甘肃舟曲江顶崖滑坡成因分析与综合治理措施

张卫雄，翟向华，丁保艳，张文纶，张国华

(1.甘肃地质灾害防治工程勘查设计院，甘肃 兰州 730050；2.甘肃省地矿局第三地质矿产勘查院，甘肃 兰州 730050)

0 引言

中国西北地区滑坡地质灾害频发，其中，大型滑坡由于携带土方量巨大、势能大、冲击破坏力强，往往对附近民用建筑、河道、公路以及铁路等交通要道造成毁灭性破坏，极大威胁人民群众生命财产安全。如1983年甘肃洒勒山滑坡、1995年甘肃黄茨滑坡、2008年陇南滑坡、2018年舟曲果者村滑坡以及锁儿头滑坡等都是大型或超大型滑坡，如何治理该类滑坡确保其稳定性显得尤为重要。在滑坡的成因和治理研究方面，不少国内学者进行了研究。徐兴华等[1]以龙丽高速公路官家碎石土滑坡为例，分析了滑坡稳定性影响因素并给出了相应的治理规划；方贻立等[2]在已有的平推式滑坡研究基础上，总结了平推式滑坡的主要特征、形成条件、成因和防治措施，并展望了未来的研究趋势；马飞等[3]以三峡库区巫山干井子滑坡防治工程为例，通过引入风险管控概念对防治工程设计中出现的风险进行控制；喻章等[4]以三峡库区巴东县15个大型涉水滑坡为研究对象，分析评价了其工程防治方案；廖安杰等[5]以青川张家沟滑坡为例，通过FLAC3D对滑坡治理前后进行了数值模拟，详细分析了其失稳原因并给出了治理措施；牌立芳等[6]通过数值模拟和现场监测对滑坡段的隧道及边坡稳定性进行了分析；杨天军[7]综合分析了川藏公路102道班滑坡整治方案和遥感影像，对该整治方案做出了客观的评价。以上学者以实际工程为背景，通过理论分析、数值模拟和现场监测等手段对滑坡的成因及其防治措施进行了有益研究。此外，部分学者通过采用新型支挡结构对滑坡进行加固，张永杰等[8]探讨了预应力锚索+h型抗滑桩设计参数的取值原则，确定了相关参数的计算方法；上官力等[9]在高陡堆积体滑坡研究的基础上，用数值分析方法研究了弹性半坡桩无效锚固深度与总的锚固深度及滑坡推力的关系。在松散堆积体滑坡治理中，抗滑桩护壁时常出现突起或塌孔等影响工程施工安全的情况，少有学者针对此类情况对护壁结构进行改良研究。

以上研究主要针对第四系松散堆积物的土质滑坡和岩质滑坡，但土石混合体滑坡，特别是大型土石混合体滑坡由于其岩土体组合不同，其滑坡的成因相较于前两种滑坡也有显著的区别。近年来部分学者应用室内外试验和数值模拟等研究方法对土石混合体的剪切特性进行了研究，刘新荣等[10]通过对不同含水率的土石混合体进行室内大型直剪试验，分析了其颗粒破碎特征并建立细观与宏观力学性质的联系；胡峰等[11]通过自主研发的大型土工实验对土石混合体在不同含石量、上覆压力和块石尺寸情况下进行了剪切变形试验，观察分析了剪切带特征变化规律；张强等[12]通过颗粒流程序研究了土石混合体在不同围压加载方式下的破坏特征；雷晓丹等[13]以室内大型直剪试验和筛分试验为基础，提出了一种基于块石真实形态并能反应其破碎效应的土石混合料离散元建模方法，王环玲等[14]采用分层欠压和随机生成颗粒的建模方法研究了低含石率下土石混合体的力学特性。

