某不穩定斜坡穩定性分析與評價

黃 旭, 范 堯, 楊義成, 張力濤

(山東省水利勘測設計院,山東 濟南 250013)

某不穩定斜坡穩定性分析與評價

黃 旭, 范 堯, 楊義成, 張力濤

(山東省水利勘測設計院,山東 濟南 250013)

結合某不穩定斜坡治理的具體工程實例,通過野外地質測繪、勘探及室內試驗等,查明不穩定斜坡地形地貌、地層巖性、巖土體結構特征和水文地質條件。通過對該不穩定斜坡變形特征、穩定影響因素及演化發展過程分析,確定其變形地質力學破壞模式,在此基礎上對其穩定性作出定性評價、定量分析。并根據上述研究成果,提出不穩定斜坡的治理方案,此方案為相關部門進行地質災害治理提供決策支持依據。

不穩定斜坡;變形;地質力學模式;穩定性評價

不穩定斜坡是指在受到各種內在因素和外在因素等共同作用影響時,具有自然變形、失穩跡象或發生破壞的斜坡。處于蠕變階段的不穩定斜坡,在特大暴雨、持續性強降水等外在因素誘發條件下,極有可能進一步發生演變,甚至發生滑動,其潛在危害程度可能達到重大級。因此,分析研究不穩定斜坡的變形地質力學模式及穩定性評價具有十分重要的意義[1]。本文以某不穩定斜坡為研究對象,對其變形地質力學破壞模式、穩定性作出定性評價、定量分析[2-4],從而為工程防治方案的設計與選擇提供科學依據。

1 研究區地質環境條件

1.1 地形地貌

研究區位于中山峽谷地貌區,溝谷狹窄,溝谷形態多呈“V”字形,在不穩定斜坡發育段,溝谷相對較為寬闊;溝谷兩岸斜坡坡度為35°～55°。不穩定斜坡的下部發育Ⅰ級階地,寬約220 m,長約750 m,地形上總體較為平坦,地形坡度在1°～3°,分布高程1 941～1 964 m,階地上為人類生產、生活聚集區等。

Ⅰ級階地后側為本文研究區的不穩定斜坡,坡頂高程1 950 m,坡腳高程2 460 m,相對高差510 m,山體地形陡峻、上陡下緩、局部直立,斜坡的中下游部位的坡度則多為40°左右。坡體廣泛分布第四系殘坡積堆積物,斜坡上的溜槽、坡腳及危巖帶的底部零星分布。研究區植被發育,植被覆蓋率約80%,多為喬木和灌叢。研究區內地形地貌特征詳見圖1所示。

圖1 研究區全貌照片Fig.1 Images of the study area

1.2 地層巖性

第四系沖洪積層主要分布于斜坡前Ⅰ級階地、河漫灘中。其巖性主要為灰淺—灰黃色卵石,卵石母巖成分為千枚巖、砂巖及花崗巖。

研究區內第四系殘坡積層廣泛分布于斜坡及坡腳部位,其巖性主要表現為灰黃色、灰褐色碎塊石土。

圖2 研究區工程地質簡圖Fig.2 Geotechnical diagrams of the study area1.第四系全新統崩積層;2.第四系全新統殘坡積層;3.第四系全新統沖洪積層;4.三疊系中統雜谷腦組;5.變形體;6.垂直鉆孔淺井(取樣探槽及編號;9.剖面線及編號;10.裂縫及編號。

1.2.4 三疊系中統雜谷腦組(T2z)

研究區內基巖巖性為千枚巖、變質砂巖。受地質構造、風化卸荷等作用的影響,區內基巖巖層破碎、產狀變化較大,總體以反坡向為主。

1.3 地質構造與地震

研究區位于龍門山華夏系構造體系之中南段的九頂山華夏系構造帶內,又屬于甘孜—松潘地槽褶皺帶與揚子地臺之間隙褶皺亞系,構造復雜,主要構造形跡呈北東—南西40°～50°方向展布。區內新構造運動表現為區域性地殼急劇上升并伴隨斷裂活動,在上升中有短暫間歇。區內地震活動較為頻繁,地震基本烈度為Ⅶ度。

2 不穩定斜坡地質特征

不穩定斜坡可以分為1處變形體、2處危巖帶及2處溜滑體,其中:1處變形體位于不穩定斜坡坡腳部位,受建房切坡開挖影響,前緣滑移擠占房基和擋土墻,后緣局部溜滑,坡體中部裂縫發育;2處危巖帶崩落的塊石沿斜坡堆積,現狀趨于穩定。目前,不穩定斜坡區內變形體區域巖土體結構松散,在暴雨、地震等不利因素的作用下松散巖土體將產生進一步的變形破壞。對坡腳下方民房、規劃區及人員的安全構成威脅。

