三峽庫(kù)區(qū)柏堡滑坡變形機(jī)理及穩(wěn)定性預(yù)測(cè)分析

陳福榜 CHEN Fu-bang；王南南 WANG Nan-nan；馮愛(ài)國(guó) FENG Ai-guo；石荔 SHI Li

（中冶集團(tuán)武漢勘察研究院有限公司，武漢 430000）

0 引言

滑坡災(zāi)害在我國(guó)頻發(fā)，易造成經(jīng)濟(jì)損失及威脅人類的生命安全[1-2]。誘發(fā)斜坡發(fā)展成為滑坡的因素很多，可分為主要誘因和次要誘因，因此在分析滑坡災(zāi)害的形成與發(fā)展時(shí)，勢(shì)必要首先抓主要誘因。其中降雨是導(dǎo)致滑坡產(chǎn)生頻率最高的因素，部分學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了深入的研究[3-7]。

本文以三峽庫(kù)區(qū)柏堡滑坡為例，結(jié)合地質(zhì)勘查資料[8]與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)柏堡滑坡的變形機(jī)理展開深入分析，并采用Geo-Studio軟件對(duì)不同工況條件下，柏堡滑坡的穩(wěn)定性進(jìn)行模擬分析及預(yù)測(cè)，為柏堡滑坡變形的預(yù)警預(yù)報(bào)及工程治理提供參考。

1 滑坡區(qū)工程地質(zhì)概況

柏堡滑坡地處秭歸縣郭家壩鎮(zhèn)王家?guī)X村，長(zhǎng)江一級(jí)支流童莊河南岸，桐樹灣大橋橋頭，湖北省334省道和鄉(xiāng)村道路從滑坡中前部穿過(guò)，如圖1所示。

圖1 柏堡滑坡地理位置

滑坡前緣直抵童莊河河床，高程約為150m，淹沒(méi)在175m水位線以下；后緣以陡坎為界，其高程為320m，前后緣相對(duì)高差約為170m。左側(cè)以山脊為界，右側(cè)以羅家溝為界?；虑熬墝捈s150m，后緣寬約80m，前后緣縱長(zhǎng)約300m，滑坡面積約3×104m2，平均厚度為20m，體積約為60×104m3?；潞缶壿^陡峭，坡度為30～40°，滑坡體中間部位相對(duì)平緩，坡度為15～25°，坡體前緣坡度較陡。滑坡整體平面形態(tài)呈現(xiàn)“長(zhǎng)條口袋狀”，呈現(xiàn)南高北低，西高東低，滑坡體中后部略凸，前部略凹。

滑坡體主要由含碎石粘土、碎石土、中強(qiáng)風(fēng)化破碎狀砂巖塊石組成?；w上部0～2m以強(qiáng)風(fēng)化砂巖碎石土為主，碎石呈紫紅色顆粒狀，顆粒粒徑為1～3cm，2m到滑帶處主要含破碎狀強(qiáng)風(fēng)化砂巖碎塊石，塊度多為5～12cm。滑帶物質(zhì)為含碎石粘土軟弱夾層，深度為24.5～30.5m，紫紅色，滑帶厚度約3～6m，以粘土、粘土夾碎石為主，粘性較好。滑床為侏羅系下中統(tǒng)聶家山組（J1-2n），物質(zhì)組成主要為紫紅色泥巖和粉砂巖，巖層傾向330～350°，與坡體傾向相近，傾角30～55°。呈單斜構(gòu)造，坡體內(nèi)未見(jiàn)大的斷裂破碎帶，為順斜向坡（圖2）。

圖2 柏堡滑坡工程地質(zhì)剖面圖（1-1’）

2 滑坡變形特征分析

2.1 地表變形特征

柏堡滑坡2017年10月3日出現(xiàn)變形，主要變形破壞方式有地表拉張裂縫、局部的坍滑、房屋地坪下陷、崩落碎落等。（見(jiàn)圖3）。

圖3 柏堡滑坡部分現(xiàn)場(chǎng)變形及監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置

