某不穩(wěn)定斜坡穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)

黃 旭, 范 堯, 楊義成, 張力濤

(山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院,山東 濟(jì)南 250013)

某不穩(wěn)定斜坡穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)

黃 旭, 范 堯, 楊義成, 張力濤

(山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院,山東 濟(jì)南 250013)

結(jié)合某不穩(wěn)定斜坡治理的具體工程實(shí)例,通過(guò)野外地質(zhì)測(cè)繪、勘探及室內(nèi)試驗(yàn)等,查明不穩(wěn)定斜坡地形地貌、地層巖性、巖土體結(jié)構(gòu)特征和水文地質(zhì)條件。通過(guò)對(duì)該不穩(wěn)定斜坡變形特征、穩(wěn)定影響因素及演化發(fā)展過(guò)程分析,確定其變形地質(zhì)力學(xué)破壞模式,在此基礎(chǔ)上對(duì)其穩(wěn)定性作出定性評(píng)價(jià)、定量分析。并根據(jù)上述研究成果,提出不穩(wěn)定斜坡的治理方案,此方案為相關(guān)部門進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害治理提供決策支持依據(jù)。

不穩(wěn)定斜坡;變形;地質(zhì)力學(xué)模式;穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

不穩(wěn)定斜坡是指在受到各種內(nèi)在因素和外在因素等共同作用影響時(shí),具有自然變形、失穩(wěn)跡象或發(fā)生破壞的斜坡。處于蠕變階段的不穩(wěn)定斜坡,在特大暴雨、持續(xù)性強(qiáng)降水等外在因素誘發(fā)條件下,極有可能進(jìn)一步發(fā)生演變,甚至發(fā)生滑動(dòng),其潛在危害程度可能達(dá)到重大級(jí)。因此,分析研究不穩(wěn)定斜坡的變形地質(zhì)力學(xué)模式及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)具有十分重要的意義[1]。本文以某不穩(wěn)定斜坡為研究對(duì)象,對(duì)其變形地質(zhì)力學(xué)破壞模式、穩(wěn)定性作出定性評(píng)價(jià)、定量分析[2-4],從而為工程防治方案的設(shè)計(jì)與選擇提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件

1.1 地形地貌

研究區(qū)位于中山峽谷地貌區(qū),溝谷狹窄,溝谷形態(tài)多呈“V”字形,在不穩(wěn)定斜坡發(fā)育段,溝谷相對(duì)較為寬闊;溝谷兩岸斜坡坡度為35°～55°。不穩(wěn)定斜坡的下部發(fā)育Ⅰ級(jí)階地,寬約220 m,長(zhǎng)約750 m,地形上總體較為平坦,地形坡度在1°～3°,分布高程1 941～1 964 m,階地上為人類生產(chǎn)、生活聚集區(qū)等。

Ⅰ級(jí)階地后側(cè)為本文研究區(qū)的不穩(wěn)定斜坡,坡頂高程1 950 m,坡腳高程2 460 m,相對(duì)高差510 m,山體地形陡峻、上陡下緩、局部直立,斜坡的中下游部位的坡度則多為40°左右。坡體廣泛分布第四系殘坡積堆積物,斜坡上的溜槽、坡腳及危巖帶的底部零星分布。研究區(qū)植被發(fā)育,植被覆蓋率約80%,多為喬木和灌叢。研究區(qū)內(nèi)地形地貌特征詳見圖1所示。

圖1 研究區(qū)全貌照片F(xiàn)ig.1 Images of the study area

1.2 地層巖性

第四系沖洪積層主要分布于斜坡前Ⅰ級(jí)階地、河漫灘中。其巖性主要為灰淺—灰黃色卵石,卵石母巖成分為千枚巖、砂巖及花崗巖。

研究區(qū)內(nèi)第四系殘坡積層廣泛分布于斜坡及坡腳部位,其巖性主要表現(xiàn)為灰黃色、灰褐色碎塊石土。

圖2 研究區(qū)工程地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.2 Geotechnical diagrams of the study area1.第四系全新統(tǒng)崩積層;2.第四系全新統(tǒng)殘坡積層;3.第四系全新統(tǒng)沖洪積層;4.三疊系中統(tǒng)雜谷腦組;5.變形體;6.垂直鉆孔淺井(取樣探槽及編號(hào);9.剖面線及編號(hào);10.裂縫及編號(hào)。

1.2.4 三疊系中統(tǒng)雜谷腦組(T2z)

研究區(qū)內(nèi)基巖巖性為千枚巖、變質(zhì)砂巖。受地質(zhì)構(gòu)造、風(fēng)化卸荷等作用的影響,區(qū)內(nèi)基巖巖層破碎、產(chǎn)狀變化較大,總體以反坡向?yàn)橹鳌?/p>

