張利平,趙其華,林友全,何復(fù)森

(1.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都 610059;2.四川省蜀通巖土工程公司,四川成都 610059)

1 滑坡工程概況

串馬滑坡位于四川省茂縣鳳儀鎮(zhèn)南莊村下串馬組,區(qū)域地貌屬中山斜坡地貌?；缕矫嫔铣省叭σ巍睜?坡體總體坡度較小,為25°～35°,南側(cè)為中山山坡,東西側(cè)皆為分水嶺(圖1)。滑坡體長約435 m,后緣寬140 m,前緣寬310 m,平均寬225 m,平均厚度18.0 m,體積約1.762×106m3,屬大型土巖界面牽引式滑坡?；潞缶?、中部及中前部產(chǎn)生多條弧形拉張裂縫,滑坡體上局部有明顯垮塌沉降等變形,且由于滑坡前緣的陽午溝頁巖磚廠的過度開挖形成了強(qiáng)變形區(qū)。該滑坡一旦失穩(wěn)下滑,將危及到滑坡體上南莊村下串馬組住戶38戶,約160余人和滑坡前緣的陽午溝頁巖磚廠和11戶50余人的生命財(cái)產(chǎn)安全,并危及大量耕地和果園,直接經(jīng)濟(jì)損失約500萬元。

2 工程地質(zhì)條件、破壞機(jī)制及穩(wěn)定性分析

2.1 工程地質(zhì)條件

汶川5.12特大地震以前,由于人類工程活動(dòng)強(qiáng)烈,導(dǎo)致斜坡區(qū)存在變形跡象。斜坡后部修建大量居民房,加大了斜坡的自重,影響斜坡的穩(wěn)定;斜坡中部修建了部分房屋及鄉(xiāng)村道路,工程施工中,地基、路基開挖后形成3 m～4 m的陡坎,對次級滑體的形成創(chuàng)造了條件;特別是斜坡前緣陽午溝頁巖磚廠,為滿足災(zāi)后重建的需要,對斜坡坡腳進(jìn)行長期大量的挖掘,在斜坡前緣形成了高約7 m～28 m的臨空面。據(jù)調(diào)查,該廠每年產(chǎn)磚400多萬塊。

圖1 滑坡全貌圖

特大地震使該斜坡產(chǎn)生突發(fā)性變形破壞,在其中部產(chǎn)生了規(guī)模大、延伸遠(yuǎn)、變形強(qiáng)烈的裂縫10余條,既有拉張裂縫,又有剪切裂縫,拉張裂縫主要出現(xiàn)在后緣及采掘區(qū)后部,其長度一般100 cm～150 cm,呈圓弧形;而剪切裂縫主要分布于采掘區(qū)后緣,滑坡兩側(cè)邊界處,與滑坡主滑方向基本一致;從而形成了滑坡體前緣的強(qiáng)變形區(qū)(圖2)。以上變形對斜坡的穩(wěn)定產(chǎn)生極為不利影響。

圖2 滑坡強(qiáng)變形區(qū)

滑體土主要為含碎石粉質(zhì)粘土和碎石土,碎石成分主要為千枚巖,親水性較強(qiáng),土體易被水軟化,從而在局部的巖土界面處形成了軟弱帶,這就為滑坡的變形失穩(wěn)創(chuàng)造了有利條件。且在地下水的長期浸泡下,使巖土接觸面粘聚力減弱,內(nèi)摩擦角減小。同時(shí)地表水滲入,增大了土體自身的重度,使土體的穩(wěn)定性降低。水文因素是形成斜坡變形破壞的重要因素。由此產(chǎn)生了次級滑體1#和2#(圖3)。所謂次級滑體是指次級滑帶或滑面以上的土體。

圖3 1-1'地質(zhì)剖面

在磚廠后緣存在一強(qiáng)變形區(qū)域(圖2),該區(qū)域內(nèi)存在大量已貫通的拉張、剪切裂縫。強(qiáng)變形區(qū):長110 cm,寬130 cm,坡體組成為碎石土,厚度約為9m～30 m。前緣為磚廠采掘區(qū);后緣以變形較大的裂縫L14、裂縫L15后為界,裂縫L14、L15變形寬約 3 m～4.5 m;兩側(cè)與開挖邊界平行。該區(qū)域在前緣采掘區(qū)陡壁可明顯看到滑坡體呈三級剪出,且變形越趨強(qiáng)烈,該區(qū)域處于臨滑狀態(tài)(即次級滑體3#～5#(圖3))。

2.2 變形破壞機(jī)制

滑坡體所在地形地貌復(fù)雜且滑體物質(zhì)主要為親水性強(qiáng)的碎石土組成,易形成軟弱帶從而產(chǎn)生滑移;同時(shí)地震等因素使滑體上形成了許多剪切裂縫。由此分析,該滑坡的變形破壞機(jī)制是滑移-拉裂型。如果在持續(xù)暴雨、強(qiáng)烈地震以及繼續(xù)在前緣開挖土石等不利條件的影響下,尤其是前緣磚廠的過度開挖,將會(huì)導(dǎo)致臨空面的增高及變形的發(fā)展和加劇,從而形成拉張裂縫,致使斜坡整體失穩(wěn)。