①滑坡體內(nèi)發(fā)育有大量裂縫，在滑坡后緣出現(xiàn)有3條弧形拉張裂縫，長(zhǎng)度在30～50m之間，裂縫寬10～50cm不等，其中裂縫寬最大可達(dá)80cm，局部區(qū)域下座深度有25～60cm。

②滑坡體前緣居民房屋出現(xiàn)裂縫，區(qū)域內(nèi)有6戶居民房屋出現(xiàn)了不同程度的變形破壞。

③滑坡體中前部左右兩側(cè)邊界處公路擋墻出現(xiàn)垮塌，右側(cè)邊界處公路變形長(zhǎng)度可達(dá)15m左右，總體向外推移，公路基礎(chǔ)向外移動(dòng)最大近50cm，擋墻垮塌長(zhǎng)度接近8m；滑坡左側(cè)公路變形長(zhǎng)度近20m，擋墻垮塌近5m。

④滑坡前緣與桐樹灣大橋接觸處出現(xiàn)鼓脹裂縫，縫寬2～5cm，在路面與橋面接觸處形成高度約5cm臺(tái)坎。

⑤由于連續(xù)性的大氣降雨，10月15日晚滑坡體右側(cè)沖溝上方的坡體發(fā)生較大變形，在滑坡右側(cè)坡體發(fā)生大規(guī)模塌滑，滑移方向指向右側(cè)羅家溝方向，局部滑坡坡體前緣剪出口為滑坡右側(cè)沖溝。局部滑移體后緣可見(jiàn)明顯拉裂下座裂縫，滑動(dòng)面上可見(jiàn)明顯泥質(zhì)擦痕，后緣陡壁出露含碎石黏土面，部分可見(jiàn)粉砂巖塊石，塊度可達(dá)為5m。后緣裂縫下座深度0.5～4m，最大下座滑動(dòng)面距離為5m，裂縫最寬處達(dá)到2m。

2.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

應(yīng)急救災(zāi)期間在柏堡滑坡體上共布置了7個(gè)地表自動(dòng)GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別為監(jiān)測(cè)基點(diǎn)G410，變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)BB1、BB2、BB3、BB4、BB5、BB6，測(cè)點(diǎn)BB4于10月17日轉(zhuǎn)移至滑坡前部山梁，點(diǎn)號(hào)更改為BB4-1，應(yīng)急救災(zāi)后，維持G410、BB3、BB4-1和BB6監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置不變，BB5移至次級(jí)滑體上，點(diǎn)號(hào)更改為BB5-1，BB2移至滑坡左側(cè)邊界公路下方坡體上，點(diǎn)號(hào)更改為BB2-1，撤銷GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)BB1。

由圖4柏堡滑坡地表一體化GNSS監(jiān)測(cè)點(diǎn)累積位移監(jiān)測(cè)曲線可知，柏堡滑坡位移變形跡象較為顯著。結(jié)合監(jiān)測(cè)設(shè)備未使用前的踏勘工作，主要變形的產(chǎn)生集中在2017年10月3日至16日期間，尤其在13日到16日發(fā)生較大變形，10月20日左右累積位移變形趨于最大值，其中位于滑坡后緣的BB1監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移量累積達(dá)到270.1mm；其次是中部測(cè)點(diǎn)BB2，位移累積值為203.4mm，再次是滑坡前部測(cè)點(diǎn)BB3，位移累積值為149.9mm。從監(jiān)測(cè)點(diǎn)所處位置來(lái)看，柏堡滑坡中后部變形量相對(duì)前部較大。綜合應(yīng)急救災(zāi)期間與期后監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，20日后各測(cè)點(diǎn)位移隨時(shí)間上下波動(dòng)，變形無(wú)明顯增長(zhǎng)趨勢(shì)，數(shù)值波動(dòng)可能為設(shè)備系統(tǒng)誤差所致，非測(cè)點(diǎn)實(shí)際變形，說(shuō)明10月20日后柏堡滑坡處于整體穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 柏堡滑坡地表一體化GNSS監(jiān)測(cè)點(diǎn)累積位移監(jiān)測(cè)曲線

