桐柏縣毛集鎮滑坡穩定性分析

■柴玉榮 余建民

（華北水利水電大學地球科學與工程學院，鄭州 450046）

滑坡是斜坡巖土體沿著貫通的剪切破壞面所發生的滑移地質現象。 作為一種常見的地質災害，滑坡的發生往往會對人民生命財產、社會生產造巨大損害，甚至出現毀滅性的災難[1-2]。據統計，2022 年全國共發生滑坡、崩塌、泥石流等地質災害5 659起，以中小型為主，主要集中在中南、華南、西南等地；2021 年，全國共發生地質災害4 772 起，其中滑坡災害2 335 起，占總數的48.93%；2020 年全國共發生地質災害7 840 起，其中滑坡4 810 起，占總數的61.3%。可見，滑坡在全國中小型地質災害中占比相對較高，滑坡帶來的危害和損失都是巨大的，為避免潛在滑坡給社會和人民帶來傷害，對滑坡進行穩定性分析研究十分必要。 隨著信息技術的高速發展，數值模擬逐漸成了邊坡穩定性分析的主要方法之一，常用的有：有限單元法[3]、離散單元法[4]、不連續介質力學問題界面元法[5]、快速拉格朗日分析法FLAC3D[6]和Midas/GTS[7]等。 其中，Midas/GTS 作為一種巖土有限元分析軟件，其具有強大的分析計算能力，廣泛適用于巖土工程、樁基工程、地下工程、水利工程等領域。 這類方法不但能考慮邊坡巖土體本身的變形對邊坡穩定性的影響，而且能給出邊坡巖土體中應力應變分布，分析邊坡破壞的發生和發展過程等，具有傳統的極限平衡法所不可比擬的優勢[8]。 基于此，結合現有滑坡災害防治現狀，以南陽市桐柏縣毛集鎮老滑坡為工程背景，利用Midas/GTS有限元數值模擬軟件進行滑坡模擬以及穩定系數計算，參考GB/T 32864-2016《滑坡防治工程勘查規范》[9]，對滑坡的穩定狀態進行評價。

1 工程地質背景

該滑坡位于桐柏縣東北部毛集鎮政府所在地湖山村南東組中修廠西坡上，坐標經度：113°40′19″，緯度：32°31′12.4″，勘查區所在位置如圖1 所示。

圖1 勘查區所在位置

2018 年6 月，由于連續暴雨天氣，勘查區所在位置發生過滑坡，滑坡方量約3 000 m3，砸壞居民房屋5 間， 直接經濟損失15 萬元。 在隨后的幾年里，斜坡上相繼又產生多處裂縫，且裂縫下錯與位移量較大，導致山體破壞嚴重，構成潛在滑坡。 滑坡所處的斜坡屬于自然形成的巖土質復合型斜坡。 該潛在滑坡危害相當大，直接威脅湖山村南東組中修廠居民120 戶，人口536 人；滑坡還威脅房屋近300 間、街道3 條及公路；潛在經濟損失約3 000 萬元。

2 工程地質條件

斜坡坡頂高程205 m，坡腳132 m，斜坡整體走向近南北向，坡向約126°，斜坡寬度約400 m，相對高差70 m。 斜坡上部主要呈三級臺階型，每級臺階高約3～5 m，平臺寬約3 m，平臺陡坎坡度約70°。靠近坡頂臺階側面為滑坡形成的滑坡面， 呈弧形，裸露面較新鮮，裸露面高約2～7 m。 坡體頂部基巖出露，節理裂隙發育，斜坡中部殘坡積物厚度約5 m，斜坡前緣陡坎高度4～19 m 不等， 坡度約80°～85°。局部修筑有簡易擋墻，大多已年久失修。 斜坡平均坡度約30°，其中中上部地形稍陡，約35°；中下部則較緩，平均約25°；局部約30°。選取典型滑面作為分析對象，如圖2 所示。

圖2 研究區典型滑面剖面圖

研究區地貌為剝蝕丘陵區，海拔高度在200～500 m，相對高差小于200 m，組成巖性為片麻巖、片巖、變粒巖及花崗巖，主要特征如下：丘陵多呈鏝頭狀，山坡較緩，坡度15～25°，溝谷發育，谷寬溝淺，多呈“U”形，多水庫、堰塘，植被較發育，低洼處沉積碎石及粉土、粉質黏土。 出露地層主要有太古宙黑云斜長片麻巖及第四系中更新統殘坡積層（Qhal-pl）粉質黏土含碎石、砂礫卵石等，基巖為新鮮片麻巖。 斜坡結構中坡頂部有基巖出露，上部為殘坡積物、全風化層，下部基巖為中風化至新鮮片麻巖。

研究區內基巖裂隙水賦存于變質巖、侵入巖淺部裂隙帶內，淺層地下水靠大氣降水的滲入補給，水位受大氣降水及地貌條件控制，地下水的分水嶺與地表水的分水嶺一致，淺層地下水位均高于附近河水位，地下水向河流排泄。 其補給量受地貌條件制約，在丘陵區地形坡度不大，山凹地和谷坡兩側有殘坡積物覆蓋，有利于大氣降水的滲入補給。 在低山區由于山體陡峻，坡度較大或裂隙發育程度不高，滲入補給條件較差。

