汪家坪滑坡的稳定性分析与计算

刘银伟,张绍和

(1.黑龙江有色地勘局706队,齐齐哈尔161031;2中南大学地球科学与信息物理学院,长沙410083)

1 工程概况

汪家坪滑坡位于四川省什邡市蓥华镇天宝村汪家坪,地处山区,海拔高度在1 200 m以上。滑坡中心地理坐标:东经 103°56′28.2″,北纬 31°17′23.9″。“5.12”地震后,滑坡体地表、滑坡体上方的水渠出现了大量拉裂缝,拉裂缝的宽度在0.03～0.3 m之间,滑坡后缘有发育高1.2 m的错台,前缘有较大规模的滑塌现象,显示滑坡体目前处于欠稳定状态。

2 滑坡地质灾害体特征

2.1 滑坡特征

汪家坪滑坡位于什邡市蓥华镇天宝村汪家坪,根据踏勘发现的错台、裂缝及其他地面变形分布情况,结合钻孔揭露滑带深度情况,滑坡体沿主滑方向长280 m,宽 480 m,滑体厚度9～16.9 m,体积170万m3,为大型第四系覆盖层滑坡。

滑坡边界条件:滑坡后援边界以错台、地形突变为界,平面形态呈圈椅形,滑坡两侧边界以地表裂缝发育范围及地形变化为依据确定,滑坡前缘以汪家坪东侧陡坡为界,平面面积120万m2。

2.2 滑体特征

根据钻探和槽探结果,滑体土由第四系堆积物构成,主要为崩积、坡积和泥石流堆积的块石土、碎石土和粉质黏土,结构较松散、孔隙度较高。勘查属旱季,未形成稳定潜水位。

2.3 滑床特征

滑床为二叠系深灰色细晶灰岩夹泥质灰岩,厚～中厚层状,地层产状变化较大,倾向N30～40°E,倾角25°～34°,地层倾向与主滑方向成大角度斜交关系。灰岩构造裂隙及溶蚀裂隙发育,部分裂隙被方解石充填,部分呈开口状溶蚀裂隙。完整的灰岩为不透水层,地下水类型为裂隙水和岩溶水,受裂隙发育情况控制。

2.4 滑动带特征

(1)滑动带的物质组成:由含碎石的粉质黏土组成,碎石由灰岩的碎块组成,碎石含量变化较大。

(2)结构特征:粉质黏土湿—很湿,可塑—硬塑,所含的碎石呈棱角—亚棱角状,碎石含量多者结构松散。

(3)力学特性:抗剪强度较滑体土的低,据滑带土室内直剪试验,峰值抗剪强度均值为C=15 kPa,Ф=12.0°,残余抗剪强度均值为C=10.7 kPa,Ф=10.37°。

(4)分布形态:在空间上呈略有起伏的板状。

(5)埋深:滑带在 1-1′勘探线埋深 16.9 m,在2-2′勘探线最大埋深 12.9 m,在 3-3′剖面埋深9.3～12.0 m。

(6)分布形态:在空间上呈略有起伏的板状。厚度:滑动带厚度几cm至几十cm,变化幅度较大。

2.5 滑坡变形破坏特征

该滑坡的变形破坏表现为地表形成错台,田坎毁坏,滑坡南区及滑坡前缘附近张裂缝十分发育,滑坡前缘路面下陷,前缘高边坡发生不同程度的崩塌。

滑坡变形分区较明显,根据地表裂缝分布范围,滑坡南区及滑坡前缘区为强变形区,北区为弱变形区。

2.6 滑坡岩、土体物理力学性质指标

工程区内上覆粉质黏土、碎石土,下伏薄层泥质灰岩。粉质黏土可塑状的粉质黏土组成,夹含量不等的灰岩碎石,为残积物。碎(块)石类土为崩塌和滑坡、堆积的岩块、碎石土组成,结构松散、孔隙度较高。上覆土层沿下伏基岩面易产生滑动,主要分布于汪家坪斜坡和台地上。

3 滑坡稳定性分析

3.1 滑坡稳定性影响因素

影响滑坡稳定性的综合因素有:

(1)地质构造:区域上位于华夏构造体系龙门山褶皱带中段,经历了三叠系以后褶皱—逆冲推覆—滑脱等多层次、多期次构造作用,断裂多呈北东—南西向展布。八角断裂和红星煤矿断裂位于蓥华镇东南。勘查区发育北北东—南西西走向高角度地震裂缝,岩体构造节理裂隙及岩溶裂隙十分发育,影响了勘查区岩土体的应力分布、受力状态、完整性等,构造条件成为滑坡发生的潜在条件,并且各种构造结构面往往控制了滑动面的空间位置及滑坡的范围。第四系覆盖层与基岩的界面缓倾斜,有利于滑坡的发生。

(2)地形地貌:汪家坪西侧为海拔高1 928 m的青棡山,与台地高差近500 m,山脊走向NNE～SSW,呈三面环山,东临高差120 m的深谷,滑坡前缘崩塌斜坡坡度约50°～60°。滑坡区域地形呈西高东低、地面坡度10°～15°的阶梯状台地地形,是滑坡易发地形。

(3)岩土体性质:工程区内岩性上覆粉质黏土、碎石土,下伏薄层泥质灰岩。碎(块)石类土为崩塌和滑坡、堆积的岩块、碎石土组成结构松散、孔隙度高、透水性较好;粉质黏土由可塑状的粉质黏土组成,夹含量不等的灰岩碎石,为残积物,主要分布于汪家坪斜坡和台地上;厚层状细晶灰岩、白云质灰岩为主,夹薄层泥质灰岩,节理裂隙及溶蚀裂隙发育,为水作用、风化作用等提供了通道,这样的岩土条件在水和外力的作用下,易形成滑动带,上覆土层沿下伏基岩面易产生滑动。

(4)“5.12”地震的影响:地震前汪家坪未见滑坡迹象,“5.12”地震使汪家坪滑坡局部变形加剧,如汪家坪滑坡前缘出现错台,树木倾倒,并且局部出现崩塌,滑坡体中的排水渠和居民住房出现裂缝和沉降。

(5)降雨及地下水的影响:汪家坪滑坡滑体主要为石灰岩风化后形成的碎块石土,碎石含量较高,坡体物质透水性较好,降雨多在重力作用下入渗至坡体内,增加坡体自重,影响坡体稳定性。由于“5.12”地震的影响,目前在滑体上有多处拉张裂缝分布,降雨可直接沿裂缝进入滑体或至滑坡土岩接触带,软化滑带影响坡体稳定性,同时,在降雨作用下,坡体物质饱水,增加滑体重度,因此降雨也是影响汪家坪滑坡的原因之一。

3.2 滑坡变形破坏机制

第四系残坡积层碎(块)石土,尤其是粉质黏土在地下水的软化作用下抗剪强度降低,在“5.12”地震力的作用下滑坡前缘高陡边坡发生崩塌,牵引构成滑体的第四系覆盖层沿着土与基岩接触面附近发生蠕滑变形,表现为滑坡体强变形区地表出现大量张裂缝。弱变形区处于基本稳定—蠕变阶段,未见地表明显变形迹象。勘察期间为旱季,未来的雨季沿裂缝下渗大气降水,水位升高,孔隙水压力增加,进一步软化滑带土,滑坡稳定性将进一步降低。

4 滑坡稳定性定量计算

4.1 确定计算模型

按DZ/T 0219—2006《滑坡防治工程设计与施工技术规范》及GB 50330—2002《建筑边坡工程技术规范》的相关要求,并结合该滑坡灾害的特点,采用刚体极限平衡法的传递系数法定量分析计算其稳定性与剩余下滑推力[1]。具体计算公式如下:

(1)滑坡稳定性计算

式中:Kf——稳定系数;

Wi——第i计算条块的重量,(kN/m);

rU——孔隙压力比;

V水下——滑体水下体积,(m3);

V总——滑体总体积,(m3);

rw——水的容重,(kN/m3);

A水下——滑体水下面积,(m2);

A总——滑体总面积,(m2);

a——地震加速度,(m/s2);

αi——第i计算条块滑面倾角,(°);

RDi——渗透压力产生的平行滑面分力,(kN/m);

TDi——渗透压力产生的垂直滑面分力,(kN/m);

NWi——孔隙水压力,(kN/m);

Ai下——浸润线以下土体的面积,(m2);

βi——第 i计算条块地下水流向,(°);

φi——第 i计算条块内摩擦角,(°);

ci——第i计算条块内聚力,(kPa);

li——第 i计算条块滑面长度,(m);

