張家口宣化屈家莊滑坡變形和穩(wěn)定性分析

姚萬(wàn)森 袁 穎 劉 超 耿萬(wàn)青 于建洲

（1.河北省地礦局第四水文工程地質(zhì)大隊(duì)；2.河北地質(zhì)大學(xué)城市地質(zhì)與工程學(xué)院）

斜坡巖土體在暴雨、地震或人類(lèi)工程活動(dòng)等因素誘發(fā)下，受自身重力作用向下滑動(dòng)的現(xiàn)象稱(chēng)為滑坡，滑坡已經(jīng)成為了一種常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害。在我國(guó)，滑坡災(zāi)害分布廣泛，危害嚴(yán)重，威脅到了人類(lèi)的生命和財(cái)產(chǎn)安全。對(duì)滑坡穩(wěn)定性和變形的分析，是對(duì)滑坡體危害程度評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，很多學(xué)者都提出了滑坡穩(wěn)定性和變形計(jì)算的方法［1-2］，近年來(lái)，很多學(xué)者采用數(shù)值模擬軟件對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析和變形的計(jì)算，數(shù)值模擬軟件能夠模擬復(fù)雜的坡形和巖土條件下邊坡的穩(wěn)定性或變形特征，計(jì)算效率高。

GeoStudio軟件是一個(gè)巖土分析的仿真軟件，它包含SLOPE/W、SEEP/W、SIGMA/W等模塊，應(yīng)用這些模塊可以進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析、滲流分析等，還可以結(jié)合極限平衡理論，考慮地下水、地面堆載，求解復(fù)雜土層、復(fù)雜地形的邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題。屈建軍等［3］利用Geo-Slope軟件對(duì)邊坡控制性結(jié)構(gòu)面進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，李風(fēng)增［4］利用Geo-Slope軟件搜索最危險(xiǎn)滑動(dòng)面，分析了自然狀態(tài)和飽和狀態(tài)下滑坡的穩(wěn)定性。聶兵其等［5］基于GEO-SEEP/SLOPE分析了邊坡在天然和降雨工況下的穩(wěn)定性。本研究應(yīng)用GeoStudio軟件對(duì)宣化屈家莊滑坡穩(wěn)定性和變形特征進(jìn)行求解和分析。

1 工程概況

宣化屈家莊滑坡位于張家口市經(jīng)開(kāi)區(qū)沙嶺子鎮(zhèn)屈家莊村東北1 km屈家莊石料廠南側(cè)的斜坡之上，為一巖質(zhì)滑坡，威脅著下方中恒科技有限公司辦公樓及金鴻能源加氣站的人員和財(cái)產(chǎn)安全。

2 滑坡區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件

滑坡位于低中山區(qū)，總體地勢(shì)北東高南西低，地形起伏較大。滑坡區(qū)地層主要有第四系人工堆積層（Q4ml）、殘坡積層（Q4el+dl）、侏羅系張家口組（J3z）地層。區(qū)域水文地質(zhì)單元屬于地下水補(bǔ)給區(qū)，地下水類(lèi)型主要有第四系松散巖類(lèi)孔隙水和碎屑巖類(lèi)孔隙裂隙水。前者主要接受大氣降水補(bǔ)給，水量小，徑流方向與地形坡度基本一致，即由地形高處向地形低處徑流。后者主要接受大氣降水、側(cè)向徑流及地表水滲入補(bǔ)給，徑流條件受巖層產(chǎn)狀與地形控制。

滑坡區(qū)未見(jiàn)穩(wěn)定的地下水水位，在部分鉆孔中發(fā)現(xiàn)有少量地下水滲出，水量較小，分布不穩(wěn)定。坡體結(jié)構(gòu)較松散，降雨入滲轉(zhuǎn)化為地下水沿斜坡方向向下徑流，利于地下水的排泄。平時(shí)地下水對(duì)斜坡的穩(wěn)定性影響相對(duì)來(lái)說(shuō)較小，但暴雨或持續(xù)降雨期，雨水通過(guò)入滲轉(zhuǎn)化為地下水，并在坡體上形成較高地下水位時(shí)，對(duì)整個(gè)坡體的穩(wěn)定性將產(chǎn)生較大影響。

3 滑坡的特征分析

3.1 滑坡的邊界

滑坡后緣以貫通的弧形裂縫為界，其上為坡度為10~12°的山坡，坡頂為流紋質(zhì)角礫熔巖，滑坡前緣位于人工開(kāi)挖坡形成的陡坎下方，前緣外側(cè)為采礦形成的運(yùn)輸?shù)缆罚伦髠?cè)以園林綠化恢復(fù)治理的平臺(tái)為界，右側(cè)以采礦形成的掌子面為界。滑坡坡體后緣、前緣和中部均出現(xiàn)多條變形裂縫，且變形破壞趨勢(shì)仍在增大，裂縫基本貫通，滑坡現(xiàn)狀處于變形滑動(dòng)階段，狀態(tài)欠穩(wěn)定。滑坡全貌見(jiàn)圖1。

