寧鎮(zhèn)低山丘陵區(qū)降雨型滑坡致災(zāi)機(jī)理與防治措施研究

咸玉建,郭炳躍,戴俊成,王 毅,周 強(qiáng)

(江蘇省地質(zhì)勘查技術(shù)院,江蘇 南京 210049)

0 前言

滑坡災(zāi)害是我國低山丘陵區(qū)主要的地質(zhì)災(zāi)害類型之一,諸多專家學(xué)者們研究了滑坡災(zāi)害的孕災(zāi)地質(zhì)條件、破壞模式、成因機(jī)制、穩(wěn)定性評價方法及工程防治措施等[1-8]。

江蘇省南京、鎮(zhèn)江地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá),但因地質(zhì)環(huán)境條件較差,是滑坡等突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害重點防治區(qū),具有突發(fā)性強(qiáng)、點多分散、危害大特征。近年城市發(fā)展對地質(zhì)環(huán)境影響加劇,加之極端天氣頻發(fā),寧鎮(zhèn)低山丘陵區(qū)突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害呈多發(fā)頻發(fā)態(tài)勢,防災(zāi)形勢嚴(yán)峻,而滑坡災(zāi)害歷來就是防災(zāi)工作的重中之重。

2016年受罕遇強(qiáng)降雨影響,南京市江寧開發(fā)區(qū)發(fā)生多處滑坡災(zāi)險情,對周邊過往行人和生態(tài)環(huán)境安全構(gòu)成威脅。因此,本文以江寧開發(fā)區(qū)某盤山公路滑坡災(zāi)害為例,在調(diào)繪與詳勘為基礎(chǔ),系統(tǒng)分析了滑坡災(zāi)害特征、成因和滑坡穩(wěn)定性,并提出了綜合治理措施,也為同類型滑坡災(zāi)害防治提供借鑒。

1 研究區(qū)孕災(zāi)地質(zhì)環(huán)境條件

1.1 氣象水文

寧鎮(zhèn)地區(qū)為亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),年均降水量約1 106 mm,其中6-9月間為梅雨季節(jié)。2016年6月南京降雨量達(dá)625.5mm,遠(yuǎn)超歷年該月歷史紀(jì)錄。

1.2 地形地貌

本滑坡區(qū)為寧鎮(zhèn)揚(yáng)構(gòu)造剝蝕低山丘陵地貌,北低南高、上緩下陡,坡度約27°～35°,自然斜坡高程分布范圍103.92～149.70 m,滑坡坡腳處為人工切坡,切坡面最陡達(dá)56°,前緣地形較緩,坡度約5°～7°左右?；聟^(qū)東西兩側(cè)為沖溝,呈雙溝同源現(xiàn)象。該滑坡隱患對過往行人車輛安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

滑坡區(qū)地處揚(yáng)子地層區(qū)、下?lián)P子地層分區(qū)、寧蕪地層小區(qū)北部,附近主要有近東西向祖堂山—橋頭斷裂、祖堂山-殷巷斷裂等。

1.4 地層巖性

滑坡區(qū)前第四紀(jì)地層主要為中生代侏羅系上統(tǒng)大王山組(J3d)灰綠、灰紫色安山質(zhì)角礫凝灰?guī)r,風(fēng)化差異大,局部有巖體出露,多為淺部薄層松散層覆蓋;淺表第四紀(jì)地層主要為上更新統(tǒng)下蜀組(Q3x)殘坡積含碎石粉質(zhì)粘土層,為寧鎮(zhèn)地區(qū)典型易滑地層。

