贵州水城县尖山营滑坡破坏机制及稳定性分析

2021-09-26李阳春李海军

科学技术与工程 2021年25期

丁恒，李阳春*，李海军

(1.贵州省地质环境监测院，贵阳 550000；2.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059)

贵州独特的地质环境决定了其为滑坡地质灾害频发的省份之一[1]。2012年6月29日,贵州大榕滑坡，造成约348户1 020名群众受到威胁[2-3]。2020年9月8—14日期间，贵州省水城县尖山营出现持续性强降雨，于2020年9月15日下午14：00尖山营发生第一次滑坡，在接下来3 d里尖山营一直出现滑动现象，直接威胁着下方居民及乡村公路上过往行人及车辆的生命财产安全。

多年来，诸多学者对滑坡破坏机制及稳定性展开了大量研究，例如：刘新荣等[4]考虑了坡体在水的渗流作用下，对坡体的破坏机制与稳定性进行了研究；石天文等[5]、吕利等[6]、李海军等[7]通过对滑坡现场进行调查，对滑坡的成因机制进行了研究；吴亚子等[8]通过现场调查，结合数值模拟分析了坡体在强降雨作用下的稳定性；赵建军等[9]通过物理模拟与数值模拟相结合，对坡体在煤层开采后遇强降雨诱发滑坡的破坏机制进行了分析，得到其变形破坏机制为采空区覆岩→斜坡变形→降雨诱发斜坡整体变形演化→滑面扩展→滑坡发生；程鹏翔等[10]分析了强降雨对堆积体滑坡的变形破坏机制；常亚婷等[11]通过对滑坡区域的详细地质调查，结合三维数值模拟对甘肃罗峪沟古滑坡成因机制与稳定性进行了研究，得到滑坡启动主要受到坡脚开挖与强降雨共同作用；冯文凯等[12]以现场调查与室内分析相结合，对水麻坨堆积层斜坡在强降雨作用下的破坏机制进行了分析；巨能攀等[13]利用离心振动台试验，以四川汶川县水磨沟陡倾软硬相间顺层斜坡为研究对象，对该斜坡在强震作用下的变形失稳机制进行了研究；鲁道洪等[14]以龙洞水滑坡典型实例，通过详细的现场地质调查、遥感摄影、工程地质测绘，并结合离散元数值模拟，对滑坡的变形破坏特征进行分区评价，并对其成灾机制进行探究；黄达等[15]以巫山曲尺塔坪H2滑坡研究对象，通过地质、位移监测及数值模拟等方法，对该滑坡在库水升降时的稳定性、影响因素及其变形规律进行了研究。

贵州省尖山营北侧的发耳滑坡破坏机制复杂，有别于前人的研究。对发耳滑坡变形破坏机制展开研究，不仅能给类似滑坡的防治提供可靠思路，同时也能为当地地质灾害相关工作给予参考帮助，对保障附近居民的生命财产安全有重要意义。

1 滑坡区概况

发耳滑坡位于贵州高原西部，地形叠峦起伏，切割强烈，属于构造侵蚀而成的低中山至中低山地貌。滑坡后缘顶端高程1 400 m，坡脚高程1 310 m。发耳滑坡平面图如图1所示，滑坡下部存在多个煤层采空区。

发耳滑坡区域内地层出露有第四系(Q)：厚0～80.50 m，主要以残积物、坡积物为主，分布在同向坡及单斜谷中；二叠系上统龙潭组(P3l)：由灰-深灰色粉砂岩、泥岩及煤组成，主要分布于滑坡区东部。

图1 工程地质平面图Fig.1 Engineering geological plan

2 滑坡破坏特征

2.1 滑坡基本特征

滑坡位于贵州发耳尖山营北侧，滑坡纵长480 m，横宽250 m，面积约1.1×105m2，滑坡体量约5.5×105m3，滑体厚度分布不均，滑坡前后缘高差约180 m，主滑方向30°，滑坡后部坡度约45°，中前部坡度较缓，属中型浅层滑坡，如图2所示。

图2 滑坡边界及变形过程Fig.2 Landslide boundary and deformation process

滑坡滑动过程如图2所示，9月15日滑坡滑动后，在滑坡前缘区域的多个阶梯使得滑坡启动后运动速度减缓，滑坡体在9月16日、17日、18日分3个阶段下滑，冲毁前缘公路、房屋。

2.2 监测数据分析

2.2.1 地表位移监测

监测点布置图如图1所示。监测点于2018年6月安装完并投入使用，取滑坡区内的地表位移监测点GPS01、GPS07在2020年9月1日至滑坡启动前期间的监测数据进行分析。监测点布置X表示南北方向，向北为正，向南为负；Y表示东西方向，向东为正，向西为负；Z表示重力方向，向上为正，向下为负。

图3(a)为GPS01测点的累计位移历时曲线图。从图中数据变化趋势可以看出，2020年9月1—13日期间，各个方向的位移变化量较小，都在10 mm内，该区域主要受到采空塌陷区往坡外的挤压，造成在X、Y方向上产生了位移，且曲线变化趋势呈缓慢曲线上升，该方向上主要发生水平位移，方向为东北方向，垂直方向变化小于水平方向，Z曲线变化趋势缓慢。2020年9月14—15日期间，各个方向位移变化急剧增加，直至滑坡启动，监测点破坏，在滑坡X方向累计变化达到318.1 mm，2 d内增加了226.5 mm，Y方向累计变化量达到-89.6 mm，2 d内增加了69.9 mm，Z方向累计变化量不大。

