重庆鹤峰乡场镇滑坡新变形区特征与多工况稳定性研究

詹 涛

(1.重庆市地质矿产勘查开发局107地质队,重庆 401120; 2.重庆江北地质工程勘察院,重庆 401120)

长江三峡蓄水,在一定程度上改变了原有库岸斜坡的地质平衡,增加了地质灾害发生的风险,针对库区内大型典型滑坡开展的专题研究包括变形、成因与失稳机制分析、稳定性计算与评价、监测、防治措施等方面[1-9]。在三峡库区大型滑坡中,重庆市奉节县鹤峰乡场镇滑坡在2008年三峡库区水位升至173 m后出现新的局部变形,对滑坡体上的约2 300名居民产生了严重的威胁,李俊业等[10]基于极限平衡原理和Morgenstern-Price条分法,研究了库水位为145 m与降雨耦合、降雨与库区水位175 m、175 m陡降至145 m共3种工况下的稳定性,为降雨和库水位耦合情况下的场镇滑坡稳定性提供了科学参考。然而,当前针对该滑坡的新变形区还缺乏比较深入细致的研究,本研究拟采用现场调查、工程地质分析、定性分析与定量力学计算方法,开展该滑坡的新变形区特征与多工况稳定性评价研究,查明了该滑坡2008年新变形区的范围、规模、变形破坏及形态特征,并采用传递系数法对变形区稳定性开展了评价,为滑坡防治措施方案、治理施工设计等提供了技术支撑。

1 场镇古滑坡形成条件与变形特征

重庆市奉节县鹤峰乡场镇滑坡所在区域属中低山中深切割侵蚀河谷地貌。区內长江河谷南岸陡峻,阶地不发育,北岸稍缓而发育有不连续阶地。最高海拔高程1 867.2 m,最低118.70 m。地层发育,除第三系缺失,第四系零星分布外,从寒武系—白垩系均有分布。出露地层主要为中生代三叠系下统之嘉陵江组(T1j)和中统巴东组(T2b)第一、二、三、四段及上统须家河组(T3xj)。

鹤峰乡场镇滑坡位于墨溪河南岸斜坡地带,长江南岸奉节县新迁鹤峰乡政府所在地。据地表调查测绘,滑坡区位于墨溪河南岸,滑坡范围为：西起安家坪,东至鸡公梁子,北起墨溪河岸，南至丝坪(鹤峰至明堂盘山公路第二层)。滑坡平面形态略呈圈椅状(图1),前缘宽约750 m,后缘宽约440 m,纵向长(平距)450 m,面积约26.2×104m2。滑坡后壁基岩大多裸露,坡度角约30°,两侧以冲沟为界、前缘以墨溪河为界,滑坡前缘高程149.5～151 m,后缘高程290～303 m,相对高差约153 m。滑体地形呈台阶状,前后缘地形较陡,地面坡度角25°～40°,中部地形平缓、坡度角一般<10°,中部平台上分布密集的民房。滑坡前缘可见零星分布的胶结卵、砾石层,厚度2～5 m不等,卵、砾石分选性差。滑坡东侧中前部地段可见两处明显的碎裂岩体,表明该滑体为顺向滑动的岩质古滑坡体。除去基岩直接裸露的老滑坡后壁地段外,滑坡堆积体面积约19.5×104m2,滑体平均厚度约20 m,体积约为390×104m3。根据现场地面变形拉裂缝及地形特征等,滑坡主滑方向340°(图2)。

图1 场镇滑坡全貌Fig.1 Landslide panorama of Changzhen

图2 滑坡平面图Fig.2 Plane map of landslide1.第四系全新统冲积物;2.现场大体积密度试验探井；3.第四系全新统残、坡积物；4.简易提水试验及取水样探井；5.第四系全新统滑坡堆积物；6.现场大面积剪切试验探井；7.三叠系中统巴东组第三岩性段；8.探槽位置及编号；9.三叠系中统巴东组第二岩性段；10.滑坡周界；11.钻孔位置碎裂体；13.取土样钻孔；14.滑坡剪出口；15.取岩样钻孔；16.第四系土层与基岩分界线；17.简易抽水试验及取水样钻孔；18.拉张裂缝；19.探井位置地质剖面位置及编号；21.取土样探井；22.滑动方向。

