切割作用下牽引式古滑坡復活機理:以國道S206古滑坡為例

李侑軍, 張紅日,2*, 朱真, 李紅明, 曾鈴, 張永杰

(1.廣西交科集團有限公司, 南寧 530000; 2.上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院, 上海 210009; 3.廣西壯族自治區地質環境監測站, 南寧 530000; 4.長沙理工大學土木工程學院, 長沙 410083)

牽引式滑坡往往是滑坡前緣侵蝕或切割后,中后緣缺乏支撐并在后緣形成拉裂面,誘發坡體逐級向上發展的變形、滑坡[1],常見的主要結構及變形特征有階梯狀地貌、塔狀或舌狀平面形態、緩慢蠕滑等,關于牽引式滑坡形成機理及復活的問題,前人已經進行了許多研究,楊濤等[2]通過牽引式土質滑坡的分段式滑面底滲法試驗指出底滑面滑移導致末端滑體自滑面到坡面發展形成拉裂區,拉裂面方向與最大主應力方向一致;陳曉利等[3]指出汶川地震分布在逆沖斷裂段的中大型滑坡較同等規模、震級的其他性質斷裂要多,且具備明顯上盤效應;馮振等[4]通過地質調繪指出小江斷裂帶巧家段巨型古滑坡前緣為河流下切形成的順層高陡臨空面,為該古滑坡的復活提供了充分空間條件;李育樞等[5]通過地質勘查反演、歷史資料驗證等手段明確古地震是唐家灣東順層巖質古滑坡形成的歷史原因,三峽庫水位升降、人工切斷前緣支撐是誘發古滑坡復活的直接原因;徐則民等[6]指出程海斷裂導致巖石整體性及質量下降是金沙江寨子村巨型古滑坡的歷史原因,地震是誘發滑坡復活的主要因素;祝建等[7]指出歷史構造活動是樟木口岸古滑坡的形成原因,前緣河流下切、降雨及人類活動是古滑坡復活的直接誘因;丁恒等[8]通過尖山營古滑坡的勘測結果指出地下煤礦開采是導致滑坡復活的主要因素上述研究指出斷裂帶、構造運動是牽引式古滑坡形成的內動力因素,前緣切割侵蝕及降雨等是主要外動力因素。傳統滑坡調查主要依據地形地貌[9-10]、巖土體結構、宏觀破壞特征[11]及相關歷史記錄,但牽引式古滑坡形成年代久遠,侵蝕剝蝕堆積作用掩蓋了原有滑坡特征,單一的判斷依據如地形地貌等存在誤判或遺漏可能[12-13];再次,降雨觸滑、切割卸荷對于古滑坡復活影響大,部分地區降雨呈長期、高強度特點,古滑坡破碎的巖土結構為雨水入滲提供了天然通道,巖土體浸潤后增重,抗剪強度降低[14-17];切割卸荷易打破牽引式古滑坡平衡狀態,加劇古滑坡復活的復雜性[5,18-20];因此有必要對牽引式古滑坡地形地貌、滑面結構、滑動變形等因素進行逐一剖析整理,分析牽引式古滑坡復活后的宏觀特征,進一步加深切割作用對古滑坡復活影響的認識,從而為類似工程提供相關依據及參考。

現以廣西金秀縣三角鄉牽引式古滑坡復活為例,依托詳盡的工程地質勘查對滑坡區構造特點、地質結構及滑坡特征進行逐一分析,對切割作用下的牽引式古滑坡復活機理進行探討,并采用不平衡推力法對滑坡穩定性進行計算分析,并結合監測結果進行印證,以期為類似滑坡治理提供借鑒。

1 地質背景

1.1 地形地貌

研究區位于國道S206廣西金秀縣三角鄉,區域地貌類型主要為侵蝕中山齒峰丘陵地貌(圖1),峰頂海拔標高750～1 500 m,谷地400～650 m,河谷為寬闊狀的“U”形,坡度為25°～50°,峰脊波浪狀起伏,溝谷呈狹長條帶狀、樹枝狀分布,植被發育?；掳l生于國道S206K32+725～K33+000段路塹邊坡的右側,北面為坡度45°、標高805 m的山峰,南面為坡度50°、溝底標高580 m的陡傾深切溝谷,中部為寬58～110 m、坡度20°～30°、標高700～745 m的弧狀平臺,縱向地貌具備陡-緩-陡特征,表現為階梯狀地貌;根據山脊線走向可將滑坡劃分為南西區和南東區,南西區坡度約30°,南東區坡度20°～25°。在緩坡平臺上有自西向東分布的村落,規模約100人31戶。

