宜賓岷江南岸半邊街滑坡穩(wěn)定性及敏感性評價

陳紹文，陳廷芳，王雪林，劉文正

(西南科技大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽 621010)

滑坡災(zāi)害是最常見的地質(zhì)災(zāi)害之一，嚴(yán)重影響人類生產(chǎn)生活、經(jīng)濟發(fā)展[1]。在長江上游地區(qū)，降雨是影響滑坡穩(wěn)定性的重要因素之一，還有河水沖刷、人工破壞等，所誘發(fā)的滑坡規(guī)模涵蓋淺層滑坡到滑帶深度相對較深的滑坡[2]。在滑坡穩(wěn)定性分析的發(fā)展歷程中，國內(nèi)外學(xué)者提出了很多方法，現(xiàn)常用的有極限平衡法和有限單元法[3]，其中極限平衡法的傳遞系數(shù)法在我國工程界常被作為穩(wěn)定性判斷和工程設(shè)計的依據(jù)[4]，也是我國《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330—2013)中推薦的方法之一。

宜賓市敘州區(qū)蕨溪鎮(zhèn)半邊街滑坡受降雨及岷江河水漲跌影響，前緣發(fā)生局部鼓脹垮塌，中后部大量裂縫發(fā)育使房屋道路開裂，直接危及22戶75人及村道安全。本研究依托宜賓市敘州區(qū)蕨溪鎮(zhèn)施加社區(qū)花燈組半邊街滑坡地質(zhì)災(zāi)害隱患治理工程項目[5]，于2020年10月5日—2020年10月26日對半邊街滑坡特征、變形機制及影響因素展開調(diào)查和分析，進行了天然、暴雨、地震、河水漲跌等工況下的滑坡穩(wěn)定性分析及暴雨工況下的穩(wěn)定性因素敏感性評價，以期為后續(xù)滑坡監(jiān)測、水土流失治理提供重要依據(jù)。

1 滑坡概況

1.1 滑坡形態(tài)特征

半邊街滑坡位于宜賓市敘州區(qū)蕨溪鎮(zhèn)施加社區(qū)花燈組半邊街，滑坡區(qū)中心坐標(biāo)為104°09′15.08″E、29°02′38.68″N。滑坡平面形態(tài)呈圈椅狀，剖面形態(tài)呈下凹的折線形，后緣以滑坡壁、張拉裂縫為界，前緣以坡腳陡坎、坡腳與岷江交界處為界，兩側(cè)以剪切裂縫、自然沖溝為界，后緣高程298～333 m，前緣高程271～280 m，主滑方向40°～55°，滑體平均厚度7 m，滑坡體積約15.29萬m3，為中型牽引式滑坡。滑坡后部坡度較陡(30°～40°)，中前部坡度較緩，整體呈階梯狀，且可分為兩個臺階：第一臺階以滑坡前緣與岷江河水交接處為界，受岷江河水沖刷，臺階前緣為斜坡，整體坡度約20°，臺階頂部平臺坡度1°～4°；第二臺階以道路外側(cè)近直立陡坎底為界，臺階頂部坡度1°～8°。

1.2 滑坡物質(zhì)結(jié)構(gòu)特征

(1)滑坡體。滑坡體物質(zhì)主要為第四系崩坡積層(Q4el+dl)紅褐色含碎塊石粉質(zhì)黏土，主要分布于區(qū)內(nèi)表層及淺部，風(fēng)化強烈，結(jié)構(gòu)松散，粒徑差異大，由粉質(zhì)黏土、碎石組成，黏性土占比較大；受風(fēng)化及滑動作用影響，呈棱角狀且級配差，母巖成分主要為強風(fēng)化-中風(fēng)化砂巖，孔隙較發(fā)育且含水量較大，地表水與降水易入滲。

(2)滑帶土。滑坡為淺表層土質(zhì)滑坡，滑帶土位于基覆界面之上，主要為含碎石粉質(zhì)黏土。

(3)滑床。滑床主要由磚紅色砂巖、紅褐色含碎塊石粉質(zhì)黏土構(gòu)成，巖層產(chǎn)狀327°∠6°，呈厚層狀構(gòu)造、粗粒結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)膠結(jié)，裂隙稍發(fā)育，巖質(zhì)極軟，在滑坡后緣陡坡近頂部有基巖出露點，地表水與降水易入滲。

