尚 慧,倪萬魁,2,杜光波,孟 龍
(1.長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測繪學(xué)院,陜西 西安 710054;2.凍土工程國家重點實驗室,甘肅 蘭州 730050)
地質(zhì)災(zāi)害泛指與地質(zhì)有關(guān)的各種自然與人為災(zāi)害,種類繁多,如滑坡、崩塌、泥石流、火山噴發(fā)、地裂縫、地壓、瓦斯、煤田自燃、熱害、塌陷與凍融等[1]。黃土滑坡作為黃土地區(qū)最為嚴重的地質(zhì)災(zāi)害,由于其對人類生命財產(chǎn)危害巨大、災(zāi)變過程復(fù)雜,因此,嚴重制約社會、經(jīng)濟發(fā)展。寧夏南部地區(qū)黃土滑坡在我國黃土地區(qū)具有典型性,根據(jù)近幾年縣(市)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查及1:50000地質(zhì)災(zāi)害詳細調(diào)查結(jié)果,寧南七縣(區(qū))已發(fā)生黃土滑坡1517處[2],其中彭陽縣的黃土滑坡發(fā)育最為密集,也最具有代表性,境內(nèi)共發(fā)育黃土滑坡793處[3],而且每年汛期都有新的滑坡隱患點出現(xiàn),具有突發(fā)性、群發(fā)性強、危害大等特點。1996年7月27日發(fā)生于紅河鄉(xiāng)黑牛溝村的滑坡,造成村民23人死亡,7人受傷,直接經(jīng)濟損失50多萬元[4]。黃土滑坡形成機理的研究可為其防治設(shè)計和預(yù)警預(yù)報提供理論依據(jù)。
彭陽縣位于寧夏南部,六盤山東側(cè),地處隴西黃土高原地區(qū)。由于區(qū)內(nèi)黃土堆積厚度大(最厚處可達200余米),黃土結(jié)構(gòu)疏松,水土流失嚴重,導(dǎo)致黃土丘陵區(qū)溝壑縱橫,地形破碎,黃土滑坡災(zāi)害頻發(fā)[5]。據(jù)1:50000地質(zhì)災(zāi)害詳細調(diào)查,境內(nèi)共發(fā)育黃土滑坡793處,目前仍存在隱患的滑坡170處。
對滑坡進行分類的目的在于對各種地質(zhì)環(huán)境下所產(chǎn)生的各種滑坡現(xiàn)象進行概括,以便正確反映滑坡作用的某些規(guī)律,依據(jù)滑坡崩塌泥石流地質(zhì)災(zāi)害詳細調(diào)查規(guī)范中滑坡分類標準[6],使用不同的分類方法對彭陽縣境內(nèi)滑坡進行統(tǒng)計。
統(tǒng)計得出:彭陽縣滑坡按物質(zhì)組成,主要有黃土層內(nèi)滑坡和黃土 -基巖接觸面滑坡[7](圖1,圖2),分別有627處和166處;按滑體厚度,以中、淺層滑坡為主,分別占49%和28%,超深層滑坡相對較少,不足2%;根據(jù)滑坡形成時代,以老滑坡為主,其中老滑坡780個,新滑坡11個,古滑坡2處;從規(guī)???,以小型滑坡為主,有329處,大型和中型數(shù)量相當,分別為204處和240處,特大型和巨型滑坡數(shù)量較少,僅發(fā)現(xiàn)20處;按發(fā)生原因,以自然滑坡為主,共有791處,工程活動引起的滑坡僅有2處。
1.2.1 空間分布規(guī)律
圖1 黃土層內(nèi)滑坡典型剖面Fig.1 Typical section of landslide in loess layer
彭陽縣內(nèi)滑坡多數(shù)分布于紅河和茹河的沖蝕岸育而北部滑坡較少的主要原因,滑坡發(fā)生時間比降雨稍有滯后。邊及其支流或支溝中下游兩側(cè),并多以對滑形式出現(xiàn),具有群發(fā)性(圖3);在河流的二、三級支流兩岸斜坡成帶狀分布;在黃土厚度較大的且晚更新統(tǒng)黃土較厚的地區(qū)集中;在人類活動強度大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)集中。
1.2.2 時間分布規(guī)律
在時間域上,滑坡分布規(guī)律表現(xiàn)為:在地質(zhì)歷史時期,滑坡在晚更新統(tǒng)末和全新世初期相對集中;在人類歷史時期,在人類活動強烈時期相對集中;在一年之內(nèi),在雨季相對集中。調(diào)查統(tǒng)計資料表明,降雨(尤其是雨季的暴雨)是彭陽縣內(nèi)滑坡最主要的誘發(fā)因素之一,南部區(qū)域一次最大暴雨量多大于80mm[8],明顯高于北部,這是南部黃土丘陵區(qū)滑坡發(fā)