1.3 地質(zhì)構(gòu)造與地震

研究區(qū)位于龍門山華夏系構(gòu)造體系之中南段的九頂山華夏系構(gòu)造帶內(nèi),又屬于甘孜—松潘地槽褶皺帶與揚(yáng)子地臺(tái)之間隙褶皺亞系,構(gòu)造復(fù)雜,主要構(gòu)造形跡呈北東—南西40°～50°方向展布。區(qū)內(nèi)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為區(qū)域性地殼急劇上升并伴隨斷裂活動(dòng),在上升中有短暫間歇。區(qū)內(nèi)地震活動(dòng)較為頻繁,地震基本烈度為Ⅶ度。

2 不穩(wěn)定斜坡地質(zhì)特征

不穩(wěn)定斜坡可以分為1處變形體、2處危巖帶及2處溜滑體,其中:1處變形體位于不穩(wěn)定斜坡坡腳部位,受建房切坡開挖影響,前緣滑移擠占房基和擋土墻,后緣局部溜滑,坡體中部裂縫發(fā)育;2處危巖帶崩落的塊石沿斜坡堆積,現(xiàn)狀趨于穩(wěn)定。目前,不穩(wěn)定斜坡區(qū)內(nèi)變形體區(qū)域巖土體結(jié)構(gòu)松散,在暴雨、地震等不利因素的作用下松散巖土體將產(chǎn)生進(jìn)一步的變形破壞。對(duì)坡腳下方民房、規(guī)劃區(qū)及人員的安全構(gòu)成威脅。

2.1 變形體形態(tài)特征及邊界范圍

變形體平面形態(tài)呈不規(guī)則的弧形,前緣至坡腳,后緣至裂縫及溜滑體的滑壁,左右兩側(cè)以剪切裂縫為界。其前緣標(biāo)高1 954～1 956 m,后緣標(biāo)高約2 039 m,相對(duì)高差83～85 m,橫寬348 m,縱向長(zhǎng)度132 m,面積31 618 m2,主滑方向?yàn)?29°,平均厚度約12 m,體積37.9×104m3,屬于中型規(guī)模。

變形體地勢(shì)總體北西高、南東低,總體坡向130°。坡面總體較平直,剖面形態(tài)近似呈圓弧形,略有起伏,變形體坡度40°～50°,局部錯(cuò)臺(tái)和陡坎坡度達(dá)60°左右,前緣坡腳為直立的陡坎。目前變形體后部局部發(fā)生溜滑,坡體上形成18條(包括內(nèi)部的溜滑體裂縫)近于垂直于坡向的拉張裂縫,裂縫一般長(zhǎng)10～20 m,寬5～20 cm,局部達(dá)30 cm,可見深度15～25 cm。

2.2 變形體巖土結(jié)構(gòu)分析

變形體位于不穩(wěn)定斜坡下部,根據(jù)地質(zhì)測(cè)繪、鉆孔和淺井揭露,物質(zhì)組成從上至下有第四系殘坡積物(Qel+dl)和三疊系中統(tǒng)雜谷腦組(T2z)地層,詳見圖3所示。

圖3 研究區(qū)2-2′工程地質(zhì)剖面圖Fig.3 2-2′ geotechnical profiles of the study area1.鉆孔淺井探槽及編號(hào);4.第四系殘坡積層;5.第四系沖洪積層;6.三疊系中統(tǒng)雜谷腦組;7.碎塊石土;8.千枚巖;9.卵石土;10.推測(cè)滑面。

三疊系中統(tǒng)雜谷腦組(T2z):為千枚巖夾變質(zhì)砂巖,巖性較破碎。斜坡基巖巖性以千枚巖為主,局部夾中厚層狀變質(zhì)砂巖。巖層產(chǎn)狀206°～237°∠58°～64°,變形體所處斜坡屬逆向坡。在鉆孔勘探深度范圍內(nèi)為強(qiáng)風(fēng)化層。

強(qiáng)風(fēng)化層:風(fēng)化程度高,層狀結(jié)構(gòu),但巖體破碎,鉆探取芯呈碎塊石狀,土巖接觸面存在泥化現(xiàn)象。根據(jù)在鉆孔中取樣分析,其天然抗剪強(qiáng)度C=38.5 kPa,φ=25.0°;飽和抗剪強(qiáng)度C=21.5 kPa,φ=21.2°。在鉆進(jìn)過(guò)程中基本無(wú)漏水現(xiàn)象,僅局部在強(qiáng)、中風(fēng)化接觸帶附近有輕微漏失,該層透水性較差。

