多結構面傾斜地層滑坡形成機制及治理研究

黃祥寬，黃衛平

（1.四川廣旺能源發展（集團）有限責任公司，四川 廣元 628017；2.浙江省地質調查院，浙江 杭州 311203）

0 引言

受強降雨影響，某礦副斜井上方山體發生滑坡地質災害，威脅到前緣副斜井機房及安全生產指揮中心大樓的安全。滑坡坡腳處為副斜井井口、機房及安全生產指揮中心大樓，滑坡發生時前緣堆積體已達副斜井機房后側。在降雨等條件影響下將可能再次誘發滑坡發生，將會造成井口封堵、副斜井機房及安全生產指揮中心大樓受損。因此迫切需要開展對該處滑坡的勘察，查明滑坡形成機制，并研究制定治理方案，及時開展應急治理工程，盡快消除地質災害隱患，確保煤礦正常生產、生活。

1 地質環境條件

1.1 地層巖性

1.1.1 第四系全新統地層

1）人工填土（Q4ml）：灰色、灰黑色，稍濕，多為人工填筑土，成分主要為碎石，局部見塊石。

2）含碎石粉質黏土（Q4el+dl）：褐黃色、灰黃色，可塑，稍濕，干強度高，略有搖震反應，斷面見黑色斑點，局部夾灰白色粘土條紋，含約 20 %～30 % 碎石，厚0.8～2.0 m，分布于地表層，局部地段含有孤石，表層多被開墾成耕地。

3）碎石土（Q4del）：灰色、灰黃色、紫紅色，稍濕，稍密～中密均有分布，成分主要為強～中風化泥質粉砂巖、長石石英砂巖，棱角狀，含量 60 %～80 %，充填少量角礫，含有塊石。該層主要分布在滑坡區，為滑坡發生后巖體解體形成，該層底部分布有厚度 5.0～12.0 cm 厚的粉質黏土，主要為滑坡發生時巖層錯動研磨形成，局部含有碎石、角礫。

4）碎石土（Q4col+dl）：灰黑色，稍濕，稍密，成分主要為強～中風化泥質粉砂巖、長石石英砂巖，次棱角狀，含量 60 %～70 %，充填約 15 % 粉質黏土，充填少量角礫。該層主要分布于滑坡前緣。

1.1.2 侏羅系中統泥質粉砂巖（J2xs）

紫紅色、灰褐色泥質粉砂狀結構，中厚層狀構造，局部呈薄層狀，含泥質條帶，有方解石脈。

1.1.3 長石石英砂巖（J2xs）

灰黃色、綠灰色，中粒砂狀結構，中厚～厚層狀構造，礦物成分以石英為主，長石次之，局部含泥質條帶。

1. 2 滑坡形態分布

滑坡從后緣到前緣表現為陡壁-臺坎-斜坡地貌。滑坡前緣至副斜井機房外側擋墻上方，分布高程535～541 m；后緣拉裂形成約高 2 m 的陡坎，分布高程570～571 m。前緣與后緣最大相對高差約 36 m。邊坡巖土層如前述。危害對象等級為二級。

1.3 基巖產狀

基巖巖層產狀為 178°～182°∠34°～38°。主要發育有兩組裂隙：LX1：293°～308°∠67°～72°，延伸長度 0.6～1.1 m，裂面微張 1～3 mm，裂面粗糙，充填泥質、巖屑，局部見石英脈；LX 2：349°～350°∠72°～74°，延伸長 1.2～1.5 m，裂面微張 1～2 mm，裂面粗糙，局部充填泥質條帶、巖屑；另外在副斜井機房上部發現有一組裂隙 LX3：190°∠26°，裂面粗糙，局部見有泥質充填。