圖2 黃土基巖接觸面滑坡典型剖面Fig.2 Typical section of loess bed rock landslide
圖3 彭陽縣黃土滑坡分布規(guī)律示意圖Fig.3 Schematic diagram of distribution rule of loess landslides in Pengyang country
彭陽縣內(nèi)黃土堆積厚度一般在數(shù)十米至百余米[8],結(jié)構(gòu)疏松,巖土侵蝕強烈,地表水系發(fā)育,以紅河、茹河和安家川河為主流,支流支溝密布,地形破碎,為滑坡的形成提供了地形地貌條件(圖4)。斜坡的幾何形態(tài)決定著斜坡體內(nèi)應(yīng)力的大小和分布,控制著斜坡的穩(wěn)定性與變形破壞模式。下面分別從地形和地貌兩個方面探討其與滑坡形成的關(guān)系。
2.1.1 地形
坡度是控制地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度和地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育類型的一個重要因素,根據(jù)調(diào)查資料統(tǒng)計,彭陽縣滑坡集中發(fā)育在20°~60°的斜坡上(圖5);坡高控制著坡體內(nèi)各處應(yīng)力的大小,斜坡坡高與滑坡的發(fā)生存在明顯的相關(guān)性,滑坡一般多發(fā)生在坡高30~100m的斜坡上(圖6);斜坡坡面形態(tài)可以劃分為四個基本類型,即凸型、直線型、階梯型和凹型,滑坡在直線型和凸型斜坡地段相對集中(圖7);滑坡在0°~135°和225°~360°的坡向區(qū)間相對集中(圖8),即在陰坡和近似陰坡的斜坡上較發(fā)育。
圖4 彭陽縣地質(zhì)環(huán)境條件與滑坡分布圖Fig.4 Geological environment condition and distribution rule of loess landslides in Pengyang country
圖5 滑坡坡度分布統(tǒng)計圖Fig.5 Statistical chart of slope gradient of landslides
2.1.2 地貌
彭陽縣主要地貌類型有三種:黃土丘陵、土石質(zhì)山和河谷平原。由詳細調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析得知:滑坡主要分布在黃土丘陵區(qū),西部土石質(zhì)山區(qū)僅有14處滑坡,河谷平原區(qū)由于地勢平坦,無滑坡災(zāi)害分布(圖4)。
圖6 滑坡坡高分布統(tǒng)計圖Fig.6 Statistical chart of slope height of landslides
圖7 滑坡坡型分布統(tǒng)計圖Fig.7 Statistical chart of slope pattern of landslides
圖8 滑坡坡向分布統(tǒng)計圖Fig.8 Statistical chart of slope aspect of landslides
彭陽縣地層以白堊系、新近系、第四系為主(圖4)。其中黃土廣泛分布于調(diào)查區(qū)黃土丘陵上部和各大沖溝內(nèi),其結(jié)構(gòu)疏松,強度低,遇水軟化,節(jié)理裂隙發(fā)育,并且遇水容易軟化、濕陷,從而迅速降低其抗拉、抗剪強度;新近紀泥巖在深切溝谷底部均有出露,其結(jié)構(gòu)較均一,固結(jié)程度較高,天然狀態(tài)下呈堅硬狀態(tài),強度較高,隔水性好,但遇水易崩解軟化,降低強度,常形成滑動面和滑床[9],因此,彭陽縣內(nèi)主要易崩易滑地層為第四紀黃土和新近紀紅色泥巖。
