金福喜，王 萊，段選亮

(1.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083； 2.有色金屬成礦預(yù)測(cè)與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410083； 3.湖南有色金屬職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412006)

1 概述

紅砂巖在地質(zhì)學(xué)上亦稱(chēng)為紅層，泛指侏羅系、白堊系和第三系內(nèi)陸河湖相碎屑巖地層，因其含有鐵質(zhì)氧化物呈紅色而俗稱(chēng)為紅砂巖[1]，巖性主要為泥巖、砂巖、泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖等[2]。紅砂巖在湖南的分布約占全省面積的20.5%，湖南紅砂巖的沉積屬于晚白堊系及早第三系，巖性比較均一，為泥質(zhì)粉砂巖或粉砂質(zhì)泥巖，物理力學(xué)性質(zhì)相近，厚度通常為幾十米至數(shù)百米不等[3]。湘西地區(qū)的紅砂巖形成于中生代和新生代，以陸相為主的碎屑沉積層，巖性以砂巖和泥巖為主[4]。由于紅砂巖易風(fēng)化、崩解[5-6]，以及層間常發(fā)育泥化夾層等特點(diǎn)，坡腳開(kāi)挖后往往形成穩(wěn)定性差的順層邊坡[7]。

為避免紅砂巖順層邊坡失穩(wěn)造成損失，人們對(duì)順層邊坡破壞機(jī)理進(jìn)行深入的研究，順層邊坡的失穩(wěn)變形主要為滑動(dòng)變形，其整體穩(wěn)定系數(shù)與紅砂巖結(jié)構(gòu)面傾角密切相關(guān)[8]。水是影響紅砂巖邊坡穩(wěn)定性的主要因素[9-10]，在應(yīng)力狀態(tài)一定時(shí)，水作用下紅砂巖膠結(jié)物軟化甚至溶解，黏土礦物產(chǎn)生膨脹、收縮，從而造成顆粒發(fā)生相互滑移、破碎和重組，使得巖體強(qiáng)度降低[11-12]，邊坡最終因巖石剪切蠕變而失穩(wěn)形成滑坡[13]。紅砂巖滑坡穩(wěn)定性分析方法可以分為定性分析法、定量分析法以及不確定性分析法，其中定性分析法[14]包括歷史地質(zhì)成因法、工程地質(zhì)類(lèi)比法和圖解法，定量分析法[15-16]主要包括極限平衡分析法和數(shù)值分析方法，不確定性分析法[17]包括可靠性分析方法、模糊數(shù)學(xué)理論和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。結(jié)合滑坡風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別的內(nèi)容和評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算邊坡失穩(wěn)概率，從而對(duì)滑坡風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，對(duì)于防災(zāi)減災(zāi)工作具有重要意義，根據(jù)相關(guān)研究表明，采取滑坡風(fēng)險(xiǎn)管理，能夠很大程度減少因滑坡帶來(lái)的損失[18]。

本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、勘查及穩(wěn)定性計(jì)算對(duì)湘西某紅砂巖順層滑坡的形成機(jī)理和穩(wěn)定性進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上對(duì)治理方案進(jìn)行了比選研究。

2 滑坡特征

滑坡所處區(qū)域?yàn)閯兾g丘陵地貌，總體地勢(shì)南高北低，南部滑坡區(qū)為緩坡地形，坡度約25°，坡向343°，滑坡前緣以北為居民區(qū)及農(nóng)田，見(jiàn)圖1。

2.1 滑坡地質(zhì)特征

滑坡有2個(gè)次級(jí)滑坡，均為巖質(zhì)順層滑坡，滑體主要成分為中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖和鈣質(zhì)粉砂巖，平面形態(tài)呈不對(duì)稱(chēng)半圓形，如圖1所示?；麻L(zhǎng)86 m，寬154 m，前后緣高差30 m，滑坡面積約8 530 m2，平均厚度約5 m，最大厚度7.6 m，體積約為4.2×104m3，屬于小型淺層牽引式順層巖質(zhì)滑坡。

1)粉質(zhì)黏土，灰褐色，硬塑狀，含約3%角礫，角礫成分主要為砂巖，尖棱狀，粒徑1 cm～3 cm，上部含植物根系。層厚變化較大，分布不均勻，揭露厚度1.0 m～4.2 m。該層主要分布于坡角農(nóng)田及滑坡西側(cè)山坡表層。

2)中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，紫紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，泥質(zhì)膠結(jié)，上部覆蓋薄層強(qiáng)風(fēng)化層，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯較完整，局部破碎。

3)中風(fēng)化鈣質(zhì)粉砂巖，灰白色，微風(fēng)化，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，鈣質(zhì)膠結(jié)，巖芯破碎，呈塊狀?；瑤挥谄涞撞亢穸?0 cm～15 cm的泥化夾層。

