崇州万家中学后山滑坡成因机制与稳定性分析

2014-12-21王锐，刘刚

水利与建筑工程学报 2014年5期

王锐，刘刚

(1.中国建筑西南勘察设计院有限公司，重庆401147;2.重庆市地质矿产勘查开发局南江水文地质工程地质队，重庆401147)

滑坡是指一定坡度斜坡土体在重力和外在因素的作用下失去原有的稳定状态，而沿着斜坡内某一滑动面(滑动带)整体或部分下滑的现象［1］。滑坡与山崩、塌方、泥石流一样，有危害性大、破坏性强等特点。滑坡在破坏道路桥梁设施、堵塞河道沟渠、毁坏工厂农田以及基础工程设施和社区居民住地的同时，还严重破坏生态环境，给国家经济建设和人民生命财产造成巨大损失和隐患［2］。

国内外学者对滑坡研究已做过不少工作，特别是土力学家和地质学家提出不少假说和见解。Van Asch T W J［3］针对堆积层滑坡作了深入研究，认为坡体自表层至深部、后缘至前缘，其物质含泥量有所增大，从而导致密实度随之增大、渗透性降低，最终发现，降雨入渗作用对于不同厚度的堆积体滑坡稳定性有明显的影响。王荣鲁，王启胜［4］等针对三峡库区典型堆积层滑坡的地质调查和基础资料分析，通过研究此类滑坡与其它类型滑坡的主要区别，最后总结出堆积层滑坡的位移动力学特征。孙书勤［5］利用FLAC3D对天台乡滑坡特征及稳定性进行了数值模拟，得出坡体在天然状态下是稳定的，在暴雨条件下不稳定滑坡体发生整体失稳的可能性不大，但极有可能发生局部滑坡灾害。安光明［6］、白永健［7］、张云祥［8］、黄河清［9］、王湘锋［10］、梁利喜［11］分别对重庆市涪陵区植物油厂等滑坡的成因机制进行了研究，对其稳定性作了分析，发现不稳定滑坡周边人工活动是滑坡形成的直接原因，而夏季强降雨是其发生的诱发因素。

由于文井江镇万家社区后山滑坡在自重和地震、暴雨的共同作用下极有可以发生滑坡灾害，严重威胁坡前缘居民的生命财产安全，且因万家社区6组特殊的地层岩性、地质结构和构造，对于万家中学后山滑坡的成因机制与稳定性分析亟需解决。本文针对后山滑坡的特点，根据相关规范对后山区域地层岩性和地质构造进行勘查后，结合区域性环境对其滑坡潜在滑动面、滑动体的影响作用，最终形成对其稳定性的评判。

1 工程概况

2008年5月12日，四川省汶川县发生里氏8.0级大地震，给四川省造成极为严重的人员伤亡和财产损失，同时因地震引发了大量的次生地质灾害，严重威胁到交通、民房和安置点。位于文井江镇万家社区6组万家中学后山的不稳定滑坡在强降雨作用下，严重威胁分布在滑坡前沿的万家中学、万家镇镇政府以及医院等职能部门，且灾后可能造成的直接经济损失接近1 000万元，因此，其危害对象等级为二级，安全等级为二级。

本次对文井江镇万家中学后山滑坡勘查的主要目的和任务是:在充分利用崇州市已有地质灾害资料基础上，依据规范，科学合理地选取勘探手段，实施必要的勘查工作，查明滑坡所在地域的地质背景(地形地貌特征、地层岩性、构造)，影响滑坡稳定的边界条件(工程地质、水文地质、环境地质、地表水入渗补给条件及地下水的补给、排泄条件)以及合理确定相关软弱结构面及岩土层的物理力学参数，为该不稳定滑坡分析及工程设计提供可靠的基础资料;最后提出防治措施建议，并为设计提供有关的岩土物理力学参数。

2 勘查区自然条件及地质环境条件

2.1 自然条件

(1)地理位置

勘查区位于崇州市文井江镇万家社区，交通便利，公路纵横成网，到周边县市均有路况良好的公路畅通。万家中学后山不稳定滑坡坡脚处为万家镇，滑坡坡向225°。该坡位于怀鸡公路北侧，分布高程751 m ～860 m，纵长250 m ～400 m，宽约300 m，面积0.1 km2。如图1为滑坡区平面示意图。

图1 滑坡区平面示意图

(2)气象水文特征

崇州市属四川盆地热带湿润季风气候，雨量充沛，平均降雨量1 015.2mm。由于境内地形差异较大，雨量自东南向西北逐渐增大，以文井江、干五里河、味江河上游为山区，无根山为丘陵，其余为平坝。崇州市雨日较多，降水最多年降雨量为1 372.5 mm(1988年)，最少年为696.2 mm(2000年)。雨日和水量均是夏多冬少，其中，7月最多，平均达252.4 mm，12月最少为7.2 mm，5月—9月汛期降水量是829.2 mm，占年均降水量的82.0%。

