舟曲縣瓜咱壩3號滑坡成因機理分析及防治對策

吳冠仲

(中鐵西北科學研究院有限公司，蘭州 730000；國家文物局石窟保護技術重點科研基地，蘭州 730000；甘肅省巖土文物保護工程技術研究中心，蘭州 730000)

大型深層、復合型滑坡具有防范難度大、成因復雜、運移距離長、破壞性強等特點[1-3]。關于此類滑坡的變形破壞特征和成因機理的研究，目前主要是通過現場調查結合數值模擬等手段進行分析[4-7]。在實際生活中，此類滑坡將造成巨大的經濟損失甚至是人員傷亡，因此在查明滑坡成因機理和變形破壞特征的基礎上，加強滑坡防治對策研究具有重要意義。

2010年8月8日凌晨，舟曲縣城北部三眼峪溝和羅家峪溝同時暴發特大山洪泥石流，特大地質災害造成了嚴重的人員傷亡和經濟損失。舟曲縣峰迭鄉瓜咱壩安置區是災后恢復重建的重點規劃區域，其地質災害防治工作是保護人民生命財產、保證交通暢通的首要任務。

以大型深層、復合型滑坡——舟曲瓜咱壩3號滑坡為例，分析研究滑坡形態規模、變形跡象、破壞特征及破壞機理，進行滑坡穩定性計算，設計防治治理措施，并采用三維數值模擬方法，對比分析加固前后滑坡的變形情況，驗證工程措施的合理性，為該地區后續相似的滑坡防治治理工程提供參考依據。

1 滑坡環境地質條件

1.1 自然環境

勘察區屬溫暖帶，多年平均氣溫12.9 ℃，最高平均氣溫23.0 ℃，最低平均氣溫1.7 ℃；區內降水少而不均，降雨集中在7—8月，常以連陰雨和暴雨形式出現，年平均降雨量為435.8 mm，日最大降雨量96.77 mm。

1.2 地形地貌

勘察區地處南秦嶺山地，是典型的高山峽谷地貌。山高、谷深、巖石多、坡陡、土薄、水流急，導致區內泥石流、滑坡等地質災害頻發[8]。峰迭鄉瓜咱壩勘察區呈構造侵蝕中低山地地貌，滑坡發育于其中的陡峻谷坡，主要是受構造侵蝕和流水沖蝕的共同作用形成。

1.3 地層巖性

1.4 地質構造

滑坡區小型褶皺斷裂發育，軟巖分布廣，巖體破碎，風化程度深。區內巖層走向為NW～NWW，巖層傾向變化較大，由坡腳部位NE向上逐步轉變為SW，巖體中結構面比較發育，結構面主要有：①45°～70°∠30°～90°；②0°～22°∠20°～78°；③300°～315°∠15°～65°。其中③為與北西向褶皺和同生斷層、小錯斷同期生成的結構面，是破碎巖石滑坡的緩傾角控制結構面，①、②、③結構面組合，控制著滑坡的后緣及滑面。

1.5 水文地質條件

堆積層上層滯水賦存于黃土質黏土底部、砂礫石層及崩殘坡積等土體中，堆積層內含水量、水位隨降水、氣候、季節等的變化而變化；基巖裂隙水賦存于滑坡區強風化破碎帶中，以潛水為主要儲存形式，受大氣降水調節控制，并在滑坡前緣以一泉水形式出露，涌水量約1 000 m3/d，常年有水；松散巖類孔隙水主要賦存于滑坡周界沖溝溝谷，呈帶狀分布，多為潛水，接受大氣降水、地表水入滲補給和基巖裂隙水側向補給，向河谷內排泄或沿含水層向下游徑流。

1.6 巖土工程特性

根據鉆孔巖芯取樣并進行室內試驗，獲取其物理力學參數如表1所示。

表1 巖體物理力學參數Table 1 Physico-mechanical parameters of rock material

注：試樣取自滑坡鉆孔49.0～50.2 m深度處。

綜上所述，滑坡區域軟巖分布廣，巖體破碎，風化程度深，易孕育滑坡、泥石流等地質災害。

2 滑坡變形特征

2.1 形態規模

3號滑坡位于瓜咱壩新區陰山溝西側的自然斜坡上，滑坡成天地勢呈西北高南東低，高程1 760～1 475 m，相對高差285 m。

滑坡體呈圈椅狀，滑坡坡面呈傾斜平面，坡度約38°～50°，滑坡分級處的地形稍緩，坡度約28°～35°。滑坡沿坡面橫寬約285 m左右，縱長約455 m，其中北側縱長較大，向南縱長減小。滑坡體積約為440×104m3，屬于大型深層滑坡。

