鄧 慶，趙其華，王晨輝，林冠宇

(1.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))，四川 成都 610059;2.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川 成都 610059)

0 引言

高速公路的線形選擇要求嚴(yán)格，在山區(qū)或丘陵區(qū)施工建設(shè)高速公路時(shí)常形成高填或深挖邊坡，邊坡穩(wěn)定性問題成為該區(qū)域建設(shè)高速公路的主要工程地質(zhì)問題。在施工開挖過程中，若對(duì)地質(zhì)環(huán)境條件及地質(zhì)災(zāi)害的重視程度不足，往往造成古滑坡復(fù)活或形成新的滑坡災(zāi)害。川東地區(qū)某高速公路通過的堆積體滑坡是規(guī)模大、穩(wěn)定性差、施工擾動(dòng)有可能引起整體或局部滑動(dòng)的地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)該工程的選線、施工都有很大影響。

目前滑坡穩(wěn)定性分析的方法主要有基于極限平衡理論的條分法、瑞典圓弧法等，以及基于彈塑性理論、運(yùn)用有限元或有限差分理論的數(shù)值分析方法[1]。極限平衡理論把滑坡區(qū)域的巖土體視為剛體，運(yùn)用摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則判斷滑動(dòng)面的抗滑力，從而計(jì)算滑坡的安全系數(shù)，得到的結(jié)果直觀反映了滑坡體的穩(wěn)定性狀態(tài)，是滑坡防治工程中常用的穩(wěn)定性計(jì)算方法[2]。

圖1 滑坡工程地質(zhì)平面圖Fig.1 Plan of engineering geology of the highway landslide

地理信息系統(tǒng)(GIS)具有強(qiáng)大的空間分析和數(shù)據(jù)計(jì)算能力，可很好的反映三維空間的地理信息分析，因此被越來越多的運(yùn)用于巖土工程領(lǐng)域。李先華等[3](2001)在GIS支持下完成了滑坡在三維空間中運(yùn)動(dòng)過程的數(shù)字仿真。高明忠等[4](2006)在Visual Basic 6.0平臺(tái)下，對(duì)建立在OCX技術(shù)基礎(chǔ)上的GIS功能組件Map Objects進(jìn)行了集成二次開發(fā)，并成功應(yīng)用于對(duì)四川省紫坪鋪水利樞紐工程水庫兩岸重點(diǎn)庫區(qū)的地質(zhì)建模。謝謨文等[5](2006)改進(jìn)了Hovland三維邊坡穩(wěn)定性分析模型，結(jié)合GIS空間數(shù)據(jù)分析，提出了基于COM技術(shù)開發(fā)的GIS擴(kuò)展模塊3DslopeGIS，將該模塊嵌入ArcGIS等軟件，可用于邊坡三維安全系數(shù)計(jì)算。谷天峰等[6](2013)利用 GIS建立了滑坡的三維地質(zhì)模型，并分別采用極限平衡法和強(qiáng)度折減法，評(píng)價(jià)了呂梁機(jī)場(chǎng)滑坡的穩(wěn)定性。王衛(wèi)東等[7](2015)結(jié)合GP服務(wù)，基于GIS實(shí)現(xiàn)了邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析處理及災(zāi)害預(yù)警功能。

上述研究系統(tǒng)和計(jì)算模型多數(shù)致力于計(jì)算滑坡的整體穩(wěn)定系數(shù)來判斷滑坡的穩(wěn)定性，對(duì)于滑坡的局部區(qū)域的穩(wěn)定性難以給出結(jié)果。因此，本文基于川東地區(qū)某新建高速公路堆積體滑坡的現(xiàn)場(chǎng)考察和工程地質(zhì)勘查、鉆孔數(shù)據(jù)等，結(jié)合極限平衡理論和ArcGIS的空間分析及數(shù)據(jù)處理功能，對(duì)滑坡的穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并實(shí)現(xiàn)在平面上進(jìn)行穩(wěn)定性分區(qū)，直觀反映出該滑坡的欠穩(wěn)定區(qū)域，劃出滑坡防治的重點(diǎn)部位，對(duì)于工程的施工建設(shè)具有一定的參考意義。

