重慶鶴峰鄉場鎮滑坡新變形區特征與多工況穩定性研究

詹 濤

(1.重慶市地質礦產勘查開發局107地質隊,重慶 401120; 2.重慶江北地質工程勘察院,重慶 401120)

長江三峽蓄水,在一定程度上改變了原有庫岸斜坡的地質平衡,增加了地質災害發生的風險,針對庫區內大型典型滑坡開展的專題研究包括變形、成因與失穩機制分析、穩定性計算與評價、監測、防治措施等方面[1-9]。在三峽庫區大型滑坡中,重慶市奉節縣鶴峰鄉場鎮滑坡在2008年三峽庫區水位升至173 m后出現新的局部變形,對滑坡體上的約2 300名居民產生了嚴重的威脅,李俊業等[10]基于極限平衡原理和Morgenstern-Price條分法,研究了庫水位為145 m與降雨耦合、降雨與庫區水位175 m、175 m陡降至145 m共3種工況下的穩定性,為降雨和庫水位耦合情況下的場鎮滑坡穩定性提供了科學參考。然而,當前針對該滑坡的新變形區還缺乏比較深入細致的研究,本研究擬采用現場調查、工程地質分析、定性分析與定量力學計算方法,開展該滑坡的新變形區特征與多工況穩定性評價研究,查明了該滑坡2008年新變形區的范圍、規模、變形破壞及形態特征,并采用傳遞系數法對變形區穩定性開展了評價,為滑坡防治措施方案、治理施工設計等提供了技術支撐。

1 場鎮古滑坡形成條件與變形特征

重慶市奉節縣鶴峰鄉場鎮滑坡所在區域屬中低山中深切割侵蝕河谷地貌。區內長江河谷南岸陡峻,階地不發育,北岸稍緩而發育有不連續階地。最高海拔高程1 867.2 m,最低118.70 m。地層發育,除第三系缺失,第四系零星分布外,從寒武系—白堊系均有分布。出露地層主要為中生代三疊系下統之嘉陵江組(T1j)和中統巴東組(T2b)第一、二、三、四段及上統須家河組(T3xj)。

鶴峰鄉場鎮滑坡位于墨溪河南岸斜坡地帶,長江南岸奉節縣新遷鶴峰鄉政府所在地。據地表調查測繪,滑坡區位于墨溪河南岸,滑坡范圍為：西起安家坪,東至雞公梁子,北起墨溪河岸，南至絲坪(鶴峰至明堂盤山公路第二層)。滑坡平面形態略呈圈椅狀(圖1),前緣寬約750 m,后緣寬約440 m,縱向長(平距)450 m,面積約26.2×104m2。滑坡后壁基巖大多裸露,坡度角約30°,兩側以沖溝為界、前緣以墨溪河為界,滑坡前緣高程149.5～151 m,后緣高程290～303 m,相對高差約153 m。滑體地形呈臺階狀,前后緣地形較陡,地面坡度角25°～40°,中部地形平緩、坡度角一般<10°,中部平臺上分布密集的民房。滑坡前緣可見零星分布的膠結卵、礫石層,厚度2～5 m不等,卵、礫石分選性差。滑坡東側中前部地段可見兩處明顯的碎裂巖體,表明該滑體為順向滑動的巖質古滑坡體。除去基巖直接裸露的老滑坡后壁地段外,滑坡堆積體面積約19.5×104m2,滑體平均厚度約20 m,體積約為390×104m3。根據現場地面變形拉裂縫及地形特征等,滑坡主滑方向340°(圖2)。

圖1 場鎮滑坡全貌Fig.1 Landslide panorama of Changzhen

圖2 滑坡平面圖Fig.2 Plane map of landslide1.第四系全新統沖積物;2.現場大體積密度試驗探井；3.第四系全新統殘、坡積物；4.簡易提水試驗及取水樣探井；5.第四系全新統滑坡堆積物；6.現場大面積剪切試驗探井；7.三疊系中統巴東組第三巖性段；8.探槽位置及編號；9.三疊系中統巴東組第二巖性段；10.滑坡周界；11.鉆孔位置碎裂體；13.取土樣鉆孔；14.滑坡剪出口；15.取巖樣鉆孔；16.第四系土層與基巖分界線；17.簡易抽水試驗及取水樣鉆孔；18.拉張裂縫；19.探井位置地質剖面位置及編號；21.取土樣探井；22.滑動方向。

