焦楨立,張常亮,湯慶浩

(長安大學地質(zhì)工程與測繪學院地質(zhì)工程系,陜西 西安 710054)

黃土-紅土層斜坡主要由第四紀黃土和新近系紅黏土組成,常在黃土高原的丘陵溝谷區(qū)出露。風成黃土多以披覆形式沉積在第三系紅黏土之上,由于黃土具有良好的直立性,常形成陡峭的邊坡,這與其垂直節(jié)理的生長特性有關,已有多名研究人員對其形成機制進行分析[1-3]。而紅黏土結構致密,構成滲透性差的相對隔水層,水分在該層頂面容易匯集,使得紅土層頂面長期處于軟塑-飽和狀態(tài),在坡腳開挖或持續(xù)降雨作用下,黃土易沿紅土頂面發(fā)生滑動破壞,形成黃土-紅土層滑坡,對鄰近的工程或人民財產(chǎn)安全造成威脅,為此,對其破壞機理開展研究具有重要的理論意義和實際應用價值。

探究黃土-紅土層滑坡形成的本質(zhì),實質(zhì)就是揭示其從穩(wěn)定狀態(tài)到失穩(wěn)狀態(tài)整個過程中邊坡的應力應變變化過程,滑坡滑前地形反映的就是其穩(wěn)定狀態(tài)時的初始地形條件,這是進行破壞機理分析的基礎?，F(xiàn)有滑前地形反演方法已經(jīng)取得很多成果,如王鶴等[4]利用無人機高分辨率的特點構建了滑坡三維模型;劉春等[5]利用無人機解決復雜地形三維構建問題;Iwahashi等[6]提取地形因子數(shù)據(jù)進行滑坡地貌分析;Lowe等[7]利用SIFT進行了地形反演高效計算;李維煉等[8]利用無人機遙感和虛擬現(xiàn)實技術開展了滑坡災害動態(tài)構建。這些技術的發(fā)展對滑坡地形反演提供了很好的理論依據(jù),但這些方法要么是針對滑后滑坡地形進行,要么是需要長期持續(xù)對滑坡開展監(jiān)測,以獲得每個階段的地形數(shù)據(jù),過程復雜,造價昂貴。對未處于監(jiān)測區(qū)域的滑坡無法獲得其原始地形數(shù)據(jù),這就限制了這些方法的應用范圍。因此,無滑前地形數(shù)據(jù)的地形反演值得進一步研究。

誘發(fā)黃土滑坡的因素很多,如降雨、河流侵蝕、地震等,隨著人類活動的開展,其日漸成為誘發(fā)黃土滑坡的主要因素之一,如堆載、坡腳開挖等人類工程活動誘發(fā)的滑坡災害越來越多。近年來,黃土高原區(qū)在原來交通線路的基礎上,又加大了修建規(guī)模。由于在黃土丘陵溝壑區(qū)修路一般沿河谷岸坡或在半山坡修建,這些線路的修建和改造必然開挖坡腳或坡體,形成大量的黃土高陡邊坡,進而誘發(fā)黃土滑坡。針對坡腳開挖引起的滑坡,國內(nèi)外已開展了很多相關研究,如武隆雞尾山滑坡[9]、延安的陽崖山滑坡[10]、蘭州的沙井驛滑坡[11]、加拿大Frank滑坡[12]、飛鳳山滑坡[13]等均受到坡腳開挖影響而發(fā)生失穩(wěn)。但是專門針對黃土-紅土層這一類型邊坡的坡腳開挖引起的滑坡還有待進一步研究。

我們以山西省柳林縣賀西滑坡這一典型黃土-紅土層滑坡為研究對象,利用Sassa K.運動模型對其滑前三維地形進行反演,基于此建立其坡腳開挖前和開挖后的數(shù)值模型,開展開挖前后的應力應變及穩(wěn)定性的變化特征的研究,以揭示黃土-紅土層滑坡的破壞機理,為同類型滑坡的破壞機理研究和防治提供參考和依據(jù)。

1 研究案例

賀西滑坡位于山西省柳林縣，該滑坡主要是在平整場地開挖了邊坡的坡腳,造成老滑坡體的中部坡體復活,發(fā)生了二次滑塌?；虑熬墳楣S場地,滑坡長110 m,最大寬度150 m,滑體厚2～21 m,滑坡體積約16.5×104m3,滑體覆蓋面積0.016 5 km2,最大水平滑動距離30 m?；w地表坡度下緩上陡,中部15°～20°,滑坡上部后緣坡度明顯變陡,約60°(見圖1)。

