永善縣城古滑坡復(fù)活變形特征及穩(wěn)定性分析

鄧立雄, 徐世光,2*, 鄭庭, 吳靜, 郝少雷

(1.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院, 昆明 650093; 2.云南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘察開發(fā)局, 昆明 650011;3.中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計研究院, 昆明 650051)

近年來,隨著人口數(shù)量的急劇增長、工程活動的不斷加劇以及全球氣候的變化,古滑坡復(fù)活趨勢日漸顯著,對人類的生命財產(chǎn)安全造成了巨大的威脅[1]。例如,湖北省千將坪古滑坡于2003年7月13日凌晨復(fù)活,滑坡體積約2×107m3,造成14人死亡,10人失蹤,1 200 多人無家可歸,多處房屋等巨大損失[2]。四川省巴塘縣茶樹山古滑坡于2006年1月7日發(fā)生大規(guī)模滑動,造成大面積地面沉降、水渠錯位變形、房屋受損,現(xiàn)今仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)[3-4]。關(guān)于突發(fā)增長的古滑坡復(fù)活問題,前人已經(jīng)作了許多研究。鄧建輝等[5]利用測年法確定了古滑坡的發(fā)生時代,并采用強度折減法對滑坡進行穩(wěn)定性評價。殷躍平等[6]在分析丹巴縣城滑坡穩(wěn)定性時,運用強度折減法與常用的Janbu簡化法、Morgenstern-Price法、Sarma法進行了對比研究。黃達等[7]利用地質(zhì)、位移監(jiān)測及數(shù)值模擬方法,對巫山曲尺塔坪H2滑坡進行研究,發(fā)現(xiàn)在降雨-庫水位漲落耦合作用下滑坡呈現(xiàn)出漸進式變形破壞特征。何坤等[8]通過對四川省鹽源玻璃村特大型玄武巖古滑坡的研究,將復(fù)活滑坡劃分為主滑區(qū)與側(cè)滑區(qū),認為破碎巖土體結(jié)構(gòu)以及持續(xù)的降雨是滑坡復(fù)活的誘發(fā)因素。李雪等[9]通過野外地質(zhì)調(diào)查、遙感解譯等手段對金沙江流域雄巴巨型古滑坡進行研究,認為復(fù)活變形是多因素共同的結(jié)果,有發(fā)展成堵江、潰堤等災(zāi)害的趨勢。劉莉等[10]分析了金沙江巧家巨型古滑坡的發(fā)育特征,認為在庫水波動、地震與降雨等因素的相互作用下,古滑坡具有復(fù)活的可能。

目前對于古滑坡的發(fā)育特征與穩(wěn)定性分析等研究較多,但是對于金沙江沿岸城鎮(zhèn)建設(shè)區(qū)巨型古滑坡復(fù)活變形研究較少,因此現(xiàn)以永善東部縣城古滑坡為例,通過野外調(diào)查、位移監(jiān)測與數(shù)值模擬等方法,對永善縣城東部滑坡的復(fù)活變形特征與不同工況下的穩(wěn)定性展開研究,為西南山區(qū)城鎮(zhèn)建設(shè)區(qū)巨型古滑坡的復(fù)活問題提供一定的參考價值。

1 區(qū)域概況

復(fù)活滑坡位于永善縣城東部斜坡地帶,溪洛渡水電站正南2.8 km處。區(qū)域地形地貌切割強烈、高差起伏大,為構(gòu)造侵蝕中山峽谷、溝谷地形,處于蓮峰斷裂、峨邊-金陽斷裂和馬邊-鹽津隱伏斷裂三條斷裂所圍限的雷波—永善三角形塊體之南、“雷波—永善菱形構(gòu)造盆地”中部,主要以單斜地層為主,斷層、褶皺均不發(fā)育[11-12]。研究區(qū)內(nèi)的基巖地層整體呈南東向,產(chǎn)狀100°～134°∠8°～18°。斜坡下部出露致密堅硬的(P2β)玄武巖,中上部則出露T1f、P2x砂巖夾頁巖碎屑巖地層。研究區(qū)屬低緯度亞熱帶季風(fēng)氣候,冬冷夏熱且干濕兩季分明。平均相對濕度達74%,多年統(tǒng)計平均降雨量為691.0 mm,雨季為5—10月,全年降水量的79%～88%,其中以6—8月最多,占全年降水量58%。同時研究區(qū)具有短時強降雨現(xiàn)象(據(jù)統(tǒng)計的歷年日降水量最大可達105.7 mm)。研究區(qū)的地震危險性主要來自雷波—永善三角形塊體東側(cè)的馬邊地震帶的波及影響,在歷史上曾發(fā)生過5次大于6級的強震,波及研究區(qū)的地震烈度為Ⅵ度左右。此外由于研究區(qū)緊鄰金沙江溪洛渡電站,在電站蓄水后可能會存在水庫誘發(fā)的多頻率、小震級、低烈度地震。