圖3 研究區節理玫瑰花圖Fig.3 The joint rose map of the landslide area

2001年,滑坡經歷了第一次變形,表層土體存在不少滑移拉裂變形跡象,局部地段穩定性較差。三峽庫區試蓄水至173 m后,場鎮滑坡局部出現新的變形。變形區左側邊界為剪切裂縫;右側邊界受奉恩公路內側擋墻支擋影響,邊界不明顯;后緣邊界距離最近的民房約7 m。滑坡前緣左段位于已建混凝土護坡墻面之上,第一階馬道內側,凝土護坡墻面已隆起,長約93 m,寬2 m。滑坡前緣右段位于已建擋墻下部,奉恩公路內側,擋墻目前相鄰的兩塊間均出現錯開,寬度3～7 cm,均為左側向墨溪河方向傾斜,可見明顯的有規律的變形,擋墻的高度均為4 m,應不是土壓力分布不同所成,分析為擋墻走向與新變形區主滑方向呈69°夾角所致。變形區地形南東高北西低,分布高程150～207 m,相對高差約57 m。總體平面形態略呈圈椅狀,其平均寬200 m,縱向長124 m,面積約2.48×104m2,滑體平均厚度17.8 m,體積約44.2×104m3,為一中型順層土質混合式滑坡。根據滑坡邊界特征、形態特征及變形特征等綜合判定,變形區的主滑方向為311°。圖4為該滑坡的前緣擠壓拱起。

根據工程地質測繪和勘探工程揭露,滑體主要由粉質粘土、塊石土及滑動巖體(巖質古滑體)組成,表層局部分布人工填土。厚度變化較大,范圍為0.60～46.19 m。各個土層的特征如下:①人工填土。分布于滑體表層,主要見于變形區前緣,由粉質粘土、泥巖碎塊石、灰巖碎塊石、卵石、砂組成,松散—稍密,厚度0.8～5.75 m。②塊石土。該層分布廣泛,為滑體土的主要組成部分。紫紅色、灰紫色,主要由粉砂質泥巖、灰巖、砂巖等碎塊石及粘性土組成,塊石含量50%～80%,粒徑一般0.2～0.5 cm,其間充填的粉質粘土呈可塑—硬塑,局部可見架空現象,透水性好。厚度3.52～18.64 m。③滑動巖體。該層分布廣泛,厚度6.04～27.64 m,其特征與粉砂質泥巖一致。

圖4 滑坡前緣擠壓拱起 Fig.4 Sliding arch at the front edge of the landslide

滑帶土①主要分布于塊石土內部粉質粘土富集處及土層與碎裂巖體接觸面,分布高程164.94～187.97 m,呈褐黃色,軟塑狀,約10%～16%碎石、角礫。其透水性明顯低于滑體土,該層厚度薄,局部不連續,厚0.2～0.80 m。滑帶土②主要分布于碎裂巖體與下部滑床接觸面:褐色、褐黃色,軟塑狀,約8%～13%碎石、角礫。其透水性明顯低于滑體土,該層厚度不均,局部不連續,厚0.20～5.20 m。根據勘察工程揭露﹑地面調查及剖面圖分析,滑床為三疊系中統巴東組(T2b)粉砂質泥巖、泥灰巖、灰巖。基巖面形態總體呈折線狀,順滑動方向基巖面傾角一般30°～42°,總體傾向340°。橫向上坡度角一般28°～39°。平均埋深27.50 m,最大埋深46.19 m。滑床內地下水貧乏,層間及構造裂隙較發育。