1.3 滑坡變形特征

該滑坡初次變形于1989年，主要集中于滑坡中后部，表現(xiàn)為地面拉裂變形，隨后趨于穩(wěn)定。2015年雨季出現(xiàn)劇烈變形，主要表現(xiàn)為滑坡前緣地面出現(xiàn)大量沉降、拉張裂縫，最大沉降達(dá)0.7 m，最大拉張裂縫寬0.4 m，導(dǎo)致房屋出現(xiàn)拉裂變形，臺階前緣擋土墻底部出現(xiàn)鼓脹損壞。之后，滑坡一直處于緩慢變形階段，裂縫加寬加長，在雨季、岷江河水水位下跌時變形尤為劇烈，至2020年9月在坡體內(nèi)發(fā)現(xiàn)較明顯拉張裂縫15條，長度1.2～8.0 m，寬度4～60 mm，裂縫走向30°～190°，坡體上的村道及房屋有拉裂變形現(xiàn)象。2020年10月28日，滑坡再次出現(xiàn)強烈變形，在中后部及前緣出現(xiàn)大量拉張裂縫，寬度10～200 mm，之后處于緩慢變形階段。綜上，從滑坡變形時間上看，變形破壞主要集中在雨季、岷江水位下跌時；從滑坡變形歷史上看，滑坡變形在雨季、岷江水位下跌時尤為劇烈，會在前緣及中后部發(fā)育大量拉張裂縫。這說明該滑坡在遭遇暴雨、岷江水位下跌等不利工況條件時可能發(fā)生滑移變形。

2 滑坡變形影響因素及變形機制分析

2.1 滑坡變形影響因素

(1)地形地貌。研究區(qū)屬于丘陵河流階地地貌區(qū)，地形坡度相對較大，滑坡整體呈后陡-中前緩，平臺、陡坎、斜坡相間發(fā)育形態(tài)，為變形提供了臨空條件。此外，因前緣斜坡與岷江交界，故易受岷江河水沖刷侵蝕。

(2)地層巖性。研究區(qū)出露第四系崩坡積層(Q4col+dl)含碎塊石粉質(zhì)黏土、第四系沖洪積層(Q4al+pl)泥夾卵石及卵石、白堊系下統(tǒng)窩頭山組(K1w)石英砂巖等。區(qū)內(nèi)巖土體普遍結(jié)構(gòu)松散、巖質(zhì)軟弱、孔隙裂隙發(fā)育、力學(xué)性質(zhì)較差，特別是在飽水軟化后物理特性急劇變差，易受降雨和地下水水位變化影響。

(3)地質(zhì)構(gòu)造及地震。研究區(qū)受峨眉-宜賓大斷裂影響較大，導(dǎo)致區(qū)內(nèi)巖土體結(jié)構(gòu)不完整、裂隙發(fā)育，在河流侵蝕及風(fēng)化作用下形成大量殘坡積物。同時，川南地區(qū)地震活動極為頻繁，地震力的震蕩破壞作用破壞了巖土體的強度結(jié)構(gòu)，改變了原本的膠結(jié)狀態(tài)，使其松動破碎。

(4)氣象水文。研究區(qū)內(nèi)調(diào)查期間(2020年10月)岷江河水現(xiàn)狀水位257.730 m，2020年洪水最高水位267.201 m，河水漲跌及沖刷侵蝕使岸坡出現(xiàn)局部塌岸，破裂面向后移動；地下水為第四系松散堆積物孔隙水、基巖風(fēng)化帶裂隙水，未見泉眼出露，地下水就地接受大氣降水直接下滲補給，具有就近補給排泄、隨季節(jié)變化大的特點。研究區(qū)年均降水量1 063.1 mm，最大年降水量1 581.0 mm，最小年降水量710.0 mm，降水量在年內(nèi)分布不均，主要集中在5—9月，期間降水量超過年降雨量的76%，暴雨或連續(xù)降雨時大量雨水下滲會使巖土體物理力學(xué)性質(zhì)變差。

(5)人類工程活動。研究區(qū)人類工程活動強度較高，房屋及鄉(xiāng)村公路修建時產(chǎn)生了大量呈階梯狀的人工切坡及陡坎，易形成局部溜滑。

結(jié)合變形特征，岷江水位漲跌和大氣降水為誘發(fā)滑坡變形及發(fā)生滑動的主要影響因素。

2.2 變形機制

根據(jù)上述滑坡物質(zhì)結(jié)構(gòu)特征、變形特征及影響因素，推測變形機制如下：

(1)滑坡后陡-中前緩和以岷江為界的地形地貌特征為中后部發(fā)育滑坡提供了較好的勢能條件，為河流侵蝕入滲創(chuàng)造了有利條件；以崩坡積層含碎塊石粉質(zhì)黏土為主的滑坡體和以磚紅色砂巖、紅褐色含碎塊石粉質(zhì)黏土為主的滑床，力學(xué)性質(zhì)較差，易形成潛在滑動面。

