新疆和田縣大紅柳灘509道班西老滑坡穩(wěn)定性分析

李巧學(xué)，尚彥軍,2，伊學(xué)濤，李冬明，簡相杰，崔君與，劉依

（1.新疆地質(zhì)災(zāi)害防治重點實驗室(新疆工程學(xué)院)，新疆 烏魯木齊 830000；2.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；4.新疆啟程巖土工程勘察設(shè)計有限公司，新疆 烏魯木齊 830099；5.新疆工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830000）

20 世紀初中期以來，受全球氣候變化等因素影響，大型滑坡災(zāi)害發(fā)生頻率越來越高，造成的經(jīng)濟損失和人員傷亡不斷加大[1]。隨著山區(qū)工程建設(shè)數(shù)量和范圍的增加，早期形成的老滑坡復(fù)活現(xiàn)象越來越多。辛鵬等分析了簸箕山滑帶微觀特征及結(jié)構(gòu)變化滑坡運動學(xué)[2]；李春陽等以黃河深切區(qū)巨型軍功老滑坡為對象[3]，通過極限位移法和改進重標極差分析進行了滑坡預(yù)警研究；劉廣煜等以2000年西藏易貢滑坡為例系統(tǒng)研究了滑坡體“高位崩塌區(qū)崩解啟動-老滑坡體復(fù)活-碎屑流高速流動-堰塞體形成”全過程[4]；宋琨等以三峽庫區(qū)秭歸縣譚家灣大型深層老滑坡為例，分析了老滑坡復(fù)活變形特征和發(fā)展過程[5]；繆海波等從庫岸滑動期內(nèi)殘余強度剪切速率效應(yīng)、間歇期內(nèi)峰值抗剪強度的恢復(fù)特征及間歇期過渡到滑動期的孔隙水壓力觸發(fā)過程出發(fā)[6]，建立了描述庫岸深層老滑坡間歇性復(fù)活動力學(xué)方程；孫立娟等采用傳感元件、數(shù)碼攝像及數(shù)字圖像處理等測試手段獲取滑帶土體積含水率、孔隙水壓力、坡面水平位移變化規(guī)律及后緣面演化特征[7]；李松林等以典型老滑坡為例，分析了不同形成模式及滑面形態(tài)[8]，提出三峽庫區(qū)老滑坡的4 類滑面形態(tài)；張澤林等從第四系地貌學(xué)與工程地質(zhì)學(xué)相結(jié)合角度開展了階地演化對滑坡控制效應(yīng)的研究[9]；龍建輝等以朱家店煤礦滑坡為例[10]，對滑坡在井洞修筑、坡體堆載前后及坡腳開挖不同應(yīng)力條件下的穩(wěn)定性開展了數(shù)值模擬分析；穆文平等對滑坡堆積物關(guān)鍵層與泥巖堆積物空間位置組合關(guān)系及對老滑坡體底滑面形態(tài)和黃土狀土頂部淤泥穩(wěn)定性進行了分析[11]；武雄等采用現(xiàn)場調(diào)查、裂隙統(tǒng)計及室內(nèi)試驗相結(jié)合方法[12]，研究了巴東縣黃土坡滑坡邊界和深度；李松林等據(jù)不同影響因子將干流庫岸進行分段研究[13]，統(tǒng)計了滑坡影響因子分布特征；肖詩榮等對涼水井滑坡兩個地質(zhì)模型進行對比[14]，并對滑坡影響因素及變形機制進行了分析；許強等綜合運用多手段對四川茂縣疊溪鎮(zhèn)新磨村滑坡運動過程和成因機制進行研究[15]；劉天翔等以西南山區(qū)某高速公路隧道正交穿越厚度超過60 m 的老滑坡為背景[16]，對這類隧道-滑坡體系相互作用引發(fā)的工程病害機制進行分析。

本文以新疆和田大紅柳灘稀有金屬礦采選冶工程項目300×104t/a采選工程尾礦庫二期尾礦壩右壩肩老滑坡為例，通過場地詳細工程地質(zhì)調(diào)查、現(xiàn)場鉆探取芯、數(shù)值模擬等研究手段，對該老滑坡進行穩(wěn)定性評價。結(jié)果可望為尾礦庫壩體設(shè)計提供支撐。