2 滑坡基本特征

整個古滑坡在平面上呈扇狀向南東向散開,兩側(cè)以大瀑溝與楊家店溝為界,前緣高程約516 m,后緣高程約950 m,滑坡主軸方向上長2 620 m,橫向長1 700 m,平面面積約4.21×106m2,滑體厚度15～40m、平均厚度約32 m,滑坡體積約1.35×108m3,屬深層特大型滑坡(圖1)。復(fù)活區(qū)H1滑塊分布于古滑坡H前緣,呈扇狀向南東向散開,向井底小河方向滑移,分布高程516～750 m,主軸方向上長1 294 m,橫向長1 072 m,平面面積約8.49×105m2,滑動方向109°～132°,平均值約120°,滑體厚度15～32 m、平均厚度約23.5 m,滑面埋深南北兩側(cè)較中部薄,滑坡體積約1.99×107m3。復(fù)活區(qū)H2滑坡位于H1滑坡后部,呈扇狀向南東向散開,向井底小河方向滑移,分布高程552～775 m,主軸方向上長250 m,橫向長1 044 m,平面面積約3.43×105m2,滑體厚度15～40 m,平均厚度約28 m,總體呈后深前薄,滑坡體積約1.03×107m3。

由于古滑坡形成時間早,劇烈滑動后滑坡體經(jīng)過多種變形改造,造就滑坡堆積體具復(fù)雜結(jié)構(gòu)特征。滑坡堆積體表層由塊石混粉質(zhì)黏土組成;上部為三疊系飛仙關(guān)組砂巖、粉砂巖夾泥巖地層,為較堅硬夾軟質(zhì)巖組合,具易軟化、泥化之典型紅層的工程地質(zhì)特性,部分地段缺失;中部為易軟化、泥化的宣威組泥巖、沉凝灰?guī)r等軟質(zhì)巖,部分地段缺失此地層;下部為堅硬完整和缺乏地形臨空條件的峨眉山組玄武巖(圖2)。

圖1 滑坡位置圖Fig.1 Location of landslide

圖2 工程地質(zhì)剖面圖Fig.2 Engineering geology section

3 變形特征

3.1 地表變形特征

目前滑坡區(qū)變形破壞跡象主要有裂縫、坍塌、陡坎。根據(jù)調(diào)查可知,H1滑坡與H2滑坡變形活動明顯分別開始于1979年與2014年4月。裂縫、坍塌、陡坎等變形跡象主要集中在H1滑坡,在其南側(cè)與前緣分布有7處淺表坍塌,平面均呈半月形,屬老滑坡堆積體充分解體后而形成的推移式坍塌,如圖3(a)所示。坍塌體最大體積約1.34×104m3,最小體積約0.9×103m3。

圖3 復(fù)活滑坡變形發(fā)育特征Fig.3 Deformation and development characteristics of Reviving landslide

在現(xiàn)狀坡體上發(fā)育規(guī)模較大的裂縫發(fā)育有71組,多集中在H1滑坡,常發(fā)育有拉張裂縫,走向多垂直于坡向,最大寬度達40 cm;剪切裂縫多平行或斜交于坡向,寬度為2～3 cm。選取H2滑坡裂縫L68與H1滑坡裂縫L32、L35與L64進行分析。其中拉張裂縫L68位于H2滑坡后緣[圖3(b)],走向約為NE5°,最大寬度為2 cm,延伸長度為46 m;L32與L35均為拉張裂縫[圖3(c)、圖3(d)],處于H1滑坡中部,走向分別約為NE46°、SE134°,最大寬度分別為35、10 cm,延伸長度分別約為165、70 m,對附近民房均造成不同程度的損壞;L64剪切裂縫則為H1滑坡的左邊界[圖3(e)], 走向約為SE96°,最大寬度20 cm,延伸長度約70 m,且局部沿低洼的斜坡段延展,表層覆蓋層主要為含碎石粉質(zhì)黏土。陡坎發(fā)育于H1滑坡的后緣位置[圖3(g)],坡面為階梯狀耕地,跡象不明顯,坎高7～18m,連續(xù)發(fā)育長1 170 m,陡坎部位出露塊石殘留體,塊石成分多為三疊系飛仙關(guān)組基巖崩滑積殘留體,應(yīng)為早期形成的臺坎。H1滑坡有兩個滑坡前緣剪出口,第一剪出口位于斜坡前緣第四系沖洪積出露頂界,與老滑坡剪出口一致,現(xiàn)狀變形跡象不明顯;第二剪出口位于S301省道東側(cè)10～65 m的斜坡地帶,分布高程548～630 m,其中在桃花里花園山莊一帶的建筑出現(xiàn)擠脹變形[圖3(f)]。

