某順層巖質(zhì)滑坡穩(wěn)定性分析及治理工程有效性評(píng)價(jià)

劉定霞， 陳 喆， 李占飛， 張青云， 王小江

(四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 四○三地質(zhì)隊(duì)，四川 峨眉山 614200)

由于內(nèi)、外地質(zhì)條件的共同作用，中國西南地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，在四川省西南山區(qū)尤以巖質(zhì)滑坡災(zāi)害最為常見[1]。按照層面與坡面角度的大小關(guān)系，巖質(zhì)邊坡一般可分為順向坡、逆向坡和斜向坡，其中層面傾角小于坡面角的順向坡是巖質(zhì)邊坡中最容易發(fā)生滑坡災(zāi)害的情況之一。目前，巖質(zhì)滑坡的工程治理措施包括排水、削方減載、坡腳反壓、夯填裂縫、格構(gòu)、坡面綠化、支擋工程(擋土墻、抗滑樁、錨索、錨桿、抗滑鍵、微型樁等)和滑帶土改良(灌漿、旋噴樁、砂樁)等，對不同類型的巖質(zhì)滑坡采取相應(yīng)合理的治理措施是治理工程有效的前提條件，自然因素、技術(shù)因素和施工因素是評(píng)價(jià)治理工程有效性的主要影響因素[2]。本文基于沙溪滑坡的工程案例，根據(jù)滑坡基本情況，分析了滑坡監(jiān)測數(shù)據(jù)和變形特征，計(jì)算了滑坡的穩(wěn)定性，評(píng)價(jià)了應(yīng)急治理工程的有效性，為類似滑坡的工程應(yīng)急治理提供借鑒。

1 地質(zhì)環(huán)境條件

1.1 地形地貌

滑坡區(qū)屬于低山—丘陵地貌，地形起伏較大，溝壑發(fā)育，北高南低，相對高差約110 m?；麦w斜坡位于斜坡中部，所在斜坡整體為上緩—中陡—下緩的折線形。斜坡中后部較緩，坡度15°～20°；斜坡中部較陡，坡度35°～55°；下部地形相對于斜坡中部稍緩，坡度一般為20°～35°。

1.2 地層巖性

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

滑坡所在沙溪村地處四川盆地與大、小涼山的過渡地帶，沐川背斜南翼?；聟^(qū)構(gòu)造較簡單，構(gòu)造裂隙發(fā)育，主要發(fā)育三組節(jié)理裂隙，其產(chǎn)狀及基本特征為：①192°∠51°，節(jié)理面較光滑、平直，泥質(zhì)充填，長1～21 m，裂隙間距一般0.3～0.4 m；②266°∠84°，裂面較光滑，泥質(zhì)充填，裂隙間距一般0.5～0.8 m/條，長2～42 m；③305°∠66°，裂面較光滑，泥質(zhì)充填，裂隙間距一般1～2 m/條，長2～19 m?；聟^(qū)域曾受到臨近地區(qū)1994年沐川—馬邊地震和2010年樂山地震兩次較大地震的影響。

2 滑坡基本特征

沙溪滑坡位于四川省沐川縣，區(qū)域地層產(chǎn)狀為220°∠11°，滑坡區(qū)巖性主要為侏羅系中統(tǒng)遂寧組砂巖、砂質(zhì)泥巖，斜坡坡度35°～55°，斜坡為順向斜坡，坡體無地下水露頭。

沙溪滑坡右側(cè)及左側(cè)以剪切裂縫為界，前緣以公路外側(cè)破損擋墻為界，后緣則通過潛在滑動(dòng)面傾角及拉張裂縫推測確定，平面形態(tài)呈“簸箕”形，剖面形態(tài)呈臺(tái)階狀，滑坡橫寬約100 m，縱長90 m，坡角35°～55°，滑坡主滑方向?yàn)?26°，潛在滑面為砂質(zhì)泥巖的軟弱夾層，傾角約11°；滑體厚度為16～29 m，平均厚度約21 m，滑坡體積約19×104m3，為中型巖質(zhì)順層滑坡(照片1，圖1-圖2)。

