乱石岗滑坡体成因机制分析及稳定评价

匡 义,陈五一,戴妙林,李 建

(1.河海大学水利水电工程学院,江苏 南京 210098;2.中国水电顾问集团成都勘测设计研究院,四川 成都 610072)

1 前 言

我国自 20世纪以来,发生了一系列大型滑坡灾害,这些滑坡涉及到不同的地质环境条件和坡体地质结构,具有不同诱发机制和触发因素。黄润秋等人对其复杂的演化机制和过程的地质 -力学机制进行了总结,典型的模式有:滑移–拉裂–剪断“三段式”模式、“挡墙溃决”模式、近水平岩层的“平推式”模式、反倾岩层大规模倾倒变形模式、顺倾岩层的蠕滑(弯曲)–剪断模式等[1-2]。主要地质 -力学机制及对应的滑坡见表1。

滑坡灾害对人们的经济、生活甚至生命安全造成了巨大的影响,因此,研究滑坡体的成因机制和对其目前的稳定性作出评判有着重要的现实意义。

表1 地质-力学机制及对应的滑坡

2 工程概况

乱石岗滑坡位于无名沟和松林沟之间,分布高程约 860～998m,滑坡体平面最大宽度约 800～1000m,最长约 1000m,滑坡体厚度 8～20m。整个滑坡体地形坡度 10°～15°。滑坡发育于奥陶系下统O11-3薄～中层细砂岩夹泥质粉砂岩及粉砂质黏土岩 、泥岩,岩层产状为 N30°～ 38°W NE∠13°～16°,滑带为相对较弱的黏土岩、泥岩等形成的软弱层。根据现场调查和钻孔揭露,区内发育多条软弱结构面,这些软弱结构面多沿岩体顺层发育,可分为两大类,一类是黏土夹碎屑型,另一类为碎屑夹黏土型。乱石岗滑坡是流沙河河谷下切至 800～850m高程时,沿一条顺层发育的软弱结构面发育而成的。

3 乱石岗滑坡成因机制分析

乱石岗的原生软岩在长期应力集中或在地质构造活动的挤压下形成软弱夹层,随着流沙河的下切,下伏的软弱夹层出露于地表,为其蠕滑提供了临空面。蠕滑变形导致软弱夹层的小变形逐渐累积,应力集中现象愈趋严重,如果受到暴雨或者地表水下渗的影响,软弱夹层在水的作用下强度进一步降低,层间颗粒逐步变细,形成泥化夹层。在此期间,由于蠕滑变形使后缘岩体形成拉裂缝,随着拉裂缝的扩展,为乱石岗边坡沿结构面滑动提供了条件。泥化夹层强度的逐步降低和拉裂缝的进一步扩展,在长期累积效应或者极端环境(如暴雨、地震)的作用下,将发生滑坡。所以,其整个失稳过程为一个长时期的蠕滑—剪断过程(见图1[3]、2[3])。

图1 滑坡形成前河谷状态

图2 滑坡失稳后河谷状态

4 乱石岗滑坡的稳定评价

4.1 乱石岗滑坡的分区及软弱结构面特征

根据现场调查和勘探成果,依据滑坡区及周围不同部位岩土体的结构特征和变形特征等,乱石岗滑坡及其影响区主要分为:滑坡堆积区、拉裂松动区、拉裂松弛区等。滑带为相对较弱的黏土岩、泥岩等形成的软弱层带,厚约 20～50cm。区内发育多条软弱结构面,这些结构面多沿岩体内薄层泥岩顺层发育,厚度一般 5～30cm,可以分为黏土夹碎屑型和碎屑夹黏土型两类。另外,在边坡后缘拉裂松动区内,分布着多条拉裂缝。图 3为边坡分区及形态示意图。

4.2 模型的建立及物理力学参数的选取

按照上述边坡分区及形态特征建立计算模型(见图4、5),选取滑坡区典型断面作为计算模型,模型边坡高 140m、宽 570m,左右边界按照规范取 1倍坡高,下边界取 1/2坡高,采用薄层单元模拟滑带、软弱结构面以及拉裂缝,模型左右边界采用 x方向法向约束,底部边界采用固定端约束。

