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        堆積體滑坡的成因及穩(wěn)定性分析*——以黟縣林川滑坡為例

        2015-03-19 03:29:02張?zhí)?/span>伍劍波黃金玉
        華東地質(zhì) 2015年1期
        關(guān)鍵詞:條塊堆積體滑面

        孫 強(qiáng),張?zhí)?,伍劍波,黃金玉

        (中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心,南京 210016)

        改革開放以來(lái),我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)蓬勃興起,尤其在東部省區(qū),各類工程建設(shè)引發(fā)的滑坡危及工程運(yùn)行、國(guó)家財(cái)產(chǎn)和人民生命安全。因此,對(duì)滑坡穩(wěn)定性的研究越來(lái)越重要,不僅可為防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)理論依據(jù),還對(duì)滑坡預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)具有重要指導(dǎo)作用[1]?;庐a(chǎn)生的根本原因是巖土體強(qiáng)度降低[2-3],巖土體強(qiáng)度是決定滑坡發(fā)生與否及其類別的內(nèi)部條件,水、地震和人為因素影響是誘導(dǎo)或促使加速滑坡變形的外部條件[4-6]?;率窃诟鞣N因素作用下的綜合效應(yīng),其形成條件和影響因素非常復(fù)雜[7]。地質(zhì)因素是形成滑坡的基礎(chǔ),而非地質(zhì)因素是誘導(dǎo)或觸發(fā)條件。不同因素影響滑坡穩(wěn)定的機(jī)制復(fù)雜,用力學(xué)計(jì)算方法評(píng)價(jià)滑坡變形的穩(wěn)定性,是在對(duì)自然條件作某些簡(jiǎn)化的前提下進(jìn)行的。較合理的滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)步驟,應(yīng)首先全面考慮影響滑坡穩(wěn)定的自然因素,對(duì)其進(jìn)行定性評(píng)價(jià),在此基礎(chǔ)上再作必要的力學(xué)計(jì)算,然后綜合考慮評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性[8]。

        皖南黟縣林川滑坡是較典型因不合理的人類工程活動(dòng)而形成的堆積體碎石土滑坡。該滑坡是在采挖灰?guī)r時(shí)剝離的廢石廢土堆積體的基礎(chǔ)上發(fā)育形成的。原始自然條件下,堆積體處于自然放坡后的穩(wěn)定狀態(tài)。但從70年代開始附近居民陸續(xù)在坡體上墾殖,在坡腳部位切坡建房,改變了坡體原始應(yīng)力狀態(tài)?;w坡腳于1995年和2002年雨季發(fā)生崩塌,毀壞2間房屋,堵塞河道長(zhǎng)度達(dá)60m,形成堆積高度達(dá)2m,造成約15萬(wàn)元的經(jīng)濟(jì)損失。因此,對(duì)該滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析和研究是十分必要的。

        1 林川滑坡的分布與地質(zhì)條件

        林川滑坡位于西遞鎮(zhèn)艾豐村林川組北側(cè)山體坡腳部位,采挖灰?guī)r時(shí)堆積的廢石堆積在海拔277 m處,形成寬15~30 m 呈長(zhǎng)方形的平臺(tái)。平臺(tái)西北靠山側(cè)有一個(gè)深1~3 m 的洼地,平臺(tái)下部山體總體坡度45°,可見五級(jí)臺(tái)坎,坎高3~5m,坡腳由于建房切坡形成高5~10 m 的陡崖。坡體植被主要為茶葉、農(nóng)田,覆蓋率20~50%。

        區(qū)域內(nèi)地下水主要為基巖裂隙水。雖然區(qū)域地層裂隙較發(fā)育,但由于泥質(zhì)含量高,構(gòu)造裂隙多被脈巖、泥質(zhì)充填,因此地下水富水性差,主要受大氣降水的垂向入滲補(bǔ)給,并由山區(qū)向山前地帶徑流,直接補(bǔ)給附近溝谷中的地表水。

        2 滑坡形態(tài)特征

        2.1 滑坡周界及形態(tài)

