基于滑前三維地形反演的黃土-紅土層滑坡破壞機(jī)理研究

焦楨立,張常亮,湯慶浩

(長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)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(jì)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(fēng)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(guān),已有多名研究人員對其形成機(jī)制進(jìn)行分析[1-3]。而紅黏土結(jié)構(gòu)致密,構(gòu)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(cái)產(chǎn)安全造成威脅,為此,對其破壞機(jī)理開展研究具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

探究黃土-紅土層滑坡形成的本質(zhì),實(shí)質(zhì)就是揭示其從穩(wěn)定狀態(tài)到失穩(wěn)狀態(tài)整個(gè)過程中邊坡的應(yīng)力應(yīng)變變化過程,滑坡滑前地形反映的就是其穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的初始地形條件,這是進(jìn)行破壞機(jī)理分析的基礎(chǔ)?，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(jī)高分辨率的特點(diǎn)構(gòu)建了滑坡三維模型;劉春等[5]利用無人機(jī)解決復(fù)雜地形三維構(gòu)建問題;Iwahashi等[6]提取地形因子數(shù)據(jù)進(jìn)行滑坡地貌分析;Lowe等[7]利用SIFT進(jìn)行了地形反演高效計(jì)算;李維煉等[8]利用無人機(jī)遙感和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開展了滑坡災(zāi)害動態(tài)構(gòu)建。這些技術(shù)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(jìn)行,要么是需要長期持續(xù)對滑坡開展監(jiān)測,以獲得每個(gè)階段的地形數(shù)據(jù),過程復(fù)雜,造價(jià)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(yīng)用范圍。因此,無滑前地形數(shù)據(jù)的地形反演值得進(jìn)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(zāi)害越來越多。近年來,黃土高原區(qū)在原來交通線路的基礎(chǔ)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(jìn)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(guān)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(jìn)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(yùn)動模型對其滑前三維地形進(jìn)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(yīng)力應(yīng)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(jī)理,為同類型滑坡的破壞機(jī)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(fù)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(shí)測后繪制該滑坡剖面。滑坡地層從上到下依次為: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(gè)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(yùn)動學(xué)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(shí)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(dāng)前滑坡地形形態(tài)的對比來驗(yàn)證所建滑前地形的準(zhǔn)確性,最后確定最優(yōu)滑前地形作為反演結(jié)果。因此,關(guān)鍵是找到一個(gè)可靠高效的滑坡運(yùn)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(gè)很好的方法。Wang等[14]根據(jù)塊體運(yùn)動學(xué)原理提出滑坡運(yùn)動巖土模型,指出滑坡運(yùn)動是連續(xù)性的運(yùn)動過程并提出假設(shè):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(yùn)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(jì)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(shè)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(diǎn)的傾斜度。

Wang等[14]將滑坡結(jié)構(gòu)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(qiáng)度發(fā)生變化。邊坡破壞后,隨著滑坡的加速,抗剪強(qiáng)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(shè)h為坡體中的某一點(diǎn),滑坡運(yùn)動開始時(shí)，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(yùn)動過程中，正應(yīng)力會減小，導(dǎo)致表觀摩擦系數(shù)增大，從而導(dǎo)致滑坡運(yùn)動停止。

圖3 微分計(jì)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(dāng)前的地形高程數(shù)據(jù)(見圖4),結(jié)合滑坡地層的物理力學(xué)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(fù)原的滑前三維地形結(jié)果如圖5(a)所示,利用文獻(xiàn)[14]中模型對賀西滑坡進(jìn)行運(yùn)動模擬,不同時(shí)間段滑動過程模擬結(jié)果如圖5(b)～(e)所示,對比實(shí)際滑坡與模擬滑坡后的三維地形,驗(yàn)證反演的滑坡滑前三維地形的合理性。

圖4 滑坡當(dāng)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(yùn)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(dá)到第1個(gè)高峰點(diǎn),最高達(dá)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(yùn)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(dá)到了最低速度1.6 m/s,之后開始上升;11.4～12.6 s達(dá)到第2個(gè)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(dāng)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(shí)際地形的同一剖面高程進(jìn)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(yùn)動學(xué)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(shí)的滑前地形進(jìn)行后續(xù)的破壞機(jī)理分析。

4 賀西滑坡破壞機(jī)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(xué)參數(shù)(見表2),并利用文獻(xiàn)[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(xué)參數(shù)

通過GEO-Studio中的SIGMA/W的模塊計(jì)算邊坡X方向(順坡向)應(yīng)力應(yīng)變分布和變化,結(jié)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(yīng)力分布形狀;開挖坡體后,在開挖處出現(xiàn)了應(yīng)力集中,改變了上部坡體應(yīng)力分布,而坡體內(nèi)部的應(yīng)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(yīng)變分布形狀;在開挖后,表層的應(yīng)變略有增加。

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

坡體總應(yīng)力應(yīng)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(yīng)力增大,坡腳附近出現(xiàn)應(yīng)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(yīng)變增大,剪應(yīng)變區(qū)域整體向坡腳移動,坡腳開挖部位剪應(yīng)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(kuò)大,表明淺層的巖體順坡向的位移增大。

圖9 坡體總應(yīng)力應(yīng)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(xiǎn)滑面的穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.654和0.996,結(jié)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(jì)算結(jié)果Fig.10 Calculation results of stability coefficient of Hexi landslide

5 結(jié)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(jī)理的研究,得到以下結(jié)論:

(1) 根據(jù)滑坡破壞后的地形高程數(shù)據(jù),結(jié)合周圍地形分布特征及物理力學(xué)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(gòu)建了滑坡滑前三維地形,利用文獻(xiàn)[14]中模型對賀西滑坡進(jìn)行運(yùn)動模擬,對比實(shí)際滑坡與模擬滑坡后的三維地形,驗(yàn)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(yīng)力應(yīng)變變化規(guī)律。結(jié)果表明:坡腳開挖后,改變了上部坡體應(yīng)力分布,在坡腳開挖處出現(xiàn)了應(yīng)力集中;坡體整體剪應(yīng)力應(yīng)變增大,剪應(yīng)變區(qū)域整體向坡腳移動,坡腳開挖部位剪應(yīng)變增幅明顯;坡體內(nèi)部的位移圈開始擴(kuò)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(xiǎn)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。