3.2 綜合變形監(jiān)測分析

自2014年8月—2015年6月對永善縣城東部滑坡進行GPS水平位移監(jiān)測,在H1滑坡區(qū)共布置了14個地面位移監(jiān)測點(編號JC5～JC9、JC11～JC19),在H2滑坡區(qū)布置了5個地面位移監(jiān)測點(編號JC1～JC4、JC10)。根據(jù)地面位移監(jiān)測結(jié)果(表1)可知:除JC14基本沒有位移,其余均出現(xiàn)了不同程度的位移,總體位移方向為順坡方向。H1滑坡的左側(cè)的變形較其他區(qū)域變形顯著強烈,其中JC12、JC13的水平位移速率分別為0.66、0.60 mm/d,累積水平位移量分別為194.1、176.7 mm;H1滑坡其他區(qū)域以中部JC9的0.43 mm/d最快,最小為右側(cè)JC15的0.20 mm/d,平均變形速率為0.30 mm/d,平均累計水平位移量為86.4 mm;H2滑塊平均變形速率為0.19 mm/d,平均累計水平位移量為56.2 mm;H2滑塊后部平均變形速率為0.12 mm/d,平均累計水平位移量為34.8 mm。從變形速率、位移量與位移方向三方面考慮,H1整體的位移量大于其他區(qū)域,變形速率以其他區(qū)域兩倍的速率滑移,可能會出現(xiàn)下部位移牽引上部位移的滑動。其中H1滑塊左側(cè)JC12、JC13區(qū)域的變形速率遠大于H1其他區(qū)域3倍多,可能會出現(xiàn)H1滑塊左側(cè)最先發(fā)生滑動。選用H1滑坡區(qū)域的JC07、JC12、JC13、JC15監(jiān)測點,結(jié)合大氣降雨規(guī)律,形成相鄰周期水平位移速率與降雨量關(guān)系綜合曲線圖(圖4),結(jié)果表明降雨量與相鄰周期水平位移速率關(guān)聯(lián)比較明顯:降雨量持續(xù)減少時(8—11月),相鄰周期水平位移速率也隨之變小;降雨量很少時(2014年11月—2015年3月),相鄰周期水平位移速率呈現(xiàn)出勻速狀態(tài);降雨量持續(xù)增大時(3—5月),相鄰周期水平位移速率也隨之變大。

地下位移監(jiān)測點均勻地布設(shè)在斜坡中部,共布設(shè)了5個監(jiān)測孔,其編號為:JX01～JX05。從2014年9月設(shè)置初值至2015年5月,得出深部位移監(jiān)測曲線(圖5)與(潛在)滑面水平位移時態(tài)(圖6)及位移速率—時間曲線(圖7)。

表1 地面位移監(jiān)測結(jié)果Table 1 Ground displacement monitoring results

圖4 相鄰周期水平位移速率與降雨量關(guān)系曲線Fig.4 Relationship curve between horizontal displacement rate and rainfall in adjacent periods

圖5 深部測斜位移曲線Fig.5 Displacement curve of deep inclinometer

圖6 孔口地表、滑面水平位移時態(tài)曲線Fig.6 Temporal curve of horizontal displacement of surface and sliding surface at the mouth

圖7 孔口地表、滑面水平位移速率-時間曲線Fig.7 Rate-time curve of horizontal displacement of surface and sliding surface at the mouth