圖1 賀西滑坡全景Fig.1 Panorama of Hexi landslide

通過現(xiàn)場實測后繪制該滑坡剖面?；碌貙訌纳系较乱来螢?黃土狀土、粉土、粉質(zhì)黏土、紅黏土、砂巖(見圖2)。底層砂巖作為基巖,整個滑坡坡面未見地下水出露。

圖2 賀西滑坡剖面圖Fig.2 Sectional view of Hexi landslide

2 滑坡運動學分析方法

通過勘察測量,獲得了破壞后的滑坡地形數(shù)據(jù)和地層數(shù)據(jù),但利用這些數(shù)據(jù)無法直接建立滑坡滑前地形。在無滑前地形數(shù)據(jù)的情況下,只能參考滑坡周邊未滑地形,同時以現(xiàn)有滑面為控制界面,依據(jù)滑面上滑體體積在滑前滑后不變原則,初步建立滑前三維地形,然后利用建立的三維地形使之滑動,通過模擬滑動后的滑坡形態(tài)與當前滑坡地形形態(tài)的對比來驗證所建滑前地形的準確性,最后確定最優(yōu)滑前地形作為反演結果。因此,關鍵是找到一個可靠高效的滑坡運動模擬方法開展對比研究,Wang等[14]提出的理論模型為我們提供了一個很好的方法。Wang等[14]根據(jù)塊體運動學原理提出滑坡運動巖土模型,指出滑坡運動是連續(xù)性的運動過程并提出假設:滑坡過程中坡體的總體積不發(fā)生變化,只有高程發(fā)生變化,運動過程中坡體厚度變薄,最終形成沉積體,即坡體在z軸上未發(fā)生變化,通過計算滑動量M和N可以得到x和y方向上坡體厚度的變化,以上假設可通過下列公式體現(xiàn):

{hc(q+1)+htanφα},

(1)

{hc(q+1)+htanφc},

(2)

(3)

其中:h為滑坡體的厚度;μ、v、ω分別為x、y、z方向上的速度;M、N分別為每單位寬度在x、y方向上的滑坡量,M=μh,N=vh;k為橫向土壓力系數(shù);tanφc為滑動帶中土壤表觀摩擦系數(shù);hc為內(nèi)聚力;tanα、tanβ分別為原始斜面與xz、yz平面交點的傾斜度。

Wang等[14]將滑坡結構分為碎屑區(qū)和滑動區(qū),在滑動過程中碎屑區(qū)的厚度發(fā)生變化,滑動區(qū)的抗剪強度發(fā)生變化。邊坡破壞后,隨著滑坡的加速,抗剪強度將下降到穩(wěn)定狀態(tài)。坡體上部的碎屑物質(zhì)隨著滑坡破壞、坡體碎屑不斷下落使坡體的厚度發(fā)生變化(見圖3),假設h為坡體中的某一點,滑坡運動開始時，X軸方向上的坡體長度增加，Y軸方向上的坡體厚度減少，最終滑坡停止并變成沉積物。在滑坡體運動過程中，正應力會減小，導致表觀摩擦系數(shù)增大，從而導致滑坡運動停止。

圖3 微分計算網(wǎng)格和x、y方向上厚度的變化Fig.3 The grid of differential calculation and the variationof thickness at the x and the y directions

3 賀西滑坡滑前三維地形反演

根據(jù)賀西滑坡當前的地形高程數(shù)據(jù)(見圖4),結合滑坡地層的物理力學參數(shù)(見表1),利用滑動特性反推原始滑坡的地形高程數(shù)據(jù),復原的滑前三維地形結果如圖5(a)所示,利用文獻[14]中模型對賀西滑坡進行運動模擬,不同時間段滑動過程模擬結果如圖5(b)～(e)所示,對比實際滑坡與模擬滑坡后的三維地形,驗證反演的滑坡滑前三維地形的合理性。

圖4 滑坡當前三維地形Fig.4 The current three-dimensional topographyof the landslide

圖5 賀西滑坡三維模擬堆積形態(tài)Fig.5 3D simulated accumulation pattern of Hexi landslide

表1 滑坡模擬參數(shù)

滑坡的運動速度過程曲線如圖6所示,由圖6發(fā)現(xiàn)滑坡滑動呈現(xiàn)一種波動狀態(tài):啟動速度快,0～2.8 s為加速階段,之后速度達到第1個高峰點,最高達2.1 m/s,并從3.3 s持續(xù)到4.3 s;4.3～11.1 s

