賴波 江金進(jìn) 江山 江寧 趙風(fēng)順
摘 要:邊坡穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)是邊坡調(diào)查評(píng)價(jià)過(guò)程中一個(gè)不可或缺的環(huán)節(jié)。以珠海市金龍邊坡為研究對(duì)象,分析了邊坡的發(fā)育特征、影響因素、形成機(jī)制。在查明邊坡巖土體出露及結(jié)構(gòu)特征基礎(chǔ)上,根據(jù)典型斷面C、?值反演分析及敏感性分析結(jié)果,確定金龍邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù),采用極限平衡法對(duì)金龍邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)結(jié)果表明:金龍邊坡在天然工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài),在飽和及飽和+地震工況下處于不穩(wěn)定狀態(tài)。
關(guān)鍵詞:金龍邊坡;巖質(zhì)順層邊坡;發(fā)育特征;變形破壞;穩(wěn)定性評(píng)價(jià);珠海市
Deformation failure characteristics and stability evaluation of Jinlong Slope in Nanshui Town, Zhuhai
LAI Bo, JIANG Jinjin, JIANG Shan, JIANG Ning, ZHAO Fengshun
(Engineering Survey Institute of Zhuhai,Guangdong Province,Zhuhai 519000 Guangdong,China)
Abstract: The analysis and evaluation of slope stability is an indispensable link in slope investigation and evaluation. This article takes the Jinlong Slope in Zhuhai City as the research object to analyze its development characteristics, influencing factors, and formation mechanism. Through identifying the exposed and structural characteristics of the slope rock and soil, and based on the typical section C and φ Value inversion analysis and sensitivity analysis results, the physical and mechanical parameters are obtained of the rock and soil mass of the Jinlong slope. Then the limit equilibrium method is used to analyze and evaluate the stability of the Jinlong slope. The evaluation results indicate that the Jinlong slope lacks stability under natural conditions and is unstable under saturated and saturated+seismic conditions.
Keywords: Jinlong slope; rock bedding slope; development characteristics; deformation and failure; stability evaluation; Zhuhai