ψj——第i块段的剩余下滑力传递至第i+1块段时的传递系数(j=i);

Rn——第n计算条块抗滑力,(kN/m);

Tn——第 n计算条块下滑力,(kN/m)。

(2)滑坡推力计算

式中:Pi——第 i计算条块的推力,(kN/m);

Pi-1——第i计算条块的剩余下滑力,(kN/m);

Ks——设计的安全系数。

4.2 计算数据准备

4.2.1 计算剖面的选取

根据滑坡变形特征及勘查工作的部署情况,选择与主滑方向近于平行的,滑坡强变形区的1-1′、2-2′、3-3′勘探线剖面和弱变形区 3-3′勘探线剖面进行滑坡的推力、稳定性计算与评价(如图1～图3)。

图1 1-1′剖面滑移面计算条分图

图2 2-2′剖面滑移面计算条分图

图3 3-3′剖面滑移面计算条分图

4.2.2 荷载组合与计算工况的确定

(1)基本荷载

作用在滑坡体上的基本荷载有:滑坡体自重,降雨入渗形成的地下水渗透力、地震力。

滑体自重:天然状态下按天然重度计算,暴雨状态下按饱和重度考虑。

(2)荷载及计算工况的确定

根据汪家坪滑坡的地质背景及形成机制和DZ/T 0219-2006《滑坡防治工程设计与施工技术规范》,计算中主要考虑地下水、降雨和地震等因素,该滑坡本次稳定性和剩余下滑力计算采用以下3种工况:

工况Ⅰ:自重;

工况Ⅱ:自重+暴雨或久雨;

工况Ⅲ:自重+地震。

(3)地质灾害危害程度分级与抗滑稳定安全系数的确定

根据DZ/T 0219-2006《滑坡防治工程设计与施工技术规范》的有关规定,汪家坪滑坡防治工程分级为Ⅲ级,故其防治工程设计安全系数为:抗滑稳定安全系数为1.20(自重)、1.05(自重+暴雨或久雨)、1.05(自重+地震)。

4.2.3 计算参数的确定

(1)地勘报告推荐

根据勘察报告室内试验成果推荐的天然状态抗剪强度为:c=10 kPa,φ=9°～10°,饱和状态抗剪强度为:c=11 kPa,φ=12°[2]。

(2)工程地质类比

根据大量滑坡治理工程经验,滑带土黏聚力c与滑带黏性土含量相关,黏性土含量多者取高值,碎石含量多者取低值,内摩擦角φ一般小于滑面倾角,根据相似工程,含碎石的粉质黏土滑带土的c一般在 10 ～ 13kPa,φ在 8°～ 15°之间。

(3)反演分析

根据滑坡稳定性现状,假设目前安全系数Ks,利用下式固定黏聚力c求内摩擦角φ,亦可固定 φ求c。

式中:c——滑动面土的黏聚力,(kPa);

Ks——稳定系数,滑坡处于整体暂时稳定-变形状态:Ks=1.02;滑坡处于整体变形-滑动状态:Ks=0.95～1.00;该滑坡取Ks=1.02;

Wi——第i条块的单宽重力,(kN/m);

αi——第i条块的滑动面倾角,(°);

φ——滑动面土的摩擦角,(°);

l——滑动面长度,(m)。

根据现场地质调查和勘察所取得的地质资料,及DZ/T 0219-2006《滑坡防治工程设计与施工技术规范》中关于滑坡滑带参数确定的相关说明,现在滑坡体正处于蠕滑变形阶段,取坡体现状安全系数Ks=1.02,分别按式(11)和式(12)反算岩土的参数,沿主滑方向选取典型的2-2′横断面天然状态,进行反算[3]。

(4)参数选取

滑动面抗剪强度参数的准确取值直接影响滑坡计算、分析的可靠性。根据滑坡体发生、发展的过程及现状综合室内试验成果以及反分析来确定。滑带的力学参数为天然 c=13 kPa,φ=11.00°,饱和c=11 kPa,φ=11.00°,滑体天然容重取 20 kN/m3,饱和容重取21 kN/m3。

