楊 浩，曹運(yùn)江，2，黃玉鳳，羅福義，晏和開

(1.湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 湘潭411201;2.湖南科技大學(xué) 煤炭資源清潔利用與礦山環(huán)境保護(hù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭411201;3.貴州省黔美基礎(chǔ)工程公司，貴州 貴陽(yáng)550001;4.云南省143 煤田地質(zhì)勘查隊(duì)，云南 昆明655000)

臺(tái)風(fēng)雨常引起洪澇等自然災(zāi)害，其范圍廣、雨量大并伴隨颶風(fēng)，引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害也常直接威脅著人們的生命財(cái)產(chǎn).國(guó)內(nèi)學(xué)者通過對(duì)2005 年臺(tái)風(fēng)“海棠”所引發(fā)的浙江省洞頭縣地質(zhì)災(zāi)害的初步分析，提出臺(tái)風(fēng)高強(qiáng)度降雨是其重要的誘發(fā)因素［1］.在臺(tái)風(fēng)型降雨與地質(zhì)災(zāi)害的相互關(guān)系的研究和探索中，人們逐漸發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)型降雨所誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害具有“即雨即滑”的特點(diǎn)，多為群發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害，災(zāi)害規(guī)模較小，一般為淺層滑坡、崩塌［2］.從臺(tái)風(fēng)所引發(fā)的張溪滑坡災(zāi)害機(jī)理的研究得出:其是由于臺(tái)風(fēng)風(fēng)力加載作用及暴雨的淘蝕、軟化與增重等一系列過程共同作用的結(jié)果［3］.2013 年，Ching-chuan Huang(何鋒)在預(yù)報(bào)臺(tái)風(fēng)引發(fā)的泥石流災(zāi)害的研究過程中，通過研究莫拉克臺(tái)風(fēng)證實(shí)僅通過雨量閥值來確定一個(gè)有效的泥石流預(yù)報(bào)系統(tǒng)是不夠的，應(yīng)該對(duì)具體的邊坡條件校準(zhǔn)使用物理模型，從而增加泥石流預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性［4］.目前，邊坡穩(wěn)定性的分析方法可以分為確定性分析法和可靠度分析法. 可靠度分析法主要分析影響邊坡穩(wěn)定的不確定因素，常用的可靠度分析法有一次二階矩法(FORM)、蒙特卡羅模擬法(MCS)和響應(yīng)面法(RSM)等;確定性分析法可分為極限分析法、數(shù)值分析法和限平衡法三類.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，利用數(shù)值計(jì)算方法研究巖(土)體變形破壞機(jī)制與基于Matlab 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)滑坡穩(wěn)定性已成為巖(土)體穩(wěn)定性安全評(píng)價(jià)的重要研究方向［5－12］.近年來，我國(guó)內(nèi)陸沿海地區(qū)對(duì)臺(tái)風(fēng)地質(zhì)災(zāi)害有較全面的研究，但是對(duì)海島山區(qū)臺(tái)風(fēng)所誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害研究得甚少.為此，筆者結(jié)合瓊北丘陵地區(qū)已被開挖的土坡實(shí)例，運(yùn)用Geo-Slope 穩(wěn)定性計(jì)算軟件中的Slope/W 模塊，對(duì)該土坡在天然與臺(tái)風(fēng)2 種不同工況下的穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算與分析，旨在為瓊北丘陵地區(qū)的土坡開挖和施工支護(hù)提供文獻(xiàn)與數(shù)據(jù)的支持，從而使人們能更經(jīng)濟(jì)地和科學(xué)合理地保護(hù)好他們的生命財(cái)產(chǎn).

