李志勇

滑坡變形機(jī)理及穩(wěn)定性分析

李志勇①

(山西焦煤西山煤電集團(tuán)公司地質(zhì)處)

本文以官地礦變電站滑坡變形為例,解釋了滑坡變形的3種表現(xiàn)方式,重點對變電站滑坡變形原因及穩(wěn)定性進(jìn)行分析,為下一步的治理提供了可靠依據(jù)。

滑坡;變形;機(jī)理;穩(wěn)定性;分析

官地煤礦是山西焦煤西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司所屬的一座大型生產(chǎn)礦井,生產(chǎn)核定能力500萬t/年。其風(fēng)峪溝變電站工業(yè)廣場(以下簡稱工業(yè)廣場)位于太原西山風(fēng)峪溝源頭北面山坡風(fēng)峪溝古滑坡的滑坡平臺上,該滑坡中間一條南北沖溝分割滑坡平臺劃分為兩個三角形地塊,工業(yè)廣場位于西側(cè)平臺之上。滑坡平臺地塊向溝谷內(nèi)(向南)凸出。平臺以下的溝谷呈“V”字形,切割較深,平臺至溝底高差約34～39 m。溝底巖石裸露。工業(yè)廣場施工時對滑坡平臺進(jìn)行了平整,工業(yè)廣場呈東高西低態(tài)勢。廣場東側(cè)分為三級臺階(設(shè)置有兩級漿砌塊石擋土墻),第一級平臺高程為1 302 m,寬約60 m,官地礦變電站位于該平臺上;第二級臺階高程為1 299 m,寬約8 m;第三級高程為1292 m,寬約40 m,現(xiàn)建有瓦斯抽放站。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,官地礦變電站及瓦斯泵房受滑坡變形影響,損壞較為嚴(yán)重。因此,對滑坡變形機(jī)理及穩(wěn)定性進(jìn)行準(zhǔn)確的分析評價,以確定治理方案。

1 滑坡變形基本特征

官地礦風(fēng)峪溝工業(yè)廣場位于采空輕微變形區(qū),由于該區(qū)的變形量小,一般不會影響建筑物和場地的穩(wěn)定,本場地的變形主要為滑坡變形。

滑坡變形可以分為三種變形：后緣的拉張變形,滑坡中部的剪切變形,滑坡前緣的放射狀鼓脹變形。

1)滑坡后緣的拉張變形。滑坡后緣的拉張變形表現(xiàn)較為明顯,拉張裂縫連續(xù),具有明顯的上、下錯動特征,主拉張裂縫拉開的裂縫寬達(dá)10 cm以上,上下錯動最大已達(dá)2 m,錯動壁較為明顯且新鮮,說明下挫變形的時間不長,該工業(yè)場地前幾年變形不是很明顯,自2005年雨季以來變形速率加大;根據(jù)現(xiàn)場的建筑裂縫簡易觀測,建筑物在目前仍在進(jìn)一步變形中。

2)滑坡體中部和剪出口的剪切變形。剪切變形主要集中在滑坡體的中部及剪出口,由于滑坡體運(yùn)動速度的差異,主滑線附近的運(yùn)動速度快,滑坡兩側(cè)因受制約,運(yùn)動速度慢,為協(xié)調(diào)這種運(yùn)動速度的差異,必然在滑坡體中產(chǎn)生較多的剪切裂縫。在滑坡體主滑線附近,該種裂縫以“之”字形裂縫為主,而在滑坡體的邊緣主要以羽狀裂縫為主,這種裂縫主要分布于變電站滑坡體的東部邊界。

3)滑坡體前緣的鼓脹變形。由于滑坡體向溝谷方向運(yùn)動過程中在滑體前緣受阻,必然在滑坡前緣產(chǎn)生鼓脹變形。這種變形在變電站滑坡前緣主要表現(xiàn)為擠壓裂縫和鼓脹裂縫。該工業(yè)廣場滑坡在各級臺階的坎前均有垂直滑坡主滑方向的鼓脹裂縫存在,說明滑坡體可能存在縱向上的分級現(xiàn)象。

