张家口宣化屈家庄滑坡变形和稳定性分析

2021-10-22姚万森耿万青于建洲

现代矿业 2021年9期

姚万森袁颖刘超耿万青于建洲

（1.河北省地矿局第四水文工程地质大队；2.河北地质大学城市地质与工程学院）

斜坡岩土体在暴雨、地震或人类工程活动等因素诱发下，受自身重力作用向下滑动的现象称为滑坡，滑坡已经成为了一种常见的地质灾害。在我国，滑坡灾害分布广泛，危害严重，威胁到了人类的生命和财产安全。对滑坡稳定性和变形的分析，是对滑坡体危害程度评价的基础，很多学者都提出了滑坡稳定性和变形计算的方法［1-2］，近年来，很多学者采用数值模拟软件对边坡进行稳定性分析和变形的计算，数值模拟软件能够模拟复杂的坡形和岩土条件下边坡的稳定性或变形特征，计算效率高。

GeoStudio软件是一个岩土分析的仿真软件，它包含SLOPE/W、SEEP/W、SIGMA/W等模块，应用这些模块可以进行应力应变分析、渗流分析等，还可以结合极限平衡理论，考虑地下水、地面堆载，求解复杂土层、复杂地形的边坡稳定性问题。屈建军等［3］利用Geo-Slope软件对边坡控制性结构面进行了稳定性分析，李风增［4］利用Geo-Slope软件搜索最危险滑动面，分析了自然状态和饱和状态下滑坡的稳定性。聂兵其等［5］基于GEO-SEEP/SLOPE分析了边坡在天然和降雨工况下的稳定性。本研究应用GeoStudio软件对宣化屈家庄滑坡稳定性和变形特征进行求解和分析。

1 工程概况

宣化屈家庄滑坡位于张家口市经开区沙岭子镇屈家庄村东北1 km屈家庄石料厂南侧的斜坡之上，为一岩质滑坡，威胁着下方中恒科技有限公司办公楼及金鸿能源加气站的人员和财产安全。

2 滑坡区地质环境条件

滑坡位于低中山区，总体地势北东高南西低，地形起伏较大。滑坡区地层主要有第四系人工堆积层（Q4ml）、残坡积层（Q4el+dl）、侏罗系张家口组（J3z）地层。区域水文地质单元属于地下水补给区，地下水类型主要有第四系松散岩类孔隙水和碎屑岩类孔隙裂隙水。前者主要接受大气降水补给，水量小，径流方向与地形坡度基本一致，即由地形高处向地形低处径流。后者主要接受大气降水、侧向径流及地表水渗入补给，径流条件受岩层产状与地形控制。

滑坡区未见稳定的地下水水位，在部分钻孔中发现有少量地下水渗出，水量较小，分布不稳定。坡体结构较松散，降雨入渗转化为地下水沿斜坡方向向下径流，利于地下水的排泄。平时地下水对斜坡的稳定性影响相对来说较小，但暴雨或持续降雨期，雨水通过入渗转化为地下水，并在坡体上形成较高地下水位时，对整个坡体的稳定性将产生较大影响。

3 滑坡的特征分析

3.1 滑坡的边界

滑坡后缘以贯通的弧形裂缝为界，其上为坡度为10~12°的山坡，坡顶为流纹质角砾熔岩，滑坡前缘位于人工开挖坡形成的陡坎下方，前缘外侧为采矿形成的运输道路，滑坡左侧以园林绿化恢复治理的平台为界，右侧以采矿形成的掌子面为界。滑坡坡体后缘、前缘和中部均出现多条变形裂缝，且变形破坏趋势仍在增大，裂缝基本贯通，滑坡现状处于变形滑动阶段，状态欠稳定。滑坡全貌见图1。

3.2 滑坡的规模

滑坡平面呈方形，主滑方向为300°，纵向长度为155~170 m，横向宽度为153~169 m，滑体厚度为5~19 m，平均厚度为13 m，滑坡体总面积为2.4万m2，总体积为31万m3，属中型滑坡。

滑坡中后部坡面较完整，地形坡度为8~12°，总体较为平缓，中部为平缓的平台，前缘地形破坏严重，为人工采矿形成的临空面及渣堆，临空面高为12~15 m，坡度为40~48°。滑坡前后缘最大地形高差为47 m，平均坡度为18°。

3.3 滑坡体特征

滑体物质以张家口组强风化流纹质角砾熔岩为主，厚度为13~20 m，具有中部厚、两侧薄、前缘厚、后缘薄的形态特点。前缘到后缘岩性以张家口组流纹质角砾熔岩为主，灰黑色，角砾熔岩状结构，块状构造。岩石由火山角砾（10%）、凝灰物（5%~10%）、斑晶（15%~20%）、基质（65%）组成。角砾杂乱分布，大小为5~50 mm，成分为安山岩、流纹岩等。凝灰物大小为0.2~2 mm，星散分布。上部覆盖层为残坡积碎石粉土，表层干—稍湿，密度程度为中密—密实。

