鄂州城區(qū)觀音垅滑坡變形模式及穩(wěn)定性分析

張云衛(wèi)， 丁代坡， 孟憲才， 管 琪， 周 迎， 尹業(yè)夢

(湖北省地質局 第五地質大隊，湖北 鄂州 436000)

近年來隨著城市化進程加快，人類工程建設“向山要地”的矛盾愈發(fā)凸顯，在建房、修路等工程建設活動中，往往產(chǎn)生高陡臨空面，在降雨條件下易發(fā)生變形并形成滑坡等地質災害[1]。滑坡是多種因素耦合作用下的結果，其主要因素包括地形地貌、地層巖性、構造、降雨、荷載、人類工程活動等[2-4]。防范化解滑坡威脅一直是城市發(fā)展過程中極為關注的工作要點之一，其基礎性工作是查明滑坡的形成機理及穩(wěn)定性[5]。針對城市滑坡的成因機理、穩(wěn)定性評價及生態(tài)修復治理，不少學者進行了有益探索，例如徐風光等[6]采用數(shù)值分析方法揭示了12個典型路塹邊坡模型的開挖卸荷應力變化特點及演化過程；周艷松等[7]分析了襄陽市城區(qū)邊坡滑坡的成因機制及穩(wěn)定性；文繼濤等[8]提出了漢源縣城區(qū)復雜環(huán)境地質條件下的高邊坡加固治理方法；楊淞月等[9]總結了鶴峰縣城區(qū)地質災害孕災規(guī)律并進行了滑坡風險評價。

鄂州市位于湖北省東南部、長江中游南岸，地貌以丘陵崗地為主，主要發(fā)育地面塌陷、滑坡、不穩(wěn)定斜坡等地質災害[10]。調查表明，鄂州城區(qū)滑坡規(guī)模一般不大，但數(shù)量較多、分布較廣，加之城區(qū)人口密集、基礎設施眾多，滑坡的潛在風險不容忽視。前人在區(qū)內主要開展了面上的調查評價工作，大致查明了地質災害的類型、數(shù)量、規(guī)模、分布規(guī)律及易發(fā)性等[10-13]，但是對點上地質災害的研究不多。觀音垅滑坡(圖1)位于鄂州市鄂城區(qū)七里界村，規(guī)模為小型，其北側10 m即為吳楚大道，南部為民房，對居民區(qū)、交通線等構成較大威脅。該滑坡在鄂州城區(qū)具有代表性，因此本文在分析該滑坡變形特征及影響因素基礎上，建立其變形模式并進行穩(wěn)定性分析和滑坡治理，旨在為鄂州城區(qū)類似滑坡的監(jiān)測與防治提供借鑒。

圖1 滑坡區(qū)工程地質平面圖Fig.1 Engineering geological map of landslide area

1 滑坡區(qū)特征

1.1 地形地貌

滑坡區(qū)屬丘陵地貌，地勢西低東高，海拔22～34 m?；聟^(qū)長軸為NWW向，長約100 m；剖面上呈陡坡狀(圖2)，上陡(坡度約75°)下緩(坡度約35°)，坡高6.5～10 m。坡面發(fā)育喬木、灌木等植被，坡頂邊緣處建有多處房屋，坡腳為吳楚大道。

圖2 1-1′工程地質剖面圖Fig.2 1-1′ engineering geological profile

1.2 地層巖性

滑坡區(qū)地層相對簡單，覆蓋層為第四系殘坡積粉質黏土(Qel+dl)及滑坡堆積碎石土(Qdel)，下伏基巖為強風化的三疊系上統(tǒng)—侏羅系下統(tǒng)王龍灘組(T3J1w)。

殘坡積粉質黏土厚約6 m，呈黃褐色，硬塑，稍濕，干強度高，韌性較強，切面稍有光澤?；露逊e碎石土主要分布于兩處滑塌變形體下部，厚1～2 m，呈黃褐色，可塑，稍濕，強度一般，土石比6∶4，土體為粉質黏土，碎石成分主要為泥質粉砂巖，粒徑多<1 cm。另外，坡體頂部建房局部存在半挖半填現(xiàn)象，回填物厚1～2 m，以黏性土為主，含少量碎磚、碎石、生活垃圾等，呈雜色，松散，稍濕。王龍灘組泥質粉砂巖呈紅褐色，具微晶結構、層狀構造，層理產(chǎn)狀102°∠60°。受風化作用影響，基巖整體為強風化—中風化，鉆孔揭露強風化層厚度約5 m。