2 新變形體變形過程分析

變形區自2008年11月庫水位自173 m下降后,出現了大量的變形跡象,且有加劇趨勢。裂縫總體傾向293°～318°。傾角變化較大,一般55°～88°,延伸長一般2.5～15.0 m,最長136 m,張開寬一般5～130 mm,最大達300 mm。地表下錯10～100 mm,最大300 mm。裂縫最大可見深度1.2 m。前沿形成的隆起區域面積93 m×2 m。場鎮滑坡自設定專業監測點以來,自2008年10月—2009年3月底。變形區內的4個監測點累計最大水平位移318 mm,累計最大垂直位移下沉128 mm。滑坡發生再次變形包括內部因素與外部因素兩個方面,內部因素包括地層巖性、滑體內部物質組成、地形地貌條件等因素,外部因素包括區內降雨量、三峽庫區水位變動的影響、人類活動因素。

滑坡變形區滑體主要由塊石土及碎裂巖體組成,塊石土厚度3.52～18.64 m,碎裂巖體厚度6.04～27.64 m,為滑坡變形區的形成提供了豐富的物質基礎。經鉆探及探井揭露,塊石土中粉質粘土分布不均,局部較富集,故透水性差,具有隔水性。下部滑床為粉砂質泥巖及泥灰巖,透水性差,具有隔水性。故地下水易在塊石土中粉質粘土富集地帶、塊石土與碎裂巖體、巖土接觸帶匯集徑流,從而加劇粉砂質泥巖的風化、泥化,或使原基巖面的粉質粘土飽水軟化,易形成滑動面。根據2001年勘察所取的土樣,有12件土樣的液限>45%,經過一次滑塌,滿足次生紅粘土的條件。從平面圖(圖2)上各勘察探點的位置來看,次生紅粘土在滑坡的前緣地帶分布較多,但不連續。次生紅粘土的水穩性較差,在遇水后,力學性質急劇下降,而庫水位所造成的地下水位上升,將直接導致次生紅粘土的抗剪強度降低,易在滑體內部產生潛在滑動面,從而對滑坡的穩定性產生不利的影響。區內降雨豐富,年均降雨量1 059.4 mm,時間分布極不均勻,暴雨多集中在4—9月,日降雨量最大141.4 mm,秋季多雨。大氣降水沿塊石土、碎裂巖體滲透到滑帶,降低滑帶土的強度,提高了滑體容重,產生動、靜水壓力等,造成下滑力增大,抗滑力減小,為變形區的最后形成起到了促進作用。

自庫區試蓄水至173 m后,變形區地下水水位總體上升,變形區內地下水位隨之下降便產生了動水壓力,變形區更易失穩。庫區蓄水后,鶴峰鄉場鎮成為奉節縣重要的移民城鎮,規劃人口約6 000人,大量的外來移民在場鎮建房居住,滑坡體上居民劇增。目前,滑體上街道骨架已形成,生活(水電)等設施也基本完成,相比2001年勘察時,新增的樓房(2～5層)79棟之多,滑坡體上生活的居民,含鶴峰希望小學師生共約2 300人。滑坡上建筑物的增加或改造,為磚木及磚混結構民房,一般1～5層,采用淺基礎,以塊石土為持力層。隨著多年的修建變遷,滑坡體的堆載、開挖、填筑,破壞了坡體原有的應力狀態,加上地表水排水系統損毀,造成生活、生產用水和地表水排放不暢,對滑坡的穩定性也產生了不利影響。

3 新變形體多工況穩定性評價及預測

3.1 穩定性分析方法與參數選擇

由于滑坡滑面呈起伏不平的折線型,故依據《三峽庫區三期地質災害防治工程地質勘察技術要求》(2004-12)推薦的折線型滑動面的傳遞系數法來評價滑坡的穩定性及計算滑坡下滑推力。根據《中國地震動參數區劃圖》[GB18306—2001]及《重慶市各地地震基本烈度表》,奉節縣地震對應的基本烈度為Ⅵ,地震動峰值加速度為0.05g,根據《三峽庫區三期地質災害防治工程地質勘察技術要求》(2004-12)規定,本次計算時不考慮地震力。由于滑坡為涉水滑坡,依據其工況組合、地質災害防治等級,綜合取定滑坡安全系數:靜止水位時為1.20,水位降落時為1.15。同時計算了滑坡相應安全系數時的剩余下滑力及擬支擋位置處的推力。