按照滑坡兩側沖溝及貫通剪切裂縫為界，將滑坡分為南北兩個大條塊，每個條塊中又有多級、多層滑坡，如圖1所示。滑坡北條塊主滑方向NE80°，南條塊主滑方向NE85°。

圖1 滑坡地貌Fig.1 Landslide landform

2.2 變形跡象

此滑坡明顯變形始于2011年春節前后，因滑坡前緣大范圍坡體挖方，導致坡腳抗滑段被挖除，坡體應力重分布而松弛，逐級向后牽引，產生拉張裂縫和下錯陡坎。

滑坡變形邊界明顯：滑坡后緣為高陡的下錯陡壁，高約12～20 m，長約200 m，陡壁傾角65°～80°，拉裂縫寬約10～30 cm，呈倒“V”字形，在后緣探槽中可見滑動擦痕；滑坡南北兩側以近EW的自然溝為界，自然溝從山脊發育至坡腳，下切深度15～20 m，剪切裂縫發育明顯；前緣坡腳由于人工開挖形成了較大挖方區，形成滑坡剪出口，在前緣一級緩坡平臺自然溝部位出露二級滑坡剪出口；坡體裂縫密集發育且貫通性強，寬約0.2～1 m，下錯0.2～1.5 m，可視深約3～5 m。

2.3 破壞特征

2.3.1 滑體

該滑坡屬于堆積層-破碎巖石復合型滑坡。滑體厚度約31～52.5 m，其中上覆第四系堆積土石結構厚度約20～45 m；下伏反傾破碎角礫狀片巖最大厚約22.5 m。

2.3.2 滑帶(面)

滑坡北條塊分為多級，滑面為基巖頂面的全風化片巖破碎帶，滑面最深達45 m，在ZK1-3孔深20 m處可見有滑帶，滑帶巖性為全風化土狀片巖黏土。滑坡南條塊代分為兩級，前級有兩層深層滑帶，深約25.7 m的滑帶為不同成因堆積層界面，深約46.5 m的滑帶為基巖頂面破碎帶，在ZK3-2孔深43.5、46.5 m處可見滑帶；后級滑面為全風化片巖破碎帶，有25.7、42 m兩層滑面，如圖2所示。

圖2 滑坡1-1工程地質剖面圖Fig.2 Engineering geological section of the landslide 1-1

2.3.3 滑床

3 發生機理及演化過程

人為削切坡腳是滑坡發生的起始因素。坡腳抗滑段被挖除改變了坡體臨空條件和坡體應力狀態。

陰山溝底持續沖刷是滑坡不斷滑動的主要因素。滑坡堆積物多次阻塞堆積于陰山溝底，但溝底沖蝕沖刷作用又再次使剪出口暴露。

巖性結構差異是滑體沿滑帶產生滑帶的重要內因。構成滑體的第四系堆積層及破碎角礫狀片巖，結構松散、空隙大、透水性較強、強度低，而下部滑床板巖則結構相對緊密、強度較高。滑體與滑床接觸面向谷底傾斜，基本與斜坡面傾向一致。

降雨是滑坡發生的主要誘因。水的作用加劇和控制滑坡發生的速度和強度，水的入滲使得滑體容重急劇增加，水沿裂隙、空隙、孔隙入滲，對巖土體及結構面產生浸潤、泥化、軟化作用，削弱巖土體強度，降低滑體和滑帶的穩定性。

綜上所述，在內外因素共同作用下，滑坡后緣拉裂縫、側界剪切裂縫、坡體裂縫進一步擴展、張開、貫通，滑帶巖土體強度降低，抗滑力削弱，最終導致坡體發生多條多級多層的、堆積層-破碎巖石復合型、牽引式變形破壞[2]。破碎巖石和松散碎屑為泥石流的形成提供了豐富的固體物質來源；暴雨降水既是泥石流的重要組成部分，又是其激發條件和搬運介質；滑坡區坡陡溝深、縱坡降大、植被生長不良，地形地貌利于固體物質和水的集中和流通，使得泥石流能迅猛直瀉。瓜咱壩3號滑坡-泥石流發生機理及演化過程如圖3所示。一旦滑坡發生變形破壞，極可能引發大型泥石流災害的再次發生，將堵塞陰山溝，對瓜咱壩新城區造成威脅。

圖3 滑坡-泥石流發生機理及演化過程Fig.3 The occurrence mechanism and evolutionary process of landslide to debris flow

4 穩定性分析

采用基于極限平衡理論的折線型滑動面的傳遞系數法[9]來評價滑坡的穩定性，滑動面簡化成折線。取土體的單位寬度為1 m，簡化為二維問題進行計算；根據巖土體室內試驗數據、反演計算結果及經驗參數，綜合確定主滑段的力學參數指標；設計工況為自重、自重+暴雨、自重+地震三種。