1.4 地表水

滑坡南側分布有一沖溝，該溝寬約 2.5 m，深1.2～2.0 m，勘察期間未見地表水流過。降雨時坡體地表水匯聚至該水溝流向坡底，不利于滑坡的穩定。

滑坡前緣安全生產指揮中心大樓西側分布一條河流，于勘察區北部流入本區，以彎曲狀的形式由北向南貫穿礦區及勘探區，對滑坡的形成和發育無影響。

1.5 地下水

滑坡區內地下水主要包括松散堆積層孔隙水、基巖裂隙水。松散堆積層孔隙水零星分布、面積小，含水層厚 1.0～7.5 m，水位變化主要受季節性降水的控制，局部受基巖裂隙水補給。滑坡區侏羅系為一套長石石英砂巖、泥質粉砂巖互層的陸相碎屑巖建造，其中砂巖是主要含水層，砂巖孔隙極少，地下水賦存于裂隙之中，多以淺部裂隙潛水形式出現，主要受降雨及上部松散堆積層孔隙水補給，影響滑坡的形成和發育。

1.6 人類工程活動

區內的人類工程活動主要表現為在坡體開墾耕地、種植和坡前修建房屋開挖坡腳等。耕種導致水土流失，灌溉用水易滲入坡體內，沖刷坡面表層土層，增加土體自重，降低土層的抗剪強度，致使邊坡局部土體出現垮塌；而在坡腳修建道路，對坡腳開挖，增大了臨空面，破壞了坡體平衡，成為邊坡失穩的誘發因素之一［1］。

2 滑坡工程地質特征

2.1 范圍、規模、形態特征

滑坡區平面形態呈不規則的梯形，主滑方向為203°，后部寬 30 m，中前部寬 50 m，滑體平均長 62 m，平面面積（0.33×104）m2，滑體厚度平均約 6 m，總體積約（2.0×104）m3。

滑坡南東側以自然沖溝為界，北西側以基巖陡壁為界。滑坡后緣上部斜坡上部為階梯狀農田，局部見有基巖出露，整體坡度約為 25°。滑坡區內地貌表現為陡壁、平臺、臺坎等，平均坡度 25°～30°。

2.2 滑體特征

滑坡體主要由原巖體在滑坡作用下解體形成的碎石組成，灰色、灰黃、紫紅色，稍濕，稍密-中密，成分主要為泥質粉砂巖、長石石英砂巖，次棱角狀，粒徑一般4～12 cm，最大 20 cm，碎石含量 60 %～80 %，充填少量角礫，并含有不均勻的塊石，局部有架空現象。滑坡后緣及北西側滑體較薄，在中部及前緣滑體較厚，最大厚度約 7.5 m，平均厚度約 6.0 m。

2.3 滑動帶特征

根據鉆探揭露，滑動帶物質主要為粉質黏土，粉質黏土呈灰黃色或紫紅色，稍濕，可塑狀，略有搖震反應，干強度中等，手捏有砂感，局部含約 15 % 碎石、角礫，粒徑 0.5～3.5 cm。滑動帶土體主要為滑坡發生時巖層錯動研磨形成，碎石與粉質黏土接觸面可見有摩擦痕，滑帶厚度 5.0～12.0 cm。滑動帶底部分布高程在 536 m（前部）～569 m（后部）之間。

2.4 滑床特征

滑坡滑床主要由基巖（泥質粉砂巖與長石石英砂巖互層）構成。侏羅系中統泥質粉砂巖呈灰色、深灰色，中風化，泥質粉砂狀結構，中厚層狀構造，局部呈薄層狀，含泥質條帶，見有方解石脈；長石石英砂巖呈灰黃色、綠灰色，中風化，中粒砂狀結構，中厚～厚層狀構造，礦物成分以石英為主，長石次之，局部含泥質條帶。

滑床在縱向上呈折線型，橫向上為不規則凹形弧面。

2.5 滑坡水文地質特征

滑體上地表水不發育，滑坡南側發育有 1 條沖溝，對滑坡的穩定性不利。

滑體主要為滑坡發生后巖體解體形成的碎石組成，分選性差，滑坡上鉆孔鉆進過程中均不返水，上部漏漿嚴重，在坡腳處有滲水現象，滑坡滑體滲透性較強。滑坡體下部有一層粉質黏土及含碎石粉質粘土，為相對隔水層，地下水易在該層附近蓄積。