1 老滑坡基本特征

1.1 形態(tài)特征

滑坡位于新疆和田大紅柳灘稀有金屬礦采選冶工程項目300×104t/a采選工程尾礦庫二期尾礦壩右壩肩東側(cè)坡體位置，滑坡體前緣與503 溝交匯。交匯處形成臺地陡坎，前緣處陡坎高程約4534 m，后緣高程約4740 m。滑坡體平面形態(tài)不規(guī)則，滑坡體主滑方向約314°，地貌形態(tài)總體近似呈扇形（圖1-a），滑坡體整體坡度約25°，經(jīng)估算該滑體體積約500×104m3，屬大型深層堆積式老滑坡。目前除局部變形裂縫外，該老滑坡自然狀態(tài)下處于總體穩(wěn)定狀態(tài)。

圖1 老滑坡現(xiàn)場形態(tài)特征圖Fig.1 Overall morphology of old landslide a——整體形態(tài)；b——后緣拉張裂縫

1.2 坡體結(jié)構(gòu)特征

滑坡體為右壩肩所在沖溝內(nèi)堆積厚度較大的堆積物及滑坡體后緣山體風化剝落坡積物形成。堆積物厚度由沖溝溝頭至下游逐漸增厚，滑坡體巖土材料主要為角礫，呈青灰、灰褐色。深度3.0 m 以內(nèi)斜坡表層局部松散，棱角狀，片狀，一般粒徑0.2～2.0 cm，砂土、粉土充填，分選性較差。剖面自上而下骨架顆粒逐步增多。坡體局部分布有碎石土、砂土。

滑坡體坡度稍緩，局部呈鼓脹凸起，坡體后緣上部分布有長度和寬度不等(長5～10 m，寬10～30 cm，深0.5～1.0 m)的拉張裂縫（圖1-b），該裂縫為滑坡體后緣山體風化剝落坡積物淺表變形張拉所致。

1.3 老滑坡滑帶特征

據(jù)老滑坡現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該老滑坡因前緣河床下切使得滑移面出露。滑帶主要為第四系全新統(tǒng)洪坡積，滑坡體南側(cè)沿坡積物與基巖分界線向下滑動，中部及北部沿第四系全新統(tǒng)洪坡積軟弱面滑動，并從前緣剪出口觀察，滑帶處塊石破碎，含土量較大，顯示老滑坡剪出口（圖2）。

圖2 老滑坡前緣剪出口圖Fig.2 Cut out diagram of the leading edge of the old landslide

2 數(shù)值模擬分析

2.1 計算模型

數(shù)值計算模型是一般由工程地質(zhì)剖面圖簡化而成，本文將工程地質(zhì)剖面模型通過簡化，得出簡要概化模型（圖3）。概化模型要求抓住模擬分析關(guān)鍵要素，合理舍棄次要干擾因素，為更好分析塑性變形區(qū)，本文采用FLAC數(shù)值軟件。

圖3 數(shù)值計算分析模型Fig.3 Numerical calculation analysis model

本次數(shù)值計算模型綜合考慮老滑坡基本特點，主要對天然條件與前緣工程擾動影響下的穩(wěn)定性進行分析。

2.2 邊界條件設(shè)置

邊界條件為數(shù)值模擬必備條件，合適的數(shù)值模型邊界條件能使計算結(jié)果更可靠與準確。在老滑坡數(shù)值計算模型中，選擇基巖坡面及整個基巖部分X方向（從左向右）、Y 方向（從下向上）為完全固定(零位移)邊界，重力加速度為10 m/s2。滑坡體與基巖破壞判據(jù)采用Mohr-Coulomb準則。

2.3 數(shù)值計算參數(shù)選取

通過現(xiàn)場直接剪切試驗與室內(nèi)土工試驗，老滑坡巖性主要為碎石土和下伏基巖(三疊系中統(tǒng)板巖及砂巖)組成。碎石土及下伏基巖物理力學(xué)參數(shù)選取見表1。

表1 斜坡巖土物理力學(xué)參數(shù)T able1 Physicalandmechanicalparameters ofsloperockandsoil