图3 研究区节理玫瑰花图Fig.3 The joint rose map of the landslide area

2001年,滑坡经历了第一次变形,表层土体存在不少滑移拉裂变形迹象,局部地段稳定性较差。三峡库区试蓄水至173 m后,场镇滑坡局部出现新的变形。变形区左侧边界为剪切裂缝;右侧边界受奉恩公路内侧挡墙支挡影响,边界不明显;后缘边界距离最近的民房约7 m。滑坡前缘左段位于已建混凝土护坡墙面之上,第一阶马道内侧,凝土护坡墙面已隆起,长约93 m,宽2 m。滑坡前缘右段位于已建挡墙下部,奉恩公路内侧,挡墙目前相邻的两块间均出现错开,宽度3～7 cm,均为左侧向墨溪河方向倾斜,可见明显的有规律的变形,挡墙的高度均为4 m,应不是土压力分布不同所成,分析为挡墙走向与新变形区主滑方向呈69°夹角所致。变形区地形南东高北西低,分布高程150～207 m,相对高差约57 m。总体平面形态略呈圈椅状,其平均宽200 m,纵向长124 m,面积约2.48×104m2,滑体平均厚度17.8 m,体积约44.2×104m3,为一中型顺层土质混合式滑坡。根据滑坡边界特征、形态特征及变形特征等综合判定,变形区的主滑方向为311°。图4为该滑坡的前缘挤压拱起。

根据工程地质测绘和勘探工程揭露,滑体主要由粉质粘土、块石土及滑动岩体(岩质古滑体)组成,表层局部分布人工填土。厚度变化较大,范围为0.60～46.19 m。各个土层的特征如下:①人工填土。分布于滑体表层,主要见于变形区前缘,由粉质粘土、泥岩碎块石、灰岩碎块石、卵石、砂组成,松散—稍密,厚度0.8～5.75 m。②块石土。该层分布广泛,为滑体土的主要组成部分。紫红色、灰紫色,主要由粉砂质泥岩、灰岩、砂岩等碎块石及粘性土组成,块石含量50%～80%,粒径一般0.2～0.5 cm,其间充填的粉质粘土呈可塑—硬塑,局部可见架空现象,透水性好。厚度3.52～18.64 m。③滑动岩体。该层分布广泛,厚度6.04～27.64 m,其特征与粉砂质泥岩一致。

图4 滑坡前缘挤压拱起 Fig.4 Sliding arch at the front edge of the landslide

滑带土①主要分布于块石土内部粉质粘土富集处及土层与碎裂岩体接触面,分布高程164.94～187.97 m,呈褐黄色,软塑状,约10%～16%碎石、角砾。其透水性明显低于滑体土,该层厚度薄,局部不连续,厚0.2～0.80 m。滑带土②主要分布于碎裂岩体与下部滑床接触面:褐色、褐黄色,软塑状,约8%～13%碎石、角砾。其透水性明显低于滑体土,该层厚度不均,局部不连续,厚0.20～5.20 m。根据勘察工程揭露﹑地面调查及剖面图分析,滑床为三叠系中统巴东组(T2b)粉砂质泥岩、泥灰岩、灰岩。基岩面形态总体呈折线状,顺滑动方向基岩面倾角一般30°～42°,总体倾向340°。横向上坡度角一般28°～39°。平均埋深27.50 m,最大埋深46.19 m。滑床内地下水贫乏,层间及构造裂隙较发育。

