宜宾岷江南岸半边街滑坡稳定性及敏感性评价

2023-03-16陈绍文陈廷芳王雪林刘文正

中国水土保持 2023年2期

陈绍文，陈廷芳，王雪林，刘文正

(西南科技大学环境与资源学院，四川绵阳 621010)

滑坡灾害是最常见的地质灾害之一，严重影响人类生产生活、经济发展[1]。在长江上游地区，降雨是影响滑坡稳定性的重要因素之一，还有河水冲刷、人工破坏等，所诱发的滑坡规模涵盖浅层滑坡到滑带深度相对较深的滑坡[2]。在滑坡稳定性分析的发展历程中，国内外学者提出了很多方法，现常用的有极限平衡法和有限单元法[3]，其中极限平衡法的传递系数法在我国工程界常被作为稳定性判断和工程设计的依据[4]，也是我国《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330—2013)中推荐的方法之一。

宜宾市叙州区蕨溪镇半边街滑坡受降雨及岷江河水涨跌影响，前缘发生局部鼓胀垮塌，中后部大量裂缝发育使房屋道路开裂，直接危及22户75人及村道安全。本研究依托宜宾市叙州区蕨溪镇施加社区花灯组半边街滑坡地质灾害隐患治理工程项目[5]，于2020年10月5日—2020年10月26日对半边街滑坡特征、变形机制及影响因素展开调查和分析，进行了天然、暴雨、地震、河水涨跌等工况下的滑坡稳定性分析及暴雨工况下的稳定性因素敏感性评价，以期为后续滑坡监测、水土流失治理提供重要依据。

1 滑坡概况

1.1 滑坡形态特征

半边街滑坡位于宜宾市叙州区蕨溪镇施加社区花灯组半边街，滑坡区中心坐标为104°09′15.08″E、29°02′38.68″N。滑坡平面形态呈圈椅状，剖面形态呈下凹的折线形，后缘以滑坡壁、张拉裂缝为界，前缘以坡脚陡坎、坡脚与岷江交界处为界，两侧以剪切裂缝、自然冲沟为界，后缘高程298～333 m，前缘高程271～280 m，主滑方向40°～55°，滑体平均厚度7 m，滑坡体积约15.29万m3，为中型牵引式滑坡。滑坡后部坡度较陡(30°～40°)，中前部坡度较缓，整体呈阶梯状，且可分为两个台阶：第一台阶以滑坡前缘与岷江河水交接处为界，受岷江河水冲刷，台阶前缘为斜坡，整体坡度约20°，台阶顶部平台坡度1°～4°；第二台阶以道路外侧近直立陡坎底为界，台阶顶部坡度1°～8°。

1.2 滑坡物质结构特征

(1)滑坡体。滑坡体物质主要为第四系崩坡积层(Q4el+dl)红褐色含碎块石粉质黏土，主要分布于区内表层及浅部，风化强烈，结构松散，粒径差异大，由粉质黏土、碎石组成，黏性土占比较大；受风化及滑动作用影响，呈棱角状且级配差，母岩成分主要为强风化-中风化砂岩，孔隙较发育且含水量较大，地表水与降水易入渗。

(2)滑带土。滑坡为浅表层土质滑坡，滑带土位于基覆界面之上，主要为含碎石粉质黏土。

(3)滑床。滑床主要由砖红色砂岩、红褐色含碎块石粉质黏土构成，岩层产状327°∠6°，呈厚层状构造、粗粒结构，泥质胶结，裂隙稍发育，岩质极软，在滑坡后缘陡坡近顶部有基岩出露点，地表水与降水易入渗。