照片1 滑坡全貌Photo 1 Photos of landslide

圖1 沙溪滑坡工程地質(zhì)平面圖Fig.1 Engineering geological plan of Shaxi landslide1.第四系全新統(tǒng)殘坡積層；2.第四系人工填土；3.侏羅系中統(tǒng)遂寧組；4.地層界線；5.道路；6.裂縫位置及編號(hào)；7.巖層產(chǎn)狀；8.探槽；9.鉆孔；10.已有建筑物；11.滑坡范圍；12.GNSS監(jiān)測點(diǎn)；13.裂縫監(jiān)測點(diǎn)。

圖2 沙溪滑坡典型地質(zhì)剖面圖Fig.2 Typical geological section of Shaxi landslide1.第四系全新統(tǒng)殘坡積層；2.第四系人工填土；3.侏羅系中統(tǒng)遂寧組；4.裂縫及編號(hào)；5.已建擋墻；6.潛在滑面；7.素填土；8.含碎石粉質(zhì)粘土；9.砂巖；10.砂質(zhì)泥巖；11.強(qiáng)風(fēng)化線。

3 變形破壞特征及機(jī)理分析

3.1 滑坡變形特征

根據(jù)前期訪查，2019年8月3日的強(qiáng)降雨致使沙溪村3組所在斜坡發(fā)生強(qiáng)變形，斜坡后緣、兩側(cè)出現(xiàn)多條裂縫，主要表現(xiàn)為滑坡前緣擋墻出現(xiàn)位移，滑坡中后部出現(xiàn)多處拉張、剪切裂縫，主要發(fā)育裂縫11條，分布于滑坡后緣、兩側(cè)邊界、中部(圖1)，拉張裂縫走向以165°～195°為主，兩側(cè)剪切裂縫走向280°～290°，裂縫長4～80 m，深0.2～4.5 m，縫寬0.1～0.5 m，后緣下錯(cuò)高度0.2～2.0 m。直至2020年7月，裂縫的寬度、深度仍然在增大，7月24日滑坡穩(wěn)定性達(dá)到臨界值[3-4]，發(fā)生滑坡。

3.2 GNSS監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

在完成削坡和擋墻修建后，于滑坡體中設(shè)置了位移監(jiān)測儀器。通過鉆孔揭露已經(jīng)找到了滑動(dòng)帶且滑動(dòng)機(jī)制清晰，本次監(jiān)測并未設(shè)置深部位移計(jì)，僅布置3處GNSS監(jiān)測點(diǎn)和2個(gè)拉線位移計(jì)。本文選取一個(gè)GNSS監(jiān)測點(diǎn)(JC04，位于滑坡中—后部)和一個(gè)裂縫監(jiān)測點(diǎn)(LC02，位于滑坡后緣)進(jìn)行分析。

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，沙溪滑坡的變形監(jiān)測曲線屬于突發(fā)型[5-6](圖3)。而滑坡成災(zāi)前，滑坡位移較為平穩(wěn)，每天以數(shù)毫米的速率下滑并持續(xù)了近三個(gè)月；變形監(jiān)測曲線未出現(xiàn)加速變形階段中的初加速和中加速過程，而是在短時(shí)間內(nèi)直接進(jìn)入加速變形階段，在短時(shí)間內(nèi)位移突然增大，直至滑坡形成。根據(jù)滑坡后緣的裂縫變形(圖4)可知，邊坡在4—7月時(shí)間內(nèi)發(fā)生了至少4次較明顯的變形階段，表明滑坡在最終失穩(wěn)破壞前處于蠕動(dòng)變形階段，于2020年7月24日沿基巖層面發(fā)生滑坡。

圖3 JC04 GNSS監(jiān)測點(diǎn)時(shí)間—累計(jì)變形曲線Fig.3 Time-cumulative deformation curve of JC04 GNSS monitoring point

圖4 LC02裂縫監(jiān)測點(diǎn)時(shí)間—裂縫變形曲線Fig.4 Time-fracture deformation curve of LC02 fracture monitoring point

3.3 滑坡穩(wěn)定性計(jì)算分析

根據(jù)《滑坡防治工程勘查規(guī)范》(GB/T 32846—2016)推薦的極限平衡法計(jì)算(圖5)，本區(qū)地震烈度為Ⅶ度區(qū)，故穩(wěn)定性計(jì)算選定為天然工況、暴雨飽和工況和地震工況[7]。

圖5 極限平衡法計(jì)算模型Fig.5 Calculation model of limit equilibrium method

計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：W為滑體重量(kN/m3)；C為滑帶內(nèi)聚力(kPa)；