JX01位于滑坡中后部,其測斜孔深度為20.0～21.0 m處發(fā)生了明顯的位移突變,孔口地表及滑面(20.5 m)累積位移分別為29.80、32.20 mm,有整體滑動的趨勢,平均位移速率為0.25 mm/d;JX02位于滑坡西南側(cè)前緣,其深部測斜位移曲線上升較陡且較平滑,各測點的水平位移累計值較小,監(jiān)測期間孔口累積水平位移為3.6 mm,目前沒有明顯的滑動面出現(xiàn),但有逐步增大的趨勢,表明滑坡該部位處于剪切蠕變階段;JX03位于滑坡中部,其測斜孔深度為21.5～22.5 m處發(fā)生了明顯的位移突變,孔口地表及滑面(21.5 m)累積位移分別為58.46、61.91 mm,平均位移速率為0.27 mm/d,有整體滑動的趨勢;JX04位于滑坡中部,其測斜孔深度為19.0～20.0 m處發(fā)生了明顯的位移突變,孔口地表及滑面(19.5 m)累積位移分別為41.18、35.33 mm,平均位移速率為0.60 mm/d,根據(jù)位移時態(tài)曲線,在62 d監(jiān)測時間內(nèi)加速變形趨勢明顯,變形速率持續(xù)增加,應(yīng)密切關(guān)注該區(qū)域;JX05位于滑坡東側(cè)緣中部,測斜孔深度為10.5～11.5 m處發(fā)生了明顯的位移突變,孔口地表及滑面(11.0 m)累積位移分別為24.78、28.93 mm,平均位移速率為0.53 mm/d,有變形持續(xù)發(fā)展趨勢。通過對各點監(jiān)測結(jié)果的分析,JX2鉆孔地下位移監(jiān)測孔變形不明顯,其余監(jiān)測孔剪斷位置與孔口的位移速率基本一致,位移歷時曲線和位移速率變化曲線反應(yīng)位移量隨時序持續(xù)增大,鉆孔地下位移的一致性明顯,綜合表明斜坡中部已經(jīng)發(fā)生滑動且有不斷加速變形的趨勢。

4 滑坡穩(wěn)定性

4.1 參數(shù)取值

目前對于滑帶土的抗剪強度參數(shù)的取值主要有室內(nèi)巖土試驗、工程類比與參數(shù)反演3種[13-16]。巖土試驗往往受取樣與試驗條件的限制,數(shù)據(jù)通常比較離散;工程類比則是受到各個滑坡的客觀條件的限制,具有一定的主觀性;本次研究結(jié)合室內(nèi)巖土試驗、工程類比法以及參數(shù)反演,綜合確定最后計算的巖土體參數(shù),如表2所示。

表2 巖土體參數(shù)穩(wěn)定性計算取值Table 2 Stability calculation value of rock mass parameters

4.2 工況條件

根據(jù)項目工程的地質(zhì)條件以及區(qū)域的降雨環(huán)境等條件后,設(shè)定了4種工況條件,工況Ⅰ:自重;工況Ⅱ:自重+地震;該地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7,地震水平加速度取0.15g(g為重力加速度);工況Ⅲ:考慮極端暴雨飽水情況;工況Ⅳ:極端暴雨飽水情況與地震聯(lián)合作用。依據(jù)《滑坡防治工程勘查規(guī)范》(GB/T 32864—2016)[17],劃分出4種滑坡穩(wěn)定狀態(tài),如表3所示。

表3 滑坡穩(wěn)定狀態(tài)劃分[17]Table 3 Classification of stable state of landslide[17]

4.3 穩(wěn)定性計算

在本次計算中,選用應(yīng)用較為成熟的極限平衡法,針對典型剖面的H1滑塊第一剪出口、H1滑塊第二剪出口與H2滑塊,選擇極限平衡法中可以適用于任意滑動面、且嚴格滿足靜力平衡條件的Morgenstern-Price法與Spencer法,對不同工況下的滑坡進行對比試驗分析[15],通過Geostudio軟件的SLOPE/W模塊里的摩爾—庫倫(Mohr-Coulomb)本構(gòu)模型加以實現(xiàn)[18-20]。穩(wěn)定性計算結(jié)果如表4和圖8所示。

圖8 穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析圖(部分)Fig.8 Numerical simulation analysis diagram of stability (part)

表4 滑坡穩(wěn)定性評價結(jié)果

由計算結(jié)果可知,利用M-P法與Spencer法計算的穩(wěn)定性結(jié)果接近一致,穩(wěn)定性評價基本一致。以M-P法為例,在自重工況下,3個區(qū)域的穩(wěn)定性均大于1.15,處于穩(wěn)定狀態(tài);在地震作用下,除H1滑坡第一剪出口穩(wěn)定性系數(shù)為1.147,處于基本穩(wěn)定狀態(tài)外,其余兩個區(qū)域均處于穩(wěn)定,其中H1滑坡第一剪出口相較于自重工況,穩(wěn)定性系數(shù)下降4.9%;暴雨作用對3個區(qū)域的穩(wěn)定性影響較大,H1滑坡第一剪出口穩(wěn)定性系數(shù)相對工況Ⅰ顯著下降15.2%,處于欠穩(wěn)定狀態(tài),與變形監(jiān)測資料判斷處于加速變形階段基本一致,H2滑坡與H1滑坡第二剪出口在暴雨作用下分別為穩(wěn)定狀態(tài)與基本穩(wěn)定狀態(tài),對比工況Ⅰ分別下降14.5%與11.9%;在暴雨與地震的耦合作用下,H1滑坡第一剪出口與H1第二剪出口穩(wěn)定性系數(shù)分別為0.973與1.019,處于不穩(wěn)定與欠穩(wěn)定狀態(tài),H2滑坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。基于以上分析,可以得知各滑塊的穩(wěn)定性狀態(tài)與變形監(jiān)測的結(jié)果趨于一致,且暴雨對滑坡的穩(wěn)定性影響最為明顯,地震的影響則次之。