2 新变形体变形过程分析

变形区自2008年11月库水位自173 m下降后,出现了大量的变形迹象,且有加剧趋势。裂缝总体倾向293°～318°。倾角变化较大,一般55°～88°,延伸长一般2.5～15.0 m,最长136 m,张开宽一般5～130 mm,最大达300 mm。地表下错10～100 mm,最大300 mm。裂缝最大可见深度1.2 m。前沿形成的隆起区域面积93 m×2 m。场镇滑坡自设定专业监测点以来,自2008年10月—2009年3月底。变形区内的4个监测点累计最大水平位移318 mm,累计最大垂直位移下沉128 mm。滑坡发生再次变形包括内部因素与外部因素两个方面,内部因素包括地层岩性、滑体内部物质组成、地形地貌条件等因素,外部因素包括区内降雨量、三峡库区水位变动的影响、人类活动因素。

滑坡变形区滑体主要由块石土及碎裂岩体组成,块石土厚度3.52～18.64 m,碎裂岩体厚度6.04～27.64 m,为滑坡变形区的形成提供了丰富的物质基础。经钻探及探井揭露,块石土中粉质粘土分布不均,局部较富集,故透水性差,具有隔水性。下部滑床为粉砂质泥岩及泥灰岩,透水性差,具有隔水性。故地下水易在块石土中粉质粘土富集地带、块石土与碎裂岩体、岩土接触带汇集径流,从而加剧粉砂质泥岩的风化、泥化,或使原基岩面的粉质粘土饱水软化,易形成滑动面。根据2001年勘察所取的土样,有12件土样的液限>45%,经过一次滑塌,满足次生红粘土的条件。从平面图(图2)上各勘察探点的位置来看,次生红粘土在滑坡的前缘地带分布较多,但不连续。次生红粘土的水稳性较差,在遇水后,力学性质急剧下降,而库水位所造成的地下水位上升,将直接导致次生红粘土的抗剪强度降低,易在滑体内部产生潜在滑动面,从而对滑坡的稳定性产生不利的影响。区内降雨丰富,年均降雨量1 059.4 mm,时间分布极不均匀,暴雨多集中在4—9月,日降雨量最大141.4 mm,秋季多雨。大气降水沿块石土、碎裂岩体渗透到滑带,降低滑带土的强度,提高了滑体容重,产生动、静水压力等,造成下滑力增大,抗滑力减小,为变形区的最后形成起到了促进作用。

自库区试蓄水至173 m后,变形区地下水水位总体上升,变形区内地下水位随之下降便产生了动水压力,变形区更易失稳。库区蓄水后,鹤峰乡场镇成为奉节县重要的移民城镇,规划人口约6 000人,大量的外来移民在场镇建房居住,滑坡体上居民剧增。目前,滑体上街道骨架已形成,生活(水电)等设施也基本完成,相比2001年勘察时,新增的楼房(2～5层)79栋之多,滑坡体上生活的居民,含鹤峰希望小学师生共约2 300人。滑坡上建筑物的增加或改造,为砖木及砖混结构民房,一般1～5层,采用浅基础,以块石土为持力层。随着多年的修建变迁,滑坡体的堆载、开挖、填筑,破坏了坡体原有的应力状态,加上地表水排水系统损毁,造成生活、生产用水和地表水排放不畅,对滑坡的稳定性也产生了不利影响。

3 新变形体多工况稳定性评价及预测

3.1 稳定性分析方法与参数选择

由于滑坡滑面呈起伏不平的折线型,故依据《三峡库区三期地质灾害防治工程地质勘察技术要求》(2004-12)推荐的折线型滑动面的传递系数法来评价滑坡的稳定性及计算滑坡下滑推力。根据《中国地震动参数区划图》[GB18306—2001]及《重庆市各地地震基本烈度表》,奉节县地震对应的基本烈度为Ⅵ,地震动峰值加速度为0.05g,根据《三峡库区三期地质灾害防治工程地质勘察技术要求》(2004-12)规定,本次计算时不考虑地震力。由于滑坡为涉水滑坡,依据其工况组合、地质灾害防治等级,综合取定滑坡安全系数:静止水位时为1.20,水位降落时为1.15。同时计算了滑坡相应安全系数时的剩余下滑力及拟支挡位置处的推力。

