貴州省貴定縣定東小學滑坡形成機制

史文兵， 黃潤秋， 左雙英， 梁 風

(1.成都理工大學 地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室,

四川 成都 610059; 2.貴州大學 資源與環(huán)境工程學院, 貴州 貴陽550003)

貴州省貴定縣定東小學滑坡形成機制

史文兵1,2， 黃潤秋1， 左雙英2， 梁 風2

(1.成都理工大學 地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室,

四川 成都 610059; 2.貴州大學 資源與環(huán)境工程學院, 貴州 貴陽550003)

摘要：[目的] 貴州省貴定縣定東小學滑坡發(fā)生后，造成學校食堂、住宿樓地面、墻體出現(xiàn)開裂，直接威脅學校建筑物及附近民房、道路安全，迫切需要查明其形成的機制，為滑坡工程治理提供可靠的依據(jù)。[方法] 采用了鉆探、淺井、高密度電法等手段和方法調(diào)查了滑坡體結構和變形特征，并用Adina軟件分析了滑坡在自然和暴雨情況下應力應變場和變形破壞特征。[結果] 人工填土和降雨是滑坡形成的主要原因，滑坡破壞模式為蠕滑拉裂型。特殊的地形地貌和低壓實度填方是導致滑坡最主要的內(nèi)因，而長時間的降雨入滲是外因。[結論] 不合理的人工填土是滑坡發(fā)生的直接原因，滑坡會沿填土與黏土層交界面處發(fā)生滑動。

關鍵詞：人工填土; 滑坡; 形成機制; ADINA

由于工程建設的需要，工程需要進行人工填土，如高速公路路堤、水利工程堤壩、鐵路路堤的填筑和其他大型堆載工程，若不充分重視和及時采取對策，往往會引發(fā)邊坡失穩(wěn)甚至滑坡災害等重大工程事故，國內(nèi)在這方面也有一些深刻教訓[1-4]。山區(qū)尤其是西南地區(qū)因其特殊的巖土類型、氣候條件和復雜的地形地貌構成了其特殊的建筑環(huán)境條件，長期以來建筑用地非常緊張，為解決人口居住問題，不得不在斜坡上進行各種工程建設和房屋開發(fā)，這勢必帶來了邊坡巖土體穩(wěn)定問題[5-6]。本文以貴州省貴定縣定東小學滑坡為例，在對鉆孔、地形及高密度電法等資料總結的基礎上，分析滑坡形成的機制，為下一步進行滑坡工程治理提供了可靠的依據(jù)，也為未來同類型的填土工程在避免地質災害方面提供借鑒。

貴定縣定東小學滑坡位于定東鄉(xiāng)農(nóng)莊村龍?zhí)锝M，定東小學共有2棟教學樓及1棟學生宿舍樓，該小學修建于陡立斜坡之間的緩坡平臺上，于2012年建成并投入使用，定東小學共有師生121人，滑坡影響區(qū)內(nèi)居民有137戶541人。2013年9月19日22時，定東鄉(xiāng)農(nóng)莊村龍?zhí)锝M居民房屋、定東小學食堂、住宿樓地面以及墻體多處出現(xiàn)平行裂縫，通過監(jiān)測且呈不斷加大變化趨勢，滑坡隱患直接造成定東小學食堂、學生住宿摟、操場以及4戶民房開裂，受損嚴重,迫切需要查明原因并提出有效治理措施。

1滑坡地質環(huán)境條件

1.1　地形地貌

滑坡區(qū)定東小學位于較陡斜坡上，依山而建，原為黔桂鐵路老線的龍?zhí)镘囌韭毠ど顓^(qū)，后因鐵路改線，將部分區(qū)域填平修建成操場，定東小學教學樓和宿舍樓修建于操場填方區(qū)上方的緩坡平臺上，操場填方區(qū)前的鐵路高路基改為當?shù)卮迕褴囕v通行的公路。

