亂石崗滑坡體成因機制分析及穩定評價

匡 義,陳五一,戴妙林,李 建

(1.河海大學水利水電工程學院,江蘇 南京 210098;2.中國水電顧問集團成都勘測設計研究院,四川 成都 610072)

1 前 言

我國自 20世紀以來,發生了一系列大型滑坡災害,這些滑坡涉及到不同的地質環境條件和坡體地質結構,具有不同誘發機制和觸發因素。黃潤秋等人對其復雜的演化機制和過程的地質 -力學機制進行了總結,典型的模式有:滑移–拉裂–剪斷“三段式”模式、“擋墻潰決”模式、近水平巖層的“平推式”模式、反傾巖層大規模傾倒變形模式、順傾巖層的蠕滑(彎曲)–剪斷模式等[1-2]。主要地質 -力學機制及對應的滑坡見表1。

滑坡災害對人們的經濟、生活甚至生命安全造成了巨大的影響,因此,研究滑坡體的成因機制和對其目前的穩定性作出評判有著重要的現實意義。

表1 地質-力學機制及對應的滑坡

2 工程概況

亂石崗滑坡位于無名溝和松林溝之間,分布高程約 860～998m,滑坡體平面最大寬度約 800～1000m,最長約 1000m,滑坡體厚度 8～20m。整個滑坡體地形坡度 10°～15°。滑坡發育于奧陶系下統O11-3薄～中層細砂巖夾泥質粉砂巖及粉砂質黏土巖 、泥巖,巖層產狀為 N30°～ 38°W NE∠13°～16°,滑帶為相對較弱的黏土巖、泥巖等形成的軟弱層。根據現場調查和鉆孔揭露,區內發育多條軟弱結構面,這些軟弱結構面多沿巖體順層發育,可分為兩大類,一類是黏土夾碎屑型,另一類為碎屑夾黏土型。亂石崗滑坡是流沙河河谷下切至 800～850m高程時,沿一條順層發育的軟弱結構面發育而成的。

3 亂石崗滑坡成因機制分析

亂石崗的原生軟巖在長期應力集中或在地質構造活動的擠壓下形成軟弱夾層,隨著流沙河的下切,下伏的軟弱夾層出露于地表,為其蠕滑提供了臨空面。蠕滑變形導致軟弱夾層的小變形逐漸累積,應力集中現象愈趨嚴重,如果受到暴雨或者地表水下滲的影響,軟弱夾層在水的作用下強度進一步降低,層間顆粒逐步變細,形成泥化夾層。在此期間,由于蠕滑變形使后緣巖體形成拉裂縫,隨著拉裂縫的擴展,為亂石崗邊坡沿結構面滑動提供了條件。泥化夾層強度的逐步降低和拉裂縫的進一步擴展,在長期累積效應或者極端環境(如暴雨、地震)的作用下,將發生滑坡。所以,其整個失穩過程為一個長時期的蠕滑—剪斷過程(見圖1[3]、2[3])。

圖1 滑坡形成前河谷狀態

圖2 滑坡失穩后河谷狀態

4 亂石崗滑坡的穩定評價

4.1 亂石崗滑坡的分區及軟弱結構面特征

根據現場調查和勘探成果,依據滑坡區及周圍不同部位巖土體的結構特征和變形特征等,亂石崗滑坡及其影響區主要分為:滑坡堆積區、拉裂松動區、拉裂松弛區等。滑帶為相對較弱的黏土巖、泥巖等形成的軟弱層帶,厚約 20～50cm。區內發育多條軟弱結構面,這些結構面多沿巖體內薄層泥巖順層發育,厚度一般 5～30cm,可以分為黏土夾碎屑型和碎屑夾黏土型兩類。另外,在邊坡后緣拉裂松動區內,分布著多條拉裂縫。圖 3為邊坡分區及形態示意圖。

4.2 模型的建立及物理力學參數的選取

按照上述邊坡分區及形態特征建立計算模型(見圖4、5),選取滑坡區典型斷面作為計算模型,模型邊坡高 140m、寬 570m,左右邊界按照規范取 1倍坡高,下邊界取 1/2坡高,采用薄層單元模擬滑帶、軟弱結構面以及拉裂縫,模型左右邊界采用 x方向法向約束,底部邊界采用固定端約束。