彭陽縣滑坡災(zāi)害主要發(fā)生在7~9月,說明滑坡的發(fā)生與降雨量以及降雨特征關(guān)系密切。降雨對斜坡土體變形破壞產(chǎn)生影響的主導(dǎo)作用即降低了土體抗剪強度并改變了土體的容重,入滲的雨水有可能引起地下水位的上升,促使浮托力增大,有利于邊坡變形破壞的進一步發(fā)展[10-11]。綜合分析彭陽縣內(nèi)發(fā)生滑坡的頻次,基本與多年月平均降水量呈正相關(guān)關(guān)系,因此認為大暴雨和連陰雨是彭陽縣地質(zhì)災(zāi)害的主要誘發(fā)因素;另外,河流、水庫等地表流水長期對河谷兩側(cè)斜坡巖土體的側(cè)蝕和對坡腳的浸泡,增大了斜坡臨空面并降低了巖土體抗剪強度,地下水可軟化結(jié)構(gòu)面,降低黃土強度,充當潤滑劑,都可誘發(fā)滑坡災(zāi)害。
黃土地層遭受地質(zhì)時期的長期侵蝕,已形成坡度相對平緩的黃土梁或峁,尤其是全新世以來,地殼活動變緩,谷坡經(jīng)過地質(zhì)歷史時期的各種侵蝕作用,應(yīng)力釋放和調(diào)整亦基本完成,斜坡一般處于穩(wěn)定或基本穩(wěn)定狀態(tài)。在自然條件下,一般不會發(fā)生重大滑坡災(zāi)害。人類工程活動,如削坡、加載等作用,將原有的平衡狀態(tài)打破,使斜坡產(chǎn)生卸荷、拉張和風(fēng)化裂隙,在雨季易產(chǎn)生滑坡災(zāi)害[12]。
在綜合分析滑坡的形成條件前提下,研究斜坡失穩(wěn)發(fā)生滑坡的主導(dǎo)因素成為防災(zāi)治災(zāi)關(guān)鍵。調(diào)查統(tǒng)計分析已知,黃土殘塬、沖蝕切割深度不一的黃土梁以及溝谷是彭陽縣滑坡發(fā)生的地貌條件;新近紀泥巖下伏于黃土形成了斜坡失穩(wěn)的易滑地層;黃土-泥巖接觸的結(jié)構(gòu)為大氣降水和地表水下滲累進破壞坡體創(chuàng)造條件。
到目前為止,關(guān)于斜坡穩(wěn)定性的研究已經(jīng)提出了工程地質(zhì)類推法、臨界破壞理論、數(shù)值分析、可靠度分析法和其它一些新方法,具有一般適用性[13]。但是,由于坡體變形破壞非常復(fù)雜,影響斜坡產(chǎn)生滑坡的各種控制因素也很不確定,使得災(zāi)害防治不能僅僅依靠理論分析和數(shù)字計算。因此,在斜坡穩(wěn)定性分析工作中把經(jīng)驗與現(xiàn)代理論結(jié)合起來變得尤為重要。在彭陽縣大量的已滑斜坡和出現(xiàn)變形跡象的斜坡中選取具有代表性的進行探討,將定性的經(jīng)驗與數(shù)值計算結(jié)合起來,對彭陽縣的黃土滑坡分別按坡度、坡型、降雨、人類活動和坡頂加載的不同情況進行分析驗算,探討黃土滑坡的形成機理。
按照調(diào)查資料統(tǒng)計分析已經(jīng)得知,彭陽縣的滑坡多發(fā)生于 20°~60°。因此,假定坡高不變、參數(shù)不變,采用 GEOSLOPE 專業(yè)軟件分別對 10°、20°、30°、40°、50°和60°的黃土斜坡進行穩(wěn)定性驗算和有限元分析。計算參數(shù)為:坡高70m,容重16kN/m3,凝聚力40kPa,內(nèi)摩擦角 27°,彈模 89000kPa,泊松比 0.35,不考慮地震影響。穩(wěn)定性計算結(jié)果如表1。
表1 不同坡度的斜坡穩(wěn)定性系數(shù)Table 1 The calculation result of stability coefficient of slope with different slope gradient
由表1可見:坡體穩(wěn)定性隨坡度的增大近線性減小,小于20°時一般不會失穩(wěn),在 50°時處于臨界狀態(tài)。有限元模擬結(jié)果的X-Y剪應(yīng)力圖(圖9-a)顯示,從坡度40°開始,在坡面出現(xiàn)明顯的剪應(yīng)力集中。σx云圖(圖9-b)顯示,坡度從50°開始斜坡坡面出現(xiàn)拉張區(qū);60°時在坡頂出現(xiàn)拉張區(qū)(圖9-c);印證了斜坡坡度達到一定時,破壞以崩塌形式為主。這與前文的調(diào)查統(tǒng)計資料,即滑坡主要發(fā)生在20°~60°的斜坡上是相符合的。
坡型對斜坡穩(wěn)定性的影響主要表現(xiàn)在極限平衡狀態(tài)下,為此選前面已經(jīng)計算的高70m、坡度50°的臨界坡度斜坡變換坡形進行驗算和模擬。結(jié)果發(fā)現(xiàn)直線型坡穩(wěn)定性最好,凹型坡次之,凸型坡穩(wěn)定性最差(表2)。由于此處采用的模型是假定坡高和坡度不變,因此與前文調(diào)查統(tǒng)計資料是相符合的。