勘查区内河流水系属岷江流域水系，主要河流为西河(元通以上别称文井江)。西河发源于苟家乡内火烧营北麓，向东流自鹞子岩出山口入平原，至元通与味江、干五里河、泊江汇合。自元通以下转向东南流，有沙沟河、向阳河、白马河流入。再向南流经三江镇的蒙渡入新津县境。全长109 km，市境内长96.8 km，流经14个乡镇，为全市最长河流。

文井江流经勘查区西南侧，河水四季不断。据调查了解，最高洪水位达不到勘查区。

2.2 地质环境

(1)地层岩性

勘查区地层由全新统及侏罗统中下统自流井组组成。勘查区范围内第四系全新统(Q4)主要有:崩坡积层(Q4col+dl);冲洪积层(Q4

al+pl)。第四系全新统主要分布于工作区滑坡前缘文井江河床、河滩上，地貌特征明显，地层软硬相间。勘查区内侏罗统中下统自流井组主要含三种岩性:砂岩(J1－2z－Ss);泥岩(J1－2z－Ms)和砾岩(J1－2z－Ls)。如图 2 为滑坡地质B－B'纵剖面图。

图2 滑坡地质B－B'纵剖面图

(2)地质构造

勘查区主要位于雾中山褶断带。雾中山褶断带由一系列北东向展布的褶曲、断裂、飞来峰群组成。地层以三叠系—第三系地层为主。主要构造形迹有分布于崇州市中西部的雾中山背斜、大涡漩向斜、小涡漩背斜和熊家沟向斜。根据地质测绘以及地面调查，在滑坡前缘文井江左岸陡崖基岩出露良好，对岸边出露地层产状进行综合分析，得知勘查区位于一向、背斜褶皱处，地层产状变化明显。

(3)地震

根据《中国地震动参数区划图》［12］(GB18306－2001)及《建筑抗震设计规范》［13］(GB50011－2010)，勘查区属抗震设计地震第二组，抗震设防烈度为7度，地震动峰值加速度值为0.10g，特征周期为 0.35 s。

3 滑坡成因机制分析

3.1 滑坡土体特征

滑坡体主要为块碎石土，该层分布广泛，滑坡中上部土体厚度0.8 m～15.3 m，总体上是东、西部较薄，中间厚，后部薄。对于滑坡平台的土层厚度，由于镇上已有建筑均未进行地质勘察，限本次工作量，未在平台中部布置勘探钻孔，但据访问在万家中学校舍勘察钻探揭露及平台前缘土层露头估计平台土体厚度约12.0 m。

滑坡土体岩性主要成分为粉质粘土夹砂岩、砾岩块碎石。其中块碎石多呈棱角状，一般块径0.1 m～1.2 m，少数可达4.2 m;粉质粘土为黄褐色，灰褐色、紫红色，可塑～硬塑状，土石比4∶6～2∶8之间。在滑坡中后缘土体块碎石含量较高，中部前含量较低。在滑坡前缘临江附近有少量卵石土，卵石分选较差，磨圆度一般。对滑坡土体进行现场大重度测试，其 γ =18.96 kN/m3～20.78 kN/m3。

3.2 滑坡土体下伏基岩面特征

万家中学后山滑坡滑床是由侏罗统中下统自流井组组砂、泥岩以及砾岩组成。基岩面形态从横向上呈波状起伏，纵向上呈折线型，具有后缘陡、前缘平缓，与地表形态近于一致，基岩面倾角5°～58°。

3.3 潜在滑动带特征

该滑坡可能沿堆积体与基岩之间软弱结构面滑动。其可能滑动方向与坡向一致，为225°左右。潜在滑动面大致成折线状，倾角中前部较缓，为2°～8°，后部较陡，为10°～58°。滑带土为黄褐色粉质粘土;局部含碎石，结构致密，天然状态下可塑到硬塑状。由于在滑坡中部存在临空，为其剪出提供了很好的条件，其中最不利剪出位置高程约785 m～791 m。

3.4 滑坡稳定性影响因素

不稳定滑坡的成因主要由多种因素作用的结果，地形地貌、岩土体岩性与结构、降雨、人类工程活动等。(1)降雨的作用:暴雨或持续降雨使地表水下渗，滑坡堆积体饱水程度增大，抗剪强度降低，自重下滑力增大，抗滑力减小，是造成滑坡稳定性降低而发生局部蠕滑变形的主要原因。(2)滑坡坡度较陡，是造成滑坡稳定性降低的直接原因。(3)人类工程活动，特别是在坡脚下开挖，切坡等对滑坡的稳定性产生了较大的不利影响。

