切割作用下牵引式古滑坡复活机理:以国道S206古滑坡为例

2024-01-02李侑军张红日朱真李红明曾铃张永杰

科学技术与工程 2023年35期

李侑军, 张红日,2*, 朱真, 李红明, 曾铃, 张永杰

(1.广西交科集团有限公司, 南宁 530000; 2.上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院, 上海 210009; 3.广西壮族自治区地质环境监测站, 南宁 530000; 4.长沙理工大学土木工程学院, 长沙 410083)

牵引式滑坡往往是滑坡前缘侵蚀或切割后,中后缘缺乏支撑并在后缘形成拉裂面,诱发坡体逐级向上发展的变形、滑坡[1],常见的主要结构及变形特征有阶梯状地貌、塔状或舌状平面形态、缓慢蠕滑等,关于牵引式滑坡形成机理及复活的问题,前人已经进行了许多研究,杨涛等[2]通过牵引式土质滑坡的分段式滑面底渗法试验指出底滑面滑移导致末端滑体自滑面到坡面发展形成拉裂区,拉裂面方向与最大主应力方向一致;陈晓利等[3]指出汶川地震分布在逆冲断裂段的中大型滑坡较同等规模、震级的其他性质断裂要多,且具备明显上盘效应;冯振等[4]通过地质调绘指出小江断裂带巧家段巨型古滑坡前缘为河流下切形成的顺层高陡临空面,为该古滑坡的复活提供了充分空间条件;李育枢等[5]通过地质勘查反演、历史资料验证等手段明确古地震是唐家湾东顺层岩质古滑坡形成的历史原因,三峡库水位升降、人工切断前缘支撑是诱发古滑坡复活的直接原因;徐则民等[6]指出程海断裂导致岩石整体性及质量下降是金沙江寨子村巨型古滑坡的历史原因,地震是诱发滑坡复活的主要因素;祝建等[7]指出历史构造活动是樟木口岸古滑坡的形成原因,前缘河流下切、降雨及人类活动是古滑坡复活的直接诱因;丁恒等[8]通过尖山营古滑坡的勘测结果指出地下煤矿开采是导致滑坡复活的主要因素上述研究指出断裂带、构造运动是牵引式古滑坡形成的内动力因素,前缘切割侵蚀及降雨等是主要外动力因素。传统滑坡调查主要依据地形地貌[9-10]、岩土体结构、宏观破坏特征[11]及相关历史记录,但牵引式古滑坡形成年代久远,侵蚀剥蚀堆积作用掩盖了原有滑坡特征,单一的判断依据如地形地貌等存在误判或遗漏可能[12-13];再次,降雨触滑、切割卸荷对于古滑坡复活影响大,部分地区降雨呈长期、高强度特点,古滑坡破碎的岩土结构为雨水入渗提供了天然通道,岩土体浸润后增重,抗剪强度降低[14-17];切割卸荷易打破牵引式古滑坡平衡状态,加剧古滑坡复活的复杂性[5,18-20];因此有必要对牵引式古滑坡地形地貌、滑面结构、滑动变形等因素进行逐一剖析整理,分析牵引式古滑坡复活后的宏观特征,进一步加深切割作用对古滑坡复活影响的认识,从而为类似工程提供相关依据及参考。

现以广西金秀县三角乡牵引式古滑坡复活为例,依托详尽的工程地质勘查对滑坡区构造特点、地质结构及滑坡特征进行逐一分析,对切割作用下的牵引式古滑坡复活机理进行探讨,并采用不平衡推力法对滑坡稳定性进行计算分析,并结合监测结果进行印证,以期为类似滑坡治理提供借鉴。

1 地质背景

1.1 地形地貌

研究区位于国道S206广西金秀县三角乡,区域地貌类型主要为侵蚀中山齿峰丘陵地貌(图1),峰顶海拔标高750～1 500 m,谷地400～650 m,河谷为宽阔状的“U”形,坡度为25°～50°,峰脊波浪状起伏,沟谷呈狭长条带状、树枝状分布,植被发育。滑坡发生于国道S206K32+725～K33+000段路堑边坡的右侧,北面为坡度45°、标高805 m的山峰,南面为坡度50°、沟底标高580 m的陡倾深切沟谷,中部为宽58～110 m、坡度20°～30°、标高700～745 m的弧状平台,纵向地貌具备陡-缓-陡特征,表现为阶梯状地貌;根据山脊线走向可将滑坡划分为南西区和南东区,南西区坡度约30°,南东区坡度20°～25°。在缓坡平台上有自西向东分布的村落,规模约100人31户。

图1 区域地理位置图Fig.1 Regional geographic location map

1.2 地质岩性

1.3 水文地质

表1 各地层主要物理力学参数表Table 1 Physical and mechanical parameters of strata

1.4 地质构造

研究区内断层发育(图2),分布平办压扭性断裂、金秀至双河压性断裂,区内岩体受断层影响,风化强烈,结构破碎,节理裂隙发育,岩层扭曲现象明显,节理裂隙方向各异,产状凌乱,滑坡区外产状呈150°～200°∠40°～55°,滑坡区内产状呈320°∠81°、220°∠53°、224°∠9°。研究区属南亚热带季风气候区,多年平均降雨量为1 648 mm,5—8月为降雨集中期,季节性分布明显。

