四川省南江县下两中学滑坡成因机制分析与稳定性评价

吕俊磊，胡卸文，顾成壮，罗 刚，梁敬轩

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063;2.西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川成都 610031;3.西南交通大学抗震工程技术四川省重点实验室，四川成都 610031;4.西南科技大学土木工程与建筑学院，四川绵阳 621010)

0 引言

2011年7月至9月，四川省南江县发生过两次强降雨，单次降雨量高达165 mm。由于该区域地形地貌复杂，地势高差大，强降雨作用引发了大量的滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害。2011年9月22日，受前期两次强降雨的影响，下两中学东侧坡体产生滑移变形，并发生局部垮塌，导致学校食堂、宿舍、教学楼及运动场等教学设施均受到不同程度的损坏，位于滑坡前缘附近的教师公寓楼破坏尤其严重，随时有倾倒危险。下两中学滑坡严重威胁近2500在校师生的安全，威胁资产1000万元以上。滑坡平面图及典型剖面图参见图1、图2。

现场调研及相关地质资料表明，下两中学滑坡是覆盖层碎石土沿着基覆界面顺层滑动，属于平滑型滑坡。分析研究其成因机制及稳定性评价对后期工程治理具有重要的指导作用，同时，平滑型滑坡在西南地区较为普遍，研究成果可用于类似滑坡的理论分析及工程应用参考。

图1 滑坡平面分布图Fig．1 plane distribution of landslide1—人工堆积层;2—第四系残坡积物;3—侏罗系泥岩;4—岩层产状;5—地层界线;6— 滑坡边界;7—裂缝及编号;8—民房;9—剖面线及编号。

图2 南江县下两中学滑坡Ⅰ-Ⅰ'剖面图Fig．2 Cross-section sketch of landslide1—人工堆积层;2—第四系残坡积物;3—侏罗系泥岩;4—含碎石粉质粘土;5—泥岩;6—滑坡堆积物;7—水位线;8—钻孔;9—裂缝。

1 滑坡工程地质背景

滑坡区位于川东北浅中切割剥蚀中(低)山区，为桌状山地貌，滑坡前缘高程330m，后缘高程350m，斜坡坡度较缓，局部为陡坎，地形起伏多变，滑坡纵向长约91m，横向宽约40m，坡度10°～15°，斜坡总体坡度向北，滑坡区东侧为陡崖。

滑坡区位于新华夏构造体系之四川盆地边缘弧形构造带，处于龙凤场背斜北西翼，新华向斜南东翼，区内主要发育两组裂隙:1)产状97°∠75°，裂面平直，多闭合状，间距约 0.3～0.8m，延伸好;2)产状 154°∠82°，裂面平直，局部张开 5～20mm，间距 0.4～1.1m。滑坡区地震动峰值加速度为0.05g。

2 滑坡变形破坏特征与破坏模式

2.1 滑坡变形特征

平面上不同部位滑坡体变形破坏程度不同，裂缝的发展具有规律性。各裂缝走向相互间基本平行，并与滑坡主滑方向近垂直。滑坡体前缘地面张裂和楼房开裂明显较中后区强烈，滑坡前缘原宿舍楼处分布有长大裂缝，水平错距3～15cm，延伸7～38m，可见深度约0.3m，变形破坏还导致了原宿舍楼楼房开裂和地面沉降(图3、图4)。

图3 滑坡区前缘原宿舍楼前地面开裂Fig．3 Crack of the dormitory at front of landslide

图5 滑坡破坏模式图Fig．5 Deformation failure mode of the landslide

图4 滑坡体上原宿舍楼墙面开裂Fig．4 Crack of the dormitory building on landslide

2.2 滑坡破坏模式

下两中学滑坡变形迹象主要表现为前缘建筑物拉张裂缝和后缘地面拉张裂缝。由于滑坡前缘工程建设开挖，导致前缘临空。在持续的强降雨作用下，斜坡岩土体饱和，容重增大;岩层中软弱面抗剪强度降低;地表水下渗，地下水位上升、流动，产生静、动水压力。在上述水-岩相互作用效应下，滑坡前缘局部产生拉张裂缝，后前缘坡体发生剪切破坏出现明显滑动;由于滑坡中前部的局部滑动，在滑坡后缘产生拉裂缝，后拉裂缝逐渐扩展，当滑动面全部贯通时滑坡发生。下两中学滑坡的变形方式属蠕滑-拉裂式，其破坏方式为牵引式(图5、图6)。

3 滑坡的形成条件

3.1 有利的地形

滑坡位于整个斜坡的中下部，局部为陡坎，地形起伏多变，具有台坎式微凹槽形的地貌特点，易于降雨形成地表水下渗和地表径流。在斜坡前缘部，因学校中长期规划，对其进行了开挖，形成临空的陡坎，坎高5～8m，为滑坡的形成提供了有利的地形。

3.2 良好的岩土体结构

滑坡体由含碎石粉质粘土及松散人工堆积物组成，含碎石粉质粘土具有弱透水性，松散人工堆积物具有中等透水性;而下伏鲜红色泥岩为不透水层，属隔水层。大气降水下渗至基覆界面时，在基岩面易富集地下水，形成集中渗漏通道，为形成滑动变形提供了良好的岩性组合和岩土体结构，有利于形成滑带，导致滑坡滑动。

