萬州曬網壩滑坡變形機理及穩(wěn)定性規(guī)律跟蹤研究

呂國軍，肖盛燮，陶慶東，楊 潔

（重慶交通大學，重慶 400074）

萬州曬網壩滑坡變形機理及穩(wěn)定性規(guī)律跟蹤研究

呂國軍，肖盛燮，陶慶東，楊 潔

（重慶交通大學，重慶 400074）

針對萬州曬網壩滑坡地質勘查與長期監(jiān)測滑移趨勢不一致的現狀，進行滑移機理跟蹤，并通過物探驗證跟蹤結論。研究了135～175 m范圍變化庫水位及24 h強降水對該滑坡穩(wěn)定性的影響，揭示了真實滑移面地質狀況，糾正了地勘存在的不足，同時分析了滑移破壞機理。結果表明:該滑坡整體穩(wěn)定、局部緩慢滑移;并提出了埋入式抗滑樁、裂隙封閉及地表排水的維護方案。

工程地質;滑坡跟蹤;滑移破壞機理;水位變化;降雨入滲;治理方案

0 引言

曬網壩滑坡位于重慶市萬州曬網村，為三峽庫區(qū)三期地質災害防治規(guī)劃搬遷避讓項目。在三峽項目建設期，居民已搬遷。目前，滑坡前緣175 m以上土地已經下滑，無法耕作。

滑坡邊界特征明顯，前緣為長江右岸，左右兩側均為沖溝，后緣基巖出露，剪出口位于長江岸邊?；麦w平面呈箕形，后緣呈弧形，前部稍寬;剖面形態(tài)呈凸形，前陡后緩?；轮骰较驗?54°，與斜坡坡向一致。其危害性有兩方面:①危害長江航道的安全，將會有大量泥砂流入長江，在江底沉積，降低庫容;②危害村民生命財產安全，出現房屋裂縫垮塌、地面開裂下沉嚴重等現象。

2001年8 月，暴雨誘發(fā)滑體變形，滑坡前緣形成“馬刀樹”，中部公路擋墻開裂變形。此后，局部變形進一步發(fā)展，從崖前至平壩前緣均發(fā)生次級滑坡、地裂。之后，局部多處變形，顯示此滑坡正處于滑移活躍期，但無整體變形破壞跡象。2006年9月，三期蓄水開始，滑體前緣逐漸淹沒至水下，滑體呈現變形加劇趨勢，民房開裂嚴重，特別是滑體左側區(qū)域尤為明顯，滑移區(qū)居民已搬遷。12月份地質勘查表明該滑坡處于滑移加速狀態(tài)，于是實施了GPS位移及測斜儀等同步監(jiān)測。然而監(jiān)測結果顯示，后緣未出現明顯滑移，前緣地表裂縫增多，但滑移較緩。2007年4月1日降雨后，圍繞位于曬網村的QZK3逐漸形成寬約300 m的圈椅狀變形體，之后該滑坡未出現較大滑移。顯然，監(jiān)測跟蹤結論與原地勘資料的穩(wěn)定性分析存在較大差異。

筆者將依據災變鏈式理論［1-2］，以物探驗證跟蹤結論，揭示真實地質構造，重新研究其滑移破壞演化機理，進一步評估庫水位變化及強降雨對該滑坡穩(wěn)定性的影響，提出經濟可行的治理方案。

1 滑動破壞機理

1.1 地質條件

曬網壩滑坡地處萬州向斜北西翼，巖層產狀153°∠4°?；w平面形態(tài)呈弓形，主滑方向4°，前緣高程258～265 m，后緣高程317～328 m，滑體橫寬約1 280 m，縱長約為390 m，厚23 m，面積49.92×104m2，體積1 148×104m3，為土質滑坡。滑體物質主要由褐黃色粉質黏土夾砂巖碎塊石、泥巖角礫組成，滑帶土為粉質黏土夾碎石角礫組成;滑床為侏羅系上統(tǒng)遂寧組泥巖及砂巖組成。

1.2 滑動帶及滑移面分析

該滑坡從2007年開始實施專業(yè)監(jiān)測（圖1），主要監(jiān)測手段為GPS地表位移監(jiān)測和深部位移鉆孔傾斜儀監(jiān)測。選Ⅱ-Ⅱ'剖面研究，根據地質勘查資料，鉆孔布置剖面及擬定滑動帶如圖2。監(jiān)測結果由圖3可以看出，目前位移變化不明顯，滑坡中部及后緣處于穩(wěn)定狀態(tài)，而通過力學穩(wěn)定性計算此結構面為失穩(wěn)階段，二者矛盾?；虑熬壩锾斤@示，滑動帶中前緣深部存在巨型巖石凸狀反坡，阻斷滑移進一步演化，如圖4。對比圖2及圖4可以看出，由于鉆孔間距較大，跨越了滑體凸狀反坡滑面，未能揭示滑動面形狀阻尼真實滑動狀況，導致穩(wěn)定性及滑移破壞機理的評估出現較大偏差。

