王平波

(山西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中心,太原 030024)

山西省地處黃土高原區(qū),地形高差大,山高坡陡,溝壑縱橫,自然地質(zhì)環(huán)境條件較差,山丘區(qū)土巖接觸沉積的斜坡地形廣泛分布,由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求,人類工程活動強烈,修路切坡、削坡建房等造成邊坡失穩(wěn),引發(fā)滑坡地質(zhì)災(zāi)害時有發(fā)生,由此帶來了一定的經(jīng)濟(jì)損失及人員傷亡,嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)鼐用竦恼Ｉ?因此,開展對土巖接觸面滑坡的認(rèn)識和研究,進(jìn)行滑坡勘查與治理,對于有效地防治滑坡地質(zhì)災(zāi)害是十分必要的。本文以山西省鄉(xiāng)寧縣文昌源小區(qū)滑坡為例,利用分段反演參數(shù)計算滑坡推力,特別是在室內(nèi)及原位測試難于準(zhǔn)確掌握滑動面力學(xué)參數(shù)的情況下,不失為一種有效的方法。

1 滑坡區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件

文昌源小區(qū)滑坡位于山西省鄉(xiāng)寧縣城北部,該滑坡最早發(fā)生于1947年,當(dāng)時鄉(xiāng)寧縣連降四十多天連陰雨,導(dǎo)致山體滑坡。文昌源小區(qū)是一處現(xiàn)代化別墅小區(qū),整個小區(qū)大部分建于滑坡體上,共建有40戶二層別墅式小樓,小區(qū)建設(shè)初期已經(jīng)顯現(xiàn)滑坡滑動跡象,每到雨季地面裂縫不斷擴展,部分房屋建筑出現(xiàn)裂紋,給小區(qū)居民帶來嚴(yán)重的安全隱患[1]。

滑坡區(qū)為黃土覆蓋的碎屑巖低中山區(qū),地形北高南低,滑坡東西兩側(cè)發(fā)育二條沖溝,平時干涸無水,僅在降雨過程有短時匯流。滑坡后緣地面標(biāo)高1 020 m ～1 026 m,前緣地面標(biāo)高995 m ～1 004 m,滑坡體原始地形為坡度約35°的斜坡,因滑坡活動、農(nóng)業(yè)耕種及后期文昌源小區(qū)在開發(fā)過程中對地表進(jìn)行改造,滑坡體目前為階梯狀地形,小區(qū)開發(fā)同時還將滑坡體西側(cè)沖溝填埋,并在沖溝上游修建了小型淤地壩。

滑坡區(qū)為單斜構(gòu)造,地層傾向NW52°與坡向反向斜交,傾角5°～8°。滑坡體主要由Q2粉質(zhì)粘土、粘土組成,下伏滑床地層為二疊系上石盒子組P2s泥巖和砂巖,局部為Q2礫石層?；滤诘泥l(xiāng)寧縣境內(nèi)多年平均降水量570 mm,最大年降水量828.9 mm,6月到9月降水量占全年降水量的65%以上。滑坡復(fù)活后,滑坡體地表產(chǎn)生大量裂縫,為降水入滲提供了有利的補給通道?；麦w東側(cè)沖溝因深切至滑動面以下,雨期匯水對滑坡無影響;西側(cè)沖溝規(guī)模小、切割深度較淺,滑坡體西側(cè)溝谷匯水面積雖然不大,由于溝谷內(nèi)建有小型淤地壩,淤地壩位于滑坡體后緣外的西北側(cè),溝谷匯水全部匯集到淤地壩內(nèi),淤地壩沒有采取任何防滲措施,溝谷匯水在壩體內(nèi)入滲并通過地下徑流補給滑坡體,因此,滑坡體地下水的補給主要來自西側(cè)沖溝降水入滲,沿滑動面形成水平徑流[2]。

2 滑坡特征

2.1 滑坡要素

1)滑坡形態(tài)?；缕矫嫘螒B(tài)近似呈平行四邊形,寬約170 m,縱長約100 m,面積16 500 m2,鄉(xiāng)寧縣文昌源小區(qū)滑坡平面圖見圖1。