综上，滑坡变形体破坏受控于特殊的地质结构、物质组成和地形条件。降雨及地表水的渗入是本坡体拉裂及变形的主要诱发因素。

4 滑坡稳定性评价及推力计算

4.1 计算模型与工况

(1)计算模型

由于滑坡潜在滑动面呈折线型，故采用条分法对各剖面进行分析，因此可利用简化折线作滑坡体坡面地形线，计算时取滑坡的单位宽度1.0 m，最终简化为二维问题进行计算。

(2)工况组合

由于暴雨对滑坡堆积体稳定性影响较大，拟采用3种工况条件下对滑坡稳定性进行计算:工况1，天然状态下，自重;工况2，强降雨作用下，自重+暴雨;工况3，天然状态下，自重+地震。

4.2 计算方法与参数选择

(1)滑坡稳定性计算方法

滑坡稳定性分析一般包括定性分析、定量解析和综合评价。万家中学后山滑坡变形体主要由第四系块碎石土组成，故可根据滑坡的基本情况和条件利用极限平衡法判定滑坡稳定性，按传递系数法计算滑坡推力。根据滑坡的特征、形成机制、影响因素，滑坡稳定性分析计算荷载主要有:坡体自重、暴雨条件、地震影响等，由此选取 A－A'、B－B'、CC'剖面对滑坡变形体进行稳定性计算。

(2)计算参数分析与取值

计算参数的选取合理与否，是计算评价滑坡稳定的关键所在，其中滑带土抗剪强度的取值更是关系重大，本次采用室内试验、反算法以及类比经验进行分析确定。通过室内试验，整合分析滑坡变形体土体天然重度平均值为20.10 kN/m3，饱和重度平均值20.20 kN/m3。滑坡土体基本力学参数见表1，而通过反算法，求得整体潜在滑面的平均值C值为29 kPa，φ 值为 18.8°。

表1 滑坡土体基本力学参数

根据上述各种方法，得出的抗剪强度参数，同时考虑到土体中的碎块石对抗剪强度的影响，结合地方经验，建议取值如表2所示。

表2 建议抗剪强度参数

4.3 滑坡稳定性计算与稳定性评价

根据滑坡的滑动面近似折线型，按照《岩土工程勘察规范》［14］(GB50021－2001)推荐的公式对滑坡的稳定性及滑坡土体推力进行计算。

结合该滑坡的实际情况，计算滑坡稳定性及验算万家场段稳定性。万家场全段验算计算结果见表3，滑坡稳定性计算结果见表4。其中，根据《滑坡防治工程勘查规范》［15］(DZ/T0218－2006)本滑坡稳定性分析评价标准为:稳定性系数Fs＞1.15为稳定，1.15＞Fs＞1.05 为基本稳定，1.05 ～1.00 为欠稳定，小于1.00为不稳定。

表3 滑坡变形体稳定性计算结果(万家场全段)

由表3可知，万家中学后山滑坡土体不可能沿岩土界面从场镇前缘剪出。通过计算，万家场全段在A、B、C三个剖面位置的稳定系数稳大于临界稳定系数，且高于各工况下的安全系数，在理论上可判断万家场全段是处于稳定状态的。

表4 滑坡变形体稳定性计算结果(全坡段)

由表4可看出，万家中学后山滑坡变形体A、B剖面各工况下处于基本稳定状态，C剖面处于稳定状态。对于A、B剖面，目前处于基本稳定状态，但是稳定系数接近于1，缺乏安全储备，在遇极端天气有向欠稳定状态发展的可能，发生滑坡的可能性也较大。C剖面处稳定系数较高，相对安全。

综上述，万家中学后山滑坡变形体A、B剖面在各工况下处于基本稳定状态，C剖面处于稳定状态，但在暴雨状态下有加剧失稳的可能。

5 结论

(1)万家中学滑坡位于崇州市文井江镇万家社区，该滑坡可能沿堆积体与基岩之间的软弱结构面滑动，又因其中部存在临空，为其剪出提供了很好的条件，而降雨及地表水的渗入是本坡体拉裂及变形的主要诱发因素。

(2)利用传递系数法计算表明:该滑坡全坡段在自重、自重+暴雨、自重+地震等三种工况下的稳定系数分别在 1.16 ～1.38、1.06 ～1.26 及 1.10 ～1.29之间，而万家场坡段在前两种工况下的稳定系数在1.88 ～2.29、1.65 ～2.07 之间。说明万家中学后山滑坡处于基本稳定状态，但在自重、地震和暴雨的共同作用下有加剧失稳的可能。

(3)建议支挡部位设置在滑坡的坡脚地带，即B－B'剖面上及其两侧，保证抗滑桩支挡结构与排水工程相结合。同时，建议对部分滑坡上的危石进行清理排查并作适当处理。

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