圖1 監(jiān)測平面布置Fig.1 Layout of tracking

圖2 地質勘探Ⅱ-Ⅱ'剖面Fig.2 Geologic sections ofⅡ-Ⅱ'

圖3 跟蹤變形位移Fig.3 Curves of tracking displacement

圖4 物探剖面Fig.4 Geophysical section

1.3 破壞機理

該滑坡影響因素主要有地形地貌、土層性質、大氣降雨、人類工程活動等4個方面?；麦w前緣地形坡度較大，且堆積較厚的易滑土層;滑坡的后部巖層露頭較多，易于透水，從中部到前緣，巖塊巖屑含量降低，而黏土質含量增多，堆積物結構由松散變得較為致密，從而透水性由好變差，堆積物中孔隙水易于在前緣蓄積;大氣降水補給第四系土層，增加了其自重壓力，松散土層易于透水，遇水軟化，抗滑力降低;人類活動的影響，如過度開墾、植被破壞、坡面加載等，促使滑坡加劇。

滑坡體土體結構松散，與下伏基巖接觸面構成重要軟弱界面，滑坡體前緣形成臨空面，且滑床坡度大。巖石凸狀反坡背面土體受到滑動面形狀阻尼作用，整體穩(wěn)定;正面前緣土體，在自重應力長期作用下發(fā)生緩慢而持續(xù)的變形，與巖石面之間形成斷裂帶，在庫水位變化及大氣降雨特別是暴雨的誘發(fā)作用下，土體軟化，裂縫擴張，導致滑體前緣土體下沉，形成局部滑移。

2 有限元數值模擬

陳祖煜［3］和趙尚毅，等［4］利用有限元對邊坡穩(wěn)定性進行分析，并對各種支護方案進行大量模擬。研究表明，數值計算具有可行性。

采用ABAQUS軟件，土體破壞準則依據非關聯(lián)流動法則的Mohr-Coulomb本構模型，塑性勢面采用連續(xù)光滑橢圓函數。其特點是參數獲取簡單，屈服面塑性流動方向明確?；鶐r采用線彈性模型。非飽和土體強度由有效應力控制［5-6］。

以物探剖面為依據，建立二維有限元模型，穩(wěn)定性分析采用強度折減法。巖土力學參數見表1，該參數在重復剪實驗基礎上，考慮到現場巖土與所取試驗樣本存在區(qū)別，根據工程經驗，乘以一定折減系數所得。

表1 巖土力學參數Table 1 Mechanical parameters of rock and soil masses

庫水及雨水滲透過程中，水力滲透系數與基質吸力關系為［5］:

式中:kw為滲透系數;aw，bw，cw為參數;kws為飽和土滲透系數;ua，uw分別為孔隙氣壓力和孔隙水壓力，文中僅考慮孔隙水壓力。

水-力特征曲線，即飽和度與基質吸力關系為［5］:

式中:Sr為綜合飽和度;Si為殘余飽和度;Sn為最大飽和度;as，bs，cs根據實驗確定的參數。

3 計算結果分析

3.1 自重作用穩(wěn)定性分析

分兩個計算步:自重作用和強度折減。網格采用CPE4R，共18 513個單元。

從塑性區(qū)分布看，巖石滑移面正面土體下沉，但未滑移，背面及后緣土體處于穩(wěn)定狀態(tài)，如圖5。表明滑坡整體穩(wěn)定，局部欠穩(wěn)定，與GPS監(jiān)測結論一致。從σx來看，滑移帶水平向應力集中出現在與巖石結構面交界部位，其它部位沒有出現較大拉應力，這與現場實際情況比較吻合。

圖5 自重作用塑性區(qū)分布Fig.5 Distribution of plastic zone on gravity

在自重作用下，剪出口無明顯位移變化，土體強度折減后，位移突變，塑性區(qū)貫通，穩(wěn)定性系數為1.07，如圖 6。

圖6 剪出口水平位移隨折減系數變化Fig.6 Curve of horizontal displacement and reduction coefficients in shear zone

巖石正面土體逐漸滑移，如圖7，說明土體與巖石交界面抗拉能力較弱，出現15.5 cm裂縫，此處為鏈式演化的弱勢環(huán)節(jié)，穩(wěn)定性較低，在其它因素作用下容易局部失穩(wěn)破壞。

圖7 土石結合面位移變化Fig.7 Curve of displacement of interface between rock and soil

3.2 庫水位變化計算結果分析

引入自重作用應力場作為初始應力，網格采用CPE4P，共18 592個單元?？疾鞄焖环謩e為135，145，155，165，175 m時剪出口及角點水平位移變化情況。計算結果如圖8。

圖8 庫水位變化時剪出口及角點處水平位移Fig.8 Curves of horizontal displacement in shear zone and corner point under different reservoir level

庫水位為135 m時，剪出口與角點均未滑移，滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài);隨著庫水位的升高，剪出口與角點逐漸滑動;當水位升高到165 m以上時，剪出口發(fā)生位移突變，產生滑動，而角點滑動加速，但未突變，且塑性區(qū)未貫通。可見，在庫區(qū)水位變化范圍內，該滑坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，但是在165 m以上較高水位時，滑坡剪出口可能發(fā)生局部滑移，隨著抗力的減小，進而影響整體穩(wěn)定性。