2)坡周界。東、西兩側(cè)沖溝及滑坡后壁構(gòu)成滑坡的周界。

3)滑坡裂縫。地表發(fā)現(xiàn)滑坡體主要裂縫12條,裂縫寬度5 mm ～600 mm,最大可見深度1 200 mm,總體呈北東東向延伸,長度10 m ～118 m,裂縫落差10 mm ～850 mm?；铝芽p主要集中于滑坡體的西南部,均為拉張型裂縫,見圖2。

4)滑動面。在滑坡前緣剪出口一帶可以看到Q2紅色粘土與P2s灰黃色泥巖的接觸面,接觸面附近的紅色粘土和泥巖均呈濕潤、泥化、具滑感狀,并有線狀淚泉涌出,接觸面以上土體因滑動引發(fā)了土體的崩塌現(xiàn)象,而接觸面以下為穩(wěn)定巖體。另據(jù)ZK8鉆孔揭露,Q2紅色粘土與P2s灰黃色泥巖的接觸面有明顯的滑動擦痕,見圖3所示。

5)滑床?；才c滑動面相互依附,經(jīng)鉆探揭露,發(fā)現(xiàn)西南部滑動面為Q2紅色粘土與P2s灰黃色泥巖的接觸面,而東北部滑動面為Q2紅色粘土與卵石層或P2s砂巖的接觸面(圖1中A區(qū)滑床為泥巖,B區(qū)滑床為砂巖、卵石),滑坡床的軸線空間展布總體傾向東南?；矌r性的差異造成了文昌源小區(qū)滑坡滑動的不均一性,表現(xiàn)出西南部滑動較強、東北部相對穩(wěn)定。

圖1 鄉(xiāng)寧縣文昌源小區(qū)滑坡平面圖Fig.1 Planar graph of landslide in Wenchangyuan community, Xiangning County

2.2 滑坡類型

從文昌源小區(qū)滑坡的穩(wěn)定性、動力形式、運動速度、滑動面與結(jié)構(gòu)面的關(guān)系、滑坡厚度及規(guī)模、主滑面的成因、滑體的物質(zhì)成分等方面,對該滑坡進(jìn)行如下分類:

1)不穩(wěn)定滑坡。該滑坡最早發(fā)生時間在1947年,近年來,由于人類建設(shè)工程活動,特別是建筑切坡以及文昌源小區(qū)建設(shè)填埋了西側(cè)沖溝導(dǎo)致地下水補給滑坡體,造成滑坡重新復(fù)活。

2)牽引式、蠕動性、單層滑坡。從滑坡體裂縫分布來看,裂縫主要分布于滑坡體前緣或近前緣,裂縫形成的次序由前向后發(fā)展,裂縫的寬度由前向后變窄,滑坡發(fā)展隨降水的大小、歷時長短變化,具有間歇性的特點,即雨期滑動(有滯后性)、非雨期停止滑動,滑動速度緩慢,該滑坡屬牽引式、蠕動性滑坡。

3)中型滑坡。經(jīng)鉆探揭露,滑坡體厚度介于8 m～22 m,對所有鉆孔資料進(jìn)行分析對比,滑坡體平均厚度約15 m,滑坡體體積約為24.75×104m3,屬中層、中型滑坡。

4)土體滑坡。根據(jù)滑動面上、下巖性來劃分,滑體的組成為土體,滑動面為土巖接觸面,滑體的物質(zhì)成分屬土體滑坡。

3 反演參數(shù)及滑坡推力分析

3.1 計算模型的確定

計算模型的選擇包括兩部分,一個是滑坡體的物理模型,另一個是基于反演參數(shù)進(jìn)行滑坡推力計算的數(shù)學(xué)模型,其中物理模型是基礎(chǔ),物理模型決定數(shù)學(xué)模型的取向。根據(jù)鉆孔資料,利用地質(zhì)剖面圖(見圖4),建立滑坡體概化物理模型圖(見圖5)。