1 工程概況與地質(zhì)環(huán)境條件

1.1 工程概況 研究區(qū)地處海南省北部，屬丘陵地帶，該土坡為階梯狀土質(zhì)斜坡，土質(zhì)松散，植被覆蓋率約為70%，由于居民房建設(shè)場(chǎng)地的整平開挖，坡腳處形成了高約8 m，近于垂直的陡坎.其前緣形態(tài)總體呈彎曲度較小、突向SSW 的弧形結(jié)構(gòu)，沿已建住房后側(cè)分布，長(zhǎng)約270 m.土坡平均高差約80 m，土層最大厚度約15 m，坡度從坡體前緣80°至后緣20°;于空間上，在X 軸(長(zhǎng)軸)為NWW －SEE 方向、Y 軸(中軸)為NNE－SSW 方向、沿Z 軸(短軸)呈較陡峻的似扁平的橄欖球形狀.在臺(tái)風(fēng)期間，坡面常遇滾石或陡峻地段泥土的小范圍崩滑，直接威脅到坡腳20 戶居民的生命財(cái)產(chǎn)安全，地質(zhì)災(zāi)害危害程度為中等.

1.2 地層巖性 據(jù)1∶50 000 的地質(zhì)調(diào)查資料，本區(qū)地層主要為上古生界中石炭統(tǒng)青天峽組(C2q)和下二疊統(tǒng)峨查組(P1e)以及第四系全新統(tǒng)殘坡積層(Qhpal)覆蓋.坡體主要由松散殘坡積層、全風(fēng)化及強(qiáng)風(fēng)化層覆蓋，未見其他地層出露.

第四系全新統(tǒng)沖洪積層(Qhpal):分布于研究區(qū)東側(cè)，為沖洪積砂礫石層及紅色亞粘土、含礫砂土及腐殖土.

下二疊統(tǒng)峨查組(P1e):主要出露于研究區(qū)南面及東南面，面積出露比較廣，巖層走向?yàn)楸睎|向，厚度＞1343 m，為一套淺海相碎屑巖，巖性主要有千枚巖、板巖、變質(zhì)粉砂巖、變質(zhì)細(xì)粉砂巖等.

中石炭統(tǒng)青天峽組(C2q):主要分布于研究區(qū)北部及北西部，出露面積不大，巖層走向?yàn)楸睎|向，厚度＞304 m，為一套經(jīng)歷了區(qū)域綠片巖相變質(zhì)作用改造的淺海相陸源碎屑巖，巖性主要有淺灰、灰白色微晶大理巖、黑云角巖、板巖、變質(zhì)粉砂巖、砂巖等.

1.3 地質(zhì)構(gòu)造及地震 區(qū)域構(gòu)造上處于王五－文教大斷裂帶與昌江－瓊海構(gòu)造帶之間的NE 向譚爺斷裂帶內(nèi)，位于紅嶺－軍營(yíng)背斜的東南側(cè)，由于殘坡積層發(fā)育，地表露頭甚少.

研究區(qū)地震烈度屬VI 度區(qū).

1.4 水文地質(zhì) 研究區(qū)處于東亞大陸季風(fēng)氣候的南緣，屬熱帶季風(fēng)性氣候，雨量充沛，雨水主要來源于熱帶季風(fēng)雨和臺(tái)風(fēng)雨，每年5 ～6 月份為季風(fēng)雨高峰期，8 ～10 月為臺(tái)風(fēng)雨高峰期，冬、春兩季降雨較少，平均年降雨量為1 652 mm，土坡地表水發(fā)育，在坡體上可見明顯沖溝.

研究區(qū)一帶地下水主要為孔隙水，其發(fā)育、賦存均在殘坡積層內(nèi)，裂隙水主要賦存于構(gòu)造帶中.

2 土坡穩(wěn)定性影響因素分析

此土坡植被以小型果樹、草類植物和低矮、貼地生長(zhǎng)的藤類植物為主，對(duì)臺(tái)風(fēng)風(fēng)力的阻擋作用微弱，臺(tái)風(fēng)風(fēng)速與灌木、草類斜坡相關(guān)性偏低［13］.經(jīng)分析，該土坡穩(wěn)定性主要受巖土體工程地質(zhì)特性、人類工程活動(dòng)和降雨的影響.

2.1 巖土體工程地質(zhì)特性 土坡表層以第四系殘坡積粉質(zhì)粘土、坡積碎石土為主的覆蓋層組成，粉質(zhì)粘土顆粒細(xì)，孔隙度小，滲透性弱，在浸水后其抗剪強(qiáng)度顯著降低，因此，在臺(tái)風(fēng)降雨過程中在地表水下滲等因素的綜合作用下，坡體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)將明顯弱化，極易在粉質(zhì)粘土層中形成貫通面，引起崩滑.

