舟曲县瓜咱坝3号滑坡成因机理分析及防治对策

2020-05-20吴冠仲

科学技术与工程 2020年9期

吴冠仲

(中铁西北科学研究院有限公司，兰州 730000；国家文物局石窟保护技术重点科研基地，兰州 730000；甘肃省岩土文物保护工程技术研究中心，兰州 730000)

大型深层、复合型滑坡具有防范难度大、成因复杂、运移距离长、破坏性强等特点[1-3]。关于此类滑坡的变形破坏特征和成因机理的研究，目前主要是通过现场调查结合数值模拟等手段进行分析[4-7]。在实际生活中，此类滑坡将造成巨大的经济损失甚至是人员伤亡，因此在查明滑坡成因机理和变形破坏特征的基础上，加强滑坡防治对策研究具有重要意义。

2010年8月8日凌晨，舟曲县城北部三眼峪沟和罗家峪沟同时暴发特大山洪泥石流，特大地质灾害造成了严重的人员伤亡和经济损失。舟曲县峰迭乡瓜咱坝安置区是灾后恢复重建的重点规划区域，其地质灾害防治工作是保护人民生命财产、保证交通畅通的首要任务。

以大型深层、复合型滑坡——舟曲瓜咱坝3号滑坡为例，分析研究滑坡形态规模、变形迹象、破坏特征及破坏机理，进行滑坡稳定性计算，设计防治治理措施，并采用三维数值模拟方法，对比分析加固前后滑坡的变形情况，验证工程措施的合理性，为该地区后续相似的滑坡防治治理工程提供参考依据。

1 滑坡环境地质条件

1.1 自然环境

勘察区属温暖带，多年平均气温12.9 ℃，最高平均气温23.0 ℃，最低平均气温1.7 ℃；区内降水少而不均，降雨集中在7—8月，常以连阴雨和暴雨形式出现，年平均降雨量为435.8 mm，日最大降雨量96.77 mm。

1.2 地形地貌

勘察区地处南秦岭山地，是典型的高山峡谷地貌。山高、谷深、岩石多、坡陡、土薄、水流急，导致区内泥石流、滑坡等地质灾害频发[8]。峰迭乡瓜咱坝勘察区呈构造侵蚀中低山地地貌，滑坡发育于其中的陡峻谷坡，主要是受构造侵蚀和流水冲蚀的共同作用形成。

1.3 地层岩性

1.4 地质构造

滑坡区小型褶皱断裂发育，软岩分布广，岩体破碎，风化程度深。区内岩层走向为NW～NWW，岩层倾向变化较大，由坡脚部位NE向上逐步转变为SW，岩体中结构面比较发育，结构面主要有：①45°～70°∠30°～90°；②0°～22°∠20°～78°；③300°～315°∠15°～65°。其中③为与北西向褶皱和同生断层、小错断同期生成的结构面，是破碎岩石滑坡的缓倾角控制结构面，①、②、③结构面组合，控制着滑坡的后缘及滑面。

1.5 水文地质条件

堆积层上层滞水赋存于黄土质黏土底部、砂砾石层及崩残坡积等土体中，堆积层内含水量、水位随降水、气候、季节等的变化而变化；基岩裂隙水赋存于滑坡区强风化破碎带中，以潜水为主要储存形式，受大气降水调节控制，并在滑坡前缘以一泉水形式出露，涌水量约1 000 m3/d，常年有水；松散岩类孔隙水主要赋存于滑坡周界冲沟沟谷，呈带状分布，多为潜水，接受大气降水、地表水入渗补给和基岩裂隙水侧向补给，向河谷内排泄或沿含水层向下游径流。

1.6 岩土工程特性

根据钻孔岩芯取样并进行室内试验，获取其物理力学参数如表1所示。

表1 岩体物理力学参数Table 1 Physico-mechanical parameters of rock material

注：试样取自滑坡钻孔49.0～50.2 m深度处。

综上所述，滑坡区域软岩分布广，岩体破碎，风化程度深，易孕育滑坡、泥石流等地质灾害。

2 滑坡变形特征

2.1 形态规模

3号滑坡位于瓜咱坝新区阴山沟西侧的自然斜坡上，滑坡成天地势呈西北高南东低，高程1 760～1 475 m，相对高差285 m。

滑坡体呈圈椅状，滑坡坡面呈倾斜平面，坡度约38°～50°，滑坡分级处的地形稍缓，坡度约28°～35°。滑坡沿坡面横宽约285 m左右，纵长约455 m，其中北侧纵长较大，向南纵长减小。滑坡体积约为440×104m3，属于大型深层滑坡。