2.3 穩(wěn)定性分析

斜坡土體主要為含碎石粉質(zhì)粘土和碎石土,碎石含量較高,一般為70%～95%,其塊徑一般在0.5 cm～2 cm,坡體物質(zhì)透水性較好,滑坡區(qū)內(nèi)坡度較緩,降雨多在重力作用下入滲至坡體內(nèi),增加了坡體自重,軟化了滑體中的軟弱土體,影響坡體的穩(wěn)定性。因此強(qiáng)降雨對斜坡穩(wěn)定性將產(chǎn)生較大影響。

地震為滑坡的產(chǎn)生提供了原動(dòng)能。地震前滑坡未產(chǎn)生明顯變形,“5.12”特大地震導(dǎo)致斜坡突發(fā)性變形破壞,在其中部產(chǎn)生了規(guī)模大、延伸遠(yuǎn)、變形強(qiáng)烈的拉張、剪切裂縫;在前緣及中部產(chǎn)生局部垮塌和沉降。目前斜坡體內(nèi)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)已經(jīng)遭到破壞,有利于地表水下滲,向深部運(yùn)移,增大了斜坡土體重度、增加了斜坡向下運(yùn)動(dòng)的趨勢,有可能發(fā)生失穩(wěn)下滑。

斜坡上人類工程活動(dòng)強(qiáng)烈,修建鄉(xiāng)村道路及房屋,形成了高約4 m～5 m的土質(zhì)陡坡,同時(shí),場地內(nèi)少數(shù)臺(tái)階前緣陡坎,為滑坡的次級滑體創(chuàng)造了較好的臨空面。尤其是斜坡前緣磚廠大量開采土石方制磚,卸荷達(dá)3萬余立方,采掘區(qū)形成了高約8 m～27 m的陡坎。對斜坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生極大的不利影響。

3 建立模型

根據(jù)現(xiàn)場的工程地質(zhì)條件以及坡體結(jié)構(gòu)特征,選取代表性地質(zhì)剖面1-1'(圖3)建立二維有限元模型(圖4),計(jì)算依據(jù)莫爾-庫侖屈服準(zhǔn)則,采用三角形單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分[1～3];模型施加的邊界約束條件是:地表為自由邊界,左右邊界受到x軸方向的位移約束,下部邊界受到 x、y軸方向的位移約束;整個(gè)計(jì)算域內(nèi)主要考慮了第四系、強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化、微新巖體四種材料介質(zhì)以及5個(gè)次級滑面相關(guān)參數(shù)由巖體力學(xué)試驗(yàn)和工程地質(zhì)類比獲得,詳見表1。

圖4 有限元計(jì)算模型

計(jì)算中對磚廠的開挖進(jìn)行了模擬,設(shè)計(jì)的分級開挖以5 a為單位,根據(jù)磚廠的年均生產(chǎn)量計(jì)算獲得年挖方量,模型分級開挖程序共劃分5步:

[Ⅰ]滑坡初始應(yīng)力場計(jì)算;

[Ⅱ]1級開挖:開采5 a后;

[Ⅲ]2級開挖:開采10 a后;

[Ⅳ]3級開挖:開采15 a后;

[Ⅴ]4級開挖:開采20 a后;

[Ⅵ]5級開挖:開采25 a后。

表1 巖體計(jì)算參數(shù)

4 有限元分析

數(shù)值模擬采用phase2有限元計(jì)算軟件,考慮了天然及開采兩種工況[4～6]。

4.1 應(yīng)力場

天然工況下,其主應(yīng)力等值線云圖見圖 5、圖 6,串馬滑坡的應(yīng)力分布符合一般應(yīng)力場分布特征,即以壓應(yīng)力為主,主應(yīng)力量值由坡表向坡內(nèi)逐漸增大[5],坡表處最大主應(yīng)力在1.5MPa～6MPa范圍內(nèi)變化,最小主應(yīng)力小于0 MPa～2.25 MPa之間變化。

圖5 天然最大主應(yīng)力等值線圖(單位:MPa)

圖6 天然最小主應(yīng)力等值線圖(單位:MPa)

邊坡逐年開采完成后,其主應(yīng)力等值線云圖見圖7、圖8,由計(jì)算結(jié)果可知,開采后邊坡應(yīng)力場發(fā)生了重分布:開挖面附近主應(yīng)力值在卸荷作用下較開挖前有所降低,其中最大主應(yīng)力降至1.5MPa～4.5MPa范圍內(nèi),最小主應(yīng)力降至0.45 MPa～4.05 MPa范圍內(nèi),且每一級的開挖都會(huì)使原有開挖坡面上主應(yīng)力量值繼續(xù)降低。

圖7 開采25 a后最大主應(yīng)力等值線圖(單位:MPa)

圖8 開采25 a后最小主應(yīng)力等值線圖(單位:MPa)