3.3 強降水作用計算結果分析

強降水為坡面滲透和裂縫靜水壓力耦合作用。分析降水強度為10，20，30 mm/h，持續(xù)時間為24 h時的邊坡穩(wěn)定性，計算結果如圖9。降雨強度隨時間變化系數見表2。

表2 降雨強度隨時間變化系數Table 2 Changes of precipitation intensity coefficients

圖9 不同降雨強度剪出口及角點處水平位移Fig.9 Curves of horizontal displacement in shear zone and corner point under different precipitation intensity

隨著降雨強度的增加，出現局部滑移，在8～16 h時間段內，滑移速度較快，之后隨著降雨強度的減小，滑移變慢。由于孔隙壓力的增大，造成有效應力降低，導致最大位移出現在內部，而非滑坡表面，這與吳禮舟，等［7］的研究結果一致。降雨強度為10 mm/h，持續(xù)時間為24 h時，剪出口及角點均未出現位移突變，處于緩慢滑移狀態(tài);降雨強度為20 mm/h，持續(xù)時間為8 h時，剪出口及角點出現加速滑移，但塑性區(qū)未貫通，處于欠穩(wěn)定狀態(tài);降雨強度為30 mm/h，持續(xù)時間為5 h時即出現滑移加速及塑性區(qū)貫通，處于失穩(wěn)狀態(tài)?？梢?，持續(xù)強降雨會導致該滑坡加速滑移破壞。

4 治理方案

根據曬網壩滑坡的地質特征、滑移演化規(guī)律、形成原因及穩(wěn)定狀態(tài)，綜合考慮各種治理方案的可行性、經濟效益以及施工工期等多方面因素，建議采取以下治理方案。

4.1 地表及裂隙周圍防排水

在地表建立相互干擾較小的排水網絡，且由于滑坡土體和巖體為膨脹巖類，濾水管易堵塞，故應考慮濾水管四周填礫，以達到長期排水的效果［8］;巖石面后壁設置截水溝，防止強降水時斜坡上地表徑流滲透進入滑動面。

4.2 裂縫封閉處理

對于巖土拉裂區(qū)，采用黏土夯填密實及混凝土封閉，防止大量積水引起坡體失穩(wěn)。

4.3 抗滑樁支護

前緣設置埋入式抗滑樁［9］，不僅防止庫水位變化及強降水共同作用下，局部發(fā)生滑移，相比全長式抗滑樁，還大大降低了工程費用。

5 結論

曬網壩滑坡滑移趨勢逐漸變緩，與鉆孔監(jiān)測及分析計算結果相差較大。通過物理力學探測及數值模擬，得到以下幾點結論:

1）滑動面內存在巨型巖石凸狀反坡面，阻止了滑坡的進一步滑移，糾正了鉆孔監(jiān)測引起的較大誤差。重新評估滑移破壞機理，自然狀態(tài)下中部到后緣處于穩(wěn)定狀態(tài)，前緣緩慢滑移與巖石塊交界面產生拉裂區(qū)。

2）研究了兩種主要因素對該滑坡穩(wěn)定性的影響。庫水位變化引起的整體滑移可能性較小，165 m以上水位導致剪出口局部滑移;強降水導致裂隙間孔隙水壓較大，在滲透共同作用下，引起巖石塊正面較大范圍土體滑移。通過設置抗滑樁、裂隙封閉和地表排水措施，即可保證滑坡穩(wěn)定。

3）僅考慮基質吸力與飽和度的關系，從有效應力原理研究了流固耦合作用及滑移演化機理。然而滲流水對土體的軟化，也是形成滑坡的重要因素。內聚力和摩擦角與飽和度的關系有待深入研究。

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Follow-up Study on Failure Mechanism and Stability of Shaiwangba Landslide in Wanzhou

Lv Guojun，Xiao Shengxie，Tao Qingdong，Yang Jie
（Chongqing Jiaotong University，Chognqing 400074，China）

In the light of the inconformity between the geological exploration and long-term monitoring sliding trend of the Shaiwangba in Wanzhou，the sliding failure mechanism was tracked.The tracking conclusions were verified by object diction.The influences of the water level variation between 135m and 175m and the heavy precipitation for 24 hours on the stability of the dam were studied.This study revealed the real geological structure and rectified the problems in geological exploration through physical mechanics detection.The results showed that the whole landslide was stable and the partial slipped slowly and proposed spud for anti-slip，fissure closure and surface drainage.

engineering geology;landslide tracking;failure mechanism;water level change;soil infiltration;preventive treatment

P642

A

1674-0696（2013）02-0297-05

10.3969/j.issn.1674-0696.2013.02.26

2012-04-28;

2012-09-02

國家自然科學基金項目（50879097）

呂國軍（1983—），男，湖北應城人，博士研究生，主要從事邊坡穩(wěn)定性及治理方案的研究。E-mail:bloglgj@163.com。