張家口宣化屈家莊滑坡變形和穩定性分析

姚萬森 袁 穎 劉 超 耿萬青 于建洲

（1.河北省地礦局第四水文工程地質大隊；2.河北地質大學城市地質與工程學院）

斜坡巖土體在暴雨、地震或人類工程活動等因素誘發下，受自身重力作用向下滑動的現象稱為滑坡，滑坡已經成為了一種常見的地質災害。在我國，滑坡災害分布廣泛，危害嚴重，威脅到了人類的生命和財產安全。對滑坡穩定性和變形的分析，是對滑坡體危害程度評價的基礎，很多學者都提出了滑坡穩定性和變形計算的方法［1-2］，近年來，很多學者采用數值模擬軟件對邊坡進行穩定性分析和變形的計算，數值模擬軟件能夠模擬復雜的坡形和巖土條件下邊坡的穩定性或變形特征，計算效率高。

GeoStudio軟件是一個巖土分析的仿真軟件，它包含SLOPE/W、SEEP/W、SIGMA/W等模塊，應用這些模塊可以進行應力應變分析、滲流分析等，還可以結合極限平衡理論，考慮地下水、地面堆載，求解復雜土層、復雜地形的邊坡穩定性問題。屈建軍等［3］利用Geo-Slope軟件對邊坡控制性結構面進行了穩定性分析，李風增［4］利用Geo-Slope軟件搜索最危險滑動面，分析了自然狀態和飽和狀態下滑坡的穩定性。聶兵其等［5］基于GEO-SEEP/SLOPE分析了邊坡在天然和降雨工況下的穩定性。本研究應用GeoStudio軟件對宣化屈家莊滑坡穩定性和變形特征進行求解和分析。

1 工程概況

宣化屈家莊滑坡位于張家口市經開區沙嶺子鎮屈家莊村東北1 km屈家莊石料廠南側的斜坡之上，為一巖質滑坡，威脅著下方中恒科技有限公司辦公樓及金鴻能源加氣站的人員和財產安全。

2 滑坡區地質環境條件

滑坡位于低中山區，總體地勢北東高南西低，地形起伏較大。滑坡區地層主要有第四系人工堆積層（Q4ml）、殘坡積層（Q4el+dl）、侏羅系張家口組（J3z）地層。區域水文地質單元屬于地下水補給區，地下水類型主要有第四系松散巖類孔隙水和碎屑巖類孔隙裂隙水。前者主要接受大氣降水補給，水量小，徑流方向與地形坡度基本一致，即由地形高處向地形低處徑流。后者主要接受大氣降水、側向徑流及地表水滲入補給，徑流條件受巖層產狀與地形控制。

滑坡區未見穩定的地下水水位，在部分鉆孔中發現有少量地下水滲出，水量較小，分布不穩定。坡體結構較松散，降雨入滲轉化為地下水沿斜坡方向向下徑流，利于地下水的排泄。平時地下水對斜坡的穩定性影響相對來說較小，但暴雨或持續降雨期，雨水通過入滲轉化為地下水，并在坡體上形成較高地下水位時，對整個坡體的穩定性將產生較大影響。

3 滑坡的特征分析

3.1 滑坡的邊界

滑坡后緣以貫通的弧形裂縫為界，其上為坡度為10~12°的山坡，坡頂為流紋質角礫熔巖，滑坡前緣位于人工開挖坡形成的陡坎下方，前緣外側為采礦形成的運輸道路，滑坡左側以園林綠化恢復治理的平臺為界，右側以采礦形成的掌子面為界。滑坡坡體后緣、前緣和中部均出現多條變形裂縫，且變形破壞趨勢仍在增大，裂縫基本貫通，滑坡現狀處于變形滑動階段，狀態欠穩定。滑坡全貌見圖1。

3.2 滑坡的規模

滑坡平面呈方形，主滑方向為300°，縱向長度為155~170 m，橫向寬度為153~169 m，滑體厚度為5~19 m，平均厚度為13 m，滑坡體總面積為2.4萬m2，總體積為31萬m3，屬中型滑坡。

滑坡中后部坡面較完整，地形坡度為8~12°，總體較為平緩，中部為平緩的平臺，前緣地形破壞嚴重，為人工采礦形成的臨空面及渣堆，臨空面高為12~15 m，坡度為40~48°。滑坡前后緣最大地形高差為47 m，平均坡度為18°。

3.3 滑坡體特征

滑體物質以張家口組強風化流紋質角礫熔巖為主，厚度為13~20 m，具有中部厚、兩側薄、前緣厚、后緣薄的形態特點。前緣到后緣巖性以張家口組流紋質角礫熔巖為主，灰黑色，角礫熔巖狀結構，塊狀構造。巖石由火山角礫（10%）、凝灰物（5%~10%）、斑晶（15%~20%）、基質（65%）組成。角礫雜亂分布，大小為5~50 mm，成分為安山巖、流紋巖等。凝灰物大小為0.2~2 mm，星散分布。上部覆蓋層為殘坡積碎石粉土，表層干—稍濕，密度程度為中密—密實。