(2)當(dāng)岷江水位上漲時，大量河水入滲，導(dǎo)致覆蓋土層充分飽水，上覆土體自重加大，滑動面黏聚力C值、內(nèi)摩擦角φ值大大降低；在岷江水位下降后，土體內(nèi)地下水來不及排出，導(dǎo)致滑面以上滑體承受水對其向上的揚壓力，土體有效應(yīng)力降低，有效抗剪強度降低，使得滑坡穩(wěn)定性大大降低。土質(zhì)岸坡受岷江河水漲跌沖刷影響出現(xiàn)局部塌岸，使破裂面逐步向后移動。大氣降水順坡面入滲，進入松散覆蓋土層，降低土體強度，增加土體荷載，同時在孔隙中形成孔隙水壓力，加劇土體的變形和破壞；當(dāng)暴雨或連續(xù)降雨時，土中孔隙水壓力急劇增大，降低坡體抗滑移能力，誘發(fā)土層蠕動變形并最終形成裂縫。此外，川南地區(qū)地震頻發(fā)，在地震波的作用下坡體受力巨大，原始平衡狀態(tài)被打破，導(dǎo)致巖土體及斜坡結(jié)構(gòu)遭到破壞，顆粒之間的膠結(jié)咬合程度降低，黏聚力和內(nèi)摩擦角減小，從而在自重荷載下形成滑坡[6]。

2.3 破壞模式

該滑坡屬牽引式滑坡，結(jié)合野外調(diào)查，滑坡破壞模式有3種：①沿含碎塊石粉質(zhì)黏土內(nèi)部滑面發(fā)生滑動，滑面為圓弧狀；②沿土巖接觸面發(fā)生滑動，滑面為折線形；③受岷江河水沖刷、掏蝕，岸坡出現(xiàn)局部塌岸，滑面位于土層內(nèi)，滑面為圓弧狀。結(jié)合變形特征，滑坡滑面基本貫通。

3 滑坡穩(wěn)定性評價

3.1 穩(wěn)定性系數(shù)計算方法

根據(jù)上述地勘資料及滑坡特征，本研究采用極限平衡法中適合任意特征滑面的傳遞系數(shù)法進行滑坡穩(wěn)定性系數(shù)計算。穩(wěn)定性系數(shù)計算公式[7-8]為

(1)

其中

Ψj=cos(αi-αi+1)-sin(αi-αi+1)tanφi+1

Rn={Wn[(1-ru)cosαn-Asinαn]-RDn}tanφ/(CnLn)

Tn=Wn(sinαn+Acosαn)+TDn

式中：Fs為穩(wěn)定性系數(shù)；Wi為第i條塊的重量，kN/m；ru為孔隙壓力比；αi為第i條塊地下水線與滑面的夾角，(°)；φi為第i條塊內(nèi)摩擦角，(°)；Ci為第i條塊黏聚力，kPa；Li為第i條塊滑面長度，m；Ψj為第i條塊的剩余下滑力傳遞至第i+1塊時的傳遞系數(shù)，i=j；RDn為第n條塊地下水滲透壓力產(chǎn)生的垂直滑面分力，kN/m；TDn為第n條塊地下水滲透壓力產(chǎn)生的平行滑面分力，kN/m；A為地震加速度。

3.2 計算剖面選擇

根據(jù)滑坡變形特征機制及典型地質(zhì)斷面特征，選取6-6′、7-7′剖面滑體(見圖1、圖2)作為實體模型，恢復(fù)原地形進行抗剪強度參數(shù)反演及穩(wěn)定性評價。岷江現(xiàn)狀水位低于6-6′剖面滑面2剪出口和7-7′剖面滑面3剪出口，最高水位時滑坡前緣斜坡處于行洪范圍。