地質(zhì)災(zāi)害作為自然災(zāi)害的一種,在珠海低山丘陵山腳地區(qū)經(jīng)常發(fā)生,給山腳地區(qū)居民、行人、建筑物、車輛等帶來(lái)嚴(yán)重的威脅(賴波等,2021,2023;劉春艷,2023),尤其是金灣區(qū)、斗門區(qū)人類居住較為密集的村子、香洲區(qū)老城區(qū)削坡建房及公路沿線一帶,分布著較多不穩(wěn)定邊坡,而邊坡穩(wěn)定性分析一直是地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、勘查中的一個(gè)重要環(huán)節(jié),準(zhǔn)確評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性,必要時(shí)采取巡查、防護(hù)或監(jiān)測(cè)預(yù)警措施,對(duì)政府有效維護(hù)地區(qū)安全穩(wěn)定有著重要意義。
根據(jù)邊坡不同地質(zhì)環(huán)境特征,采用不同的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法,是有效、精準(zhǔn)評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性的重要手段。比如:采用3D EC數(shù)值模擬方法,獲得了秦望山隧道南口高陡巖質(zhì)邊坡在天然工況下坡體沿坡面下滑的最大位移量,結(jié)合強(qiáng)度折減法獲得了不同工況下的邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)(郝社鋒等,2019);采用模糊層次分析法(FAHP),通過(guò)對(duì)吉林省S303公路崩塌災(zāi)害體屬性特征橫向?qū)Ρ龋_定了危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo),并在此基礎(chǔ)上建立了危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)體系(劉洪博等,2020);采用極限平衡法(Sarma)和赤平投影法分別對(duì)重慶豐都縣城區(qū)紅層邊坡在順向坡、斜向坡、反向坡情況下的穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)(蔣正等,2018);試用云模型方法構(gòu)建指標(biāo)變權(quán)重模型,提出基于指標(biāo)變權(quán)重復(fù)合云模型方法對(duì)福建省連江縣黃岐鎮(zhèn)對(duì)臺(tái)客運(yùn)站邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性評(píng)價(jià)(陳忠源等,2021);采用強(qiáng)度折減法(SRM)對(duì)常德市武陵區(qū)邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性評(píng)價(jià)(何陽(yáng)等,2019);基于MATLAB編程進(jìn)行特定級(jí)配與含石量的土石混合體邊坡模型的構(gòu)建,分別采用有限差分(FDM)與極限分析有限元(FELA)的方法對(duì)土石混合體邊坡中塊石和土體分開考慮進(jìn)行計(jì)算,可有效評(píng)估土石混合體邊坡的穩(wěn)定性(賀勇等,2021)。通過(guò)蒙特卡羅法建立隨機(jī)節(jié)理邊坡模型,運(yùn)用赤平投影法和離散元數(shù)值模擬分析了汶川縣某擬建鐵路隧道進(jìn)口邊坡穩(wěn)定性(吳宇欣等,2021);以邊坡巖體結(jié)構(gòu)類型為基礎(chǔ),建立了“巖體結(jié)構(gòu)-指標(biāo)組合賦權(quán)-未確知測(cè)度理論”的邊坡穩(wěn)定性預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)體系(穆成林等,2019)。除此之外,還有一些學(xué)者對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了大量的研究,且取得了較好的成果(瞿婧晶等,2021;張秋霞等,2022;黃鋒等,2022;羅偉等,2023)。