2 滑坡變形原因分析

根據(jù)勘察成果和現(xiàn)場踏勘,官地礦變電站滑坡為一已經(jīng)退化的古滑坡,由于后期的人類工程活動和滑坡地質(zhì)環(huán)境條件變化導(dǎo)致滑坡復(fù)活。

1)地層巖性?；聟^(qū)表土層巖性從上到下依次為回填土(Q4ml)、粉土(Q3eol)、粉質(zhì)黏土(Q3dl)、碎石土(Q2+3dl),基巖為二疊系中、下統(tǒng)上下石盒子組(P1X、P2S)泥質(zhì)砂巖與薄層狀泥巖互層,巖層傾向南,傾角6°左右,構(gòu)成斜向巖質(zhì)邊坡。泥巖為相對隔水層,遇水易軟化崩解,形成軟弱結(jié)構(gòu)面。根據(jù)剪出口踏勘和已有鉆孔巖芯的現(xiàn)場鑒定和描述,滑坡的滑帶就發(fā)育在這一層土中(殘積層或全風(fēng)化層)。

2)構(gòu)造地質(zhì)條件?；聟^(qū)位于要子莊向斜的核部,由于褶皺的擠壓變形,巖層中節(jié)理裂隙特別發(fā)育,導(dǎo)致該區(qū)巖層風(fēng)化嚴(yán)重,風(fēng)化程度高,風(fēng)化層厚度大,這為滑坡形成提供了豐富的物質(zhì)來源?；聟^(qū)內(nèi)無斷層通過。

3)地形地貌?；聟^(qū)前緣為風(fēng)峪溝,切割較深,溝深最大達(dá)39 m,使古滑坡的剪出口高懸,沖溝的沖刷導(dǎo)致滑坡體抗滑段剝蝕,形成新的臨空面。

4)人類工程活動是滑坡再次活動變形的主要因素。人類活動主要包括采礦、工業(yè)廣場的建設(shè)及居民生活用水的排放。

a)采礦對滑坡的影響。滑坡體的東南側(cè)為采空區(qū),變電站外滑坡區(qū)下最早的開采時間是1995年,以后陸續(xù)開采,直至2005年,變電站外滑坡區(qū)基本位于采空移動盆地上;變電站滑坡區(qū)前緣的采區(qū)于2004年開采,變電站滑坡區(qū)位于采空移動區(qū)上。采空塌陷對滑坡的復(fù)活有較大的影響：

第一,采空塌陷裂縫的形成降低了緊鄰采空區(qū)的滑坡體的各層土的力學(xué)強(qiáng)度。第二,采空塌陷裂縫的出現(xiàn),為滑坡體中地下水的儲存提供了賦存空間,也為大氣降水、滑坡區(qū)上居民的生活用水下滲至滑坡體中提供了滲透路徑。變電站外滑坡區(qū)剪出口發(fā)育有兩處較大的泉水就證明了這一點。第三,由于滑坡體滑帶土為殘積黏性土,遇水易軟化、崩解,因此地下水的富集大大降低了滑帶土的物理力學(xué)性質(zhì),同時地下水的存在和流動增大了滑坡的靜、動水壓力和滑體的揚(yáng)壓力(孔隙水壓力),導(dǎo)致有效應(yīng)力的降低,間接影響了滑帶的強(qiáng)度。

b)工業(yè)廣場的建設(shè)。工業(yè)廣場經(jīng)過場平后形成了現(xiàn)有的3級臺坎地形,變電站的場地位于滑坡體中部的主滑段,后部挖,前部填,該級平臺對滑坡的影響較小,但變電站的修建,實際是增大了滑坡區(qū)的地面荷載,增加了滑坡推力。變電站下部的瓦斯抽放站位于滑坡的前緣,該段主要為滑坡的抗滑段,因場平而使抗滑段的卸荷導(dǎo)致了滑坡抗滑力的降低。同時由于場平,在滑坡體上出現(xiàn)了新的臨空面,為滑坡體的分級變形打下了基礎(chǔ)。

