地震與強(qiáng)降雨作用下堆積體滑坡變形破壞機(jī)理及防治方案分析

胡愛國(guó)，周 偉

（四川省核工業(yè)地質(zhì)局二八二大隊(duì), 四川 德陽(yáng) 638000）

0 引言

西南山地存在眾多的不同成因的堆積體斜坡，坡體上常聚居村落、交通和水利水電等基礎(chǔ)設(shè)施。在多種因素的作用下，堆積體斜坡常易形成大規(guī)模的滑坡，威脅人民生命財(cái)產(chǎn)安全。這類滑坡地處高山峽谷地貌，地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜多變，誘發(fā)滑坡變形的因素眾多，其中地震和強(qiáng)降雨是主要的誘發(fā)因素，特別是兩因素常相互作用防治難度大[1?2]。

爐霍縣旦都鄉(xiāng)馬居滑坡位于鮮水河斷裂帶附近，受近年來(lái)地震活動(dòng)[3]和降雨影響，從2015年開始明顯變形，且逐年加劇，現(xiàn)已演化為一大型滑坡。滑坡的破壞模式和滑坡機(jī)理在區(qū)域內(nèi)具有典型性，本次擬對(duì)此滑坡的變形破壞機(jī)理進(jìn)行研究，以期理清這類滑坡變形發(fā)展的過(guò)程和各因素相互作用的影響，進(jìn)一步優(yōu)化防治方案，評(píng)價(jià)方案的有效性和安全性，為地質(zhì)災(zāi)害防治和風(fēng)險(xiǎn)管控提供依據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件

爐霍縣地處青藏高原東南邊緣，高山峽谷地貌區(qū)，海拔高度3 300～3 600 m，區(qū)域內(nèi)河流為鮮水河支流。平均年降雨量700 ～920 mm。近10年降雨量較平穩(wěn)。區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，新近構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈（圖1）。歷史上遭受多次地震的影響，1973年?duì)t霍縣鮮水河斷裂帶發(fā)生7.6級(jí)地震，2014年11月22日鮮水河斷裂帶的康定地區(qū)發(fā)生6.3級(jí)地震及多次余震。研究區(qū)基本地震動(dòng)峰值加速度為0.3g，反應(yīng)譜特征周期為0.4 s[4]。

圖1 研究區(qū)地震斷裂及歷史地震分布圖[4]Fig.1 Distribution map of seismic faults and historical earthquakes in the study area

研究區(qū)地層主要為三疊系上統(tǒng)雅江組上段（T3y3）含粉砂炭質(zhì)絹云板巖和變質(zhì)長(zhǎng)石石英砂巖、第四系殘坡積層滑坡堆積層。

2 滑坡基本特征

2.1 滑坡基本概況

滑坡整體呈圈椅狀，滑坡后緣以寺廟（馬居廟）外側(cè)圍墻前拉張裂縫為界，前緣以俄覺(jué)龍日溝溝床為界，左側(cè)和右側(cè)以水溝為界，滑坡面積4.6×104m2，厚10～13 m，體積60×104m3，屬中型土質(zhì)滑坡?；轮骰较?yàn)?00°，整體坡度約30°，呈前陡后緩的趨勢(shì)，前緣坡度約35°～40°，后緣坡度約20°～25°。

2.2 變形特征

根據(jù)滑坡的變形破壞特征將該滑坡劃分為2個(gè)變形區(qū)，其中Ⅰ區(qū)為寺廟及下方坡體，Ⅱ區(qū)為寺廟外北側(cè)區(qū)域。變形Ⅰ區(qū)主要變形特征有：前緣溝床侵蝕垮塌下錯(cuò)臺(tái)坎，橫向拉張裂縫，后緣拉裂縫、寺廟房屋裂縫等。變形Ⅱ區(qū)主要變形特征有：后緣拉裂縫、地面開裂、電桿歪斜、前緣多級(jí)下錯(cuò)陡坎群等。