图2 区域地质构造图Fig.2 Regional geological structure map

2 滑坡特征

2.1 滑坡的发展

如图3所示,K32+725～K33+000段路堑原设计高程611.2～616.6 m,最大开挖高度42.6 m,坡口线距村落民房124～272 m。人为开挖集中于2021年7—9月;村落房屋、村道及坡面在9月29日出现多处张拉裂缝后停止开挖;10月6日开挖面沿190°发生滑坡,同时坡顶房屋、村道出现开裂,随即在前缘堆载反压12.5 m高土体。滑坡各区破坏特征如下:①滑坡后缘裂缝(700.0～720.0 m)呈弧状,从顶部断续向东南方向延伸约145 m,宽度0.01～0.15 m,深度0.2～0.6 m;②滑坡中部(680.0～700 m)浅层坡面拉裂10～30 cm,错台10～25 cm,两侧边界未见明显变形;③滑坡前缘(625～680 m)与人工路堑重合,未见明显鼓胀迹象,局部坡面存在湿润带;④入户调查发现村落中近10年来新建砖混房屋存有明显裂缝。为查明滑坡特征,沿主滑动方向布设4条勘察剖面并布设表层及深层位移监测网络(图3),确定滑动面位置如图4所示。

2.2 研究区古滑坡特征识别

牵引式古滑坡的判识主要是依据地表形态、地层岩性及滑带特征、历史变形破坏记录等进行。

(1)研究区地表形态。滑坡区各特征段沿主滑向坡角分别为45°、30°、50°,在标高700～745 m处形成一平缓弧状平台,纵向呈陡-缓-陡特征,分级明显,构成典型阶梯状地貌。

(2)地层岩性及滑带特征。滑坡区内外产状凌乱:滑坡区外产状150°～200°∠40°～55°,区内产状320°∠81°、220°∠53°、224°∠9°。其次部分钻孔发现古滑面,ZK4位于人工开挖段的左侧(图4),卸荷效应对其岩土体结构影响较小,古滑面完整性留存较好,在27.1～27.2 m[图5(a)]、28.2～28.3 m[图5(b)]两处存在层状剪切破碎痕迹,剪切面周围存在糜棱状角砾、砂砾。为印证ZK4所揭露滑面属于古滑面,采用滑坡中后部深部位移确定滑面的岩芯进行对比:ZK5在32.7～32.9 m发现糜棱状砂岩碎石层,该层呈土石混合状,底部与砂岩层交界面可见新鲜擦痕,碎石棱角状分明,碎石1～3 cm,角砾0.5～1.0 cm,岩土分界突兀[图6(b)];ZK6在17.0～17.7 m上下均为强风化砂岩,在该层出现黄褐色砂质黏土夹糜棱状砂岩碎石(图7),判断为新滑面,新旧滑面均存在摩擦痕迹,但成分构成存在较大差异(表2)。

图3 滑坡区工程地质平面图Fig.3 Engineering geological plan of landslide area

图4 2-2′主力轴地质剖面图Fig.4 The geological profile of 2-2′

表2 新古滑面特征对比Table 2 Comparison of new and ancient sliding surface characteristics

图5 ZK4在27.1～27.2 m、28.2～28.3 m处古滑面Fig.5 The ancient slip surface of ZK4 at 27.1 ～ 27.2 m and 28.2 ～ 28.3 m

(3)历史变形破坏记录。当地自1951—2021年存在连续坡体活动,以及村落房屋损坏的记录[21]:1951年村落后方坡面形成长约50 m裂缝、1997—2011年多处房屋拉裂,2016年部分房屋无法居住进行搬迁;2021年入户调查发现大部分房屋存在不同开裂现象,上述记录表明该滑坡在路堑切割作用发生前就长期处于蠕滑阶段。

上述分析表明该滑坡属地质历史时期形成的牵引式古滑坡,其范围详见图3。

2.3 滑坡处治边界的划定

研究区地形地貌、钻探结果表明了牵引式古滑坡的存在,但南西区与南东区间存在一山脊,且坡脚切割主要集中于南西区,南东区是否发生了如南西区一样的深层滑坡仍值得商榷,可从两区钻探结果差异进行印证。如图8所示,位于两区间山脊线东侧的ZK10、ZK11夹土的软弱层描述为褐色密实碎石土,含有5%～10%的灰白色碎石,碎石粒径2～6 cm,棱角分明;夹碎石软弱层描述为灰色、灰褐色,薄层-中厚层状构造,砂质结构,岩体破碎;无论夹土层或夹碎石层,在柱状岩芯断面并未发现擦痕、镜面、角砾磨圆或次圆等现象,参照表1中滑面及古滑面描述,滑坡南东区ZK10、ZK11钻孔揭露的软弱夹层属构造运动中形成的断层面,南东区滑坡的形成并非切割作用引起(图3),考虑到南东区村落生活污水长期漫排于坡面,推测南东区长期蠕滑状态属浅层土体长期饱水,基质吸力丧失导致抗剪强度降低引起。