圖1 區域地理位置圖Fig.1 Regional geographic location map

1.2 地質巖性

1.3 水文地質

表1 各地層主要物理力學參數表Table 1 Physical and mechanical parameters of strata

1.4 地質構造

研究區內斷層發育(圖2),分布平辦壓扭性斷裂、金秀至雙河壓性斷裂,區內巖體受斷層影響,風化強烈,結構破碎,節理裂隙發育,巖層扭曲現象明顯,節理裂隙方向各異,產狀凌亂,滑坡區外產狀呈150°～200°∠40°～55°,滑坡區內產狀呈320°∠81°、220°∠53°、224°∠9°。研究區屬南亞熱帶季風氣候區,多年平均降雨量為1 648 mm,5—8月為降雨集中期,季節性分布明顯。

圖2 區域地質構造圖Fig.2 Regional geological structure map

2 滑坡特征

2.1 滑坡的發展

如圖3所示,K32+725～K33+000段路塹原設計高程611.2～616.6 m,最大開挖高度42.6 m,坡口線距村落民房124～272 m。人為開挖集中于2021年7—9月;村落房屋、村道及坡面在9月29日出現多處張拉裂縫后停止開挖;10月6日開挖面沿190°發生滑坡,同時坡頂房屋、村道出現開裂,隨即在前緣堆載反壓12.5 m高土體?；赂鲄^破壞特征如下:①滑坡后緣裂縫(700.0～720.0 m)呈弧狀,從頂部斷續向東南方向延伸約145 m,寬度0.01～0.15 m,深度0.2～0.6 m;②滑坡中部(680.0～700 m)淺層坡面拉裂10～30 cm,錯臺10～25 cm,兩側邊界未見明顯變形;③滑坡前緣(625～680 m)與人工路塹重合,未見明顯鼓脹跡象,局部坡面存在濕潤帶;④入戶調查發現村落中近10年來新建磚混房屋存有明顯裂縫。為查明滑坡特征,沿主滑動方向布設4條勘察剖面并布設表層及深層位移監測網絡(圖3),確定滑動面位置如圖4所示。

2.2 研究區古滑坡特征識別

牽引式古滑坡的判識主要是依據地表形態、地層巖性及滑帶特征、歷史變形破壞記錄等進行。

(1)研究區地表形態。滑坡區各特征段沿主滑向坡角分別為45°、30°、50°,在標高700～745 m處形成一平緩弧狀平臺,縱向呈陡-緩-陡特征,分級明顯,構成典型階梯狀地貌。

(2)地層巖性及滑帶特征。滑坡區內外產狀凌亂:滑坡區外產狀150°～200°∠40°～55°,區內產狀320°∠81°、220°∠53°、224°∠9°。其次部分鉆孔發現古滑面,ZK4位于人工開挖段的左側(圖4),卸荷效應對其巖土體結構影響較小,古滑面完整性留存較好,在27.1～27.2 m[圖5(a)]、28.2～28.3 m[圖5(b)]兩處存在層狀剪切破碎痕跡,剪切面周圍存在糜棱狀角礫、砂礫。為印證ZK4所揭露滑面屬于古滑面,采用滑坡中后部深部位移確定滑面的巖芯進行對比:ZK5在32.7～32.9 m發現糜棱狀砂巖碎石層,該層呈土石混合狀,底部與砂巖層交界面可見新鮮擦痕,碎石棱角狀分明,碎石1～3 cm,角礫0.5～1.0 cm,巖土分界突兀[圖6(b)];ZK6在17.0～17.7 m上下均為強風化砂巖,在該層出現黃褐色砂質黏土夾糜棱狀砂巖碎石(圖7),判斷為新滑面,新舊滑面均存在摩擦痕跡,但成分構成存在較大差異(表2)。