计算参数选取的合理性,是计算评价滑坡稳定性的关键,其中潜在滑带土抗剪强度指标的取值更是至关重要,本次采用室内试验、野外大剪试验二种方法确定。滑体重度:滑体为粉质粘土粘块石,碎、块石含量约占60%,粉质粘土含量约占40%,根据原勘察资料,室内测试滑体粉质粘土天然重度19.40 kN/m3,饱和重度19.90 kN/m3,粉砂质泥岩天然重度:26.2 kN/m3,灰岩块石天然重度:26.8 kN/m3,碎块石加权平均重度(灰岩与粉砂质泥岩含量按1∶4计算)为26.35 kN/m3,按土石含量(土石比为4∶6)计算得变形区天然重度为21.88 kN/m3,饱和重度22.11 kN/m3,现场大重度测试平均值21.71 kN/m3。天然重度21.18 kN/m3与大重度测试值加权平均(权重分别为4∶6)得天然重度为21.8 kN/m3,按同等比例减少得饱和重度为22.24 kN/m3。经实验统计,粉砂质泥岩天然重度26.2 kN/m3,饱和重度26.4 kN/m3,考虑到碎裂岩体间存在空隙,粉砂质碎裂岩体参照粉砂质泥岩重度并适当减少取值,天然重度取25.2 kN/m3,饱和重度取25.5 kN/m3。滑带土抗剪强度指标:根据7件滑带样统计分析得变形区滑带土抗剪强度指标标准值(表1)。本次勘察变形区上滑带土内共进行2组现场大剪,其试验成果详见表2。采用反算法检验滑坡抗剪强度指标。得出的抗剪强度参数值,结合变形区目前处于蠕动变形的实际情况,综合确定场镇滑坡抗剪强度参数值见表3。

表1 室内测试块石土内部、土层与碎裂岩体接触面滑带土抗剪强度指标Table 1 Laboratory test of shear strength index of sliding zone soil in block stone soil and interface between soil layer and fractured rock mass

表2 变形区现场大剪试验成果统计表Table 2 Statistical table of field large shear testresults in deformation zone

表3 变形区块石土内部、土层与碎裂岩体接触面滑带土抗剪强度综合取值表Table 3 Comprehensive value table of shear strength of slip zone soil in the interior of rocky soil,soil layer and fractured rock mass in deformation zone

3.2 稳定性评价结果

对滑坡进行稳定性分析评价工作(图5-图6),将稳定性划分为4级:稳定系数(Fs)大于规范要求的安全系数(1.20或1.15)为稳定,(1.20或1.15)≥Fs>1.05为基本稳定,1.05≥Fs≥1.0为欠稳定,Fs<1.0为不稳定。滑坡计算结果与稳定性分析详见表4。

计算结果与滑坡在2008年11月库区水位上涨至173 m后,滑坡出现少量变形,自173 m下降时出现较强烈变形的现象相一致,计算结果真实可信。由计算结果可知,滑坡变形区受库区水位及暴雨的影响较大,在库区坝前水位分位于175 m、162 m、墨溪河处于常年水位(即库区水位高程低于墨溪河河床)且静止不动时,变形区处于基本稳定状态。在库区坝前水位自175 m降至145 m,新变形区处于欠稳定状态。在库区坝前水位自175 m降至145 m,同时遇非汛期20年一遇连续5日降雨,变形区处于不稳定状态。