φ為滑帶內(nèi)摩擦角(°)；L為滑面長度(m)；α為滑面傾角(°)；A為地震加速度(單位：重力加速度g)；Kf為穩(wěn)定系數(shù)；H為地下水位高度(m)；γw為水重度(kN/m3);V為后緣裂隙靜水壓力(kN/m);U為沿滑面揚(yáng)壓力(kN/m)。

根據(jù)相關(guān)的巖土體參數(shù)(表1)，計(jì)算滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)[8-9]：天然狀態(tài)下穩(wěn)定性系數(shù)為1.217～1.242，處于穩(wěn)定狀態(tài)；暴雨?duì)顟B(tài)下穩(wěn)定系數(shù)為0.992～1.002，處于不穩(wěn)定—欠穩(wěn)定狀態(tài)；在地震工況下穩(wěn)定系數(shù)為1.009～1.032，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，斜坡整體穩(wěn)定性較差，在暴雨工況及地震工況下斜坡坡體沿滑面產(chǎn)生整體失穩(wěn)的可能性大。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)建議值表Table 1 Recommended values of physical and mechanical parameters of rock and soil mass

綜上分析，沙溪滑坡的滑動(dòng)原因：①順向坡結(jié)構(gòu)；②不利于穩(wěn)定的多組節(jié)理組合；③2020年7月的連續(xù)強(qiáng)降雨等。邊坡在上述作用下，沿地層的軟弱泥巖夾層發(fā)生滑移，最終導(dǎo)致?lián)鯄p壞，形成滑坡。

3.4 滑坡滑動(dòng)機(jī)制分析

統(tǒng)計(jì)滑坡的地層產(chǎn)狀及普遍發(fā)育的多組控制性節(jié)理，采用赤平投影法[10]分析該滑坡的形成機(jī)制(圖6)。由圖可知，巖層傾向與坡面方向夾角<40°，近似順向坡，層面傾角小于坡角，巖層外傾臨空，屬于不利結(jié)構(gòu)面；裂隙L1、L3傾向與坡向相切，裂隙L2傾向與坡向一致但傾角大于坡角且不臨空，對坡體穩(wěn)定性影響較小；裂隙L1和層面的交線與坡向傾向相近，交線傾角小于坡角，且位于斜坡內(nèi)部，外傾臨空，切割塊體易發(fā)生滑移；裂隙L3和層面交線與坡向傾向相近，交線傾角小于坡角，且位于斜坡內(nèi)部，外傾臨空，切割塊體易發(fā)生滑移；裂隙L1和L3的交線與坡向傾向一致，交線傾角小于坡角，且位于斜坡內(nèi)部，外傾臨空，屬于不利結(jié)構(gòu)面組合[11]，切割塊體易發(fā)生滑移。綜合分析，斜坡坡向與節(jié)理裂隙、層面形成的塊體，易沿層面或結(jié)構(gòu)面的交線發(fā)生滑動(dòng)(表2)。

表2 赤平投影數(shù)據(jù)分析表Table 2 Data of stereographic projection

圖6 赤平投影分析圖Fig.6 Analysis of stereographic projection

根據(jù)野外實(shí)測剖面形態(tài)和鉆探成果資料分析可知，推測滑坡剪出口位于斜坡前緣擋墻處。另據(jù)滑坡變形特征及地表裂縫發(fā)育情況，發(fā)現(xiàn)斜坡中前部存在輕微鼓脹，推測斜坡還可能存在次級(jí)滑動(dòng)面。

4 應(yīng)急治理工程及其有效性分析

2019年12月針對該滑坡進(jìn)行了應(yīng)急搶險(xiǎn)治理，治理方案為削方減載+擋土墻+排水溝，其中削方量約5×104m3，位于整個(gè)坡表；擋墻修建長度約105 m，位于滑坡前緣，為混凝土澆筑；墻身有效高2.5～3.5 m，基礎(chǔ)埋深0.5 m，頂寬0.5 m，底寬1.5 m；排水溝修建于滑坡后緣，寬0.4 m，深0.4，厚0.1 m，為混凝土加磚砌而成。