1.3 水文地質條件

滑坡區(qū)無地表水出露，地下水類型以松散層孔隙水和碎屑巖裂隙水為主。松散層孔隙水主要賦存于人工填土層中，主要補給來源為降雨。人工填土層厚0.5～4.0 m，多為耕種層，相對下部的殘坡積層孔隙率更大，在降雨條件下易于達到飽和—半飽和狀態(tài)。碎屑巖裂隙水主要賦存于王龍灘組泥質粉砂巖中，區(qū)內未見該層位地下水的天然露頭。

滑坡區(qū)巖土體結構由上到下為人工填土層—殘坡積層—基巖，滲透性為極大—較大—一般。由于區(qū)內滑坡變形以表部松散層為主，因此認為基巖裂隙水對滑坡穩(wěn)定性的影響相對較小。由于變形范圍內無任何有效的排水措施，降雨沿著坡面漫流，局部形成地下水溢出帶，并且存在一定的水土流失現(xiàn)象。

2 滑坡變形特征及影響因素

2.1 滑坡變形特征

滑坡變形以局部滑塌為主，形成兩處滑塌體(照片1、照片2)。

照片1 1#滑塌體全貌Photo 1 No.1 landslide overall

照片2 2#滑塌體全貌Photo 2 No.2 landslide overall

1#滑塌體(HT1)平面形態(tài)呈扇形，剖面形態(tài)呈折線形，主滑方向為10°(圖1)。前緣寬12 m，后緣寬3.5 m，前后緣高差約8 m，縱向長約10 m，厚0.5～2 m，坡度30°～45°(上陡下緩)，總方量約100 m3?；w物質主要為碎石土，土石比約6∶4，碎石成分為泥質粉砂巖，粒徑一般為5～30 cm，最大者達100 cm。在滑塌體后緣平臺可見多處張性裂縫，裂縫長0.5～3 m，寬0.2 cm，深1～10 cm?；w損毀少量農(nóng)田，對前緣變電箱及輸電線路構成威脅。

2#滑塌體(HT2)平面形態(tài)呈圈椅狀，剖面形態(tài)呈臺階狀，主滑方向為10°(圖1)。前緣寬25 m，后緣寬22 m，前后緣高差約8 m，縱向長約10 m，厚0.5～2 m，總方量約300 m3。滑坡體物質主要為碎石土，土石比約6∶4，碎石成分為泥質粉砂巖，粒徑一般為5～20 cm，最大者達50 cm。在滑塌體后緣平臺上可見多處張性裂縫，裂縫長0.3～2.5 m，寬0.3 cm，深1～8 cm。滑坡體對滑坡后緣3棟廢棄房屋構成直接威脅。

2.2 變形影響因素

坡體失穩(wěn)是內部因素和外部因素共同作用的結果[14-15]，內部因素包括地形條件、地質條件等，外部因素包括降雨和人類工程活動等。

(1) 地形條件。工程建設造成斜坡形成高陡臨空面，臨空面高6.5～10 m，邊坡上部較陡，為不穩(wěn)定斜坡變形提供地形條件。

(2) 地質條件。該斜坡為巖土混合質邊坡，表層為粉質黏土，結構松散，稍濕，工程地質性質相對較差，為不穩(wěn)定斜坡變形提供了地質條件。

(3) 降雨。降雨是滑坡的最主要誘發(fā)因素之一[16-17]。地表水集中入滲及坡頂排水不暢增加了巖土體自重，使巖土體短時間內迅速達到飽和狀態(tài)，自身抗剪強度(尤其是層間抗剪強度)迅速降低，并產(chǎn)生較大的滲透壓力，促發(fā)了不穩(wěn)定斜坡的變形。

(4) 人類工程活動。主要包括坡頂建房及修路切坡，坡頂房屋自重對斜坡有加載作用，修路切坡改變了原始坡體應力平衡狀態(tài)，兩者均對斜坡穩(wěn)定性不利。

3 變形模式分析

原始斜坡為一自南往北傾的緩坡地形，坡度相對平緩，為順向坡結構。坡體覆蓋層為含碎石粉質黏土，下伏基巖為泥質粉砂巖，受卸荷、風化及降雨作用影響，巖體裂化明顯，邊坡巖體多為全風化—中風化。根據(jù)斜坡變形特征、物質結構、地質條件等因素，將其變形過程分為四個階段(圖3)。