2.1 變形體形態特征及邊界范圍

變形體平面形態呈不規則的弧形,前緣至坡腳,后緣至裂縫及溜滑體的滑壁,左右兩側以剪切裂縫為界。其前緣標高1 954～1 956 m,后緣標高約2 039 m,相對高差83～85 m,橫寬348 m,縱向長度132 m,面積31 618 m2,主滑方向為129°,平均厚度約12 m,體積37.9×104m3,屬于中型規模。

變形體地勢總體北西高、南東低,總體坡向130°。坡面總體較平直,剖面形態近似呈圓弧形,略有起伏,變形體坡度40°～50°,局部錯臺和陡坎坡度達60°左右,前緣坡腳為直立的陡坎。目前變形體后部局部發生溜滑,坡體上形成18條(包括內部的溜滑體裂縫)近于垂直于坡向的拉張裂縫,裂縫一般長10～20 m,寬5～20 cm,局部達30 cm,可見深度15～25 cm。

2.2 變形體巖土結構分析

變形體位于不穩定斜坡下部,根據地質測繪、鉆孔和淺井揭露,物質組成從上至下有第四系殘坡積物(Qel+dl)和三疊系中統雜谷腦組(T2z)地層,詳見圖3所示。

圖3 研究區2-2′工程地質剖面圖Fig.3 2-2′ geotechnical profiles of the study area1.鉆孔淺井探槽及編號;4.第四系殘坡積層;5.第四系沖洪積層;6.三疊系中統雜谷腦組;7.碎塊石土;8.千枚巖;9.卵石土;10.推測滑面。

三疊系中統雜谷腦組(T2z):為千枚巖夾變質砂巖,巖性較破碎。斜坡基巖巖性以千枚巖為主,局部夾中厚層狀變質砂巖。巖層產狀206°～237°∠58°～64°,變形體所處斜坡屬逆向坡。在鉆孔勘探深度范圍內為強風化層。

強風化層:風化程度高,層狀結構,但巖體破碎,鉆探取芯呈碎塊石狀,土巖接觸面存在泥化現象。根據在鉆孔中取樣分析,其天然抗剪強度C=38.5 kPa,φ=25.0°;飽和抗剪強度C=21.5 kPa,φ=21.2°。在鉆進過程中基本無漏水現象,僅局部在強、中風化接觸帶附近有輕微漏失,該層透水性較差。

3 不穩定斜坡變形體失穩變形地質力學模式

3.1 變形體形成條件及影響因素

3.1.1 形成條件

由于變形體所在斜坡坡度較大,坡腳前緣臨空面大,為坡體的變形提供了動力條件和地形條件。

3.1.2 影響因素

(1) 地形地貌。變形體所在斜坡地形坡度較大,坡角40°～50°,前緣坡腳為直立的陡坎,為斜坡的變形提供了動力作用,不利于斜坡的穩定,是影響坡體穩定的重要因素之一[5-6]。

(2) 降雨。由于變形體地面裂縫發育,降雨沿裂縫入滲坡體后,既加重了坡體的重量,又降低了土巖接觸面或潛在滑移面力學性能,不利于坡體的穩定,是影響變形體坡體穩定性和發展趨勢的最主要因素[7]。

(3) 地震。地震作用不僅使坡體物質被松動,且增加了坡體的下滑或外傾推力,不利于坡體的穩定。勘查區地處震中斷裂帶附近,受地震的影響較大,故地震是影響斜坡穩定性的重要因素之一[8]。

3.2 失穩變形地質力學模式

不穩定斜坡變形體失穩變形機制為上部土體沿坡腳臨空面產生滑移變形,牽引后緣的土體拉裂變形、滑移,局部陡坎坡度較大,產生溜滑、下挫形成錯臺。其潛在的破壞模式為在連續降雨或暴雨作用影響下,變形體可能產生整體失穩破壞,危及坡腳下建筑物的安全。

該不穩定斜坡變形體最易滑(軟弱)結構面為其變形破壞的滑動面,其傾向與坡向一致,隨著滑移進一步發展,后緣張力帶產生拉裂面,發生失穩變形,如此滑移—拉裂—滑移,惡性發展,即是該不穩定斜坡變形體破壞的“滑移—拉裂—剪斷”地質力學模式。

4 變形體穩定性分析

4.1 穩定性計算原理

由于變形體為土質斜坡,其變形破壞主要受軟弱界面最大剪應力控制,因此采用傳遞系數法計算其穩定性系數。傳遞系數法就是將滑動土體豎直分成若干個土條,把土條看成是剛體,考慮了條塊間的相互作用力,并假定條塊剩余下滑力平行于該條塊滑面,然后分別求出作用于各個土條上的滑動力矩和抗滑力矩,受力分析見圖4。