表2 坡型對穩(wěn)定性的影響Table 2 The in fluence of slope pattern on slope stability
剪應(yīng)力云圖(圖10)顯示,直線型坡在坡面中部剪應(yīng)力集中、凸型坡在坡體突出部位和坡腳出現(xiàn)剪應(yīng)力集中、凹型坡在坡體中部,坡型由陡變緩部位出現(xiàn)剪應(yīng)力集中;σx云圖(圖11)顯示:直線型坡在坡面中部形成拉張區(qū)、凸形坡在坡體突出部位形成拉張區(qū)且張應(yīng)力最小、凹形坡在坡頂及坡面由陡變緩部位形成拉張區(qū)且張應(yīng)力最大;X方向位移矢量圖(圖12)顯示,直線坡最大的位移發(fā)生在坡下部靠近坡腳的位置、凸型坡最大的位移發(fā)生在坡下部靠近坡腳的位置且位移量最大、凹型坡最大的位移發(fā)生在坡體由陡變緩的位置。
圖10 不同坡型斜坡有限元模擬剪應(yīng)力云圖Fig.10 Shear stress nephogram of finite elem en t simulation of slope with different slope pattern
降雨入滲使一定深度范圍內(nèi)的土體容重增大,強度減小。當坡體上部存在裂隙時,會使坡體穩(wěn)定性進一步降低。因此,降雨成為黃土滑坡非常重要的誘發(fā)因素。取上述極限平衡狀態(tài)坡體參數(shù)(高70m,坡度50°),模擬降雨條件下斜坡的穩(wěn)定性,結(jié)果發(fā)現(xiàn)降雨條件和上部裂隙條件對坡體穩(wěn)定性影響程度基本相當,而上部有裂隙同時遇到降雨條件時坡體穩(wěn)定性降低的程度更大(表3)。
表3 降雨及裂隙對穩(wěn)定性的影響Table 3 The in fluence of slope pattern on slope stability
圖11 不同坡型斜坡有限元模擬σx云圖Fig.11 Total stress nephogram of finite element simulation of slope with different slope pattern
圖12 不同坡型斜坡有限元模擬X方向位移矢量圖Fig.12 X-direction displacement vectorgraph of finite elem en t simulation of slope with different slope pattern
降雨加劇了剪應(yīng)力的集中,并且在坡腳部位也發(fā)生了剪應(yīng)力集中;坡頂裂隙的出現(xiàn),使坡面拉張區(qū)的范圍由坡體中部擴大到了坡體上部(圖13)。這就驗證了前文述及降雨對斜坡穩(wěn)定性的影響。
人類活動常表現(xiàn)為在斜坡坡腳處取土建筑或于坡體中下部開挖建窯,其對坡體穩(wěn)定性的影響也不完全相同。取上述同參數(shù)(坡高70m,坡度50°)斜坡,分坡腳取土和挖土建窯兩種情況分析,發(fā)現(xiàn)坡腳開挖穩(wěn)定性影響很大(表4),中下部開挖影響更大(表5)。
圖13 50°坡的降雨及裂隙影響的應(yīng)力云圖Fig.13 Stress nephogram of 50 degree slope influencing by precipitation and fracture
有限元模擬顯示,在坡腳開挖的部位,發(fā)生剪應(yīng)力的集中;中下部挖窯,剪應(yīng)力在開挖窯洞的部位集中、拉張區(qū)發(fā)生在開挖窯洞的上方(圖14)。
坡頂加載超重后易引起滑坡。故模擬在坡頂堆載2m厚的土體,容重16kN/m3,可看出,坡頂加載使坡體穩(wěn)定性降低(表6),而坡體內(nèi)部應(yīng)力變化不明顯。
表4 坡腳開挖條件下穩(wěn)定性分析結(jié)果Table 4 Stability analysis result in the condition of excavation at toe of slope
表5 斜坡中下部開挖條件下穩(wěn)定性分析結(jié)果Table 5 Stability analysis result in the condition of excavation in the middle and lower part of slope