以上學(xué)者們?cè)趯?shí)際工作中,對(duì)研究的邊坡進(jìn)行了較深入地研究,采用合適的邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法,均取得了較好的成果。本文根據(jù)金龍邊坡野外工程地質(zhì)調(diào)查、剖面測(cè)量及鉆探成果,在查明邊坡斜坡結(jié)構(gòu)特征、發(fā)育特征及形成機(jī)制的基礎(chǔ)上,根據(jù)典型斷面C、?值反演分析及敏感性分析結(jié)果,確定金龍邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù),采用極限平衡法對(duì)金龍邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)。此方法考慮了邊坡滑體滑動(dòng)時(shí)不僅要克服主滑面的抗剪強(qiáng)度,還要克服滑體本身的強(qiáng)度,根據(jù)坡體內(nèi)的各類結(jié)構(gòu)面來(lái)劃分條塊并且不要求各條塊保持垂直,因此本文選擇極限平衡法對(duì)金龍邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。
1 ?邊坡基本概況
2019年5月27日上午11時(shí),正值中國(guó)南方“龍舟水”時(shí)期,珠海市普降大雨,南水鎮(zhèn)附近雨量站記錄過(guò)去24 h累計(jì)降雨量達(dá)到266.7 mm,珠海市地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警中心發(fā)布了橙色(二級(jí))預(yù)警。由于金龍邊坡中上部斜坡帶巖土體達(dá)到飽水而失穩(wěn)發(fā)生滑坡(圖1)。雖然該邊坡未造成人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失,但嚴(yán)重威脅坡腳人類生命及財(cái)產(chǎn)安全。
1.1 ?邊坡地質(zhì)環(huán)境特征
金龍邊坡為早期人工削坡形成,坡高約114 m,坡腳線寬約180 m,坡度40~60°,坡向290°。坡頂為原始地貌,植被茂盛;坡面較裸露,因早期簡(jiǎn)易治理呈臺(tái)階狀(共7級(jí)),每級(jí)高約15 m,每級(jí)平臺(tái)寬1~2 m,平臺(tái)內(nèi)側(cè)修有截排水溝;坡面下部建有片石護(hù)面。沿坡腳線建有一條寬4 m、深2 m的排水渠,排水渠外側(cè)場(chǎng)地平整,為堆沙場(chǎng)、廢品站、汽配維修店、駕校及車輛臨時(shí)停靠場(chǎng)地,最近處距離坡腳約20 m。
邊坡坡體內(nèi)部出露泥盆系上統(tǒng)春灣組(D3c)粉砂巖、石英砂巖地層,兩者巖層產(chǎn)狀基本一致,呈整合接觸,巖層傾向335°,傾角約20°。坡頂及坡面淺表層主要為第四系殘積層(Q4del)粉質(zhì)黏土和碎石土層(Q4ml)。受周邊斷裂構(gòu)造影響,巖石較破碎,節(jié)理裂隙較發(fā)育。邊坡坡頂無(wú)匯水區(qū),地表水、地下水主要靠降雨補(bǔ)給,大部分雨水沿坡面流至坡腳,少部分下滲至坡體內(nèi)部。
1.2 ?邊坡發(fā)育特征
由于邊坡頂部淺表層巖土體較為松散,且節(jié)理裂隙較發(fā)育,邊坡表面長(zhǎng)期受風(fēng)化剝蝕,坡體內(nèi)部受雨水浸潤(rùn),導(dǎo)致巖土體物理力學(xué)性質(zhì)變差,在強(qiáng)降雨過(guò)程中,巖土體失穩(wěn)發(fā)生滑坡?;麦w主要覆蓋于坡面中上部,少部分滾落至坡腳。該滑坡平面形態(tài)呈圈椅狀,滑動(dòng)方向約290°,滑坡區(qū)縱向斜距最大67 m,橫向?qū)捈s112 m,滑體平均厚3 m,體積約12 500 m3(圖2-a)。
該滑坡主要為淺表層松散巖土體沿著坡面和基巖面緩慢下滑形成,因此,按照滑動(dòng)面與層理面的關(guān)系,判斷該滑坡屬巖質(zhì)順層滑坡(圖2-b)。
該滑坡發(fā)生后,其后緣出現(xiàn)明顯的滑坡陡坎(圖2-c),坡頂仍存不同程度拉張裂縫(圖2-d)。從滑坡體分布來(lái)看,滑坡體呈上厚下薄的特征。滑坡強(qiáng)變形區(qū)主要發(fā)生在邊坡頂部至坡面上部,且?guī)r性主要由碎石土、全—強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖組成,而滑床以密實(shí)較好的中風(fēng)化粉砂巖為主?;瑒?dòng)面埋深較淺,為1.0~4.0 m。從坡頂拉張裂縫來(lái)看,該滑坡體部分尚未完全脫離母體(圖2-e),仍在發(fā)展階段,在后期強(qiáng)降雨影響下,再次發(fā)生滑坡的風(fēng)險(xiǎn)較大。