計算參數選取的合理性,是計算評價滑坡穩定性的關鍵,其中潛在滑帶土抗剪強度指標的取值更是至關重要,本次采用室內試驗、野外大剪試驗二種方法確定。滑體重度:滑體為粉質粘土粘塊石,碎、塊石含量約占60%,粉質粘土含量約占40%,根據原勘察資料,室內測試滑體粉質粘土天然重度19.40 kN/m3,飽和重度19.90 kN/m3,粉砂質泥巖天然重度:26.2 kN/m3,灰巖塊石天然重度:26.8 kN/m3,碎塊石加權平均重度(灰巖與粉砂質泥巖含量按1∶4計算)為26.35 kN/m3,按土石含量(土石比為4∶6)計算得變形區天然重度為21.88 kN/m3,飽和重度22.11 kN/m3,現場大重度測試平均值21.71 kN/m3。天然重度21.18 kN/m3與大重度測試值加權平均(權重分別為4∶6)得天然重度為21.8 kN/m3,按同等比例減少得飽和重度為22.24 kN/m3。經實驗統計,粉砂質泥巖天然重度26.2 kN/m3,飽和重度26.4 kN/m3,考慮到碎裂巖體間存在空隙,粉砂質碎裂巖體參照粉砂質泥巖重度并適當減少取值,天然重度取25.2 kN/m3,飽和重度取25.5 kN/m3。滑帶土抗剪強度指標:根據7件滑帶樣統計分析得變形區滑帶土抗剪強度指標標準值(表1)。本次勘察變形區上滑帶土內共進行2組現場大剪,其試驗成果詳見表2。采用反算法檢驗滑坡抗剪強度指標。得出的抗剪強度參數值,結合變形區目前處于蠕動變形的實際情況,綜合確定場鎮滑坡抗剪強度參數值見表3。

表1 室內測試塊石土內部、土層與碎裂巖體接觸面滑帶土抗剪強度指標Table 1 Laboratory test of shear strength index of sliding zone soil in block stone soil and interface between soil layer and fractured rock mass

表2 變形區現場大剪試驗成果統計表Table 2 Statistical table of field large shear testresults in deformation zone

表3 變形區塊石土內部、土層與碎裂巖體接觸面滑帶土抗剪強度綜合取值表Table 3 Comprehensive value table of shear strength of slip zone soil in the interior of rocky soil,soil layer and fractured rock mass in deformation zone

3.2 穩定性評價結果

對滑坡進行穩定性分析評價工作(圖5-圖6),將穩定性劃分為4級:穩定系數(Fs)大于規范要求的安全系數(1.20或1.15)為穩定,(1.20或1.15)≥Fs>1.05為基本穩定,1.05≥Fs≥1.0為欠穩定,Fs<1.0為不穩定。滑坡計算結果與穩定性分析詳見表4。

計算結果與滑坡在2008年11月庫區水位上漲至173 m后,滑坡出現少量變形,自173 m下降時出現較強烈變形的現象相一致,計算結果真實可信。由計算結果可知,滑坡變形區受庫區水位及暴雨的影響較大,在庫區壩前水位分位于175 m、162 m、墨溪河處于常年水位(即庫區水位高程低于墨溪河河床)且靜止不動時,變形區處于基本穩定狀態。在庫區壩前水位自175 m降至145 m,新變形區處于欠穩定狀態。在庫區壩前水位自175 m降至145 m,同時遇非汛期20年一遇連續5日降雨,變形區處于不穩定狀態。

