三峡库区柏堡滑坡变形机理及稳定性预测分析

2022-05-11陈福榜CHENFubang王南南WANGNannan冯爱国FENGAiguo石荔SHILi

价值工程 2022年17期

陈福榜 CHEN Fu-bang；王南南 WANG Nan-nan；冯爱国 FENG Ai-guo；石荔 SHI Li

（中冶集团武汉勘察研究院有限公司，武汉 430000）

0 引言

滑坡灾害在我国频发，易造成经济损失及威胁人类的生命安全[1-2]。诱发斜坡发展成为滑坡的因素很多，可分为主要诱因和次要诱因，因此在分析滑坡灾害的形成与发展时，势必要首先抓主要诱因。其中降雨是导致滑坡产生频率最高的因素，部分学者对此进行了深入的研究[3-7]。

本文以三峡库区柏堡滑坡为例，结合地质勘查资料[8]与监测数据，对柏堡滑坡的变形机理展开深入分析，并采用Geo-Studio软件对不同工况条件下，柏堡滑坡的稳定性进行模拟分析及预测，为柏堡滑坡变形的预警预报及工程治理提供参考。

1 滑坡区工程地质概况

柏堡滑坡地处秭归县郭家坝镇王家岭村，长江一级支流童庄河南岸，桐树湾大桥桥头，湖北省334省道和乡村道路从滑坡中前部穿过，如图1所示。

图1 柏堡滑坡地理位置

滑坡前缘直抵童庄河河床，高程约为150m，淹没在175m水位线以下；后缘以陡坎为界，其高程为320m，前后缘相对高差约为170m。左侧以山脊为界，右侧以罗家沟为界。滑坡前缘宽约150m，后缘宽约80m，前后缘纵长约300m，滑坡面积约3×104m2，平均厚度为20m，体积约为60×104m3。滑坡后缘较陡峭，坡度为30～40°，滑坡体中间部位相对平缓，坡度为15～25°，坡体前缘坡度较陡。滑坡整体平面形态呈现“长条口袋状”，呈现南高北低，西高东低，滑坡体中后部略凸，前部略凹。

滑坡体主要由含碎石粘土、碎石土、中强风化破碎状砂岩块石组成。滑体上部0～2m以强风化砂岩碎石土为主，碎石呈紫红色颗粒状，颗粒粒径为1～3cm，2m到滑带处主要含破碎状强风化砂岩碎块石，块度多为5～12cm。滑带物质为含碎石粘土软弱夹层，深度为24.5～30.5m，紫红色，滑带厚度约3～6m，以粘土、粘土夹碎石为主，粘性较好。滑床为侏罗系下中统聂家山组（J1-2n），物质组成主要为紫红色泥岩和粉砂岩，岩层倾向330～350°，与坡体倾向相近，倾角30～55°。呈单斜构造，坡体内未见大的断裂破碎带，为顺斜向坡（图2）。

图2 柏堡滑坡工程地质剖面图（1-1’）

2 滑坡变形特征分析

2.1 地表变形特征

柏堡滑坡2017年10月3日出现变形，主要变形破坏方式有地表拉张裂缝、局部的坍滑、房屋地坪下陷、崩落碎落等。（见图3）。

图3 柏堡滑坡部分现场变形及监测点位置

①滑坡体内发育有大量裂缝，在滑坡后缘出现有3条弧形拉张裂缝，长度在30～50m之间，裂缝宽10～50cm不等，其中裂缝宽最大可达80cm，局部区域下座深度有25～60cm。

②滑坡体前缘居民房屋出现裂缝，区域内有6户居民房屋出现了不同程度的变形破坏。

③滑坡体中前部左右两侧边界处公路挡墙出现垮塌，右侧边界处公路变形长度可达15m左右，总体向外推移，公路基础向外移动最大近50cm，挡墙垮塌长度接近8m；滑坡左侧公路变形长度近20m，挡墙垮塌近5m。

④滑坡前缘与桐树湾大桥接触处出现鼓胀裂缝，缝宽2～5cm，在路面与桥面接触处形成高度约5cm台坎。

⑤由于连续性的大气降雨，10月15日晚滑坡体右侧冲沟上方的坡体发生较大变形，在滑坡右侧坡体发生大规模塌滑，滑移方向指向右侧罗家沟方向，局部滑坡坡体前缘剪出口为滑坡右侧冲沟。局部滑移体后缘可见明显拉裂下座裂缝，滑动面上可见明显泥质擦痕，后缘陡壁出露含碎石黏土面，部分可见粉砂岩块石，块度可达为5m。后缘裂缝下座深度0.5～4m，最大下座滑动面距离为5m，裂缝最宽处达到2m。