圖3 滑坡變形模式示意圖Fig.3 Schematic diagram of landslide deformation mode

(1) 變形階段a。由于修建吳楚大道時開挖坡腳，形成高差6.5～10 m的臨空面，坡度由平緩變?yōu)樯隙赶戮?，局部甚至近垂直。切坡修路改變了原始坡體的應力平衡狀態(tài)，在應力重新分布過程中局部鼓脹，破壞了覆蓋層結構。此外，由于居民在邊坡頂部開荒種菜，增大了表部覆蓋層的孔隙率，改變了巖土體內地下水的補給、徑流、排泄條件。

(2) 變形階段b。2020年7月鄂州地區(qū)發(fā)生極端降雨天氣，降雨集中且降雨量遠超往年同期水平。由于缺少有效的排水措施，大量降雨沿表部松散巖土體入滲，降低了巖土體物理力學性能的同時增加了坡體自重。斜坡后部開始出現(xiàn)斷續(xù)分布、未貫通的張性裂縫。

(3) 變形階段c。隨著降雨持續(xù)入滲，地下水的濕潤峰不斷前移，最終達到坡體的基覆面。降雨不斷下滲，地下水水頭差加大，動水壓力增大。由于下伏基巖為泥質粉砂巖，其入滲率低，降雨匯水不斷軟化下伏基巖使得泥質成分堆積于基覆面。由于基覆面相對較陡，下滑力分量增加值大于抗滑力，導致后部裂縫規(guī)模增加且形成暫未貫通的滑移面。

(4) 變形階段d。該階段變形進入累計性破壞階段，滑移面完全貫通，變形體開始明顯轉動，陡傾的階狀裂隙面成為應力集中帶，斜坡陡、緩轉角處的嵌合體逐個被剪碎、壓碎，并伴有擴容，最終形成變形體，垮塌物堆積于坡腳，形成現(xiàn)狀地形。

4 滑坡穩(wěn)定性分析

在現(xiàn)場調(勘)查基礎上，利用GeoStudio軟件的Slope模塊，采用Morgenstem-Price法對降雨狀況下的滑坡穩(wěn)定性進行數(shù)值模擬[18]。選用有代表性的1-1′剖面建立有限元計算模型，節(jié)點數(shù)為1 860個，單元類型為四邊形單元及三角形單元，共計1 769個。前文分析表明降雨是主要誘因，因此選擇天然及暴雨工況兩種條件計算滑坡穩(wěn)定性。天然工況的荷載組合為自重+地下水，暴雨工況的荷載組合為自重+50年一遇降雨。通過室內試驗并與相似工程地質條件進行類比，獲得了該滑坡滑體和滑床的物理力學參數(shù)，具體見表1。

表1 滑坡巖土體物理力學參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of landslide rock mass

計算結果表明，天然工況條件下，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.105，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；暴雨工況條件下，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)下降至1.013，進入欠穩(wěn)定狀態(tài)[19]。

5 滑坡防治措施及效果

在地質災害治理過程中本著“實事求是、因地制宜”的原則，充分考慮滑坡變形跡象及穩(wěn)定性評價結果，盡可能滿足社會效益和生態(tài)修復的需求，提高與周圍環(huán)境的融合程度[20]。工程治理措施由受損房屋拆除、削坡、格構錨桿、擋墻、截排水和生態(tài)綠化組成。完成工程治理后，經(jīng)歷1個雨季的檢驗，滑坡周邊未出現(xiàn)拉裂，坡頭未出現(xiàn)邊坡，既有工程穩(wěn)定，證明采用的工程治理措施切實可行。經(jīng)過生態(tài)綠化治理，1個月后先鋒植被覆蓋坡面，4個月后小灌木初步成型，植被覆蓋率超過90%，道路外側花壇修復效果良好，與周圍景觀相匹配(照片3)。

照片3 滑坡治理后綠化效果Photo 3 Greening effect map after landslide treatment

6 結論

(1) 觀音垅滑坡是典型的城市滑坡，在鄂州城區(qū)具有代表性，其形成的主要內因為地形地貌、地層巖性，包括順向坡理結構、松散物質成分；主要誘因為降雨、不合理的修路切坡等。

(2) 采用GeoStudio軟件Slope模塊開展天然工況和暴雨工況下的穩(wěn)定性分析，結果表明天然工況條件下，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.105，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；暴雨工況條件下，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)下降至1.013，進入欠穩(wěn)定狀態(tài)。

(3) 通過滑坡生態(tài)修復治理，滑坡區(qū)植被覆蓋率超過90%，與周圍景觀相匹配；經(jīng)歷1個雨季的檢驗，治理工程運行穩(wěn)定，證明工程治理措施切實可行。