3.3 强降雨作用

滑坡前发生两次强降雨，地表水顺着松散堆积层中的空隙和裂隙下渗，且由于泥岩为隔水层，雨水在基覆界面处形成上层滞水，上层滞水不但对滑坡体产生一定浮托力和静、动水压力，且大幅降低滑带的物理力学性质，加大滑体重度。强降雨作用是诱发和加剧滑坡变形破坏的主要因素。

3.4 工程开挖

工程开挖是滑坡产生的根本原因。下两中学为扩建其运动场，对滑坡前缘岩土体进行开挖，形成5～7m临空面。大量开挖滑坡坡脚，减小了滑坡的抗滑力，从而致使滑坡前缘强烈变形，中后缘覆盖层滑体也随即变形，造成滑坡体上的建筑及地面开裂。

4 滑坡稳定性分析与计算

4.1 计算参数选取

计算参数是以室内试验值为基础，主要参考地质测绘对滑坡稳定性的宏观判断，结合参数反演结果和类比当地滑坡经验综合选取滑带土岩土体力学参数(表1)。

表1 滑带岩土体力学参数Table 1 The physical and mechanical parameter of the slipband

4.2 滑坡体稳定性定量计算

传递系数法在边坡稳定性分析中最常用的一种分析方法，综合考虑到滑坡区内影响滑坡稳定性的各种因素，采用不平衡推力传递系数法［5］，对滑坡不同工况进行了定量计算［6-9］，以典型剖面Ⅰ -Ⅰ'、Ⅱ -Ⅱ'、Ⅲ-Ⅲ'作为计算剖面。

图6 剖面Ⅰ－Ⅰ'、Ⅱ－Ⅱ'、Ⅲ－Ⅲ'稳定性分析及推力计算模型Fig．6 SectionⅠ － Ⅰ'，Ⅱ － Ⅱ'，Ⅲ － Ⅲ'Stability analysis and thrust calculation model

根据传递系数法，其稳定性系数计算公式如下［11］:

根据滑坡的形态及滑坡的主滑方向，选取滑坡典型剖面，对其进行稳定性计算，条分如下:

运用极限平衡法求得滑坡典型剖面Ⅰ-Ⅰ'、Ⅱ-Ⅱ'、Ⅲ-Ⅲ'稳定性系数，计算结果见表2。依据《滑坡防治工程勘查规范》［10］，滑坡稳定性状态按稳定系数分四级(表3)。

表2 滑坡稳定性计算结果Table 2 The results of stability caculation

计算结果表明:滑坡目前处于基本稳定，但是饱和状态稳定系数1.01～1.03，处于欠稳定，缺乏安全储备;有可能在强降雨作用下出现再次滑动。

表3 滑坡稳定状态划分Table 3 State of landslide stability

4.3 滑坡体变形破坏特征的数值模拟

本文采用FLAC3D软件模拟强降雨下滑坡的应力应变特征，为进一步分析评价滑坡稳定性提供依据。

为便于计算机模拟，本文对滑坡原型结构方面进行合理简化，模型尺寸为320 m×80 m(长×高)，模型共分9个模块(图7)，采取表1中的计算参数，选取Ⅰ-Ⅰ'剖面为计算剖面(图8)。

本次模型试验假定土体的塑性行为符合理想弹塑性关系，不产生应变硬化或软化，土体的屈服准则采用摩尔-库仑(Mohr-Coulomb)模型。在FLAC3D数值模拟中，主要通过设置静态边界和自由场边界来实现边界条件的设置。静态边界条件选取底边界为竖直方向约束，两侧边界为水平方向约束;自由场边界条件选取坡体顶面不受约束。

图7 滑坡数值模拟模型Fig．7 Numerical simulation of landslide diagrammatic

图8 滑坡数值模拟剖分图Fig．8 Numerical simulation of landslide subdivision graph

模拟结果如图9～11所示。从图中可以看到，在饱和状态下滑坡体前缘出现了较大的位移。进一步结合滑坡失稳后的y方向的位移图(图9)和在滑坡模型前缘设置的监测点(hist10、hist11)在y方向的位移曲线(图10)共同验证了滑坡的破坏模式。在滑坡失稳后的位移图中，滑坡前缘的位移量明显大于滑坡后缘的位移，再通过新滑坡塑性破坏图(图11)的验证，说明滑坡先是前缘破坏，然后整体产生滑移的牵引式滑坡。

图9 滑坡水平位移云图Fig．9 The vector plot of landslide

图10 滑坡前缘监测点水平方向位移曲线图Fig．10 The horizontal displacement of hist in the front of landslide

图11 滑坡塑性破坏计算图Fig．11 Plastic destroy plot of landslide

5 结论

(1)下两中学滑坡的形成条件主要包括有利的地形、良好的岩土体结构、强降雨作用及工程开挖。其中，工程开挖时滑坡得以复活的根本原因，滑前两次强降雨是滑坡的主要诱发因素。

(2)采用极限平衡法计算滑坡稳定性，得出滑坡在天然工况下的稳定性系数为1.14～1.15，处于基本稳定状态;在暴雨工况下稳定性系数为1.01～1.03，处于欠稳定状态。

(3)根据FLAC3D数值模拟结果，结合滑坡成因机制及形成条件，滑坡的破坏模式可归纳为“滑坡前缘局部产生拉张裂缝→滑坡前缘坡体发生剪切破坏出现明显滑动→滑坡后缘出现拉裂缝并逐渐扩展→滑动面贯通，滑坡发生”，其破坏方式为牵引式。

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