2 ?滑坡影響因素及形成機(jī)制分析
2.1 ?滑坡影響因素
2.1.1 ?內(nèi)因
1)巖土體類型及性質(zhì)
邊坡淺表層為碎石土、全—強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖,結(jié)構(gòu)較松散,抗剪強(qiáng)度以及抗風(fēng)化能力較低,在雨水浸潤(rùn)作用下易發(fā)生軟化。另外,淺表層下伏基巖節(jié)理裂隙較發(fā)育,部分節(jié)理裂隙間有泥質(zhì)填充物,結(jié)合強(qiáng)度較低,手捏可碎。
2)地形地貌
邊坡為早期人工削坡形成的高陡邊坡,坡高114 m,坡面坡度40~60°,坡面裸露。實(shí)踐證明:邊坡坡高越高,坡體則應(yīng)力越大,發(fā)生崩滑的可能性也越大;邊坡坡度越陡,坡腳則應(yīng)力越集中,邊坡失穩(wěn)的可能性也越大。
3)水文地質(zhì)條件
邊坡僅在坡腳測(cè)得地下水位埋深1.2~1.6 m,因此邊坡穩(wěn)定性可以忽略地下水的作用,但該邊坡坡面淺表層巖土體結(jié)構(gòu)較松散、基巖節(jié)理裂隙較發(fā)育,雨水沿節(jié)理裂隙入滲坡體內(nèi)部,致使淺表層巖土體物理力學(xué)性質(zhì)降低,導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性變差。
2.1.2 ?外因
1)降雨
降雨使淺表層結(jié)構(gòu)較松散的巖土體達(dá)到飽和、自重增加、抗剪強(qiáng)度下降,從而改變邊坡原有平衡狀態(tài),加速滑坡形成;同時(shí),多次干濕交替變化使巖土體更容易發(fā)生開裂,這不僅為地表水入滲提供了通道,也加速了裂縫的形成發(fā)展。
2)風(fēng)化作用
邊坡淺表層巖土體受風(fēng)化作用明顯,此過(guò)程將逐漸改變?cè)瓗r結(jié)構(gòu)。
3)人類工程活動(dòng)
金龍邊坡為早期人工削坡所致,人工爆破開挖山體致使邊坡淺表層巖土體剝離,邊坡坡面更加裸露,受雨水沖刷明顯,同時(shí)破壞了原巖結(jié)構(gòu),導(dǎo)致巖體完整性變差。
2.2 ?滑坡形成機(jī)制分析
通過(guò)對(duì)金龍邊坡影響因素分析,其形成機(jī)制及演化過(guò)程大致分為以下5個(gè)階段(圖3):
滑坡前期階段:邊坡被人工削坡,導(dǎo)致坡面坡度變陡、巖土體裸露。
滑坡孕育階段:邊坡淺表層巖土體受風(fēng)化剝蝕和雨水浸潤(rùn),導(dǎo)致巖土體物理力學(xué)性質(zhì)變差,逐漸軟化。
滑坡形成階段:邊坡淺表層巖土體受雨水沖刷而不斷流失,雨水沿節(jié)理裂隙侵蝕內(nèi)部巖體,致使坡體淺表層逐漸形成軟弱帶(滑動(dòng)面)。邊坡頂部巖土體受雨水沖刷、風(fēng)化、重力多種因素作用下,形成多條拉張裂縫。
滑坡滑動(dòng)階段:邊坡淺表層巖土體及軟弱帶逐漸形成后,受持續(xù)性降雨或強(qiáng)降雨作用,雨水潤(rùn)滑軟弱帶,致使軟弱帶受力強(qiáng)度降低,從而導(dǎo)致淺表層巖土體產(chǎn)生蠕滑變形,最終發(fā)生滑動(dòng)。
滑坡停止階段:當(dāng)滑動(dòng)面上部荷載得到釋放,且滑坡體自重和滑動(dòng)面受力強(qiáng)度對(duì)等時(shí),滑坡體不再滑動(dòng),即滑坡體與滑床出現(xiàn)相對(duì)平衡狀態(tài),表明滑坡已經(jīng)停止。
3 ?滑坡穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)
3.1 ?評(píng)價(jià)方法
根據(jù)金龍邊坡典型斷面C、?值反演分析及敏感性分析結(jié)果,確定金龍邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)。根據(jù)巖土體出露及結(jié)構(gòu)特征,采用極限平衡法對(duì)金龍邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)。
3.2 ?巖土體物理力學(xué)參數(shù)確定
3.2.1 ?物理力學(xué)參數(shù)反演分析
