湖北省興山縣張家坎小區巖質滑坡穩定性分析與評價

廖祥東, 羅順林

((湖北省地質局 武漢水文地質工程地質大隊,湖北 武漢 430051)

湖北省興山縣張家坎小區巖質滑坡穩定性分析與評價

廖祥東, 羅順林

((湖北省地質局 武漢水文地質工程地質大隊,湖北 武漢 430051)

以湖北省興山縣張家坎小區巖質滑坡為研究對象,根據滑坡產出的地質環境條件及變形特征,對控制和影響滑坡穩定性的各種因素進行分析,采用室內試驗、工程類比、巖體結構面規范標準經驗參數、反演分析等方法綜合分析確定計算參數,對滑坡在不同工況下的穩定性及發展趨勢進行預測評價,并提出防治措施建議。

巖質滑坡;順向坡體結構;工程切坡;穩定性分析

張家坎小區巖質滑坡地處興山縣古夫鎮北部龍珠社區。張家坎移民小區位于滑坡體中上部,計25戶104人;坡腳為興發小區,住戶約200戶800人。另外坡上分布有市政污水管線、上壩公路、鄉道及耕地、果林(見照片1)。

照片1 張家坎小區巖質滑坡全貌Photo 1 Overall perspective of rock landslide in Zhangjiakan Community

據訪問,滑坡最早變形始于1992年6月。滑坡開始變形后滑體每年都有微小—中等順層變形,近年來出現臨空坡體表層巖塊順層滑移及擋墻臌脹外凸等變形現象。滑坡目前處于基本穩定狀態,在降雨及人類工程活動等因素影響下,滑坡存在發生局部滑移破壞的可能,并將影響滑坡的整體穩定性。滑坡一旦失穩破壞,將造成人員傷亡和巨大的財產損失[1]。因此掌握滑坡穩定性現狀及發展趨勢,提出防治措施建議,制定合理的防治方案,對于保護滑坡范圍內人民生命財產安全至關重要。

筆者以湖北省興山縣張家坎小區巖質滑坡為研究對象,選取計算參數,建立計算模型,利用單一平面滑面的滑坡穩定性計算方法,計算在自重+地表荷載、自重+地表荷載+20年一遇暴雨工況下的安全系數,分析其穩定性和滑移模式,并預測其發展趨勢,提出防治工程措施建議。

1 滑坡基本特征

1.1 滑坡形態特征

滑坡位于古夫河右岸斜坡中下部,為巖質斜坡,坡體結構屬順向坡,斜坡中部因修建房屋和公路,在屋后和道路內側切坡,形成臨空面。區內地下水不豐富,勘查期間未見地下水露頭。

滑坡后緣微地貌為狹長平臺,以拉張裂縫L1為界,前緣以坡下上壩公路內側底部為界,公路內側擋土墻高約2.6 m;左側邊界上部以松動巖塊與穩定巖塊分界處為界,略呈弧形,邊界走向110°;右側以沖溝為界,沖溝走向約104°。滑坡平面呈不規則形狀,主滑方向131°,與坡向基本一致。滑坡區地形坡度23°～30°,剖面形態上大致呈階梯形,滑坡坡面上切坡建房,形成高1.5～5.0 m的陡坎,前緣剪出口附近修建一道高約2.5 m的擋土墻,滑坡前緣高程250～255 m,后緣高程330 m,相對高差75 m。滑坡橫寬約150 m,平均縱長180 m,平均厚約5 m,面積2.7×104m2,規模約13.5×104m3,屬淺層中型巖質滑坡。

1.2 滑坡體物質組成及結構特征

1.2.1 滑體

滑坡區出露奧陶系中統寶塔組(O2b)瘤狀灰巖,灰黃色,強—中風化,微晶結構,中厚層狀,裂隙發育,巖體被裂隙與層面切割成塊狀。坡面巖體主要發育有二組裂隙,呈“X型”互切,裂隙多被充填和半充填。節理、巖層、坡面的關系見圖1。

圖1 剪切裂隙與巖層產狀、坡面的關系Fig.1 Relationship of shear fracture，strata occurrence and slope surface

滑坡下部(262 m高程以下)為淺表堆積物,物質成分為碎、塊石土,土石比4∶6～5∶5,塊石直徑一般20～60 cm,大者直徑100 cm,碎、塊石成分以灰巖、泥灰巖為主,結構較松散,此層堆積物厚0.5～2.0 m。