3 不穩(wěn)定斜坡變形體失穩(wěn)變形地質(zhì)力學(xué)模式

3.1 變形體形成條件及影響因素

3.1.1 形成條件

由于變形體所在斜坡坡度較大,坡腳前緣臨空面大,為坡體的變形提供了動(dòng)力條件和地形條件。

3.1.2 影響因素

(1) 地形地貌。變形體所在斜坡地形坡度較大,坡角40°～50°,前緣坡腳為直立的陡坎,為斜坡的變形提供了動(dòng)力作用,不利于斜坡的穩(wěn)定,是影響坡體穩(wěn)定的重要因素之一[5-6]。

(2) 降雨。由于變形體地面裂縫發(fā)育,降雨沿裂縫入滲坡體后,既加重了坡體的重量,又降低了土巖接觸面或潛在滑移面力學(xué)性能,不利于坡體的穩(wěn)定,是影響變形體坡體穩(wěn)定性和發(fā)展趨勢(shì)的最主要因素[7]。

(3) 地震。地震作用不僅使坡體物質(zhì)被松動(dòng),且增加了坡體的下滑或外傾推力,不利于坡體的穩(wěn)定。勘查區(qū)地處震中斷裂帶附近,受地震的影響較大,故地震是影響斜坡穩(wěn)定性的重要因素之一[8]。

3.2 失穩(wěn)變形地質(zhì)力學(xué)模式

不穩(wěn)定斜坡變形體失穩(wěn)變形機(jī)制為上部土體沿坡腳臨空面產(chǎn)生滑移變形,牽引后緣的土體拉裂變形、滑移,局部陡坎坡度較大,產(chǎn)生溜滑、下挫形成錯(cuò)臺(tái)。其潛在的破壞模式為在連續(xù)降雨或暴雨作用影響下,變形體可能產(chǎn)生整體失穩(wěn)破壞,危及坡腳下建筑物的安全。

該不穩(wěn)定斜坡變形體最易滑(軟弱)結(jié)構(gòu)面為其變形破壞的滑動(dòng)面,其傾向與坡向一致,隨著滑移進(jìn)一步發(fā)展,后緣張力帶產(chǎn)生拉裂面,發(fā)生失穩(wěn)變形,如此滑移—拉裂—滑移,惡性發(fā)展,即是該不穩(wěn)定斜坡變形體破壞的“滑移—拉裂—剪斷”地質(zhì)力學(xué)模式。

4 變形體穩(wěn)定性分析

4.1 穩(wěn)定性計(jì)算原理

由于變形體為土質(zhì)斜坡,其變形破壞主要受軟弱界面最大剪應(yīng)力控制,因此采用傳遞系數(shù)法計(jì)算其穩(wěn)定性系數(shù)。傳遞系數(shù)法就是將滑動(dòng)土體豎直分成若干個(gè)土條,把土條看成是剛體,考慮了條塊間的相互作用力,并假定條塊剩余下滑力平行于該條塊滑面,然后分別求出作用于各個(gè)土條上的滑動(dòng)力矩和抗滑力矩,受力分析見圖4。

圖4 受力分析計(jì)算模型Fig.4 Force analysis and calculation model

穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算公式:

其中:Ri=(Wi((1-ru)cosθi-Asinθi)-RDi)tgφi+CiLi

Ti=Wi(sinθi+Acosθi)+TDi

4.2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)變形體的特征及其可能出現(xiàn)的各種荷載情況及組合,計(jì)算中主要考慮自重、降雨、地震等,本次選定如下三種工況,計(jì)算1-1′剖面—4-4′剖面的變形體穩(wěn)定性及各滑塊的剩余下滑力,具體方案如下:

工況1 自重;

工況2 自重+暴雨?duì)顟B(tài);

工況3 自重+地震。

利用傳遞系數(shù)法對(duì)1-1′剖面—4-4′剖面進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算,得到的計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 剖面穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果Table 1 Calculation results of profile stability

4.3 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

據(jù)《滑坡防治工程勘查規(guī)范》(GBT 32864—2016)[9],滑坡穩(wěn)定性狀態(tài)按穩(wěn)定系數(shù)分級(jí),當(dāng)某一工況條件下滑坡穩(wěn)定系數(shù)大于或等于滑坡穩(wěn)定性安全系數(shù)時(shí),該滑坡在該工況下的穩(wěn)定性可視為滿足對(duì)應(yīng)的狀態(tài)(表2)。

表2 滑坡穩(wěn)定狀態(tài)分級(jí)Table 2 Classification of the landslide steady state

按照以上的評(píng)價(jià)原則,可得出以下結(jié)論:

(1) 在天然情況下,變形體穩(wěn)定性系數(shù)K值為1.07～1.15,整個(gè)坡體處于基本穩(wěn)定—穩(wěn)定狀態(tài)。

(2) 當(dāng)遇連續(xù)暴雨時(shí),變形體的發(fā)展趨勢(shì)發(fā)生了明顯變化,穩(wěn)定性系數(shù)K值為0.90～0.97,斜坡處于不穩(wěn)定狀態(tài),分析的結(jié)果與實(shí)際情況一致。

不穩(wěn)定斜坡變形體隨著工況條件的變化,其穩(wěn)定性發(fā)生變化,總體表現(xiàn)為由基本穩(wěn)定或穩(wěn)定—不穩(wěn)定,以致失穩(wěn)滑動(dòng)的發(fā)展過(guò)程;但由于坡體本身?xiàng)l件的不同,變形發(fā)展有一定的差異,各部分穩(wěn)定性也有一定差異,變形狀況也不一致,其破壞形式表現(xiàn)為局部的失穩(wěn)破壞。

5 防治方案建議

5.1 防治原則

根據(jù)不穩(wěn)定斜坡存在的災(zāi)害類型、所處位置、規(guī)模大小、破壞形式、穩(wěn)定性及施工難度,建議研究區(qū)治理應(yīng)遵循統(tǒng)一規(guī)劃、輕重緩急、“嚴(yán)重”先治的原則[10];主要危險(xiǎn)源變形體采用抗滑樁防治;對(duì)于斜坡區(qū)內(nèi)發(fā)育的地表裂縫主要采用填縫的方案進(jìn)行處理[11-12]。

5.2 具體治理方案建議

5.2.1 變形體治理方案建議

在變形體前緣采用抗滑樁進(jìn)行防治,同時(shí)對(duì)變形體內(nèi)的溜滑體進(jìn)行清危。

5.2.2 斜坡體上裂縫的治理方案

對(duì)斜坡體上的裂縫主要采用粘土填縫進(jìn)行治理。

5.2.3 監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)

應(yīng)對(duì)不穩(wěn)定斜坡區(qū)內(nèi)潛在滑坡以及危巖帶進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)報(bào)警。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)研究區(qū)不穩(wěn)定斜坡變形體分析研究,得出該區(qū)域以第四系殘坡積層土體變形為主,區(qū)內(nèi)主要物質(zhì)組成為碎石土,具備斜坡蠕滑變形的物質(zhì)基礎(chǔ)。并對(duì)研究區(qū)變形體失穩(wěn)變形的破壞模式進(jìn)行了分析探討,最終確定斜坡變形體將在深度10～17 m附近含礫粉質(zhì)粘土的軟弱帶中產(chǎn)生折線型滑動(dòng)。經(jīng)分析計(jì)算得出在天然工況條件下,變形體的穩(wěn)定系數(shù)為1.07～1.15,處于基本穩(wěn)定—穩(wěn)定狀態(tài);在暴雨飽和工況條件下穩(wěn)定性系數(shù)為0.90～0.97,處于不穩(wěn)定狀態(tài),坡體可能下滑失穩(wěn),為潛在滑坡。該研究提出了不穩(wěn)定斜坡的治理方案建議,為相關(guān)部門進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害治理提供了決策支持依據(jù)。

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(責(zé)任編輯：陳姣霞)

Stability Analysis and Evaluation of an Unstable Slop

HUANG Xu, FAN Yao, YANG Yicheng, ZHANG Litao

(ShandongSurveyandDesignInstituteofWaterConservancy,Jinan,Shandong250013)

According to the results of geology mapping,exploration and laboratory tests,some factors such as landform,stratum lithology,rock-mass structure and hydrogeologic condition of the unstable slope are explored combined with specific engineering examples. Analysis on deformation characteristics,stability effect factors,and the progress of evolution and development decides the failure model of geomechanics deformation. On this basis,the stability of the unstable slope is qualitatively evaluated and quantitatively analyzed.Using these experimental results,this paper presents a treatment scheme for the unstable slope,which also provides a decision support basis for geological disasters management.

unstable slope; deformation; geomechanics model; stability evaluation

2017-06-09;改回日期:2017-07-03

黃旭(1968-),男,高級(jí)工程師,水文地質(zhì)與工程地質(zhì)專業(yè),從事水利水電工程地質(zhì)與水文地質(zhì)勘察與研究工作。E-mail:sdsyantu@163.com

P642

A

1671-1211(2017)04-0431-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.04.017

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170620.1330.022.html 數(shù)字出版日期:2017-06-20 13:30