煉油廠滑坡變形破壞機理研究

姬偉

【摘 要】本文在深入分析煉油廠滑坡工程地質條件、結構特征和變形特征的基礎上，通過穩定性計算及滑坡變形破壞數值模擬，對滑坡的成因機制和影響因素進行了深入研究。研究表明，煉油廠卸油臺滑坡是該區典型的黃土-基巖順層低速蠕動L型滑坡，滑坡機理屬于蠕滑-拉裂型-平移機制。穩定性分析認為，該坡體處于不穩定狀態，遭遇長時間高強度的暴雨時，可能整體失穩。

【關鍵詞】滑坡;離散元;破壞機理;穩定性分析

中圖分類號： P642.22 文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）22-0181-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.22.084

0 引言

中國的黃土分布廣泛，主要分布于西北、華北和東北地區，面積約64萬平方公里，占國土面積的6.6%。由于黃土本身的特性，如濕陷性、大孔隙、垂直節理發育、力學強度較低等，黃土地區時常發生崩塌、滑坡、坍塌地質災害。黃土滑坡因其具有頻發性、廣泛性、復雜性、災害性而嚴重威脅人民生命財產和水、電、交通等工農業設施安全，成為黃土地區一種典型的、至今仍不能得到有效根治的災害現象[1-3]。

煉油廠山體滑坡該區域較為典型的大型黃土-泥巖切層滑坡[4]之一，本文將以該滑坡為例，在分析了滑坡地質特征的基礎上，通過穩定性計算及滑坡數值模擬，深入探討了該滑坡的滑動破壞機理，為有效地治理這一類類滑坡提供了科學依據。

1 滑坡區地質環境條件

1.1 概況

煉油廠山體滑坡位于洛川縣交口河鎮桐樹底村，地處卸油臺外側的黃土塬邊緣斜坡地區，滑坡兩側受黃土沖溝控制，滑坡主滑方向82°。受工程建設影響，滑坡總體其呈現上部緩，中下部較陡的階梯地形，坡度一般25°～40°。滑坡后緣以卸油臺外側道路為界，地面高程為898m，滑坡前緣為輸油管線外側，地面高程832，高差約66m。滑坡體后緣寬230m，前緣寬290m，長150m，平均厚度24.5m，面積4.31×104m2，體積約105.59×104m3。

1.2 地層巖性

在滑坡區域內，主要出露三疊系上統基巖及第四系松散堆積物。第四系松散堆積物分布于滑坡表面，其巖性為粉質粘土、粉土及人工填土等;三疊系上統基巖主要為礫巖、青灰色砂巖與薄層砂質泥巖互層，主要分布于斜坡中下部，局部人工切坡地段零星出露。巖層近水平，傾向西北，傾角2～4°，層中夾有少量泥巖，并含有鐵錳質，頂部局部可見1～2m厚的礫巖層。巖石表層風化較強烈，成淺褐色、青灰色，疏松，強～全風化層往往形成泥、砂狀產出。軟弱的泥巖夾層，破壞了巖體的整體穩定性，同時與頂部礫巖高傾角裂隙結合、貫穿巖體，構成潛在的滑動面。巖性、裂隙及其組合特征對滑坡體的影響及控制是明顯的。

2 滑坡結構及變形特征

2.1 滑坡結構特征

2.1.1 滑體結構特征

滑體主要由第四系松散堆積土、黃土、古土壤及三疊系上統碎裂層狀巖體、塊裂層狀巖體組成。堆積土主要分布于坡面頂部，為修建儲油罐及上山公路時的廢棄土，厚度1～15m，以粘性土為主，局部碎塊石堆積層較厚，結構松散，成份雜亂。黃土、古土壤廣泛分布于山側坡地地表，褐黃色，紅褐色，可見孔隙，垂直節理發育，含少量鈣質結核，古土壤鈣質結核及鈣質薄膜較多，一般具濕陷性，中等壓縮，厚度4～10m不等，巖性多以粉質粘土為主，局部相變為粉土。碎裂層狀巖體及塊裂層狀巖體分布廣泛，為下部滑體的主要組成物質，碎裂層狀巖體厚1～2m，為強透水礫巖層，表層風化強烈。塊裂層狀巖體厚2～3m，巖體成分多為為青灰色砂巖與薄層砂質泥巖互層，巖層近水平，傾向西北，傾角2～4°，由于陡傾角裂隙及層面切割而呈塊裂結構。