在應(yīng)急處置工程的治理過程中，根據(jù)試驗(yàn)及反演參數(shù)，按照極限平衡法取安全系數(shù)1.06(滑坡穩(wěn)定系數(shù)為0.98)確定削方量，并在前緣設(shè)置擋土墻。預(yù)計(jì)工程效果為滑坡削方后蠕滑變形停止，達(dá)到基本穩(wěn)定狀態(tài)[12-13]。而實(shí)際情況是工程治理未能停止斜坡蠕動(dòng)變形，且原有裂縫仍在發(fā)生變化。已建擋墻、排水溝遭受不同程度損壞?；略谙鞣胶螅廊惶幱谌浠冃螤顟B(tài)，并于7月24日變形加劇發(fā)生滑坡。分析其破壞后的照片2可知：①滑坡發(fā)生后滑坡后緣下錯(cuò)前移，形成明顯的陡峭后壁，表明該滑坡的運(yùn)動(dòng)方式以垮塌和滑移為主；②滑坡沿滑動(dòng)方向位移約8～10 m，之后無新增變形或滑移跡象，滑坡趨于穩(wěn)定；③滑坡堆積區(qū)出現(xiàn)了明顯的鼓脹現(xiàn)象，說明由于地層傾角較小，滑坡前緣的摩阻力較大，提供了相當(dāng)一部分的抗滑力，坡腳擋土墻前期墻體應(yīng)力高度集中[14]，直至傾覆或者斷裂。

照片2 沙溪滑坡發(fā)生后全貌照片(2020-07-24)Photo 2 Full picture of Shaxi landslide(2020-07-24)

對比工程預(yù)期效果及工程實(shí)際效果[15-16]可知：

(1) 治理工程設(shè)計(jì)削方方案中采用的計(jì)算分析模型偏不安全，巖土參數(shù)及穩(wěn)定系數(shù)取值偏高，導(dǎo)致最終設(shè)計(jì)的削方量不能滿足滑坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)的條件。因此，當(dāng)滑坡處于蠕滑變形或變形發(fā)展期時(shí)，極端暴雨工況下采取0.98的穩(wěn)定系數(shù)偏不安全，在巖土參數(shù)及反演穩(wěn)定系數(shù)取值中應(yīng)選取更低的數(shù)值，才能保證計(jì)算結(jié)果的可靠性以及治理工程的有效性。

(2) 在坡腳修建完成的擋土墻一定程度上起到了抗滑作用，削方措施也減小了一部分下滑力，兩者暫緩了滑坡體的進(jìn)一步變形。但是，由于削坡方量不足，剩余下滑力大于設(shè)計(jì)值，擋土墻未設(shè)置錨固段，墻體重力、墻身強(qiáng)度以及墻底摩阻力無法滿足抗滑、抗剪的需要，邊坡也并不存在明顯的抗滑段，導(dǎo)致其抗滑力遠(yuǎn)不能達(dá)到安全狀態(tài)。

綜上所述，由于設(shè)計(jì)中采用參數(shù)偏不安全，削方量不足，因此治理工程未對滑坡的受力狀態(tài)起到根本性的改變作用，導(dǎo)致該滑坡采取削坡措施后，在極端工況下仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)，造成治理工程無效。

5 結(jié)論與建議

(1) 沙溪滑坡是一個(gè)緩傾角順層巖質(zhì)滑坡，其滑動(dòng)過程屬于長期多次蠕滑和最終突然整體滑動(dòng)破壞。內(nèi)在因素(巖層傾角和坡度、節(jié)理組合)和外在自然因素(強(qiáng)降雨和前期多次地震影響)是其發(fā)生失穩(wěn)破壞的原因。

(2) 由于設(shè)計(jì)中采用穩(wěn)定系數(shù)偏不安全，削方量不足，導(dǎo)致應(yīng)急措施失效，因此在應(yīng)急處置期間，計(jì)算穩(wěn)定性及確定削方量時(shí)應(yīng)采用更大的穩(wěn)定系數(shù)。當(dāng)滑坡處于蠕滑變形或變形發(fā)展期時(shí)，極端暴雨工況下采取0.98的穩(wěn)定系數(shù)偏不安全，應(yīng)選取更低的數(shù)值，才能保證計(jì)算結(jié)果的可靠性以及治理工程的有效性。

(3) 對于此類順層巖質(zhì)滑坡，建議在開展工程治理時(shí)，在前緣設(shè)置抗滑樁或抗滑鍵，再輔以削坡或者格構(gòu)錨索效果更好。后期應(yīng)當(dāng)盡快清理滑坡堆積區(qū)的土方，防止降雨等因素引起的再次破壞。