陜西省陽莊村滑坡成因機(jī)制及其穩(wěn)定性分析

王道山，宋 革，王 沛

(河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第二地質(zhì)大隊(duì)，河南 鄭州 450016)

0 引言

黃土滑坡具有發(fā)生頻率高、分布廣、成因機(jī)制復(fù)雜、災(zāi)害性大等特點(diǎn)，嚴(yán)重威脅人民的生命財(cái)產(chǎn)和工農(nóng)基礎(chǔ)設(shè)施的安全。研究區(qū)滑坡位于陜西省志丹縣陽莊村北部，曾發(fā)生過兩次山體滑坡，使其下部11戶31人、27間房屋受到直接威脅，并影響前緣公路運(yùn)行安全。因此，研究該區(qū)黃土滑坡的成因機(jī)制及穩(wěn)定性分析具有非常重要的意義。極限平衡分析法在土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析中應(yīng)用最為廣泛[1]，常用的方法有Spencer法、Bishop法、Morgenstern-Price法(簡(jiǎn)稱M-P)等。由于其對(duì)條塊間作用力的分析方式不同，如Spencer法將條塊間的切向力和法向力比視為定值，Bishop法僅考慮條塊間的法向力，M-P法選用多種條間力函數(shù)，計(jì)算更復(fù)雜，因此其計(jì)算結(jié)果也存在差異[2]。為了全面分析陽莊村滑坡的穩(wěn)定性，本文分別通過三種分析法計(jì)算得出自然和飽和兩種狀態(tài)下的整體安全系數(shù)，并對(duì)比不同狀態(tài)下安全系數(shù)的變化趨勢(shì)，整體評(píng)價(jià)該滑坡的穩(wěn)定性。

1 滑坡概況

研究區(qū)的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)主要為地殼間歇性的緩慢抬升，以面狀風(fēng)化剝蝕、河谷不斷下切為主要特征，這種間歇性抬升伴隨河流下切，區(qū)內(nèi)主要表現(xiàn)為河流的強(qiáng)烈下切，在河流兩側(cè)形成1～2級(jí)侵蝕堆積階地，河谷兩側(cè)出露大片基巖。在地貌結(jié)構(gòu)上，表現(xiàn)為梁、峁和河、溝、壑相間分布，形成現(xiàn)今溝壑縱橫、河谷深切、梁峁起伏、溝坡陡峻的地貌形態(tài)，為崩塌、滑坡等災(zāi)害的發(fā)生提供了地形地貌條件。

陽莊村滑坡發(fā)育于黃土梁峁斜坡地段，地形特征為上緩下陡。上部緩坡平均坡度14°，發(fā)育2條弧形裂縫，長(zhǎng)68～96 m，可見寬度1～2 cm，推測(cè)深度10 m；下部為黃土陡坡，平均坡度45°；坡腳為3～10 m的黃土陡壁，陡壁上有31孔廢棄土窯洞，部分窯面垮塌(圖1)。黃土結(jié)構(gòu)疏松，垂直節(jié)理發(fā)育，也為滑坡提供了有利條件。

圖1 陽莊村滑坡隱患全貌Fig.1 General picture of hidden danger of landslide in Yangzhuang Village

2 滑坡特征及成因分析

2.1 滑坡體特征

據(jù)野外調(diào)查，黃土斜坡坡面及前緣坡腳處未發(fā)現(xiàn)剪出口，說明裂縫與下部土層還未貫通，沒有形成連續(xù)貫通的滑動(dòng)面，認(rèn)為滑坡目前處于初期變形階段。依據(jù)滑坡現(xiàn)狀，將該滑坡由南向北分為Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ期(圖2)。

圖2 陽莊村滑坡隱患平面圖Fig.2 Plan map of hidden danger of landslide in Yangzhuang Village1—第四系全新統(tǒng)滑坡體土 2—第四系全新統(tǒng)河谷沖積層 3—第四系上更新統(tǒng)沖積層 4—第四系上更新統(tǒng)黃土 5—第四系中更新統(tǒng)黃土 6—下白堊統(tǒng)環(huán)河組 7—黃土丘陵溝壑區(qū) 8—河谷區(qū) 9—滑坡推測(cè)范圍界線 10—地質(zhì)界線 11—地貌界線12—黃土裂縫 13—滑坡推測(cè)方向 14—剖面線及編號(hào) 15—人工排水渠 16—土墻

