆社群[7]多分布于榆社、武鄉(xiāng)、沁縣和襄垣等境內(nèi)，包括任家垴組、張村組和樓則峪組。榆社群是一套河湖相沉積物，其中任家垴組為一套濕熱氣候條件下的河流相粗碎屑堆積，以灰黃、淺紫色半固結(jié)狀態(tài)的細砂、卵石和礫石層為主，夾粉土、紫紅色黏土和粉質(zhì)黏土。張村組連續(xù)沉積于任家垴組地層之上，是一套濕熱氣候條件下的湖相沉積，間夾河流相沉積物，巖性主要為半固結(jié)狀態(tài)的灰綠、黃綠、灰白和灰黑色黏土，夾薄層泥灰?guī)r、灰黃色粉砂層、淺紫色黏土、粉質(zhì)黏土和少量礫石透鏡體。下更新統(tǒng)下段樓則峪組連續(xù)沉積于張村組之上，是一套濕熱氣候條件下的河流相沉積物，該組巖性主要是呈半固結(jié)狀態(tài)的黃、銹黃和淺紫色砂層，夾紫色河漫灘相的黏土與粉質(zhì)黏土。

2 滑坡變形特征

滑坡位于武鄉(xiāng)，地形地貌為黃土丘陵，地勢東高西低，北高南低，最高處為北端，四周為溝，邊坡的形成除天然原因外，還包括修路等人類工程活動。滑坡區(qū)現(xiàn)地形起伏如圖1所示。

利用野外鉆探和井探工程獲得滑坡區(qū)地層分布特征，表層為第四系全新統(tǒng)人工填土、中更新世沖洪積層粉質(zhì)黏土、中更新世沖洪積層粉砂和下更新世沖洪積層粉質(zhì)黏土，下伏地層為上第三系上新統(tǒng)榆社群張村組黏土。

2.1 滑坡基本特征和變形跡象

滑坡位于南側(cè)，斜坡坡度一般約16°，局部50°，其間有7m陡坎，滑坡區(qū)范圍斜坡寬約186m，標高為1018m～995m。坡面主要為荒地，在野外勘查期間，斜坡中部有地下水滲出。

根據(jù)實地調(diào)查和訪問，滑坡具體變形跡象如下所示。1） 原有漿砌石擋土墻坍塌變形。該滑坡后緣原建有漿砌石擋墻發(fā)生滑塌，下沉高度為2m～3m。2） 原有道路斷裂，塌落高度約為2m。3） 原有排水溝斷裂長度約為50m。

2.2 滑坡成因分析

自然與人為的雙重驅(qū)動作用是導(dǎo)致滑坡區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的根本原因，該滑坡區(qū)的發(fā)育與脆弱的地質(zhì)環(huán)境條件、人類工程活動以及降雨等密切相關(guān)。

2.2.1 水文地質(zhì)條件

根據(jù)調(diào)查，場地周圍無河流。根據(jù)勘察結(jié)果，在鉆孔BK6、ZK2、ZK3、ZK12、ZK13、ZK18、ZK20和TJ9中有地下水，類型主要為松散層孔隙水。該地下水主要有2個來源，一是季節(jié)性大氣降雨補給，受季節(jié)影響顯著；二是各種管道的破裂滲漏。

地下水主要賦存于第四系地層中。根據(jù)現(xiàn)場鉆孔資料，提取第四系地層與下伏新近系地層分界面標高，繪制工程所在地古剝蝕面的起伏情況，如圖2所示。

比較圖1和圖2可知，古剝蝕面即下伏新近系地層頂面為洼地，形似一個“水盆”，周圍高而中間低，而現(xiàn)狀地面則是中間高而周圍低。盆狀的古剝蝕面為地下水的匯集提供了條件，剝蝕面上沉積第四系松散地層，是較好的含水層，地下水可以在其中流動。當(dāng)降雨強度較大時，地下水位會上升，沿著“水盆”的“盆邊沿”向外溢出。下伏新近系的半固結(jié)泥巖透水性較差，是隔水層，地下水沿著古剝蝕面與上覆第四系地層分界面流動和富集，軟化泥巖，形成軟弱帶。

2.2.2 工程地質(zhì)條件

巖土體是孕育滑坡的物質(zhì)基礎(chǔ)。榆社群地層巖性為半成巖，鉆探取樣后，在室內(nèi)進行浸水飽和剪切試驗，抗剪強度指標大幅下降。根據(jù)現(xiàn)場實測坡體剖面可以看到，發(fā)生滑坡的坡度較緩。通常情況下，土層不會在平緩的坡度下發(fā)生滑動，但是當(dāng)下伏土層比較特殊時（例如半成巖地層），在干燥狀態(tài)下十分堅硬，抗剪強度較高，浸水以后巖石會很快崩解，成泥狀，抗剪強度所剩無幾。

2.2.3 降雨因素

根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笳居^測資料，2021年10月當(dāng)?shù)亟邓_到新高度，降雨量陡增。膨脹率試驗表明，覆蓋土層具有弱膨脹性，在干旱季節(jié)土層失水收縮形成裂縫。裂縫貫通，會形成下滲通道。降雨形成的地表水在松散的土體內(nèi)入滲、浸泡并產(chǎn)生地下徑流。由于坡體坡度較緩，因此地表徑流較慢，增加了雨水的下滲量。由于剝蝕風(fēng)化，因此砂巖上層覆蓋泥巖已消失，裸露的砂巖固結(jié)成巖時間短，暴露后很快就會成為散體狀，砂巖本身孔隙較大，是較好的透水層。地表水滲透表層土層，沿軟弱結(jié)構(gòu)面相對富集與運移，浸潤軟化了潛在滑動面（帶），使巖土體強度急劇降低，破壞了斜坡體處于平衡狀態(tài)的內(nèi)應(yīng)力，自重加大，導(dǎo)致斜坡體變形和下滑力增大，不利于邊坡的穩(wěn)定。