3.4 滑床特征

滑床以張家口組（J3z）中風化流紋巖為主，淺紫灰色，中風化，堅硬，性脆，塊狀構造，流紋結構或斑狀結構。

3.5 滑動帶特征

通過調查、物探、鉆探、槽探綜合法確定滑動帶埋深和特征。如圖2所示，滑動帶位于流紋質角礫熔巖與流紋巖夾層處，巖性以灰白色、紅褐色流紋質凝灰熔巖為主，厚度為2.6~7.2 m。該巖層處于強風化—全風化狀態，部分巖體較為松散，部分風化成土狀具滑感，遇水崩解。滑坡前緣原始地形為自然斜坡，切坡后形成的陡邊坡出露地層主要為流紋質角礫熔巖，底部零星可見流紋質凝灰熔巖，該邊坡開挖的底界為流紋巖。因此，確定滑坡前緣剪出口為該邊坡底部。

4 滑坡變形分析

4.1 剖面選取

選取滑坡主滑方向典型剖面進行變形計算，如圖3所示。

4.2 參數確定

（1）重度的確定。本滑坡滑體的巖體較為單一。根據勘查所取巖樣經室內試驗分析確定，見表1。

（2）彈性模量和泊松比的確定。采用線彈性模型進行滑坡變形計算，其中變形參數彈性模量E和泊松比v是最重要的2個參數。他們與變形的相關性不同，對變形的影響程度不同。滑體滑帶土不同彈性模量和泊松比下滑坡前緣監測點變形Dx結果見表2，相關性結果見表3。

由表3可知，彈性模量與變形量間相關性的顯著性為0.349，大于0.05，表明二者間不存在顯著的相關關系。泊松比與變形量間相關性的顯著性為0.001，小于0.05，表明二者間存在顯著的相關關系；二者間的相關系數為0.907，表明泊松比與變形量有顯著的正向相關關系，意味著變形量隨著泊松比增大而提高。與坡腳前緣的監測點數據對比，最終選取計算模型的彈性模量為1.5 GPa，泊松比為0.4。分別對前緣坡腳處和滑坡后緣處一段范圍內各點在自重力工況條件下進行變形分析，變形等值線圖和變形曲線見圖4、圖5。變形在0.1 mm量級，基本穩定。

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注:υ無量綱。

圖4 、圖5（a）反映出前緣坡腳20 m范圍內計算的變形較小，前緣陡坡處變形相對較大，與現場調查滑坡前緣高陡邊坡為整個滑坡變形體上的強變形區結論一致，原因可能是隨滑坡整體滑動外，會發生局部垮塌或滑動破壞。圖4、圖5（b）反映出水平X向坐標366 m處兩側2~3 m范圍內變形反向，推斷該段范圍內可能出現裂縫，與現場調查的裂縫位置基本一致。

5 滑坡穩定性分析

5.1 滑體、滑帶抗剪強度參數確定

（1）實驗方法。通過勘查所取巖樣在不同狀態下的剪切實驗結果進行統計，根據統計結果得出滑帶抗剪強度參數，見表4。

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（2）反演方法。基于極限平衡法求滑坡穩定系數模型中，抗剪強度對滑坡穩定性的影響很大，抗剪強度參數黏聚力C、內摩擦角?值對穩定系數Fs的相關性不同，對穩定性的影響程度不同。滑帶土不同抗剪強度參數下的穩定系數見表5，相關性結果見表6。

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由表6可知，C與Fs間相關性的顯著性為0.505，大于0.05，表明二者間不存在顯著的相關關系。?與Fs間相關性的顯著性接近0，小于0.05，表明二者間存在顯著的相關關系，二者間的相關系數為0.995，表明?與Fs有顯著的正向相關關系，意味著?越高Fs越大。因此，在反演分析時采用固定C值求?值。

該滑坡處于欠穩定狀態，取穩定系數1.0，根據地質結構及滑帶的性質，采用給定不同C值求其?值。反演分析結果見表7。

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（3）參數綜合選取。巖土物理力學參數根據巖土試驗成果、反算結果及相似滑坡的類比綜合分析確定，見表8。

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5.2 滑床抗剪強度參數確定

根據室內試驗成果，按《建筑邊坡工程技術規范》（GB 50330—2013）、《建筑地基基礎設計規范》（GB 50007—2011）及類比相關工程資料確定滑床物理力學參數建議值，見表9。

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5.3 工況選取

根據《滑坡防治工程設計與施工技術規范》（DZ/T 0219—2006），滑坡防治工程分級為II級，暴雨工況以20 a一遇（5%頻率）暴雨考慮；工作區處于抗震設防烈度Ⅶ度區，50 a超越概率10%的地震動峰值加速度為0.10g。滑坡穩定性計算采用的工況有“自重力”、“自重力+暴雨”和“自重力+地震”3種工況。

5.4 穩定性計算

采用Morgenstern-Price法建立穩定性計算模型。該方法是目前最嚴密的邊坡穩定性分析方法，既滿足受力平衡，也滿足力矩的平衡，條間力選用半正弦函數，利用SLOPE/W模塊，計算求解，模型見圖6。計算結果與規范推薦的剩余下滑力方法求解計算結果相對比（圖7），GeoStudio軟件計算結果略大。

6 結論

（1）通過變形分析模擬計算滑坡前緣和后緣的變形特征，與現場調查監測的結果基本一致。

（2）彈性模量與變形間不存在顯著的相關關系，泊松比與變形間存在顯著的正向相關關系。

（3）黏聚力與安全系數間不存在顯著的相關關系，內摩擦角與安全系數間有顯著的正向相關關系，在反演分析時宜采用固定黏聚力值求內摩擦角。

（4）利用GeoStudio軟件的Morgenstern-Price法模擬計算的穩定系數與規范推薦的剩余下滑力求解方法得到的結果略大，采用規范法是偏安全的。