根據(jù)野外調(diào)查及勘探成果綜合分析得出，滑坡體滑面形態(tài)整體呈上陡下緩的弧形特征(圖3)。三期滑面形態(tài)特征推測(cè)如下：

圖3 滑坡隱患工程地質(zhì)剖面圖Fig.3 Engineering geological section map of hidden danger of landslide1—砂礫類土2—粉土 3—卵礫石 4—全風(fēng)化砂巖 5—上更新統(tǒng)黃土 6—中更新統(tǒng)黃土 7—華池組砂巖 8—推測(cè)滑面及編號(hào) 9—地層界線 10—水位埋深線 11—探槽編號(hào)/地面高程(m) 12—探井編號(hào)/地面高程(m) 13—鉆孔編號(hào)/地面高程(m)

1)Ⅰ期滑坡已發(fā)生，滑面特征明顯，后緣為2～5 m陡坎，表面光滑，略具擦痕，坡度50°～65°；中下部滑面相對(duì)平緩，傾角為15°～45°，滑面處于黃土接觸面。

2)Ⅱ期滑坡處于初期變形階段，滑面正在形成過程中。坡頂裂縫為滑坡體后緣，傾角達(dá)80°，推測(cè)深度約10 m；中下部?jī)A角放緩，傾角為15°～60°，滑面處于中更新統(tǒng)黃土中。

3)Ⅲ期滑坡處于初期變形階段，滑面正在形成過程中。坡頂裂縫為滑坡體后緣，傾角達(dá)70°～85°，推測(cè)深度約10 m；中下部?jī)A角放緩，傾角為15°～60°，滑面處于中更新統(tǒng)黃土層內(nèi)部。

該滑坡規(guī)模較大，期次多，滑動(dòng)面較為復(fù)雜。根據(jù)鉆孔、探井(槽)資料，滑坡體產(chǎn)生滑動(dòng)后，滑床巖性主要為第四系中—上更新統(tǒng)黃土。滑坡后緣滑床巖性為上更新統(tǒng)黃土，呈灰黃—褐黃色，土質(zhì)較均勻，大孔隙和節(jié)理發(fā)育，孔隙比為0.590～1.245，土體疏松，含零星鈣質(zhì)結(jié)核；滑坡中下部滑床巖性中更新統(tǒng)黃土，褐黃—黃褐色，呈硬塑—可塑狀態(tài)，土質(zhì)較均，孔隙和節(jié)理較發(fā)育，孔隙比為0.612～0.871，含少量鈣質(zhì)結(jié)核，夾有2～3層棕褐色古土壤，未見明顯的滑動(dòng)面。

2.2 滑坡體成因分析

滑坡是在地質(zhì)環(huán)境條件和多種內(nèi)外營(yíng)力綜合作用下形成的地質(zhì)現(xiàn)象。其內(nèi)在條件主要有地形地貌、地層及巖石土體結(jié)構(gòu)類型與特性等，外在因素主要有降雨、地震、地下水活動(dòng)及人類工程載荷等[3-4]。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于黃土滑坡形成機(jī)制已有較深入的研究。如利用邊坡穩(wěn)定的非連續(xù)變形分析法、三維分析法、極限平衡分析法對(duì)比研究分析邊坡穩(wěn)定性[5-8]，證明了超孔隙水壓力、靜水壓力和孔隙水壓力聯(lián)合作用以及土體抗剪強(qiáng)度降低等因素，均會(huì)導(dǎo)致黃土滑坡的產(chǎn)生[9-12]。

根據(jù)陽莊村滑坡所處位置的地質(zhì)地貌特征、地層巖性及土體結(jié)構(gòu)類型特征，將該滑坡的成因機(jī)制歸納如下：

1)人為開挖窯洞是導(dǎo)致滑坡的根本原因。陽莊村村民曾在坡腳的黃土陡壁上開挖31孔窯洞，增加斜坡的坡度和坡體的臨空面，導(dǎo)致坡體應(yīng)力分布失衡。上部土體由于重力作用而向前蠕動(dòng)，形成蠕變剪滑段，引發(fā)坡頂和地面的張拉裂縫增多，從而降低了邊坡整體穩(wěn)定性，帶來滑坡隱患。

2)該處斜坡坡高且陡，總高差達(dá)67.24 m，坡面坡度45°，前緣陡立，形成較高的臨空面，在坡腳處形成了應(yīng)力集中區(qū)，在地貌上具備了滑坡的必要條件。