滑坡中上部(305 m和286 m高程處)為建房切坡回填堆填形成的雜填土,巖性主要為碎、塊石土,土石比4∶6～5∶5,塊石直徑一般20～100 cm,大者直徑200 cm,碎、塊石成分以灰巖為主,結構較松散,此層堆積物厚2.0～5.0 m。

根據地形坡度、滑坡周界地質測繪及鉆孔揭露,滑體厚度2.0～8.0 m,中部和下部較大,上部、后緣及兩側厚度較小,滑體平均厚度約5.0 m。

1.2.2 滑帶

巖層面為潛在滑面,根據地表出露、槽探和鉆探揭露可知,巖層面多呈波紋起伏狀,表面粗糙,強風化層表面呈片狀剝落。因坡體滑動,鉆孔揭露的滑動面呈較破碎或較光滑狀態。

從滑坡左側邊界斷面和臨空面可知,坡體主要沿強風化與中風化巖層接觸面滑動,滑面局部可見泥化的軟弱夾層,夾層厚3.0～7.0 cm,可塑,失水易干裂,遇水易膨脹。

1.2.3 滑床

滑床為奧陶系中統寶塔組(O2b)中—微風化青灰色瘤狀灰巖,中厚層狀,節理裂隙較發育,巖石抗風化能力較強。巖層傾向140°～145°,傾角25°～28°。

1.2.4 滑坡滑體厚度和滑動面確定依據

滑體厚度及滑面的確定主要依據現場調查、鉆探巖性、試驗成果綜合確定。現場在滑坡左側邊界斷面和上部民房后臨空面調查發現,坡體變形多沿強風化與中風化巖層接觸面或軟弱結構面滑移。結合原滑坡室內試驗表明,單個鉆孔坡體表層2～6 m范圍內巖石飽和單軸抗壓強度較小,為5.0～14.8 MPa。而同一鉆孔下部巖石飽和抗壓強度較大,為23.9～44.8 MPa,且上下之間部分鉆孔揭露的巖石較破碎。抗壓強度的差異由風化的強弱造成,說明在坡體一定深度范圍內受節理、裂隙、巖體結構面的控制和地表水的入滲影響,巖體風化較強裂,且風化差異較大。潛在滑面附近四組巖石結構面室內飽和抗剪強度試驗值也較低,同一鉆孔深部的飽和抗剪強度試驗值遠高于上部的試驗值。

1.3 滑坡變形特征

滑坡最早變形始于1992年6月,此后每年都有微小—中等順層變形,尤其在降雨量較大的年份。

滑坡后緣出現拉張裂縫(L1),追蹤節理發育,呈鋸齒狀,不規則,局部較平直,本次勘查對L1裂縫用探槽進行了揭露,發現巖體已順層面向下滑動了約0.4 m;裂縫有向坡后延伸的趨勢,已影響到滑坡局部穩定性。

滑坡上部和中部移民小區民房出現墻體開裂和房屋立柱歪斜變形,民房前路面出現多處下錯開裂;2010年8月以來在滑坡體上易見剝落、墜落變形,滑坡上部居民區民房后高切坡,臨空坡面巖塊在雨季和雨后出現順層面下滑,部分下滑巖塊直抵坡下房屋;部分居民在屋后坡面進行臨時支護防止巖塊滑動,調查時發現錨釘鋼筋出現彎曲變形甚至失效的情況;上部巖塊有繼續向下滑移變形的可能,對坡體下方居民區存在較大威脅。

此外滑坡中部居民區平臺外側擋墻下部見臌脹外凸現象,擋墻處見多處開裂變形。滑坡下部262.00 m高程以下為淺表層堆積物,近年來,淺表層堆積物在暴雨影響下順基巖面向下緩慢移動,滑動范圍及方量均有限。

張家坎小區巖質滑坡破壞模式為順基巖層面直線型滑動。已經歷了卸荷回彈滑移階段、壓致拉裂面自下而上擴展階段,目前處于滑移貫通階段[2]。

2 控制和影響滑坡穩定性的主要因素

根據滑坡發育特征和變形特點分析判斷,控制滑坡穩定性的主要因素有地形地貌、地層巖性和地質構造等內在因素,影響其穩定性的主要因素有大氣降雨與人類工程活動等外部因素。

2.1 地形地貌、地層巖性及地質構造

滑坡地處鄂西褶皺山地神農架南部邊緣喀斯特構造剝蝕、侵蝕中山區,滑坡體相對高差75 m,地形坡度23°～30°,坡上因修建房屋和公路,形成多級臨空面(見圖2),有形成滑坡的地形條件。