目前对土石混合体滑坡的研究主要是考虑含水率、含石量及块石尺寸对土石混合体剪切性质的影响，对该类型滑坡的成因缺乏透彻、全面的认识，此外由于滑坡应急工程工期要求紧且滑体内块石、漂石含量较高导致施工困难，如何安全快速地完成治理工程是一个函待解决的问题。本文以舟曲江顶崖大型土石混合体滑坡为依托，通过历史资料调研、现场地质勘察和数值模拟等手段，对该滑坡的成因进行分析并提出综合治理措施。相关研究结果可为类似大型土石混合体滑坡的治理提供参考。

1 滑坡概况

江顶崖滑坡位于舟曲县南峪乡南峪村，处于白龙江北岸，紧临白龙江河道。2018年7月12日，受汛期连续强降雨及白龙江冲刷坡脚的影响，舟曲县南峪乡江顶崖发生山体滑坡，该滑坡长680 m，宽210 m，厚度约35 m，高差约180 m，体积近5.0×106m3，为大型滑坡。滑坡前缘滑入白龙江(图1)，严重挤压河道，对下游居民生命财产安全造成极大威胁。

图1 江顶崖滑坡全貌图Fig.1 Generalview of Jiangdingya landslide

1.1 地形地貌

江顶崖滑坡位于斜坡体下部，前缘高程1 241 m，后缘高程1 418 m，相对高差177 m，整体上缓下陡，后部、中部较为平缓，坡度13°～15°；下部、前缘较为陡峭，坡度20°～25°，整体平均20°，坡面地形起伏大，滑体后部发育滑坡洼地，中部、下部及前缘裂缝发育。前部及前缘受人类工程活动改造强烈。

1.2 地质构造

江顶崖滑坡位于秦岭东西褶皱带的西延部分，构造活动十分强烈，形成了沿北西向展布的大致平行的断裂和褶皱带。断裂带以坪定—化马断层为主，构成北西、南东向断裂带。其特点是沿主干断裂的南侧发育较多的次一级分支断层，组成一个“入”字型的断裂组。

沿坪定—化马断层带发育有数个大型或巨型滑坡，如武滩山滑坡、靖边滑坡、锁儿头滑坡、石家山滑坡、毛家滑坡和化马滑坡等，这些滑坡均发育于坪定—化马断裂带中[15]，显然该断裂带的长期活动为滑坡的形成提供了前提条件，而降雨、地震等是滑坡发生的主要诱发因素。

1.3 地层岩性

场地地层自下而上分别是：志留系中上统白龙江群、泥盆系中统西汉水群古道岭组、全新统老滑坡堆积物、全新统滑坡堆积物和全新统冲洪积物，各层的性质如下：

(1)志留系中上统白龙江群(S2+3bl3)：分布于白龙江两岸，在白龙江右岸局部出露，其岩性为深黑色千枚岩、板岩、细砂岩等，夹灰岩、硅质岩薄层，岩层产状170°∠30°。

(2)泥盆系中统西汉水群古道岭组(D22g)：分布于老滑坡中部及后部，并构成滑坡基底，与下伏地层呈不整合接触或断层接触，为海相碎屑岩—碳酸盐岩建造，地层岩性主要为灰岩、炭质板岩、千枚岩、含炭板岩及页岩等。

1.4 水文地质条件

滑坡体西侧未见地下水，中部至东侧均有地下水分布，滑坡体内构成独立的含水单元，为断续含水，分布不均。地下水分布于滑体上层的碎石土中，下层的含砾黏土、黑色炭质板岩碎屑，致密，软塑，相对隔水，存在上层滞水现象。滑坡体地下水接收大气降水及基岩裂隙水的侧向补给，以潜流的形式向低处径流，最终排入白龙江。

2 滑坡成因分析

通过对第1节工程地质条件分析可知，该滑坡的成因可分为内因和外因，内因包括地形条件和岩土体组合，外因包括降水和江水对滑坡前缘的冲刷。

2.1 内因分析

江顶崖滑坡位于中高山地貌区，山势高耸陡峻，白龙江河谷狭陡，地面高差悬殊，这种后缘高陡、前缘开阔的地形为滑坡的形成提供了良好的临空条件；此外，由于滑带土含灰黑色含砾黏土与炭质板岩碎屑，均呈软塑状，抗剪强度低，说明该滑坡中含有软弱结构面，并且该软弱结构面和斜坡临空面方向一致形成了顺向坡，易导致滑坡的发生。