2.2 监测数据分析

应急救灾期间在柏堡滑坡体上共布置了7个地表自动GPS监测点，分别为监测基点G410，变形监测点BB1、BB2、BB3、BB4、BB5、BB6，测点BB4于10月17日转移至滑坡前部山梁，点号更改为BB4-1，应急救灾后，维持G410、BB3、BB4-1和BB6监测点位置不变，BB5移至次级滑体上，点号更改为BB5-1，BB2移至滑坡左侧边界公路下方坡体上，点号更改为BB2-1，撤销GPS监测点BB1。

由图4柏堡滑坡地表一体化GNSS监测点累积位移监测曲线可知，柏堡滑坡位移变形迹象较为显著。结合监测设备未使用前的踏勘工作，主要变形的产生集中在2017年10月3日至16日期间，尤其在13日到16日发生较大变形，10月20日左右累积位移变形趋于最大值，其中位于滑坡后缘的BB1监测点位移量累积达到270.1mm；其次是中部测点BB2，位移累积值为203.4mm，再次是滑坡前部测点BB3，位移累积值为149.9mm。从监测点所处位置来看，柏堡滑坡中后部变形量相对前部较大。综合应急救灾期间与期后监测数据，20日后各测点位移随时间上下波动，变形无明显增长趋势，数值波动可能为设备系统误差所致，非测点实际变形，说明10月20日后柏堡滑坡处于整体稳定状态。

图4 柏堡滑坡地表一体化GNSS监测点累积位移监测曲线

从图5应急救灾期间柏堡滑坡地表自动GPS监测点位移速率-时间曲线来看，在10月13日至16日，地表位移变形速率数值比较大，并且各监测点最大位移变形速率均出现在10月14日，表明此时间段滑坡变形相对比较剧烈。10月16日后地表变形速率急剧减小，滑坡变形趋于平缓，10月20日后，滑坡变形速率曲线在零点上下波动。从整体来看，位移变化速率曲线与累积位移曲线趋势基本同步。

图5 柏堡滑坡地表位移变化速率监测曲线

3 滑坡变形机制分析

3.1 地质因素对滑坡变形起控制作用

柏堡滑坡区属中低山构造侵蚀河谷滑坡地貌，地形坡度在14-45°间。滑坡前缘坡度较陡，后缘地形陡峭，中间部位相对较平缓，陡-缓-陡的地形有利于滑坡的形成。柏堡滑坡所发育的坡体由上覆第四系松散堆积层，下伏侏罗系下中统聂家山组（J1-2n）组成。其中，松散土石堆积体主要由残坡积（Q4el+dl）、崩坡积（Q4col+dl）、人工堆积（Q4ml）组成，该层岩土体松散，具有较强透水性，有利于地下水的渗透，从而软化岩土体与增加坡体重量。侏罗系下中统聂家山组（J1-2n）由紫红色泥岩、粉砂岩等组成，其中泥岩强度较低，抗风化能力较差，与水接触时易被软化，粉砂岩为较硬岩，有着较强的抗风化能力。第四系松散堆积层及侏罗系聂家山组（J1-2n）粉砂质泥岩和泥质粉砂岩软硬相间，为典型的易滑地层，该地层对于滑坡的发生具有控制效应。柏堡滑坡的坡体结构类型为斜顺向坡，岩层产状为330～350°∠30～55°，右侧滑体的主滑方向受土岩接触面的产状所控制，其表层基岩岩体裂隙发育，完整性差，为滑坡的变形提供了内部条件，软弱地层是滑坡变形的物质基础。

3.2 大气降雨对滑坡变形起促进作用

2017年9月下旬至10月上旬近20天里，秭归县遭受长期阴雨天气，期间还伴随着强降雨天气的出现。持续的降雨过程产生的地表水通过地表裂缝等入渗到含碎石粉质粘土的滑体中，并沿着孔隙下渗。滑坡区域内地下水因降雨入渗而水位上移，从而导致孔隙水压力和浮托力骤然增大。大气降雨一方面软化了软弱岩土层，大大降低其抗剪强度，另一方面岩土体内短时间充水程度较高，增加了岩土体内的动静水压力，使岩土体的稳定性降低，并使强风化泥岩及砂质泥岩泥化、软化，形成滑动带，并且降低了滑动带力学强度，降雨是导致柏堡滑坡滑动的主要诱发因素。