調(diào)查表明，該滑坡區(qū)在2015年以前未出現(xiàn)可見變形，受2014年11月康定地震及余震影響，該區(qū)震感明顯，2015年雨季時(shí)滑坡前緣陸續(xù)變形，以后每年雨季滑坡體變形呈現(xiàn)出了逐年加劇的趨勢(shì)，滑坡體后緣也陸續(xù)出現(xiàn)了變形，2020年發(fā)生了一次短歷時(shí)強(qiáng)降雨，雨強(qiáng)約為50年一遇降雨，誘發(fā)了俄覺(jué)龍日溝泥石流，對(duì)坡腳沖刷淘蝕，滑坡前緣出現(xiàn)了大規(guī)模的滑坡變形，并進(jìn)一步牽引后緣變形加劇。

2.3 坡體結(jié)構(gòu)特征

滑體主要由第四系全新統(tǒng)滑坡堆積層組成。厚度為10～13 m，主要成份為含黏碎石土，所充填黏性土褐黃色，稍濕，無(wú)搖振反應(yīng)，干強(qiáng)度較高，切面較光滑，碎石成分主要為變質(zhì)砂質(zhì)、板巖，常見鈣質(zhì)膠結(jié)，粒徑一般2～10 cm，含量大于50%?；瑤挥诨w或基覆界面，含水量較大，地下水活動(dòng)痕跡明顯?；矠槿B系上統(tǒng)雅江組上段含粉砂炭質(zhì)絹云板巖（T3y3）和變質(zhì)長(zhǎng)石石英砂巖互層（表1）。滑坡區(qū)工程地質(zhì)平面圖見圖2，滑坡體結(jié)構(gòu)特征見圖3。

圖2 馬居滑坡工程地質(zhì)平面圖Fig.2 Engineering geological plane map of Maju landslide

圖3 2-2′剖面圖Fig.3 Section 2-2′ of landslide area

表1 滑坡區(qū)主要巖土參數(shù)表Table 1 Geotechnical parameters of landslide area

3 滑坡變形破壞機(jī)理分析

馬居滑坡是位于地震區(qū)的一堆積體滑坡，勘查表明，該滑坡坡度較陡，滑坡體結(jié)構(gòu)為含黏碎石土層。下覆基巖為含粉砂炭質(zhì)絹云板巖具有較好的隔水性，基覆界面地下水活動(dòng)較強(qiáng)。受2014年地震作用滑坡體結(jié)構(gòu)完整性和穩(wěn)定性變差，隨后受降雨和坡腳下切作用坡體變形持續(xù)加大，滑坡體處于不穩(wěn)定—欠穩(wěn)定狀態(tài)。

該滑坡變形過(guò)程及所受影響因素明確，但總體來(lái)說(shuō)，該滑坡地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜多變，誘發(fā)因素和作用方式多變，通過(guò)對(duì)滑坡變形特征及變形歷史分析，基本理清了近期滑坡變形的時(shí)空關(guān)系，為更好地查清該滑坡變形破壞機(jī)理，更好地指導(dǎo)滑坡防治方案的制定，這里對(duì)滑坡三個(gè)重要的影響因素進(jìn)行數(shù)值分析。選取的分析剖面為滑坡主滑方向的2-2′剖面，模型水平方向左右采用位移約束，模型的底部采用豎向位移約束。共劃分14 070個(gè)結(jié)點(diǎn)，6 811個(gè)單元。參數(shù)見表1。

3.1 地震作用下坡體變形機(jī)理分析

對(duì)馬居滑坡變形歷史調(diào)查表明，2014年發(fā)生在鮮水河斷裂帶上的康定地震，對(duì)該滑坡穩(wěn)定性影響大，為了進(jìn)一步查明地震對(duì)該滑坡具體影響程度，這里選取該地區(qū)多遇地震加速度及特征周期人工合成地震波進(jìn)行時(shí)程分析[5]。人工合成的地震波見圖4。