滑坡出露巖層奧陶系中統(O2b)瘤狀灰巖,中厚層狀,巖層傾向與坡向一致,傾角與坡角近乎一致,且層面之間夾泥化的軟弱夾層,極易產生順層滑動。

另外巖體中節理裂隙發育,坡面巖體主要發育有二組裂隙:①組發育方向240°～250°,傾角50°～80°,較平直,張開度1～50 mm,可探深度0.5～1.5 m,延伸長度3～12 m,局部貫通,2～3條/m,局部2 m一條;②組發育方向20°～40°,傾角50°～70°,張開度1～50 mm,局部可達100 mm,可探深度0.5～1.0 m,粗糙起伏,可見延伸5～15 m,線密度1～2條/m。①組與②組呈“X型”互切,將坡面巖體切割成塊狀。

以上中傾坡、中厚層狀層面及兩組X型裂隙發育、順向坡體結構是滑坡形成的內在條件。

圖2 張家坎小區巖質滑坡工程地質剖面圖Fig.2 Engineering geological section of rock landslide in Zhangjiakan Community

2.2 大氣降雨

興山縣新城區屬亞熱帶大陸性季風濕潤氣候區,多年平均降雨量1 086.1 mm。區內降雨充沛,強度大,但在時間和空間上分布不均,往往形成局部性大暴雨,豐富的雨量成為地下水的主要補給源。

降水通過松散層的孔隙、基巖節理、裂隙、巖層面直接入滲、運移,當層面和裂隙因粘土和其它物質充填透水性減弱時,裂隙水位上升而產生水壓力,同時層面飽水也降低了軟弱的泥化夾層抗剪強度參數。當極限平衡狀態被打破時,順向巖體開始下滑。降雨是滑坡失穩的主要觸發因素。

2.3 人類工程活動

人類工程活動主要為建房和修路切坡,切坡使得坡體巖層形成多級臨空面,致使層面或軟弱結構面出露臨空,破壞了原坡體的平衡狀態。

3 滑坡穩定性分析與評價

3.1 計算參數的選取

利用室內試驗、工程類比、巖體結構面規范標準經驗參數、反算分析綜合確定。

通過室內試驗,試驗結果為:層間結構面(巖與巖)飽和抗剪強度粘聚力C值16.0～41.0 kPa,平均值30 kPa,內摩擦角φ值15.1°～16.7°,平均值15.8°。由于室內試驗取得的巖體結構面抗剪強度較實際滑面要偏高(偏于中風化),因此試驗所得的粘聚力C和內摩擦角φ與實際有一定的差別。

通過對比滬蓉西高速公路第一合同段堡鎮—賀家坪段,由中國地質學(武漢)對奧陶系中厚—巨層狀瘤狀灰巖的層間軟弱結構面所作的專門原位大剪測試及研究,巖體結構面的參數建議值為:C為23～53 kPa,φ為8.9°～33.1°。試驗區巖層傾角40°～45°,大于張家坎小區滑坡(滑坡區巖層傾角23°～28°)。

根據現場測繪調查和鉆探、探槽揭露,張家坎小區滑坡巖層面主要為硬性結構面,表面較粗糙,張開度1～5 mm,鈣質膠結,局部夾泥化的軟弱夾層,根據《建筑邊坡工程技術規范》(GB50330—2013)表4.3.1的有關規定,綜合評定該滑坡層面的結合程度為差;取值范圍:粘聚力C為50～90 kPa;內摩察角φ為18°～27°。

進行反演驗證分析,因滑坡在持續暴雨的條件下滑坡上部305.10 m高程以上坡體已發生了明顯的變形,穩定系數接近1.00。根據實際情況,反演驗證時滑坡穩定系數取Fs=1.00～1.05,選取此時滑面對應的C、φ值,作為飽和狀態滑面的抗剪強度指標。模擬持續暴雨工況對1-1′剖面305.10 m以上高程進行反算分析(見表1);在飽和狀態下,1-1′剖面305.10 m以上滑面(結構面)抗剪強度指標在穩定系數接近1.00時,C:13～16 kPa,φ:14°～17°。

