永善縣城古滑坡復活變形特征及穩定性分析

鄧立雄, 徐世光,2*, 鄭庭, 吳靜, 郝少雷

(1.昆明理工大學國土資源工程學院, 昆明 650093; 2.云南省地質礦產勘察開發局, 昆明 650011;3.中國有色金屬工業昆明勘察設計研究院, 昆明 650051)

近年來,隨著人口數量的急劇增長、工程活動的不斷加劇以及全球氣候的變化,古滑坡復活趨勢日漸顯著,對人類的生命財產安全造成了巨大的威脅[1]。例如,湖北省千將坪古滑坡于2003年7月13日凌晨復活,滑坡體積約2×107m3,造成14人死亡,10人失蹤,1 200 多人無家可歸,多處房屋等巨大損失[2]。四川省巴塘縣茶樹山古滑坡于2006年1月7日發生大規?；瑒?造成大面積地面沉降、水渠錯位變形、房屋受損,現今仍處于不穩定狀態[3-4]。關于突發增長的古滑坡復活問題,前人已經作了許多研究。鄧建輝等[5]利用測年法確定了古滑坡的發生時代,并采用強度折減法對滑坡進行穩定性評價。殷躍平等[6]在分析丹巴縣城滑坡穩定性時,運用強度折減法與常用的Janbu簡化法、Morgenstern-Price法、Sarma法進行了對比研究。黃達等[7]利用地質、位移監測及數值模擬方法,對巫山曲尺塔坪H2滑坡進行研究,發現在降雨-庫水位漲落耦合作用下滑坡呈現出漸進式變形破壞特征。何坤等[8]通過對四川省鹽源玻璃村特大型玄武巖古滑坡的研究,將復活滑坡劃分為主滑區與側滑區,認為破碎巖土體結構以及持續的降雨是滑坡復活的誘發因素。李雪等[9]通過野外地質調查、遙感解譯等手段對金沙江流域雄巴巨型古滑坡進行研究,認為復活變形是多因素共同的結果,有發展成堵江、潰堤等災害的趨勢。劉莉等[10]分析了金沙江巧家巨型古滑坡的發育特征,認為在庫水波動、地震與降雨等因素的相互作用下,古滑坡具有復活的可能。

目前對于古滑坡的發育特征與穩定性分析等研究較多,但是對于金沙江沿岸城鎮建設區巨型古滑坡復活變形研究較少,因此現以永善東部縣城古滑坡為例,通過野外調查、位移監測與數值模擬等方法,對永善縣城東部滑坡的復活變形特征與不同工況下的穩定性展開研究,為西南山區城鎮建設區巨型古滑坡的復活問題提供一定的參考價值。

1 區域概況

復活滑坡位于永善縣城東部斜坡地帶,溪洛渡水電站正南2.8 km處。區域地形地貌切割強烈、高差起伏大,為構造侵蝕中山峽谷、溝谷地形,處于蓮峰斷裂、峨邊-金陽斷裂和馬邊-鹽津隱伏斷裂三條斷裂所圍限的雷波—永善三角形塊體之南、“雷波—永善菱形構造盆地”中部,主要以單斜地層為主,斷層、褶皺均不發育[11-12]。研究區內的基巖地層整體呈南東向,產狀100°～134°∠8°～18°。斜坡下部出露致密堅硬的(P2β)玄武巖,中上部則出露T1f、P2x砂巖夾頁巖碎屑巖地層。研究區屬低緯度亞熱帶季風氣候,冬冷夏熱且干濕兩季分明。平均相對濕度達74%,多年統計平均降雨量為691.0 mm,雨季為5—10月,全年降水量的79%～88%,其中以6—8月最多,占全年降水量58%。同時研究區具有短時強降雨現象(據統計的歷年日降水量最大可達105.7 mm)。研究區的地震危險性主要來自雷波—永善三角形塊體東側的馬邊地震帶的波及影響,在歷史上曾發生過5次大于6級的強震,波及研究區的地震烈度為Ⅵ度左右。此外由于研究區緊鄰金沙江溪洛渡電站,在電站蓄水后可能會存在水庫誘發的多頻率、小震級、低烈度地震。