1.3 滑坡变形特征

该滑坡初次变形于1989年，主要集中于滑坡中后部，表现为地面拉裂变形，随后趋于稳定。2015年雨季出现剧烈变形，主要表现为滑坡前缘地面出现大量沉降、拉张裂缝，最大沉降达0.7 m，最大拉张裂缝宽0.4 m，导致房屋出现拉裂变形，台阶前缘挡土墙底部出现鼓胀损坏。之后，滑坡一直处于缓慢变形阶段，裂缝加宽加长，在雨季、岷江河水水位下跌时变形尤为剧烈，至2020年9月在坡体内发现较明显拉张裂缝15条，长度1.2～8.0 m，宽度4～60 mm，裂缝走向30°～190°，坡体上的村道及房屋有拉裂变形现象。2020年10月28日，滑坡再次出现强烈变形，在中后部及前缘出现大量拉张裂缝，宽度10～200 mm，之后处于缓慢变形阶段。综上，从滑坡变形时间上看，变形破坏主要集中在雨季、岷江水位下跌时；从滑坡变形历史上看，滑坡变形在雨季、岷江水位下跌时尤为剧烈，会在前缘及中后部发育大量拉张裂缝。这说明该滑坡在遭遇暴雨、岷江水位下跌等不利工况条件时可能发生滑移变形。

2 滑坡变形影响因素及变形机制分析

2.1 滑坡变形影响因素

(1)地形地貌。研究区属于丘陵河流阶地地貌区，地形坡度相对较大，滑坡整体呈后陡-中前缓，平台、陡坎、斜坡相间发育形态，为变形提供了临空条件。此外，因前缘斜坡与岷江交界，故易受岷江河水冲刷侵蚀。

(2)地层岩性。研究区出露第四系崩坡积层(Q4col+dl)含碎块石粉质黏土、第四系冲洪积层(Q4al+pl)泥夹卵石及卵石、白垩系下统窝头山组(K1w)石英砂岩等。区内岩土体普遍结构松散、岩质软弱、孔隙裂隙发育、力学性质较差，特别是在饱水软化后物理特性急剧变差，易受降雨和地下水水位变化影响。

(3)地质构造及地震。研究区受峨眉-宜宾大断裂影响较大，导致区内岩土体结构不完整、裂隙发育，在河流侵蚀及风化作用下形成大量残坡积物。同时，川南地区地震活动极为频繁，地震力的震荡破坏作用破坏了岩土体的强度结构，改变了原本的胶结状态，使其松动破碎。

(4)气象水文。研究区内调查期间(2020年10月)岷江河水现状水位257.730 m，2020年洪水最高水位267.201 m，河水涨跌及冲刷侵蚀使岸坡出现局部塌岸，破裂面向后移动；地下水为第四系松散堆积物孔隙水、基岩风化带裂隙水，未见泉眼出露，地下水就地接受大气降水直接下渗补给，具有就近补给排泄、随季节变化大的特点。研究区年均降水量1 063.1 mm，最大年降水量1 581.0 mm，最小年降水量710.0 mm，降水量在年内分布不均，主要集中在5—9月，期间降水量超过年降雨量的76%，暴雨或连续降雨时大量雨水下渗会使岩土体物理力学性质变差。

(5)人类工程活动。研究区人类工程活动强度较高，房屋及乡村公路修建时产生了大量呈阶梯状的人工切坡及陡坎，易形成局部溜滑。

结合变形特征，岷江水位涨跌和大气降水为诱发滑坡变形及发生滑动的主要影响因素。

2.2 变形机制

根据上述滑坡物质结构特征、变形特征及影响因素，推测变形机制如下：

(1)滑坡后陡-中前缓和以岷江为界的地形地貌特征为中后部发育滑坡提供了较好的势能条件，为河流侵蚀入渗创造了有利条件；以崩坡积层含碎块石粉质黏土为主的滑坡体和以砖红色砂岩、红褐色含碎块石粉质黏土为主的滑床，力学性质较差，易形成潜在滑动面。

