煉油廠滑坡變形破壞機(jī)理研究

姬偉

【摘 要】本文在深入分析煉油廠滑坡工程地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)特征和變形特征的基礎(chǔ)上，通過(guò)穩(wěn)定性計(jì)算及滑坡變形破壞數(shù)值模擬，對(duì)滑坡的成因機(jī)制和影響因素進(jìn)行了深入研究。研究表明，煉油廠卸油臺(tái)滑坡是該區(qū)典型的黃土-基巖順層低速蠕動(dòng)L型滑坡，滑坡機(jī)理屬于蠕滑-拉裂型-平移機(jī)制。穩(wěn)定性分析認(rèn)為，該坡體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，遭遇長(zhǎng)時(shí)間高強(qiáng)度的暴雨時(shí)，可能整體失穩(wěn)。

【關(guān)鍵詞】滑坡;離散元;破壞機(jī)理;穩(wěn)定性分析

中圖分類(lèi)號(hào)： P642.22 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）22-0181-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.22.084

0 引言

中國(guó)的黃土分布廣泛，主要分布于西北、華北和東北地區(qū)，面積約64萬(wàn)平方公里，占國(guó)土面積的6.6%。由于黃土本身的特性，如濕陷性、大孔隙、垂直節(jié)理發(fā)育、力學(xué)強(qiáng)度較低等，黃土地區(qū)時(shí)常發(fā)生崩塌、滑坡、坍塌地質(zhì)災(zāi)害。黃土滑坡因其具有頻發(fā)性、廣泛性、復(fù)雜性、災(zāi)害性而嚴(yán)重威脅人民生命財(cái)產(chǎn)和水、電、交通等工農(nóng)業(yè)設(shè)施安全，成為黃土地區(qū)一種典型的、至今仍不能得到有效根治的災(zāi)害現(xiàn)象[1-3]。

煉油廠山體滑坡該區(qū)域較為典型的大型黃土-泥巖切層滑坡[4]之一，本文將以該滑坡為例，在分析了滑坡地質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，通過(guò)穩(wěn)定性計(jì)算及滑坡數(shù)值模擬，深入探討了該滑坡的滑動(dòng)破壞機(jī)理，為有效地治理這一類(lèi)類(lèi)滑坡提供了科學(xué)依據(jù)。

1 滑坡區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件

1.1 概況

煉油廠山體滑坡位于洛川縣交口河鎮(zhèn)桐樹(shù)底村，地處卸油臺(tái)外側(cè)的黃土塬邊緣斜坡地區(qū)，滑坡兩側(cè)受黃土沖溝控制，滑坡主滑方向82°。受工程建設(shè)影響，滑坡總體其呈現(xiàn)上部緩，中下部較陡的階梯地形，坡度一般25°～40°?；潞缶壱孕队团_(tái)外側(cè)道路為界，地面高程為898m，滑坡前緣為輸油管線(xiàn)外側(cè)，地面高程832，高差約66m?；麦w后緣寬230m，前緣寬290m，長(zhǎng)150m，平均厚度24.5m，面積4.31×104m2，體積約105.59×104m3。

1.2 地層巖性

在滑坡區(qū)域內(nèi)，主要出露三疊系上統(tǒng)基巖及第四系松散堆積物。第四系松散堆積物分布于滑坡表面，其巖性為粉質(zhì)粘土、粉土及人工填土等;三疊系上統(tǒng)基巖主要為礫巖、青灰色砂巖與薄層砂質(zhì)泥巖互層，主要分布于斜坡中下部，局部人工切坡地段零星出露。巖層近水平，傾向西北，傾角2～4°，層中夾有少量泥巖，并含有鐵錳質(zhì)，頂部局部可見(jiàn)1～2m厚的礫巖層。巖石表層風(fēng)化較強(qiáng)烈，成淺褐色、青灰色，疏松，強(qiáng)～全風(fēng)化層往往形成泥、砂狀產(chǎn)出。軟弱的泥巖夾層，破壞了巖體的整體穩(wěn)定性，同時(shí)與頂部礫巖高傾角裂隙結(jié)合、貫穿巖體，構(gòu)成潛在的滑動(dòng)面。巖性、裂隙及其組合特征對(duì)滑坡體的影響及控制是明顯的。