4.2 變形場

邊坡的塑性區(qū)分布受開采影響較顯著。開挖前(圖9)主要集中在坡表第四系堆積物以及坡腳原開采形成的臨空面處;隨著逐年的開采(圖10～圖14),塑性區(qū)逐漸增大,并牽引上部巖體下滑,形成了較大范圍的破壞區(qū),其破壞方式為張剪破壞對邊坡的穩(wěn)定造成了極為不利的影響。

圖9 天然塑性屈服單元分布圖

圖10 開采5 a后塑性屈服單元分布圖

圖11 開采10 a后塑性屈服單元分布圖

圖12 開采15 a后塑性屈服單元分布圖

圖13 開采20 a后塑性屈服單元分布圖

圖14 開采25 a后塑性屈服單元分布圖

5 開挖邊坡穩(wěn)定性綜合評價(jià)

考慮到串馬滑坡含多條次級滑體以及磚廠年開采量等因素,為了對邊坡整體穩(wěn)定性以及分級開挖完成后的穩(wěn)定性有較為明確的量化依據(jù),采用強(qiáng)度折減法自動(dòng)搜索分析滑裂面,模擬邊坡的破壞過程(圖15),得到邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)。

所謂有限元強(qiáng)度折減法,即在彈塑性有限元靜力計(jì)算中,通過不斷降低坡體和滑動(dòng)面的強(qiáng)度參數(shù)使系統(tǒng)達(dá)到不穩(wěn)定狀態(tài),即有限元靜力計(jì)算不收斂,由此而獲得的強(qiáng)度折減系數(shù)就是滑坡的安全系數(shù)[9～12]。綜合考慮天然狀況、開采工況,將數(shù)值分析結(jié)果整理為表2～表3。由表2開挖步級與滑坡整體強(qiáng)度穩(wěn)定性變化趨勢可見,開采工況中在不同的開挖坡級條件下,其坡體穩(wěn)定性相應(yīng)呈動(dòng)態(tài)變化,15 a后滑坡整體穩(wěn)定性已經(jīng)進(jìn)入極限狀態(tài),穩(wěn)定性系數(shù)為1.0,以后的繼續(xù)開采,將會(huì)使該滑坡進(jìn)入欠穩(wěn)狀態(tài),即隨著開挖年限的增加,其坡體穩(wěn)定性表現(xiàn)為快速遞減的趨勢,邊坡逐漸進(jìn)入欠穩(wěn)狀態(tài)。分析表明:在連續(xù)開采15 a～25 a后滑坡整體將處于失穩(wěn)狀態(tài),因此必須進(jìn)行支護(hù)加固,并控制年開采量。通過計(jì)算天然工況下不同次級滑體穩(wěn)定性由表3可以直觀看出,滑坡體推測的5個(gè)次級滑體中,深層滑體相對穩(wěn)定,穩(wěn)定性系數(shù)在1.05～1.32范圍內(nèi),僅淺層滑體1#處于不穩(wěn)定狀態(tài),穩(wěn)定性系數(shù)為1.05,因此治理措施主要是針對淺層的次級滑體1#。根據(jù)現(xiàn)場勘查及設(shè)計(jì),擬采用截排水與重力式擋墻相結(jié)合的措施以保證上部居民生命財(cái)產(chǎn)的安全。綜上所述,在設(shè)計(jì)有效年限內(nèi)只需針對次級滑體1#進(jìn)行治理,同時(shí)控制磚廠年開采量[8]。

圖15 強(qiáng)度折減法計(jì)算模型

表2 開挖步級與滑坡整體強(qiáng)度穩(wěn)定性變化趨勢表

表3 天然工況下不同次級滑體穩(wěn)定性分析

6 結(jié)論及建議

(1)由于滑坡的復(fù)雜性,詳細(xì)的地質(zhì)調(diào)查是進(jìn)行穩(wěn)定性評估前提。因此在詳細(xì)的地質(zhì)調(diào)查基礎(chǔ)上,對影響其穩(wěn)定性的主要因素進(jìn)行分析,選取合適的計(jì)算方法建立計(jì)算模型。

(2)分析邊坡的逐年開采過程:隨著開采工程的進(jìn)行巖體剛度消失,同時(shí)由于解除開挖巖體對系統(tǒng)的變形約束,致使巖體開采后臨空面及其一定深度范圍產(chǎn)生附加變形場和應(yīng)力場。

(3)通過強(qiáng)度折減法的計(jì)算分析可知,在滑坡體推測的5個(gè)次級滑體中,淺表層的1#滑體處于極限狀態(tài),且隨著開采的逐年進(jìn)行,滑坡的穩(wěn)定性不斷降低。15 a后滑坡整體穩(wěn)定性已經(jīng)進(jìn)入極限狀態(tài),以后的繼續(xù)開采,將會(huì)使該滑坡進(jìn)入欠穩(wěn)狀態(tài)。

(4)針對本滑坡的特點(diǎn),建議對淺表層次級滑體1#進(jìn)行重力式擋墻以及截排水相結(jié)合的支護(hù)加固措施,同時(shí)建議對該滑坡的開采工作量進(jìn)行適當(dāng)限制。

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