3.2 滑坡的規(guī)模

滑坡平面呈方形，主滑方向?yàn)?00°，縱向長(zhǎng)度為155~170 m，橫向?qū)挾葹?53~169 m，滑體厚度為5~19 m，平均厚度為13 m，滑坡體總面積為2.4萬(wàn)m2，總體積為31萬(wàn)m3，屬中型滑坡。

滑坡中后部坡面較完整，地形坡度為8~12°，總體較為平緩，中部為平緩的平臺(tái)，前緣地形破壞嚴(yán)重，為人工采礦形成的臨空面及渣堆，臨空面高為12~15 m，坡度為40~48°。滑坡前后緣最大地形高差為47 m，平均坡度為18°。

3.3 滑坡體特征

滑體物質(zhì)以張家口組強(qiáng)風(fēng)化流紋質(zhì)角礫熔巖為主，厚度為13~20 m，具有中部厚、兩側(cè)薄、前緣厚、后緣薄的形態(tài)特點(diǎn)。前緣到后緣巖性以張家口組流紋質(zhì)角礫熔巖為主，灰黑色，角礫熔巖狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。巖石由火山角礫（10%）、凝灰物（5%~10%）、斑晶（15%~20%）、基質(zhì)（65%）組成。角礫雜亂分布，大小為5~50 mm，成分為安山巖、流紋巖等。凝灰物大小為0.2~2 mm，星散分布。上部覆蓋層為殘坡積碎石粉土，表層干—稍濕，密度程度為中密—密實(shí)。

3.4 滑床特征

滑床以張家口組（J3z）中風(fēng)化流紋巖為主，淺紫灰色，中風(fēng)化，堅(jiān)硬，性脆，塊狀構(gòu)造，流紋結(jié)構(gòu)或斑狀結(jié)構(gòu)。

3.5 滑動(dòng)帶特征

通過(guò)調(diào)查、物探、鉆探、槽探綜合法確定滑動(dòng)帶埋深和特征。如圖2所示，滑動(dòng)帶位于流紋質(zhì)角礫熔巖與流紋巖夾層處，巖性以灰白色、紅褐色流紋質(zhì)凝灰熔巖為主，厚度為2.6~7.2 m。該巖層處于強(qiáng)風(fēng)化—全風(fēng)化狀態(tài)，部分巖體較為松散，部分風(fēng)化成土狀具滑感，遇水崩解。滑坡前緣原始地形為自然斜坡，切坡后形成的陡邊坡出露地層主要為流紋質(zhì)角礫熔巖，底部零星可見(jiàn)流紋質(zhì)凝灰熔巖，該邊坡開(kāi)挖的底界為流紋巖。因此，確定滑坡前緣剪出口為該邊坡底部。

4 滑坡變形分析

4.1 剖面選取

選取滑坡主滑方向典型剖面進(jìn)行變形計(jì)算，如圖3所示。

4.2 參數(shù)確定

（1）重度的確定。本滑坡滑體的巖體較為單一。根據(jù)勘查所取巖樣經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)分析確定，見(jiàn)表1。

（2）彈性模量和泊松比的確定。采用線(xiàn)彈性模型進(jìn)行滑坡變形計(jì)算，其中變形參數(shù)彈性模量E和泊松比v是最重要的2個(gè)參數(shù)。他們與變形的相關(guān)性不同，對(duì)變形的影響程度不同。滑體滑帶土不同彈性模量和泊松比下滑坡前緣監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形Dx結(jié)果見(jiàn)表2，相關(guān)性結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可知，彈性模量與變形量間相關(guān)性的顯著性為0.349，大于0.05，表明二者間不存在顯著的相關(guān)關(guān)系。泊松比與變形量間相關(guān)性的顯著性為0.001，小于0.05，表明二者間存在顯著的相關(guān)關(guān)系；二者間的相關(guān)系數(shù)為0.907，表明泊松比與變形量有顯著的正向相關(guān)關(guān)系，意味著變形量隨著泊松比增大而提高。與坡腳前緣的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比，最終選取計(jì)算模型的彈性模量為1.5 GPa，泊松比為0.4。分別對(duì)前緣坡腳處和滑坡后緣處一段范圍內(nèi)各點(diǎn)在自重力工況條件下進(jìn)行變形分析，變形等值線(xiàn)圖和變形曲線(xiàn)見(jiàn)圖4、圖5。變形在0.1 mm量級(jí)，基本穩(wěn)定。