2.4 老滑坡穩(wěn)定性分析

2.4.1 天然條件下穩(wěn)定性

對天然條件下老滑坡穩(wěn)定性數(shù)值計算分析，得到穩(wěn)定系數(shù)為2.03，該老滑坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。由天然條件下老滑坡塑性區(qū)剪切應(yīng)變云圖可看出（圖4），老滑坡最大剪應(yīng)變出現(xiàn)于坡面附近，處于老滑坡體中部至中上部。因此，如老滑坡復(fù)活產(chǎn)生失穩(wěn)破壞，易在淺表部產(chǎn)生溜滑失穩(wěn)破壞。

圖4 天然條件下老滑坡塑性區(qū)云圖Fig.4 Cloud map of plastic zone of old landslide under natural conditions

2.4.2 開挖擾動下穩(wěn)定性

據(jù)前期礦山規(guī)劃，尾礦壩施工過程中需開挖老滑坡體前緣部位。在對老滑坡體開挖過程中，將擾動原有老滑坡堆積體應(yīng)力分布狀態(tài)，造成老滑坡應(yīng)力重新分布。結(jié)合礦山尾礦庫規(guī)劃，模擬計算開挖10 m(河床至開挖坡體最高點垂直高度，下同)、20 m、30 m 幾種情況，對每種情況分別設(shè)定開挖坡角為30°、45°、60°。

開挖垂高10 m 通過對開挖垂直高度10 m數(shù)值計算結(jié)果分析，在對老滑坡30°傾角削坡條件下，穩(wěn)定系數(shù)為1.84，老滑坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。開挖面附近產(chǎn)生塑性區(qū)，有發(fā)生小規(guī)模崩塌或溜滑破壞的可能性，施工過程中需注意防范并采取監(jiān)測措施。在對老滑坡45°傾角削坡條件下，穩(wěn)定性系數(shù)為1.38，該工況下老滑坡整體仍穩(wěn)定，但與老滑坡30°傾角削坡相似，在開挖面附近產(chǎn)生塑性區(qū)，對安全施工不利。在對老滑坡60°傾角削坡條件下，老滑坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.78，老滑坡整體仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，與前面二者相似，在開挖過程中注意塑性區(qū)的失穩(wěn)破壞（圖5）。

圖5 高度10 m老滑坡剪切應(yīng)變云圖Fig.5 Shear strain cloud diagram of old landslide with a height of 10ma——30°；b——45°；c——60°

開挖垂高20 m通過對開挖垂直高度20 m（河床至坡體開挖最高點垂直高度）數(shù)值計算分析，在沿傾角30°削坡開挖方式下，該老滑坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.85，說明老滑坡在該工況下施工處于整體穩(wěn)定狀態(tài)；在沿傾角45°削坡開挖方式下，該老滑坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.51，說明在沿傾角45°削坡開挖方式下，老滑坡處于整體穩(wěn)定狀態(tài)；在沿傾角60°削坡開挖方式下，該老滑坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.44，說明在沿傾角60°削坡開挖方式下，老滑坡處于整體穩(wěn)定狀態(tài)（圖6）。

圖6 高度20 m老滑坡剪切應(yīng)變云圖Fig.6 Shear strain cloud diagram of old landslide with a height of 20 ma——30°；b——45°；c——60°

觀察3 種情況剪切應(yīng)變塑性云圖，該老滑坡在開挖施工過程中與開挖垂高10 m 情況相似，在開挖擾動區(qū)易產(chǎn)生塑性變形，甚至可能出現(xiàn)局部小崩塌或老滑坡坡面局部產(chǎn)生溜滑破壞。因此，施工過程中需對坡表松散堆積體進行實時監(jiān)測或采取相應(yīng)防護措施。

據(jù)數(shù)值計算結(jié)果可知，在開挖垂直高度30 m 條件下（河床至坡體開挖最高點垂直高度），沿傾角30°削坡方式開挖時，穩(wěn)定性系數(shù)1.69，說明該老滑坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)；在沿傾角45°削坡方式開挖時，穩(wěn)定性系數(shù)為1.09，說明該老滑坡處于極限平衡狀態(tài)；在沿傾角60°削坡方式進行開挖時，穩(wěn)定性系數(shù)為1.07，說明該老滑坡仍處于極限平衡狀態(tài)，開挖過程中應(yīng)特別注意其失穩(wěn)破壞（圖7）。