2.2 人類工程活動(dòng) 在建筑場(chǎng)地平整和開挖坡腳，會(huì)破壞原有坡體的穩(wěn)定性，使前緣形成陡坎，這是該土坡出現(xiàn)潛在地質(zhì)災(zāi)害的根本因素.坡腳的開挖，一方面，改變了斜坡脆弱的平衡條件;另一方面，人為制造了良好的臨空條件，從而加速了土坡變形.

2.3 降雨 該土坡集水面積約0.03 km2.臺(tái)風(fēng)雨與一般降雨不同的根本原因在于其可在短時(shí)間內(nèi)集中大量雨水，在此情況下，雨水滲透使土體(帶)軟化、泥化，土體抗剪強(qiáng)度的降低對(duì)誘發(fā)土坡崩滑產(chǎn)生起了直接的作用;其次，暴雨可以在短時(shí)間內(nèi)于土坡體內(nèi)產(chǎn)生較大的動(dòng)水壓力，坡體受到的動(dòng)水壓力對(duì)誘發(fā)土坡崩滑起到了間接的作用.因此，臺(tái)風(fēng)雨是該土坡出現(xiàn)崩滑的最主要的誘發(fā)因素.

3 土坡穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)

3.1 計(jì)算剖面選取及模型建立 根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)勘查報(bào)告資料，土坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)共分為3 層4 個(gè)區(qū)域，圖切了6 條剖面作為土坡穩(wěn)定性計(jì)算剖面，本文僅選取了其中1 條最具代表性的地層巖性剖面作為研究對(duì)象(圖1).

3.2 計(jì)算工況及參數(shù)選取 本文主要研究與對(duì)比在天然與臺(tái)風(fēng)2 種不同工況下的土坡穩(wěn)定性問題，臺(tái)風(fēng)工況的特點(diǎn)是:1 ～3 d 內(nèi)為短時(shí)特大暴雨，其雨量大，時(shí)間短，降水主要轉(zhuǎn)化為以地表徑流為主.研究過程中經(jīng)歷了3 種不同類型的臺(tái)風(fēng)工況:臺(tái)風(fēng)工況A，降雨量為177.54 mm·d－1，8 級(jí)大風(fēng);臺(tái)風(fēng)工況B，降雨量為119.9 mm·d－1，6 級(jí)強(qiáng)風(fēng);臺(tái)風(fēng)工況C，降雨量為5.6 mm·d－1，6 級(jí)強(qiáng)風(fēng).臺(tái)風(fēng)雨24 h 內(nèi)，對(duì)該土坡勘查取樣，并進(jìn)行物理力學(xué)試驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合類似工程的參數(shù)取值，綜合考慮各項(xiàng)因素及其指標(biāo)，研究區(qū)涉及的各巖土體物理力學(xué)參數(shù)取值如表1 所示.

3.3 穩(wěn)定性計(jì)算與評(píng)價(jià) 通過Geo-Slope 中的Slope/W 模塊計(jì)算求得土坡在天然工況與3 種不同類型的臺(tái)風(fēng)工況下，M－P(摩根斯坦)、Janbu(簡(jiǎn)布)和Bishop(畢肖普)3 種不同算法的最危險(xiǎn)滑面的穩(wěn)定性系數(shù)(表2).參照《滑坡防治工程勘查規(guī)范》(DZ/T 0218 －2006)，該土坡在天然工況下的安全系數(shù)均大于1.35，處于穩(wěn)定狀態(tài);在A 與B 2 種臺(tái)風(fēng)工況下其土坡安全性系數(shù)均小于1.05，處于不穩(wěn)定與欠穩(wěn)定間的臨穩(wěn)狀態(tài)，可能隨時(shí)產(chǎn)生崩滑;在C 臺(tái)風(fēng)工況下其安全系數(shù)最小值為1.251，處于穩(wěn)定狀態(tài).

