利用分段反演參數計算滑坡推力在滑坡勘查中的應用

王平波

(山西省地質環境監測中心,太原 030024)

山西省地處黃土高原區,地形高差大,山高坡陡,溝壑縱橫,自然地質環境條件較差,山丘區土巖接觸沉積的斜坡地形廣泛分布,由于經濟發展的需求,人類工程活動強烈,修路切坡、削坡建房等造成邊坡失穩,引發滑坡地質災害時有發生,由此帶來了一定的經濟損失及人員傷亡,嚴重影響了當地居民的正常生活,因此,開展對土巖接觸面滑坡的認識和研究,進行滑坡勘查與治理,對于有效地防治滑坡地質災害是十分必要的。本文以山西省鄉寧縣文昌源小區滑坡為例,利用分段反演參數計算滑坡推力,特別是在室內及原位測試難于準確掌握滑動面力學參數的情況下,不失為一種有效的方法。

1 滑坡區地質環境條件

文昌源小區滑坡位于山西省鄉寧縣城北部,該滑坡最早發生于1947年,當時鄉寧縣連降四十多天連陰雨,導致山體滑坡。文昌源小區是一處現代化別墅小區,整個小區大部分建于滑坡體上,共建有40戶二層別墅式小樓,小區建設初期已經顯現滑坡滑動跡象,每到雨季地面裂縫不斷擴展,部分房屋建筑出現裂紋,給小區居民帶來嚴重的安全隱患[1]。

滑坡區為黃土覆蓋的碎屑巖低中山區,地形北高南低,滑坡東西兩側發育二條沖溝,平時干涸無水,僅在降雨過程有短時匯流。滑坡后緣地面標高1 020 m ～1 026 m,前緣地面標高995 m ～1 004 m,滑坡體原始地形為坡度約35°的斜坡,因滑坡活動、農業耕種及后期文昌源小區在開發過程中對地表進行改造,滑坡體目前為階梯狀地形,小區開發同時還將滑坡體西側沖溝填埋,并在沖溝上游修建了小型淤地壩。

滑坡區為單斜構造,地層傾向NW52°與坡向反向斜交,傾角5°～8°。滑坡體主要由Q2粉質粘土、粘土組成,下伏滑床地層為二疊系上石盒子組P2s泥巖和砂巖,局部為Q2礫石層。滑坡所在的鄉寧縣境內多年平均降水量570 mm,最大年降水量828.9 mm,6月到9月降水量占全年降水量的65%以上。滑坡復活后,滑坡體地表產生大量裂縫,為降水入滲提供了有利的補給通道。滑坡體東側沖溝因深切至滑動面以下,雨期匯水對滑坡無影響;西側沖溝規模小、切割深度較淺,滑坡體西側溝谷匯水面積雖然不大,由于溝谷內建有小型淤地壩,淤地壩位于滑坡體后緣外的西北側,溝谷匯水全部匯集到淤地壩內,淤地壩沒有采取任何防滲措施,溝谷匯水在壩體內入滲并通過地下徑流補給滑坡體,因此,滑坡體地下水的補給主要來自西側沖溝降水入滲,沿滑動面形成水平徑流[2]。

2 滑坡特征

2.1 滑坡要素

1)滑坡形態。滑坡平面形態近似呈平行四邊形,寬約170 m,縱長約100 m,面積16 500 m2,鄉寧縣文昌源小區滑坡平面圖見圖1。

2)坡周界。東、西兩側沖溝及滑坡后壁構成滑坡的周界。

3)滑坡裂縫。地表發現滑坡體主要裂縫12條,裂縫寬度5 mm ～600 mm,最大可見深度1 200 mm,總體呈北東東向延伸,長度10 m ～118 m,裂縫落差10 mm ～850 mm。滑坡裂縫主要集中于滑坡體的西南部,均為拉張型裂縫,見圖2。

4)滑動面。在滑坡前緣剪出口一帶可以看到Q2紅色粘土與P2s灰黃色泥巖的接觸面,接觸面附近的紅色粘土和泥巖均呈濕潤、泥化、具滑感狀,并有線狀淚泉涌出,接觸面以上土體因滑動引發了土體的崩塌現象,而接觸面以下為穩定巖體。另據ZK8鉆孔揭露,Q2紅色粘土與P2s灰黃色泥巖的接觸面有明顯的滑動擦痕,見圖3所示。

5)滑床。滑床與滑動面相互依附,經鉆探揭露,發現西南部滑動面為Q2紅色粘土與P2s灰黃色泥巖的接觸面,而東北部滑動面為Q2紅色粘土與卵石層或P2s砂巖的接觸面(圖1中A區滑床為泥巖,B區滑床為砂巖、卵石),滑坡床的軸線空間展布總體傾向東南。滑床巖性的差異造成了文昌源小區滑坡滑動的不均一性,表現出西南部滑動較強、東北部相對穩定。