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注:υ無(wú)量綱。

圖4 、圖5（a）反映出前緣坡腳20 m范圍內(nèi)計(jì)算的變形較小，前緣陡坡處變形相對(duì)較大，與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查滑坡前緣高陡邊坡為整個(gè)滑坡變形體上的強(qiáng)變形區(qū)結(jié)論一致，原因可能是隨滑坡整體滑動(dòng)外，會(huì)發(fā)生局部垮塌或滑動(dòng)破壞。圖4、圖5（b）反映出水平X向坐標(biāo)366 m處兩側(cè)2~3 m范圍內(nèi)變形反向，推斷該段范圍內(nèi)可能出現(xiàn)裂縫，與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的裂縫位置基本一致。

5 滑坡穩(wěn)定性分析

5.1 滑體、滑帶抗剪強(qiáng)度參數(shù)確定

（1）實(shí)驗(yàn)方法。通過(guò)勘查所取巖樣在不同狀態(tài)下的剪切實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果得出滑帶抗剪強(qiáng)度參數(shù)，見(jiàn)表4。

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（2）反演方法。基于極限平衡法求滑坡穩(wěn)定系數(shù)模型中，抗剪強(qiáng)度對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響很大，抗剪強(qiáng)度參數(shù)黏聚力C、內(nèi)摩擦角?值對(duì)穩(wěn)定系數(shù)Fs的相關(guān)性不同，對(duì)穩(wěn)定性的影響程度不同。滑帶土不同抗剪強(qiáng)度參數(shù)下的穩(wěn)定系數(shù)見(jiàn)表5，相關(guān)性結(jié)果見(jiàn)表6。

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由表6可知，C與Fs間相關(guān)性的顯著性為0.505，大于0.05，表明二者間不存在顯著的相關(guān)關(guān)系。?與Fs間相關(guān)性的顯著性接近0，小于0.05，表明二者間存在顯著的相關(guān)關(guān)系，二者間的相關(guān)系數(shù)為0.995，表明?與Fs有顯著的正向相關(guān)關(guān)系，意味著?越高Fs越大。因此，在反演分析時(shí)采用固定C值求?值。

該滑坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，取穩(wěn)定系數(shù)1.0，根據(jù)地質(zhì)結(jié)構(gòu)及滑帶的性質(zhì)，采用給定不同C值求其?值。反演分析結(jié)果見(jiàn)表7。

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（3）參數(shù)綜合選取。巖土物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)巖土試驗(yàn)成果、反算結(jié)果及相似滑坡的類(lèi)比綜合分析確定，見(jiàn)表8。

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5.2 滑床抗剪強(qiáng)度參數(shù)確定

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)成果，按《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330—2013）、《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50007—2011）及類(lèi)比相關(guān)工程資料確定滑床物理力學(xué)參數(shù)建議值，見(jiàn)表9。

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5.3 工況選取

根據(jù)《滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》（DZ/T 0219—2006），滑坡防治工程分級(jí)為II級(jí)，暴雨工況以20 a一遇（5%頻率）暴雨考慮；工作區(qū)處于抗震設(shè)防烈度Ⅶ度區(qū)，50 a超越概率10%的地震動(dòng)峰值加速度為0.10g。滑坡穩(wěn)定性計(jì)算采用的工況有“自重力”、“自重力+暴雨”和“自重力+地震”3種工況。

5.4 穩(wěn)定性計(jì)算

采用Morgenstern-Price法建立穩(wěn)定性計(jì)算模型。該方法是目前最嚴(yán)密的邊坡穩(wěn)定性分析方法，既滿(mǎn)足受力平衡，也滿(mǎn)足力矩的平衡，條間力選用半正弦函數(shù)，利用SLOPE/W模塊，計(jì)算求解，模型見(jiàn)圖6。計(jì)算結(jié)果與規(guī)范推薦的剩余下滑力方法求解計(jì)算結(jié)果相對(duì)比（圖7），GeoStudio軟件計(jì)算結(jié)果略大。

6 結(jié)論

（1）通過(guò)變形分析模擬計(jì)算滑坡前緣和后緣的變形特征，與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查監(jiān)測(cè)的結(jié)果基本一致。

（2）彈性模量與變形間不存在顯著的相關(guān)關(guān)系，泊松比與變形間存在顯著的正向相關(guān)關(guān)系。

（3）黏聚力與安全系數(shù)間不存在顯著的相關(guān)關(guān)系，內(nèi)摩擦角與安全系數(shù)間有顯著的正向相關(guān)關(guān)系，在反演分析時(shí)宜采用固定黏聚力值求內(nèi)摩擦角。

（4）利用GeoStudio軟件的Morgenstern-Price法模擬計(jì)算的穩(wěn)定系數(shù)與規(guī)范推薦的剩余下滑力求解方法得到的結(jié)果略大，采用規(guī)范法是偏安全的。