圖4 多遇地震條件下人工合成地震波時(shí)程曲線Fig.4 Synthetic seismic wave time history curve under frequent earthquakes

時(shí)程分析獲得了斜坡在地震作用下坡體的塑性區(qū)分布圖及最大剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D[6]（圖5、圖6）。

圖5 多遇地震條件下斜坡塑性區(qū)發(fā)育分布圖Fig.5 Development distribution of slope plastic zone under frequent earthquake conditions

圖6 多遇地震條件下斜坡最大剪應(yīng)變?cè)隽吭茍DFig.6 Cloud map of maximum shear strain increment of slope under frequent Earthquake

模擬結(jié)果表明地震作用對(duì)斜坡穩(wěn)定性影響大，斜坡體內(nèi)塑性區(qū)基本上成片相連，特別是斜坡頂部出現(xiàn)了大面積的塑性區(qū)，該區(qū)域也是地表裂縫發(fā)現(xiàn)最多的區(qū)域，剪應(yīng)變?cè)茍D表明在基覆界面處剪應(yīng)變?cè)隽孔畲?，且出現(xiàn)了兩個(gè)較大的區(qū)域，特別是溝道向上約10～30 m的位置，勘查表明該區(qū)裂縫發(fā)育密集。在地震荷載作用下，坡體穩(wěn)定性下降，斜坡土體結(jié)構(gòu)遭到破壞，地震后不久，在坡體緩坡平臺(tái)前緣部分相繼出現(xiàn)開裂，該點(diǎn)隨即納入監(jiān)控。

3.2 坡腳溝道下切誘發(fā)坡體變形破壞分析

2020年7月該區(qū)域暴發(fā)了短歷時(shí)強(qiáng)降雨，俄覺(jué)龍日溝暴發(fā)了50年一遇泥石流，坡腳溝道淘蝕嚴(yán)重，滑坡體前緣變形加劇。為了查明溝道下切對(duì)滑坡穩(wěn)定性影響，以本次勘查溝道內(nèi)的基覆界面作為最大沖刷深度進(jìn)行數(shù)值分析，采用參數(shù)折減法進(jìn)行穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算。獲得下切后穩(wěn)定系數(shù)為1.00，最大剪應(yīng)變區(qū)域延伸至溝道底部，表明溝道下切后牽引作用明顯，直接導(dǎo)致坡體變形加?。▓D7）。

圖7 坡腳下切后斜坡最大剪應(yīng)變?cè)隽吭茍DFig.7 Cloud map of maximum shear stress increment of slope after slope toe undercutting

3.3 不同降雨頻率條件下穩(wěn)定性分析

鋒深度Zw可采用以下公式計(jì)算：

該滑坡不但受到短歷時(shí)強(qiáng)降雨沖刷坡腳的影響，變形歷史表明，長(zhǎng)歷時(shí)降雨也對(duì)滑坡的穩(wěn)定性影響較大。研究表明[7?19]，滑坡體采用Mein-Larson降雨入滲模型能較好地模擬出降雨對(duì)坡體含水率影響，可計(jì)算出不同時(shí)刻坡體濕潤(rùn)鋒深度，降雨結(jié)束后，再采用滲透模型計(jì)算各時(shí)刻地下水的分布特征，對(duì)于特征時(shí)間結(jié)點(diǎn)采用強(qiáng)度折減法計(jì)算出各時(shí)刻滑坡穩(wěn)定系數(shù)，以此評(píng)價(jià)降雨全歷時(shí)滑坡的穩(wěn)定性變化?；麦w的飽和滲透系數(shù)為0.42 m/h，100年一遇降雨強(qiáng)度為0.034 m/h,50年一遇降雨強(qiáng)度為0.031 m/h，20年一遇降雨強(qiáng)度為0.026 m/h，10年一遇降雨強(qiáng)度為0.023 m/h，常年降雨強(qiáng)度為0.015 m/h，滑坡體的飽和滲透系數(shù)大于小時(shí)降雨強(qiáng)度，則垂直濕潤(rùn)