4)微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，紫紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，巖芯較完整，多呈柱狀，局部節(jié)理裂隙較發(fā)育，少量塊狀。該層為滑坡滑床。

2.2 滑坡變形特征

滑坡地形坡度與地層墻角大體一致，前緣變陡為凌空面，整體及次級(jí)滑坡周界以3條拉張裂縫為界，裂縫特征如表1所示?；聝蓚?cè)邊界以高差1.2 m～2.3 m的陡坎、滑坡裂縫為界，滑坡前緣以南區(qū)山坡坡腳剪出口為界，如圖3～圖6所示。

表1 滑坡裂縫統(tǒng)計(jì)表

3 滑坡形成機(jī)理分析

該滑坡最早發(fā)生于1976年，在2010年再次滑動(dòng)，并于2014年7月，在暴雨影響下發(fā)生滑動(dòng)，滑坡后緣出現(xiàn)多條拉張裂縫，裂縫最大寬度達(dá)到1.5 m，且仍在不斷擴(kuò)大。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及勘查，滑坡區(qū)為單斜構(gòu)造，地層傾向332°，傾角20°，地形坡度25°，地層傾向與滑坡坡向一致。由于建房及修建農(nóng)田開(kāi)挖坡腳，造成滑坡前緣變陡臨空。

滑體為中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖夾鈣質(zhì)粉砂巖，巖石形成年代較新，成巖作用較差，遇水具崩解性，易風(fēng)化，抗拉強(qiáng)度低。在鈣質(zhì)砂巖之下存在10 cm～15 cm厚的泥化夾層，泥化夾層含水量高，抗剪強(qiáng)度低。在持續(xù)強(qiáng)降雨時(shí)，不僅直接使得泥質(zhì)粉砂巖和鈣質(zhì)粉砂巖自重增大，使得孔隙水壓力增大，有效應(yīng)力減小，而且造成泥化夾層軟化，抗剪強(qiáng)度大幅度降低，形成滑帶，滑致拉裂，拉張裂縫又為降雨入滲提供了通道，從而使得上部巖體沿軟化夾層發(fā)生順層滑動(dòng)?；禄瑒?dòng)中鈣質(zhì)粉砂巖呈竹節(jié)狀拉斷顯示脆性變形，其上泥質(zhì)粉砂巖顯示相對(duì)塑性變形(見(jiàn)圖7，圖8)。

4 滑坡穩(wěn)定性分析

4.1 計(jì)算參數(shù)與模型

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取樣進(jìn)行試驗(yàn)巖土物理力學(xué)試驗(yàn)，各地層主要物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)如表2所示。

表2 巖土體物理力學(xué)性質(zhì)統(tǒng)計(jì)表

為了能夠定量分析滑坡穩(wěn)定性，以1-1′剖面為計(jì)算剖面，采用Geo-slope軟件對(duì)滑坡建立二維模型進(jìn)行穩(wěn)定性分析。如圖9所示，模型共有8 460個(gè)節(jié)點(diǎn)，8 280個(gè)網(wǎng)格單元，網(wǎng)格大小為1 m×1 m，滑帶附近網(wǎng)格加密，網(wǎng)格大小為0.2 m×0.2 m。

4.2 計(jì)算工況與結(jié)果

該滑坡工程防治等級(jí)為Ⅲ級(jí)，根據(jù)各災(zāi)點(diǎn)的形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征、變形機(jī)制及穩(wěn)定性和區(qū)域氣象等情況綜合分析，采用天然工況和暴雨工況進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。

根據(jù)滑坡中地下水位及孔隙水壓力分布情況可知，如圖10所示，勘查期間地下水位于滑帶以下，天然工況下不考慮地下水的影響。

為方便描述，滑坡從坡腳至坡頂依次劃分為次級(jí)滑坡、二級(jí)次級(jí)滑坡和整體滑坡，如圖11所示。

同時(shí)建立三個(gè)滑動(dòng)面對(duì)滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 滑坡穩(wěn)定性計(jì)算成果

4.3 滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

根據(jù)穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果，滑坡在天然工況下穩(wěn)定系數(shù)均不小于1.15，處于穩(wěn)定狀態(tài)，且整體滑坡穩(wěn)定性最好，次級(jí)滑坡1穩(wěn)定性最差；在暴雨工況下次級(jí)滑坡處于失穩(wěn)狀態(tài)，整體滑坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及定量計(jì)算結(jié)果，滑坡形成過(guò)程為次級(jí)滑坡1后緣裂縫形成并擴(kuò)展，如圖12(a)所示，逐步形成滑坡，在失去前緣阻力后二級(jí)滑坡后緣節(jié)理裂隙擴(kuò)展與軟弱面貫通，形成滑坡，如圖12(b)所示，隨著次級(jí)滑坡的滑動(dòng)，整體滑坡后緣裂縫擴(kuò)展貫通形成滑坡，如圖12(c)所示，在持續(xù)降雨和風(fēng)化作用下，滑坡一直處于變形階段。