圖1 半邊街滑坡6-6′剖面

圖2 半邊街滑坡7-7′剖面

3.3 計算工況的確定

根據(jù)上述影響因素分析，計算工況及設(shè)計安全系數(shù)Ks取值如下：①天然工況，Ks取1.25(荷載為滑體自重，容重取天然值，地下水滲透作用水位以下滑體重度取浮重度)；②暴雨工況，Ks取1.20(滑體取飽和重度)；③地震工況，Ks取1.10(抗震設(shè)防烈度7度區(qū)，設(shè)計地震分組第二組，峰值地震加速度值A(chǔ)=0.10g)；④河水漲跌工況，Ks取1.10(滑體取飽和重度，因岷江水位最高漲幅高于剪出口，故水位取最高洪水位)。

3.4 計算參數(shù)取值

穩(wěn)定性計算需確定巖土體重度及抗剪強度參數(shù)——黏聚力C、內(nèi)摩擦角φ。此外，滑帶土C、φ值是滑坡穩(wěn)定性定量評價的重要參數(shù)，其值變化對計算結(jié)果影響較大[6]。

(1)重度采用原狀樣室內(nèi)試驗成果統(tǒng)計分析得到，即滑體(帶)土和滑床巖石(含碎石粉質(zhì)黏土)的天然、飽和容重均分別為20.2、20.8 kN/m3；滑床巖石(砂巖)的天然容重為21.4 kN/m3。

(2)抗剪強度參數(shù)C、φ值選用室內(nèi)試驗值、反演分析值及規(guī)范經(jīng)驗值加權(quán)求和所得的綜合取值。①由于室內(nèi)試驗采取擾動試樣，試驗指標(biāo)與實際情況相差較大，因此室內(nèi)試驗值權(quán)重取0.4；②反演分析值由滑體(帶)土處于飽和狀態(tài)下進行反算得出，反演分析值權(quán)重取0.5；③規(guī)范經(jīng)驗值權(quán)重取0.1。計算結(jié)果見表1。

表1 滑體(帶)土抗剪強度參數(shù)取值

3.5 穩(wěn)定性計算結(jié)果及評價

3.5.1 穩(wěn)定狀態(tài)評價標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《滑坡防治工程勘查規(guī)范》(GB/T 32864—2016)，結(jié)合滑坡現(xiàn)狀，根據(jù)穩(wěn)定性系數(shù)Fs判定穩(wěn)定狀態(tài)的評價標(biāo)準(zhǔn)為：Fs<1.0為不穩(wěn)定狀態(tài)；1.0≤Fs<1.05為欠穩(wěn)定狀態(tài)；1.05≤Fs

3.5.2 穩(wěn)定性計算結(jié)果

根據(jù)上述剖面、工況、參數(shù)及穩(wěn)定狀態(tài)評價標(biāo)準(zhǔn)，采用傳遞系數(shù)法對滑坡各破壞模式下的穩(wěn)定性進行定量計算，計算結(jié)果見表2、表3。

表2 滑坡中后部斜坡穩(wěn)定性計算結(jié)果

表3 滑坡前緣斜坡穩(wěn)定性計算結(jié)果

3.5.3 穩(wěn)定性評價

根據(jù)滑坡破壞模式及穩(wěn)定性計算結(jié)果，穩(wěn)定性需分局部與整體進行評價。

(1)局部穩(wěn)定性評價。6-6′、7-7′剖面的滑面1在暴雨工況下分別處于不穩(wěn)定狀態(tài)和欠穩(wěn)定狀態(tài)；7-7′剖面滑面1在天然和地震工況下均于基本穩(wěn)定狀態(tài)，6-6′剖面滑面1在天然和地震工況下則分別處于基本穩(wěn)定狀態(tài)和穩(wěn)定狀態(tài)；7-7′剖面滑面3因剪出口高程接近岷江現(xiàn)狀水位，故在河水漲跌工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)；其余工況下各滑面均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)整體穩(wěn)定性評價及發(fā)展趨勢預(yù)測。半邊街滑坡整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；在暴雨工況下中后部斜坡呈不穩(wěn)定-欠穩(wěn)定狀態(tài)，河水漲跌工況下前緣斜坡呈局部欠穩(wěn)定狀態(tài)。預(yù)測今后在雨季特別是暴雨及持續(xù)降雨、岷江河水水位快速漲跌時，滑坡滑動變形將加劇，從而失穩(wěn)產(chǎn)生以蠕滑變形為主的滑動。計算結(jié)果與半邊街滑坡的變形歷史與現(xiàn)場表觀特征基本一致。