表1 持續暴雨狀態下滑面(結構面)反算分析成果表

滑坡滑面計算參數主要利用滑坡室內試驗數據,根據工程類比、巖體結構面規范標準經驗參數、反演分析,并結合區內地質環境條件、坡體變形破壞特征及其空間變化情況綜合確定。滑面抗剪強度參數綜合取值見表2。

表2 滑面抗剪強度參數綜合取值表

3.2 穩定性計算與評價

滑坡滑面形態近直線型,根據《三峽庫區地質災害防治工程地質勘查技術要求》,采用單一平面滑面法進行穩定性計算分析[3]。從地形地貌和滑坡的剖面形態分析,滑坡穩定性計算主要為局部穩定性計算模式。

(1) 整體穩定性計算。滑坡上部、中部因修建房屋和公路,在屋后和道路內側切坡,形成臨空面,存在局部滑移破壞的可能;整體滑移剪出可能性較小,沒有進行整體穩定性計算。

(2) 局部穩定性計算。分別對1-1′剖面305.10 m高程以上段、1-1′剖面305.10 m高程以下段、1-1′剖面286.40～305.10 m高程段、1-1′剖面278.40～305.10 m高程段進行分段計算(見圖3)。典型計算模型主要根據滑坡的主滑方向實測1-1′剖面305.10 m高程以上段進行建立。

圖3 1-1′剖面分段穩定性計算圖Fig.3 Stability calculation diagram of 1-1′ sectional segment

3.2.1 計算工況

降雨使滑體裂縫、滑面飽水是影響滑坡穩定性的主要因素,重點考慮持續降雨工況及滑體飽水情況的穩定系數,因此計算工況考慮以下二種:

工況Ⅰ 自重+地表荷載。

工況Ⅱ 自重+地表荷載+20年一遇暴雨。

3.2.2 計算結果

計算滑坡推力時,滑坡安全系數工況二(自重+地表荷載+暴雨)下取1.15。滑坡穩定性計算成果見表3。

表3 滑坡穩定性計算成果表

注:滑體的平均厚度僅為5.00 m,裂隙完全充水的可能性小,且后緣裂縫未貫通,裂隙充水對滑坡的穩定性影響較小,因此計算時沒有考慮滑體后緣裂隙充水的情況。

3.2.3 滑坡穩定性計算結果評價

(1) 整體穩定性。滑坡上部、中部因修建房屋和公路,在屋后和道路內側切坡,形成臨空面,存在局部滑移破壞的可能;在305.10 m高程處滑坡上部推力不能連續向下傳遞,整體滑移剪出可能性較小,可視為整體基本穩定,沒有進行整體穩定性計算。

(2) 分段穩定性。天然狀態下,處于穩定狀態。自重+地表荷載+暴雨工況下:305.10 m高程以上段穩定系數為1.004,處于欠穩定狀態;305.10 m高程以下段穩定系數為1.057,處于基本穩定狀態;286.40～305.10 m高程段(剪出口位于中部移民小區房后)穩定系數為1.282,處于穩定狀態;278.40～305.10 m高程段(剪出口位于中部移民小區房前擋墻下)穩定系數為1.113,處于基本穩定狀態。

計算結果與野外地質調查及定性分析基本一致。

4 滑坡發展趨勢及危害性預測

眾多變形跡象表明,張家坎小區滑坡正處于滑移貫通階段,滑坡整體處于基本穩定狀態,其安全儲備不高。滑坡表層土體結構松散,強風化灰巖裂隙發育,透水性強,加之滑坡體上植被稀少,在暴雨或持續強降雨作用下,雨水或地表水體極易沿裂縫直接下滲到坡體內,濕潤軟化結構面,使結構面或軟弱層面抗剪強度降低,裂縫飽水時滑體重度增加。在降雨和人類工程活動加劇等不利影響因素組合下,存在著發生局部滑移破壞從而帶動整個坡體發生滑移破壞,形成滑坡地質災害的可能。

根據滑坡形態和變形特征預測分析,將來滑坡變形破壞具有牽引+推移式滑移特點,即滑坡中上部(305.10 m高程以上段)在上部居民房人工切坡形成臨空面,在不利因素影響下首先發生失穩滑移,推動滑坡中下部(305.10 m高程以下段)于上壩公路內側擋墻處剪出,形成大規模變形破壞。