图3 边坡分区及形态示意

图4 模型整体示意

图5 模型局部放大示意

根据现场大剪试验和配套的室内物性试验所取模型各个区域及结构面的参数见表2。

4.3 计算结果及稳定评价

首先通过绘制出坡体在天然自重下的塑性区贯通程度和最小主应力分布情况,对坡体目前的稳定性作出初步评价。图 6为坡体天然自重状态下的塑性区贯通情况,从图中可以看出:在滑坡堆积区和松动岩体内已基本形成连续的塑性区,只是没有完全贯通(其他区域未出现或仅出现极小面积的塑性区),这种未完全贯通的塑性区有成为潜在滑动面的可能,在不利工况下有可能形成滑坡。图 7为坡体最小主应力分布情况,由图可见,坡体后缘的拉裂松动区和拉裂松弛区最小主应力为拉应力,因此有可能导致新的拉裂缝的产生和已有拉裂缝的进一步扩展,对边坡的稳定产生不利的影响。

表2 岩土体物理力学参数

图6 天然自重状态下塑性区贯通情况

图7 天然自重状态下最小主应力云图

为了对边坡的稳定性有进一步的定量的认识,采用强度折减法计算下面 3种工况下边坡的安全系数并绘制出剪切应变增量云图:(1)天然工况(该工况考虑的荷载为岩土体自重);(2)暴雨工况(该工况除考虑岩土体自重外,还考虑降雨引起的岩土体强度降低、容重的增加、孔隙水压力的影响);(3)地震工况[该工况除考虑岩土体自重外,还考虑地震(按照Ⅶ度计算)引起的水平推力]。表3为边坡分别在这三种工况下的安全系数计算成果。图 8、9、10分别为在这三种工况下强度折减到失稳状态时的剪切变形增量云图。

表3 乱石岗边坡稳定性计算结果

图8 天然工况剪切应变增量云图

图9 暴雨工况剪切应变增量云图

图10 地震工况剪切应变增量云图

从表3及图 8～10可以看出,在天然工况下,边坡稳定状况良好,当折减系数达到 1.378时,剪切应变增量形成明显的塑性贯通区,由此可判断天然工况安全系数为 1.378,安全储备较高,稳定性良好;在暴雨工况下,稳定性降低,折减系数为 1.102时,即出现明显塑性贯通区,且塑性区有扩大的趋势;在天然 +地震工况下,稳定性进一步降低,折减系数为0.996时,出现了明显塑性贯通区,且塑性区进一步扩大,几乎布满整个边坡表面。此时对应的安全系数为 0.996,小于 1,表明边坡在地震工况下将会失稳。另外,从各种工况下塑性区的分布可以看出,在滑坡堆积区和拉裂松动区,更容易形成塑性区域,而拉裂松弛区稳定性相对良好。因此,治理时应重点针对滑坡堆积区和拉裂松动区采取抗滑支护措施。

5 结论及建议

(1)通过对乱石岗边坡滑坡成因机制的分析,可以得出其为典型的蠕滑 -剪断模式,此类滑坡是长时期蠕变,最终在后缘岩体产生剪断而导致的滑坡。在滑坡过程中,水对结构面的软化及拉裂缝的扩展起到了关键的作用。

(2)根据稳定性评价结果,滑坡堆积区以及拉裂松动变形区岩体在暴雨及地震工况条件下的安全储备较低,在不利因素影响下存在失稳的可能。由于滑坡堆积体位于建筑场地下方,滑坡体上设计了数条公路,滑坡失稳将破坏公路的正常运行,并且也可能影响其后缘拉裂松动变形区的稳定性,因而必须对滑坡堆积体采取必要的治理措施。为尽可能保持滑坡堆积区原有的环境条件,建议采用抗滑桩支挡措施。据推力计算结果,滑坡体及强烈拉裂松动变形岩体失稳产生的下滑推力较大,普通单排桩难以满足要求,因此建议采用多排抗滑桩分级支挡,最好与规划的建筑场地布置相结合,并作好地表及地下排水措施。

(3)处于拉裂松弛变形区岩体,其稳定性状况较好,出现较大规模失稳的可能性较小,但不排除在不利因素诱发下,局部开挖面上的块体有失稳的可能。因此工程期间应根据挡墙基槽开挖的实际情况采取适当支挡、锚固或护坡措施,以保证基槽边坡的施工安全。

[1]黄润秋.20世纪以来中国的大型滑坡及其发生机制[J].岩石力学与工程学报,2003,26(3):433-454.

[2]李守定,李晓,等.大型基岩顺层滑坡滑带形成演化过程与模式[J].岩石力学与工程学报,2007,26(12):2473-2480.

[3]张廷柱,黄润秋.汉源县城新址萝卜岗乱石岗滑坡区稳定性专题研究报告[R].2008.

[4]赵尚毅,郑颖人,邓卫东.用有限元强度折减法进行节理岩质边坡稳定性分析[J].岩石力学与工程学报,2003,22(2):254–260.

[5](美国)刘波,韩彦辉.FLAC原理、实例与应用指南[M].北京:人民交通出版社,2005.