1 研究區(qū)工程地質(zhì)特征

1.1 概況

川東低丘地區(qū)某新建高速公路穿越由于崩塌及局部垮塌形成的大型堆積體，堆積體縱向?qū)?50～680 m，橫向長(zhǎng)約2.4 km，鉆孔揭露最大厚度52.5 m。該滑坡位于堆積體前緣、河流右岸?；虑熬墳橐欢缚玻卟?9 m；后緣未見明顯裂縫，高程約489 m?；缕旅娉孰A梯型，植被覆蓋率較低，坡度約15°～30°。平面呈舌形，順溝整體呈帶狀，主滑方向93°，縱向長(zhǎng)度300 m，平均寬700 m，鉆孔揭露最大滑體厚度25.3 m，平均厚度9.6 m，面積約2.0×105m2，滑體體積1.44×106m3，屬大型中層滑坡(圖1)。目前滑坡在自然狀態(tài)下整體基本穩(wěn)定，前緣局部在雨季有垮塌、變形現(xiàn)象。

1.2 地層巖性

圖2 滑坡工程地質(zhì)剖面圖(A-A’剖面)Fig.2 Profile (A-A’) of engineering geology the highway landslide

(1)第四系全新統(tǒng)(Q4)粉質(zhì)黏土包括崩積層和滑坡堆積層，黃褐色、紅褐色，可塑狀態(tài)，含少量碎石土塊，厚度及分布范圍不均，壓縮變形大，易發(fā)生差異沉降，力學(xué)性質(zhì)較差。上部為結(jié)構(gòu)松散、厚為0.3～1.0 m的耕植土。天然重度為17.5～20.4 kN/m3，液限為27.6%～33.8%，塑限為16.1%～20.7%。

(2)第四系全新統(tǒng)(Q4)塊石土包括崩積層和滑坡堆積層，淺棕紅色、淺灰色，濕，中密-密實(shí)，局部為碎石土，粉粘粒集中，塊石土風(fēng)化強(qiáng)烈，厚度小，穩(wěn)定性差，開挖易發(fā)生坍塌。在不同地帶及不同層位其成分不同，母巖成份主要以中風(fēng)化砂巖及強(qiáng)風(fēng)化泥巖組成，含量約80%，粒徑一般100～200 cm，最大約250 cm，透水性根據(jù)塊石土成分不同。

(3)白堊系下統(tǒng)蒼溪組(K1c)泥巖為淺棕紅色，層狀構(gòu)造，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，巖質(zhì)較軟。強(qiáng)風(fēng)化巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，巖芯呈塊狀及短柱狀，遇水易軟化；中風(fēng)化巖體較完整，巖芯呈柱狀。層厚3.0～19.3 m。自由膨脹率Fs=7%，膨脹力Pp=44 kPa，飽和吸水率Wsr=4.2%，為不易崩解巖石。中風(fēng)化泥巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度為1.67～2.96 MPa，平均為2.81 MPa。根據(jù)鉆孔揭露，一般在基巖面以上5 m范圍內(nèi)均揭露有巖塊被揉搓擠壓現(xiàn)象，并有多處光滑面，具有擦痕，說明該層巖體曾經(jīng)發(fā)生過滑動(dòng)。

(4)白堊系下統(tǒng)蒼溪組(K1c)砂巖為淺灰色、灰黃色，層狀構(gòu)造，粉-細(xì)粒結(jié)構(gòu)，泥鈣質(zhì)膠結(jié)，巖質(zhì)較軟。強(qiáng)風(fēng)化巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，中風(fēng)化巖體較完整、巖芯呈柱狀。層厚1.2～12.0 m。中風(fēng)化砂巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度為33.54～43.31 MPa，平均為39.20 MPa。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造與地震

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查，線路穿越的白堊系蒼溪組巖體出露的巖層產(chǎn)狀300°∠3°、64°∠44°，發(fā)育有2組傾向82°及178°的裂隙，裂隙傾角多大于70°。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，線路穿越的合興鄉(xiāng)沖逆斷層，規(guī)模較大，為龍泉山東坡主要斷裂之一，全長(zhǎng)約24 km。斷層主要發(fā)生在白堊系下統(tǒng)蒼溪組與白龍鎮(zhèn)組之間，區(qū)內(nèi)出露上盤地層為侏羅系下統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組，下盤地層為白堊系下統(tǒng)蒼溪組，斷距大于300 m，走向北15°～20°東，傾向北西，傾角82°。在合興鄉(xiāng)以南的地段斷面傾向南東，致使斷面產(chǎn)生扭曲，其產(chǎn)狀為走向北23°東，傾向南東，傾角68°，斷層兩盤巖石擠壓明顯，巖體破碎。

根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2015)、《地震動(dòng)峰值加速度區(qū)劃圖》及《地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期區(qū)劃圖》，結(jié)合《四川省汶川8.0級(jí)地震災(zāi)后重建地震評(píng)價(jià)規(guī)劃用圖》(2008.06)，擬建場(chǎng)區(qū)地震動(dòng)峰值加速度0.10g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.40 s，地震基本烈度為Ⅶ度。

