四川省会理县昆鹏铜业滑坡稳定性研究

李开强 贾灵慈 刘 震 易 磊

（华北水利水电大学地球科学与工程学院，河南 郑州 450046）

0 引言

滑坡是一种危害程度高、规模大、次数频繁且有规律可循的自然灾害［1］。这种现象指的是研究区域的岩土体在多种地质条件的共同作用下，导致原有的稳定状态向不稳定状态进行转化，在坡体自重或者坡体上方荷载的作用下，岩土体沿着软弱面向下发生滑动导致失稳现象的发生［2］。这种不良地质灾害的频繁发生，致使道路中断、交通受阻、河道因山体滑落发生堵塞、多数的村庄住宅被无情地摧毁，人们因此流离失所甚至失去生命［3］。

本研究选取的滑坡场地位于四川省凉山州会理县黎溪镇羊地河工业园区昆鹏铜业阳极铜厂区内（见图1），滑坡体宽约126 m，长约103 m，滑面埋深为10～20 m，滑坡面积约12 000 m2，体积约1.9×105 m3，主滑方向约为25°，地面下沉，2#柱发生倾斜，滑坡上的施工结构（水沟、拱形支护拱圈、台阶）出现裂缝，2#柱的螺栓断裂，立柱倾斜，对生产造成了一定的影响。滑坡体顶部原为一平缓场地，现凹凸不平，后缘裂缝宽大。滑坡体与后面渣缓堆场是经碾压而成，但碾压时分层厚度不一，碾压效果不好，以致后面渣缓堆场经过振冲桩进行处理。滑坡体顶部在未形成滑坡时，顶部无规则堆有废弃铜材和钢材，局部堆放，局部荷载大，当出现滑坡现象后重物被移走。重物移走后经过监测2#柱依然发生偏移，地面依旧在沉降和水平变形。整个滑坡体西南面沉降和水平变形大，东南面变形小。目前，滑坡体顶滑坡范围内的围墙已经拆除，围墙上裂缝也呈斜裂缝，裂缝方向大约25°，局部还向外倾倒，拆除后修建钢丝网围栏。该滑坡直接危害到昆鹏铜业阳极铜有限公司的生产和人身财产安全，而且滑坡后将产生大量的松散堆积体，在暴雨情况下将形成人工泥石流，不仅对下游生态环境造成严重破坏，还会对两侧山体进行剧烈的侧蚀，对沟谷进行下蚀将造成严重的工程地质条件改变。

图1 滑坡全貌

1 滑坡区地质条件及滑坡特征

研究区原始地形属于沟谷陡坡地形，滑坡位于该沟谷陡坡上段，目前场地经过改造，经强夯或压实到现在厂房地坪标高而整平，改造成一堆场平台，平台外坡面采用拱形护坡和分台放坡。原地貌陡坡多为50°～70°，坡脚陡峭，地势为两山夹一沟。滑坡地段的最大和最小标高分别为1 758.698 m和1 731.00 m，相对高差27.698 m。

1.1 地层岩性

滑坡区自上而下可分为如下两大层。（1）压密填土：褐黄色、灰黑色、灰白色，以黏土为主，其中砂砾和粗沙占20%，块石较少，砾石颗粒直径10～80 mm，块状颗粒直径200～260 mm，湿度为稍湿，中密-密实，整场都有分布。（2）前震旦系下统澄江组砾岩（Zac）：①前震旦系下统澄江组强风化砾岩：黄褐色，灰白色，砾石成分为泥岩、泥灰岩、砂岩和杂质岩，泥质和钙质胶结，砾石颗粒直径为1～120 cm，多为亚圆形，少数为棱角形，有大量的风化节理裂缝，大多数结构已被破坏，岩体破碎，矿物组成发生了明显的改变，岩芯呈碎块夹土状，砾状结构，层理构造，整场都有分布；②前震旦系下统澄江组中风化砾岩：黄褐色，褐红色，砾石成分为泥岩、泥灰岩、砂岩和杂质岩，泥质和钙质胶结，砾石粒径1～120 cm，基本呈亚圆形，少量呈棱角形，风化节理裂隙发育，部分结构被破坏，岩体较破碎，岩芯多呈短柱状，少量呈长柱状，砾状结构，层理构造，整场都有分布。

1.2 地质构造

研究区处于我国南北地震带中段，断裂发育，不时受到邻区强震的影响，但新构造活动不明显。与地震活动有关的主要活动断裂为安宁河、昔格达、箐河、普威和桐子林-李明久，这些断裂带控制了地震分布，但场地内无明显新构造活动形迹及其他不良地质作用，从地壳稳定性来看为较稳定区，为理想的建筑场地，适合建筑。场地未见大面积断裂构造，晚近期构造活动较弱，场地内新构造活动形迹不明显，离场地距离和时间都最近的一次地震为攀枝花“8.30”地震，震级为6.1级，对场地基本无害。