式中：M——飽和含水率與初始含水率的差值（本次取0.1）；

p——降雨強(qiáng)度m/h；

t——降雨歷時(shí)/h。

本次降雨歷時(shí)綜合近年來(lái)該地區(qū)長(zhǎng)歷時(shí)強(qiáng)降雨并綜合類似文獻(xiàn)[6]后綜合確定計(jì)算時(shí)長(zhǎng)為10 d。強(qiáng)降雨入滲坡體后采用地下水滲透模型進(jìn)行模擬分析，地表及溝道表明設(shè)置為透水邊界，其余設(shè)置為不透水邊界條件。

分析結(jié)果可以看出強(qiáng)降雨的雨強(qiáng)越大對(duì)滑坡的穩(wěn)定性影響越大，強(qiáng)降雨在降雨過(guò)程中坡體淺表飽和，濕潤(rùn)鋒下移，但是滑坡穩(wěn)定下降不明顯，隨著濕潤(rùn)鋒向坡體轉(zhuǎn)移過(guò)中滑坡體的穩(wěn)定性有較大幅度的下降，隨后隨著地下水沿著隔水界面活動(dòng)時(shí)，滑坡穩(wěn)定性長(zhǎng)期處于不穩(wěn)定狀態(tài)，待滑坡體內(nèi)的地下水基本被疏干后滑坡體整體穩(wěn)定性逐漸恢復(fù)到初始狀態(tài)。說(shuō)明滑坡風(fēng)險(xiǎn)管控中不但要關(guān)注降雨時(shí)刻會(huì)誘發(fā)滑坡災(zāi)害，在降雨過(guò)后較長(zhǎng)時(shí)間（可能5 d左右）內(nèi)照樣會(huì)出現(xiàn)滑坡災(zāi)害（圖8）。

圖8 距離240 m處強(qiáng)降雨歷時(shí)全過(guò)程飽和土體厚度變化情況（2-2′剖面）Fig.8 Variation of saturated soil thickness in the whole process of heavy rainfall atx=240 m (2-2′ section)

本次對(duì)于降雨入滲研究表明厚層堆積體滑坡的穩(wěn)定性較降雨條件下淺表層滑坡穩(wěn)定性的變化在降雨階段有所不同，主要體現(xiàn)在淺表層無(wú)限邊坡和巖質(zhì)邊坡[20]的穩(wěn)定性在降雨期間下降很快[6]，而厚層堆積體滑坡的整體穩(wěn)定性雖有向下的趨勢(shì)，但是整體穩(wěn)定性下降不大（圖9）。

圖9 滑坡體在強(qiáng)降雨入滲條件下穩(wěn)定系數(shù)變化情況Fig.9 Variation of stability coefficient of landslide under heavy rainfall infiltration

3.4 滑坡變形破壞機(jī)理小結(jié)

文中對(duì)馬居滑培的機(jī)理分析遵循該滑坡變形歷史過(guò)程進(jìn)行模擬，力求獲得該滑坡地震、坡腳下切、強(qiáng)降雨入滲等因素的影響。分析結(jié)果表明：馬居滑坡先是地震作用對(duì)坡體損傷作用明顯，促使坡體裂隙發(fā)育，位于基覆界面的滑面基本形成，滑坡體整體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，后期隨著降雨入滲的影響，滑坡體處于緩慢變形，2020年的短歷時(shí)強(qiáng)降雨誘發(fā)泥石流沖刷下切坡腳，誘發(fā)前緣大規(guī)?；拢瑺恳饔檬沟没孢M(jìn)一步貫通，變形加劇，坡體整體穩(wěn)定性進(jìn)一步下降。模擬結(jié)果很好地?cái)M合了滑坡變形破壞過(guò)程，進(jìn)一步揭示了滑坡變形破壞機(jī)理，這為工程防治和風(fēng)險(xiǎn)管控打下了基礎(chǔ)。