圖1 研究區(qū)土坡地質(zhì)剖面圖

表1 土質(zhì)邊坡巖土計(jì)算參數(shù)取值表

表2 天然工況與臺(tái)風(fēng)工況下不同算法的最危險(xiǎn)滑面的穩(wěn)定性系數(shù)

3.4 計(jì)算結(jié)果的分析 在天然工況下，計(jì)算得到的安全系數(shù)均較大，滿足規(guī)范要求，這說明土坡失穩(wěn)的可能性很小.A 與B 2 種不同臺(tái)風(fēng)工況下，地表流水的強(qiáng)度高，其快速?zèng)_刷坡面前緣臨空面的棱角和孤石基礎(chǔ)，此時(shí)由于土體抗剪強(qiáng)度驟降而致使其臨空面崩塌、表層粘土蠕動(dòng)、坡面石塊松動(dòng)滾落以及表層滑動(dòng)，土體被剪切破壞，土體瞬時(shí)入滲系數(shù)增大，粉質(zhì)粘土層含水量增加，抗剪強(qiáng)度減弱. 同時(shí)，隨著降雨時(shí)間的推移，地下水位上升，動(dòng)水壓力隨之增大，加之早期的前緣崩滑與土表面蠕動(dòng)，從而引發(fā)粉質(zhì)粘土層位的滑動(dòng).從A 與B 2 種不同臺(tái)風(fēng)工況不難發(fā)現(xiàn)，降雨強(qiáng)度與坡體穩(wěn)定成正比.臺(tái)風(fēng)雨24 h 內(nèi)，臺(tái)風(fēng)工況A相對(duì)于臺(tái)風(fēng)工況B 其土坡更具發(fā)生崩滑的可能性，推測(cè)該土坡有如下的地質(zhì)災(zāi)害活動(dòng)趨勢(shì):坡面滾石、臨空面崩塌→表層土體飽和→表層蠕動(dòng)→粉質(zhì)粘土層飽和→粉質(zhì)粘土層滑坡.對(duì)比坡體在A 與B 2 種不同臺(tái)風(fēng)工況下，對(duì)于最危險(xiǎn)潛在滑面的位置與形狀，兩者破壞規(guī)?；局睾?，破壞特征相似，剪出口均最可能位于臨空土體和第四系覆蓋層與下伏全風(fēng)化巖層的接觸界面處(圖2).

圖2 A 與B2 種不同臺(tái)風(fēng)工況下土坡最危險(xiǎn)潛在滑面位置與形狀

臺(tái)風(fēng)工況C 情況下，瞬間雨量大，但總體雨量小.由表1 可知，其巖土物理力學(xué)參數(shù)受C 臺(tái)風(fēng)的影響較小，只稍作變化，這表明臺(tái)風(fēng)雨主要轉(zhuǎn)變?yōu)榈乇韽搅?，僅少量入滲土層.對(duì)比A，B 與C 3 種不同臺(tái)風(fēng)工況的穩(wěn)定性系數(shù)，不難發(fā)現(xiàn)，誘發(fā)土坡滑動(dòng)的主要因素是高強(qiáng)度降雨.

綜上所述，依據(jù)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)確定，在不采取抗滑措施情況下，研究區(qū)土坡存在誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的可能性，地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性大.天然工況和臺(tái)風(fēng)工況C 情況下，土坡穩(wěn)定性較好.臺(tái)風(fēng)雨24 h 內(nèi)，在A 與B2 種不同臺(tái)風(fēng)暴雨的情況下，均可能滑動(dòng).相比臺(tái)風(fēng)工況B，臺(tái)風(fēng)工況A 更容易滑動(dòng)，建議及時(shí)治理.