根據定性判斷及定量計算分析，北條塊前級滑坡目前處于不穩定狀態，淺層穩定系數為0.95，深層穩定系數0.97。南條塊前級滑坡目前處于極限穩定狀態，淺層穩定系數為1.0，深層穩定系數1.01。滑坡整體處于滑動階段，目前處于欠穩定狀態。

5 防治對策研究

根據舟曲瓜咱壩3號滑坡變形特征及穩定性，提出防治對策以前緣回填反壓、樁板墻支擋、地表水和地下水排導等綜合防治為主[10-12]。

(1)針對滑坡坡腳人為削切及溝底持續沖刷，在滑坡前緣坡腳采用回填反壓，改變坡體應力場，以及坡體外形和臨空條件，增強滑坡坡腳的抗滑力。

(2)在滑坡前緣設計支擋結構，底部埋設于滑面以下，以提高結構面的抗滑能力、改善滑面剪應力的分布狀況、降低沿滑面發生累進性破壞的可能性。針對本坡體設計樁板式擋土墻，由懸臂樁和擋土板組合而成，懸臂樁采用人工挖孔樁，樁長25 m，深入地下15 m，地上10 m，樁頂設置通常冠梁；擋土板采用鋼筋混凝土板。

(3)截斷坡面水流及排除地下水流，以弱化外界因素的影響，防治坡體軟化、消除滲透變形、降低坡體空隙水壓力和靜水壓力。針對本滑坡，在滑坡后緣設置地表截排水措施，在坡面鋪砌自然溝排水，在回填土上部設置排洪溝排導陰山泥石流溝的下泄物質，同時在滑坡的中前部設置仰斜排水孔疏排地下水。

6 數值模擬對比分析

利用FLAC3D軟件進行數值模擬，對3號滑坡的破壞形態進行分析，對治理效果進行預測，對比分析天然狀態和采取加固措施后的滑坡變形情況。

建立數值模型時，巖體材料采用理想彈塑性模型，破壞準則采用Mohr-Coulomb準則。靜力邊界條件為底部邊界設定水平和豎直方向位移約束，側向邊界設定水平位移約束，頂部為自由邊界。

選取滑坡Ⅰ-Ⅰ斷面進行對比分析，天然狀態和采取加固措施后滑坡斷面的位移云圖和塑性區如圖4、圖5所示。

圖4 滑坡Ⅰ-Ⅰ斷面位移云圖Fig.4 Displacement nephogram of section Ⅰ-Ⅰ of landslide

圖5 滑坡Ⅰ-Ⅰ斷面塑性區Fig.5 The plastic zone of section Ⅰ-Ⅰ

由位移云圖4(a)可知，天然狀況下坡體前緣陡緩交界處位移最大，即件出口位置，其次為坡體中部的二級滑坡前緣處，其余中上部土體受牽引機制發生變形，滑坡變形具有整體性且方向具有一致性。由圖4(b)可知，采取前緣回填壓腳及樁板墻支擋后，坡體的位移較大處僅位于前緣附近且位移量明顯減小，而坡體中部和后部基本不發生變形。

由塑性區云圖5(a)可知，天然狀態下滑坡前緣陡緩交界處發生剪切變形，推斷此處為剪出口位置；前緣陡傾坡面及上部坡表發生拉伸變形，推測為向上方后緣牽引產生的拉裂破壞；沿滑帶主要為剪切變形即發生剪切破壞。由圖5(b)可知，采取前緣回填壓腳及樁板墻支擋后，坡體塑性區減少，前緣不存在明顯剪切變形的剪出口，回填土坡表存在拉伸變形，滑坡中上部坡表拉伸變形明顯減少。

7 結論

(1)瓜咱壩3號滑坡為堆積層-破碎巖石復合型、大型深層滑坡，具多條、多級、多層的滑動特征。滑坡呈圈椅狀，變形邊界明顯，滑坡后緣拉張裂縫、側界剪切裂縫、前緣鼓脹裂縫、前緣剪出口、坡體裂縫持續發展。目前滑坡整體處于滑動階段，在不利工況影響下不排除發生劇滑的可能性。

(2)滑坡滑動變形的主要使為人為開挖坡腳、溝底持續沖刷、巖性結構差異以及降雨等內、外因綜合作用的結果。該滑坡發生失穩破壞將堵塞陰山溝，同時給潛在的泥石流災害提供大量的固體物質來源，對瓜咱壩新區的居民人、構建筑物的人身財產安全產生巨大威脅。

(3)該防治治理對策主要為前緣回填反壓、樁板墻支擋、地表水和地下水排導。通過三維數值模擬，對比分析了加固前后滑坡體的位移和塑性區變化情況，驗證了加固措施的有效性和合理性。