四川羅家青杠嶺滑坡成因機制及穩定性分析

王海芝， 劉海洋， 韓振華*

（1. 北京市地質研究所， 北京 100120； 2. 中國科學院 地質與地球物理研究所， 北京 100029）

0 引言

我國多山， 滑坡災害頻繁發生， 尤其在每年的雨季， 滑坡災害嚴重威脅危險區內的生命財產安全。 隨著我國山區城鎮化發展、 交通建設、 能源開發、 旅游開發等國民經濟建設的全面展開， 潛在的滑坡災害越來越多， 所造成的經濟損失和人員傷亡也逐漸加大， 相應的穩定性分析對防災減災來說變得尤為重要。

邊坡穩定性分析中最常規的是極限平衡分析法[1]， 其特點是方便快捷， 很多工程單位采用該方法來計算、 設計。 在工程實踐中， 可根據邊坡滑動面的形態來選擇相應的極限平衡法。目前常用的極限平衡法有瑞典條分法、 Bishop法、 Janbu 法、 Sarma 法、 Morgenstern-Price 法和剩余推力法等[2-6]。 然而， 極限平衡分析法不能解決分析邊坡應力和應變的問題。 后來出現了有限元分析邊坡的穩定性， 有限元在解決小變形方面有其優越性， 但在解決大變形方面較為不便。 強度折減法由Zienkiewicz[7]于1975 年提出， Ugai[8]、 Duncan[9]、 鄭穎人[10-11]、 趙尚毅[12]、徐平[13]等學者在有限元強度折減法應用方面做了大量的工作， 豐富了邊坡穩定性分析的內容。

數值計算方法和計算機技術的飛速發展為邊坡穩定性分析提供了有利的工具， 尤其是有限元、 有限差分、 離散元等數值模擬方法的廣泛應用， 使深入研究滑坡巖土體內部的應力分布狀態， 以及對坡體內外各點的變形模擬成為可能， 為復雜的滑坡穩定性分析開創了一條新的途徑。 FLAC3D軟件作為強度折減法的實現工具， 進行邊坡穩定性分析， 能考慮巖土體的非線性應力和應變關系， 求得邊坡內部每一計算點應力應變及變形， 同時可以對連續介質進行大變形分析， 這樣能比較真實地反映應力應變情況， 因此， FLAC3D目前已經是邊坡穩定性分析研究運用廣泛的工具[13-16]。

四川羅家青杠嶺歷史上曾發生滑坡， 對應的物源區和堆積區特征明顯。 現場調查結果表明， 羅家青杠嶺滑坡的后緣發育明顯裂縫， 如若遇到暴雨等不利天氣， 滑坡很有可能失穩，嚴重威脅到當地居民的生命和財產安全。

鑒于四川羅家青杠嶺的滑坡現場非常典型，現場資料較全， 是開展滑坡演化及穩定性分析的很好實例。 一方面， 可以通過現場調查、 鉆孔、 探槽等方法對滑坡體進行了分區， 進一步分析了滑坡的成因機理。 另一方面， 通過GTS軟件建立了羅家青杠嶺滑坡的三維地質模型，利用FLAC3D軟件對滑坡在天然和暴雨兩種狀態下的穩定性進行了分析， 進而為制定科學合理的防災減災對策和措施提供可靠依據。

1 羅家青杠嶺滑坡概況及特征分析

1.1 工程地質條件及滑坡概況

羅家青杠嶺位于四川省西昌市寧南縣幸福鄉月塘村境內。 該村共有居民65 戶， 約300人， 大多集中居住在滑坡體前緣地勢平坦處。寧南縣地處于橫斷山區邊緣， 川滇南北向構造體系的中段， 則木河斷裂從坡體前緣穿過， 具有強烈的第四紀活動性[17]。 羅家青杠嶺滑坡前緣為河谷， 左、 右兩側以沖溝為界， 后緣基巖出露。 如圖1 所示， 坡體前緣平緩， 后緣地勢較陡， 中部為一凸起的鼓丘。 坡體縱長約1200 m，面積0.55 km2， 海拔高程1000～1690 m， 主滑方向為100°。 坡體物質為崩坡積與殘坡積塊碎石土， 坡體總方量約為40×104m3。

圖1 羅家青杠嶺斜坡全貌Fig.1 Complete photo of Luojiaqinggangling

1.2 滑坡體巖土分區

根據1∶2000 的工程地質測量， 結合現場調查， 將滑坡體劃分為4 個區域（圖2）。 其中，綠色區域表示殘坡積土層， 分布在坡體左側及后緣， 土層較薄， 約1～3 m， 呈黃褐色， 局部有基巖出露。 藍色區域表示基巖出露區， 面積較小， 巖性為奧陶系灰巖， 巖體節理裂隙發育，節理傾向與坡向基本一致。 紅色區域表示崩坡積層， 出露于坡體中部， 成分為碎石土， 灰白色， 結構松散， 厚度5～20 m。 坡體表層還堆積了許多大粒徑的塊石， 主要成分為灰巖及膠結形成的塊體， 已證實歷史上曾發生多次崩塌事件[17]。 黃色區域表示滑坡堆積層， 分布在坡體前緣， 地勢平坦。 堆積體表層主要為夾角礫的粉質粘土， 黃褐色， 結構松散， 厚度5～10 m。 堆積體下部主要為碎石土， 碎石含量60%左右，碎石巖性主要為灰巖、 砂巖。 通過鉆孔揭露，整個堆積區土層的厚度可達30 m 左右。

