鄂州城区观音垅滑坡变形模式及稳定性分析

2022-06-29张云卫丁代坡孟宪才尹业梦

资源环境与工程 2022年3期

张云卫，丁代坡，孟宪才，管琪，周迎，尹业梦

(湖北省地质局第五地质大队，湖北鄂州 436000)

近年来随着城市化进程加快，人类工程建设“向山要地”的矛盾愈发凸显，在建房、修路等工程建设活动中，往往产生高陡临空面，在降雨条件下易发生变形并形成滑坡等地质灾害[1]。滑坡是多种因素耦合作用下的结果，其主要因素包括地形地貌、地层岩性、构造、降雨、荷载、人类工程活动等[2-4]。防范化解滑坡威胁一直是城市发展过程中极为关注的工作要点之一，其基础性工作是查明滑坡的形成机理及稳定性[5]。针对城市滑坡的成因机理、稳定性评价及生态修复治理，不少学者进行了有益探索，例如徐风光等[6]采用数值分析方法揭示了12个典型路堑边坡模型的开挖卸荷应力变化特点及演化过程；周艳松等[7]分析了襄阳市城区边坡滑坡的成因机制及稳定性；文继涛等[8]提出了汉源县城区复杂环境地质条件下的高边坡加固治理方法；杨淞月等[9]总结了鹤峰县城区地质灾害孕灾规律并进行了滑坡风险评价。

鄂州市位于湖北省东南部、长江中游南岸，地貌以丘陵岗地为主，主要发育地面塌陷、滑坡、不稳定斜坡等地质灾害[10]。调查表明，鄂州城区滑坡规模一般不大，但数量较多、分布较广，加之城区人口密集、基础设施众多，滑坡的潜在风险不容忽视。前人在区内主要开展了面上的调查评价工作，大致查明了地质灾害的类型、数量、规模、分布规律及易发性等[10-13]，但是对点上地质灾害的研究不多。观音垅滑坡(图1)位于鄂州市鄂城区七里界村，规模为小型，其北侧10 m即为吴楚大道，南部为民房，对居民区、交通线等构成较大威胁。该滑坡在鄂州城区具有代表性，因此本文在分析该滑坡变形特征及影响因素基础上，建立其变形模式并进行稳定性分析和滑坡治理，旨在为鄂州城区类似滑坡的监测与防治提供借鉴。

图1 滑坡区工程地质平面图Fig.1 Engineering geological map of landslide area

1 滑坡区特征

1.1 地形地貌

滑坡区属丘陵地貌，地势西低东高，海拔22～34 m。滑坡区长轴为NWW向，长约100 m；剖面上呈陡坡状(图2)，上陡(坡度约75°)下缓(坡度约35°)，坡高6.5～10 m。坡面发育乔木、灌木等植被，坡顶边缘处建有多处房屋，坡脚为吴楚大道。

图2 1-1′工程地质剖面图Fig.2 1-1′ engineering geological profile

1.2 地层岩性

滑坡区地层相对简单，覆盖层为第四系残坡积粉质黏土(Qel+dl)及滑坡堆积碎石土(Qdel)，下伏基岩为强风化的三叠系上统—侏罗系下统王龙滩组(T3J1w)。

残坡积粉质黏土厚约6 m，呈黄褐色，硬塑，稍湿，干强度高，韧性较强，切面稍有光泽。滑坡堆积碎石土主要分布于两处滑塌变形体下部，厚1～2 m，呈黄褐色，可塑，稍湿，强度一般，土石比6∶4，土体为粉质黏土，碎石成分主要为泥质粉砂岩，粒径多<1 cm。另外，坡体顶部建房局部存在半挖半填现象，回填物厚1～2 m，以黏性土为主，含少量碎砖、碎石、生活垃圾等，呈杂色，松散，稍湿。王龙滩组泥质粉砂岩呈红褐色，具微晶结构、层状构造，层理产状102°∠60°。受风化作用影响，基岩整体为强风化—中风化，钻孔揭露强风化层厚度约5 m。

1.3 水文地质条件

滑坡区无地表水出露，地下水类型以松散层孔隙水和碎屑岩裂隙水为主。松散层孔隙水主要赋存于人工填土层中，主要补给来源为降雨。人工填土层厚0.5～4.0 m，多为耕种层，相对下部的残坡积层孔隙率更大，在降雨条件下易于达到饱和—半饱和状态。碎屑岩裂隙水主要赋存于王龙滩组泥质粉砂岩中，区内未见该层位地下水的天然露头。

滑坡区岩土体结构由上到下为人工填土层—残坡积层—基岩，渗透性为极大—较大—一般。由于区内滑坡变形以表部松散层为主，因此认为基岩裂隙水对滑坡稳定性的影响相对较小。由于变形范围内无任何有效的排水措施，降雨沿着坡面漫流，局部形成地下水溢出带，并且存在一定的水土流失现象。

2 滑坡变形特征及影响因素

2.1 滑坡变形特征

滑坡变形以局部滑塌为主，形成两处滑塌体(照片1、照片2)。

照片1 1#滑塌体全貌Photo 1 No.1 landslide overall

照片2 2#滑塌体全貌Photo 2 No.2 landslide overall

1#滑塌体(HT1)平面形态呈扇形，剖面形态呈折线形，主滑方向为10°(图1)。前缘宽12 m，后缘宽3.5 m，前后缘高差约8 m，纵向长约10 m，厚0.5～2 m，坡度30°～45°(上陡下缓)，总方量约100 m3。滑塌体物质主要为碎石土，土石比约6∶4，碎石成分为泥质粉砂岩，粒径一般为5～30 cm，最大者达100 cm。在滑塌体后缘平台可见多处张性裂缝，裂缝长0.5～3 m，宽0.2 cm，深1～10 cm。滑塌体损毁少量农田，对前缘变电箱及输电线路构成威胁。