4 滑坡防治方案分析

4.1 防治方案

馬居滑坡坡體上常住人口多，周邊斜坡失穩(wěn)后將直接威脅寺廟安全，其后果嚴(yán)重，屬大型地質(zhì)災(zāi)害。該滑坡地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜，滑坡誘發(fā)因素多，地震、降雨等疊加后易形成特大型災(zāi)害。

滑坡體及周邊地形坡度大，從寺廟至溝道斜坡基本上不具備設(shè)置抗滑支擋的工程施工條件，但該段斜坡穩(wěn)定性最差，在天然狀態(tài)下其穩(wěn)定系數(shù)介于1.03～1.05，溝道下切后坡體的穩(wěn)定性將下降到1.0附近，若繼續(xù)沖刷將整體失穩(wěn)。寺廟建在緩坡平臺(tái)上，寺廟前緣有一較緩坡平臺(tái)，可作為抗滑樁施工場(chǎng)地，若在此設(shè)置抗滑樁將直接針?biāo)聫R建筑物進(jìn)行保護(hù)。

所以，在綜合考慮滑坡變形破壞機(jī)理和施工條件的基礎(chǔ)上，確定了本滑坡治理方案：在滑坡體中部（寺廟前緣）抗滑支擋，坡腳溝道固床防止下切。

4.2 坡腳防護(hù)

坡腳溝道下切持續(xù)牽引坡體整體變形，坡腳溝道的防護(hù)措施是必要的。坡腳防護(hù)有兩種方案，一種是溝道固床，保持現(xiàn)有狀態(tài)，溝道不繼續(xù)下切，前緣坡體在自然條件下逐步穩(wěn)定。另外一種方案就是回淤壓腳，提高滑坡前緣穩(wěn)定性。后一種方案屬于主動(dòng)防治方案，這里選取回淤高度2 m、4 m、6 m、8 m、10 m進(jìn)行回淤壓腳效果分析，分析采用參數(shù)折減法。

分析結(jié)果表明，不同回淤高度的壓腳提升滑坡穩(wěn)定性差距較大，回淤高度8 m以內(nèi)對(duì)滑坡前緣穩(wěn)定性基本上無(wú)明顯改善，只有當(dāng)回淤高度超過(guò)8 m時(shí)才有較大幅度的提高。通過(guò)對(duì)滑坡前緣非穩(wěn)定狀態(tài)下的最大剪應(yīng)變?cè)茍D分析，滑坡前緣最不利滑面的剪出口距溝底的高度大于8 m，若回淤高度小于8 m，對(duì)穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)基本上很小，所以穩(wěn)定系數(shù)一直處于徘徊于1.03附近，若要大幅度提高滑坡整體穩(wěn)定性，回淤壓腳的高度至少要大于10 m，考慮到該滑坡體坡腳溝道縱坡較陡、溝道較長(zhǎng)，必須采用多道高壩才能達(dá)到治理的效果（圖10）。

圖10 不同回淤高度滑坡前緣穩(wěn)定系數(shù)變化情況Fig.10 Variation of stability coefficient of landslide front at different siltation heights

4.3 極端條件下防治方案安全性評(píng)價(jià)