1.4 水文地質(zhì)

研究區(qū)地表水為河流，寬16.0 m，水深2.5 m，水量隨季節(jié)變化。年平均降水量為759.1～1 155.0 mm，多集中于6～9月，占全年降雨量的75%。地下水類型為松散巖類孔隙潛水及基巖裂隙潛水。松散巖類孔隙水主要含水層為第四系松散粉質(zhì)黏土及碎石土中，水位埋深1.0～18.0 m；基巖裂隙水主要賦存于砂巖、泥巖等基巖風(fēng)化裂隙帶中，受基巖裂隙發(fā)育程度不均及裂隙的充填物影響。

2 滑坡成因演化機(jī)制

堆積體滑坡是指發(fā)生在第四系及近代松散堆積層的一類滑坡[8]。滑坡形成機(jī)理是滑坡孕育和滑動(dòng)的物理力學(xué)過程，因此滑坡的形成機(jī)制和滑坡成因是相互聯(lián)系的。

研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造主要為龍泉山箱型背斜及背斜、東翼合興鄉(xiāng)沖逆斷層。受復(fù)雜斷層構(gòu)造條件影響，不良地質(zhì)發(fā)育。區(qū)域內(nèi)發(fā)育有由崩積及局部垮塌堆積形成的大規(guī)模堆積體。堆積體物質(zhì)由砂巖、泥巖塊石土及粉質(zhì)黏土構(gòu)成。該滑坡正是位于此大型松散堆積體前緣，為堆積土層滑坡。厚度較大的堆積體疊置于巖質(zhì)較軟的白堊系泥巖斜坡上，堆積層松散塊石土與下伏強(qiáng)風(fēng)化基巖間充填的粉質(zhì)黏土形成軟弱滑帶土，使坡體易發(fā)生失穩(wěn)破壞。堆積層本身已具有沿基巖面滑移的趨勢(shì)，加之人類活動(dòng)加速了滑坡的變形進(jìn)程。

該滑坡前緣臨空，河流流水及季節(jié)性不定性流水不斷對(duì)坡腳的沖刷淘蝕，使高陡的臨空面進(jìn)一步增大，坡腳支撐力減弱，致使斜坡向臨空方向擠壓蠕動(dòng)變形、滑移，坡體結(jié)構(gòu)松弛破壞，抗滑抵抗力降低，從而在滑坡前緣坡腳形成剪切蠕滑。加之根據(jù)鉆孔水位觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，坡體局部土層地下水豐富，地下水的滲流作用進(jìn)一步降低了土體強(qiáng)度。在非常規(guī)工況下，如連續(xù)降雨或暴雨地表水滲入坡體，軟化巖土體，使巖土內(nèi)靜水壓力增大，坡體受雨水沖刷等因素影響，將使斜坡巖土體發(fā)生滑動(dòng)。

3 滑坡穩(wěn)定性分析

3.1 研究思路與工作流程

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查與鉆孔勘察，可以基本確定該滑坡的滑坡邊界及滑移面的空間分布情況。研究滑坡體沿該滑移面的穩(wěn)定系數(shù)分布情況有利于確定滑坡防治的重點(diǎn)部位及合理手段。其基本思路是：首先采用傳遞系數(shù)法反算得出滑坡體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)確定滑移面的分布形態(tài)；再利用ArcGIS空間確定性插值進(jìn)行空間插值，推測(cè)滑移面的位置和形態(tài)，在此基礎(chǔ)上將滑坡在水平面上劃分為若干柵格，每個(gè)柵格的頂面為滑坡表面，底面為滑移面，柵格與地表和滑移面一起構(gòu)成一個(gè)立方體柱(圖3)；隨后根據(jù)立方體的高度、地面傾角、滑坡的物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)計(jì)算每個(gè)柱體的安全系數(shù)，得到穩(wěn)定系數(shù)在平面上的分區(qū)圖。工作流程圖見圖4。

圖3 GIS三維柵格柱體模型圖Fig.3 Three-dimensional grid column model of GIS

圖4 工作流程圖Fig.4 Route chart

不考慮柱體之間的相互作用，利用無限邊坡安全系數(shù)公式[9]：

(1)