研究區(qū)最高點位于滑坡南側山頂，高程為1 182.39 m，最低點為流經(jīng)研究區(qū)內(nèi)的關壩河，高程為1 028.76 m，高程相差近154 m。定東小學位于滑坡區(qū)的南側，滑體總體地貌為一個北低南高的單面長斜坡地貌。剖面形態(tài)呈前緩后陡的折線形，滑坡體后緣坡體較陡，1 079 m高程以上平均坡角約為38°，滑坡體前緣地形減緩，坡角約為22°。

1.2　地層巖性

滑坡區(qū)巖土層復雜，在非填方區(qū)主要由第四系的耕作土、黏土及志留系中統(tǒng)翁項組(S2w)基巖組成，而在填方區(qū)還需加上表層的填土。根據(jù)鉆探資料揭示，填土(Qml)厚度一般為4.7~6.4 m，黃褐色，主要由黏土夾碎石構成，結構松散，堆積時間約2個月至1 a，耕土(Qpd)及殘坡積黏土(Qel+dl)層，呈可塑—硬塑狀，沿地形厚薄不均，定東小學區(qū)域內(nèi)厚度為1.7～5 m，含有少量碎石，約占10%。

滑坡區(qū)基巖(S2w)為志留系中統(tǒng)翁項組深灰色粉砂巖及泥質灰?guī)r夾頁巖，屬硬質夾軟質巖類工程地質巖組，遇水易軟化。受巖體構造影響，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體完整性為較破碎，巖體基本質量等級為Ⅳ級，巖層產(chǎn)狀平緩，傾向300°～330°，傾角8°～12°。強風化層厚度一般為0.6～6 m，部分地段缺失，以下為中風化層。

1.3　地質構造及地震

區(qū)內(nèi)有一條走向近東西的正斷層，傾角80°左右，斷距約100 m。根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》，研究區(qū)地震動峰值加速度為0.05 g，地反應譜特征周期為0.35 s，相應地調(diào)查區(qū)地震基本烈度為6度，研究區(qū)整體穩(wěn)定。

1.4　水文地質條件

滑坡區(qū)地下水類型可分為第四系松散巖類孔隙水、碎屑巖類裂隙水。松散巖類孔隙水賦存于第四系(Q)松散巖類含水巖組滑坡填方、坡積、殘積的黏土中；碎屑巖類裂隙水賦存于志留系中統(tǒng)翁項組(S2w)深灰色粉砂巖及泥質灰?guī)r夾頁巖中，地下水總體上由北西向南東徑流，最終排泄于地勢低洼地帶，匯入關壩河。據(jù)調(diào)查，研究區(qū)內(nèi)填方區(qū)內(nèi)以前有泉眼出露，但由于填方修筑覆蓋了，填方區(qū)(鐵路路基南側)內(nèi)原有一條自然水溝和路基排水涵洞，也因為棄土堆積和填土給掩埋了。

2滑坡基本特征

2.1　滑坡規(guī)模及形態(tài)

滑坡區(qū)前緣為農(nóng)田,有天然河流(關壩河)穿流而過，河流由西向東流，滑坡體位于沖溝南側天然斜坡之上。滑坡體縱長約275 m，橫寬約370 m，平均厚度為8 m，體積8.14×105m3，屬于中型滑坡。滑坡體主滑方向8°。整個滑坡平面呈“圈椅狀”，滑體總體地貌為南高北低的單面長斜坡地貌。剖面形態(tài)呈前緩后陡的折線形。