        該滑坡在平面上呈半圓形(圖1),滑坡長(zhǎng)41m,前緣寬約61m,后緣寬約31m,高程差24m,厚約10m,面積2500m2,規(guī)模2.5×104m3,屬于小型滑坡。滑體坡度42°,坡向154°。該滑坡剖面如圖2所示,從圖2可知,滑體地表呈階梯狀,滑面為折線型,形態(tài)為上部和下部滑面稍緩,中部滑面較陡?;媛裆?~10m,坡度10~40°,滑帶巖性為含碎石粘土,厚約0.4m。

        圖1 林川滑坡平面圖Fig.1 Plan of Linchuan landslide

        圖2 林川滑坡C-C′剖面圖Fig.2 C-C′geologic section of Linchuan landslide

        2.2 滑體物質(zhì)結(jié)構(gòu)

        根據(jù)野外勘探資料,結(jié)合室內(nèi)研究,將該滑坡巖土體分為兩類。

        (1)滑體為松散的堆積層,厚約5~10 m,底板埋深6~12 m,松散,無(wú)分選性。碎石含量30~50%,局部有粘土和角礫透鏡體,角礫風(fēng)化強(qiáng)度不均勻,角礫成分主要為硅質(zhì)頁(yè)巖。

        (2)滑床為基巖,巖性主要為寒武系下統(tǒng)大陳嶺組(∈1d)的硅質(zhì)頁(yè)巖和泥質(zhì)灰?guī)r。硅質(zhì)頁(yè)巖:黑色,薄層,結(jié)構(gòu)致密,較堅(jiān)硬,用力錘敲碎裂呈片狀,上部見4~6m 的破碎帶,塊度2~10cm,最大塊度20 cm。泥質(zhì)灰?guī)r:灰色,中厚層,巖體結(jié)構(gòu)完整、致密、堅(jiān)硬,錘敲震手,弱風(fēng)化。

        3 滑坡成因及機(jī)理

        3.1 滑坡成因

        滑坡的產(chǎn)生與地質(zhì)環(huán)境、人類工程活動(dòng)及降雨關(guān)系密切。通過(guò)收集該滑坡地質(zhì)及降雨資料,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查測(cè)量、訪問(wèn),認(rèn)為該滑坡成因如下:

        (1)地層因素:斜坡由原山體灰?guī)r開挖利用后廢棄的碎石土混雜堆積而成,孔隙發(fā)育,結(jié)構(gòu)松散,碎石間架空明顯,滲透性強(qiáng),鉆進(jìn)時(shí)泥漿無(wú)返水,孔壁坍塌,指示坡體物質(zhì)的穩(wěn)定性差。滑床為寒武系下統(tǒng)大陳嶺組(∈1d)的薄層硅質(zhì)頁(yè)巖,其滲透性與上部堆積體有明顯差異,地下水下滲到堆積層和基巖接觸面形成飽和帶,導(dǎo)致滑帶土抗剪強(qiáng)度降低,對(duì)上覆堆積層形成浮托力。該滑坡屬于堆積層滑坡,堆積層和基巖接觸面是該滑坡的主控滑面。

        (2)人為因素:斜坡地處人類密集區(qū),由于居民建房,坡腳存在大量削坡,在滑坡坡腳部位形成60~80°、高5~10m 的臨空面,未采取相應(yīng)的護(hù)坡措施。人類不合理開挖破壞了斜坡結(jié)構(gòu),打破了原堆積體的平衡狀態(tài),坡體的支撐力下降,引發(fā)堆積體局部失穩(wěn)。

        (3)降雨因素:皖南地區(qū)潮濕多雨,梅雨和臺(tái)風(fēng)季節(jié)降雨集中,暴雨及特大暴雨頻發(fā)是滑坡發(fā)生的重要觸發(fā)因素。

        (4)植被因素:原坡表生長(zhǎng)的灌木對(duì)坡體的松散物質(zhì)有較好的固持作用,滑坡體表部坡面經(jīng)改造人為墾殖后,土質(zhì)疏松,使原本坡面徑流轉(zhuǎn)為地下徑流,增加了地表水的入滲。

        (5)地形地貌因素:坡體下部自然斜坡坡度42°,上部為平臺(tái),整個(gè)坡型呈上緩下陡的凸形坡。目前許多研究已證明凸型邊坡發(fā)生滑坡概率最大[9]。

