桐柏縣毛集鎮(zhèn)滑坡穩(wěn)定性分析

■柴玉榮 余建民

（華北水利水電大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州 450046）

滑坡是斜坡巖土體沿著貫通的剪切破壞面所發(fā)生的滑移地質(zhì)現(xiàn)象。 作為一種常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害，滑坡的發(fā)生往往會(huì)對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)、社會(huì)生產(chǎn)造巨大損害，甚至出現(xiàn)毀滅性的災(zāi)難[1-2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2022 年全國(guó)共發(fā)生滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害5 659起，以中小型為主，主要集中在中南、華南、西南等地；2021 年，全國(guó)共發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害4 772 起，其中滑坡災(zāi)害2 335 起，占總數(shù)的48.93%；2020 年全國(guó)共發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害7 840 起，其中滑坡4 810 起，占總數(shù)的61.3%。可見(jiàn)，滑坡在全國(guó)中小型地質(zhì)災(zāi)害中占比相對(duì)較高，滑坡帶來(lái)的危害和損失都是巨大的，為避免潛在滑坡給社會(huì)和人民帶來(lái)傷害，對(duì)滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析研究十分必要。 隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)值模擬逐漸成了邊坡穩(wěn)定性分析的主要方法之一，常用的有：有限單元法[3]、離散單元法[4]、不連續(xù)介質(zhì)力學(xué)問(wèn)題界面元法[5]、快速拉格朗日分析法FLAC3D[6]和Midas/GTS[7]等。 其中，Midas/GTS 作為一種巖土有限元分析軟件，其具有強(qiáng)大的分析計(jì)算能力，廣泛適用于巖土工程、樁基工程、地下工程、水利工程等領(lǐng)域。 這類方法不但能考慮邊坡巖土體本身的變形對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，而且能給出邊坡巖土體中應(yīng)力應(yīng)變分布，分析邊坡破壞的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程等，具有傳統(tǒng)的極限平衡法所不可比擬的優(yōu)勢(shì)[8]。 基于此，結(jié)合現(xiàn)有滑坡災(zāi)害防治現(xiàn)狀，以南陽(yáng)市桐柏縣毛集鎮(zhèn)老滑坡為工程背景，利用Midas/GTS有限元數(shù)值模擬軟件進(jìn)行滑坡模擬以及穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算，參考GB/T 32864-2016《滑坡防治工程勘查規(guī)范》[9]，對(duì)滑坡的穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 工程地質(zhì)背景

該滑坡位于桐柏縣東北部毛集鎮(zhèn)政府所在地湖山村南東組中修廠西坡上，坐標(biāo)經(jīng)度：113°40′19″，緯度：32°31′12.4″，勘查區(qū)所在位置如圖1 所示。

圖1 勘查區(qū)所在位置

2018 年6 月，由于連續(xù)暴雨天氣，勘查區(qū)所在位置發(fā)生過(guò)滑坡，滑坡方量約3 000 m3，砸壞居民房屋5 間， 直接經(jīng)濟(jì)損失15 萬(wàn)元。 在隨后的幾年里，斜坡上相繼又產(chǎn)生多處裂縫，且裂縫下錯(cuò)與位移量較大，導(dǎo)致山體破壞嚴(yán)重，構(gòu)成潛在滑坡。 滑坡所處的斜坡屬于自然形成的巖土質(zhì)復(fù)合型斜坡。 該潛在滑坡危害相當(dāng)大，直接威脅湖山村南東組中修廠居民120 戶，人口536 人；滑坡還威脅房屋近300 間、街道3 條及公路；潛在經(jīng)濟(jì)損失約3 000 萬(wàn)元。