2 滑坡基本特征

整個古滑坡在平面上呈扇狀向南東向散開,兩側以大瀑溝與楊家店溝為界,前緣高程約516 m,后緣高程約950 m,滑坡主軸方向上長2 620 m,橫向長1 700 m,平面面積約4.21×106m2,滑體厚度15～40m、平均厚度約32 m,滑坡體積約1.35×108m3,屬深層特大型滑坡(圖1)。復活區H1滑塊分布于古滑坡H前緣,呈扇狀向南東向散開,向井底小河方向滑移,分布高程516～750 m,主軸方向上長1 294 m,橫向長1 072 m,平面面積約8.49×105m2,滑動方向109°～132°,平均值約120°,滑體厚度15～32 m、平均厚度約23.5 m,滑面埋深南北兩側較中部薄,滑坡體積約1.99×107m3。復活區H2滑坡位于H1滑坡后部,呈扇狀向南東向散開,向井底小河方向滑移,分布高程552～775 m,主軸方向上長250 m,橫向長1 044 m,平面面積約3.43×105m2,滑體厚度15～40 m,平均厚度約28 m,總體呈后深前薄,滑坡體積約1.03×107m3。

由于古滑坡形成時間早,劇烈滑動后滑坡體經過多種變形改造,造就滑坡堆積體具復雜結構特征。滑坡堆積體表層由塊石混粉質黏土組成;上部為三疊系飛仙關組砂巖、粉砂巖夾泥巖地層,為較堅硬夾軟質巖組合,具易軟化、泥化之典型紅層的工程地質特性,部分地段缺失;中部為易軟化、泥化的宣威組泥巖、沉凝灰巖等軟質巖,部分地段缺失此地層;下部為堅硬完整和缺乏地形臨空條件的峨眉山組玄武巖(圖2)。

圖1 滑坡位置圖Fig.1 Location of landslide

圖2 工程地質剖面圖Fig.2 Engineering geology section

3 變形特征

3.1 地表變形特征

目前滑坡區變形破壞跡象主要有裂縫、坍塌、陡坎。根據調查可知,H1滑坡與H2滑坡變形活動明顯分別開始于1979年與2014年4月。裂縫、坍塌、陡坎等變形跡象主要集中在H1滑坡,在其南側與前緣分布有7處淺表坍塌,平面均呈半月形,屬老滑坡堆積體充分解體后而形成的推移式坍塌,如圖3(a)所示。坍塌體最大體積約1.34×104m3,最小體積約0.9×103m3。

圖3 復活滑坡變形發育特征Fig.3 Deformation and development characteristics of Reviving landslide

在現狀坡體上發育規模較大的裂縫發育有71組,多集中在H1滑坡,常發育有拉張裂縫,走向多垂直于坡向,最大寬度達40 cm;剪切裂縫多平行或斜交于坡向,寬度為2～3 cm。選取H2滑坡裂縫L68與H1滑坡裂縫L32、L35與L64進行分析。其中拉張裂縫L68位于H2滑坡后緣[圖3(b)],走向約為NE5°,最大寬度為2 cm,延伸長度為46 m;L32與L35均為拉張裂縫[圖3(c)、圖3(d)],處于H1滑坡中部,走向分別約為NE46°、SE134°,最大寬度分別為35、10 cm,延伸長度分別約為165、70 m,對附近民房均造成不同程度的損壞;L64剪切裂縫則為H1滑坡的左邊界[圖3(e)], 走向約為SE96°,最大寬度20 cm,延伸長度約70 m,且局部沿低洼的斜坡段延展,表層覆蓋層主要為含碎石粉質黏土。陡坎發育于H1滑坡的后緣位置[圖3(g)],坡面為階梯狀耕地,跡象不明顯,坎高7～18m,連續發育長1 170 m,陡坎部位出露塊石殘留體,塊石成分多為三疊系飛仙關組基巖崩滑積殘留體,應為早期形成的臺坎。H1滑坡有兩個滑坡前緣剪出口,第一剪出口位于斜坡前緣第四系沖洪積出露頂界,與老滑坡剪出口一致,現狀變形跡象不明顯;第二剪出口位于S301省道東側10～65 m的斜坡地帶,分布高程548～630 m,其中在桃花里花園山莊一帶的建筑出現擠脹變形[圖3(f)]。