        3.2 滑坡機(jī)理

        采挖灰?guī)r形成的廢石廢土的無(wú)序堆放,改變了原始斜坡的穩(wěn)定地貌,形成了上部平緩下部陡峭的凸形坡,且坡體物質(zhì)組成松散的堆架結(jié)構(gòu),組織結(jié)構(gòu)完全被破壞,碎石之間粘結(jié)程度差。坡體后緣巖溶洼地匯集雨水,水沿坡體破碎帶或堆積碎石與基巖接觸帶滲流,使滑帶充水潤(rùn)滑。研究區(qū)地少人多,村民多挖坡建房,坡腳經(jīng)多次開挖形成高度達(dá)5~10m的陡崖,使坡腳形成臨空面,破壞了原堆積體的平衡狀態(tài),坡體下部的支撐力下降,易引發(fā)堆積體失穩(wěn)。

        4 滑坡穩(wěn)定性

        滑坡穩(wěn)定性計(jì)算方法和繁簡(jiǎn)程度隨滑坡性質(zhì)而定,根據(jù)滑坡不同性質(zhì)、滑動(dòng)形狀選擇合適的計(jì)算方法[10]。該滑坡的滑面呈不規(guī)則的折線型,且滑體的巖土性質(zhì)較均勻,因此,不平衡推力法對(duì)此類滑坡的計(jì)算有較好的適用性[11-12]。

        4.1 滑坡概化模型

        建立在極限平衡原理基礎(chǔ)之上的不平衡推力法是邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算的主要手段[13]。該法計(jì)算要求滑面控制點(diǎn)處滑面傾角的變化要小,計(jì)算結(jié)果的誤差對(duì)滑面的傾角變化很敏感,而在滑坡后緣誤差對(duì)傾角的變化敏感度要小一些[14]。本滑坡滑面中所有控制點(diǎn)處滑面傾角變化值均<10°,其計(jì)算誤差在允許范圍內(nèi)的[15]。根據(jù)以上基本原則,結(jié)合滑坡表面地形起伏、滑動(dòng)面的變化、巖性分層,對(duì)計(jì)算剖面進(jìn)行條塊劃分。

        4.2 計(jì)算公式

        滑坡穩(wěn)定性系數(shù)及剩余推力計(jì)算采用公式[16]為:

        當(dāng)Pi<0時(shí),令Pi=0

        Fs—滑坡穩(wěn)定性系數(shù)

        K—最小安全系數(shù)(取值1.10)[17]

        ψj—第i條塊的剩余下滑力傳遞至第i+1條塊時(shí)的傳遞系數(shù)(j=i)

        Ri—作用于第i條塊的抗滑力(kN/m)

        φi—第i條塊土的內(nèi)摩擦角(°)

        αi—第i條塊土的滑面傾角(°)

        Ti—作用于第i條塊滑動(dòng)面上的滑動(dòng)分力(kN/m)

        Pn—第i條塊的剩余推力(kN/m)

        對(duì)滑坡三個(gè)剖面的穩(wěn)定性進(jìn)行迭代計(jì)算。

        4.3 參數(shù)取值

        滑面自然狀態(tài)下強(qiáng)度參數(shù)值為根據(jù)多個(gè)滑帶土室內(nèi)試驗(yàn)值的平均值,飽和狀態(tài)下強(qiáng)度參數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值和反算值綜合考慮,其計(jì)算參數(shù)選取如表1所示。

        表1 滑坡穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)取值Table 1 Calculattion parameters of landslide stability

        為了核對(duì)選用參數(shù)是否合理,選擇滑坡坡腳切坡變形前的狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算[7]。本文選擇D-D′剖面切坡變形前的地面情形進(jìn)行剩余推力計(jì)算(將坡腳被切部分還原),最終下滑力是否符合于極限平衡(原始堆積體呈自然放坡狀態(tài),久雨飽和時(shí)其坡體應(yīng)處于極限平衡狀態(tài))。經(jīng)計(jì)算自然狀態(tài)剩余推力為-41.2kN/m,安全系數(shù)1.22,為穩(wěn)定狀態(tài);久雨飽和狀態(tài)下剩余推力為134.5kN/m,安全系數(shù)0.99,表明土體接近極限狀態(tài)。以上參數(shù)計(jì)算結(jié)果符合切坡前的實(shí)際狀況,說(shuō)明采用的容重、粘聚力和內(nèi)摩擦角適合實(shí)際情況。