滑坡區(qū)地處中國(guó)最活躍的地震斷裂帶上，發(fā)生地震可能性大，對(duì)在地震工況及強(qiáng)降雨條件下防治方案的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)是必要的[21?22]。本次考慮到在極端條件下，如地震和長(zhǎng)歷時(shí)強(qiáng)降雨來(lái)襲后，滑坡前緣失穩(wěn)，或者在坡腳淘蝕作用長(zhǎng)期作用下滑坡前緣坡體累進(jìn)破壞導(dǎo)致前緣整體失穩(wěn)，使抗滑樁前緣失去支擋，在這種條件下對(duì)上部抗滑樁方案的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)?；聟^(qū)基本地震動(dòng)峰值加速度為0.3g，多遇地震動(dòng)峰值加速度為0.1g，罕遇地震0.57g[4]（通過(guò)數(shù)值分析獲得了各工況條件下滑坡穩(wěn)定性分區(qū)云圖圖11?圖15）。

圖11 溝道現(xiàn)狀條件下滑坡前緣最大剪應(yīng)變?cè)隽吭茍DFig.11 Cloud map of maximum shear strain increment at the front edge of landslide under the current condition of gully

圖12 失去支擋后天然工況下滑坡穩(wěn)定性分區(qū)云圖Fig.12 Cloud map of landslide stability zoning under natural conditions after loss of support at the front edge

圖13 失去支擋后多遇地震工況下滑坡穩(wěn)定性分區(qū)云圖Fig.13 Cloud map of landslide stability zoning under frequent earthquake conditions after loss of support at the front edge

圖14 失去支擋后基本地震工況下滑坡穩(wěn)定性分區(qū)云圖Fig.14 Cloud map of landslide stability under basic seismic conditions after loss of support at the front edge

圖15 失去支擋后罕遇地震工況下滑坡穩(wěn)定性分區(qū)云圖Fig.15 Cloud map of landslide stability zoning under rare earthquake conditions after loss of support at the front edge

數(shù)值分析表明前緣失去支擋后，抗滑樁方案對(duì)上部保護(hù)對(duì)象能有效的保護(hù)，穩(wěn)定性差的部分就是上部滑體及后緣陡坡部分，天然工況及三種地震工況下穩(wěn)定系數(shù)依次降低，分別為1.4，1.3，1.2，1.0。數(shù)值分析結(jié)果說(shuō)明在極端情況發(fā)生后，上部滑坡不會(huì)隨著前緣失去支擋后隨即破壞且還具有一定安全余度，但是該斜坡坡度陡，易在余震和強(qiáng)降雨作用下再次發(fā)生變形破壞，故在極端情況發(fā)生后，抗滑樁方案能夠?yàn)樾逼律系木用褛A得撤離時(shí)間，提高抗風(fēng)險(xiǎn)的能力。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)馬居堆積體滑坡變形破壞機(jī)理及防治方案研究，得到如下結(jié)論：

(1)馬居滑坡受地震作用和降雨作用雙重影響下，地震作用下坡體結(jié)構(gòu)損傷嚴(yán)重，滑坡體穩(wěn)定性下降，后期降雨作用下滑坡變形進(jìn)一步加劇，滑坡目前處于欠穩(wěn)定和不穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)對(duì)降雨入滲坡體的研究表明，短歷時(shí)降雨對(duì)滑坡的穩(wěn)定性影響較小，長(zhǎng)歷時(shí)降雨在土體的濕潤(rùn)鋒到達(dá)一定深度后滑坡的穩(wěn)定性才有較大幅度的下降，若降雨歷時(shí)較短，對(duì)滑坡的穩(wěn)定性影響有限，這相對(duì)于無(wú)限斜坡整體穩(wěn)定性要好。

(3)短歷時(shí)強(qiáng)降雨能形成較強(qiáng)的地表徑流，形成洪水或泥石流沖刷和淘蝕滑坡坡腳，對(duì)滑坡的穩(wěn)定性的影響較大，易形成牽引式滑坡，進(jìn)而堵塞溝道形成泥石流的堵潰點(diǎn)。

(4)推薦采用抗滑樁加固床防治方案，固床回淤高度應(yīng)綜合考慮滑坡剪出口位置，抗滑支檔方案在極端情況下有一定抗風(fēng)險(xiǎn)能力。