圖6 滑坡運動速度變化Fig.6 Velocity variation of landslide movement

為劇烈起伏階段,先下降,于7.6 s達到了最低速度1.6 m/s,之后開始上升;11.4～12.6 s達到第2個高峰,速度為2.7 m/s,之后速度逐漸下降,直至穩(wěn)定停止。對比滑坡當前地形(見圖4)和模擬穩(wěn)定后最終堆積地形(見圖5(e)),發(fā)現(xiàn)二者滑距基本一致,滑動范圍基本相同,滑動后地面的形態(tài)基本相似。通過對滑坡穩(wěn)定后的堆積形態(tài)和實際地形的同一剖面高程進行對比,誤差在允許的范圍內(nèi)。由此可見,建立的滑前地形經(jīng)過運動學的模擬與滑坡滑后地形基本一致,我們就可以將建立的滑前地形作為滑坡真實的滑前地形進行后續(xù)的破壞機理分析。

4 賀西滑坡破壞機理分析

為了分析滑坡的破壞過程,根據(jù)地質(zhì)地層的物理力學參數(shù)(見表2),并利用文獻[14]中模型反演的地形地貌資料,建立賀西滑坡坡腳開挖前和開挖后的二維地質(zhì)有限元模型(見圖7)。

圖7 滑坡滑前地質(zhì)模型Fig.7 Geological model of landslide before sliping

表2 滑坡模擬巖土體物理力學參數(shù)

通過GEO-Studio中的SIGMA/W的模塊計算邊坡X方向(順坡向)應力應變分布和變化,結果如圖8所示。從圖8(a)、(b)可以看出:滑坡坡體開挖前,因坡體的形狀和巖層參數(shù)的差異,出現(xiàn)了“N”形的應力分布形狀;開挖坡體后,在開挖處出現(xiàn)了應力集中,改變了上部坡體應力分布,而坡體內(nèi)部的應力分布變化不大。從圖8(c)、(d)中可以看出:滑坡坡體開挖前,因坡體的形狀和巖層參數(shù)的差異,出現(xiàn)了“O”形的應變分布形狀;在開挖后,表層的應變略有增加。

圖8 坡體X方向應力應變分布云圖Fig.8 Stress and strain distribution cloud diagram of slope in X direction

坡體總應力應變位移云圖如圖9所示。從圖9(a)、(b)可以看出,坡腳開挖后,坡體整體剪應力增大,坡腳附近出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象,且圖9(e)、(f)也呈現(xiàn)出這樣的規(guī)律。從圖9(c)、(d)可以看出,坡體整體剪應變增大,剪應變區(qū)域整體向坡腳移動,坡腳開挖部位剪應變增幅明顯。從圖9(g)、(h)可以看出,坡體內(nèi)部的位移圈開始擴大,表明淺層的巖體順坡向的位移增大。

圖9 坡體總應力應變位移云圖Fig.9 The total stress and train displacement cloud diagram of the slope

通過GEO-Studio中的SLOPE/W的模塊分析邊坡在坡腳開挖前和開挖后的穩(wěn)定性,其最危險滑面的穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.654和0.996,結果如圖10所示,表明坡體在坡腳開挖后,穩(wěn)定性快速下降直至破壞。

圖10 賀西滑坡穩(wěn)定性系數(shù)計算結果Fig.10 Calculation results of stability coefficient of Hexi landslide

5 結論

以山西省柳林縣賀西滑坡這一典型黃土-紅土層滑坡為研究對象,基于反演得到的滑前三維地形,開展了其破壞機理的研究,得到以下結論:

(1) 根據(jù)滑坡破壞后的地形高程數(shù)據(jù),結合周圍地形分布特征及物理力學參數(shù),利用滑動特性反推滑坡發(fā)生前的地形高程數(shù)據(jù),以滑體總體積不變?yōu)樵瓌t,重新構建了滑坡滑前三維地形,利用文獻[14]中模型對賀西滑坡進行運動模擬,對比實際滑坡與模擬滑坡后的三維地形,驗證了反演的滑坡滑前三維地形的合理性。

(2) 基于反演得到的滑前地形,建立了賀西滑坡坡腳開挖前和開挖后的有限元模型,利用SIGMA/W分析了坡體在坡腳開挖前和開挖后的應力應變變化規(guī)律。結果表明:坡腳開挖后,改變了上部坡體應力分布,在坡腳開挖處出現(xiàn)了應力集中;坡體整體剪應力應變增大,剪應變區(qū)域整體向坡腳移動,坡腳開挖部位剪應變增幅明顯;坡體內(nèi)部的位移圈開始擴大,表明淺層的巖體順坡向的位移增大。

(3) 利用SLOPE/W分析了邊坡在坡腳開挖前和開挖后的穩(wěn)定性,坡體開挖前和開挖后其最危險滑面的穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.654和0.996,由于開挖后穩(wěn)定性系數(shù)小于1,表明坡體在坡腳開挖后,穩(wěn)定性快速下降直至破壞。