該滑坡一旦發生滑移,直接威脅周圍居民904人,直接威脅財產將超過8 400萬元,間接經濟損失將超過10 000萬元,危害等級屬Ⅱ級,潛在危害程度相當嚴重。因此,對滑坡進行治理很有必要。

5 防治方案建議

防治工程主要考慮滑坡體的穩定性和滑坡災害發生后的危害程度,以及對環境的影響因素和經濟效益,對滑坡體進行綜合有效的治理。滑坡體治理方案建議如下:

根據滑坡形成與變形的影響因素、穩定性狀和保護對象的分布情況,在進行場地與周邊環境條件的穩定性分區的基礎上,擬設三級支擋。①對305.10 m高程以上因建房削坡形成的1.5～5 m陡坎后坡體采取抗滑樁進行支擋;②在286.40 m高程居民區房屋后設置重力式擋墻;③在286.40 m、305.10 m高程居民區平臺采用抗滑樁(微型)進行支擋,另外需完善排水系統工程;并在滑坡坡體上布置監測工程,根據監測數據確定是否需要對滑坡下部(上壩公路上方)削坡形成的陡坎地段進行支護,使治理更有針對性,確保坡體整體穩定,消除地質災害隱患。

6 結論

筆者在討論控制和影響滑坡穩定性主要因素的基礎上,采用單一平面滑面法分析了不同條件下的滑坡穩定性。得出結論如下:

(1) 控制張家坎小區巖質滑坡穩定性的內在因素主要是中傾坡、中厚層狀層面及兩組X型裂隙發育、順向坡體結構;外在因素主要有大氣降水以及人類工程活動。

(2) 張家坎小區滑坡目前整體處于基本穩定狀態,變形主要表現為滑坡后緣開裂、滑坡中上部民房變形開裂、房屋前路面下錯開裂、臨空坡體表層巖塊順層滑移、居民區平臺外側擋土墻臌脹外凸等。

(3) 在降雨及人類活動等不利因素影響下將發生局部失穩破壞,從而帶動整個坡體發生滑移破壞,具有較大的潛在危害,對其進行綜合治理十分必要。

(4) 在進行場地與周邊環境條件的穩定性分區的基礎上,采取抗滑樁+擋土墻+截排水+監測工程的綜合治理措施進行分段、分級治理;滑坡下部(上壩公路上方)削坡形成的陡坎地段則根據監測數據確定是否需要對其進行支護。

(5) 建議在防治工程實施前,對整個滑坡體展開全面的動態監測預報工作,建立多種手段、多種方法的動態監測預警系統,做好應急預案。

[1] 廖祥東,劉平.湖北省興山縣古洞口五號料場滑坡補充勘查報告[R].武漢:武漢地質工程勘察院,2015.

[2] 黃潤秋.中國西部地區典型巖質滑坡機理研究[J].地球科學進展,2004,19(3):443-449.

[3] 徐邦棟.滑坡分析與防治[M].北京:中國鐵道出版社,2001.

(責任編輯：陳姣霞)

Analysis and Evaluation on Rock Landslide Stability of ZhangjiakanCommunity in Xingshan County

LIAO Xiang Dong, LUO Shunlin

(HubeiInstituteofhydrogeologyandengineeringgeologyofHubeiGeologicalBureau，Wuhan，Hubei430051)

Taking the rock landslide in Zhangjiakan community of Xingshan county as the research object，based on the various factors about geological environmental emergement conditions and formation characterizes of landslide，the controlling and affecting the stability of the landslide are analyzed. Through laboratory tests，engineering analogy，empirical parameters of rock mass structural plane specification standard，inversion analysis and some other methods，the calculation parameters have been determined after a comprehensive analysis. The stability and development trend of landslide under different working conditions have been predicted and evaluated，and the prevention measures have been put forward.

rock landslide； bedding slope structure； artificial slope cutting； stability analysis

2015-09-29;改回日期:2016-03-31

廖祥東(1988-),男,工程師,水文地質與工程地質專業,從事地質災害勘查工作。E-mail:liaodosk@163.com

P642.22

A

1671-1211(2016)05-0712-06

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.05.010

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160811.0903.016.html 數字出版日期:2016-08-11 09:03