據(jù)地面變形跡象、位移監(jiān)測成果及穩(wěn)定性計算成果分析得知:H1滑坡存在二個剪出口,目前擠脹變形最強烈地段是第二剪出口,當(dāng)從第二剪出口滑移破壞后,大量滑體覆蓋于下方滑體上,引發(fā)下方滑動并從第一剪出口剪出。H2滑坡現(xiàn)處于蠕動變形階段,隨著時間延續(xù),H1滑坡快速滑移時將牽引H2滑坡或者為其留下位移空間;另一方面在暴雨、地震等不利作用下,H2滑坡也將進入快速滑移階段,或與H1滑坡同時進入加速滑移破壞階段。臨近H2滑坡后緣的城鎮(zhèn)聚居區(qū),在H2滑坡進入快速滑移階段后,此地段將受H1滑坡牽引或者其前緣“臨空”,促使古滑坡復(fù)活,進入整體蠕動變形階段,對城鎮(zhèn)居民生命財產(chǎn)威脅巨大。

5 結(jié)論

對永善縣城東古滑坡的變形特征進行綜合分析,選取變形程度劇烈的區(qū)域進行穩(wěn)定性分析,并且選用兩種通用的方法進行多工況下滑坡穩(wěn)定性的分析與驗證,得出以下結(jié)論。

(1)永善縣城古滑坡在平面上呈“圈椅狀”,滑坡體平均厚度為32 m,滑坡體積為1.35×108m3,屬深層特大型順層滑坡。古滑坡上復(fù)活主要集中在H1滑坡的中前部,發(fā)育有多條拉張裂縫與多處坍塌,相比之下H2滑坡變形程度較弱,跡象不明顯。

(2)目前變形強烈的區(qū)域主要集中H1滑坡區(qū),最大水平位移速率與最大水平位移量分別為0.66 mm/d與194.1 mm,處于加速變形狀態(tài),有整體滑動的趨勢;H2滑坡區(qū)變形速率小,平均水平位移速率為0.19 mm/d,處于蠕滑變形階段;H2滑坡區(qū)上部為城鎮(zhèn)區(qū)域,處于穩(wěn)定階段。

(3)根據(jù)典型剖面的穩(wěn)定性分析,M-P法與Spencer法兩種極限平衡方法得到的評價結(jié)果基本一致,在暴雨與地震耦合作用下,H1滑坡整體處于欠穩(wěn)定-不穩(wěn)定狀態(tài),H2滑坡處于基本穩(wěn)定。這與宏觀變形跡象和地面位移及地下位移監(jiān)測資料判斷H1滑塊處于加速滑移變形階段,H2滑塊處于蠕動變形階段相符合。

(4)通過4種工況的對比分析與位移監(jiān)測的統(tǒng)計,發(fā)現(xiàn)不同區(qū)塊的變形程度差異較大,且暴雨對其穩(wěn)定性影響均遠大于地震。對于后期的防治,一是加強截排水措施;二是加強滑坡位移監(jiān)測;三是采用分級支擋原則分階段實施抗滑支擋工程,可以根據(jù)監(jiān)測成果對已實施抗滑支擋工程防治效果進行評價,對下一階段擬實施的抗滑支擋工程設(shè)計進行調(diào)整。

(5)根據(jù)變形趨勢分析,H1滑坡第二剪出口變形劇烈時會有大量滑坡體覆蓋下方滑體,使H1滑坡第一剪出口穩(wěn)定性較差,附近滑體滑動,從而將進入到破壞階段。若對H1滑坡不加以防治,當(dāng)H1整體滑動時會牽引H2滑坡發(fā)生加速滑動,促使古滑坡整體復(fù)活,對H2滑坡上部的城鎮(zhèn)聚居區(qū)造成嚴重的威脅。