4 滑坡穩(wěn)定性因素敏感性評價

影響滑坡穩(wěn)定性的主要因素有基覆面或滑動面的黏聚力C與內(nèi)摩擦角φ[9]。根據(jù)穩(wěn)定性評價結(jié)果，在暴雨工況下中后部斜坡穩(wěn)定性較差易發(fā)生劇滑，故在暴雨工況下對兩剖面進行黏聚力C和內(nèi)摩擦角φ的穩(wěn)定性因素敏感性評價。設(shè)定穩(wěn)定性系數(shù)Fs=0.95～1.00，利用傳遞系數(shù)法反演分析得到穩(wěn)定性系數(shù)Fs與C、φ值的變化規(guī)律，見表4、表5和圖3、圖4、圖5、圖6。

表4 6-6′剖面穩(wěn)定性因素C、φ值敏感性分析

表5 7-7′剖面穩(wěn)定性因素C、φ值敏感性分析

(1)6-6′剖面，在暴雨工況下取滑體(帶)土C=14.5～16.0 kPa、φ=11.5°～13.0°。由表4和圖3、圖4可知，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)與C、φ值均呈線性正相關(guān)；C值不變，φ值每增加0.5°，穩(wěn)定性系數(shù)增加1.5%；φ值不變，C值每增加0.5 kPa，穩(wěn)定性系數(shù)增加2.2%；6-6′剖面中Fs—φ關(guān)系曲線的斜率小于Fs—C關(guān)系曲線的，說明滑動面黏聚力C對滑坡穩(wěn)定性系數(shù)Fs影響更顯著。

圖3 6-6′剖面穩(wěn)定性因素Fs—φ關(guān)系曲線

圖4 6-6′剖面穩(wěn)定性因素Fs—C關(guān)系曲線

(2)7-7′剖面，在暴雨工況下取滑體(帶)土C=14.0～15.5 kPa、φ=11.5°～13.0°。由表5和圖5、圖6可知，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)與C、φ值均呈線性正相關(guān)；C值不變，φ值每增加0.5°，穩(wěn)定性系數(shù)增加1.8%；φ值不變，C值每增加0.5 kPa，穩(wěn)定性系數(shù)增加2.0%；7-7′剖面中Fs—φ關(guān)系曲線的斜率小于Fs—C關(guān)系曲線的，說明滑動面黏聚力C對滑坡穩(wěn)定性系數(shù)Fs影響更顯著。

圖 5 7-7′剖面穩(wěn)定性因素Fs—φ關(guān)系曲線

圖6 7-7′剖面穩(wěn)定性因素Fs—C關(guān)系曲線

以上數(shù)據(jù)分析表明，6-6′、7-7′兩剖面滑體穩(wěn)定性系數(shù)Fs對黏聚力C值變化時的敏感性均大于對內(nèi)摩擦角φ值變化時的敏感性，故暴雨工況下黏聚力C對滑坡穩(wěn)定性影響更明顯，為影響滑坡穩(wěn)定性的最主要敏感性因素。

5 結(jié) 論

(1)半邊街滑坡為中型土質(zhì)牽引式滑坡，前緣以坡腳陡坎、坡腳與岷江交界處為界，主滑方向40°～55°，體積約15.29萬m3，3次劇滑均發(fā)生在雨季與岷江河水快速漲跌時，變形區(qū)域集中在滑坡前緣及中后部斜坡。

(2)研究區(qū)地形地貌為滑坡提供了有利的勢能及受侵蝕條件，地層巖性提供了形成潛在滑面的物質(zhì)條件。大氣降雨與岷江河水漲跌降低了滑坡體內(nèi)巖土體的抗剪強度，加大了自重荷載，導(dǎo)致滑坡失穩(wěn)產(chǎn)生滑動變形。

(3)滑坡整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。在暴雨工況下滑坡中后部斜坡處于不穩(wěn)定-欠穩(wěn)定狀態(tài)，滑坡前緣斜坡在河水漲跌工況下處于局部欠穩(wěn)定狀態(tài)，其他情況下均處于基本穩(wěn)定-穩(wěn)定狀態(tài)。

(4)暴雨工況下滑坡穩(wěn)定性系數(shù)對黏聚力C的變化較內(nèi)摩擦角φ更加敏感。

(5)滑坡在暴雨或持續(xù)降雨和岷江河水水位快速漲跌時發(fā)生變形的危險性較大，故需在滑坡區(qū)開展滑坡監(jiān)測及水土流失治理工程，以降低滑坡災(zāi)害所帶來的風(fēng)險。