從圖5應(yīng)急救災(zāi)期間柏堡滑坡地表自動(dòng)GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移速率-時(shí)間曲線來(lái)看，在10月13日至16日，地表位移變形速率數(shù)值比較大，并且各監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大位移變形速率均出現(xiàn)在10月14日，表明此時(shí)間段滑坡變形相對(duì)比較劇烈。10月16日后地表變形速率急劇減小，滑坡變形趨于平緩，10月20日后，滑坡變形速率曲線在零點(diǎn)上下波動(dòng)。從整體來(lái)看，位移變化速率曲線與累積位移曲線趨勢(shì)基本同步。

圖5 柏堡滑坡地表位移變化速率監(jiān)測(cè)曲線

3 滑坡變形機(jī)制分析

3.1 地質(zhì)因素對(duì)滑坡變形起控制作用

柏堡滑坡區(qū)屬中低山構(gòu)造侵蝕河谷滑坡地貌，地形坡度在14-45°間。滑坡前緣坡度較陡，后緣地形陡峭，中間部位相對(duì)較平緩，陡-緩-陡的地形有利于滑坡的形成。柏堡滑坡所發(fā)育的坡體由上覆第四系松散堆積層，下伏侏羅系下中統(tǒng)聶家山組（J1-2n）組成。其中，松散土石堆積體主要由殘坡積（Q4el+dl）、崩坡積（Q4col+dl）、人工堆積（Q4ml）組成，該層巖土體松散，具有較強(qiáng)透水性，有利于地下水的滲透，從而軟化巖土體與增加坡體重量。侏羅系下中統(tǒng)聶家山組（J1-2n）由紫紅色泥巖、粉砂巖等組成，其中泥巖強(qiáng)度較低，抗風(fēng)化能力較差，與水接觸時(shí)易被軟化，粉砂巖為較硬巖，有著較強(qiáng)的抗風(fēng)化能力。第四系松散堆積層及侏羅系聶家山組（J1-2n）粉砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)粉砂巖軟硬相間，為典型的易滑地層，該地層對(duì)于滑坡的發(fā)生具有控制效應(yīng)。柏堡滑坡的坡體結(jié)構(gòu)類型為斜順向坡，巖層產(chǎn)狀為330～350°∠30～55°，右側(cè)滑體的主滑方向受土巖接觸面的產(chǎn)狀所控制，其表層基巖巖體裂隙發(fā)育，完整性差，為滑坡的變形提供了內(nèi)部條件，軟弱地層是滑坡變形的物質(zhì)基礎(chǔ)。

3.2 大氣降雨對(duì)滑坡變形起促進(jìn)作用

2017年9月下旬至10月上旬近20天里，秭歸縣遭受長(zhǎng)期陰雨天氣，期間還伴隨著強(qiáng)降雨天氣的出現(xiàn)。持續(xù)的降雨過(guò)程產(chǎn)生的地表水通過(guò)地表裂縫等入滲到含碎石粉質(zhì)粘土的滑體中，并沿著孔隙下滲?；聟^(qū)域內(nèi)地下水因降雨入滲而水位上移，從而導(dǎo)致孔隙水壓力和浮托力驟然增大。大氣降雨一方面軟化了軟弱巖土層，大大降低其抗剪強(qiáng)度，另一方面巖土體內(nèi)短時(shí)間充水程度較高，增加了巖土體內(nèi)的動(dòng)靜水壓力，使巖土體的穩(wěn)定性降低，并使強(qiáng)風(fēng)化泥巖及砂質(zhì)泥巖泥化、軟化，形成滑動(dòng)帶，并且降低了滑動(dòng)帶力學(xué)強(qiáng)度，降雨是導(dǎo)致柏堡滑坡滑動(dòng)的主要誘發(fā)因素。

