岐山县宋家尧村滑坡形成机理

张鑫鑫,杜 明,董 洁

(陕西工程勘察研究院有限公司,西安 710068)

岐山县位于宝鸡市东部,北依岐山、南接秦岭,渭河、湋河两河自西向东横穿县境,使岐山县总体上呈现出“两山夹一川,二水分三塬”的地貌态势。特殊的地形地貌造成了县域内地质灾害沿湋河河谷两侧、渭河北岸黄土台塬塬边斜坡呈条带状集中分布,在南部秦岭山前呈片状分布。据详查资料[1],发育在渭河河谷两侧、湋河河谷两侧的地质灾害隐患点分别占岐山县总地质灾害隐患点的16.3%、22.8%。

关于滑坡的成因分析及稳定性评价,郑鹏韬等[2]通过现场调研和钻孔调查,分析了余家海滑坡的成灾机理和致灾模式,对该滑坡的稳定性进行了计算分析并提出了相应的治理方案;李海军等[3]通过调查,对贵州织金垮坡组滑坡的成因、稳定性进行了分析评价;邓立雄等[4]通过地面调查、地表与地下位移监测以及数值模拟等方法,分析了永善县城东部滑坡的复活变形特征与不同工况下复活滑坡稳定性的变化特征;赵海松等[5]通过地质调绘、钻探、变形监测等手段,查明了青岗古滑坡及其复活变形区的特征及成因;南锋等[6]、辛鹏等[7-8]、石菊松等[9]、孟静等[10]、王伟刚和郭晓亮[11]、石玲等[12]分别对渭河北岸滑坡(斜坡)的稳定性、诱发因素、活动强度、变形特征、形成机理等进行了不同程度的研究分析;吴艾祺等[13]、闵瑶臻[14]对岐山县宋家尧村滑坡的基本特征与演化机理进行了分析研究。

在借鉴前人研究的基础上,本文结合不同时期的工程地质勘查资料,进一步对滑坡特征进行梳理总结,对宋家尧村滑坡的形成机理进行分析研究。

1 滑坡概况

宋家尧村滑坡(以下简称“新滑坡”)位于岐山县蔡家坡镇宋家尧村5组,是陕棉九厂老滑坡(以下简称“老滑坡”)前缘发育的新滑坡(变形体)体;老滑坡是在黄土塬塬边古滑坡上发育的一处滑坡(图1)。

图1 古滑坡、老滑坡、新滑坡概貌图(镜向NE)

根据现场调查,古滑坡前缘为渭河河谷,滑坡后壁为黄土塬塬边、呈圈椅状、两侧冲沟为滑坡周界,因引渭渠施工开挖土方堆填于两侧冲沟,现冲沟形态已无法清晰辨出。引渭渠自坡体中部通过,该古滑坡目前处于稳定状态。

老滑坡(图2)是在各种因素影响下于古滑坡前缘滑体上复活发展起来的滑坡,在1991年坡面上出现滑动后曾对其实施过治理,原斜坡地貌被改造后有较大的变化,现已看不出河谷阶地地貌现象。老滑坡周界在平面上呈簸箕状,两侧以冲沟为界,南北长250 m、东西宽350 m,滑体厚度约20 m,面积为8.75×104m2,体积为175×104m3。

图2 陕棉九厂老滑坡原貌(摄于1984年)

2 滑坡形态及结构特征

新滑坡是在老滑坡的基础上发育的次级滑坡,老滑坡是近些年来古滑坡的前缘滑体在各种因素影响下复活形成的,古、老滑坡发生过的滑移以及已实施的工程治理对古、老、新滑坡滑体的地层均有较大影响。新滑坡滑体上各时代和不同地层在经历古滑坡、老滑坡的多次作用以及对老滑坡采取的工程治理措施后,地层结构、层位、厚度均受到不同程度的破坏和改造,呈杂乱的堆积体。

新滑坡呈圈椅状,新滑坡西侧以冲沟为界、东侧以20世纪90年代治理工程实施后形成的陡坎为界;新滑坡滑体平均厚度约13 m,东西宽约260 m,南北长约60 m,总体积为20.3×104m3,属于中型黄土滑坡。

图3 滑坡体结构特征典型剖面图

滑体为素填土,主要为20世纪90年代治理工程回填的素填土,厚度为2.8～9 m,根据已有资料结合现状地形确定最大厚度可达18 m;土质不均一,原土为中上更新统风积黄土,结构松散,物理力学性质较差。

滑面(带):上部填土与下层滑坡堆积体(黄土状土)或砂卵石层因工程地质特征差异较大,在各种因素影响下易在填土中、填土与砂卵石层结合位置处形成软弱带从而成为滑面(带),在地表出现位移与裂缝、填土内部蠕动等现象。