當(dāng)邊坡淺表層巖土體荷載和滑動(dòng)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)與邊坡坡向坡度等特征基本一致時(shí),邊坡的理論最小穩(wěn)定系數(shù)接近于1,此時(shí)邊坡處于最危險(xiǎn)階段(臨界狀態(tài)),求取整個(gè)滑面抗剪強(qiáng)度值,其值為平均值,數(shù)值雖不太精準(zhǔn),但可作校驗(yàn)之用。
本次金龍邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)反演穩(wěn)定性系數(shù),根據(jù)典型斷面在天然工況下取值1.05,反算方法采用圖解法,先依次取黏聚力C、內(nèi)摩擦角?值,分別反求?、C值,在C-?坐標(biāo)圖上求出直線,并綜合考慮試驗(yàn)數(shù)據(jù),最終確定抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。
反演公式如下:
黏聚力:
c=(K_s∑W_i sinα_i-tan?∑W_i cosα_i)/L
內(nèi)摩擦角:
?=arctan((K_s∑W_i sinα_i-c?L)/(∑W_i cosα_i ))
反演計(jì)算模型見圖4(根據(jù)滑坡孕災(zāi)體面積、自重、滑面傾角等因素,將滑坡孕災(zāi)體劃分為16個(gè)條塊,分別計(jì)算穩(wěn)定系數(shù)),結(jié)果見表1。
3.2.2 ?C、?敏感性分析
根據(jù)典型斷面C、?反演分析成果及KS與C、?關(guān)系曲線(圖5、圖6),選取穩(wěn)定性系數(shù)KS =1.05作為基準(zhǔn)數(shù)。其中:?的敏感區(qū)間為14.5~20.5,區(qū)間寬度6;C的敏感區(qū)間為20~26.0,區(qū)間寬度6;而當(dāng)C不變時(shí),?每增加1°,則KS值增加0.02~0.03,增加2%~3%;而當(dāng)?不變時(shí),C值每增加1 kPa,則Ks值增加0.02~0.03,增加2%~3%。因此,典型斷面中KS對(duì)?的敏感性與C相當(dāng)。
3.2.3 ?物理力學(xué)參數(shù)確定
根據(jù)典型斷面C、?值反演分析及敏感性分析結(jié)果,確定金龍邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)見表2。
3.3 ?滑坡穩(wěn)定性計(jì)算與評(píng)價(jià)
根據(jù)金龍邊坡巖土體出露及結(jié)構(gòu)特征,采用極限平衡法計(jì)算分析邊坡的穩(wěn)定性及安全性。
3.3.1 ?極限平衡法
金龍邊坡滑動(dòng)面受軟弱面及順向結(jié)構(gòu)面控制,這些構(gòu)造面呈起伏不平的折線型展布,而折線型滑動(dòng)面的滑坡可采用基于極限平衡理論的傳遞系數(shù)法來(lái)評(píng)價(jià)斜坡的穩(wěn)定性及計(jì)算滑坡的剩余下滑力。極限平衡法的核心思想是假定巖土體是理想的塑性材料,按極限平衡原則進(jìn)行力和力矩的分析,認(rèn)為邊坡滑動(dòng)體必須破裂成可以相對(duì)滑動(dòng)的塊體才能發(fā)生整體移動(dòng),也就是滑體滑動(dòng)時(shí)不僅要克服主滑面的抗剪強(qiáng)度,還要克服滑體本身的強(qiáng)度。
利用極限平衡理論來(lái)計(jì)算穩(wěn)定系數(shù)(Kf)及傳遞系數(shù)法計(jì)算滑坡剩余下滑推力。
1)穩(wěn)定系數(shù)(Kf)計(jì)算
Kf 計(jì)算公式
K_f=(∑_(i=1)^(n-1) {{{W_i [(1-r_U )cosα_i-Asinα_i ]-R_Di }tan?_i+C_i L_i } ∏_(j=i)^(n-1) φ_j }+R_n)/(∑_(i=1)^(n-1) {[W_i (sinα_i+Acosα_i )+T_Di ] ∏_(j=i)^(n-1) φ_j }+T_n )
其中,
R_n=(W_n ((1-r_U )cosα_n-Asinα_n )-R_Dn )tan?_n+C_n L_n
T_n=W_n (sinα_n+Acosα_n )+T_Dn
∏_(j=i)^(n-1) φ_j=φ_i φ_(i+1) φ_(i+2)………φ_(n-1)