圖3 滑坡區工程地質平面圖Fig.3 Engineering geological plan of landslide area

圖4 2-2′主力軸地質剖面圖Fig.4 The geological profile of 2-2′

表2 新古滑面特征對比Table 2 Comparison of new and ancient sliding surface characteristics

圖5 ZK4在27.1～27.2 m、28.2～28.3 m處古滑面Fig.5 The ancient slip surface of ZK4 at 27.1 ～ 27.2 m and 28.2 ～ 28.3 m

(3)歷史變形破壞記錄。當地自1951—2021年存在連續坡體活動,以及村落房屋損壞的記錄[21]:1951年村落后方坡面形成長約50 m裂縫、1997—2011年多處房屋拉裂,2016年部分房屋無法居住進行搬遷;2021年入戶調查發現大部分房屋存在不同開裂現象,上述記錄表明該滑坡在路塹切割作用發生前就長期處于蠕滑階段。

上述分析表明該滑坡屬地質歷史時期形成的牽引式古滑坡,其范圍詳見圖3。

2.3 滑坡處治邊界的劃定

研究區地形地貌、鉆探結果表明了牽引式古滑坡的存在,但南西區與南東區間存在一山脊,且坡腳切割主要集中于南西區,南東區是否發生了如南西區一樣的深層滑坡仍值得商榷,可從兩區鉆探結果差異進行印證。如圖8所示,位于兩區間山脊線東側的ZK10、ZK11夾土的軟弱層描述為褐色密實碎石土,含有5%～10%的灰白色碎石,碎石粒徑2～6 cm,棱角分明;夾碎石軟弱層描述為灰色、灰褐色,薄層-中厚層狀構造,砂質結構,巖體破碎;無論夾土層或夾碎石層,在柱狀巖芯斷面并未發現擦痕、鏡面、角礫磨圓或次圓等現象,參照表1中滑面及古滑面描述,滑坡南東區ZK10、ZK11鉆孔揭露的軟弱夾層屬構造運動中形成的斷層面,南東區滑坡的形成并非切割作用引起(圖3),考慮到南東區村落生活污水長期漫排于坡面,推測南東區長期蠕滑狀態屬淺層土體長期飽水,基質吸力喪失導致抗剪強度降低引起。

圖6 ZK5在30.0～33.0 m段巖芯及滑面照片Fig.6 The slip surface of ZK5 at 32.7～32.9 m

圖7 ZK6在17.0～17.7 m處滑面Fig.7 The slip surface of ZK6 at 17.0 ～ 17.7 m

圖8 ZK10、ZK11典型破碎帶Fig.8 The typical fracture zone of ZK10 and ZK11

2.4 滑坡狀態及規模

該滑坡主要以南西區為主,形態呈圈椅狀,分布高程625～705 m,滑坡左右寬約160 m,主力軸長約170 m,前后緣高差約為80 m,滑坡體厚度15.0～32.5 m,面積約1.8×104m2,滑坡體積方量約40×104m3,為厚層大型牽引式巖土混合滑坡,滑坡處于欠穩定狀態。

3 滑坡穩定性計算

3.1 穩定性計算方法

滑坡穩定性計算方法依據采用行業規范[22]指定的不平衡推力法,分為天然及暴雨兩種工況,采用的計算公式為

(1)

ψi=cos(θi-θi+1)-sin(θi-θi+1)tanφi+1

Ri=(Ni-ui)tanφi+ciLi

Ni=wicosθi

Ti=wisinθi

式中:Fs為穩定系數;wi為穩定系數第i塊段滑體所受的重力,kN/m;Ri為作用于第i塊段滑體的抗滑力, kN/m ;Ti為作用于第i塊段滑體的下滑分力, kN/m ;Ni為第i塊段滑體在滑動面法線上的反力, kN/m ;ci為第i塊段滑體的黏聚力標準值,kPa;φi為第i塊段滑體的內摩擦角標準值,(°);θi為第i塊段滑體的滑面與水平線夾角,(°);Li為第i塊段滑體的滑動面長度,m;ψi為第i計算條塊剩余下滑推力向第i+1計算條塊的傳遞系數。