(2)当岷江水位上涨时，大量河水入渗，导致覆盖土层充分饱水，上覆土体自重加大，滑动面黏聚力C值、内摩擦角φ值大大降低；在岷江水位下降后，土体内地下水来不及排出，导致滑面以上滑体承受水对其向上的扬压力，土体有效应力降低，有效抗剪强度降低，使得滑坡稳定性大大降低。土质岸坡受岷江河水涨跌冲刷影响出现局部塌岸，使破裂面逐步向后移动。大气降水顺坡面入渗，进入松散覆盖土层，降低土体强度，增加土体荷载，同时在孔隙中形成孔隙水压力，加剧土体的变形和破坏；当暴雨或连续降雨时，土中孔隙水压力急剧增大，降低坡体抗滑移能力，诱发土层蠕动变形并最终形成裂缝。此外，川南地区地震频发，在地震波的作用下坡体受力巨大，原始平衡状态被打破，导致岩土体及斜坡结构遭到破坏，颗粒之间的胶结咬合程度降低，黏聚力和内摩擦角减小，从而在自重荷载下形成滑坡[6]。

2.3 破坏模式

该滑坡属牵引式滑坡，结合野外调查，滑坡破坏模式有3种：①沿含碎块石粉质黏土内部滑面发生滑动，滑面为圆弧状；②沿土岩接触面发生滑动，滑面为折线形；③受岷江河水冲刷、掏蚀，岸坡出现局部塌岸，滑面位于土层内，滑面为圆弧状。结合变形特征，滑坡滑面基本贯通。

3 滑坡稳定性评价

3.1 稳定性系数计算方法

根据上述地勘资料及滑坡特征，本研究采用极限平衡法中适合任意特征滑面的传递系数法进行滑坡稳定性系数计算。稳定性系数计算公式[7-8]为

(1)

其中

Ψj=cos(αi-αi+1)-sin(αi-αi+1)tanφi+1

Rn={Wn[(1-ru)cosαn-Asinαn]-RDn}tanφ/(CnLn)

Tn=Wn(sinαn+Acosαn)+TDn

式中：Fs为稳定性系数；Wi为第i条块的重量，kN/m；ru为孔隙压力比；αi为第i条块地下水线与滑面的夹角，(°)；φi为第i条块内摩擦角，(°)；Ci为第i条块黏聚力，kPa；Li为第i条块滑面长度，m；Ψj为第i条块的剩余下滑力传递至第i+1块时的传递系数，i=j；RDn为第n条块地下水渗透压力产生的垂直滑面分力，kN/m；TDn为第n条块地下水渗透压力产生的平行滑面分力，kN/m；A为地震加速度。

3.2 计算剖面选择

根据滑坡变形特征机制及典型地质断面特征，选取6-6′、7-7′剖面滑体(见图1、图2)作为实体模型，恢复原地形进行抗剪强度参数反演及稳定性评价。岷江现状水位低于6-6′剖面滑面2剪出口和7-7′剖面滑面3剪出口，最高水位时滑坡前缘斜坡处于行洪范围。

图1 半边街滑坡6-6′剖面

图2 半边街滑坡7-7′剖面

3.3 计算工况的确定

根据上述影响因素分析，计算工况及设计安全系数Ks取值如下：①天然工况，Ks取1.25(荷载为滑体自重，容重取天然值，地下水渗透作用水位以下滑体重度取浮重度)；②暴雨工况，Ks取1.20(滑体取饱和重度)；③地震工况，Ks取1.10(抗震设防烈度7度区，设计地震分组第二组，峰值地震加速度值A=0.10g)；④河水涨跌工况，Ks取1.10(滑体取饱和重度，因岷江水位最高涨幅高于剪出口，故水位取最高洪水位)。

3.4 计算参数取值

稳定性计算需确定岩土体重度及抗剪强度参数——黏聚力C、内摩擦角φ。此外，滑带土C、φ值是滑坡稳定性定量评价的重要参数，其值变化对计算结果影响较大[6]。

(1)重度采用原状样室内试验成果统计分析得到，即滑体(带)土和滑床岩石(含碎石粉质黏土)的天然、饱和容重均分别为20.2、20.8 kN/m3；滑床岩石(砂岩)的天然容重为21.4 kN/m3。