从柏堡滑坡应急抢险救灾期间地表一体化GNSS监测点位移-降雨量-时间曲线（图6）和监测点位移速率-降雨量-时间曲线（图7）可以看出，受2017年9月下旬和10月中上旬持续性降雨影响，测点BB1、BB2、BB3、BB4、BB5从2017年10月12日变形突然陡增，2017年10月14日变形速率达到峰值；2017年10月16日滑坡右侧次级滑体发生滑移，各测点累积位移趋近峰值；2017年10月18日之后滑坡区降雨量减少，变形速率亦随之减小，滑坡累积位移于10月20日左右基本达到峰值，之后滑坡变形总体趋于平缓，处于整体稳定状态。从降雨与滑坡变形出现时间前后来看，2017年10月10日至14日降雨量较大，而滑坡位移陡增时间出现在10月12日至16日，柏堡滑坡变形相对于降雨呈现较为明显的滞后性。

图6 柏堡滑坡累积位移-降雨量-时间关系曲线

图7 柏堡滑坡监测点位移速率-降雨量-时间曲线

4 滑坡稳定性分析预测

4.1 计算模型建立及参数选取

本文基于VG模型（VanGenuehten模型）渗透系数的函数输入，结合柏堡滑坡的实际工程地质特征和滑坡变形特点，选择滑坡中部1-1ˊ剖面（见图2）作为计算剖面，建立简化地质模型进行数值计算。该模型由4749个节点，4642个网格构成，数值计算网格模型见图8。根据柏堡滑坡地质勘查报告中的室内试验结果，并结合区域性工程经验和参数反演计算结果，数值计算中柏堡滑坡岩土体物理力学参数取值如表1所示。

图8 滑坡数值计算网格模型

表1 柏堡滑坡岩土体物理力学参数

4.2 计算工况

综合柏堡滑坡监测数据分析及变形机制分析可知，大气降雨对柏堡滑坡稳定性影响较大，不利于滑坡的稳定。为探究降雨因素对滑坡稳定性影响，建立2种工况，如表2所示。

表2 柏堡滑坡稳定性计算工况

4.3 稳定性分析及预测

4.3.1 滑坡稳定性分析

图9为工况1和工况2的稳定性计算结果，随着降雨持续时间的延长及降雨强度的增大，柏堡滑坡稳定性系数总体呈现下降趋势。在保持每天降雨强度为10mm/d时，随着降雨持续时间的增加，从降雨持续1天到15天，稳定性系数从1.981降低到1.630，下降幅度达到0.351，降低了17.7%。计算数据曲线表明，在保持降雨强度相同时，随着降雨持续时间的增大，稳定性总体呈现降低趋势，尤其在在持续性降雨的前3天，稳定性系数降低速率较快，之后稳定性系数降低速率减缓。

图9 稳定性系数变化曲线

在保持降雨时间1天时，降雨强度从10mm/d增大到60mm/d，边坡稳定性系数从1.981降低到1.806，稳定性下降幅度达到0.175，降低了8.8%。降雨强度在小于40mm/d时，稳定性系数降低速率较为平缓，降雨强度在大于40mm/d时，稳定性系数迅速降低。

由稳定性计算可知，柏堡滑坡的稳定性受降雨影响较大，通过比较持续性降雨与降雨强度两种工况下的稳定性系数大小以及降低比率结果可知，降雨持续时间对柏堡滑坡稳定性影响更大，即出现连续性降雨天气，再次出现失稳概率更大。

4.3.2 滑坡变形发展预测

柏堡滑坡堆积体前缘受童庄河侵蚀形成临空面，特殊的地形为滑坡形成的形成提供了地形条件。滑坡灾害出现后坡体内出现了大量深浅、长度不一的裂缝，若出现持续性降雨或者强降雨，降雨会随着裂缝入渗，不断侵蚀坡体，扩大裂隙宽度及深度，随着裂缝的扩展，产生局部破坏概率增大。同时，降雨随着裂缝汇集于滑体底部和滑床之间时会降低了滑带土的抗剪强度，加大了滑体的重量，导致滑坡发生整体变形的可能性大大增加。

滑坡在2017年10月20日前滑坡变形特征明显，后缘拉张裂缝，局部下坐位移，局部的坍滑、房屋地坪下陷、崩落碎落等现象现场迹象十分明显。20日之后无明显新增变形迹象，根据不同降雨条件下滑坡稳定性计算结果及宏观稳定性判断，滑坡总体处于稳定状态。但是，在暴雨、持续降雨、人为切坡等因素影响下，滑坡可能会产生整体滑动，造成严重危害。