從柏堡滑坡應(yīng)急搶險(xiǎn)救災(zāi)期間地表一體化GNSS監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移-降雨量-時(shí)間曲線（圖6）和監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移速率-降雨量-時(shí)間曲線（圖7）可以看出，受2017年9月下旬和10月中上旬持續(xù)性降雨影響，測(cè)點(diǎn)BB1、BB2、BB3、BB4、BB5從2017年10月12日變形突然陡增，2017年10月14日變形速率達(dá)到峰值；2017年10月16日滑坡右側(cè)次級(jí)滑體發(fā)生滑移，各測(cè)點(diǎn)累積位移趨近峰值；2017年10月18日之后滑坡區(qū)降雨量減少，變形速率亦隨之減小，滑坡累積位移于10月20日左右基本達(dá)到峰值，之后滑坡變形總體趨于平緩，處于整體穩(wěn)定狀態(tài)。從降雨與滑坡變形出現(xiàn)時(shí)間前后來(lái)看，2017年10月10日至14日降雨量較大，而滑坡位移陡增時(shí)間出現(xiàn)在10月12日至16日，柏堡滑坡變形相對(duì)于降雨呈現(xiàn)較為明顯的滯后性。

圖6 柏堡滑坡累積位移-降雨量-時(shí)間關(guān)系曲線

圖7 柏堡滑坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移速率-降雨量-時(shí)間曲線

4 滑坡穩(wěn)定性分析預(yù)測(cè)

4.1 計(jì)算模型建立及參數(shù)選取

本文基于VG模型（VanGenuehten模型）滲透系數(shù)的函數(shù)輸入，結(jié)合柏堡滑坡的實(shí)際工程地質(zhì)特征和滑坡變形特點(diǎn)，選擇滑坡中部1-1ˊ剖面（見(jiàn)圖2）作為計(jì)算剖面，建立簡(jiǎn)化地質(zhì)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。該模型由4749個(gè)節(jié)點(diǎn)，4642個(gè)網(wǎng)格構(gòu)成，數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格模型見(jiàn)圖8。根據(jù)柏堡滑坡地質(zhì)勘查報(bào)告中的室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，并結(jié)合區(qū)域性工程經(jīng)驗(yàn)和參數(shù)反演計(jì)算結(jié)果，數(shù)值計(jì)算中柏堡滑坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)取值如表1所示。

圖8 滑坡數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格模型

表1 柏堡滑坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)

4.2 計(jì)算工況

綜合柏堡滑坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析及變形機(jī)制分析可知，大氣降雨對(duì)柏堡滑坡穩(wěn)定性影響較大，不利于滑坡的穩(wěn)定。為探究降雨因素對(duì)滑坡穩(wěn)定性影響，建立2種工況，如表2所示。

表2 柏堡滑坡穩(wěn)定性計(jì)算工況

4.3 穩(wěn)定性分析及預(yù)測(cè)

4.3.1 滑坡穩(wěn)定性分析

圖9為工況1和工況2的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果，隨著降雨持續(xù)時(shí)間的延長(zhǎng)及降雨強(qiáng)度的增大，柏堡滑坡穩(wěn)定性系數(shù)總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。在保持每天降雨強(qiáng)度為10mm/d時(shí)，隨著降雨持續(xù)時(shí)間的增加，從降雨持續(xù)1天到15天，穩(wěn)定性系數(shù)從1.981降低到1.630，下降幅度達(dá)到0.351，降低了17.7%。計(jì)算數(shù)據(jù)曲線表明，在保持降雨強(qiáng)度相同時(shí)，隨著降雨持續(xù)時(shí)間的增大，穩(wěn)定性總體呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，尤其在在持續(xù)性降雨的前3天，穩(wěn)定性系數(shù)降低速率較快，之后穩(wěn)定性系數(shù)降低速率減緩。