3.2 綜合變形監測分析

自2014年8月—2015年6月對永善縣城東部滑坡進行GPS水平位移監測,在H1滑坡區共布置了14個地面位移監測點(編號JC5～JC9、JC11～JC19),在H2滑坡區布置了5個地面位移監測點(編號JC1～JC4、JC10)。根據地面位移監測結果(表1)可知:除JC14基本沒有位移,其余均出現了不同程度的位移,總體位移方向為順坡方向。H1滑坡的左側的變形較其他區域變形顯著強烈,其中JC12、JC13的水平位移速率分別為0.66、0.60 mm/d,累積水平位移量分別為194.1、176.7 mm;H1滑坡其他區域以中部JC9的0.43 mm/d最快,最小為右側JC15的0.20 mm/d,平均變形速率為0.30 mm/d,平均累計水平位移量為86.4 mm;H2滑塊平均變形速率為0.19 mm/d,平均累計水平位移量為56.2 mm;H2滑塊后部平均變形速率為0.12 mm/d,平均累計水平位移量為34.8 mm。從變形速率、位移量與位移方向三方面考慮,H1整體的位移量大于其他區域,變形速率以其他區域兩倍的速率滑移,可能會出現下部位移牽引上部位移的滑動。其中H1滑塊左側JC12、JC13區域的變形速率遠大于H1其他區域3倍多,可能會出現H1滑塊左側最先發生滑動。選用H1滑坡區域的JC07、JC12、JC13、JC15監測點,結合大氣降雨規律,形成相鄰周期水平位移速率與降雨量關系綜合曲線圖(圖4),結果表明降雨量與相鄰周期水平位移速率關聯比較明顯:降雨量持續減少時(8—11月),相鄰周期水平位移速率也隨之變小;降雨量很少時(2014年11月—2015年3月),相鄰周期水平位移速率呈現出勻速狀態;降雨量持續增大時(3—5月),相鄰周期水平位移速率也隨之變大。

地下位移監測點均勻地布設在斜坡中部,共布設了5個監測孔,其編號為:JX01～JX05。從2014年9月設置初值至2015年5月,得出深部位移監測曲線(圖5)與(潛在)滑面水平位移時態(圖6)及位移速率—時間曲線(圖7)。

表1 地面位移監測結果Table 1 Ground displacement monitoring results

圖4 相鄰周期水平位移速率與降雨量關系曲線Fig.4 Relationship curve between horizontal displacement rate and rainfall in adjacent periods

圖5 深部測斜位移曲線Fig.5 Displacement curve of deep inclinometer

圖6 孔口地表、滑面水平位移時態曲線Fig.6 Temporal curve of horizontal displacement of surface and sliding surface at the mouth

圖7 孔口地表、滑面水平位移速率-時間曲線Fig.7 Rate-time curve of horizontal displacement of surface and sliding surface at the mouth