圖2 羅家青杠嶺滑坡巖土分區圖Fig.2 Geotechnical zonation map of Luojiaqinggangling landslide

1.3 坡體變形特性

現場調查發現， 坡體后緣發育大量地面裂縫。 其中后緣左側有三條近平行的大裂縫（圖2 紅色線條所示）。 三條裂縫臺階式的分布于坡體后緣， 裂縫長度均大于20 m， 裂縫走向約250°， 與滑坡主滑方向近垂直。 裂縫兩側錯位高差約5～20 cm， 局部地區裂縫錯位可達40 cm，裂縫周邊的樹木有不同程度的歪斜。 滑坡后緣右側也有一條規模較大的地面裂縫（圖3）， 裂縫走向160°， 裂縫兩側錯位高差約20 cm。

圖3 羅家青杠嶺后緣裂縫Fig.3 Ground fracture develops at trailing edge of the landslide

此外， 滑坡后緣坡度較陡處局部有變形、垮塌現象（圖4）， 垮塌方量較小。 垮塌處植被覆蓋率較低， 表層巖土體松散， 以碎石土為主，在降雨或其他外力作用下容易下滑。 有一處部位， 由于土體滑動形成了很明顯的圈椅狀地貌，但規模不大， 現今已經穩定。

圖4 坡體后緣局部垮塌Fig.4 The local collapse of trailing edge of the landslide

2 滑坡形成機理分析

從羅家青杠嶺滑坡周邊地形地貌上看， 邊坡所處區域位置地形坡度較大， 前緣臨空面較好， 邊坡兩側沖溝較深， 確定了滑坡側邊界。后緣裂縫發育， 滑坡前緣較為平緩， 在地形地貌上具備了滑坡的必要條件。 雖然目前邊坡尚處于整體穩定階段， 但后緣和兩側的滑體邊界已經形成。 根據水文氣象資料， 寧南縣降雨量較豐富， 在連續降雨情況下， 雨水沿裂縫入滲土體， 可能在土顆粒間形成貫通面或者潛在軟弱面， 同時滑體自重會急劇增大， 導致下滑力增大， 容易發生土體的滑動。 而滑坡體上的巖層傾向為15°～40°， 坡向為100°， 斜坡結構為橫向坡， 且發育的灰巖強度較高， 發生基巖滑坡的可能性較小， 所以確定滑坡為土質推移式滑坡。 現場調查認為， 羅家青杠嶺滑坡為殘坡積層滑坡， 其破壞機制為蠕滑拉裂， 破壞方式為推移式。 目前對于殘積物來說處于后緣拉裂隙出現和擴展階段， 下一步將繼續在蠕滑作用下形成滑移面。 在降雨或地震作用下， 將進一步發生滑坡。

據訪問村民， 該地在坡體前緣建房時曾挖出過瓦罐、 人骨及大粒徑的塊石， 且該邊坡前緣與周邊坡體相比， 明顯較緩而且向河谷突出。所以推測該區歷史上曾發生滑坡。 滑坡發生后，由于土體下滑， 在坡體中上部形成一大陡坎，在坡體前緣形成滑坡堆積區。 陡坎處基巖出露較多， 經過后期風化作用， 巖體裂隙擴展， 巖體被裂隙切割成塊后很容易滾落。 經過長期的崩落， 坡體中部形成了崩坡積區， 在崩坡積體的地勢相對平坦區堆積了大量的大粒徑塊石。判斷這些塊石是由崩塌形成而不是滑坡殘留的主要原因有： 首先， 滑坡體上的巖層傾向為15°～40°， 坡向為100°， 斜坡結構為橫向坡， 且發育的灰巖強度較高， 發生基巖滑坡的可能性較小。 其次， 根據鉆孔、 探槽揭露的巖土體特征及現場調查， 坡體中上部在地表以下沒有發現大粒徑塊石， 僅在滑坡堆積區， 有兩戶人家建房時挖出過大塊石。 最后， 坡體上的大部分塊石風化程度很弱， 表面比較新鮮， 與堆積區挖出的巨石差別很大， 所以其形成時代跟滑坡形成時代不同。

3 滑坡三維穩定性分析

本次采用基于有限差分原理的FLAC3D來開展滑坡穩定性分析。 FLAC3D軟件是基于連續介質力學的有限差分程序， 能較好地模擬巖土材料在達到強度極限或屈服極限時發生的破壞或塑性流動。 基于強度折減的FLAC 分析法在邊坡工程中得到了廣泛應用， 它可以模擬邊坡的變形與破壞行為、 滑動面的位置以及加固效應等。