3)降雨入滲是誘發(fā)和加劇滑坡變形的主要因素。該處斜坡土體主要由黃土組成，孔隙和節(jié)理較發(fā)育，夾有數(shù)層黏性較高的古土壤，降水沿孔隙和節(jié)理入滲至相對(duì)隔水層形成軟弱帶，抗剪強(qiáng)度降低，在斜坡的重力作用下易于形成滑坡。

綜上，該滑坡是在人類工程活動(dòng)(開挖窯洞等活動(dòng))、降水等外在因素和黃土土質(zhì)結(jié)構(gòu)、高臨空面等內(nèi)在因素的綜合作用下形成的。

2.3 滑坡穩(wěn)定現(xiàn)狀

陽莊村滑坡體積較大，目前滑坡整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

Ⅰ期滑坡已發(fā)生，后緣陡立，滑體破碎且坡度較小，目前處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，若降水入滲坡體可能導(dǎo)致滑體再次滑動(dòng)。后緣黃土陡壁不穩(wěn)定，有隨時(shí)滑坡或崩塌的可能。

Ⅱ～Ⅲ期滑坡未發(fā)生，后緣裂縫已形成，斜坡坡度較大，前緣臨空，在重力作用下易發(fā)生滑坡，目前處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。降水可通過裂縫不斷下滲、沖蝕，使得裂縫不斷向下延伸，并逐步形成連續(xù)貫通的滑動(dòng)面，另外前緣土窯洞的不斷垮塌、卸荷，將加速滑坡的發(fā)生，滑坡將向不穩(wěn)定狀態(tài)快速轉(zhuǎn)化。

3 滑坡體穩(wěn)定性分析

3.1 計(jì)算依據(jù)及模型構(gòu)建

在工程地質(zhì)勘查的基礎(chǔ)上，結(jié)合鉆孔和探槽等資料，運(yùn)用GeoStudio軟件基于M-P、Bishop和Spencer三種極限平衡法，對(duì)滑動(dòng)面各條塊受力進(jìn)行分析，計(jì)算安全系數(shù)，分析滑坡穩(wěn)定性。模型斷面寬度為128 m，高度為80 m，區(qū)內(nèi)不發(fā)育地下水，處于低地震烈度區(qū)，故不考慮地下水位以及地震力的影響(圖4)。

1)根據(jù)滑坡實(shí)測(cè)坡面構(gòu)建計(jì)算模型(圖4)，上層為黃土狀土新黃土(Qp3eol)，下層為黃土狀土老黃土(Qp2eol)。按照層厚取加權(quán)平均值以及最不利原則，確定天然和飽水狀態(tài)下各土層的力學(xué)參數(shù)(表1)。

表1 各土層力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of each soil layer

圖4 陽莊村滑坡穩(wěn)定性計(jì)算模型Fig.4 Stability calculation model of landslide in Yangzhuang Village

2)由于勘查期間未發(fā)現(xiàn)地下水，本次計(jì)算不考慮地下水的影響。根據(jù)不同邊界條件設(shè)置兩種工況進(jìn)行計(jì)算，即工況Ⅰ—自重狀態(tài)、工況Ⅱ—自重+暴雨?duì)顟B(tài)。

為了對(duì)比不同計(jì)算方法對(duì)安全系數(shù)結(jié)果的影響，保證穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性，采用M-P、Bishop和Spencer三種極限平衡法，分別計(jì)算工況Ⅰ和工況Ⅱ狀態(tài)下滑坡的安全系數(shù)，分析條塊間的受力狀態(tài)，進(jìn)而評(píng)價(jià)滑坡穩(wěn)定性。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

3.2.1 工況Ⅰ滑坡分析

由計(jì)算結(jié)果可知，三種計(jì)算理論所得出的條塊間法向力和切向力均具有兩端小中間大的規(guī)律，且條塊之間存在相互作用力(圖5)。條塊間的法向力和切向力在16號(hào)條塊處發(fā)生改變，不同位置的條塊所受的力的屬性和作用不同：16號(hào)條塊之前條塊間的切向力作用方向與滑動(dòng)方向相反，起滑動(dòng)作用；16號(hào)條塊之后條塊間的切向力作用方向與滑動(dòng)方向相同，起阻滑作用。其中，部分條塊的法向力和切向力為負(fù)值，說明該條塊及其以上的滑體是穩(wěn)定的，其對(duì)下一條塊的推力為0。

圖5 工況Ⅰ條塊間的法向力(a)與切向力(b)Fig.5 Normal force (a) and tangential force (b) between blocks under working conditionⅠ