前緣臨空面，在長(zhǎng)期降雨作用下，紅砂巖層沿泥化夾層滑致拉裂，依次出現(xiàn)3道拉張裂縫，貫通構(gòu)成各級(jí)滑坡周界。在槽探中揭露由于滑動(dòng)導(dǎo)致鈣質(zhì)粉砂巖層竹節(jié)狀拉裂現(xiàn)象，拉張裂縫附近地面出現(xiàn)明顯下陷地形，部分樹(shù)木發(fā)生傾斜，表明滑坡體一直處于蠕滑狀態(tài)，在暴雨入滲作用下，極有可能發(fā)生更大規(guī)模的滑動(dòng)。

5 滑坡治理方案

綜合考慮地形地貌、滑帶埋深、滑體規(guī)模等情況，根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)及常用的支護(hù)形式，結(jié)合本滑坡的特點(diǎn)和變形現(xiàn)狀，確定兩套方案：

1)方案一：截排水溝+裂縫填埋+抗滑樁+監(jiān)測(cè)；

2)方案二：截排水溝+裂縫填埋+預(yù)應(yīng)力錨索+肋柱+監(jiān)測(cè)。

從技術(shù)方面和經(jīng)濟(jì)方面對(duì)兩種方案進(jìn)行對(duì)比，在技術(shù)方面，結(jié)合本工程的特點(diǎn)，以及兩種治理方式的特點(diǎn)和適用范圍，本滑坡滑坡體厚度較小，地層較為簡(jiǎn)單，滑坡防治等級(jí)為Ⅲ級(jí)，錨索+肋柱和抗滑樁支護(hù)都能滿(mǎn)足要求；在經(jīng)濟(jì)方面，方案一治理費(fèi)用約為200萬(wàn)元，方案二治理費(fèi)用約為150萬(wàn)元。

滑坡治理工程中擬設(shè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為：地表沉降位移監(jiān)測(cè)、地表裂縫監(jiān)測(cè)、深部位移監(jiān)測(cè)、預(yù)應(yīng)力錨索內(nèi)力監(jiān)測(cè)和地下水位監(jiān)測(cè)。

因此，在技術(shù)方案可行和安全可靠的情況下，從造價(jià)上看出，錨索+肋柱支護(hù)造價(jià)更低，而且施工工期較短，故采用預(yù)應(yīng)力錨索+肋柱支護(hù)方案對(duì)滑坡進(jìn)行防治。

6 結(jié)論

通過(guò)工程地質(zhì)測(cè)繪、勘查和滑坡穩(wěn)定性計(jì)算等方法，對(duì)湘西某紅砂巖順層滑坡進(jìn)行了系統(tǒng)研究，得出以下結(jié)論：

1)該滑坡有兩個(gè)次級(jí)滑坡，平面形態(tài)近似半圓形，滑坡體邊界根據(jù)地貌和拉裂縫確定，滑體成分為中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖和鈣質(zhì)粉砂巖，滑帶為10 cm～15 cm厚的泥化夾層，滑床為微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，為小型淺層牽引式順層巖質(zhì)滑坡。

2)滑坡形成機(jī)理屬于滑致拉裂型，紅砂巖層沿泥化夾層滑動(dòng)導(dǎo)致巖層拉裂，地面拉張裂縫又為降雨入滲提供了通道，雨水入滲在拉張裂縫中產(chǎn)生水壓力，并使紅砂巖滑體自重增大，孔隙水壓力增大，有效應(yīng)力減小，泥化夾層軟化，抗剪強(qiáng)度大幅度降低，從而使紅砂巖層沿泥化夾層發(fā)生滑動(dòng)形成滑坡。

3)滑坡在天然工況下地下水位較低，處于穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨工況下處于失穩(wěn)～欠穩(wěn)定狀態(tài)，根據(jù)滑坡現(xiàn)狀變形情況，發(fā)育3道拉張裂縫和滑坡陡坎，在強(qiáng)降雨作用下，極有可能發(fā)生整體滑動(dòng)。

4)通過(guò)對(duì)兩種方案在技術(shù)可行和經(jīng)濟(jì)方面的對(duì)比，在安全可靠的前提下，錨索+肋柱治理方案造價(jià)低于抗滑樁支護(hù)方案，因此推薦采用截排水溝+裂縫填埋+錨索+肋柱+監(jiān)測(cè)綜合治理方案。