2.1.2 滑帶特征

中后緣滑帶土為多層厚度約0.5～1.5m厚黃土，土體含水量較高，黃褐色～灰黃色，個別孔棕黑色，多飽和，軟塑，鉆進過程中有一定的縮徑現象，多個鉆孔均揭露到地下水位存在，軟層多分布于地下水位附近，在斷面上有較好的延續性;滑體前緣切穿強風化礫巖和塊裂層狀巖體，沿塊裂層狀巖體與層狀巖體之間的接觸帶，該接觸帶在剖面前部中呈薄層狀、較軟弱，為灰黑色泥巖軟弱層，受地下水浸泡，泥巖已經泥化，呈可塑-軟塑，夾角礫碎石，角礫碎石多為次圓狀，局部有磨圓，該層頂面可見擦痕（槽）和磨光面，滑帶土遇水極易軟化，力學性質降低。

2.1.3 滑床特征

滑坡中后部滑床為上中更新統黃土（古土壤）層，一般為可塑～硬塑狀態;前緣滑床為青灰色砂巖，其頂部為強～全風化薄層砂質泥巖或碎裂塊狀砂巖，泥質含量較高，巖體多較破碎。巖層近水平，傾向西北，傾角2～4°，與滑體的組合關系為順向斜切坡。

2.2 滑坡變形特征

滑坡變形特征明顯，主要變形現象為地面開裂、局部沉降錯動、前緣隆起。滑坡坡體中后緣多見雜亂無序的張拉裂縫，裂縫寬度一般為30～50cm，最大寬度達80cm，深1～2m，局部裂縫可見前后錯動現象，在滑坡后緣主裂縫呈圈椅狀貫通。

3 滑坡穩定性分析

3.1 滑坡穩定性計算

根據實測剖面、鉆孔、淺井及地面工程地質測繪結合滑坡體結構分析，地形線按折線處理，計算時取單寬進行研究，簡化為二維空間問題進行計算。本次選取Ⅰ-Ⅰ′、Ⅱ-Ⅱ′兩個剖面分別進行了計算（見圖1）。

3.1.2 計算方法

選用《滑坡防治工程勘查規范》[5]中傳遞系數法[6]對滑坡穩定性進行計算。采用理正邊坡滑塌搶修計算分析軟件的滑坡穩定性計算。

3.2 計算工況

滑坡區位于地震Ⅵ度區，故不考慮地震作用，滑坡按自重及暴雨兩種工況計算。

工況1：自重+地表荷載

工況2：自重+地表荷載+暴雨工況（滑面均位于水位下）

3.3 計算參數選取及結果

本次計算中所采用的有關物理力學參數，是根據煉油廠滑坡勘查的室內外試驗成果、相同地區類似滑坡的工程地質類比、以及參數反演法綜合確定。滑坡體天然重度取19.2kN/m3，飽和重度取20.0kN/m3;滑帶土抗剪強度取c=17.0kPa，φ=18.0°。

按照上述計算公式、計算方案、計算模型和選取的參數，進行滑坡穩定性計算，其成果見表1。

根據穩定性計算可知，現狀下滑坡體各剖面一般均屬于欠穩定狀態，這與本段滑坡的坡體形態是一致的;由于坡體表面裂隙發育、土體較為疏松，黃土的垂直裂隙較發育，易于雨水下滲，加之坡內土體有地下水存在，坡內水排泄不利，滑坡在暴雨不利條件下，邊坡滑體、滑帶飽水，地下水位抬高、地下水貫通連續時，滑坡將發生整體滑動。

4 滑坡變形破壞數值模擬

4.1 計算模型及參數

本次利用UDEC離散元程序，以主滑I-I'剖面為典型剖面，對該滑坡滑動過程進行數值模擬。在確定計算模型時考慮以下條件：

（1）根據原始山體坡面形成初始應力場;

（2）圓弧形滑面已形成，位置據現場勘測和鉆孔資料確定;

（3）黃土由于節理和層理均很發育，視為均質體，內含1個滑面;

（4）考慮到地下水靜水壓力作用，處于地下水位的滑體和滑帶均采用浮容重計算。

依據上述條件建立了離散元模型。以滑坡滑動方向為 X 正向，滑坡高度方向為 Y 正向。計算模型長235m，高為85m。模型的左、右側及底部采用速度邊界進行約束。巖土體只在自重應力的作用下發生移動和變形。

模型設置6個監測點，監測點從右向左從1開始編號即前緣設置點（1）（2），中部設置點（3）（4）、后緣設置點（5）（6）。根據監測點的監測數據，可以大致分析出不同時刻坡體下滑的平均速度和水平運動距離等。

4.2 計算結果及分析

計算結果表明，延煉原油臺山體滑坡系統飽水后是極不穩定的。在進行滑動過程的整個模擬過程中，對所有塊體中的最大不平衡力進行監測，可以得出最大不平衡力的歷時變化。通過不平衡力的過程可以看出，模型塊體當中的最大不平衡力在開始是突然增大，然后隨著向下滑動過程中自身能量衰減有一個減速的過程。過程中最大不平衡力值存在波動，最大值都發生在0到40000時步之間。