3.2 反演參數(shù)及滑坡推力計算分析

從圖5可以看出,滑坡體滑動面為三段折線,因此數(shù)學(xué)模型采用條塊推力傳遞法(剩余推力法)[3-4]。

滑坡體的重度依據(jù)滑體試驗測試結(jié)果取21.0 kN/m3,考慮到滑坡體建有40戶2層別墅,計算時沿剖面每延米加1 kN荷載。

從文昌源小區(qū)滑坡勘查試驗測試結(jié)果看,由于滑帶巖土抗剪強度試驗值變化較大,樣品試驗數(shù)據(jù)較少,不能滿足計算要求,因此,根據(jù)以往經(jīng)驗[5],文昌源小區(qū)滑坡滑動面力學(xué)參數(shù)利用主滑方向2-2′地質(zhì)剖面,建立滑坡體概化物理模型,根據(jù)規(guī)范利用計算公式(1) 、(2) 進(jìn)行滑帶參數(shù)反演,有關(guān)滑坡體相關(guān)情況如表1所示。

(1)

(2)

式(1)(2)中:C為滑帶內(nèi)聚力,kPa;F為穩(wěn)定系數(shù);Wi為滑體第i塊段的重度,kN/m;ai為滑體第i塊段的滑動面傾角,°;φ為滑帶內(nèi)摩擦角,°;L為滑體長度,m。

表1 滑坡體2-2′剖面有關(guān)參數(shù)Table 1 Relative parameters of 2-2′ profile in landslide mass

考慮到勘查期間滑坡處于整體變形-滑動狀態(tài),依據(jù)《滑坡防治工程勘查規(guī)范》12.3.3條,本次穩(wěn)定系數(shù)取F=0.98,在不考慮2-2′地質(zhì)剖面孔隙水壓力及滲透壓力條件下(勘查期間未見穩(wěn)定地下水位,安全系數(shù)取值適當(dāng)考慮了地下水影響),按Ⅱ級防治工程工況Ⅱ通過給定C值計算φ值得出的滑坡推力計算結(jié)果如表2所示,給定φ值計算C值得出的滑坡推力計算結(jié)果如表3所示,計算公式如下：

滑坡推力Pi=Pi-1×ψ+Ks×Ti-Ri.

(3)

下滑力Ti=Wisinai.

(4)

抗滑力Ri=Wicosaitanφi+CiLi.

(5)

傳遞系數(shù)φ=cos(ai-1-ai)-sin(ai-1-

ai)tanφi.

(6)

式(3)(4)(5)(6)中:Pi、Pi -1為第i、i-1塊段的滑坡推力,kN/m;Ks為安全系數(shù),Ks=1.21;Ti為第i塊段的下滑力,kN/m;Ri為第i塊段的抗滑力,kN/m;Wi為第i塊段的重度,kN/m;Ci為第i塊段滑帶內(nèi)聚力,kPa;φi為第i塊段滑帶內(nèi)摩擦角,°;Li為第i塊段滑帶滑體長度,m;ai、ai -1為滑體第i、i-1塊段的滑動面傾角,°。

表2、表3中P1、P1+2、P1+2+3分別為安全系數(shù)Ks=1.21時塊段1、1+2、1+2+3的滑坡推力,P1′、P2′、P3′分別為不考慮安全系數(shù)時塊段1、2、3的滑坡推力(Pi′=Wisinai-Wicosaitanφi-CiLi)。

表2 給定C值計算φ值的滑坡推力計算結(jié)果Table 2 Landslide thrust calculation result of φ value based on C value

表3 給定φ值計算C值的滑坡推力計算結(jié)果Table 3 Landslide thrust calculation result of C value based on φvalue

從表2、表3計算結(jié)果可以看出,當(dāng)給定C值3 kPa～13 kPa滑坡推力介于1 295 kN/m～1 669 kN/m之間,平均值為1 482 kN/m,最大、最小結(jié)果相差374 kN/m。當(dāng)給定φ值3°～10°滑坡推力介于1 379 kN/m～1 305 kN/m之間,平均值為1 342 kN/m,最大、最小結(jié)果相差74 kN/m。當(dāng)給定φ值≥11.0°時,C值為負(fù)值,說明不同塊段的C、φ按統(tǒng)一取值時,只能是φ<11.0°。上述計算結(jié)果反映出最重要的一點是:無論是給定C值反演φ值還是給定φ值反演C值,在不考慮安全系數(shù)的情況下,第3塊段P3′的計算結(jié)果均為負(fù)值,亦即按《滑坡防治工程勘查規(guī)范》中提供的滑帶參數(shù)反演公式將不同塊段的C、φ按統(tǒng)一取值,得出的結(jié)果為該滑坡是一個推移式滑坡,這顯然不符合實際情況,因為該滑坡為牽引式滑坡。