式中:Kf為穩(wěn)定系數(shù);W為滑體重量(kN·m-1);C為滑帶體的黏聚力(kPa);?為滑帶體的內(nèi)摩擦角(°);A為地震加速度(單位:重力加速度g);φ_j為第i塊段的剩余下滑力傳遞至第i+1塊段時(shí)的傳遞系數(shù)(j = i),即φ_j=cos(α_i-α_(i+1) )-sin(α_i-α_(i+1) )tan?_(i+1)。
2)滑坡剩余下滑推力計(jì)算
采用傳遞系數(shù)法計(jì)算,由于邊坡淺表層無(wú)地下水,此處不考慮地下水的影響,計(jì)算公式如下:
P_i=P_(i-1)×ψ+K_s×T_i-R_i
其中:下滑力 T_i=W_i (sinα_i+Acosα_i )
抗滑力 R_i=W_i (cosα_i-Asinα_i )+C_i L_i
傳遞系數(shù) φ_j=cos(α_(i-1)-α_i )-sin(α_(i-1)-α_i )tan?_i
式中,Ks為安全系數(shù),Pi為第i塊滑坡剩余下滑力(kN·m-1)。
根據(jù)邊坡形態(tài)及變形破壞特征,選擇前述典型斷面進(jìn)行滑坡穩(wěn)定性計(jì)算。選定天然、飽和、飽和+地震3 種工況進(jìn)行滑坡穩(wěn)定性計(jì)算。
3.3.2 ?穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果
依據(jù)典型斷面結(jié)構(gòu)模型,各工況下邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見表3至表5。
3.3.3 ?穩(wěn)定性評(píng)價(jià)
通過(guò)穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算公式,得到典型斷面在不同工況下穩(wěn)定性系數(shù),根據(jù)典型斷面穩(wěn)定性計(jì)算成果,參照GB/T 32864-2016《滑坡防治工程勘查規(guī)范》及GB 50330-2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》穩(wěn)定性判別標(biāo)準(zhǔn),金龍邊坡在不同工況下穩(wěn)定性判斷結(jié)果見表6。
4 ?結(jié)論
1)金龍邊坡為早期人工削坡形成的高陡邊坡,在強(qiáng)降雨作用下,坡面中上部淺表層巖土體失穩(wěn)發(fā)生滑坡,滑坡區(qū)平面形態(tài)呈圈椅狀,滑坡體巖性主要為碎石土及全—強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖。影響邊坡失穩(wěn)的內(nèi)因包括巖土體類型及性質(zhì)、地形地貌、水文地質(zhì)條件,外因包括降雨、風(fēng)化作用及人類工程活動(dòng)。
2)根據(jù)金龍邊坡地質(zhì)環(huán)境條件及巖土體結(jié)構(gòu)特征,利用典型斷面C、φ值反演分析及敏感性分析結(jié)果,確定金龍邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù),采用定量分析中的極限平衡法計(jì)算不同工況下邊坡的穩(wěn)定性。從計(jì)算結(jié)果可知:金龍邊坡在天然工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài),在飽和及飽和+地震工況下處于不穩(wěn)定狀態(tài)。
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收稿日期:2023-06-02;修回日期:2023-09-01
基金項(xiàng)目:珠海市城市地質(zhì)調(diào)查(含信息化)項(xiàng)目(MZCD-2201-008)資助
第一作者簡(jiǎn)介:賴波(1985- ),男,學(xué)士,高級(jí)工程師,主要從事水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查研究工作。E-mail:410271798@qq.com
引用格式:賴波,江金進(jìn),江山,江寧,趙風(fēng)順,2024.珠海市南水鎮(zhèn)金龍邊坡變形破壞特征及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)[J].城市地質(zhì),19(1):20-28