滑床为20世纪90年代治理工程治理前的原状地貌地层,主要由滑坡堆积体、砂卵石层、黏性土组成。滑坡堆积体原为中上更新统风积黄土,中密至密实,土质均一,经古滑坡滑动后层位有错动,夹数层古土壤,土质坚硬,钻进困难,采用静压薄壁取土器取土难以呈柱状;砂卵石层上部为砂层,下部为砂卵石夹砂土层,磨圆度好,分选性差,透水性好,砂卵石层充填物含30%～35%中粗砂、10%～15%的黏性土,钻孔揭露的厚度为2.1～8.7 m,滑坡体范围内该层厚度为7.1～8.7 m;黏土层浅黄色,土质均匀,坚硬,结构致密,含钙丝,透水性差,成为良好的隔水层。

中国煤炭加工利用协会五届五次理事扩大会议于6月18日在北京21世纪饭店隆重召开。吕英理事长出席大会并作理事会工作报告，出席大会的还有协会顾问杨永仁，协会副理事长张绍强、蔡明华，协会副理事长、抚顺矿业集团公司董事长兼总经理尹亮，协会副理事长、大地工程集团公司总经理周少雷，协会秘书长马剑。会议由蔡明华副理事长主持。来自矿业集团、煤矿、选煤厂、节能减排及环保部门、设备制造企业、石油及石化企业等单位的代表近300人出席了大会。

根据滑坡变形特点及现场调查结果,滑塌变形主要沿高陡边坡坡脚及平台前缘呈带状分布,滑坡体目前处于蠕动变形阶段,蠕动变形区域为填土范围,尤其是在强降雨过后变形表现明显,位于坡表的截排水渠出现明显的变形特征;降雨后在坡脚前缘的挡墙也出现开裂、局部垮塌等现象。

3 滑坡形成机制分析

对于滑坡而言,诱发滑坡发生滑动的因素包括地层岩性、斜坡的地形地貌、地质构造、水文地质条件、边坡坡型、地震及人类活动等。通过对宋家尧村滑坡的勘查,结合前人研究资料对滑坡的形成机制总结如下。

(1)20世纪90年代治理后在陕棉九厂老滑坡前部形成了平台、斜坡、平台的地貌形态,斜坡为人工素填土形成,高约20 m,斜坡前缘有较大临空面,局部(水柜)坡前修建有挡土墙(墙高约10 m),整体前缘有较好的临空面,为滑坡的滑移提供了条件。

(2)20世纪90年代治理形成的地貌是在原陕棉九厂老滑坡地形地貌的基础上形成的,未填之前为两级台阶两级坡、坡脚反压之后形成现有的地貌特征,素填土在强降雨后土体易饱和,自重加大,力学强度降低,填土的工程地质性质较差,填土的均一性较差,且在前缘有较好的临空面,如遇强降雨后易在填土内形成软弱带从而成为滑面(带),在地表出现位移与裂缝、填土内部蠕动等现象;下部砂卵石层有稳定水位,因在前缘排泄路径不畅,遇强降雨条件下降雨入渗后易导致坡体中前部、与下部砂卵石层接触位置处的填土达到饱和状态且易成为薄弱面从而发展成为滑面(带)。因此,在强降雨条件下,现状坡体易在填土中、填土与下伏滑坡堆积体、砂卵石层的接触带(层)形成滑面(带)而发生下滑。

(3)2008年地震后,坡体出现裂缝,滑坡所处位置抗震设防烈度为Ⅷ度,设计基本地震加速度值为0.20g(g为重力加速度),滑坡易受地震影响,地震致使土体松动变形,强度降低,改变了坡体原有的应力分布状态,在地震波的冲击作用下易诱发滑坡产生新的变形。

(4)陕棉九厂老滑坡前缘出现过采掏砂卵石,对坡脚进行开挖并形成高陡坎,破坏了坡体原有的平衡,经过回填、反压坡脚形成了现今的地形地貌,但在坡脚前缘回填后宋家尧村5组居民房屋后的泉点排泄遭受干扰,致使砂卵石层水排泄不畅,从而导致2014年在强降雨后坡脚处的边坡出现垮塌现象,形成了本次滑坡隐患。

(5)现有地貌坡顶有宽平台,且上方汇水面积较大,遇强降雨后易形成地表径流排泄、雨水下渗到坡体中,大量降雨对滑坡体的影响为:①短期降雨,雨水经地表渗入滑坡体内,滑坡体总重力增加、增加下滑力,同时降低滑带的力学强度、减小阻滑力;②滑坡体中砂卵石层有稳定水位,砂卵石层中水在原陕棉九厂、宋家尧村5组居民房屋后泉点排泄,但泉点现已被填埋造成砂卵石层水排泄不畅,遇雨后水位在坡脚位置处易抬升软化上部素填土,造成素填土的力学强度降低。因此,在降雨影响下,土体饱和、坡脚位置砂卵石层水排泄不畅而造成的水位抬升等因素易导致软弱面的形成,从而发展成为贯通的滑面,最终发展为整体滑动。