(2)抗剪强度参数C、φ值选用室内试验值、反演分析值及规范经验值加权求和所得的综合取值。①由于室内试验采取扰动试样，试验指标与实际情况相差较大，因此室内试验值权重取0.4；②反演分析值由滑体(带)土处于饱和状态下进行反算得出，反演分析值权重取0.5；③规范经验值权重取0.1。计算结果见表1。

表1 滑体(带)土抗剪强度参数取值

3.5 稳定性计算结果及评价

3.5.1 稳定状态评价标准

根据《滑坡防治工程勘查规范》(GB/T 32864—2016)，结合滑坡现状，根据稳定性系数Fs判定稳定状态的评价标准为：Fs<1.0为不稳定状态；1.0≤Fs<1.05为欠稳定状态；1.05≤Fs

3.5.2 稳定性计算结果

根据上述剖面、工况、参数及稳定状态评价标准，采用传递系数法对滑坡各破坏模式下的稳定性进行定量计算，计算结果见表2、表3。

表2 滑坡中后部斜坡稳定性计算结果

表3 滑坡前缘斜坡稳定性计算结果

3.5.3 稳定性评价

根据滑坡破坏模式及稳定性计算结果，稳定性需分局部与整体进行评价。

(1)局部稳定性评价。6-6′、7-7′剖面的滑面1在暴雨工况下分别处于不稳定状态和欠稳定状态；7-7′剖面滑面1在天然和地震工况下均于基本稳定状态，6-6′剖面滑面1在天然和地震工况下则分别处于基本稳定状态和稳定状态；7-7′剖面滑面3因剪出口高程接近岷江现状水位，故在河水涨跌工况下处于欠稳定状态；其余工况下各滑面均处于稳定状态。

(2)整体稳定性评价及发展趋势预测。半边街滑坡整体处于基本稳定状态；在暴雨工况下中后部斜坡呈不稳定-欠稳定状态，河水涨跌工况下前缘斜坡呈局部欠稳定状态。预测今后在雨季特别是暴雨及持续降雨、岷江河水水位快速涨跌时，滑坡滑动变形将加剧，从而失稳产生以蠕滑变形为主的滑动。计算结果与半边街滑坡的变形历史与现场表观特征基本一致。

4 滑坡稳定性因素敏感性评价

影响滑坡稳定性的主要因素有基覆面或滑动面的黏聚力C与内摩擦角φ[9]。根据稳定性评价结果，在暴雨工况下中后部斜坡稳定性较差易发生剧滑，故在暴雨工况下对两剖面进行黏聚力C和内摩擦角φ的稳定性因素敏感性评价。设定稳定性系数Fs=0.95～1.00，利用传递系数法反演分析得到稳定性系数Fs与C、φ值的变化规律，见表4、表5和图3、图4、图5、图6。

表4 6-6′剖面稳定性因素C、φ值敏感性分析

表5 7-7′剖面稳定性因素C、φ值敏感性分析

(1)6-6′剖面，在暴雨工况下取滑体(带)土C=14.5～16.0 kPa、φ=11.5°～13.0°。由表4和图3、图4可知，滑坡稳定性系数与C、φ值均呈线性正相关；C值不变，φ值每增加0.5°，稳定性系数增加1.5%；φ值不变，C值每增加0.5 kPa，稳定性系数增加2.2%；6-6′剖面中Fs—φ关系曲线的斜率小于Fs—C关系曲线的，说明滑动面黏聚力C对滑坡稳定性系数Fs影响更显著。

图3 6-6′剖面稳定性因素Fs—φ关系曲线

图4 6-6′剖面稳定性因素Fs—C关系曲线

(2)7-7′剖面，在暴雨工况下取滑体(带)土C=14.0～15.5 kPa、φ=11.5°～13.0°。由表5和图5、图6可知，滑坡稳定性系数与C、φ值均呈线性正相关；C值不变，φ值每增加0.5°，稳定性系数增加1.8%；φ值不变，C值每增加0.5 kPa，稳定性系数增加2.0%；7-7′剖面中Fs—φ关系曲线的斜率小于Fs—C关系曲线的，说明滑动面黏聚力C对滑坡稳定性系数Fs影响更显著。