JX01位于滑坡中后部,其測斜孔深度為20.0～21.0 m處發生了明顯的位移突變,孔口地表及滑面(20.5 m)累積位移分別為29.80、32.20 mm,有整體滑動的趨勢,平均位移速率為0.25 mm/d;JX02位于滑坡西南側前緣,其深部測斜位移曲線上升較陡且較平滑,各測點的水平位移累計值較小,監測期間孔口累積水平位移為3.6 mm,目前沒有明顯的滑動面出現,但有逐步增大的趨勢,表明滑坡該部位處于剪切蠕變階段;JX03位于滑坡中部,其測斜孔深度為21.5～22.5 m處發生了明顯的位移突變,孔口地表及滑面(21.5 m)累積位移分別為58.46、61.91 mm,平均位移速率為0.27 mm/d,有整體滑動的趨勢;JX04位于滑坡中部,其測斜孔深度為19.0～20.0 m處發生了明顯的位移突變,孔口地表及滑面(19.5 m)累積位移分別為41.18、35.33 mm,平均位移速率為0.60 mm/d,根據位移時態曲線,在62 d監測時間內加速變形趨勢明顯,變形速率持續增加,應密切關注該區域;JX05位于滑坡東側緣中部,測斜孔深度為10.5～11.5 m處發生了明顯的位移突變,孔口地表及滑面(11.0 m)累積位移分別為24.78、28.93 mm,平均位移速率為0.53 mm/d,有變形持續發展趨勢。通過對各點監測結果的分析,JX2鉆孔地下位移監測孔變形不明顯,其余監測孔剪斷位置與孔口的位移速率基本一致,位移歷時曲線和位移速率變化曲線反應位移量隨時序持續增大,鉆孔地下位移的一致性明顯,綜合表明斜坡中部已經發生滑動且有不斷加速變形的趨勢。

4 滑坡穩定性

4.1 參數取值

目前對于滑帶土的抗剪強度參數的取值主要有室內巖土試驗、工程類比與參數反演3種[13-16]。巖土試驗往往受取樣與試驗條件的限制,數據通常比較離散;工程類比則是受到各個滑坡的客觀條件的限制,具有一定的主觀性;本次研究結合室內巖土試驗、工程類比法以及參數反演,綜合確定最后計算的巖土體參數,如表2所示。

表2 巖土體參數穩定性計算取值Table 2 Stability calculation value of rock mass parameters

4.2 工況條件

根據項目工程的地質條件以及區域的降雨環境等條件后,設定了4種工況條件,工況Ⅰ:自重;工況Ⅱ:自重+地震;該地區抗震設防烈度為7,地震水平加速度取0.15g(g為重力加速度);工況Ⅲ:考慮極端暴雨飽水情況;工況Ⅳ:極端暴雨飽水情況與地震聯合作用。依據《滑坡防治工程勘查規范》(GB/T 32864—2016)[17],劃分出4種滑坡穩定狀態,如表3所示。

表3 滑坡穩定狀態劃分[17]Table 3 Classification of stable state of landslide[17]

4.3 穩定性計算

在本次計算中,選用應用較為成熟的極限平衡法,針對典型剖面的H1滑塊第一剪出口、H1滑塊第二剪出口與H2滑塊,選擇極限平衡法中可以適用于任意滑動面、且嚴格滿足靜力平衡條件的Morgenstern-Price法與Spencer法,對不同工況下的滑坡進行對比試驗分析[15],通過Geostudio軟件的SLOPE/W模塊里的摩爾—庫倫(Mohr-Coulomb)本構模型加以實現[18-20]。穩定性計算結果如表4和圖8所示。

圖8 穩定性數值模擬分析圖(部分)Fig.8 Numerical simulation analysis diagram of stability (part)