式中：c——有效內(nèi)聚力/kPa；

γ——滑坡體的容重/(kN/m3)，本文天然狀態(tài)下取19.0 kN/m3；

γW——水的容重/(kN/m3)，取10.0 kN/m3；

m——無量綱，m=HW/H，當(dāng)HW<0則m=0；

H——滑移面到地表面的距離/m；

HW——滑移面以上水位/m；

β——滑移面傾角/(°)；

φ——滑移面內(nèi)摩擦角/(°)。

地表面高程、滑移面高程及傾角可通過GIS空間分析方法獲得，地下水位、巖土體容重可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察及室內(nèi)外土工試驗(yàn)獲得。

3.2 滑坡抗剪強(qiáng)度指標(biāo)取值

傳遞系數(shù)法基于極限平衡理論，不僅能夠計(jì)算折線形滑動(dòng)面的穩(wěn)定系數(shù)，還能計(jì)算剩余下滑力，是滑坡防治工程中常用的穩(wěn)定性計(jì)算方法。計(jì)算穩(wěn)定系數(shù)的公式如下：

(2)

式中：Kf——滑坡安全系數(shù)；

Ti——下滑力；

Ri——抗滑力。

下滑力=Ti(Wi1+Wi2)sinαi+Disinβicos(αi-βi)

抗滑力Ri=((Wi1+Wi2)cosβi-Di-Disinβisin(αi-

βi))tanφi+CiLi

下滑力傳遞系數(shù)Ψi-1=cos(αi-1-αi)-

sin(αi-1-αi)tanφi

孔隙水壓力Di=γWHWLicosαi

式中：Wi1——第i滑塊水位線以上土體的重量/(kN·m-1)；

Wi2——第i滑塊水位線以下土體的浮重量/(kN·m-1)；

αi——第i滑塊的滑面傾角/(°)；

βi——第i滑塊的地下水流向/(°)；

φi——第i滑塊的滑面內(nèi)摩擦角/(°)；

Ci——第i滑塊的滑面內(nèi)聚力/kPa；

Li——第i滑塊的滑面長(zhǎng)度/m；

γW——水的容重(kN/m3)，取10.0 kN/m3；

HW——滑移面到地下水位面的距離/m。

計(jì)算地震作用下滑坡的安全系數(shù)時(shí)，在每個(gè)條塊受力的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)水平力地震力Qi。

Qi=ξe×(Wi1+Wi2)

式中：ξe——水平地震系數(shù)(取0.012 5[10])，其他變量解釋同公式(2)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)踏勘，該滑坡目前在天然狀態(tài)下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。按照《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，針對(duì)高速公路邊坡治理，確定各計(jì)算工況的安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)分別為: 天然狀態(tài)1.20，飽和狀態(tài) 1.15，校核工況(地震作用)1.075。因此，可將安全系數(shù)帶入公式(2)，反算確定滑坡體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，結(jié)合室內(nèi)外土工試驗(yàn)結(jié)果及綜合影響參數(shù)，滑坡體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)建議值見表1。

表1 計(jì)算參數(shù)

3.3 滑移面的空間模擬

ArcGIS中有多種空間確定性插值的方法，它們以數(shù)據(jù)的內(nèi)部相似性或平滑度為基礎(chǔ)，通過已知點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息來建立全局?jǐn)?shù)據(jù)。

本次研究從地質(zhì)踏勘和鉆孔揭露的若干確定性滑坡點(diǎn)作為推測(cè)滑移面的已知點(diǎn)。采用徑向基函數(shù)插值方法得到滑坡的空間分布特征三維效果圖(圖5)。從該圖可以直觀看出滑移面的空間分布形態(tài)。

圖5 徑向基函數(shù)插值效果示意圖Fig.5 Effect graphof the radial basis function interpolation

獲得滑移面的高程數(shù)據(jù)后，采用ArcGIS的坡度分析(Slope)得到滑移面的傾角在平面的分布圖(圖6)。使用柵格計(jì)算工具(Raster Calculator)將滑坡表面的高程?hào)鸥駭?shù)據(jù)與滑移面的高程?hào)鸥駭?shù)據(jù)做差即得到滑坡體的厚度(H)分布圖(圖7)。

圖6 滑移面傾角分布示意圖Fig.6 Distribution map of dip angle of sliding surface

圖7 滑坡體厚度分布示意圖Fig.7 Distribution map of thickness of landslide body

3.4 滑坡穩(wěn)定性分區(qū)