滑坡前緣為流經(jīng)區(qū)域內(nèi)的關壩河，滑坡邊界主要受地形控制，后緣以陡崖壁為界，兩側則以凹形地貌為界。

2.2　滑坡的結構特征

為查明滑坡發(fā)生的原因，在野外采取了鉆探、淺井和高密度電法等方法調(diào)查了該滑坡的結構特征。

(1) 滑坡物質組成分區(qū)特征明顯，其物質組成依次為人工填土、殘坡積黏土夾碎塊石、強風化泥質灰?guī)r和粉砂巖及中風化泥質灰?guī)r夾頁巖，滑坡體厚3~10 m,人工填土呈黃褐色，成份較復雜，主要由黏土夾碎石構成，結構松散；殘坡積黏土裂隙較發(fā)育，土體結構塊狀為主，見風化殘塊，似層狀分布，厚度約為4.5~7.6 m;強風化泥質灰?guī)r呈灰黃色，巖芯呈土狀、砂狀；中風化泥質灰?guī)r呈灰黃—灰綠色，節(jié)理裂隙發(fā)育，層面見泥質充填，巖芯呈塊狀。

(2) 滑坡后緣小學教學樓附近開挖的5 m深淺井揭示：在未填方區(qū)，表層有30 cm厚的耕作土。 其下(0.3~3.7 m)為黏土，黃色、硬塑，含有少量塊石，棱角分明。底部(3.7~5.0.m)為粉質黏土，軟塑狀，含有少量強風化塊石，為沖積形成，淺井底部可見滲水，井壁四周濕潤。

(3) 為了直觀了解滑坡體縱向上物質結構組成，該次野外采用E60 DN高密度電法儀沿滑坡體縱剖面方向上布置了測線，測線長92 m(共用24根電極)，根據(jù)物探測試結果分析得知，滑坡體呈現(xiàn)明顯的分帶性，從上到下依次為填土層、殘坡積土層、強風化基巖層和中風化基巖層，操場下部填土厚度不均，靠近教學樓側較薄，厚2.5 m，前緣靠近鐵路路基較厚，厚達8 m。殘坡積土黏土在教學樓底部較厚約5.5 m，其余區(qū)域厚約2.5 m，強風化層厚度較為均勻，平均約2.0 m。

(4) 滑坡鉆探和高密度電法勘探過程中未直接探測到滑動面具體位置，說明目前滑坡變形主要以淺表層蠕變?yōu)橹鳎采w層內(nèi)尚未有貫通性的深部滑面存在，滑坡變形屬于蠕滑—拉裂型[7-9]。

3滑坡變形特征

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，滑坡可見變形破壞的跡象，主要表現(xiàn)在地面拉裂、圍墻拉裂，房屋開裂等現(xiàn)象。該滑坡在近期降雨作用下，目前變形特征較為明顯。在滑坡前緣的小學操場區(qū)，出現(xiàn)數(shù)條與滑坡方向垂直的張拉裂縫，走向60°～90°,長20~100 m不等,張開寬度10~30 cm不等，裂縫間可見灰黃色填土層。滑坡后緣宿舍樓北側外墻地面也有多條裂縫，裂縫張開寬度7~30 cm，上下錯動在5~20 cm。裂縫走向大致與滑動方向垂直，局部有上下錯動，延伸長度長且裂縫持續(xù)在貫通。由于降雨的作用，變形區(qū)裂縫在勘查工作期間仍在進一步發(fā)展發(fā)育。整體上，滑體內(nèi)發(fā)生的地面變形裂縫的走向以近似垂直坡面方向為主。

4ADINA有限元數(shù)值模擬

4.1　計算工況

基于上述地質勘察和滑坡成因機制分析，坡面因為填土可能存在潛在滑動面，同時由于填土孔隙率較大，在雨季充水飽和，在極端天氣條件下可能會造成大規(guī)模深層滑塌。因此，主要考慮4種計算工況[10-11]： (1) 原始邊坡自然工況。(2) 原始邊坡暴雨工況。(3) 回填邊坡自然工況。(4) 回填邊坡暴雨工況。計算中自然工況按自重應力考慮，暴雨工況中的水壓力以ADINA軟件中提供的側向體積力的方式施加。

4.2　計算參數(shù)的選取

根據(jù)室內(nèi)土工和巖石物理力學試驗，結合工程類比法，綜合確定邊坡介質在天然及暴雨狀態(tài)下的物理力學參數(shù)見表1。

表1　巖土體物理力學參數(shù)