圖4 受力分析計算模型Fig.4 Force analysis and calculation model

穩定性系數計算公式:

其中:Ri=(Wi((1-ru)cosθi-Asinθi)-RDi)tgφi+CiLi

Ti=Wi(sinθi+Acosθi)+TDi

4.2 計算結果

根據變形體的特征及其可能出現的各種荷載情況及組合,計算中主要考慮自重、降雨、地震等,本次選定如下三種工況,計算1-1′剖面—4-4′剖面的變形體穩定性及各滑塊的剩余下滑力,具體方案如下:

工況1 自重;

工況2 自重+暴雨狀態;

工況3 自重+地震。

利用傳遞系數法對1-1′剖面—4-4′剖面進行穩定性計算,得到的計算結果如表1所示。

表1 剖面穩定性計算結果Table 1 Calculation results of profile stability

4.3 穩定性評價

據《滑坡防治工程勘查規范》(GBT 32864—2016)[9],滑坡穩定性狀態按穩定系數分級,當某一工況條件下滑坡穩定系數大于或等于滑坡穩定性安全系數時,該滑坡在該工況下的穩定性可視為滿足對應的狀態(表2)。

表2 滑坡穩定狀態分級Table 2 Classification of the landslide steady state

按照以上的評價原則,可得出以下結論:

(1) 在天然情況下,變形體穩定性系數K值為1.07～1.15,整個坡體處于基本穩定—穩定狀態。

(2) 當遇連續暴雨時,變形體的發展趨勢發生了明顯變化,穩定性系數K值為0.90～0.97,斜坡處于不穩定狀態,分析的結果與實際情況一致。

不穩定斜坡變形體隨著工況條件的變化,其穩定性發生變化,總體表現為由基本穩定或穩定—不穩定,以致失穩滑動的發展過程;但由于坡體本身條件的不同,變形發展有一定的差異,各部分穩定性也有一定差異,變形狀況也不一致,其破壞形式表現為局部的失穩破壞。

5 防治方案建議

5.1 防治原則

根據不穩定斜坡存在的災害類型、所處位置、規模大小、破壞形式、穩定性及施工難度,建議研究區治理應遵循統一規劃、輕重緩急、“嚴重”先治的原則[10];主要危險源變形體采用抗滑樁防治;對于斜坡區內發育的地表裂縫主要采用填縫的方案進行處理[11-12]。

5.2 具體治理方案建議

5.2.1 變形體治理方案建議

在變形體前緣采用抗滑樁進行防治,同時對變形體內的溜滑體進行清危。

5.2.2 斜坡體上裂縫的治理方案

對斜坡體上的裂縫主要采用粘土填縫進行治理。

5.2.3 監測預報

應對不穩定斜坡區內潛在滑坡以及危巖帶進行長期監測,發現異常及時報警。

6 結語

通過對研究區不穩定斜坡變形體分析研究,得出該區域以第四系殘坡積層土體變形為主,區內主要物質組成為碎石土,具備斜坡蠕滑變形的物質基礎。并對研究區變形體失穩變形的破壞模式進行了分析探討,最終確定斜坡變形體將在深度10～17 m附近含礫粉質粘土的軟弱帶中產生折線型滑動。經分析計算得出在天然工況條件下,變形體的穩定系數為1.07～1.15,處于基本穩定—穩定狀態;在暴雨飽和工況條件下穩定性系數為0.90～0.97,處于不穩定狀態,坡體可能下滑失穩,為潛在滑坡。該研究提出了不穩定斜坡的治理方案建議,為相關部門進行地質災害治理提供了決策支持依據。

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(責任編輯：陳姣霞)

Stability Analysis and Evaluation of an Unstable Slop

HUANG Xu, FAN Yao, YANG Yicheng, ZHANG Litao

(ShandongSurveyandDesignInstituteofWaterConservancy,Jinan,Shandong250013)

According to the results of geology mapping,exploration and laboratory tests,some factors such as landform,stratum lithology,rock-mass structure and hydrogeologic condition of the unstable slope are explored combined with specific engineering examples. Analysis on deformation characteristics,stability effect factors,and the progress of evolution and development decides the failure model of geomechanics deformation. On this basis,the stability of the unstable slope is qualitatively evaluated and quantitatively analyzed.Using these experimental results,this paper presents a treatment scheme for the unstable slope,which also provides a decision support basis for geological disasters management.

unstable slope; deformation; geomechanics model; stability evaluation

2017-06-09;改回日期:2017-07-03

黃旭(1968-),男,高級工程師,水文地質與工程地質專業,從事水利水電工程地質與水文地質勘察與研究工作。E-mail:sdsyantu@163.com

P642

A

1671-1211(2017)04-0431-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.04.017

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170620.1330.022.html 數字出版日期:2017-06-20 13:30