3.1 模型建立

由于FLAC3D對于復雜模型的建立仍然十分困難， 本文基于有限元軟件Midas/GTS 來實現FLAC3D的復雜建模。 Midas/GTS 對邊坡工程進行三維建模， 具有建模速度快、 地層分界準確、有限元精度易于控制等優點。

將1∶2000 工程地質測繪得到的等高線導入Midas 軟件中建立模型， 然后采用節點、 單元轉換程序導入FLAC3D軟件中進行計算， 模型如圖5 所示。 其中， 1 深藍色部分表示滑坡堆積體； 2 紅色部分表示崩坡積體； 3 綠色部分和5紫色部分表示基巖； 4 藍色部分表示殘坡積土。模型長1600 m， 寬1000 m， 最大高度1100 m，最小高度280 m， 共包含48635 個節點，256479 個網格單元。 穩定性分析采用Mohr-Coulomb 本構模型， 不考慮水平構造應力的作用， 只考慮自重應力的作用， 自然坡面為自由邊界， 其他邊界為固定邊界。

圖5 羅家青杠嶺滑坡數值模型Fig.5 Numerical model of Luojiaqinggangling landside

3.2 參數選取

模擬過程中， 考慮了天然和暴雨兩種工況（工況Ⅰ和工況Ⅱ）。 依據室內土工試驗， 參考工程類比及結合經驗， 巖土體參數如表1 所示。

表1 巖土體力學參數

3.3 滑坡穩定性分析

根據模擬的塑性區位置、 滑體位移及剪應變增量對羅家青崗嶺滑坡進行穩定性分析。

3.3.1 天然狀態

考慮自重作用下， 模型進行初始應力至計算平衡， 利用強度折減法計算得到的穩定性安全系數為1.56。 通過剪應變增量云圖（圖6）可大致看出滑坡土體變形比較大的區域和潛在滑動面的位置： 右側殘坡積層中的潛在滑動位置處于坡體上坡度較大的區域， 現場調查中在該區域發育有裂隙， 目前處于擴大趨勢； 中部崩坡積層中滑面目前還沒有貫通， 該區域表層有土體的溜滑現象； 左側殘坡積層中也發育有裂隙， 目前滑面有擴大趨勢， 在降雨或地震作用下， 該區域裂縫還會繼續擴大。

圖6 天然狀態下邊坡剪應變增量Fig.6 Shear strain increment of the slope in natural state

3.3.2 暴雨狀態

暴雨狀態下， 雨水沿裂縫和土體表面滲入到邊坡內部， 降低邊坡表層巖土體的強度， 若降雨強度足夠大， 則邊坡表層的殘積土、 坡積土會達到飽和狀態， 邊坡失穩可能性增大。 暴雨狀態下， 利用強度折減法計算得到的穩定性安全系數為1.19。

圖7 為計算達到平衡后剪應變增量云圖?？梢钥闯?， 土體變形較大的區域仍然集中在坡體后緣殘坡積區的兩側和崩坡積區后緣， 這與天然狀態下邊坡破壞臨界狀態下的破壞位置相一致。 對比圖6 和圖7 可以看出， 暴雨狀態下，坡體的剪切應變增量明顯增大， 且剪切應變增量較大區域的土體深度也較天然狀態下有所增大。 從剪應變增量云圖來看， 滑體上部位移矢量近乎于坡面平行， 表現為“剪切”， 下部位移矢量漸漸表現為“剪出”。 與之對應， 位移平面圖上的表現形態為： 上部與邊坡表面近乎平行，下部與坡面相交。 這些現象表明， 邊坡的潛在滑動面以淺表層局部圓弧滑動為主。

圖7 暴雨狀態下邊坡剪應變增量Fig.7 Shear strain increment of the slope under rainstorm condition

上述天然和飽水兩種狀態下邊坡穩定性結果表明： 天然狀態下邊坡處于穩定狀態， 而暴雨或連續降雨使邊坡巖土體強度參數降低， 導致邊坡安全系數大幅降低， 邊坡處于不穩定狀態。

4 結論

四川羅家青杠嶺滑坡特征明顯、 現場資料較全， 是開展滑坡穩定性分析的很好實例。 通過現場工程地質調查、 鉆孔、 探槽等手段， 分析了滑坡成因機理， 并利用FLAC3D采用強度折減法對滑坡進行了穩定性分析， 主要認識如下：

（1） 羅家青杠嶺滑坡特征十分明顯， 滑坡邊界明顯、 后緣裂縫發育， 屬于小型推移式殘坡積層滑坡。

（2） 現場調查結合穩定性分析表明， 羅家青杠嶺滑坡在天然狀態下處于穩定狀態， 在暴雨狀態下， 處于欠穩定狀態， 兩種狀態下穩定性系數分別為1.56 和1.19。

（3） 根據剪應變增量云圖， 羅家青杠嶺滑坡土體變形較大的區域集中在坡體后緣殘坡積區的兩側和崩坡積區后緣。 坡體后緣左右兩側裂縫發育的區域很容易再次發生局部滑動， 應加強該區域的監測。