圖5 滑坡計算工程地質剖面圖Fig.5 Engineering geological profile of landslide calculation

圖6 滑坡剖面滑動計算模型圖Fig.6 Slip calculation model diagram for the landslide section

表4 不同工況與荷載的滑坡穩定性計算成果表Table 4 The results of landslide stability calculation under different working condition and load

涉水或不涉水滑坡水庫運行水位工況組合編號荷載組合內容穩定性系數安全系數穩定性涉水滑坡點位處水位線涉水滑坡靜止水位水位降落1自重+地表荷載+現狀水位1.4601.20穩定2自重+地表荷載+水庫壩前175 m靜水位+非汛期20年一遇暴雨1.0711.20基本穩定3自重+地表荷載+水庫壩前162 m靜水位+20年一遇暴雨1.0651.20基本穩定4自重+地表荷載+墨溪河常年水位+20年一遇暴雨1.0651.20基本穩定5自重+地表荷載+壩前水位從175 m降至145 m1.0391.15欠穩定6自重+地表荷載+壩前水位從175 m降至145 m+非汛期20年一遇暴雨0.9871.15不穩定7自重+地表荷載+壩前水位從162 m降至145 m+20年一遇暴雨1.0651.15基本穩定壩前水位接11月份20年一遇洪水水面線壩前162 m水位接汛期50年一遇洪水水面線,156 m,145 m接汛期20年一遇洪水水面線壩前水位接11月份20年一遇洪水水面線壩前水位接汛期50年一遇洪水水面線

4 變形體危害性與防治措施

4.1 變形體危害性

場鎮滑坡變形區一旦失穩,將使后部的整體產生新的臨空面,從而誘發新的再次變形。整體目前處于穩定—基本穩定狀態,在暴雨或庫區水位漲落影響下,存在滑動的可能,有必要對場鎮滑坡整體進行治理。場鎮滑坡位于墨溪河右岸,一旦產生滑坡,將堵塞墨溪河,影響航行安全,同時阻斷奉節—三角壩、奉節—明堂的公路。場鎮滑坡上現在主要有鶴峰鄉政府機關、鶴峰鄉希望小學、敬老院、農村信用合作社、衛生院、商店、加油站及修理廠等,總人口2 300人以上,其中希望小學約占500人。滑坡變形區一旦失穩將造成大量的人員傷亡及財產損失。

4.2 防治原則與措施

由于滑坡所在地段人口較多,是重要的交通要道及移民建設場鎮,故在滑坡防治過程中應始終貫徹以下原則:綜合治理與長期監測相結合;坡面防護工程與排水工程、局部支擋工程相結合;滑坡治理與集鎮規劃相結合;經本次勘察核算,滑坡整體目前處于穩定—基本穩定狀態,治理切不可將變形區獨立出來治理,應著眼大局，考慮滑坡的未來發展趨勢綜合治理。

應采取必要的工程措施,根據滑坡地形條件和地質結構特點,結合規劃建設,排水措施為主,局部支擋為輔進行治理,在現有的擋墻下部—公路內側—變形區剪出口一帶設置抗滑樁進行支擋。抗滑樁應穿過下部的碎裂巖,進入完整的基巖,并滿足相關規范的嵌巖深度要求。應對地表排水溝修復完善。施工中應盡量減少對已有護坡的破壞,以免對滑坡穩定性產生新的影響。

5 結論

根據勘察與鉆孔揭露的情況綜合分析,場鎮滑坡發生再次變形,內部因素包括地層巖性、滑體內部物質組成、地形地貌條件等,外部因素包括區內降雨量、三峽庫區水位變動影響、人類活動等。自2008年11月庫水位自173 m下降后,出現了新的變形跡象,且有加劇趨勢。利用傳遞系數法計算了7種工況下的變形區穩定性,結果表明變形區受庫區水位及暴雨影響較大,在庫區壩前水位自175 m降至145 m,變形區處于欠穩定狀態;同時遇非汛期20年一遇連續5日降雨,變形區處于不穩定狀態。建議在綜合分析場鎮滑坡與庫區運行條件下新的變形體形成與變形的成因機制基礎上,采取必要的工程治理措施。