圖1 鄉寧縣文昌源小區滑坡平面圖Fig.1 Planar graph of landslide in Wenchangyuan community, Xiangning County

2.2 滑坡類型

從文昌源小區滑坡的穩定性、動力形式、運動速度、滑動面與結構面的關系、滑坡厚度及規模、主滑面的成因、滑體的物質成分等方面,對該滑坡進行如下分類:

1)不穩定滑坡。該滑坡最早發生時間在1947年,近年來,由于人類建設工程活動,特別是建筑切坡以及文昌源小區建設填埋了西側沖溝導致地下水補給滑坡體,造成滑坡重新復活。

2)牽引式、蠕動性、單層滑坡。從滑坡體裂縫分布來看,裂縫主要分布于滑坡體前緣或近前緣,裂縫形成的次序由前向后發展,裂縫的寬度由前向后變窄,滑坡發展隨降水的大小、歷時長短變化,具有間歇性的特點,即雨期滑動(有滯后性)、非雨期停止滑動,滑動速度緩慢,該滑坡屬牽引式、蠕動性滑坡。

3)中型滑坡。經鉆探揭露,滑坡體厚度介于8 m～22 m,對所有鉆孔資料進行分析對比,滑坡體平均厚度約15 m,滑坡體體積約為24.75×104m3,屬中層、中型滑坡。

4)土體滑坡。根據滑動面上、下巖性來劃分,滑體的組成為土體,滑動面為土巖接觸面,滑體的物質成分屬土體滑坡。

3 反演參數及滑坡推力分析

3.1 計算模型的確定

計算模型的選擇包括兩部分,一個是滑坡體的物理模型,另一個是基于反演參數進行滑坡推力計算的數學模型,其中物理模型是基礎,物理模型決定數學模型的取向。根據鉆孔資料,利用地質剖面圖(見圖4),建立滑坡體概化物理模型圖(見圖5)。

3.2 反演參數及滑坡推力計算分析

從圖5可以看出,滑坡體滑動面為三段折線,因此數學模型采用條塊推力傳遞法(剩余推力法)[3-4]。

滑坡體的重度依據滑體試驗測試結果取21.0 kN/m3,考慮到滑坡體建有40戶2層別墅,計算時沿剖面每延米加1 kN荷載。

從文昌源小區滑坡勘查試驗測試結果看,由于滑帶巖土抗剪強度試驗值變化較大,樣品試驗數據較少,不能滿足計算要求,因此,根據以往經驗[5],文昌源小區滑坡滑動面力學參數利用主滑方向2-2′地質剖面,建立滑坡體概化物理模型,根據規范利用計算公式(1) 、(2) 進行滑帶參數反演,有關滑坡體相關情況如表1所示。

(1)

(2)

式(1)(2)中:C為滑帶內聚力,kPa;F為穩定系數;Wi為滑體第i塊段的重度,kN/m;ai為滑體第i塊段的滑動面傾角,°;φ為滑帶內摩擦角,°;L為滑體長度,m。

表1 滑坡體2-2′剖面有關參數Table 1 Relative parameters of 2-2′ profile in landslide mass

考慮到勘查期間滑坡處于整體變形-滑動狀態,依據《滑坡防治工程勘查規范》12.3.3條,本次穩定系數取F=0.98,在不考慮2-2′地質剖面孔隙水壓力及滲透壓力條件下(勘查期間未見穩定地下水位,安全系數取值適當考慮了地下水影響),按Ⅱ級防治工程工況Ⅱ通過給定C值計算φ值得出的滑坡推力計算結果如表2所示,給定φ值計算C值得出的滑坡推力計算結果如表3所示,計算公式如下：

滑坡推力Pi=Pi-1×ψ+Ks×Ti-Ri.

(3)

下滑力Ti=Wisinai.

(4)

抗滑力Ri=Wicosaitanφi+CiLi.

(5)

傳遞系數φ=cos(ai-1-ai)-sin(ai-1-

ai)tanφi.