4 防治對(duì)策

根據(jù)土坡的天然特征、土體結(jié)構(gòu)及其他影響因素，結(jié)合Geo-Slope 模擬穩(wěn)定性的計(jì)算結(jié)果，從技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)合理性和適用性以及安全保障等因素進(jìn)行綜合考慮，對(duì)該土坡的治理工程方案提出如下建議:

4.1 限制人類工程活動(dòng)、提高居民的地質(zhì)災(zāi)害安全意識(shí) 人為開挖坡腳是土坡失穩(wěn)的根本原因，因此，限制土坡周圍居民的工程活動(dòng)是當(dāng)務(wù)之急.此外，應(yīng)增強(qiáng)當(dāng)?shù)鼐用竦牡刭|(zhì)災(zāi)害安全意識(shí)，增強(qiáng)當(dāng)?shù)鼐用駥?duì)地質(zhì)災(zāi)害的應(yīng)急逃生能力，在未完成治理工程前，逢臺(tái)風(fēng)暴雨天氣，土坡下方的居民應(yīng)采取緊急疏散和回避的措施.

4.2 反壓坡腳 為防止前緣局部垮塌而引起后緣滑坡，應(yīng)根據(jù)臨空面的不同，在坡腳設(shè)置相應(yīng)的重力式擋土墻，擋土墻與土體架空部位應(yīng)充填碎石土，給予坡腳加載;同時(shí)，要充分排水，以保護(hù)坡腳，增加坡體的抗滑性能.

4.3 修筑截、排水溝和設(shè)置防護(hù)網(wǎng) 臺(tái)風(fēng)雨表現(xiàn)為短時(shí)內(nèi)特大暴雨，降水主要以地表徑流為主，所以地表排水設(shè)施應(yīng)依據(jù)以往強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的最大降雨量與坡面匯水面積計(jì)算相應(yīng)尺寸.另外，坡腳擋土墻上應(yīng)設(shè)置被動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)，防止雨水沖刷而引起坡面的巖石滾落，引發(fā)次生災(zāi)害.

4.4 植被綠化 植被綠化應(yīng)以低矮灌木類和草類為主，以有效地穩(wěn)固土體、減緩地表水入滲地下的速度;同時(shí)，要減少植被的迎風(fēng)面積，以便降低臺(tái)風(fēng)期颶風(fēng)對(duì)土坡的下推力與風(fēng)振作用.

5 結(jié) 語(yǔ)

土坡穩(wěn)定性問題是地質(zhì)工程領(lǐng)域常見的問題，本文所探討的是由于人類工程活動(dòng)開挖坡腳后，遭受臺(tái)風(fēng)工況下的土坡失穩(wěn)問題，能給研究區(qū)坡體開挖、施工支護(hù)提供有力的數(shù)據(jù)支撐. 本文通過采用Geo-Slope 軟件中Slope/W 模塊對(duì)其進(jìn)行了穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，獲得如下的結(jié)論:

(1)土坡在天然工況與臺(tái)風(fēng)工況下C 種穩(wěn)定性良好.臺(tái)風(fēng)雨24 h 內(nèi)，在A 與B 2 種不同臺(tái)風(fēng)工況下，其穩(wěn)定性系數(shù)均小于1.05，坡體均處于臨穩(wěn)狀態(tài)，誘發(fā)土坡滑動(dòng)的最主要因素是高強(qiáng)度降雨，其中，最危險(xiǎn)的潛在滑面為第四系覆蓋層與下伏全風(fēng)化巖層的接觸界面.

(2)推測(cè)該土坡地質(zhì)災(zāi)害的活動(dòng)趨勢(shì)為:坡面滾石、臨空面崩塌→表層土體飽和→表層蠕動(dòng)→粉質(zhì)粘土層飽和→粉質(zhì)粘土層滑坡.此土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性差，地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性大，建議及時(shí)采取防治措施.未完成治理工程前，逢臺(tái)風(fēng)暴雨天氣，土坡下方居民應(yīng)緊急疏散和回避.

(3)采用Geo-Slope 軟件對(duì)該區(qū)域進(jìn)行土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)，具有合理性，可在類似地區(qū)推廣應(yīng)用.

本文僅研究和對(duì)比不同臺(tái)風(fēng)工況、天然工況以及臺(tái)風(fēng)雨24 h 內(nèi)土坡穩(wěn)定性的變化特征，建議在后續(xù)研究中考慮增加地震工況與臺(tái)風(fēng)雨24 h 后土坡穩(wěn)定性的變化特征.

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