        4.4 計(jì)算結(jié)果

        采取表1中參數(shù)對(duì)滑坡的三個(gè)剖面分別進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如下:

        表2 剖面穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of stability coefficient

        根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求,滑坡穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn):Fs<1.0,不穩(wěn)定;1.0≤Fs<1.05,欠穩(wěn)定;1.05≤Fs<1.15,基本穩(wěn)定;Fs≥1.15,穩(wěn)定。根據(jù)剖面穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果可知:在自然狀態(tài)下,A-A′剖面所在區(qū)域目前均處于穩(wěn)定狀態(tài),C-C′剖面和D-D′剖面區(qū)域均處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。在久雨飽和狀態(tài)下,滑坡三個(gè)剖面區(qū)域均處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

        通過(guò)分析三個(gè)剖面各條塊的推力計(jì)算數(shù)據(jù)(表3~表5),以天然狀態(tài)為例,均是上部和下部坡體有抗滑力儲(chǔ)備,中間部分由較大的剩余推力,滑面傾角較大的部位滑坡的推力較大。說(shuō)明該滑坡在失穩(wěn)條件下坡體并不是以整體下滑,而是在C-C′剖面第2條塊和D-D′剖面的第4條塊的附近形成拉張裂縫,下部坡體滑動(dòng),而上部的部分坡體保持穩(wěn)定。

        表3 A-A′剖面滑坡推力及計(jì)算參數(shù)Table 3 Landslide thrust and calculation parameters of A-A′section

        表4 C-C′剖面滑坡推力及計(jì)算參數(shù)Table 4 Landslide thrust and calculation parameters of C-C′section

        表5 D-D′剖面下滑推力及計(jì)算參數(shù)Table 5 Landslide thrust and calculation parameters of D-D′section

        5 結(jié) 論

        (1)坡腳不合理的開挖使滑坡前緣邊坡高陡,斜坡應(yīng)力失衡,是誘發(fā)該滑坡的主要因素。地表排水系統(tǒng)失效、不利的氣象條件是加劇滑坡失穩(wěn)的關(guān)鍵。該滑坡的形成受人為活動(dòng)影響明顯。

        (2)采用不平衡推力法對(duì)滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果表明,天然狀態(tài)下滑坡A-A′剖面區(qū)域較穩(wěn)定,C-C′剖面和D-D′剖面區(qū)域滑坡將處于欠穩(wěn)定或不穩(wěn)定狀況。久雨飽和狀態(tài)下,整個(gè)滑坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

        (3)分析三個(gè)剖面各條塊的推力計(jì)算數(shù)據(jù),認(rèn)為該滑坡失穩(wěn)時(shí)可能不是整體滑動(dòng)。由于上部和下部坡體有抗滑力儲(chǔ)備,中間部分由較大的剩余推力,所以滑坡在失穩(wěn)時(shí)滑坡會(huì)在坡體中部滑面傾角變化較大處拉裂,裂縫下部坡體滑動(dòng),而上部坡體保持局部穩(wěn)定。

        6 防治建議

        結(jié)合林川滑坡體形態(tài)特征、變形規(guī)律、形成原因及穩(wěn)定狀況,綜合各種工程的適宜性、經(jīng)濟(jì)性、可操作性及工期等方面因素,建議該滑坡采用如下防治方案:

        (1)地表排水,后緣洼地填埋處理。在地表建立排水網(wǎng),單條排水溝積水面積不宜過(guò)大,對(duì)滑坡體后緣的洼地采用黏土填埋夯實(shí),并對(duì)后期沉降區(qū)域進(jìn)行二次填埋以保證該處洼地不會(huì)形成積水。

        (2)植被恢復(fù)。居民在坡體上的耕作致使滑坡表層土體疏松,抑制了降雨時(shí)坡面產(chǎn)流,加大了雨水的入滲強(qiáng)度,不利于滑坡的穩(wěn)定。建議滑坡區(qū)域停止種植,恢復(fù)植被。

        (3)坡腳支護(hù)。不合理的開挖使滑坡的抗滑力下降,對(duì)坡腳進(jìn)行支護(hù)以彌補(bǔ)由于切坡造成的抗滑力損失,有效降低滑坡發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

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