宁镇低山丘陵区降雨型滑坡致灾机理与防治措施研究

咸玉建,郭炳跃,戴俊成,王 毅,周 强

(江苏省地质勘查技术院,江苏 南京 210049)

0 前言

滑坡灾害是我国低山丘陵区主要的地质灾害类型之一,诸多专家学者们研究了滑坡灾害的孕灾地质条件、破坏模式、成因机制、稳定性评价方法及工程防治措施等[1-8]。

江苏省南京、镇江地区经济发达,但因地质环境条件较差,是滑坡等突发地质灾害重点防治区,具有突发性强、点多分散、危害大特征。近年城市发展对地质环境影响加剧,加之极端天气频发,宁镇低山丘陵区突发地质灾害呈多发频发态势,防灾形势严峻,而滑坡灾害历来就是防灾工作的重中之重。

2016年受罕遇强降雨影响,南京市江宁开发区发生多处滑坡灾险情,对周边过往行人和生态环境安全构成威胁。因此,本文以江宁开发区某盘山公路滑坡灾害为例,在调绘与详勘为基础,系统分析了滑坡灾害特征、成因和滑坡稳定性,并提出了综合治理措施,也为同类型滑坡灾害防治提供借鉴。

1 研究区孕灾地质环境条件

1.1 气象水文

宁镇地区为亚热带季风气候区,年均降水量约1 106 mm,其中6-9月间为梅雨季节。2016年6月南京降雨量达625.5mm,远超历年该月历史纪录。

1.2 地形地貌

本滑坡区为宁镇扬构造剥蚀低山丘陵地貌,北低南高、上缓下陡,坡度约27°～35°,自然斜坡高程分布范围103.92～149.70 m,滑坡坡脚处为人工切坡,切坡面最陡达56°,前缘地形较缓,坡度约5°～7°左右。滑坡区东西两侧为冲沟,呈双沟同源现象。该滑坡隐患对过往行人车辆安全构成严重威胁。

1.3 地质构造

滑坡区地处扬子地层区、下扬子地层分区、宁芜地层小区北部,附近主要有近东西向祖堂山—桥头断裂、祖堂山-殷巷断裂等。

1.4 地层岩性

滑坡区前第四纪地层主要为中生代侏罗系上统大王山组(J3d)灰绿、灰紫色安山质角砾凝灰岩,风化差异大,局部有岩体出露,多为浅部薄层松散层覆盖;浅表第四纪地层主要为上更新统下蜀组(Q3x)残坡积含碎石粉质粘土层,为宁镇地区典型易滑地层。

2 滑坡发育特征及成因分析

2.1 滑坡基本特征

2.1.1 滑坡形态特征

滑坡区位于山体北麓斜坡上,植被茂密,呈南高北低、上陡下缓之势。滑坡区整体坡度27°～35°,高程103.9～149.7 m间,最大高差达45 m。滑坡体平面上呈喇叭形,东西两侧以古冲沟为界,后缘以拉张裂缝为界,滑坡沿主滑向纵向长约120 m,横向平均宽约50 m,平均厚度约6 m,体积约4×104m3,属小型滑坡,主滑方向为北东向3°。滑坡前缘坡下部为盘山公路建设人工切坡段,形成切坡陡坎长约90 m、局部最陡达56°,滑坡周界及详勘工作部署见图1～图2。

图1 滑坡体整体特征(N-S)

图2 滑坡区调绘及实际材料图

2.1.2 滑坡结构特征

根据滑坡详细勘察查明结构特征如下:

滑体:主要由①含碎石粉质粘土及②1全风化安山质凝灰岩组成,滑体厚约3.3～8.3 m,平均厚度约6.0 m。

滑带:根据详细勘查综合分析,主滑带位于①、②1层中,在全、强风化安山质凝灰岩界面附近,呈黏土～砂土状,高岭土化,遇水易软化,强度低、易隔水,属极软岩。

滑床:②2层强风化安山质角砾凝灰岩,岩芯相对完整、强度较高。

2.1.3 滑坡体变形特征

根据地质调查及测绘,滑坡周界清晰,变形破坏特征明显,若不及时处置灾险情将会随着滑坡规模发展而进一步扩大。

滑坡后缘清晰,张性裂缝宽约5～16 cm,落差约40 cm(图3a),后缘顶高程约141.75～148.0 m。滑坡东侧边界表现为明显的地表裂缝和台阶落差,缝宽5～26 cm,最大落差约30 cm(图3b)。西侧边界主要位于西侧新形成的冲沟处(图3c)。滑坡前缘主要表现临空切坡(图3d),①层含碎石粉质粘土层受雨水冲刷、局部滑塌明显。此外,滑坡体上发育多条东西向张性裂缝,其中高程123 m、136 m、140 m处的裂缝最为明显,缝长分别约32 m、34 m、21 m,缝宽3～4 cm,这也表明滑坡变形正在不断发展阶段。

图3 滑坡体地表变形破坏特征

2.2 滑坡成因分析

2.2.1 孕灾地质环境条件影响

滑坡区属低山丘陵地貌,地形高陡起伏,滑坡前后缘高差达45 m,坡面冲沟发育,滑坡前缘为人工切坡陡坎微地貌,未做防护措施,高陡地形和切坡临空面有利于滑坡灾害的发生发展。滑坡体主要由含碎石粉质粘土和全风化安山质凝灰岩组成,主滑带位于全风化与强风化凝灰岩界面处,滑动带呈黏土-砂土状,局部高岭土化,岩芯破碎,遇水易软化,为滑坡形成创造了物质条件。

2.2.2 连续强降雨影响

根据灾害调查及详勘,发现滑坡岩土体渗透性差异大,全风化凝灰岩高岭土化严重,加之滑坡区坡面冲沟及裂隙发育,大量地表水易在粘性土层与不同基岩风化层界面汇集形成软弱带。由于遭遇强降雨影响,大量雨水在浅部松散土层中蓄积。雨水软化作用首先增大滑体自重,孔隙水压力增加,增大下滑力;其次是雨水汇聚入渗到滑面上产生扬压力,使抗剪强度指标降低,减弱了稳定性,最终致使不稳定斜坡失稳滑动。

2.2.3 人为工程活动影响

因前期景区规划盘山公路建设在坡体前缘形成临空切坡带,人类工程活动改变了原来的地形地貌,局部坡度较陡,边坡稳定性变差,斜坡的平衡状态被打破,受重力和降水软化影响使滑坡体失稳发生滑坡灾害。

3 滑坡稳定性定量评价

3.1 滑坡计算参数确定

根据《滑坡防治工程勘查规范》(GB/T 32864-2016),本滑坡稳定性分析中的土体抗剪强度是在室内土工试验基础上,结合强度参数反演并借鉴该地区相似滑坡体的经验数据综合确定。滑带参数反演选取具备反演条件的典型剖面2-2进行反演计算。具体强度指标反演公式为:

本滑坡稳定性分析评价各地层主要计算指标见表1所示。

表1 滑坡各地层主要计算参数表

3.2 滑坡稳定性分析评价

基于滑坡现场调查和详细勘查认识,通过软件Geo-Studio稳定性分析模块,按照天然、暴雨和地震3种工况,对滑坡稳定性进行定量评价。典型主剖面2-2降雨工况计算结果见图4,滑坡稳定性分析结果见表3。

表3 滑坡主剖面稳定性分析结果表

图4 滑坡典型剖面2-2计算分析图

根据稳定性分析结果表明,滑动带位于①、②1层中,在全、强风化凝灰岩层界面附近,在三种工况下滑坡体皆为不稳定状态。通过滑坡现场调查,滑坡坡面的冲沟极其发育,在坡脚工程切坡及强降雨等影响下,滑坡周界剪切裂缝、张拉裂缝不断发展,已发生了较明显滑动,这与滑坡稳定性分析结果基本吻合。在后期强降雨等不利影响下存在极大滑动风险,对景区行人和坡脚道路工程安全构成威胁,急需采取处置措施。