2 滑坡結(jié)構(gòu)及變形特征

2.1 滑坡結(jié)構(gòu)特征

2.1.1 滑體結(jié)構(gòu)特征

滑體主要由第四系松散堆積土、黃土、古土壤及三疊系上統(tǒng)碎裂層狀巖體、塊裂層狀巖體組成。堆積土主要分布于坡面頂部，為修建儲(chǔ)油罐及上山公路時(shí)的廢棄土，厚度1～15m，以粘性土為主，局部碎塊石堆積層較厚，結(jié)構(gòu)松散，成份雜亂。黃土、古土壤廣泛分布于山側(cè)坡地地表，褐黃色，紅褐色，可見(jiàn)孔隙，垂直節(jié)理發(fā)育，含少量鈣質(zhì)結(jié)核，古土壤鈣質(zhì)結(jié)核及鈣質(zhì)薄膜較多，一般具濕陷性，中等壓縮，厚度4～10m不等，巖性多以粉質(zhì)粘土為主，局部相變?yōu)榉弁痢Ｋ榱褜訝顜r體及塊裂層狀巖體分布廣泛，為下部滑體的主要組成物質(zhì)，碎裂層狀巖體厚1～2m，為強(qiáng)透水礫巖層，表層風(fēng)化強(qiáng)烈。塊裂層狀巖體厚2～3m，巖體成分多為為青灰色砂巖與薄層砂質(zhì)泥巖互層，巖層近水平，傾向西北，傾角2～4°，由于陡傾角裂隙及層面切割而呈塊裂結(jié)構(gòu)。

2.1.2 滑帶特征

中后緣滑帶土為多層厚度約0.5～1.5m厚黃土，土體含水量較高，黃褐色～灰黃色，個(gè)別孔棕黑色，多飽和，軟塑，鉆進(jìn)過(guò)程中有一定的縮徑現(xiàn)象，多個(gè)鉆孔均揭露到地下水位存在，軟層多分布于地下水位附近，在斷面上有較好的延續(xù)性;滑體前緣切穿強(qiáng)風(fēng)化礫巖和塊裂層狀巖體，沿塊裂層狀巖體與層狀巖體之間的接觸帶，該接觸帶在剖面前部中呈薄層狀、較軟弱，為灰黑色泥巖軟弱層，受地下水浸泡，泥巖已經(jīng)泥化，呈可塑-軟塑，夾角礫碎石，角礫碎石多為次圓狀，局部有磨圓，該層頂面可見(jiàn)擦痕（槽）和磨光面，滑帶土遇水極易軟化，力學(xué)性質(zhì)降低。

2.1.3 滑床特征

滑坡中后部滑床為上中更新統(tǒng)黃土（古土壤）層，一般為可塑～硬塑狀態(tài);前緣滑床為青灰色砂巖，其頂部為強(qiáng)～全風(fēng)化薄層砂質(zhì)泥巖或碎裂塊狀砂巖，泥質(zhì)含量較高，巖體多較破碎。巖層近水平，傾向西北，傾角2～4°，與滑體的組合關(guān)系為順向斜切坡。

2.2 滑坡變形特征

滑坡變形特征明顯，主要變形現(xiàn)象為地面開(kāi)裂、局部沉降錯(cuò)動(dòng)、前緣隆起?；缕麦w中后緣多見(jiàn)雜亂無(wú)序的張拉裂縫，裂縫寬度一般為30～50cm，最大寬度達(dá)80cm，深1～2m，局部裂縫可見(jiàn)前后錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象，在滑坡后緣主裂縫呈圈椅狀貫通。

3 滑坡穩(wěn)定性分析

3.1 滑坡穩(wěn)定性計(jì)算

根據(jù)實(shí)測(cè)剖面、鉆孔、淺井及地面工程地質(zhì)測(cè)繪結(jié)合滑坡體結(jié)構(gòu)分析，地形線(xiàn)按折線(xiàn)處理，計(jì)算時(shí)取單寬進(jìn)行研究，簡(jiǎn)化為二維空間問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算。本次選?、?Ⅰ′、Ⅱ-Ⅱ′兩個(gè)剖面分別進(jìn)行了計(jì)算（見(jiàn)圖1）。

3.1.2 計(jì)算方法

選用《滑坡防治工程勘查規(guī)范》[5]中傳遞系數(shù)法[6]對(duì)滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。采用理正邊坡滑塌搶修計(jì)算分析軟件的滑坡穩(wěn)定性計(jì)算。

3.2 計(jì)算工況

滑坡區(qū)位于地震Ⅵ度區(qū)，故不考慮地震作用，滑坡按自重及暴雨兩種工況計(jì)算。

工況1：自重+地表荷載

工況2：自重+地表荷載+暴雨工況（滑面均位于水位下）

3.3 計(jì)算參數(shù)選取及結(jié)果

本次計(jì)算中所采用的有關(guān)物理力學(xué)參數(shù)，是根據(jù)煉油廠滑坡勘查的室內(nèi)外試驗(yàn)成果、相同地區(qū)類(lèi)似滑坡的工程地質(zhì)類(lèi)比、以及參數(shù)反演法綜合確定?；麦w天然重度取19.2kN/m3，飽和重度取20.0kN/m3;滑帶土抗剪強(qiáng)度取c=17.0kPa，φ=18.0°。