2 滑坡發(fā)育特征及成因分析

2.1 滑坡基本特征

2.1.1 滑坡形態(tài)特征

滑坡區(qū)位于山體北麓斜坡上,植被茂密,呈南高北低、上陡下緩之勢。滑坡區(qū)整體坡度27°～35°,高程103.9～149.7 m間,最大高差達(dá)45 m?；麦w平面上呈喇叭形,東西兩側(cè)以古沖溝為界,后緣以拉張裂縫為界,滑坡沿主滑向縱向長約120 m,橫向平均寬約50 m,平均厚度約6 m,體積約4×104m3,屬小型滑坡,主滑方向為北東向3°?；虑熬壠孪虏繛楸P山公路建設(shè)人工切坡段,形成切坡陡坎長約90 m、局部最陡達(dá)56°,滑坡周界及詳勘工作部署見圖1～圖2。

圖1 滑坡體整體特征(N-S)

圖2 滑坡區(qū)調(diào)繪及實際材料圖

2.1.2 滑坡結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)滑坡詳細(xì)勘察查明結(jié)構(gòu)特征如下:

滑體:主要由①含碎石粉質(zhì)粘土及②1全風(fēng)化安山質(zhì)凝灰?guī)r組成,滑體厚約3.3～8.3 m,平均厚度約6.0 m。

滑帶:根據(jù)詳細(xì)勘查綜合分析,主滑帶位于①、②1層中,在全、強(qiáng)風(fēng)化安山質(zhì)凝灰?guī)r界面附近,呈黏土～砂土狀,高嶺土化,遇水易軟化,強(qiáng)度低、易隔水,屬極軟巖。

滑床:②2層強(qiáng)風(fēng)化安山質(zhì)角礫凝灰?guī)r,巖芯相對完整、強(qiáng)度較高。

2.1.3 滑坡體變形特征

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查及測繪,滑坡周界清晰,變形破壞特征明顯,若不及時處置災(zāi)險情將會隨著滑坡規(guī)模發(fā)展而進(jìn)一步擴(kuò)大。

滑坡后緣清晰,張性裂縫寬約5～16 cm,落差約40 cm(圖3a),后緣頂高程約141.75～148.0 m。滑坡東側(cè)邊界表現(xiàn)為明顯的地表裂縫和臺階落差,縫寬5～26 cm,最大落差約30 cm(圖3b)。西側(cè)邊界主要位于西側(cè)新形成的沖溝處(圖3c)?；虑熬壷饕憩F(xiàn)臨空切坡(圖3d),①層含碎石粉質(zhì)粘土層受雨水沖刷、局部滑塌明顯。此外,滑坡體上發(fā)育多條東西向張性裂縫,其中高程123 m、136 m、140 m處的裂縫最為明顯,縫長分別約32 m、34 m、21 m,縫寬3～4 cm,這也表明滑坡變形正在不斷發(fā)展階段。

圖3 滑坡體地表變形破壞特征

2.2 滑坡成因分析

2.2.1 孕災(zāi)地質(zhì)環(huán)境條件影響

滑坡區(qū)屬低山丘陵地貌,地形高陡起伏,滑坡前后緣高差達(dá)45 m,坡面沖溝發(fā)育,滑坡前緣為人工切坡陡坎微地貌,未做防護(hù)措施,高陡地形和切坡臨空面有利于滑坡災(zāi)害的發(fā)生發(fā)展?；麦w主要由含碎石粉質(zhì)粘土和全風(fēng)化安山質(zhì)凝灰?guī)r組成,主滑帶位于全風(fēng)化與強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r界面處,滑動帶呈黏土-砂土狀,局部高嶺土化,巖芯破碎,遇水易軟化,為滑坡形成創(chuàng)造了物質(zhì)條件。

2.2.2 連續(xù)強(qiáng)降雨影響

根據(jù)災(zāi)害調(diào)查及詳勘,發(fā)現(xiàn)滑坡巖土體滲透性差異大,全風(fēng)化凝灰?guī)r高嶺土化嚴(yán)重,加之滑坡區(qū)坡面沖溝及裂隙發(fā)育,大量地表水易在粘性土層與不同基巖風(fēng)化層界面匯集形成軟弱帶。由于遭遇強(qiáng)降雨影響,大量雨水在淺部松散土層中蓄積。雨水軟化作用首先增大滑體自重,孔隙水壓力增加,增大下滑力;其次是雨水匯聚入滲到滑面上產(chǎn)生揚(yáng)壓力,使抗剪強(qiáng)度指標(biāo)降低,減弱了穩(wěn)定性,最終致使不穩(wěn)定斜坡失穩(wěn)滑動。