表6 坡頂加載條件下斜坡穩(wěn)定性分析結(jié)果Table 6 Stability analysis result in the condition of loading in the top of the slope
結(jié)合彭陽縣黃土滑坡的特征、分類統(tǒng)計、分布規(guī)律、形成條件以及數(shù)值模擬分析結(jié)果,該區(qū)黃土滑坡的形成機理可概括如下:彭陽縣大多滑坡為降雨誘發(fā)型滑坡。黃土丘陵區(qū)溝壑縱橫,溝谷切割密度大,坡腳多長期受流水侵蝕,形成高陡的臨空面,為滑坡的形成創(chuàng)造了較好的地形條件;滑坡區(qū)地層上部多為馬蘭黃土,下伏新近系泥巖,為易崩易滑地層。由于黃土結(jié)構(gòu)疏松、垂直節(jié)理發(fā)育,坡體上多發(fā)育落水洞,個別坡體頂部或中部發(fā)育拉張裂縫,而新近系泥巖遇水易崩解軟化,強度迅速降低,若遇暴雨或連陰雨,降水沿黃土垂直節(jié)理或裂縫入滲,在泥巖頂部形成飽和帶,地下水水位隨即升高,并且增加了坡體重量,在地下水作用下,逐漸形成滑面(黃土層內(nèi)滑坡在黃土層內(nèi)部沿黃土節(jié)理密集發(fā)育方向形成滑面,黃土-基巖接觸面滑坡在泥巖與黃土接觸面形成滑面),黃土的抗剪強度降低,導(dǎo)致斜坡在自重作用下向臨空方向蠕動。坡體后緣處于拉應(yīng)力狀態(tài)[14],當拉應(yīng)力超過土體抗拉強度時,坡面即出現(xiàn)斷續(xù)的拉張裂縫,為降水的進一步入滲提供有利條件,導(dǎo)致拉裂向下逐漸加深,滑坡兩側(cè)也出現(xiàn)剪切裂縫,隨著坡體內(nèi)拉裂的加深,坡體的軟弱帶全面貫通,滑動面上的有效正應(yīng)力和抗剪強度降低,當坡體的抗剪強度小于剪切應(yīng)力時,坡體發(fā)生變形破壞,前緣坡體先發(fā)生滑動,牽引后一級滑動(牽引式滑坡),形成滑坡。極少數(shù)滑坡為人類工程活動誘發(fā)形成,如開挖坡腳,造成坡腳應(yīng)力集中,在坡體自重的作用下,形成滑坡災(zāi)害,另一種是由于在坡體中后部堆載,坡體會沿軟弱結(jié)構(gòu)面部位及坡腳產(chǎn)生明顯的剪應(yīng)力集中,當有其它外力作用時,易于產(chǎn)生沿剪應(yīng)力集中面的失穩(wěn)滑動。
圖14 50°坡不同部位開挖應(yīng)力云圖Fig.14 Stress nepgogram in the condition of excavation in the different part of slope with 50 degree
(1)彭陽縣滑坡按滑動面位置劃分,以黃土層內(nèi)滑坡為主,共有627處,黃土 -基巖接觸面滑坡有166處;按滑體厚度,以中、淺層滑坡為主,分別占49%和28%;按規(guī)模,以小型滑坡為主,大型和中型數(shù)量相當,特大型和巨型滑坡有19處;按滑坡形成時代,以老滑坡為主,有780處;按發(fā)生原因,以自然滑坡為主,有791處,工程活動引起的滑坡僅有2處;
(2)空間上,彭陽縣黃土滑坡主要分布于黃土丘陵區(qū)的河谷沖蝕岸邊及其支流或支溝中下游兩側(cè),并多以對滑形式出現(xiàn),具有群發(fā)性;時間域上,雨季相對集中;
(3)彭陽縣黃土滑坡集中發(fā)育在20°~60°斜坡上,坡高集中在30~100m,在凸型坡和直線型坡相對集中,在 0°~135°和 225°~360°的坡向區(qū)間相對集中,即滑坡在陰坡和近似陰坡的斜坡上較發(fā)育;
(4)黃土丘陵區(qū)的深切溝谷、黃土與泥巖易滑地層的存在和地下水是彭陽縣黃土滑坡產(chǎn)生的內(nèi)在條件,降水是主要誘發(fā)因素;
(5)通過數(shù)值模擬,得出:黃土斜坡穩(wěn)定性隨坡度的增大近線性減小,小于20°時一般不會失穩(wěn),在50°時處于臨界狀態(tài);在50°臨界狀態(tài)時,直線形坡穩(wěn)定性最好,凹形坡次之而凸形坡穩(wěn)定性最差;降雨入滲使一定深度范圍內(nèi)的土體容重增大,強度減小,加劇了坡體剪應(yīng)力集中,坡體穩(wěn)定性降低;在斜坡坡腳處取土或于坡體中下部開挖建窯等人類工程活動,對坡體穩(wěn)定性的影響非常顯著。
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