按照滑坡两侧冲沟及贯通剪切裂缝为界，将滑坡分为南北两个大条块，每个条块中又有多级、多层滑坡，如图1所示。滑坡北条块主滑方向NE80°，南条块主滑方向NE85°。

图1 滑坡地貌Fig.1 Landslide landform

2.2 变形迹象

此滑坡明显变形始于2011年春节前后，因滑坡前缘大范围坡体挖方，导致坡脚抗滑段被挖除，坡体应力重分布而松弛，逐级向后牵引，产生拉张裂缝和下错陡坎。

滑坡变形边界明显：滑坡后缘为高陡的下错陡壁，高约12～20 m，长约200 m，陡壁倾角65°～80°，拉裂缝宽约10～30 cm，呈倒“V”字形，在后缘探槽中可见滑动擦痕；滑坡南北两侧以近EW的自然沟为界，自然沟从山脊发育至坡脚，下切深度15～20 m，剪切裂缝发育明显；前缘坡脚由于人工开挖形成了较大挖方区，形成滑坡剪出口，在前缘一级缓坡平台自然沟部位出露二级滑坡剪出口；坡体裂缝密集发育且贯通性强，宽约0.2～1 m，下错0.2～1.5 m，可视深约3～5 m。

2.3 破坏特征

2.3.1 滑体

该滑坡属于堆积层-破碎岩石复合型滑坡。滑体厚度约31～52.5 m，其中上覆第四系堆积土石结构厚度约20～45 m；下伏反倾破碎角砾状片岩最大厚约22.5 m。

2.3.2 滑带(面)

滑坡北条块分为多级，滑面为基岩顶面的全风化片岩破碎带，滑面最深达45 m，在ZK1-3孔深20 m处可见有滑带，滑带岩性为全风化土状片岩黏土。滑坡南条块代分为两级，前级有两层深层滑带，深约25.7 m的滑带为不同成因堆积层界面，深约46.5 m的滑带为基岩顶面破碎带，在ZK3-2孔深43.5、46.5 m处可见滑带；后级滑面为全风化片岩破碎带，有25.7、42 m两层滑面，如图2所示。

图2 滑坡1-1工程地质剖面图Fig.2 Engineering geological section of the landslide 1-1

2.3.3 滑床

3 发生机理及演化过程

人为削切坡脚是滑坡发生的起始因素。坡脚抗滑段被挖除改变了坡体临空条件和坡体应力状态。

阴山沟底持续冲刷是滑坡不断滑动的主要因素。滑坡堆积物多次阻塞堆积于阴山沟底，但沟底冲蚀冲刷作用又再次使剪出口暴露。

岩性结构差异是滑体沿滑带产生滑带的重要内因。构成滑体的第四系堆积层及破碎角砾状片岩，结构松散、空隙大、透水性较强、强度低，而下部滑床板岩则结构相对紧密、强度较高。滑体与滑床接触面向谷底倾斜，基本与斜坡面倾向一致。

降雨是滑坡发生的主要诱因。水的作用加剧和控制滑坡发生的速度和强度，水的入渗使得滑体容重急剧增加，水沿裂隙、空隙、孔隙入渗，对岩土体及结构面产生浸润、泥化、软化作用，削弱岩土体强度，降低滑体和滑带的稳定性。

综上所述，在内外因素共同作用下，滑坡后缘拉裂缝、侧界剪切裂缝、坡体裂缝进一步扩展、张开、贯通，滑带岩土体强度降低，抗滑力削弱，最终导致坡体发生多条多级多层的、堆积层-破碎岩石复合型、牵引式变形破坏[2]。破碎岩石和松散碎屑为泥石流的形成提供了丰富的固体物质来源；暴雨降水既是泥石流的重要组成部分，又是其激发条件和搬运介质；滑坡区坡陡沟深、纵坡降大、植被生长不良，地形地貌利于固体物质和水的集中和流通，使得泥石流能迅猛直泻。瓜咱坝3号滑坡-泥石流发生机理及演化过程如图3所示。一旦滑坡发生变形破坏，极可能引发大型泥石流灾害的再次发生，将堵塞阴山沟，对瓜咱坝新城区造成威胁。