(6)

式(3)(4)(5)(6)中:Pi、Pi -1為第i、i-1塊段的滑坡推力,kN/m;Ks為安全系數,Ks=1.21;Ti為第i塊段的下滑力,kN/m;Ri為第i塊段的抗滑力,kN/m;Wi為第i塊段的重度,kN/m;Ci為第i塊段滑帶內聚力,kPa;φi為第i塊段滑帶內摩擦角,°;Li為第i塊段滑帶滑體長度,m;ai、ai -1為滑體第i、i-1塊段的滑動面傾角,°。

表2、表3中P1、P1+2、P1+2+3分別為安全系數Ks=1.21時塊段1、1+2、1+2+3的滑坡推力,P1′、P2′、P3′分別為不考慮安全系數時塊段1、2、3的滑坡推力(Pi′=Wisinai-Wicosaitanφi-CiLi)。

表2 給定C值計算φ值的滑坡推力計算結果Table 2 Landslide thrust calculation result of φ value based on C value

表3 給定φ值計算C值的滑坡推力計算結果Table 3 Landslide thrust calculation result of C value based on φvalue

從表2、表3計算結果可以看出,當給定C值3 kPa～13 kPa滑坡推力介于1 295 kN/m～1 669 kN/m之間,平均值為1 482 kN/m,最大、最小結果相差374 kN/m。當給定φ值3°～10°滑坡推力介于1 379 kN/m～1 305 kN/m之間,平均值為1 342 kN/m,最大、最小結果相差74 kN/m。當給定φ值≥11.0°時,C值為負值,說明不同塊段的C、φ按統一取值時,只能是φ<11.0°。上述計算結果反映出最重要的一點是:無論是給定C值反演φ值還是給定φ值反演C值,在不考慮安全系數的情況下,第3塊段P3′的計算結果均為負值,亦即按《滑坡防治工程勘查規范》中提供的滑帶參數反演公式將不同塊段的C、φ按統一取值,得出的結果為該滑坡是一個推移式滑坡,這顯然不符合實際情況,因為該滑坡為牽引式滑坡。

為了合理反映滑坡的運動動力狀態,本次利用2-2′地質剖面,分別對三個塊段進行反演參數,由于滑坡現狀已經處于蠕滑狀態,且為牽引式滑動,因此計算時1、2、3三個塊段的穩定系數分別取0.99、0.98、0.97。經反復試算分析,最終給定1、2、3三個塊段的φ值分別為22.5°、12.3°、3.4°,根據公式(1)反演C值結果分別為6.6 kPa、6.5 kPa、5.2 kPa。為了與表2、表3計算結果比較分析,分別計算了P和P′二種情況下的滑坡推力,計算結果如表4所示。

表4 分段參數反演及滑坡推力計算結果Table 4 Segmental inversion parameters and landslide thrust calculation results

由表4計算結果看,與表2、表3的兩種情況總滑坡推力計算結果基本一致,但分段、分塊計算結果完全不同,表4中的第3塊段計算結果沒有出現負值,說明采用分塊段進行反演參數對于描述滑坡運動狀態更為合理。

4 利用分段反演參數計算滑坡推力的應用

文昌源小區滑坡勘查中利用分段反演參數進行了滑坡推力的計算,為后期的滑坡治理設計及工程布置提供了重要的依據。正確分析滑坡形成機理、準確判斷致滑因子,結合分段滑坡推力計算結果,采取有針對性的綜合治理措施,可以達到有效的治理目的。文昌源小區滑坡治理工程于2007年完工,經過十一年的治理效果檢驗,滑坡穩定、小區安全無恙,說明利用分段反演參數計算滑坡推力的可行性,為今后滑坡勘查計算滑坡推力提供了一種新的思路。

5 結論

本文通過對山西省鄉寧縣文昌源小區滑坡的分析,在滑坡勘查中采用分段反演參數計算滑坡推力,并應用于后期的滑坡設計與治理,獲得較好的效果并取得了以下幾點認識:

1)山西省地處黃土高原,山丘區土巖接觸沉積的地質結構遍布全省各地,加上人類工程活動強烈,修路、建房切坡造成邊坡失穩,從而誘發土巖接觸面滑坡,關注對該類滑坡的認識和研究,特別是在室內及原位測試難于掌握滑動面力學參數的情況下,利用分段反演參數計算滑坡推力為滑坡勘查工作中計算滑坡推力提供了一種新的思路。

2)文昌源小區滑坡體概化物理模型為折線型滑坡,數學模型符合條塊推力傳遞法(剩余推力法),按《滑坡防治工程勘查規范》《滑坡防治工程設計與施工技術規范》提供的滑坡推力計算公式與分塊段反演參數計算結果基本接近,但采用分塊段進行反演參數對于描述滑坡運動動力狀態的描述更為真實。

3)通過采取分段反演參數計算滑坡推力,能夠真實反映滑坡的運動動力狀態(下滑段還是阻滑段),對于后期的滑坡治理設計[6],特別是支檔工程布置具有重要的指導意義。