图5 滑坡计算工程地质剖面图Fig.5 Engineering geological profile of landslide calculation

图6 滑坡剖面滑动计算模型图Fig.6 Slip calculation model diagram for the landslide section

表4 不同工况与荷载的滑坡稳定性计算成果表Table 4 The results of landslide stability calculation under different working condition and load

涉水或不涉水滑坡水库运行水位工况组合编号荷载组合内容稳定性系数安全系数稳定性涉水滑坡点位处水位线涉水滑坡静止水位水位降落1自重+地表荷载+现状水位1.4601.20稳定2自重+地表荷载+水库坝前175 m静水位+非汛期20年一遇暴雨1.0711.20基本稳定3自重+地表荷载+水库坝前162 m静水位+20年一遇暴雨1.0651.20基本稳定4自重+地表荷载+墨溪河常年水位+20年一遇暴雨1.0651.20基本稳定5自重+地表荷载+坝前水位从175 m降至145 m1.0391.15欠稳定6自重+地表荷载+坝前水位从175 m降至145 m+非汛期20年一遇暴雨0.9871.15不稳定7自重+地表荷载+坝前水位从162 m降至145 m+20年一遇暴雨1.0651.15基本稳定坝前水位接11月份20年一遇洪水水面线坝前162 m水位接汛期50年一遇洪水水面线,156 m,145 m接汛期20年一遇洪水水面线坝前水位接11月份20年一遇洪水水面线坝前水位接汛期50年一遇洪水水面线

4 变形体危害性与防治措施

4.1 变形体危害性

场镇滑坡变形区一旦失稳,将使后部的整体产生新的临空面,从而诱发新的再次变形。整体目前处于稳定—基本稳定状态,在暴雨或库区水位涨落影响下,存在滑动的可能,有必要对场镇滑坡整体进行治理。场镇滑坡位于墨溪河右岸,一旦产生滑坡,将堵塞墨溪河,影响航行安全,同时阻断奉节—三角坝、奉节—明堂的公路。场镇滑坡上现在主要有鹤峰乡政府机关、鹤峰乡希望小学、敬老院、农村信用合作社、卫生院、商店、加油站及修理厂等,总人口2 300人以上,其中希望小学约占500人。滑坡变形区一旦失稳将造成大量的人员伤亡及财产损失。

4.2 防治原则与措施

由于滑坡所在地段人口较多,是重要的交通要道及移民建设场镇,故在滑坡防治过程中应始终贯彻以下原则:综合治理与长期监测相结合;坡面防护工程与排水工程、局部支挡工程相结合;滑坡治理与集镇规划相结合;经本次勘察核算,滑坡整体目前处于稳定—基本稳定状态,治理切不可将变形区独立出来治理,应着眼大局，考虑滑坡的未来发展趋势综合治理。

应采取必要的工程措施,根据滑坡地形条件和地质结构特点,结合规划建设,排水措施为主,局部支挡为辅进行治理,在现有的挡墙下部—公路内侧—变形区剪出口一带设置抗滑桩进行支挡。抗滑桩应穿过下部的碎裂岩,进入完整的基岩,并满足相关规范的嵌岩深度要求。应对地表排水沟修复完善。施工中应尽量减少对已有护坡的破坏,以免对滑坡稳定性产生新的影响。

5 结论

根据勘察与钻孔揭露的情况综合分析,场镇滑坡发生再次变形,内部因素包括地层岩性、滑体内部物质组成、地形地貌条件等,外部因素包括区内降雨量、三峡库区水位变动影响、人类活动等。自2008年11月库水位自173 m下降后,出现了新的变形迹象,且有加剧趋势。利用传递系数法计算了7种工况下的变形区稳定性,结果表明变形区受库区水位及暴雨影响较大,在库区坝前水位自175 m降至145 m,变形区处于欠稳定状态;同时遇非汛期20年一遇连续5日降雨,变形区处于不稳定状态。建议在综合分析场镇滑坡与库区运行条件下新的变形体形成与变形的成因机制基础上,采取必要的工程治理措施。