4 滑坡防治工程治理方案

4.1 拟采取治理方案

综合考虑滑坡灾害特征、治理方案比选和景区规划等因素,采用坡形整理、裂缝封填+坡脚抗滑桩板墙+坡面锚杆格构防护+系统截排水+坡面植被绿化的综合治理措施。同时,开展运行期滑坡治理效果监测,竣工后不少于1个完整水文年的变形监测。

4.2 剩余下滑力确定

参照《滑坡防治工程设计与施工技术规范》,采用传递系数法计算天然、暴雨、地震3种工况滑坡的剩余下滑力值,设计要求安全系数分别取1.3、1.2、1.1,计算公式如下:

Fi=Fi-1×ψi-1+Fs×Ti-Ri

(1)

式中:Fi、ψi分别为第i条滑块剩余下滑力及其传递系数,Fs为不同工况安全系数。

根据计算结果可知,在暴雨工况下滑坡剩余下滑力值最大,故以暴雨工况作为设计控制工况,根据滑坡灾害特征、拟治理方案和区域滑坡治理经验,拟设抗滑桩处滑坡剩余下滑力设计值为综合确定为1 300 kN/m。

4.3 拟设抗滑桩桩身内力计算

根据本滑坡特征和潜在滑动形式,在坡下部拟设计一排抗滑桩加固,桩中心间距4 m,嵌入下部稳定的凝灰岩层内,桩间设挡土板。通过理正软件进行抗滑支挡结构内力分析,取拟设桩后土压力和剩余下滑力设计值之间最不利桩身弯矩和剪力值进行抗滑支挡结构设计。陷于篇幅,本节给出最不利工况抗滑桩桩身内力及分布见图5。

图5 拟设抗滑支挡结构内力分布图

4.4 滑坡治理工程建议

应及时对滑坡体裂缝进行封填和局部变形体覆盖,并结合滑坡区水文地质特征合理设置截排水系统,桩间挡板(可预制)须按要求设置泄水孔。因滑坡纵向较长、高差较大,为提升局部坡体稳定性,宜在滑坡中上部设置若干道拱形锚杆格构梁对浅部滑体锁固。绿化要考虑景区景观规划要求和养护工作。做好施工期及竣工后至少一个水文年变形监测,确保治理工程安全实施,便于指导和优化后续施工,检验工程治理效果。

5 结语

(1)文章基于滑坡灾害调查和详细勘查工作,系统分析了滑坡灾害特征与致灾机理,综合确定了各岩土层计算参数,通过Geo-studio和理正软件定量评价了滑坡在天然、暴雨和地震工况的坡体稳定性,结果表明皆

为不稳定状态,急需采取治理措施以确保坡下环山道路及过往行人安全。

(2)滑坡成因主要受内在地质因素和外部诱发因素共同作用所致。高陡地形和冲沟发育的地貌形态易于发生滑坡,斜坡浅部含碎石粉质粘土裂隙发育、易渗水,下部凝灰岩风化层高岭土化严重、易汇水软化崩解形成软弱滑动带;坡脚道路工程切坡建设扰动了坡体原始稳定状态,为滑坡剪出提供滑动空间;最终在强降雨影响下斜坡岩土体抗滑力骤降、下滑力剧增,沿全、强风化凝灰岩风化层软弱界面发生滑动破坏。

(3)综合考虑滑坡成因机理与定量分析结果,提出采用“裂缝封填与坡形整理+抗滑桩板墙与锚杆格构支挡+截排水系统+坡面覆绿+治理效果监测”的综合治理措施,可有效消除滑坡灾害隐患,也为宁镇地区同类型滑坡灾害防治提供一定的借鉴。