4.3　Adina有限元模擬結果分析

為了分析填土邊坡變形破壞機理，采用ADINA有限元軟件建立了二維模型，采用強度折減法對該邊坡回填前及回填后的各工況的穩(wěn)定系數(shù)進行了計算分析，給出了填方邊坡在暴雨工況下的應力、位移、塑性區(qū)分布規(guī)律，并據(jù)此給出了評價。

(1) 各種工況下的穩(wěn)定系數(shù)。各工況下剖面的穩(wěn)定系數(shù)計算結果見表2。計算結果表明，原始邊坡在天然和暴雨工況下均處于穩(wěn)定狀態(tài)，甚至在火車的振動荷載作用下路基也沒有產(chǎn)生任何問題；而在路堤靠山坡內(nèi)側回填后，天然和暴雨狀態(tài)分別處于欠穩(wěn)定和不穩(wěn)定狀態(tài)。計算結果與滑坡穩(wěn)定性定性判定相符合。

表2　滑坡穩(wěn)定性系數(shù)計算結果

(2) 填方邊坡暴雨狀態(tài)有限元分析結果(折減系數(shù)Fs=0.96)。當折減系數(shù)Fs≤0.96時，有限元計算可以收斂，否則達不到收斂條件，因此，該邊坡在暴雨狀態(tài)下的穩(wěn)定系數(shù)為0.96。此時，該邊坡的應力、位移、剪應變和塑性區(qū)分布詳見附圖25—28。

邊坡第1主應力主要表現(xiàn)為y方向，隨著深度的增加而逐漸增加，在坡面上局部位置出現(xiàn)了拉應力(附圖25)；第3主應力全部表現(xiàn)為壓應力，受地形影響呈成層分布(附圖26)。最大拉應力值為78.98 kPa，最大的壓應力為1.16 MPa。

從Y方向的位移分布(附圖27)可以看出，在邊坡填土層與殘坡積土分界面附近位移錯動不連續(xù)，說明容易發(fā)生沿界面的滑移。最大Y方向位移發(fā)生在填方距路基約1/3的位置，此處填方最厚，最大水平位移約為3.5 cm。

邊坡最大剪應變發(fā)生在填土層與殘坡積土分界面處，從填方頂部一直延伸到坡腳，基本全線貫穿(附圖28)，說明該條帶為潛在滑動帶，同時在剪切帶后緣存在少量的拉裂區(qū)，說明該滑坡屬于蠕滑拉裂型。

5滑坡形成機制

上述滑坡的變形破壞特征表明，定東小學滑坡的形成，主要受人工填土性質和降雨因素的影響。

(1) 定東小學操場人工填土采用夾有碎塊石的殘坡積黏土。根據(jù)調(diào)查，該最大厚度達8 m的人工填土，幾乎沒有碾壓，壓實度較低，處于松散狀態(tài)，導致滲透性較高，利于坡體內(nèi)的滲流發(fā)展；另外，松散土，在接近飽和狀態(tài)時，由于受到增長的空隙水壓力限制而導致松散填土發(fā)生靜態(tài)液化，松散填土將向坡下運動。可見，填土壓實度較低是導致定東小學滑坡的重要內(nèi)因。此外，由于人工填土將原有雨水排泄通道毀壞和掩埋，導致水在填土體內(nèi)聚集，增大孔隙水壓力，也不利于坡體穩(wěn)定。大量的人工填土加載于原有坡體，也會誘發(fā)原坡體的不穩(wěn)定，可以預見如果任其繼續(xù)變形，會引起定東小學坡體內(nèi)深層滑動。

(2) 降雨通過人工填土邊坡坡面進入土體，使得操場下面一定深度范圍內(nèi)土體濕潤或飽和，從而降低了填土強度；另外在水的作用下滑帶巖土體軟化或泥化，物理力學參數(shù)降低，坡體穩(wěn)定性降低，滑坡體表面就會出現(xiàn)蠕滑—拉裂變形跡象，在坡體上出現(xiàn)連續(xù)分布的地裂縫。滑坡體整體位于斜坡體前緣，后緣地下水下滲會流經(jīng)滑坡體內(nèi)，由于人工填土的阻隔塞，大量的地下水會聚集于滑坡體內(nèi)部，下滲不暢，也會不利于滑坡的穩(wěn)定。