图3(b)为GPS07测点的累计位移历时曲线图，从数据变化趋势可以看出，监测点安装使用至2020年9月13日期间，X方向位移累计变化量为201.1 mm，Y方向位移累计变化量为24.1 mm，Z方向位移累计变化量为-105 mm，合位移为234.1 mm，由于持续的降雨，2020年9月15日，X方向位移累计位移达到276.3 mm，Y方向位移累计变化达到170.1 mm，Z方向位移累计变化达到-105.0 mm，合位移达到323.2 mm，1 d之内各个方向的位移变化量骤然增加，该点附近于2020年9月15日下午14：00发生滑坡，伴随着滑坡的发生，GPS07监测点也被破坏。

图3 位移-时间曲线图Fig.3 Displacement-time curve

2.2.2 雨量计监测

雨量计监测点布设在尖山营山顶最高处，可以实时反映该区域的降雨量情况。GPS07点附近于2020年9月15日发生滑坡，在滑坡启动的前4 d里，尖山营降雨量累计达到184 mm，如图4所示。雨水沿着表层松散得第四系黏土空隙侵入坡体，增大了滑坡体的静水压力与动水压力，浸泡滑带，降低了滑体的抗剪强度，对坡体的稳定性产生较大影响。

图4 雨量-时间曲线Fig.4 Rainfall-time curve

3 滑坡破坏机制分析

发耳滑坡区域的地质环境条件在煤层开采作用下变得更加脆弱，地形地貌条件形成的临空面为滑坡提供了足够的卸荷空间，上部为灰绿色、紫色相间，钙质泥岩与细砂岩互层，中部及底部夹较多的细砂岩透镜体，中部为粉砂质泥岩或细砂岩，节理裂贯通性好，岩体破碎，加速了地下水活动；强降雨在滑坡体内已形成渗流通道；天然冲沟在降雨时节对坡体一直进行着冲刷作用，从整个地质环境来看，该斜坡体已经具备了滑坡的地质条件，为潜在滑坡灾害隐患点。2020年9月10—14日发耳地区出现强降雨，对地下水位极大的提升，在滑坡体内增加了水压力及滑坡体自重，且浅层泥岩及粉砂质泥岩遇水易软化，易形成滑动面，使得岩土体向软弱结构面发生倾斜，如前缘临空面。在连续5 d的强降雨情况下，发耳滑坡开始启动，在降雨在滑坡体表层岩土体中具有滞后性，坡体2020年9月15—18日一直处于滑动阶段，其变形破坏模式为蠕滑-拉裂型，如图5所示。

由于滑坡体岩土破碎破地表裂隙较多，随着2020年9月10—14日期间持续强降雨，大量坡面雨水通过侵入坡体内部，对地下水位起到极大提升，加剧了岩土体性质的弱化，而且雨水在坡体内部具有滞后性，短时间内增加了坡体自重，增加了坡体内的静水压力和动水压力，持续强降雨降低了滑带的抗剪强度，滑坡在自重作用下，于2020年9月15日开始产生向临空面的滑动趋势。

地下水在不断汇集在滑面过程中，造成滑动剪切面上剪应力集中，在2020年9月15日发生第一次滑坡，造成滑坡体后缘地表裂缝增大且数量急剧增加，导致更多的地表水也沿着后缘拉裂缝侵入坡内，加速了蠕滑进程，且削弱剪切面的抗剪强度，从而促进滑坡体再次向前缘发生滑坡，最终在2020年9月18日滑坡体前缘被完全剪断而产生滑坡现象，由于滑带长时间经过地下水浸泡，滑体出现塑性流动特征。

图5 滑坡蠕滑-拉裂变形破坏过程示意图Fig.5 Schematic diagram of creep slip-tensile crack deformation and failure process of landslide

4 滑坡稳定性分析

4.1 模型建立

结合尖山营滑坡地形地貌、岩体结构特征及煤层开采状况及边界效应等问题，采用简化原型的形式进行模型建立，下伏基岩为下统飞仙关组(T1f)粉砂质泥岩与上统龙潭组(P3l)粉砂岩。建模型如下：长500 m，高227 m，宽10 m，煤层从上往下依次为M1、M3、M5-2、M5-3、M7、M10、M13，每层煤厚取2 m。计算模型采总共有9 003个单元和5 089个节点，如图6所示。采用FLAC软件分析尖山营滑坡在自然状态与暴雨状态下的稳定性状态。

图6 计算模型图Fig.6 Calculation model diagram

4.2 参数选取

模型的本构力学模型采用弹塑性模型，计算选用莫尔-库仑屈服准则，岩土体相关计算参数取值参考室内试验和工程地质手册结合滑坡简化模型进行参数综合取值，具体各岩土体物理力学取值如表1所示。

4.3 稳定性分析

在天然工况下，主滑剖面的剪应变增量分布规律如图7所示。由图7可以看出，天然工况下斜坡的剪应变增量云图主要集中在临空面坡脚处，且由坡体内向临空面方向逐渐增加，这也表明这些区域最容易发生剪切破坏；在暴雨工况下斜坡剪应变增量变化较大，主要由于持续的强降雨对坡体的结构起到软化的作用，表明斜坡在暴雨工况下比天然工况更容易破坏；剪应变增量集中区域较天然工况下向斜坡坡脚发生了移动，但集中方向依旧为斜坡临空面，表明在暴雨工况较天然工况下斜坡破坏范围更大。根据《滑坡防治工程勘查规范》(GB/T 32864—2016)可知，滑坡稳定性状态可根据稳定性系数来划分。天然工况下斜坡的稳定性系数为1.09，处于基本稳定状态；暴雨工况下斜坡稳定性系数为0.94，处于不稳定状态。