3.4 滑床特征

滑床以张家口组（J3z）中风化流纹岩为主，浅紫灰色，中风化，坚硬，性脆，块状构造，流纹结构或斑状结构。

3.5 滑动带特征

通过调查、物探、钻探、槽探综合法确定滑动带埋深和特征。如图2所示，滑动带位于流纹质角砾熔岩与流纹岩夹层处，岩性以灰白色、红褐色流纹质凝灰熔岩为主，厚度为2.6~7.2 m。该岩层处于强风化—全风化状态，部分岩体较为松散，部分风化成土状具滑感，遇水崩解。滑坡前缘原始地形为自然斜坡，切坡后形成的陡边坡出露地层主要为流纹质角砾熔岩，底部零星可见流纹质凝灰熔岩，该边坡开挖的底界为流纹岩。因此，确定滑坡前缘剪出口为该边坡底部。

4 滑坡变形分析

4.1 剖面选取

选取滑坡主滑方向典型剖面进行变形计算，如图3所示。

4.2 参数确定

（1）重度的确定。本滑坡滑体的岩体较为单一。根据勘查所取岩样经室内试验分析确定，见表1。

（2）弹性模量和泊松比的确定。采用线弹性模型进行滑坡变形计算，其中变形参数弹性模量E和泊松比v是最重要的2个参数。他们与变形的相关性不同，对变形的影响程度不同。滑体滑带土不同弹性模量和泊松比下滑坡前缘监测点变形Dx结果见表2，相关性结果见表3。

由表3可知，弹性模量与变形量间相关性的显著性为0.349，大于0.05，表明二者间不存在显著的相关关系。泊松比与变形量间相关性的显著性为0.001，小于0.05，表明二者间存在显著的相关关系；二者间的相关系数为0.907，表明泊松比与变形量有显著的正向相关关系，意味着变形量随着泊松比增大而提高。与坡脚前缘的监测点数据对比，最终选取计算模型的弹性模量为1.5 GPa，泊松比为0.4。分别对前缘坡脚处和滑坡后缘处一段范围内各点在自重力工况条件下进行变形分析，变形等值线图和变形曲线见图4、图5。变形在0.1 mm量级，基本稳定。

注:υ无量纲。

图4 、图5（a）反映出前缘坡脚20 m范围内计算的变形较小，前缘陡坡处变形相对较大，与现场调查滑坡前缘高陡边坡为整个滑坡变形体上的强变形区结论一致，原因可能是随滑坡整体滑动外，会发生局部垮塌或滑动破坏。图4、图5（b）反映出水平X向坐标366 m处两侧2~3 m范围内变形反向，推断该段范围内可能出现裂缝，与现场调查的裂缝位置基本一致。

5 滑坡稳定性分析

5.1 滑体、滑带抗剪强度参数确定

（1）实验方法。通过勘查所取岩样在不同状态下的剪切实验结果进行统计，根据统计结果得出滑带抗剪强度参数，见表4。

（2）反演方法。基于极限平衡法求滑坡稳定系数模型中，抗剪强度对滑坡稳定性的影响很大，抗剪强度参数黏聚力C、内摩擦角ϕ值对稳定系数Fs的相关性不同，对稳定性的影响程度不同。滑带土不同抗剪强度参数下的稳定系数见表5，相关性结果见表6。

由表6可知，C与Fs间相关性的显著性为0.505，大于0.05，表明二者间不存在显著的相关关系。ϕ与Fs间相关性的显著性接近0，小于0.05，表明二者间存在显著的相关关系，二者间的相关系数为0.995，表明ϕ与Fs有显著的正向相关关系，意味着ϕ越高Fs越大。因此，在反演分析时采用固定C值求ϕ值。

该滑坡处于欠稳定状态，取稳定系数1.0，根据地质结构及滑带的性质，采用给定不同C值求其ϕ值。反演分析结果见表7。

（3）参数综合选取。岩土物理力学参数根据岩土试验成果、反算结果及相似滑坡的类比综合分析确定，见表8。

5.2 滑床抗剪强度参数确定

根据室内试验成果，按《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330—2013）、《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）及类比相关工程资料确定滑床物理力学参数建议值，见表9。

5.3 工况选取

根据《滑坡防治工程设计与施工技术规范》（DZ/T 0219—2006），滑坡防治工程分级为II级，暴雨工况以20 a一遇（5%频率）暴雨考虑；工作区处于抗震设防烈度Ⅶ度区，50 a超越概率10%的地震动峰值加速度为0.10g。滑坡稳定性计算采用的工况有“自重力”、“自重力+暴雨”和“自重力+地震”3种工况。

5.4 稳定性计算

采用Morgenstern-Price法建立稳定性计算模型。该方法是目前最严密的边坡稳定性分析方法，既满足受力平衡，也满足力矩的平衡，条间力选用半正弦函数，利用SLOPE/W模块，计算求解，模型见图6。计算结果与规范推荐的剩余下滑力方法求解计算结果相对比（图7），GeoStudio软件计算结果略大。