根據(jù)結(jié)果對(duì)比可知(表2)：

表2 工況Ⅰ不同計(jì)算方法下安全系數(shù)對(duì)比Table 2 Comparison of safety factor by different calculation methods under working conditionⅠ

1)由于Spencer法計(jì)算時(shí)選擇常數(shù)函數(shù) [f(x)]，土條間的切向力和法向力比為定值，因此計(jì)算得出的安全系數(shù)以及法向力和切向力均較大。

2)Bishop法僅考慮土側(cè)間的法向力，忽略土側(cè)間剪切力，計(jì)算得出的安全系數(shù)及法向力略高于M-P的計(jì)算結(jié)果。

3)M-P法考慮了條間剪力和正應(yīng)力，同時(shí)滿足力矩平衡和力的平衡，選用多種條間力函數(shù)，計(jì)算更復(fù)雜，因而得到更小的安全系數(shù)。

3.2.2 工況Ⅱ滑坡分析

假設(shè)降雨期間，滑坡體處于飽水狀態(tài)，賦予不同土體相應(yīng)的飽水狀態(tài)力學(xué)參數(shù)，基于構(gòu)建的飽水模型進(jìn)行計(jì)算。由計(jì)算結(jié)果可知(圖6、表3)：

圖6 工況Ⅱ條塊間的法向力(a)與切向力(b)Fig.6 Normal force (a) and tangential force (b) between blocks under working conditionⅡ

表3 工況Ⅱ不同計(jì)算方法下安全系數(shù)對(duì)比Table 3 Comparison of safety factor by different calculation methods under working conditionⅡ

1)工況Ⅱ條件下條塊間的作用力分布情況與工況Ⅰ條件下的大致相同，然而滑坡體中所受法向力和切向力為負(fù)值的條塊數(shù)量減少，工況Ⅰ條件下負(fù)值的條塊為3～5號(hào)，工況Ⅱ條件下負(fù)值的條塊為1～3號(hào)，由于土體受降雨影響而處于飽和狀態(tài)，所受法向力和切向力的滑坡范圍更大。

2)工況Ⅱ條件下滑坡的安全系數(shù)降低至不穩(wěn)定的狀態(tài)，說明降雨影響下的土體處于飽和狀態(tài)時(shí)，對(duì)滑坡穩(wěn)定不利。

綜合上述兩種工況條件下穩(wěn)定性的分析可知(表2、表3)，三種計(jì)算方法工況Ⅱ條件下得出的安全系數(shù)相對(duì)于工況Ⅰ條件下分別減少了22%、22%和18%，說明降雨對(duì)于滑坡穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響。而同一工況條件下，Spencer法計(jì)算得出的安全系數(shù)比其他兩種方法計(jì)算結(jié)果高3%～9%。同時(shí)，飽水狀態(tài)下，Spencer法與其他兩種方法計(jì)算結(jié)果的偏差高于自重狀態(tài)，土層重度的增加會(huì)加大結(jié)果的偏差。結(jié)合實(shí)際情況分析，滑坡在天然的狀態(tài)下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，與計(jì)算結(jié)果相符。在降雨期間，當(dāng)滑坡地層受降雨影響而使土體含水量增大直至飽和時(shí)，滑坡將大概率發(fā)生滑塌。

4 結(jié)論

1)陽莊村滑坡的成因機(jī)制包括人為開挖窯洞、較高的臨空面、疏松的黃土土質(zhì)結(jié)構(gòu)以及降雨作用。其中，人為開挖窯洞造成坡體應(yīng)力分布失衡，引發(fā)坡頂和地面的張拉裂縫增多，是導(dǎo)致滑坡的根本原因，降雨入滲則是滑坡的主要誘發(fā)因素。

2)兩種工況狀態(tài)下，各條塊的底部法向力、側(cè)面法向力和切向力分布規(guī)律基本一致。Spencer法計(jì)算得出的安全系數(shù)比其他兩種方法的計(jì)算結(jié)果高3%～9%，且飽水狀態(tài)下偏差要高于自重狀態(tài)，即土層重度的增加加大了結(jié)果的偏差。

3)采用三種極限平衡法計(jì)算，得出工況Ⅰ(自重)條件下的安全系數(shù)為1.052～1.087，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；工況Ⅱ(自重+降雨)條件下的安全系數(shù)為0.821～0.895，降低了18%～22%，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。說明該滑坡在飽水狀態(tài)下的穩(wěn)定性大大降低，需要做好降雨截排等相關(guān)工程。