2#滑塌体(HT2)平面形态呈圈椅状，剖面形态呈台阶状，主滑方向为10°(图1)。前缘宽25 m，后缘宽22 m，前后缘高差约8 m，纵向长约10 m，厚0.5～2 m，总方量约300 m3。滑坡体物质主要为碎石土，土石比约6∶4，碎石成分为泥质粉砂岩，粒径一般为5～20 cm，最大者达50 cm。在滑塌体后缘平台上可见多处张性裂缝，裂缝长0.3～2.5 m，宽0.3 cm，深1～8 cm。滑坡体对滑坡后缘3栋废弃房屋构成直接威胁。

2.2 变形影响因素

坡体失稳是内部因素和外部因素共同作用的结果[14-15]，内部因素包括地形条件、地质条件等，外部因素包括降雨和人类工程活动等。

(1) 地形条件。工程建设造成斜坡形成高陡临空面，临空面高6.5～10 m，边坡上部较陡，为不稳定斜坡变形提供地形条件。

(2) 地质条件。该斜坡为岩土混合质边坡，表层为粉质黏土，结构松散，稍湿，工程地质性质相对较差，为不稳定斜坡变形提供了地质条件。

(3) 降雨。降雨是滑坡的最主要诱发因素之一[16-17]。地表水集中入渗及坡顶排水不畅增加了岩土体自重，使岩土体短时间内迅速达到饱和状态，自身抗剪强度(尤其是层间抗剪强度)迅速降低，并产生较大的渗透压力，促发了不稳定斜坡的变形。

(4) 人类工程活动。主要包括坡顶建房及修路切坡，坡顶房屋自重对斜坡有加载作用，修路切坡改变了原始坡体应力平衡状态，两者均对斜坡稳定性不利。

3 变形模式分析

原始斜坡为一自南往北倾的缓坡地形，坡度相对平缓，为顺向坡结构。坡体覆盖层为含碎石粉质黏土，下伏基岩为泥质粉砂岩，受卸荷、风化及降雨作用影响，岩体裂化明显，边坡岩体多为全风化—中风化。根据斜坡变形特征、物质结构、地质条件等因素，将其变形过程分为四个阶段(图3)。

图3 滑坡变形模式示意图Fig.3 Schematic diagram of landslide deformation mode

(1) 变形阶段a。由于修建吴楚大道时开挖坡脚，形成高差6.5～10 m的临空面，坡度由平缓变为上陡下缓，局部甚至近垂直。切坡修路改变了原始坡体的应力平衡状态，在应力重新分布过程中局部鼓胀，破坏了覆盖层结构。此外，由于居民在边坡顶部开荒种菜，增大了表部覆盖层的孔隙率，改变了岩土体内地下水的补给、径流、排泄条件。

(2) 变形阶段b。2020年7月鄂州地区发生极端降雨天气，降雨集中且降雨量远超往年同期水平。由于缺少有效的排水措施，大量降雨沿表部松散岩土体入渗，降低了岩土体物理力学性能的同时增加了坡体自重。斜坡后部开始出现断续分布、未贯通的张性裂缝。

(3) 变形阶段c。随着降雨持续入渗，地下水的湿润峰不断前移，最终达到坡体的基覆面。降雨不断下渗，地下水水头差加大，动水压力增大。由于下伏基岩为泥质粉砂岩，其入渗率低，降雨汇水不断软化下伏基岩使得泥质成分堆积于基覆面。由于基覆面相对较陡，下滑力分量增加值大于抗滑力，导致后部裂缝规模增加且形成暂未贯通的滑移面。

(4) 变形阶段d。该阶段变形进入累计性破坏阶段，滑移面完全贯通，变形体开始明显转动，陡倾的阶状裂隙面成为应力集中带，斜坡陡、缓转角处的嵌合体逐个被剪碎、压碎，并伴有扩容，最终形成变形体，垮塌物堆积于坡脚，形成现状地形。

4 滑坡稳定性分析

在现场调(勘)查基础上，利用GeoStudio软件的Slope模块，采用Morgenstem-Price法对降雨状况下的滑坡稳定性进行数值模拟[18]。选用有代表性的1-1′剖面建立有限元计算模型，节点数为1 860个，单元类型为四边形单元及三角形单元，共计1 769个。前文分析表明降雨是主要诱因，因此选择天然及暴雨工况两种条件计算滑坡稳定性。天然工况的荷载组合为自重+地下水，暴雨工况的荷载组合为自重+50年一遇降雨。通过室内试验并与相似工程地质条件进行类比，获得了该滑坡滑体和滑床的物理力学参数，具体见表1。

表1 滑坡岩土体物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of landslide rock mass

计算结果表明，天然工况条件下，滑坡稳定性系数为1.105，处于基本稳定状态；暴雨工况条件下，滑坡稳定性系数下降至1.013，进入欠稳定状态[19]。

5 滑坡防治措施及效果

在地质灾害治理过程中本着“实事求是、因地制宜”的原则，充分考虑滑坡变形迹象及稳定性评价结果，尽可能满足社会效益和生态修复的需求，提高与周围环境的融合程度[20]。工程治理措施由受损房屋拆除、削坡、格构锚杆、挡墙、截排水和生态绿化组成。完成工程治理后，经历1个雨季的检验，滑坡周边未出现拉裂，坡头未出现边坡，既有工程稳定，证明采用的工程治理措施切实可行。经过生态绿化治理，1个月后先锋植被覆盖坡面，4个月后小灌木初步成型，植被覆盖率超过90%，道路外侧花坛修复效果良好，与周围景观相匹配(照片3)。