2.2.4 人類工程活動因素

滑坡體前緣為新建G519連接線，道路的修建、開挖使坡體前緣出現(xiàn)臨空面。由于坡體下部卸荷、土體原始應(yīng)力平衡破壞等，因此土體中發(fā)育較多裂隙，形成淺層應(yīng)力釋放區(qū)。而下伏泥巖變化不明顯，坡上土體崩裂松散，破壞了斜坡的完整性及其原始應(yīng)力平衡。同時開挖坡體導(dǎo)致坡腳失去支撐點，在外動力（雨水和地表水）作用下，不利于邊坡的穩(wěn)定，為坡體物質(zhì)的重力變形創(chuàng)造了條件，有利于滑坡的孕育形成。

3 邊坡變形機制數(shù)值模擬

3.1 有限元模型建立

根據(jù)邊坡滑動前的地形、地貌特征，建立邊坡有限元計算模型，結(jié)合邊坡體的地層巖性對模型進行概化處理。地層主要為填土、黏土、砂土和半成巖，根據(jù)上述定性分析，滑坡發(fā)育于半成巖地層上覆地層中，在上覆地層與半成巖地層間形成一個滑動帶，其主要組成為遇水軟化的半成巖。

3.1.1 材料參數(shù)

根據(jù)室內(nèi)土工試驗、工程類比和經(jīng)驗相結(jié)合的方法，綜合確定地層的物理力學(xué)參數(shù)，見表1。

3.1.2 邊界條件的選取

分析邊坡地質(zhì)體的巖性和地層分布情況，并根據(jù)均質(zhì)、各向同性的彈塑性體進行有限元分析和計算后，本文采用摩爾庫倫本構(gòu)模型。計算模型水平方向為88m，垂直方向為22m，邊坡地層網(wǎng)格劃分采用四面體網(wǎng)格單元。在建立模型過程中，底部施加垂直方向的約束，約束垂直位移為0；前、后邊界兩側(cè)施加水平方向約束，控制水平位移為0。坡體表面采用自由邊界，無約束條件，建立的有限元計算模型和網(wǎng)格劃分如圖3所示。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

本文利用數(shù)值模擬分析，在邊坡浸水飽和的情況下，上覆土層與下伏半成巖分界面的滑帶位置，隨著時間推移，坡體質(zhì)量增加，滑帶土的性質(zhì)惡化，巖土體發(fā)生蠕變變形，坡體開始發(fā)生塑性變形，出現(xiàn)向坡體臨空面運動的趨勢，滑帶土發(fā)生剪切破壞，最終在分界面形成剪切破壞帶。由于滑帶土抗剪強度指標衰減幅度較大，因此發(fā)生破壞以后，上覆土層滑出距離超過40m，最終停滯于坡底相對平坦的路面。根據(jù)分析和計算可知，變形最大的位置為現(xiàn)場護面墻。因為護面墻具有一定質(zhì)量，所以在變形過程中起到輕質(zhì)擋土墻的作用，使墻后的巖土體變形較小。但是該部分區(qū)域已經(jīng)發(fā)生破壞，后續(xù)治理過程中應(yīng)當(dāng)予以考慮。滑面以上的巖土體位移量較大，已經(jīng)滑離原來位置，由于在數(shù)值模擬過程中是連續(xù)介質(zhì)，因此無法直觀表現(xiàn)出現(xiàn)場坡體滑動的形態(tài)，數(shù)值模擬的總體計算結(jié)果與場變形特征、定性分析基本一致。

根據(jù)數(shù)值模擬可知，在坡體較緩、孕育滑帶的分界面同樣較緩的情況下，在得到充足水源的前提下，巖土體本身的易軟化特性被激活，在重力和外部營力的共同作用下，就會發(fā)生滑坡。

4 結(jié)論

本文分析了現(xiàn)場實際案例，認識了晉東南地區(qū)發(fā)育于上第三系榆社群半成巖地層中的滑坡，結(jié)合野外鉆探和室內(nèi)試驗結(jié)果，找到了滑坡發(fā)生的主要因素。1） 根據(jù)現(xiàn)場勘察和室內(nèi)分析，本文從工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件和降雨因素入手，揭示半成巖滑坡的發(fā)育特征和變形規(guī)律，其中半成巖的物理力學(xué)性質(zhì)為主導(dǎo)因素，降雨入滲和地下水變化是觸發(fā)條件。2） 根據(jù)數(shù)值模擬分析，現(xiàn)場破壞道路落差測量與數(shù)值模擬結(jié)果豎向位移云圖基本一致。從水平位移云圖和最大剪應(yīng)變云圖中可以看出，滑面以上巖土體位移量較大，已經(jīng)滑離原來位置，因為是連續(xù)介質(zhì)，所以在數(shù)值模擬過程中無法直觀表現(xiàn)出現(xiàn)場坡體滑動的形態(tài)，數(shù)值模擬的總體計算結(jié)果與現(xiàn)場變形特征、定性分析基本一致。3） 今后在該區(qū)域進行的工程活動應(yīng)該重視榆社群地層的特殊性，在進行道路路塹開挖等改變坡體形態(tài)的工程中，應(yīng)該加強安全監(jiān)測，做好安全預(yù)案。

參考文獻

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