3 基于Midas/GTS 的滑坡穩定性計算及分析

3.1 計算方法及穩定狀態劃分

采用GB/T 32864-2016 《滑坡防治工程勘查規范》中推薦的不平衡推力傳遞法計算滑坡的穩定性。并參考該標準， 將滑坡的穩定狀態劃分為4 級，如表1 所示。

表1 滑坡穩定狀態劃分

3.2 工況計算條件劃分

按3 種工況計算：（1）天然狀態；（2）自重＋暴雨，指坡體由于暴雨處于完全飽水狀態下；（3）自重＋地震，指坡體在自然工況下發生地震，且地震烈度在Ⅵ度以上的情況，設計計算加速度值為0.1 g。

3.3 滑坡土體強度計算參數

根據現場勘察報告、試驗數據及施工經驗選取所需巖土體基本物理力學參數如表2 所示。

表2 巖土體物理力學參數

3.4 數值計算模型建立

對研究區剖面圖進行簡化處理，先在autoCAD里面對滑坡剖面圖進行簡化處理， 得到模型框架圖，再導入Midas/GTS 中，選取尺度劃分較小的網格，得到數值計算模型（圖3）。 如圖3 所示，模型邊界條件為模型左右邊界均固定x 方向，底部固定y方向位移，模型初始應力為自重。

圖3 初始數值計算模型

3.5 滑坡穩定性分析與評價

基于Midas/ GTS 有限元數值模擬軟件，對滑坡采用邊坡穩定SRM 進行模擬。

3.5.1 天然狀態

采用天然狀態下巖土體物理力學參數進行模擬， 天然狀態下滑坡穩定性計算結果如圖4 所示。由模擬得出的穩定性系數為1.00，坡體處于欠穩定狀態。 滑體位移量較大的地方主要出現在沿軟弱帶的滑坡中上部陡坎處及滑坡前緣陡坡處，最大位移量約為0.532 mm，滑面主要為坡積物與全風化片麻巖接觸面，滑體主要組成成分為上層坡積物。 最大剪應變量為0.002，最大剪應變主要位于坡體前緣陡坡坡腳的軟弱帶處。

圖4 天然狀態下滑坡穩定性計算結果

3.5.2 自重＋暴雨狀態

對暴雨情況下滑坡進行模擬，此時坡體由于暴雨處于完全飽水狀態，暴雨狀態件下滑坡穩定性計算結果如圖5 所示。 由模擬得出的穩定性系數為0.909，坡體處于不穩定狀態。 滑體位移量較大的地方主要出現在坡體上部，最大位移量約有443 mm，坡體形成2 個滑面，兩滑面不形成連續貫通，滑體主要組成成分為坡積物與全風化片麻巖。 最大剪應變量為0.712， 最大剪應變位于坡體頂部4 個地層交界處，主要部分位于全風化片麻巖地層。

圖5 暴雨狀態下滑坡穩定性計算結果

3.5.3 自重＋地震狀態

對地震情況下滑坡進行模擬，通過添加慣性力模擬地震工況，且地震烈度在Ⅵ度以上，取地震動峰值加速度為0.1 g。 模擬總位移圖如圖6 所示。 由模擬得出的穩定性系數為0.530， 坡體處于不穩定狀態。 滑體位移量較大的地方主要出現在整個坡體上部， 并包括部分坡積物與全風化片麻巖地層，最大位移量約有350 mm， 滑體主要組成成分為坡積物與全風化片麻巖。 最大剪應變量為0.485，位于坡體頂部全風化片麻巖地層。

圖6 地震狀態件下滑坡穩定性計算結果

4 結論和建議

4.1 結論

通過Midas/GTS 軟件模擬所得的各個工況的滑坡狀態如表3 所示。

表3 軟件模擬各個工況下的滑坡狀態

由此可以看出，毛集鎮湖山村滑坡處于欠穩定至不穩定狀態，具體來看：（1）天然狀態下，滑坡潛在破壞形式為滑坡局部剪切滑移，且滑移面集中于坡體前緣陡坡坡腳處，在此工況下，滑坡處于欠穩定狀態，并且接近極限平衡狀態，有必要采取相應的防護措施；（2）暴雨狀態下，由于斜坡最大剪應變量增大，滑坡穩定性相較于天然狀態有所下降，毛集鎮滑坡滑移面集中在全風化片麻巖土層的上部，在此工況下，滑坡呈現不穩定狀態；（3）地震狀況下，Ⅵ度以上的地震烈度會加劇滑坡體整體的不穩定性，最大剪應變量較天然狀態增大較多，滑移面出現在整個坡積物和全風化片麻巖層上部，滑坡整體呈現不穩定狀態；（4）隨著降雨、地震和人類工程活動的影響，滑坡失穩主要威脅當地居民生命及財產安全，地質災害發育程度強，危險性大。

4.2 建議

（1）對滑坡后緣、側翼及坡體中部裂縫，使用阻水材料夯實回填，并采取有效的防水措施；減少人類活動對滑坡的影響，特別是對坡體上改造、開挖及對滑坡坡腳角處擋土墻跟的開挖。 （2）加強監測預警預報、群測群防工作，及時上報，隨時為毛集鎮湖山村南東組中修廠后滑坡做好預警工作；采取有效的治理方案，及時進行工程治理，防止滑坡繼續滑移，以免出現重大事故。 （3）建立與該滑坡相關聯的地質災害防災體系，出現險情啟動預案，及時疏散，并向上級部門報告。