圖9 穩(wěn)定性系數(shù)變化曲線

在保持降雨時(shí)間1天時(shí)，降雨強(qiáng)度從10mm/d增大到60mm/d，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)從1.981降低到1.806，穩(wěn)定性下降幅度達(dá)到0.175，降低了8.8%。降雨強(qiáng)度在小于40mm/d時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)降低速率較為平緩，降雨強(qiáng)度在大于40mm/d時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)迅速降低。

由穩(wěn)定性計(jì)算可知，柏堡滑坡的穩(wěn)定性受降雨影響較大，通過(guò)比較持續(xù)性降雨與降雨強(qiáng)度兩種工況下的穩(wěn)定性系數(shù)大小以及降低比率結(jié)果可知，降雨持續(xù)時(shí)間對(duì)柏堡滑坡穩(wěn)定性影響更大，即出現(xiàn)連續(xù)性降雨天氣，再次出現(xiàn)失穩(wěn)概率更大。

4.3.2 滑坡變形發(fā)展預(yù)測(cè)

柏堡滑坡堆積體前緣受童莊河侵蝕形成臨空面，特殊的地形為滑坡形成的形成提供了地形條件?；聻?zāi)害出現(xiàn)后坡體內(nèi)出現(xiàn)了大量深淺、長(zhǎng)度不一的裂縫，若出現(xiàn)持續(xù)性降雨或者強(qiáng)降雨，降雨會(huì)隨著裂縫入滲，不斷侵蝕坡體，擴(kuò)大裂隙寬度及深度，隨著裂縫的擴(kuò)展，產(chǎn)生局部破壞概率增大。同時(shí)，降雨隨著裂縫匯集于滑體底部和滑床之間時(shí)會(huì)降低了滑帶土的抗剪強(qiáng)度，加大了滑體的重量，導(dǎo)致滑坡發(fā)生整體變形的可能性大大增加。

滑坡在2017年10月20日前滑坡變形特征明顯，后緣拉張裂縫，局部下坐位移，局部的坍滑、房屋地坪下陷、崩落碎落等現(xiàn)象現(xiàn)場(chǎng)跡象十分明顯。20日之后無(wú)明顯新增變形跡象，根據(jù)不同降雨條件下滑坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果及宏觀穩(wěn)定性判斷，滑坡總體處于穩(wěn)定狀態(tài)。但是，在暴雨、持續(xù)降雨、人為切坡等因素影響下，滑坡可能會(huì)產(chǎn)生整體滑動(dòng)，造成嚴(yán)重危害。

5 總結(jié)

本文基于柏堡滑坡工程地質(zhì)勘察資料和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)柏堡滑坡的變形機(jī)理進(jìn)行了分析，并利用Geo-Studio軟件對(duì)坡體在不同降雨工況下的穩(wěn)定性進(jìn)行了模擬分析及預(yù)測(cè)，主要結(jié)論如下：

①柏堡滑坡的地質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)滑坡的變形起著控制作用。陡-緩-陡的凹地地形為滑坡變形的發(fā)展提供了有利地形地貌條件；第四系松散堆積層及侏羅系聶家山組（J1-2n）粉砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)粉砂巖軟硬相間巖層為滑坡變形發(fā)展的內(nèi)因；滑坡體內(nèi)裂隙發(fā)育，有利于滑坡變形的進(jìn)一步擴(kuò)展。

②連續(xù)降雨為柏堡滑坡變形的誘發(fā)因素，大量降雨下滲至含碎石的粉質(zhì)粘土層，并在巖土分界面匯集，導(dǎo)致浮托力的產(chǎn)生與土體的軟化，持續(xù)性降雨是柏堡滑坡產(chǎn)生變形的最直接誘發(fā)因素。

③根據(jù)Geo-studio仿真軟件的數(shù)值模擬分析可知，隨著降雨時(shí)間延長(zhǎng)及降雨強(qiáng)度的增大，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其中降雨持續(xù)時(shí)間對(duì)滑坡穩(wěn)定性影響更大，滑坡一旦再次產(chǎn)生破壞，產(chǎn)生整體滑動(dòng)，造成的危害性較大。