數值模擬顯示，該滑坡變形失穩過程如圖2所示。根據布置的觀測點曲線來分析各個點的位移情況，分別繪制了計算模型的水平、豎直方向位移歷時圖3，橫坐標表示時間（s）、縱坐標表位移（m）。

從位移歷時圖8中可以看出，模型模擬滑動時間48s，迭代步數22萬步，模擬向前運動最大滑距36.5m。滑坡不同位置的位移相差很大。前緣監測點水平位移相對大，最大水平距離36.5m，豎直位移較小，約3.5m;后緣監測點（5）（6）豎直位移大，19.09m。坡體上部監測點較底部監測點位移要大。各監測點時程曲線與各單元運動狀態相吻合。

從水平、豎直方向位移圖可以看出，剛滑瞬間滑體首先啟動的部位出現在后緣，首先呈現出下沉的狀態，各監測點垂向位移較大。在前5s內滑坡整體水平方向位移較小，5s后受后部土體擠壓中前部滑體開始沿滑面滑動。10s到20s內，整個滑體開始加速。20s后，滑體前緣仍保持較大速度運動，中部和后緣開始減速，運動逐漸停止。40s后，滑體前緣以很小的速度緩慢前行，當滑體前緣停止運動時整個滑體停止運動。通過監測點的數據同樣可以看出，滑體的部分碎屑物質表現出一定的折返現象。

通過數值模擬，延煉原油山滑坡剖面I-I'模擬滑動時間48s，模擬向前運動最大滑距36.5m，屬于低速蠕動滑坡。計算結果表明延煉原油臺山體滑坡系統飽水后是極不穩定的，上部土層滑動擠壓下部產生變形，滑體表面波狀起伏，這與野外調研和室內資料分析結果相吻合。

5 滑坡機理分析

5.1 滑坡誘發因素

5.1.1 氣象水文

該地區平均降雨量較大，年均降水量622mm，最多年降水量1037.2mm。降水多集中在6～8月份，約占全年降雨量84%，常常出現暴雨，暴雨除對滑坡表面土體造成沖刷外，雨水滲入裂隙及潛在滑面，將導致滑面軟化，力學性質降低。

5.1.2 人類工程活動

人類工程活動對滑坡的產生和發展有重要的影響。儲油罐區及坡面道路的修筑、已經改變了原有坡體的應力平衡狀態。邊坡后緣原油的儲存、平整場地的棄方土在滑坡后緣的堆積、沖溝整平填方等，均加重了滑坡體的下滑推力，而坡體前緣開挖取土形成的土坎等，同時降低了原有坡體的阻滑段應力，從而使坡體由穩定狀態向極限平衡狀態發展。

5.2 滑坡破壞機制

從本滑坡變形跡象分析，由于坡體較陡峭，坡體向下發生蠕滑變形，坡體后緣產生拉裂縫。坡體排水系統損壞、造成坡體排水不暢，降雨及生產污水以及卸油臺污油等地表水（油）下滲，使得坡體含水量增大，坡體后部首先發生豎向變形，并逐步在形成裂縫進而發展為陡坎，進一步導致大氣降水及地表生產用水沿裂縫的大量滲入，以致裂縫很快將土層貫穿，大量地下水在砂巖內部的泥巖隔水層頂部逐步匯集，并將其不斷軟弱，進而形成軟弱夾層，大量地下水在砂巖內部的泥巖隔水層頂部逐步匯集，并將其不斷軟化，進一步加速坡體向下蠕滑變形。當滑體變形發展到一定階段后，隨著內部能量的聚集，坡體內部基巖軟弱層應力集中很快將軟弱夾層形成貫通裂縫，最終滑體從前緣剪出，從而整體失穩。滑坡體上部修建公路，對滑坡體部分進行開挖，形成高陡邊坡，使得坡體局部產生垮塌破壞，加速了滑坡的蠕滑變形。由上述分析可知，煉油廠滑坡是該區典型的L形黃土-基巖順層滑坡，屬于蠕滑-拉裂型-平移機制。

6 結論

通過上述分析可得出：煉油廠卸油臺滑坡是該區典型的黃土-基巖順層低速蠕動L型滑坡，滑坡機理屬于蠕滑-拉裂型-平移機制。坡體排水系統損壞、造成坡體排水不暢，降雨及生產污水以及卸油臺污油等地表水（油）下滲，使得坡體含水量增大是該滑坡發生的主要原因;該滑坡的地形地貌、地層結構、巖性及節理特征為滑坡的發生提供了有利條件。滑坡穩定性分析認為：該滑坡天然工況下，處于欠穩定狀態;在暴雨不利工況條件下，隨著雨水的大量滲入，坡體含水量的逐步升高，坡體穩定性將會大幅度降低，發生整體滑動。

【參考文獻】

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