該滑坡滑體滲透性較強，地表水易沿孔隙下滲，并在滑帶附近蓄積，降低滑帶土物理力學性質，誘發滑坡變形失穩，極不利于滑坡的穩定［2-3］。

2.6 滑坡變形破壞特征

由于滑動變形，在滑坡體上見有多條拉張裂縫及階梯狀陡坎（見表 1），滑坡兩側為剪切作用形成的陡坎。

2.7 滑坡類型

根據前述滑坡體的地層巖層組成、滑體厚度、運移形式、滑體規模，判斷該滑坡為推移式淺層小型切層滑坡。

3 多結構面影響下滑坡的形成機制

3.1 結構面分析

根據實測巖層產狀、裂隙產狀和邊坡走向及坡角等因素，在赤平投影（見圖 1）基礎上，分析了 10 組結構面的穩定性，其中為穩定結構面的 6 組，為不穩定結構面的 4 組。

圖1 結構面赤平極射投影圖

3.1.1 穩定結構面

1）巖層層面。巖層走向與邊坡走向小角度相交，巖層傾角大于邊坡坡度，邊坡不易沿層面發生大規模滑動，為基本穩定結構面。

表1 滑坡裂縫特征一覽表

2）LX 1 裂隙面。該裂隙面走向與邊坡走向呈大角度相交，邊坡不易順裂隙面產生滑動，為較穩定結構面。

3）LX 2 裂隙面。該裂隙面走向與邊坡走向呈小角度相交，傾向相反，邊坡不易順裂隙面產生滑動，為穩定結構面。

4）LX 1 與 LX 2 裂隙切割跡線。LX 1 與 LX 2 切割巖體形成的切割跡線，傾向與坡向相反，邊坡在自重力作用下不易沿該切割跡線發生滑動，為穩定結構面。

5）LX 2 與 LX 3 裂隙切割跡線。LX 2 與 LX 3 切割巖體形成的切割跡線，傾向與邊坡坡向大角度相交，邊坡在自重力作用下不易沿該切割跡線發生滑動，為穩定結構面。

6）LX 2 裂隙切割巖層層面跡線。LX 2 裂隙切割巖層層面形成的切割跡線，傾向與坡向大角度斜交，邊坡巖體不易沿切割面發生楔形滑動，為穩定結構面。

3.1.2 不穩定結構面

1）LX 3 裂隙面。該裂隙面走向與邊坡走向小角度相交，且傾角與邊坡坡度相差不大，邊坡在自重力作用下易沿該裂隙面發生滑動，為不穩定結構面。

2）LX 1 與 LX 3 裂隙切割跡線。LX 1 與 LX 3 切割巖體形成的切割跡線，傾向與邊坡坡向相近，傾角小于邊坡坡角，邊坡在自重力作用下易沿該切割跡線發生滑動，為不穩定結構面。

3）LX 1 裂隙切割巖層層面跡線。LX 1 裂隙切割巖層層面形成的跡線，傾向與邊坡坡向相近，傾角略小于邊坡坡角，邊坡在自重力作用下易沿該切割跡線發生小規模的楔形滑動，為不穩定結構面。

4）LX 3 裂隙切割巖層層面跡線。LX 3 裂隙切割巖層層面形成的跡線，傾向與邊坡坡向相近，傾角小于邊坡坡角，邊坡在自重力作用下易沿該切割跡線發生滑動，為不穩定結構面。

3.2 多結構面在“巖水”作用下的滑坡形成機制

3.2.1 不穩定結構面對滑坡形成的控制

在邊坡巖（土）體自重力作用下，極易沿 4 組不穩定結構面楔形滑動。加之基巖巖性主要為泥質粉砂巖、長石石英砂巖互層，巖體較破碎，在巖層層面及裂隙對巖層切割的影響下，特別是 LX 3 一旦貫通，極易造成邊坡大規模失穩破壞，此為滑坡形成的主要內控因素。