2.2.3 人為工程活動影響

因前期景區(qū)規(guī)劃盤山公路建設(shè)在坡體前緣形成臨空切坡帶,人類工程活動改變了原來的地形地貌,局部坡度較陡,邊坡穩(wěn)定性變差,斜坡的平衡狀態(tài)被打破,受重力和降水軟化影響使滑坡體失穩(wěn)發(fā)生滑坡災(zāi)害。

3 滑坡穩(wěn)定性定量評價

3.1 滑坡計算參數(shù)確定

根據(jù)《滑坡防治工程勘查規(guī)范》(GB/T 32864-2016),本滑坡穩(wěn)定性分析中的土體抗剪強(qiáng)度是在室內(nèi)土工試驗基礎(chǔ)上,結(jié)合強(qiáng)度參數(shù)反演并借鑒該地區(qū)相似滑坡體的經(jīng)驗數(shù)據(jù)綜合確定。滑帶參數(shù)反演選取具備反演條件的典型剖面2-2進(jìn)行反演計算。具體強(qiáng)度指標(biāo)反演公式為:

本滑坡穩(wěn)定性分析評價各地層主要計算指標(biāo)見表1所示。

表1 滑坡各地層主要計算參數(shù)表

3.2 滑坡穩(wěn)定性分析評價

基于滑坡現(xiàn)場調(diào)查和詳細(xì)勘查認(rèn)識,通過軟件Geo-Studio穩(wěn)定性分析模塊,按照天然、暴雨和地震3種工況,對滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行定量評價。典型主剖面2-2降雨工況計算結(jié)果見圖4,滑坡穩(wěn)定性分析結(jié)果見表3。

表3 滑坡主剖面穩(wěn)定性分析結(jié)果表

圖4 滑坡典型剖面2-2計算分析圖

根據(jù)穩(wěn)定性分析結(jié)果表明,滑動帶位于①、②1層中,在全、強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r層界面附近,在三種工況下滑坡體皆為不穩(wěn)定狀態(tài)。通過滑坡現(xiàn)場調(diào)查,滑坡坡面的沖溝極其發(fā)育,在坡腳工程切坡及強(qiáng)降雨等影響下,滑坡周界剪切裂縫、張拉裂縫不斷發(fā)展,已發(fā)生了較明顯滑動,這與滑坡穩(wěn)定性分析結(jié)果基本吻合。在后期強(qiáng)降雨等不利影響下存在極大滑動風(fēng)險,對景區(qū)行人和坡腳道路工程安全構(gòu)成威脅,急需采取處置措施。

4 滑坡防治工程治理方案

4.1 擬采取治理方案

綜合考慮滑坡災(zāi)害特征、治理方案比選和景區(qū)規(guī)劃等因素,采用坡形整理、裂縫封填+坡腳抗滑樁板墻+坡面錨桿格構(gòu)防護(hù)+系統(tǒng)截排水+坡面植被綠化的綜合治理措施。同時,開展運(yùn)行期滑坡治理效果監(jiān)測,竣工后不少于1個完整水文年的變形監(jiān)測。

4.2 剩余下滑力確定

參照《滑坡防治工程設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》,采用傳遞系數(shù)法計算天然、暴雨、地震3種工況滑坡的剩余下滑力值,設(shè)計要求安全系數(shù)分別取1.3、1.2、1.1,計算公式如下:

Fi=Fi-1×ψi-1+Fs×Ti-Ri

(1)