將公式(1)中的參數(shù)的柵格數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)帶入到ArcGIS的柵格計(jì)算工具(Raster Calculator)，計(jì)算得出各柵格的穩(wěn)定系數(shù)。依照《滑坡防治工程勘察規(guī)范》(DZ/T 021—2006)[11-13]將邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行等級(jí)劃分: 安全系數(shù)Kf≥1.15為穩(wěn)定狀態(tài)；1.15>Kf≥1.05為基本穩(wěn)定狀態(tài)；1.05>Kf≥1.0為欠穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算結(jié)果對(duì)滑坡進(jìn)行劃分，即可得到滑坡體安全系數(shù)在平面上的分布圖(圖8)。圖中穩(wěn)定區(qū)的穩(wěn)定系數(shù)均大于1.15，基本穩(wěn)定區(qū)的穩(wěn)定系數(shù)介于1.05到1.15之間，欠穩(wěn)定區(qū)的穩(wěn)定系數(shù)介于1.0到1.05之間。

圖8 穩(wěn)定性分區(qū)圖Fig.8 Zoning map of the landsilde stability

由3種不同工況下的穩(wěn)定性分區(qū)圖可以得出，該滑坡在天然狀態(tài)，即常規(guī)工況時(shí)欠穩(wěn)定區(qū)域主要分布于前緣坡度較陡處及滑坡中部及后緣，面積較小，施工時(shí)應(yīng)注意減少施工擾動(dòng)并結(jié)合公路構(gòu)造物布設(shè)采取有效治理措施；在飽和狀態(tài)、暴雨及地震作用，即非常規(guī)工況時(shí)滑坡體的欠穩(wěn)定區(qū)域大范圍擴(kuò)展，且主要集中于前緣位置，穩(wěn)定區(qū)域面積減少，滑坡體整體穩(wěn)定性差，施工時(shí)應(yīng)采取相關(guān)的防治手段或停止施工以保證安全?？傊摲椒芸焖龠M(jìn)行滑坡體易于失穩(wěn)空間部位的預(yù)測(cè)，對(duì)于從總體上把握滑坡體的重點(diǎn)防治區(qū)域具有重要意義。經(jīng)模擬可得出，該滑坡在各種工況下前緣穩(wěn)定性均較差，施工中應(yīng)重視對(duì)滑坡前緣的監(jiān)測(cè)與防治工作。

4 討論

本文在計(jì)算過程中不考慮各個(gè)三維柵格柱體單元間的相互作用，相當(dāng)于二維剖面計(jì)算中的條分法，安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果偏于保守。對(duì)滑坡體的地下水位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過不同工況條件下巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的取值不同，分別研究降雨及地震作用的影響，結(jié)果具有一定的參考價(jià)值。

在地震作用的滑坡體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)取值時(shí)，加入水平地震系數(shù)進(jìn)行受力分析，相當(dāng)于地震作用下滑坡穩(wěn)定性分析中的擬靜力法，取值綜合了土工試驗(yàn)結(jié)果及綜合影響系數(shù)，但未考慮豎直方向的地震力作用，這是對(duì)實(shí)際情況的簡(jiǎn)化，應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步的地震動(dòng)力影響作用分析。

5 結(jié)論

本文在現(xiàn)場(chǎng)踏勘和工程地質(zhì)分析的基礎(chǔ)上，分析該滑坡的形成演化機(jī)制，利用ArcGIS空間分析和柵格計(jì)算功能，結(jié)合力學(xué)原理的滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)得出穩(wěn)定系數(shù)在平面上的分布圖，直觀的反映了滑坡體的穩(wěn)定區(qū)、基本穩(wěn)定區(qū)及欠穩(wěn)定區(qū)，為工程的進(jìn)一步施工提供了一定的數(shù)據(jù)支持。

(1)該滑坡屬于堆積體滑坡，受復(fù)雜的區(qū)域斷層構(gòu)造作用及地形地貌因素影響，滑坡體前緣臨空面受河流長(zhǎng)期淘蝕沖刷，抗滑抵抗力降低，從而在滑坡前緣坡腳形成剪切蠕滑。

(2)采用基于極限平衡理論的傳遞系數(shù)法，結(jié)合室內(nèi)外土工試驗(yàn)及綜合影響參數(shù)等，給出了該滑坡的巖土體在不同工況下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

(3)通過滑坡穩(wěn)定性分區(qū)圖可直觀看出，滑坡體前緣穩(wěn)定性較差。在常規(guī)工況條件下，滑坡體局部處于欠穩(wěn)定狀態(tài)；在非常規(guī)工況條件下，滑坡體欠穩(wěn)定區(qū)域大范圍擴(kuò)展，整體穩(wěn)定性差；是施工的重點(diǎn)防治部位，應(yīng)給予高度重視。

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