3.2.2 “巖水”作用對滑坡形成的激發

4 組不穩定結構面是該區傾斜地層形成滑坡的基礎。當大量雨水沿著巖體結構面特別是節理裂隙面進入坡體內，在“巖水”耦合作用下，巖體物理、力學以及化學性質發生改變，巖體結構面或層面中充填物隨著含水量的增加，由固態向塑態、液態轉變，巖體力學性能減低，內聚力和內摩擦角減小，斜坡的穩定性急劇變差，形成滑坡。

3.2.3 其它誘發因素

1）在 2008 年“5.12”大地震影響下，滑坡后緣地表土體形成裂縫，后在降雨條件下地表水易于沿裂隙下滲進入坡體，沿強風化層節理裂隙繼續下滲、匯集，降低了巖土土體的抗剪強度，是滑坡形成的內在影響因素［4］。

2）滑坡原地貌表現為階梯狀斜坡，整體坡度 25°～30°，由于修建副斜井及機房，對斜坡前緣開挖切坡，形成高 6～7 m 左右的陡坡臨空面，雖在后期修建了擋土墻，但該工程活動破壞了斜坡體原有的應力平衡，對滑坡的產生有一定的影響。

3）在后期的強降雨因素影響下，地表水沿后緣土體裂縫下滲進入坡體，并在強風化層某一部位匯集，大大降低了巖體的抗剪強度，造成上部基巖失穩滑動，致使下部巖土體內 LX 2 逐步貫通，進而推動下部斜坡失穩滑動，最終整個坡體失穩滑動，形成了滑坡。

綜上所述，多組不穩定結構面是形成滑坡的主控因素，地震和人類活動加劇了巖體的破壞進程，強降雨過程中的“巖水”耦合作用，激發了滑坡的發生。

4 滑坡穩定性分析及評價

4.1 滑坡穩定性定性分析及評價

滑坡區滑動前為階梯狀斜坡，整體坡度25°～ 30°，坡體上主要為耕地。斜坡上層主要由含碎石粉質黏土層組成，下層侏羅系中統下沙溪廟組泥質粉砂巖及長石石英砂巖組成。由于滑動變形，在滑坡體上見有多條拉張裂縫及階梯狀陡坎，滑坡兩側為剪切作用形成的陡坎，滑坡現狀基本穩定［5］。經持續觀察，滑坡體上局部裂縫有變寬現象，在降雨影響下，雨水易沿裂縫下滲入滑體，降低土體的抗剪強度，對滑坡穩定不利，易造成滑坡發生二次滑動。

4.2 滑坡穩定性定量分析及評價

4.2.1 滑坡巖土體的測試成果及工程特性指標

對滑坡體內進行 2 組現場大容重試驗，同時采取滑帶擾動土樣進行室內重塑試驗，重塑后獲得滑帶粉質黏土的物理力學參數，含碎石粉質黏土的天然容重為23.0 kN/m3，飽和重度為 24.0 kN/m3。

滑帶土重塑后天然容重 γ=20.2 kN/m3，飽和容重 γw=21.2 kN/m3；天然抗剪強度標準值 C=28.6 kPa，φ=21.6°，天然殘余抗剪強度標準值 C=19.1 kPa，φ=17.9°；飽和抗剪強度標準值 C=19.2 kPa，φ=18.2°，飽和殘余抗剪強度標準值 C=12.8 kPa，φ=16.1°。

場地地基土壤對混凝土結構、鋼筋混凝土結構中的鋼筋和鋼結構均具有微腐蝕性。滑床泥質粉砂巖天然容重 γ=23.5 kN/m3，飽和容重 γw=24.2 kN/m3；天然抗壓強度標準值 8.69 MPa，飽和抗壓強度標準值5.19 MPa；天然抗剪強度標準值 C=0.94MPa，φ=36.3°，由于本場地長石石英砂巖強度指標優于泥質粉砂巖，以不利因素考慮，場地基巖強度指標按上述泥質粉砂巖試驗結果取值。