圖3 邊坡分區及形態示意

圖4 模型整體示意

圖5 模型局部放大示意

根據現場大剪試驗和配套的室內物性試驗所取模型各個區域及結構面的參數見表2。

4.3 計算結果及穩定評價

首先通過繪制出坡體在天然自重下的塑性區貫通程度和最小主應力分布情況,對坡體目前的穩定性作出初步評價。圖 6為坡體天然自重狀態下的塑性區貫通情況,從圖中可以看出:在滑坡堆積區和松動巖體內已基本形成連續的塑性區,只是沒有完全貫通(其他區域未出現或僅出現極小面積的塑性區),這種未完全貫通的塑性區有成為潛在滑動面的可能,在不利工況下有可能形成滑坡。圖 7為坡體最小主應力分布情況,由圖可見,坡體后緣的拉裂松動區和拉裂松弛區最小主應力為拉應力,因此有可能導致新的拉裂縫的產生和已有拉裂縫的進一步擴展,對邊坡的穩定產生不利的影響。

表2 巖土體物理力學參數

圖6 天然自重狀態下塑性區貫通情況

圖7 天然自重狀態下最小主應力云圖

為了對邊坡的穩定性有進一步的定量的認識,采用強度折減法計算下面 3種工況下邊坡的安全系數并繪制出剪切應變增量云圖:(1)天然工況(該工況考慮的荷載為巖土體自重);(2)暴雨工況(該工況除考慮巖土體自重外,還考慮降雨引起的巖土體強度降低、容重的增加、孔隙水壓力的影響);(3)地震工況[該工況除考慮巖土體自重外,還考慮地震(按照Ⅶ度計算)引起的水平推力]。表3為邊坡分別在這三種工況下的安全系數計算成果。圖 8、9、10分別為在這三種工況下強度折減到失穩狀態時的剪切變形增量云圖。

表3 亂石崗邊坡穩定性計算結果

圖8 天然工況剪切應變增量云圖

圖9 暴雨工況剪切應變增量云圖

圖10 地震工況剪切應變增量云圖

從表3及圖 8～10可以看出,在天然工況下,邊坡穩定狀況良好,當折減系數達到 1.378時,剪切應變增量形成明顯的塑性貫通區,由此可判斷天然工況安全系數為 1.378,安全儲備較高,穩定性良好;在暴雨工況下,穩定性降低,折減系數為 1.102時,即出現明顯塑性貫通區,且塑性區有擴大的趨勢;在天然 +地震工況下,穩定性進一步降低,折減系數為0.996時,出現了明顯塑性貫通區,且塑性區進一步擴大,幾乎布滿整個邊坡表面。此時對應的安全系數為 0.996,小于 1,表明邊坡在地震工況下將會失穩。另外,從各種工況下塑性區的分布可以看出,在滑坡堆積區和拉裂松動區,更容易形成塑性區域,而拉裂松弛區穩定性相對良好。因此,治理時應重點針對滑坡堆積區和拉裂松動區采取抗滑支護措施。

5 結論及建議

(1)通過對亂石崗邊坡滑坡成因機制的分析,可以得出其為典型的蠕滑 -剪斷模式,此類滑坡是長時期蠕變,最終在后緣巖體產生剪斷而導致的滑坡。在滑坡過程中,水對結構面的軟化及拉裂縫的擴展起到了關鍵的作用。

(2)根據穩定性評價結果,滑坡堆積區以及拉裂松動變形區巖體在暴雨及地震工況條件下的安全儲備較低,在不利因素影響下存在失穩的可能。由于滑坡堆積體位于建筑場地下方,滑坡體上設計了數條公路,滑坡失穩將破壞公路的正常運行,并且也可能影響其后緣拉裂松動變形區的穩定性,因而必須對滑坡堆積體采取必要的治理措施。為盡可能保持滑坡堆積區原有的環境條件,建議采用抗滑樁支擋措施。據推力計算結果,滑坡體及強烈拉裂松動變形巖體失穩產生的下滑推力較大,普通單排樁難以滿足要求,因此建議采用多排抗滑樁分級支擋,最好與規劃的建筑場地布置相結合,并作好地表及地下排水措施。

(3)處于拉裂松弛變形區巖體,其穩定性狀況較好,出現較大規模失穩的可能性較小,但不排除在不利因素誘發下,局部開挖面上的塊體有失穩的可能。因此工程期間應根據擋墻基槽開挖的實際情況采取適當支擋、錨固或護坡措施,以保證基槽邊坡的施工安全。

[1]黃潤秋.20世紀以來中國的大型滑坡及其發生機制[J].巖石力學與工程學報,2003,26(3):433-454.

[2]李守定,李曉,等.大型基巖順層滑坡滑帶形成演化過程與模式[J].巖石力學與工程學報,2007,26(12):2473-2480.

[3]張廷柱,黃潤秋.漢源縣城新址蘿卜崗亂石崗滑坡區穩定性專題研究報告[R].2008.

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[5](美國)劉波,韓彥輝.FLAC原理、實例與應用指南[M].北京:人民交通出版社,2005.