按照上述計(jì)算公式、計(jì)算方案、計(jì)算模型和選取的參數(shù)，進(jìn)行滑坡穩(wěn)定性計(jì)算，其成果見(jiàn)表1。

根據(jù)穩(wěn)定性計(jì)算可知，現(xiàn)狀下滑坡體各剖面一般均屬于欠穩(wěn)定狀態(tài)，這與本段滑坡的坡體形態(tài)是一致的;由于坡體表面裂隙發(fā)育、土體較為疏松，黃土的垂直裂隙較發(fā)育，易于雨水下滲，加之坡內(nèi)土體有地下水存在，坡內(nèi)水排泄不利，滑坡在暴雨不利條件下，邊坡滑體、滑帶飽水，地下水位抬高、地下水貫通連續(xù)時(shí)，滑坡將發(fā)生整體滑動(dòng)。

4 滑坡變形破壞數(shù)值模擬

4.1 計(jì)算模型及參數(shù)

本次利用UDEC離散元程序，以主滑I-I'剖面為典型剖面，對(duì)該滑坡滑動(dòng)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。在確定計(jì)算模型時(shí)考慮以下條件：

（1）根據(jù)原始山體坡面形成初始應(yīng)力場(chǎng);

（2）圓弧形滑面已形成，位置據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)和鉆孔資料確定;

（3）黃土由于節(jié)理和層理均很發(fā)育，視為均質(zhì)體，內(nèi)含1個(gè)滑面;

（4）考慮到地下水靜水壓力作用，處于地下水位的滑體和滑帶均采用浮容重計(jì)算。

依據(jù)上述條件建立了離散元模型。以滑坡滑動(dòng)方向?yàn)?X 正向，滑坡高度方向?yàn)?Y 正向。計(jì)算模型長(zhǎng)235m，高為85m。模型的左、右側(cè)及底部采用速度邊界進(jìn)行約束。巖土體只在自重應(yīng)力的作用下發(fā)生移動(dòng)和變形。

模型設(shè)置6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)從右向左從1開(kāi)始編號(hào)即前緣設(shè)置點(diǎn)（1）（2），中部設(shè)置點(diǎn)（3）（4）、后緣設(shè)置點(diǎn)（5）（6）。根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以大致分析出不同時(shí)刻坡體下滑的平均速度和水平運(yùn)動(dòng)距離等。

4.2 計(jì)算結(jié)果及分析

計(jì)算結(jié)果表明，延煉原油臺(tái)山體滑坡系統(tǒng)飽水后是極不穩(wěn)定的。在進(jìn)行滑動(dòng)過(guò)程的整個(gè)模擬過(guò)程中，對(duì)所有塊體中的最大不平衡力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以得出最大不平衡力的歷時(shí)變化。通過(guò)不平衡力的過(guò)程可以看出，模型塊體當(dāng)中的最大不平衡力在開(kāi)始是突然增大，然后隨著向下滑動(dòng)過(guò)程中自身能量衰減有一個(gè)減速的過(guò)程。過(guò)程中最大不平衡力值存在波動(dòng)，最大值都發(fā)生在0到40000時(shí)步之間。

數(shù)值模擬顯示，該滑坡變形失穩(wěn)過(guò)程如圖2所示。根據(jù)布置的觀測(cè)點(diǎn)曲線(xiàn)來(lái)分析各個(gè)點(diǎn)的位移情況，分別繪制了計(jì)算模型的水平、豎直方向位移歷時(shí)圖3，橫坐標(biāo)表示時(shí)間（s）、縱坐標(biāo)表位移（m）。

從位移歷時(shí)圖8中可以看出，模型模擬滑動(dòng)時(shí)間48s，迭代步數(shù)22萬(wàn)步，模擬向前運(yùn)動(dòng)最大滑距36.5m。滑坡不同位置的位移相差很大。前緣監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移相對(duì)大，最大水平距離36.5m，豎直位移較小，約3.5m;后緣監(jiān)測(cè)點(diǎn)（5）（6）豎直位移大，19.09m。坡體上部監(jiān)測(cè)點(diǎn)較底部監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移要大。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)程曲線(xiàn)與各單元運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相吻合。

從水平、豎直方向位移圖可以看出，剛滑瞬間滑體首先啟動(dòng)的部位出現(xiàn)在后緣，首先呈現(xiàn)出下沉的狀態(tài)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)垂向位移較大。在前5s內(nèi)滑坡整體水平方向位移較小，5s后受后部土體擠壓中前部滑體開(kāi)始沿滑面滑動(dòng)。10s到20s內(nèi)，整個(gè)滑體開(kāi)始加速。20s后，滑體前緣仍保持較大速度運(yùn)動(dòng)，中部和后緣開(kāi)始減速，運(yùn)動(dòng)逐漸停止。40s后，滑體前緣以很小的速度緩慢前行，當(dāng)滑體前緣停止運(yùn)動(dòng)時(shí)整個(gè)滑體停止運(yùn)動(dòng)。通過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)同樣可以看出，滑體的部分碎屑物質(zhì)表現(xiàn)出一定的折返現(xiàn)象。