由此判定，該滑坡為蠕滑—拉裂型變形破壞模式，屬于淺表層滑動，還未達到深層滑動(原黏土層沿基巖滑動)，滑動面為人工填土與原黏土層交界處。

6結 論

(1) 采用鉆探、淺井、高密度電法等方法調(diào)查了滑坡體結構和變形特征，采用ADINA有限元方法進行了數(shù)值模擬，分析了滑坡形成機制。

(2) 野外調(diào)查及有限元結果分析表明，定東小學滑坡是由于人工填土和降雨共同作用下引發(fā)的，其獨特的地形地貌和低壓實度是導致滑坡最主要的內(nèi)因，而長時間的降雨入滲則是外因。

(3) 山區(qū)的工程建設，常常需要大挖大填，為此，需要提醒相關建設者，在工程建設前，必須做好填土區(qū)適宜性評估，才能預防類似的地質災害發(fā)生。

致謝：本文得到了貴州省地礦局104地質大隊羅康生副隊長和吳治明總工的幫助，特此致謝。

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Landslide Formation Mechanism at Dingdong Primary School of Guiding County in Guizhou Province

SHI Wenbing1,2, HUANG Runqiu1, ZUO Shuangying2, LIANG Feng2

(1.TheNationalKeyLaboratoryofGeologicalHazardPrevention&Geological

EnvironmentProtectioninChengduUniversityofTechnology,Chengdu,Sichuan610059,China;

2.ResourceandEnvironmentalEngineeringDepartment,GuizhouUniversity,Guiyang,Guizhou550003,China)

Abstract：[Objective] A landslide occurred at Dingdong Primary School which is located in the southeast area of Guiding County in Guizhou Province. The canteen, accommodation, the ground floor and wall of Dingdong Primary School were cracked. The landslide is a direct threat to the safety of school building, the nearby houses and road, so it is necessary to find out the mechanism of its occurrence, and to provide a scientific basis for landslide treatment. [Methods] The methods such as drilling, well, high density resistivity were used to investigate the structure and deformation characteristics of the landslide, combining with geological and environmental conditions, and the formation mechanism of the landslide are studied. At the same time, the stress-strain field and deformation failure features of the landslide is analyzed by means of Adina software under conditions of the nature and rainstorm. [Results] The artificial fill and rainfall is the main reason for the formation of the landslide and the landslide failure mode belongs to creep-crack type. The special topography and low compaction degree filling is internal cause of landslide, and longtime rainfall infiltration is external cause.[Conclusion] Unreasonable artificial fill is the direct reason of the landslide, and landslide could slide along the interface between filling and clay layer.

Keywords:artificial fill; landslide; formation mechanism; ADINA

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)01-0287-04

中圖分類號：P642.22

通信作者：黃潤秋(1963—)，男(漢族)，貴州省黃平縣人,博士,教授,主要從事工程地質和巖土工程方面的教學與研究工作。E-mail:hrq@ cdut.edu.cn。

收稿日期：2013-12-17修回日期：2014-01-07

資助項目：貴州省國土資源廳項目“貴州省地質災害監(jiān)測預警與決策支持平臺建設”(黔財[2010]464號)； 貴州省科技廳重大專項“貴州典型地質災害成災模式及預警預報關鍵技術研究”(黔科合重大專項字[2011]6004)； 貴州大學青年基金項目“巖溶山區(qū)公路邊坡變形破壞模式及治理對策研究”項目(2007045)

第一作者：史文兵(1980—)，男(漢族)，安徽省樅陽縣人,博士研究生,講師,研究方向為地質災害評價與治理。E-mail:wbshi2007@163.com。