c)由于滑坡體上裂縫發(fā)育,大部分排水設(shè)施已經(jīng)破壞,這導(dǎo)致了居民生活用水的下滲,抬高了滑坡體內(nèi)的地下水位。

d)降雨是滑坡形成的誘發(fā)因素。滑坡體內(nèi)地下水的補(bǔ)給主要依靠大氣降水,地表雨水和生活用水入滲,沿裂隙及滑動面滲流。一方面,降低了滑帶土的強(qiáng)度,增加了滑體體重。另一方面,劇增了地下水動、靜水壓力,尤其是沿滑動面滲流,滑動帶為泥巖殘積層,易軟化崩解,抗剪強(qiáng)度降低很大,當(dāng)能量不斷積累,下滑力大于抗滑力時,滑坡復(fù)活?；略谟昙疽院蠡顒虞^為明顯,說明降雨是誘發(fā)滑坡復(fù)活的一個重要原因。

3 滑坡破壞機(jī)理

1)變電站外滑坡區(qū)的復(fù)活對變電站滑坡破壞具有拉動作用。工業(yè)廣場東側(cè)的采空塌陷變形導(dǎo)致該區(qū)滑坡復(fù)活,由于該滑坡區(qū)與變電站滑坡區(qū)屬于同一個大滑坡,該滑坡區(qū)的變形在邊界上必然受阻,這個阻力同時從側(cè)面對變電站滑坡有一個拉動作用。如變電站滑坡區(qū)靠近該滑坡區(qū)的剪切裂縫特別發(fā)育。這種拉動作用使變電站滑坡區(qū)中后部變形破壞具有推移式滑坡的變形特點：縱向剪切裂縫異常發(fā)育。

2)采空移動區(qū)的變形對變電站區(qū)滑坡破壞具有牽引作用。采空塌陷裂縫在地表一般表現(xiàn)為拉張裂縫,一般僅表現(xiàn)為地表拉開,不存在上、下錯動變形、水平剪切變形及鼓脹變形;滑坡裂縫按受力狀態(tài)有拉脹裂縫、剪切裂縫、鼓脹裂縫、扇形裂縫之分,滑坡后緣斷壁上有順坡擦痕,滑動面上順滑向上也有擦痕,這是區(qū)分采空塌陷變形與滑坡變形的一個重要特征。變電站滑坡區(qū)前緣位于12506采區(qū)的移動區(qū),移動區(qū)存在三種變形和兩種移動,變形為傾斜、彎曲和水平變形,移動為水平移動和垂直移動,這三種變形和兩種移動對變電站滑坡破壞有一個牽引作用。對同屬于一個滑坡的風(fēng)井滑坡區(qū),由于受采空區(qū)影響較小,變形就不是特別嚴(yán)重。這種牽引作用對滑坡破壞的影響是巨大的。

由于滑坡區(qū)前緣采空裂縫的發(fā)育,使該滑坡區(qū)的抗滑段抗滑力大大降低,同時也為地下水的富集提供了儲存條件和滲流條件,在地下水靜、動水壓力和滑坡的壓力的綜合作用下,邊坡出現(xiàn)變形破壞。因此,滑坡復(fù)活后在滑坡前緣表現(xiàn)為明顯的牽引式滑坡滑動破壞,該區(qū)橫向張裂隙發(fā)育。

3)滑坡的分層、分級變形破壞。工業(yè)廣場經(jīng)過場平后形成了現(xiàn)有的三級臺坎地形,導(dǎo)致了滑坡體在深開挖段滑體厚度變薄,從而使滑坡發(fā)育有次級剪出的滑動面,各陡坎上的擋墻和坎前地坪出現(xiàn)鼓脹變形;根據(jù)鉆孔巖芯現(xiàn)場鑒定,H2、H4這兩個鉆孔在深度為10～15 m范圍內(nèi)至少存在兩個以上的滑帶,滑帶厚度約10～15 cm左右。說明滑坡已具有了分層、分級滑動的破壞機(jī)制。

根據(jù)地面調(diào)查,滑坡后緣拉裂縫最大的下挫高度已超過2 m,顯然滑坡整體移動沒有這么大,否則滑坡早已整體滑移。這大量的變形主要是通過滑坡的分層、分級變形破壞來協(xié)調(diào)的。