圖7 高度30 m老滑坡剪切應(yīng)變云圖Fig.7 Shear strain cloud diagram of an old landslide with a height of 30ma——30°；b——45°；a——60°

由以上剪切應(yīng)變云圖可看出，與開挖垂高20 m、10 m 相比，開挖深度小于20 m 時，在開挖過程中坡面易形成淺表變形區(qū)域。在開挖深度30 m、前緣角度大于45°時極可能產(chǎn)生坡體失穩(wěn)破壞。

3 防治對策

（1）建立截排水系統(tǒng)，將滑坡體北側(cè)現(xiàn)狀季節(jié)性沖溝進行截排引導(dǎo)至503溝。排水溝可采用管涵等結(jié)構(gòu)形式，防止該季節(jié)性沖溝自身水源下滲。

（2）對基建面位于滑坡區(qū)滑體進行挖除時，進行分段開挖、分段回填施工，將滑坡前緣土方開挖卸荷對滑坡體影響降到最小。同時將新開挖滑坡體坡率控制在1∶2（高寬比）以內(nèi)。在施工開挖過程中實行信息化施工，在新開挖邊坡的上邊緣設(shè)置變形監(jiān)測點，施工期間進行人工變形監(jiān)測，在后期尾礦庫使用期可在易滑動區(qū)域布設(shè)GNSS 位移監(jiān)測設(shè)備。考慮后期重介質(zhì)廢石筑壩區(qū)逐步回填反壓滑坡前緣，對滑坡體穩(wěn)定將起到積極作用。因此，當重介質(zhì)廢石筑壩區(qū)回填標高大于、等于滑坡體開挖標高時，滑坡體趨于穩(wěn)定。

（3）該滑坡體局部淺表變形嚴重區(qū)域，考慮變形體厚度較薄，體量較小，重力或凍融作用下局部產(chǎn)生溜滑失穩(wěn)破壞后，再次處于平衡狀態(tài)，不會對滑體造成影響。因此，對局部淺表變形嚴重區(qū)域可采取變形監(jiān)測或采取截排水措施。

（4）對滑坡體進行減載卸荷，對滑坡隱患區(qū)域進行挖除減載或采取前緣支護等專項治理。

（5）考慮老滑坡體治理難度較大，治理費用較高。在條件允許情況下，可考慮將工程關(guān)鍵部位避開老滑坡區(qū)。

4 結(jié)論

（1）老滑坡體后緣上部分布有長、寬不等的拉張裂縫，長5～10 m，寬10～30 cm，深0.5～1.0 m。該裂縫為滑坡體后緣山體風化剝落坡積物淺表變形張拉所致，處于基本穩(wěn)定或局部淺表變形階段。坡積變形體厚度較薄，體量較小，在重力或凍融作用下，局部產(chǎn)生溜滑失穩(wěn)破壞后再次處于平衡狀態(tài)，不會對滑體造成影響。

（2）考慮該滑坡前緣尾礦壩施工中對前緣土方進行大面積下切開挖，施工過程中未采取相應(yīng)支護措施，可能引起該老滑坡部分復(fù)活。數(shù)值模擬計算結(jié)果中剪切應(yīng)變云圖顯示，在向下深切開挖過程中坡面易形成淺表變形區(qū)域，極有可能產(chǎn)生淺表失穩(wěn)破壞。當斜坡前緣向下開挖30 m（沿河床），坡度大于45°時，穩(wěn)定系數(shù)接近臨界狀態(tài)1.0，易發(fā)生破壞。

（3）在尾礦庫施工開挖過程中實行信息化施工，注意因滑坡體前緣卸荷開挖發(fā)生不同級次的老滑坡復(fù)活。建議避開雨季或快速消融季節(jié)施工、實施跳槽開挖；控制開挖深度和前緣放坡坡度速率，并加強監(jiān)測；在老滑坡拉張裂縫位置布設(shè)GNSS位移監(jiān)測設(shè)備或在土方開挖過程中分段開挖、分段回填，減弱邊坡前緣開挖對邊坡穩(wěn)定性影響；在老滑坡堆積體上修建排水溝，將南側(cè)和上部水導(dǎo)向北側(cè)和尾礦庫壩體下游，防止裂縫發(fā)展貫通產(chǎn)生老滑坡復(fù)活的地質(zhì)災(zāi)害。