4 滑坡稳定性分析计算与评价

现场调查发现,滑坡体的宏观变形较为明显。滑坡坡体上的裂缝明显,坡脚持续渗水且不断垮塌,原修建的排水渠出现明显变形,均反映了该滑坡目前处于不稳定状态。

4.1 滑坡稳定性计算方法

滑坡稳定性计算采用《滑坡防治工程设计与施工技术规范》(DZ/T 0219—2006)附录A中给出的圆弧形滑面稳定性计算公式。

(1)

式中:NWi为孔隙水压力,NWi=γwhiwLicosαi,即近似等于浸润面以下土体的面积hiwLicosαi乘以水的容重γw;TDi为渗透压力产生的平行滑面分力,TDi=NWisinβicos(αi-βi);RDi为渗透压力产生的垂直滑面分力,RDi=NWisinβisin(αi-βi);Kf为稳定系数;Wi为第i条块的重量,kN/m;Ci为第i条块内聚力,kPa;φi为第i条块内摩擦角,(°);Li为第i条块滑面长度,m;αi为第i条块滑面倾角,(°);βi为第i条块地下水流向,(°);A为地震加速度。

该滑坡所处地区的抗震设防烈度为Ⅷ度,应当考虑地震影响。因而,考虑3种计算工况,分别为:①天然状态(自重);②饱水状态(自重+饱水);③地震+饱水状态(自重+地震+饱水)。

在对滑坡进行勘查时发现砂卵石层有稳定的地下水水位,因而对于砂卵石层层位以下的地层在进行稳定性评价时以水土合算原则即按饱水状态下的物理力学参数对其进行分析计算;水位以上的地层素填土层、滑坡堆积体土层因土的原始结构遭到破坏、土体结构重新组合,土质疏松,因而在进行稳定性分析计算时天然状态按土层天然状态下的物理力学参数进行分析计算,在饱水条件时以最不利条件即按土层全部在饱水状态下的物理力学参数进行分析计算。

4.2 滑坡岩土体物理力学参数取值

根据室内土工试验结果,参考辛鹏[8]、闵瑶臻[14]的研究成果,按照相关规范条款及同类地区场地工程经验综合分析,对勘查区坡体稳定性分析计算的重度和抗剪强度指标(天然、饱水状态下)参数取值见表1。其中,考虑填土的工程性质差异及本滑坡的地下水特征,在进行稳定性验算时天然状态下素填土层、滑坡堆积体层按天然状态下的参数取值进行分析计算,砂卵石层、黏土层由于处于地下水位以下,其参数取饱水状态下参数用于分析计算;强降雨条件下,由于填土工程性质较差,加之地下水水位在坡脚位置处的雍高,对填土、滑坡堆积体、砂卵石层、黏土层均以最不利因素考虑,按完全饱水状态下的物理力学参数用于分析计算。

表1 滑坡稳定性参数计算取值

4.3 稳定性计算结果

依据《滑坡防治工程勘查规范》(GB/T 32864—2016)中对滑坡稳定状态的划分标准对本次计算结果进行稳定性评价,其中滑坡稳定性系数Fs≥1.15为稳定状态,1.05≤Fs<1.15为基本稳定状态,1.00≤Fs<1.05为欠稳定状态,Fs<1.00为不稳定状态。

通过对滑坡体上4个剖面分别在3种工况下的稳定性进行计算,天然状态下稳定系数为1.617～1.850,处于稳定状态,饱水状态下稳定系数为0.998～1.043,处于不稳定—欠稳定状态,地震+饱水状态下稳定系数为0.881～0.928,处于不稳定状态。

由计算结果可以看出,本滑坡在天然状态整体处于稳定状态,暴雨状态下处于不稳定—欠稳定状态;暴雨+地震状态下处于不稳定状态。计算结果与滑坡体的实际变形情况相吻合。因此,在强降雨条件下,滑坡可能会随时发生滑移,威胁下方居民住户的生命财产安全。

5 结论

宋家尧村滑坡是在塬边斜坡体上发育的古、老滑坡前缘发育的次级滑坡,是在20世纪90年代对老滑坡治理后所形成高约20 m填土边坡的基础上发育而成的新滑坡,为一中型黄土滑坡。新滑坡是因素填土物理力学性质较差,填土边坡、坡脚采砂活动后的回填反压等导致坡体中的中更新统冲积中粗砂及砂卵石层中存在的稳定水位排泄受阻,在遇强降雨条件下降雨入渗后水位在坡脚位置处易抬升软化上部填土成为薄弱面从而发展成为滑面(带)。因此,在强降雨条件下,易在填土中、填土与下伏滑坡堆积体、砂卵石层的接触带(层)形成滑面(带)而发生下滑。经过分析计算,滑坡在天然状态整体处于稳定状态,暴雨状态下处于不稳定—欠稳定状态,暴雨+地震状态下处于不稳定状态。计算结果与滑坡体的实际变形情况相吻合。