4.2.2 計算方法及模型

鉆探結果顯示滑坡滑面位于碎石土與基巖接觸面，整體呈折線型滑動面，選用沿滑坡主滑方向縱向中軸實測斷面為控制剖面計算，采用傳遞系數法計算滑坡穩定性（見圖 2）。綜合結合滑坡現狀調查、室內巖土試驗資料分析、反演分析（見圖 3）和工程類比法，確定穩定性系數計算的適用值。

圖2 傳遞系數法計算說明圖

4.2.3 分析結論

1）滑坡現狀整體處于穩定狀態；

2）在地震工況下整體處于基本穩定狀態；

圖3 反演分析計算剖面圖

3）在暴雨工況下處于不穩定狀態。邊坡土體含水量增加引起抗剪強度降低，是邊坡穩定性系數降低的主要原因，水對邊坡穩定性起著主要控制作用。因此，在工程建設中應做好邊坡區及周邊環境中的地表水的排水工作，控制和減少降雨及地表水對邊坡的影響。邊坡坡腳處應合理設置支擋結構，以確保下部建筑物安全。

4.3 滑坡發展變化趨勢與危害性預測

由于滑坡在遭受地震、降雨或地表水沖刷作用下易發生二次滑坡，如不采取必要的治理措施，隨著垮塌、滑坡的繼續，可能誘發坡體發生整體滑動，危及坡腳處副斜井、機房、安全生產指揮中心大樓及人員的安全，因此需對滑坡采取必要的治理措施。

5 結論及防治方案

5.1 結論

1）區內無大的構造穿過，區域穩定性較好。

2）滑坡體主要由原基巖巖體在滑坡災害作用下形成的碎石土（Q4del）組成、滑床為侏羅系中統下沙溪廟組（J2xs）泥質粉砂巖、長石石英砂巖組成。在降雨影響下易發生二次滑坡地質災害，影響到坡腳處副斜井、機房、安全生產指揮中心大樓及人員的安全，需對滑坡采取治理措施。

3）勘察區內水文地質條件較簡單，滑坡南側發育有 1 條沖溝，降雨時該溝兩側坡體地表水匯聚至該水溝流向坡底。水流沖刷溝床，造成滑坡坡腳切坡，對滑坡的穩定性不利。

4）根據國家標準 GB 50011－2010《建筑抗震設計規范》），區內地震設防烈度為 6 度，設計地震基本加速度為 0.05 g，地震動反應譜特征周期為 0.35 s。

5）根據邊坡現狀和計算結果，通過與當地類似治理工程類比，邊坡的治理措施、方案具有可行性。

5.2 防治目標原則

采取綜合治理措施，使滑坡區的地質環境問題得到有效的治理與控制，重點放在對建（構）筑物及人員安全有重大影響的方面，從根本上消除安全隱患。

5.3 防治工程方案

1）在滑坡中前部設置抗滑樁，并在前緣及南東側沖溝設置擋土墻進行支擋，對滑坡體裂縫進行黏土回填夯實處理。在滑坡后緣外設置截水溝，在滑坡前緣設置排水溝。截水溝與排水溝形成統一的坡面排水網絡，加強地表排水措施，減少降雨和地表水的影響［6-7］。

2）應急治理施工必須在下一個雨季到來之前完成，以免滑坡發生二次滑動，對下部建筑物及人員安全造成危害［8］。

3）在治理施工開展前，應加強滑坡的動態監測，掌握發展變化動態，及時做好預報，防患于未然［9］。

4）科學組織施工工序，嚴格按施工組織設計施工，在未做好支護的情況下，不任意開挖坡腳［10］。

6 結語

不穩定結構面是地層產生滑坡的主要控制因素。通過分析邊坡地層結構面的穩定狀況及影響因素，無論是對滑坡的預測，還是對滑坡的治理，都是十分重要的環節。本文所涉及工程實施后，經數年觀測，治理效果達到預期目的。