4.3 滑坡稳定性综合评价

根据《滑坡防治工程勘查规范》第9.4.6条的规定,滑坡稳定性的分级评价标准见表1,滑坡的稳定性计算结果见表2。

表1 滑坡稳定状态分级

表2 滑坡稳定系数计算成果表

通过滑坡在3种工况下稳定性计算的结果,表明滑坡在不同工况下稳定性是不同的:

(1)1-1′剖面在天然工况下处于稳定状态,在地震工况下,稳定系数为1.10,处于基本稳定状态,在暴雨工况下稳定系数为1.01,处于欠稳定状态;

(2)2-2′剖面在天然工况下稳定系数为1.20,处于稳定状态,在地震工况下,稳定系数为1.06,处于基本稳定状态,在暴雨工况下稳定系数为1.03,处于欠稳定状态;

(3)3-3′剖面在天然工况、暴雨工况和地震工况,稳定系数在1.36～1.19之间,处于稳定状态。

由此可见,在暴雨工况下,滑坡的稳定性受到严重威胁,在雨季即将来临之前,应以暴雨工况作为设计依据,对滑坡进行治理。

4.4 滑坡推力计算结果评述

根据滑坡3个剖面在3种工况下的稳定性计算结果,表明滑坡剩余下滑力在不同的工况下,变化较大。

1-1′剖面在暴雨工况下稳定系数为1.01,取斜坡推力安全系数KS=1.05时,对应的剩余下滑力为448.67 kN/m;2-2′剖面在暴雨工况下稳定系数为1.03,取斜坡推力安全系数KS=1.05时,对应的剩余下滑力为273.75 kN/m;3-3′剖面在暴雨工况下的稳定系数为1.20,取斜坡推力安全系数KS=1.05时,对应的剩余下滑力为199.20 kN/m。

该滑坡在天然和地震工况处于稳定—基本稳定状态,滑坡不会发生整体失稳。

4.5 影响因素敏感性分析

影响滑坡稳定性的主要因素为滑带土的黏聚力c、内摩擦角c-Fs。本滑坡稳定性敏感因素分析范围定为c=7～ 15 kPa,φ=7°～14°。敏感系数计算的基准值:滑带土c=7～15 kPa,φ=10.50°,Fs=1.01为基准值,敏感系数按下式计算[4]:

式中:S——敏感系数;

ΔX——某因素变化量;

Δ Fs——Fs对应 ΔX 的变化量;

Fso——Fs的基准值;

Xmax-Xmin——某因素最大变化量。

由上述计算成果可知:滑动面的c、φ值与滑坡的稳定系数之间存在明显的线性关系;滑坡φ值对滑坡稳定性敏感系数为55.4%～60.1%,c值对滑坡稳定性敏感系数为7.92%～15.84%,由此可见φ值对滑坡稳定性的影响比c值对滑坡稳定性影响大。

5 滑坡稳定性评价结论

根据踏勘、勘查资料,在对该滑坡进行了定性和定量的稳定性分析后,表明其在天然工况下处于稳定状态,在暴雨工况,1-1′、2-2′剖面处于欠稳定状态,3-3′剖面处于稳定状态;在地震工况下,1-1′、2-2′剖面处于基本稳定状态,3-3′剖面处于稳定状态。可见滑坡不会整体失稳,明显存在强变形区和弱变形区的分区特征。由于汪家坪滑坡前缘临空,坡度较陡,并且“5.12”地震影响,滑坡中前部出现多处裂缝,滑坡体地表、滑坡体上方的水渠出现了大量拉裂缝,拉裂缝的宽度在0.03～0.3 m之间,滑坡后缘有发育高1.2 m的错台,前缘有较大规模的滑塌现象。在未来持续暴雨的作用下,降雨在重力影响下入渗至坡体,会降低滑坡稳定性,可能出现滑坡变形加剧。

可见,该中层大型滑坡无论是考虑工程自身稳定性,还是考虑到该地质灾害将造成的直接经济损失、对紧缺的土地资源的威胁和对环境的破坏,都必须采取工程措施对其进行治理,而且应尽可能做到早发现、早治理,一次根治,不留后患,既稳定滑坡又节约投资。

[1]GB 50330—2002,建筑边坡工程技术规范[S].

[2]GB 50021—2001,岩土工程勘察规范[S].

[3]秦四清.深基坑工程优化设计[M].北京:地震出版社,1998:124-129.

[4]陈希哲.土力学地基基础[M].北京:清华大学出版社,1998:243-280.