该滑坡的滑体上层植被稀疏，土石混合体松散，孔隙率大，在降雨情况下孔隙水压力增大，有效应力降低，导致抗剪强度降低，同时滑体重量增加，下滑力增大，坡体稳定性降低；下部以灰黑色炭质板岩碎屑为主，该炭质板岩吸水易软化(图2)，强度降低，形成软弱夹层。由以上分析可知土石混合体和炭质板岩遇水后抗剪强度都会降低，导致该斜坡整体稳定性下降。

图2 炭质板岩层Fig.2 Carbonaceous slate layer

2.2 外因分析

(1)降水

舟曲县自2018年5月份以来，降雨频繁，同时由于滑坡体的结构松散，坡面裂缝较多，为降水入渗提供了输送通道。入渗的雨水在相对隔水层(炭质板岩)形成上层滞水，增加了岩土体自重，增大了下滑力，并且使得炭质板岩软弱层形成，显著地降低了坡体的抗剪强度。持续的强降雨是此次滑坡发生的主因。

(2)江水冲刷

7月10日降雨后，白龙江水流量达到 734 m3/s，为白龙江近十年来的最大峰值，达到五十年一遇的水平，水位上涨了约2～3 m，由于水位的上升，使得滑坡前缘土体的孔隙水压力上升较快，减小了前缘坡体的抗剪强度，此外随着江水流量、流速的迅速增大，对滑坡体前缘进行了强烈的冲刷、掏蚀，致使其前缘发生崩塌，从而使坡体失去支撑而产生滑动变形，并牵引后部土体发生滑动。

根据上述分析可知，该斜坡的地形条件和岩土体的性质是导致此次滑坡的内因，水的作用是外因，其中持续的强降雨是此次滑坡发生的主因。由此可见，及时对本地区高陡边坡和具有软弱夹层的松散堆积体开展一定的监测或进行地灾排查及防护工作，可以减小因连续强降雨导致滑坡带来的危害。

3 稳定性分析

3.1 理论计算

(1)计算断面及参数选定

稳定性计算共选取3个滑坡体前后缘主滑纵断面，分别为1-1′断面(滑坡体左侧纵断面)、2-2′断面(滑坡体中部纵断面)和3-3′断面(滑坡体右侧纵断面)。计算工况为工况I：自重；工况II：自重+暴雨；工况Ⅲ：自重+地震。暴雨标准：暴雨强度重现期按50年。地震荷载标准：舟曲县设防烈度为Ⅷ度，地震动峰值加速度取0.2g。

本次计算参数的选取主要在统计土工试验数据基础上，根据滑体、滑带土物理力学性质，结合区内地质环境条件、滑体结构特征、性状、坡体变形破坏特征及其空间变化情况，再结合反算结果综合确定。参数选取见表1。

表1 滑带土综合取值Table 1 Comprehensive value of slip zone soil

(2)稳定性计算结果

滑坡体土体稳定性计算时，根据其滑面特点近似为折线型滑动面，利用传递系数法验算滑坡体的稳定性[16]。各断面稳定性计算结果见表2。

表2 各工况滑坡稳定性计算结果Table 2 Summary of theoretical calculation results of landslide stability

由稳定性计算可知，该滑坡在天然工况下处于稳定状态，在地震或强降雨影响下，坡体的稳定性会有一定程度的降低。在持续降水作用下，滑坡上层土体重度增大，且滑坡体内的地下水来不及排出，在滑坡土体中形成了较大的动水压力，下滑力增大，稳定性降低。因此需考虑采取综合治理措施加固该滑坡。