表4 滑坡穩定性評價結果

由計算結果可知,利用M-P法與Spencer法計算的穩定性結果接近一致,穩定性評價基本一致。以M-P法為例,在自重工況下,3個區域的穩定性均大于1.15,處于穩定狀態;在地震作用下,除H1滑坡第一剪出口穩定性系數為1.147,處于基本穩定狀態外,其余兩個區域均處于穩定,其中H1滑坡第一剪出口相較于自重工況,穩定性系數下降4.9%;暴雨作用對3個區域的穩定性影響較大,H1滑坡第一剪出口穩定性系數相對工況Ⅰ顯著下降15.2%,處于欠穩定狀態,與變形監測資料判斷處于加速變形階段基本一致,H2滑坡與H1滑坡第二剪出口在暴雨作用下分別為穩定狀態與基本穩定狀態,對比工況Ⅰ分別下降14.5%與11.9%;在暴雨與地震的耦合作用下,H1滑坡第一剪出口與H1第二剪出口穩定性系數分別為0.973與1.019,處于不穩定與欠穩定狀態,H2滑坡處于基本穩定狀態。基于以上分析,可以得知各滑塊的穩定性狀態與變形監測的結果趨于一致,且暴雨對滑坡的穩定性影響最為明顯,地震的影響則次之。

據地面變形跡象、位移監測成果及穩定性計算成果分析得知:H1滑坡存在二個剪出口,目前擠脹變形最強烈地段是第二剪出口,當從第二剪出口滑移破壞后,大量滑體覆蓋于下方滑體上,引發下方滑動并從第一剪出口剪出。H2滑坡現處于蠕動變形階段,隨著時間延續,H1滑坡快速滑移時將牽引H2滑坡或者為其留下位移空間;另一方面在暴雨、地震等不利作用下,H2滑坡也將進入快速滑移階段,或與H1滑坡同時進入加速滑移破壞階段。臨近H2滑坡后緣的城鎮聚居區,在H2滑坡進入快速滑移階段后,此地段將受H1滑坡牽引或者其前緣“臨空”,促使古滑坡復活,進入整體蠕動變形階段,對城鎮居民生命財產威脅巨大。

5 結論

對永善縣城東古滑坡的變形特征進行綜合分析,選取變形程度劇烈的區域進行穩定性分析,并且選用兩種通用的方法進行多工況下滑坡穩定性的分析與驗證,得出以下結論。

(1)永善縣城古滑坡在平面上呈“圈椅狀”,滑坡體平均厚度為32 m,滑坡體積為1.35×108m3,屬深層特大型順層滑坡。古滑坡上復活主要集中在H1滑坡的中前部,發育有多條拉張裂縫與多處坍塌,相比之下H2滑坡變形程度較弱,跡象不明顯。

(2)目前變形強烈的區域主要集中H1滑坡區,最大水平位移速率與最大水平位移量分別為0.66 mm/d與194.1 mm,處于加速變形狀態,有整體滑動的趨勢;H2滑坡區變形速率小,平均水平位移速率為0.19 mm/d,處于蠕滑變形階段;H2滑坡區上部為城鎮區域,處于穩定階段。

(3)根據典型剖面的穩定性分析,M-P法與Spencer法兩種極限平衡方法得到的評價結果基本一致,在暴雨與地震耦合作用下,H1滑坡整體處于欠穩定-不穩定狀態,H2滑坡處于基本穩定。這與宏觀變形跡象和地面位移及地下位移監測資料判斷H1滑塊處于加速滑移變形階段,H2滑塊處于蠕動變形階段相符合。

(4)通過4種工況的對比分析與位移監測的統計,發現不同區塊的變形程度差異較大,且暴雨對其穩定性影響均遠大于地震。對于后期的防治,一是加強截排水措施;二是加強滑坡位移監測;三是采用分級支擋原則分階段實施抗滑支擋工程,可以根據監測成果對已實施抗滑支擋工程防治效果進行評價,對下一階段擬實施的抗滑支擋工程設計進行調整。

(5)根據變形趨勢分析,H1滑坡第二剪出口變形劇烈時會有大量滑坡體覆蓋下方滑體,使H1滑坡第一剪出口穩定性較差,附近滑體滑動,從而將進入到破壞階段。若對H1滑坡不加以防治,當H1整體滑動時會牽引H2滑坡發生加速滑動,促使古滑坡整體復活,對H2滑坡上部的城鎮聚居區造成嚴重的威脅。