式中:Fi、ψi分別為第i條滑塊剩余下滑力及其傳遞系數(shù),Fs為不同工況安全系數(shù)。

根據(jù)計算結(jié)果可知,在暴雨工況下滑坡剩余下滑力值最大,故以暴雨工況作為設(shè)計控制工況,根據(jù)滑坡災(zāi)害特征、擬治理方案和區(qū)域滑坡治理經(jīng)驗,擬設(shè)抗滑樁處滑坡剩余下滑力設(shè)計值為綜合確定為1 300 kN/m。

4.3 擬設(shè)抗滑樁樁身內(nèi)力計算

根據(jù)本滑坡特征和潛在滑動形式,在坡下部擬設(shè)計一排抗滑樁加固,樁中心間距4 m,嵌入下部穩(wěn)定的凝灰?guī)r層內(nèi),樁間設(shè)擋土板。通過理正軟件進(jìn)行抗滑支擋結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析,取擬設(shè)樁后土壓力和剩余下滑力設(shè)計值之間最不利樁身彎矩和剪力值進(jìn)行抗滑支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計。陷于篇幅,本節(jié)給出最不利工況抗滑樁樁身內(nèi)力及分布見圖5。

圖5 擬設(shè)抗滑支擋結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布圖

4.4 滑坡治理工程建議

應(yīng)及時對滑坡體裂縫進(jìn)行封填和局部變形體覆蓋,并結(jié)合滑坡區(qū)水文地質(zhì)特征合理設(shè)置截排水系統(tǒng),樁間擋板(可預(yù)制)須按要求設(shè)置泄水孔。因滑坡縱向較長、高差較大,為提升局部坡體穩(wěn)定性,宜在滑坡中上部設(shè)置若干道拱形錨桿格構(gòu)梁對淺部滑體鎖固。綠化要考慮景區(qū)景觀規(guī)劃要求和養(yǎng)護(hù)工作。做好施工期及竣工后至少一個水文年變形監(jiān)測,確保治理工程安全實施,便于指導(dǎo)和優(yōu)化后續(xù)施工,檢驗工程治理效果。

5 結(jié)語

(1)文章基于滑坡災(zāi)害調(diào)查和詳細(xì)勘查工作,系統(tǒng)分析了滑坡災(zāi)害特征與致災(zāi)機(jī)理,綜合確定了各巖土層計算參數(shù),通過Geo-studio和理正軟件定量評價了滑坡在天然、暴雨和地震工況的坡體穩(wěn)定性,結(jié)果表明皆

為不穩(wěn)定狀態(tài),急需采取治理措施以確保坡下環(huán)山道路及過往行人安全。

(2)滑坡成因主要受內(nèi)在地質(zhì)因素和外部誘發(fā)因素共同作用所致。高陡地形和沖溝發(fā)育的地貌形態(tài)易于發(fā)生滑坡,斜坡淺部含碎石粉質(zhì)粘土裂隙發(fā)育、易滲水,下部凝灰?guī)r風(fēng)化層高嶺土化嚴(yán)重、易匯水軟化崩解形成軟弱滑動帶;坡腳道路工程切坡建設(shè)擾動了坡體原始穩(wěn)定狀態(tài),為滑坡剪出提供滑動空間;最終在強(qiáng)降雨影響下斜坡巖土體抗滑力驟降、下滑力劇增,沿全、強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r風(fēng)化層軟弱界面發(fā)生滑動破壞。

(3)綜合考慮滑坡成因機(jī)理與定量分析結(jié)果,提出采用“裂縫封填與坡形整理+抗滑樁板墻與錨桿格構(gòu)支擋+截排水系統(tǒng)+坡面覆綠+治理效果監(jiān)測”的綜合治理措施,可有效消除滑坡災(zāi)害隱患,也為寧鎮(zhèn)地區(qū)同類型滑坡災(zāi)害防治提供一定的借鑒。