3.2 数值模拟

MIDAS GTS NX(New experience of Geo-technical analysis System)是一款岩土领域的通用有限元分析软件，可以考虑岩土分析中最重要的材料非线性以及岩土的初始应力状态，最大化的模拟实际现场情况，适用于多种实际工程的准确建模与分析。

本文采用该软件进行滑坡稳定性分析，同时依据分析结果和相关工程经验，考虑到该滑坡的复杂性及危害性，采取锚索格构工程、抗滑桩工程、截排水工程以及坡面裂缝治理工程等进行综合治理，下文以自然状态下滑坡的稳定性模拟进行说明。本构模型采用摩尔库伦模型，抗滑桩和锚索设置为植入式梁单元，格构设置为梁单元，岩土体物理力学参数取值见表3。模拟分为两个阶段，第一阶段的模拟不激活锚索格构单元和抗滑桩单元，仅激活边界条件和自重荷载组；第二阶段的模拟激活锚索格构单元、抗滑桩单元及预应力荷载组单元。

表3 岩土体物理力学参数Table 3 Physical and mechanical parameters of rock and soil

第一阶段的水平位移结果如图3所示。根据云图显示可知，上部坡体为该滑坡体的不稳定部分，且上部坡体部分水平位移出现突变，突然增加至20～50 cm，这也与现场勘查中观测到的滑坡体后缘坡顶以上部位出现裂缝的情况相一致，需采取加固措施。下部坡体在不受外界扰动的自然状态下基本可以保持稳定。

图3 第一阶段水平位移Fig.3 Horizontal displacement of first stage

第二阶段水平位移模拟计算结果如图4所示。从图中可以明显看出在设置锚索格构后，上部坡体位移得到较大的改善，说明锚固工程有效地加固了不稳定岩土体并限制其变形，此外钢筋混凝土格构梁起辅助挡土和分散锚固力的作用；同时在下部坡体设置的抗滑桩通过穿越滑动面的桩体，给原本软弱的滑动面提供较大的抗剪承载力，由于原下部坡体的位移较小，所以在第二阶段中水平位移结果中抗滑桩的效果不是很明显，但是可以作为安全储备。

图4 第二阶段水平位移Fig.4 Horizontal displacement of second stage

4 滑坡综合治理工程

结合第3节滑坡稳定性分析，同时依据分析结果和相关工程经验，考虑到该滑坡的复杂性及危害性，采取锚索格构工程、抗滑桩工程、截排水工程以及坡面裂缝治理工程等形成综合治理措施。

4.1 装配式框架支护

由于滑坡治理工程属于抢险救灾工程，工期要求紧且施工质量要求较高。传统的框架锚杆支护结构的构件需要在现场浇筑制成，并且本滑坡工程滑坡体为土石混合体，施工较为困难，以致施工质量无法保证，施工成本高，周期长。考虑到以上因素，本工程采用了一种新型装配式框架支护结构。根据第3节稳定性分析结果，沿后壁修筑三排锚索格构，进行滑坡后壁的治理。锚索长度分为30 m和35 m两种，锚固段长度均为9.0 m，自由段长度分别为21.0 m和26.0 m，外锚伸出工作锚板外1.5 m，供千斤顶张拉使用；锚索成孔直径150 mm，锚索倾角25°。格构梁间距4 m×4 m，截面尺寸为0.4 m×0.5 m。

装配式框架支护结构示意图如图5所示，该装配式构件的使用在简化了施工步骤的同时节省了施工时间，为加快抢险救灾工程的实施起到了良好作用，可供类似松散堆积体滑坡治理框架格构设计借鉴。装配式锚索格构构件及施工现场如图6和图7所示。

图5 装配式框架支护结构示意图Fig.5 Schematic diagram of assembled frame support structure

图6 装配式锚索格构构件图Fig.6 Prefabricated anchor cable lattice member

图7 装配式锚索格构工程现场图Fig.7 Site drawing of prefabricated anchor cable lattice engineering