綜合室內實驗、勘察結果及反演成果,結合地方工程經驗,穩定性計算的主要物理力學參數如表3所示。

表3 巖土體物理力學參數Table 3 Physical and mechanical parameters of rock mass

3.2 穩定性計算結果

深部位移結果確定最不利剖面為2-2′,計算結果見表4,工況1穩定系數Fs=1.049,工況2穩定系數Fs=0.997,表明該古滑坡南西區在天然工況下為欠穩定狀態,飽和工況下為不穩定狀態,基本符合滑坡狀態,飽和工況下滑力較大,作為該滑坡的主要設計依據。

表4 穩定性計算結果Table 4 Stability calculation results

4 牽引式古滑坡復活機理探討與論證

4.1 牽引式古滑坡復活機理探討

根據鉆探結果,滑坡區上部滑體為可塑狀粉質黏土及松散-稍密狀碎石土,抗剪強度較低;中下部為全強風化砂巖夾軟弱層,受雨水入滲后強度急劇下降。滑坡區呈陡-緩-陡階梯狀,緩坡平臺有利于降雨入滲,為降雨觸滑效應的發揮提供了空間條件:緩坡平臺地勢較緩,有利于降雨長期停留,對坡體地下水形成垂向補給;滑坡區位于次級分水嶺的徑流段,地下水接受后方陡立山體的側向補給,風化砂巖的節理裂隙為地下水提供了豐富滲流通道,造成坡體飽水增重及基巖裂隙中靜水壓力增加。滑坡區在5—8月進入雨季,降雨時間長、降雨量大,導致巖土體自重增加導致下滑力增大,并降低滑帶抗剪強度,阻滑力逐漸下降;隨著前緣切割逐步進行,中后部巖土體支撐被逐步切斷,古滑坡在應力調整過程中累積應變,當應變達到某一量級時,沿抗剪強度最低的軟弱面發生變形滑動。在古滑坡復活過程,滑坡區地質背景:階梯形地貌、結構破碎的巖體、軟弱夾層是古滑坡復活的內動力因素,降雨、前緣切割作用是外動力因素。

4.2 牽引式古滑坡復活機理論證

在該古滑坡復活前,前緣切割作用與降雨時間存時空在重合,需單獨分析降雨對古滑坡復活的影響。現場在古滑坡復活后進行前緣反壓,除此以外無其他工程建設活動。如圖9所示,ZK6滑動面在深度14 m處,研究區在進入旱季后100 d(2022年1月18日—2022年4月28日)滑動面累計位移從0增加至16.2 mm,日均位移速率0.162 mm/d;隨著雨季的到來,ZK6滑動面累計位移(2022年4月28日—2022年7月28日)從16.2 mm增加至62.7 mm,在90 d內增加了46.5 mm,日均位移速率0.517 mm/d,雨季位移速率是旱季的3.2倍。上述分析表明古滑坡復活后,在旱季時節處于蠕滑狀態,表明切割作用破壞了坡體原有應力狀態,坡體在應力調整過程中累計應變;隨著雨季來臨,坡體在雨水入滲后出現飽水增重、裂隙中靜水壓力增加,滑帶處阻滑力進一步下降,牽引滑體再次進入變形滑動狀態。

圖9 ZK6深度-累計位移曲線Fig.9 Depth-cumulative displacement curve of ZK6

因此,滑坡區地質背景是該牽引式滑坡復活的內因,降雨促使了古滑坡復活的形成,前緣切割作用是復活的直接誘因。

5 結論

(1)通過滑坡區地形地貌、巖土體結構、破壞特征表明:歷史構造運動及強烈的侵蝕下切作用是形成古滑坡的基礎,破碎的巖土體結構是直接原因。

(2)古滑坡陡-緩-陡階梯狀地貌、結構破碎是牽引式古滑坡復活的內因,降雨促使了復活的形成,前緣切割作用是復活的直接誘因。

(3)古滑坡未產生整體式復活,南東區滑坡雖具備古滑坡宏觀地貌,但地質鉆探結果表明切割作用未引發該區深層滑動,在滑坡處治中應注意甄別。南西區為主要處置范圍,最不利剖面在天然工況下的穩定性系數雖大于1.0,但安全儲備不足;暴雨工程下處于失穩狀態,需進行處治。