1.3 水文地质条件

滑坡稳定地下水埋藏较深，场地地下水以孔隙形式存在于压实填土中。受到地下径流影响，主要由大气降水补给。地表蒸发和地下径流是主要的排水形式。地下水无色、无味、透明，场地内地下水属HCO3-Ca型水。通过对混凝土结构和钢筋混凝土结构进行检测，发现现场水体对钢筋具有一定的微腐蚀作用。

1.4 滑坡特征

本滑坡是在人为因素和自然因素共同作用下，由填土构成沿着软弱结构面滑移而形成的。由于滑坡层厚度在10～20 m，属于中层推移式工程滑坡。滑坡是由上段先发生变形，再由上往下传递，一直到前缘。在破坏过程中，两侧出现了剪切型的拉裂缝，而且由于整个滑面有轻微的起伏，并且整个滑面的滑移速率也不均匀，因此在不同的位置出现了裂缝，且裂缝的大小也各不相同。

2 滑坡形成机制

填土与基岩接触面在多种因素作用下常在接触面处或填土层中分层填筑面形成软弱结构面。由于滑坡区滑带土结构较松散，局部有块石，含水量大，漏水严重，这都为地表水的渗入及地下水的流通提供了良好的“通道”，这些水流汇聚后形成向下游流动的潜流，对上部岩土体起到浮托作用，在重力的作用下沿着潜流底部的界面发生了自重滑动，在底部形成了一个滑床。这种由各种结构面形成上陡下缓的组合形式，并有利于地下水的活动，在这种地质情况下，很容易发生滑坡。原地形陡坡多在50°～70°变化，坡底较陡，地势两山夹一沟，为滑坡的下滑提供了空间。

边坡汇水面积大，坡面没有良好的排水系统，为滑坡提供了有利的环境。场地没有封面，在阳光暴晒和暴雨的侵蚀下容易沿软弱面引起土体强度的降低。地表水容易渗入滑坡的松散土体中，使其土体重度增加，抗剪强度指数下降。在长时间的重力和风化作用下，软弱面逐渐贯通，滑坡体的结构也随之发生了变化。在强降雨条件下，由于雨水的大量渗透，导致了松散土体的强度下降，在恶劣的地形环境中出现了滑移现象。

人类工程活动是诱发此滑坡发生大规模滑动的最主要因素。滑坡体后缘堆积了大量的材料，荷载增加。同时厂房用水排放没有专门的管道，生活用水、雨水等自由渗流进入地层，造成了土体抗剪强度降低，从而形成了滑坡。

3 滑坡稳定性极限平衡分析

极限平衡法是工程分析领域常用的分析方法之一，它的主要理论分析依据是莫尔-库伦强度理论，主要思想是建立每个条块力平衡方程和力矩平衡方程，从而求解边坡的稳定性系数［4］。假设岩土体是刚性的，不会发生任何变形，但是通过静力（或力矩）的平衡，可以得到岩石表面的反作用力，从而进行稳定分析。同时，由于极限平衡法中的计算方法较多，因此在进行稳定计算和分析时，应根据工程的特点选择合适的计算方法。本研究为了更好地反映实际情况，选用了Morgenstern-Price法［5］、Bishop法［6］、Janbu法［7］进行对比分析，从而能够得出比较适宜的极限平衡计算方法。

3.1 计算模型

根据滑坡地质勘查资料，选取其中一个典型剖面（见图2）作为算例，建立的二维模型如图3所示。地层从上至下分别为素填土、强风化砾岩、中分化砾岩；采用四边形和三角形网格划分网格单元，共划分为15 840个单元、16 065个节点。

图2 滑坡主剖面图

图3 滑坡模型网格划分

3.2 计算工况

由于场地类型为二类场地且为中软土，处于抗震不利地段。因此进行稳定性计算时主要考虑暴雨和地震的影响。进行以下三种工况模拟：工况1为自然工况；工况2为暴雨工况；工况3为地震工况。

3.3 计算参数

基于滑坡现场勘察报告和室内试验取得的数据，确定了滑坡岩土层的相关工程地质参数。滑坡模型所用的参数如表1所示。

表1 岩土体物理参数

3.4 计算结果分析评价

3.4.1 自然工况。在自然条件下，软件通过对最危险的滑动面进行系统的自动查找，确定滑面的位置，图4给出Morgenstern-Price法模拟结果，其余计算结果见表2。从上述结果可以看出，计算出的稳定性系数大小由于使用的方法不同有所差异。计算结果按数值大小排列为：Morgenstern-Price法＞Bishop法＞Janbu法，滑动面形状为一圆弧形，位于滑坡上部素填土土层中靠近下部基岩的地方，说明昆鹏铜业滑坡的再次失稳可能会沿着下部基岩和上部素填土土层的基覆交界面发生滑移。结合《滑坡防治工程勘察规范》（见表3）的判定标准［8］。在三种方法计算下，滑坡都处于基本稳定状态，滑坡总体安全储量不足，因为其安全系数仅稍高于稳定状态的临界值，在外界条件改变的情况下容易加速下滑。