4.2 抗滑桩工程

本工程在滑坡体前缘设计了单排抗滑桩，抗滑桩共计39根，为人工挖孔桩，长度40 m，伸入到滑动面以下20 m，桩的截面尺寸为3 m×4 m，桩心距5.5 m。

在松散土石堆积体滑坡中进行大口径抗滑桩开挖时，护壁极易出现突起，甚至塌孔，进而影响工程质量和工程进度，本工程设计了一种新型土石混合体滑坡大口径抗滑桩护壁结构。该方法首先进行放线确定打孔位置；接着打入竖向花钢管并注浆加固土体，同时采用钢筋混凝土板进行施工锁口，避免石块落入坑内；然后进行开挖，并打入斜向花钢管同时注浆支护；最后浇筑钢筋混凝土护壁。该新型抗滑桩护壁结构在保障施工安全的同时，使护壁结构的强度及稳定性显著提高，可供类似松散堆积体滑坡治理抗滑桩施工借鉴。抗滑桩护壁结构示意图和工程现场分别如图8和图9所示。

图8 抗滑桩护壁结构示意图Fig.8 Schematic diagram of anti-slide pile retaining wall structure

图9 抗滑桩工程施工现场图Fig.9 Site drawing of anti-slide pile engineering

4.3 截排水工程与坡面裂缝治理工程

截排水工程一方面应拦截坡体水流，避免坡外地表水流入滑坡体内、增加坡体自重影响滑坡的稳定，另一方面应使治理工程免受坡外水流的冲刷和破坏。该工程分布于两处，一处位于滑坡外围坡体，一处位于滑坡后壁变形区上部坡体。

(1)滑坡外围坡体截排水工程布置于治理区外围150 m，长度共计610 m，排水出口位于滑坡两侧的自然冲沟内。截排水渠随坡就势进行修建，为减小排水沟内水流对天然冲沟的冲击作用，在排水渠出口处修筑消力池，共计修筑2个消力池。

(2)滑坡后壁变形区上部坡体截排水工程位于江顶崖滑坡后壁上部，长度共计354 m，排水出口与坡体截排水工程相连。

坡面裂缝治理工程贯穿于整个江顶崖滑坡。由于滑坡坡面凹凸不平，裂缝发育，降雨后，水体将会沿裂缝迅速进入滑动面，对滑坡的稳定性不利，所以对坡面裂缝进行整治有两个作用：一是起到消除坡面裂缝，同时对坡面有一定的碾压；二是在整治过程中可以对坡面上的其它治理工程场地进行平整，有利于其它治理工程的开展。

综上所述，相比于文献[3,5,8,11]使用抗滑桩+截排水工程或抗滑桩+截排水工程+锚索格构工程，考虑到舟曲江顶崖大型土石混合体滑坡形态特征、地形地貌特点、岩土体工程地质性质，本次滑坡采取的综合治理措施，在保证工程质量的基础上缩短了工期。

5 结论

(1)该滑坡后缘高陡、前缘开阔的地形为滑坡的形成提供了良好的临空条件，孔隙率大的土石混合体以及拉张裂缝提供了渗流渠道，遇水软化的炭质板岩形成的软弱结构面和斜坡临空面方向一致形成了顺向坡，这些是滑坡形成的先决条件。

(2)持续的强降雨是此次滑坡发生的主因，入渗的雨水增加了坡体岩土体自重，增大了下滑力，同时炭质板岩泥化形成软弱层，显著地降低了坡体的抗剪强度；此外江水对滑坡前缘的冲刷也使得滑坡前缘提供的抗滑力减小。

(3)根据该松散土石混合体滑坡的规模和地质条件，通过改进抗滑桩护壁结构、率先应用装配式框架支护，结合坡面裂缝整治工程等综合治理措施确保了该滑坡的稳定性，其中改进的大口径抗滑桩护壁结构和装配式框架支护两种新工艺方法的使用在保证施工安全的基础上缩短了滑坡治理应急工程的工期，可为类似的抢险救灾工程提供参考。