图6 ZK5在30.0～33.0 m段岩芯及滑面照片Fig.6 The slip surface of ZK5 at 32.7～32.9 m

图7 ZK6在17.0～17.7 m处滑面Fig.7 The slip surface of ZK6 at 17.0 ～ 17.7 m

图8 ZK10、ZK11典型破碎带Fig.8 The typical fracture zone of ZK10 and ZK11

2.4 滑坡状态及规模

该滑坡主要以南西区为主,形态呈圈椅状,分布高程625～705 m,滑坡左右宽约160 m,主力轴长约170 m,前后缘高差约为80 m,滑坡体厚度15.0～32.5 m,面积约1.8×104m2,滑坡体积方量约40×104m3,为厚层大型牵引式岩土混合滑坡,滑坡处于欠稳定状态。

3 滑坡稳定性计算

3.1 稳定性计算方法

滑坡稳定性计算方法依据采用行业规范[22]指定的不平衡推力法,分为天然及暴雨两种工况,采用的计算公式为

(1)

ψi=cos(θi-θi+1)-sin(θi-θi+1)tanφi+1

Ri=(Ni-ui)tanφi+ciLi

Ni=wicosθi

Ti=wisinθi

式中:Fs为稳定系数;wi为稳定系数第i块段滑体所受的重力,kN/m;Ri为作用于第i块段滑体的抗滑力, kN/m ;Ti为作用于第i块段滑体的下滑分力, kN/m ;Ni为第i块段滑体在滑动面法线上的反力, kN/m ;ci为第i块段滑体的黏聚力标准值,kPa;φi为第i块段滑体的内摩擦角标准值,(°);θi为第i块段滑体的滑面与水平线夹角,(°);Li为第i块段滑体的滑动面长度,m;ψi为第i计算条块剩余下滑推力向第i+1计算条块的传递系数。

综合室内实验、勘察结果及反演成果,结合地方工程经验,稳定性计算的主要物理力学参数如表3所示。

表3 岩土体物理力学参数Table 3 Physical and mechanical parameters of rock mass

3.2 稳定性计算结果

深部位移结果确定最不利剖面为2-2′,计算结果见表4,工况1稳定系数Fs=1.049,工况2稳定系数Fs=0.997,表明该古滑坡南西区在天然工况下为欠稳定状态,饱和工况下为不稳定状态,基本符合滑坡状态,饱和工况下滑力较大,作为该滑坡的主要设计依据。

表4 稳定性计算结果Table 4 Stability calculation results

4 牵引式古滑坡复活机理探讨与论证

4.1 牵引式古滑坡复活机理探讨

根据钻探结果,滑坡区上部滑体为可塑状粉质黏土及松散-稍密状碎石土,抗剪强度较低;中下部为全强风化砂岩夹软弱层,受雨水入渗后强度急剧下降。滑坡区呈陡-缓-陡阶梯状,缓坡平台有利于降雨入渗,为降雨触滑效应的发挥提供了空间条件:缓坡平台地势较缓,有利于降雨长期停留,对坡体地下水形成垂向补给;滑坡区位于次级分水岭的径流段,地下水接受后方陡立山体的侧向补给,风化砂岩的节理裂隙为地下水提供了丰富渗流通道,造成坡体饱水增重及基岩裂隙中静水压力增加。滑坡区在5—8月进入雨季,降雨时间长、降雨量大,导致岩土体自重增加导致下滑力增大,并降低滑带抗剪强度,阻滑力逐渐下降;随着前缘切割逐步进行,中后部岩土体支撑被逐步切断,古滑坡在应力调整过程中累积应变,当应变达到某一量级时,沿抗剪强度最低的软弱面发生变形滑动。在古滑坡复活过程,滑坡区地质背景:阶梯形地貌、结构破碎的岩体、软弱夹层是古滑坡复活的内动力因素,降雨、前缘切割作用是外动力因素。

4.2 牵引式古滑坡复活机理论证

在该古滑坡复活前,前缘切割作用与降雨时间存时空在重合,需单独分析降雨对古滑坡复活的影响。现场在古滑坡复活后进行前缘反压,除此以外无其他工程建设活动。如图9所示,ZK6滑动面在深度14 m处,研究区在进入旱季后100 d(2022年1月18日—2022年4月28日)滑动面累计位移从0增加至16.2 mm,日均位移速率0.162 mm/d;随着雨季的到来,ZK6滑动面累计位移(2022年4月28日—2022年7月28日)从16.2 mm增加至62.7 mm,在90 d内增加了46.5 mm,日均位移速率0.517 mm/d,雨季位移速率是旱季的3.2倍。上述分析表明古滑坡复活后,在旱季时节处于蠕滑状态,表明切割作用破坏了坡体原有应力状态,坡体在应力调整过程中累计应变;随着雨季来临,坡体在雨水入渗后出现饱水增重、裂隙中静水压力增加,滑带处阻滑力进一步下降,牵引滑体再次进入变形滑动状态。