表2 滑坡稳定性系数对比表

图4 Morgenstern-Price法

3.4.2 暴雨工况。暴雨工况下主要研究了滑坡在不同降雨强度条件下稳定性系数变化的情况。根据当地气象条件，结合降雨强度等级划分（见表4），设定了以下几种降雨工况：小雨（10 mm/24 h）、中雨（25 mm/24 h）、大雨（50 mm/24 h）、暴雨（100 mm/24 h）、大暴雨（200 mm/24 h）。结合地质勘察数据将素填土饱和渗透系数取值设定为8.6e-6 m/s，饱和体积含水率为0.36。分别使用Morgenstern-Price法（见图5）、Bishop法、Janbu法计算得出滑坡在不同降雨强度下持续6 h的稳定性系数。

表4 降雨强度等级划分

图5 Morgenstern-Price法（100 mm/24 h）

计算结果（见表5）表明，在降雨情况下滑坡稳定性会逐步下降，滑坡会由基本稳定状态变为不稳定状态。这是因为降雨的影响，导致滑坡体的自重增加，滑坡体的滑移力增大，而滑移面的黏聚力和内摩擦角都会减小，因此，稳定性系数比自然自重条件下要小，在素填土土层中出现了一个变形破坏面，滑坡沿着该滑面已经发生了失稳破坏，滑坡此时处于失稳状态。通过上述结果可知，由于外部因素的影响，滑坡在上部素填土土层中的某个薄弱面上会发生弧形滑移。

表5 降雨工况稳定性计算成果表

3.4.3 地震工况。地震工况下分别设定6级、7级、8级烈度进行模拟计算，利用Geostudio的SLOPE/W模块进行拟静力计算，得到在不同工况条件下的稳定性系数（见表6）。计算结果表明，地震对滑坡的影响比较大，在6级烈度下稳定性系数由自重状态的1.114降低至1.018，滑坡从基本稳定状态变为欠稳定状态；而在7级、8级烈度工况下滑坡稳定性系数降低至0.935、0.800，滑坡已经完全失稳。

表6 地震工况稳定性计算成果表

3.4.4 最不利工况。由于滑坡区域雨季主要分布在4—9月，年均降水量为1 150 mm，24 h最大降雨总量为168.5 mm；离场地距离和时间都最近的一次地震为攀枝花6.1级地震。所以考虑最不利工况时采用168.5 mm/24 h和6级地震烈度耦合进行模拟计算（见图6）。

图6 Morgenstern-Price法（降雨地震耦合）

从模拟结果（见表7）可以看出，在最不利工况下，地震和降雨同时存在时比两者单独存在所造成的影响要大得多。稳定性系数由自重状态的1.114降低至0.836，滑坡此时已经完全失稳。降雨导致了滑坡体的自重增加，滑坡体的滑移力增大；此时地震的加入可能会使原本稳定的岩土体变得松散，造成更大规模的滑坡。

表7 滑坡稳定性系数对比表（地震降雨耦合）

4 结论

①天然状态下昆鹏铜业滑坡稳定性系数为1.114，滑坡处于基本稳定状态，但滑坡安全储备不够，容易受到外界环境变化的影响，在暴雨催化和地震作用下可能出现失稳甚至更大规模的滑坡。

②降雨在一定程度上减弱了滑坡的稳定性，而暴雨则会导致其失稳。随着降雨量的增加，滑坡的稳定性系数也在不断地降低。具体影响作用表现为：在降雨过程中，随着雨水的下渗，坡体内体积含水量增加，使得坡体自重增加，滑动面的黏聚力和内摩擦角都会降低，最终共同影响了滑坡的稳定性。

③地震对昆鹏铜业滑坡造成了很大的冲击，坡体在地震中受损，出现了拉裂缝影响了滑坡的稳定性。6级烈度地震使滑坡处于欠稳定到不稳定的临界状态，而7级及以上烈度地震会使滑坡失稳。

④昆鹏铜业滑坡现在处于蠕滑阶段，因此必须对该滑坡进行治理，否则由于降雨入渗、风化、荷载增大、地震等因素，滑坡环境将进一步恶化，引发更大范围的滑坡，形成泥石流，破坏生态环境，危及场区安全和生产，造成较大的经济损失。建议完善滑坡区域的排水措施，对滑坡进行支挡和裂缝填塞处理。