為了合理反映滑坡的運動動力狀態(tài),本次利用2-2′地質(zhì)剖面,分別對三個塊段進(jìn)行反演參數(shù),由于滑坡現(xiàn)狀已經(jīng)處于蠕滑狀態(tài),且為牽引式滑動,因此計算時1、2、3三個塊段的穩(wěn)定系數(shù)分別取0.99、0.98、0.97。經(jīng)反復(fù)試算分析,最終給定1、2、3三個塊段的φ值分別為22.5°、12.3°、3.4°,根據(jù)公式(1)反演C值結(jié)果分別為6.6 kPa、6.5 kPa、5.2 kPa。為了與表2、表3計算結(jié)果比較分析,分別計算了P和P′二種情況下的滑坡推力,計算結(jié)果如表4所示。

表4 分段參數(shù)反演及滑坡推力計算結(jié)果Table 4 Segmental inversion parameters and landslide thrust calculation results

由表4計算結(jié)果看,與表2、表3的兩種情況總滑坡推力計算結(jié)果基本一致,但分段、分塊計算結(jié)果完全不同,表4中的第3塊段計算結(jié)果沒有出現(xiàn)負(fù)值,說明采用分塊段進(jìn)行反演參數(shù)對于描述滑坡運動狀態(tài)更為合理。

4 利用分段反演參數(shù)計算滑坡推力的應(yīng)用

文昌源小區(qū)滑坡勘查中利用分段反演參數(shù)進(jìn)行了滑坡推力的計算,為后期的滑坡治理設(shè)計及工程布置提供了重要的依據(jù)。正確分析滑坡形成機理、準(zhǔn)確判斷致滑因子,結(jié)合分段滑坡推力計算結(jié)果,采取有針對性的綜合治理措施,可以達(dá)到有效的治理目的。文昌源小區(qū)滑坡治理工程于2007年完工,經(jīng)過十一年的治理效果檢驗,滑坡穩(wěn)定、小區(qū)安全無恙,說明利用分段反演參數(shù)計算滑坡推力的可行性,為今后滑坡勘查計算滑坡推力提供了一種新的思路。

5 結(jié)論

本文通過對山西省鄉(xiāng)寧縣文昌源小區(qū)滑坡的分析,在滑坡勘查中采用分段反演參數(shù)計算滑坡推力,并應(yīng)用于后期的滑坡設(shè)計與治理,獲得較好的效果并取得了以下幾點認(rèn)識:

1)山西省地處黃土高原,山丘區(qū)土巖接觸沉積的地質(zhì)結(jié)構(gòu)遍布全省各地,加上人類工程活動強烈,修路、建房切坡造成邊坡失穩(wěn),從而誘發(fā)土巖接觸面滑坡,關(guān)注對該類滑坡的認(rèn)識和研究,特別是在室內(nèi)及原位測試難于掌握滑動面力學(xué)參數(shù)的情況下,利用分段反演參數(shù)計算滑坡推力為滑坡勘查工作中計算滑坡推力提供了一種新的思路。

2)文昌源小區(qū)滑坡體概化物理模型為折線型滑坡,數(shù)學(xué)模型符合條塊推力傳遞法(剩余推力法),按《滑坡防治工程勘查規(guī)范》《滑坡防治工程設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》提供的滑坡推力計算公式與分塊段反演參數(shù)計算結(jié)果基本接近,但采用分塊段進(jìn)行反演參數(shù)對于描述滑坡運動動力狀態(tài)的描述更為真實。

3)通過采取分段反演參數(shù)計算滑坡推力,能夠真實反映滑坡的運動動力狀態(tài)(下滑段還是阻滑段),對于后期的滑坡治理設(shè)計[6],特別是支檔工程布置具有重要的指導(dǎo)意義。