通過(guò)數(shù)值模擬，延煉原油山滑坡剖面I-I'模擬滑動(dòng)時(shí)間48s，模擬向前運(yùn)動(dòng)最大滑距36.5m，屬于低速蠕動(dòng)滑坡。計(jì)算結(jié)果表明延煉原油臺(tái)山體滑坡系統(tǒng)飽水后是極不穩(wěn)定的，上部土層滑動(dòng)擠壓下部產(chǎn)生變形，滑體表面波狀起伏，這與野外調(diào)研和室內(nèi)資料分析結(jié)果相吻合。

5 滑坡機(jī)理分析

5.1 滑坡誘發(fā)因素

5.1.1 氣象水文

該地區(qū)平均降雨量較大，年均降水量622mm，最多年降水量1037.2mm。降水多集中在6～8月份，約占全年降雨量84%，常常出現(xiàn)暴雨，暴雨除對(duì)滑坡表面土體造成沖刷外，雨水滲入裂隙及潛在滑面，將導(dǎo)致滑面軟化，力學(xué)性質(zhì)降低。

5.1.2 人類(lèi)工程活動(dòng)

人類(lèi)工程活動(dòng)對(duì)滑坡的產(chǎn)生和發(fā)展有重要的影響。儲(chǔ)油罐區(qū)及坡面道路的修筑、已經(jīng)改變了原有坡體的應(yīng)力平衡狀態(tài)。邊坡后緣原油的儲(chǔ)存、平整場(chǎng)地的棄方土在滑坡后緣的堆積、沖溝整平填方等，均加重了滑坡體的下滑推力，而坡體前緣開(kāi)挖取土形成的土坎等，同時(shí)降低了原有坡體的阻滑段應(yīng)力，從而使坡體由穩(wěn)定狀態(tài)向極限平衡狀態(tài)發(fā)展。

5.2 滑坡破壞機(jī)制

從本滑坡變形跡象分析，由于坡體較陡峭，坡體向下發(fā)生蠕滑變形，坡體后緣產(chǎn)生拉裂縫。坡體排水系統(tǒng)損壞、造成坡體排水不暢，降雨及生產(chǎn)污水以及卸油臺(tái)污油等地表水（油）下滲，使得坡體含水量增大，坡體后部首先發(fā)生豎向變形，并逐步在形成裂縫進(jìn)而發(fā)展為陡坎，進(jìn)一步導(dǎo)致大氣降水及地表生產(chǎn)用水沿裂縫的大量滲入，以致裂縫很快將土層貫穿，大量地下水在砂巖內(nèi)部的泥巖隔水層頂部逐步匯集，并將其不斷軟弱，進(jìn)而形成軟弱夾層，大量地下水在砂巖內(nèi)部的泥巖隔水層頂部逐步匯集，并將其不斷軟化，進(jìn)一步加速坡體向下蠕滑變形。當(dāng)滑體變形發(fā)展到一定階段后，隨著內(nèi)部能量的聚集，坡體內(nèi)部基巖軟弱層應(yīng)力集中很快將軟弱夾層形成貫通裂縫，最終滑體從前緣剪出，從而整體失穩(wěn)?；麦w上部修建公路，對(duì)滑坡體部分進(jìn)行開(kāi)挖，形成高陡邊坡，使得坡體局部產(chǎn)生垮塌破壞，加速了滑坡的蠕滑變形。由上述分析可知，煉油廠滑坡是該區(qū)典型的L形黃土-基巖順層滑坡，屬于蠕滑-拉裂型-平移機(jī)制。

6 結(jié)論

通過(guò)上述分析可得出：煉油廠卸油臺(tái)滑坡是該區(qū)典型的黃土-基巖順層低速蠕動(dòng)L型滑坡，滑坡機(jī)理屬于蠕滑-拉裂型-平移機(jī)制。坡體排水系統(tǒng)損壞、造成坡體排水不暢，降雨及生產(chǎn)污水以及卸油臺(tái)污油等地表水（油）下滲，使得坡體含水量增大是該滑坡發(fā)生的主要原因;該滑坡的地形地貌、地層結(jié)構(gòu)、巖性及節(jié)理特征為滑坡的發(fā)生提供了有利條件。滑坡穩(wěn)定性分析認(rèn)為：該滑坡天然工況下，處于欠穩(wěn)定狀態(tài);在暴雨不利工況條件下，隨著雨水的大量滲入，坡體含水量的逐步升高，坡體穩(wěn)定性將會(huì)大幅度降低，發(fā)生整體滑動(dòng)。

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