图3 滑坡-泥石流发生机理及演化过程Fig.3 The occurrence mechanism and evolutionary process of landslide to debris flow

4 稳定性分析

采用基于极限平衡理论的折线型滑动面的传递系数法[9]来评价滑坡的稳定性，滑动面简化成折线。取土体的单位宽度为1 m，简化为二维问题进行计算；根据岩土体室内试验数据、反演计算结果及经验参数，综合确定主滑段的力学参数指标；设计工况为自重、自重+暴雨、自重+地震三种。

根据定性判断及定量计算分析，北条块前级滑坡目前处于不稳定状态，浅层稳定系数为0.95，深层稳定系数0.97。南条块前级滑坡目前处于极限稳定状态，浅层稳定系数为1.0，深层稳定系数1.01。滑坡整体处于滑动阶段，目前处于欠稳定状态。

5 防治对策研究

根据舟曲瓜咱坝3号滑坡变形特征及稳定性，提出防治对策以前缘回填反压、桩板墙支挡、地表水和地下水排导等综合防治为主[10-12]。

(1)针对滑坡坡脚人为削切及沟底持续冲刷，在滑坡前缘坡脚采用回填反压，改变坡体应力场，以及坡体外形和临空条件，增强滑坡坡脚的抗滑力。

(2)在滑坡前缘设计支挡结构，底部埋设于滑面以下，以提高结构面的抗滑能力、改善滑面剪应力的分布状况、降低沿滑面发生累进性破坏的可能性。针对本坡体设计桩板式挡土墙，由悬臂桩和挡土板组合而成，悬臂桩采用人工挖孔桩，桩长25 m，深入地下15 m，地上10 m，桩顶设置通常冠梁；挡土板采用钢筋混凝土板。

(3)截断坡面水流及排除地下水流，以弱化外界因素的影响，防治坡体软化、消除渗透变形、降低坡体空隙水压力和静水压力。针对本滑坡，在滑坡后缘设置地表截排水措施，在坡面铺砌自然沟排水，在回填土上部设置排洪沟排导阴山泥石流沟的下泄物质，同时在滑坡的中前部设置仰斜排水孔疏排地下水。

6 数值模拟对比分析

利用FLAC3D软件进行数值模拟，对3号滑坡的破坏形态进行分析，对治理效果进行预测，对比分析天然状态和采取加固措施后的滑坡变形情况。

建立数值模型时，岩体材料采用理想弹塑性模型，破坏准则采用Mohr-Coulomb准则。静力边界条件为底部边界设定水平和竖直方向位移约束，侧向边界设定水平位移约束，顶部为自由边界。

选取滑坡Ⅰ-Ⅰ断面进行对比分析，天然状态和采取加固措施后滑坡断面的位移云图和塑性区如图4、图5所示。

图4 滑坡Ⅰ-Ⅰ断面位移云图Fig.4 Displacement nephogram of section Ⅰ-Ⅰ of landslide

图5 滑坡Ⅰ-Ⅰ断面塑性区Fig.5 The plastic zone of section Ⅰ-Ⅰ

由位移云图4(a)可知，天然状况下坡体前缘陡缓交界处位移最大，即件出口位置，其次为坡体中部的二级滑坡前缘处，其余中上部土体受牵引机制发生变形，滑坡变形具有整体性且方向具有一致性。由图4(b)可知，采取前缘回填压脚及桩板墙支挡后，坡体的位移较大处仅位于前缘附近且位移量明显减小，而坡体中部和后部基本不发生变形。

由塑性区云图5(a)可知，天然状态下滑坡前缘陡缓交界处发生剪切变形，推断此处为剪出口位置；前缘陡倾坡面及上部坡表发生拉伸变形，推测为向上方后缘牵引产生的拉裂破坏；沿滑带主要为剪切变形即发生剪切破坏。由图5(b)可知，采取前缘回填压脚及桩板墙支挡后，坡体塑性区减少，前缘不存在明显剪切变形的剪出口，回填土坡表存在拉伸变形，滑坡中上部坡表拉伸变形明显减少。