4 穩(wěn)定性分析

官地礦變電站滑坡區(qū)、變電站外滑坡區(qū)變形極為嚴(yán)重,地表裂縫密布,其上的建筑物開裂嚴(yán)重。根據(jù)建筑物裂縫簡易觀測,滑坡變形仍在進(jìn)一步發(fā)展中。

1)計算剖面確定。根據(jù)收集的資料,進(jìn)行滑坡穩(wěn)定性計算的剖面位于變電站的東側(cè),滑動面的深度是根據(jù)現(xiàn)場觀測鉆探巖芯并進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查劃分的(見圖 1)。

圖1 官地礦變電站滑坡計算模型

2)滑動面抗剪強(qiáng)度設(shè)計參數(shù)的選取。通過對官地礦風(fēng)峪溝風(fēng)井廣場滑動面(帶)土體的研究,提供的滑動帶土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)為：

天然抗剪強(qiáng)度：C=38.5 k Pa,Φ=14.8°

飽和抗剪強(qiáng)度：C=16.8 k Pa,Φ=12.0°

經(jīng)過工程地質(zhì)反演(見圖2),得出的滑動面綜合抗剪強(qiáng)度為：

圖2 變電站滑坡滑動面抗剪強(qiáng)度參數(shù)反演圖

盡管反演結(jié)果中 C、Φ值偏小,但由于該滑坡的滑帶位于殘積層中,根據(jù)國內(nèi)大量滑帶位于殘積層中的滑坡治理經(jīng)驗,該類殘積層的 C、Φ值一般較小;且目前無法考慮地下水的綜合作用,因此采用反演的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行穩(wěn)定性計算是合理的。

3)計算方法。計算采用了剩余推力法(規(guī)范推薦公式)進(jìn)行了“自重+地表荷載”、“自重+地表荷載+地震”、“自重+地表荷載+20年一遇暴雨”和“自重+地表荷載+地震+20年一遇暴雨”等4種荷載組合工況下的穩(wěn)定系數(shù)驗算,計算結(jié)果見表1。

表1 穩(wěn)定系數(shù)驗算計算結(jié)果

由表1可以得出,滑坡目前的穩(wěn)定系數(shù)較低,均小于對應(yīng)工況下的安全系數(shù),滑坡為潛在不穩(wěn)定滑坡。官地礦滑坡各工況對應(yīng)安全系數(shù)下的剩余下滑力見圖4。

圖3 各工況對應(yīng)安全系數(shù)下的剩余下滑力曲線圖

4)穩(wěn)定性綜合評價。宏觀穩(wěn)定性分析表明：滑坡處于潛在變形狀態(tài)?；路€(wěn)定性驗算結(jié)果表明：滑坡在天然狀態(tài)下的穩(wěn)定系數(shù)為1.012,在暴雨工況下為0.985,均處于極限平衡狀態(tài)偏不穩(wěn)定狀態(tài),而在地震作用下為0.812,處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié) 語

根據(jù)以上的分析和計算,可得出如下結(jié)論：

1)官地礦變電站工業(yè)廣場位于采空輕微變形區(qū),可以排除建筑物的變形是采空塌陷所引起,其變形主要是滑坡變形。

2)變電站工業(yè)廣場滑坡變形有拉張變形,剪切變形和鼓脹變形三種,三種變形的力學(xué)性質(zhì)不同。

3)滑坡現(xiàn)處于潛在不穩(wěn)定狀態(tài),屬于蠕滑-拉裂變形階段。

[1] 張倬元.工程地質(zhì)分析原理[M].北京：地質(zhì)出版社,1981：115-118.

[2] 工程地質(zhì)手冊編寫委員會.工程地質(zhì)手冊[M].第3版.北京：中國建筑工業(yè)出版社,1992：223-225.

Analysis on Landslide Deformation Mechanism and Stability

Li Zhi-yong

In this paper,takes the deformation of Guandi mine substation landslide as an example,explains the three types of landslide deformation performance,emphasises on analysis of the reasons and stability,provides a reliable basis for the next step governance.

Landslide;Deformation;Mechanism;Stability;Analysis

TD16

B

1672-0652(2010)02-0010-03

李志勇 男 1971年出生 1992年畢業(yè)于山西礦業(yè)學(xué)院 工程師 太原 030053

2009-12-11