2 工程地質(zhì)條件

斜坡坡頂高程205 m，坡腳132 m，斜坡整體走向近南北向，坡向約126°，斜坡寬度約400 m，相對(duì)高差70 m。 斜坡上部主要呈三級(jí)臺(tái)階型，每級(jí)臺(tái)階高約3～5 m，平臺(tái)寬約3 m，平臺(tái)陡坎坡度約70°。靠近坡頂臺(tái)階側(cè)面為滑坡形成的滑坡面， 呈弧形，裸露面較新鮮，裸露面高約2～7 m。 坡體頂部基巖出露，節(jié)理裂隙發(fā)育，斜坡中部殘坡積物厚度約5 m，斜坡前緣陡坎高度4～19 m 不等， 坡度約80°～85°。局部修筑有簡(jiǎn)易擋墻，大多已年久失修。 斜坡平均坡度約30°，其中中上部地形稍陡，約35°；中下部則較緩，平均約25°；局部約30°。選取典型滑面作為分析對(duì)象，如圖2 所示。

圖2 研究區(qū)典型滑面剖面圖

研究區(qū)地貌為剝蝕丘陵區(qū)，海拔高度在200～500 m，相對(duì)高差小于200 m，組成巖性為片麻巖、片巖、變粒巖及花崗巖，主要特征如下：丘陵多呈鏝頭狀，山坡較緩，坡度15～25°，溝谷發(fā)育，谷寬溝淺，多呈“U”形，多水庫(kù)、堰塘，植被較發(fā)育，低洼處沉積碎石及粉土、粉質(zhì)黏土。 出露地層主要有太古宙黑云斜長(zhǎng)片麻巖及第四系中更新統(tǒng)殘坡積層（Qhal-pl）粉質(zhì)黏土含碎石、砂礫卵石等，基巖為新鮮片麻巖。 斜坡結(jié)構(gòu)中坡頂部有基巖出露，上部為殘坡積物、全風(fēng)化層，下部基巖為中風(fēng)化至新鮮片麻巖。

研究區(qū)內(nèi)基巖裂隙水賦存于變質(zhì)巖、侵入巖淺部裂隙帶內(nèi)，淺層地下水靠大氣降水的滲入補(bǔ)給，水位受大氣降水及地貌條件控制，地下水的分水嶺與地表水的分水嶺一致，淺層地下水位均高于附近河水位，地下水向河流排泄。 其補(bǔ)給量受地貌條件制約，在丘陵區(qū)地形坡度不大，山凹地和谷坡兩側(cè)有殘坡積物覆蓋，有利于大氣降水的滲入補(bǔ)給。 在低山區(qū)由于山體陡峻，坡度較大或裂隙發(fā)育程度不高，滲入補(bǔ)給條件較差。

3 基于Midas/GTS 的滑坡穩(wěn)定性計(jì)算及分析

3.1 計(jì)算方法及穩(wěn)定狀態(tài)劃分

采用GB/T 32864-2016 《滑坡防治工程勘查規(guī)范》中推薦的不平衡推力傳遞法計(jì)算滑坡的穩(wěn)定性。并參考該標(biāo)準(zhǔn)， 將滑坡的穩(wěn)定狀態(tài)劃分為4 級(jí)，如表1 所示。

表1 滑坡穩(wěn)定狀態(tài)劃分

3.2 工況計(jì)算條件劃分

按3 種工況計(jì)算：（1）天然狀態(tài)；（2）自重＋暴雨，指坡體由于暴雨處于完全飽水狀態(tài)下；（3）自重＋地震，指坡體在自然工況下發(fā)生地震，且地震烈度在Ⅵ度以上的情況，設(shè)計(jì)計(jì)算加速度值為0.1 g。

3.3 滑坡土體強(qiáng)度計(jì)算參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察報(bào)告、試驗(yàn)數(shù)據(jù)及施工經(jīng)驗(yàn)選取所需巖土體基本物理力學(xué)參數(shù)如表2 所示。

表2 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

3.4 數(shù)值計(jì)算模型建立

對(duì)研究區(qū)剖面圖進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，先在autoCAD里面對(duì)滑坡剖面圖進(jìn)行簡(jiǎn)化處理， 得到模型框架圖，再導(dǎo)入Midas/GTS 中，選取尺度劃分較小的網(wǎng)格，得到數(shù)值計(jì)算模型（圖3）。 如圖3 所示，模型邊界條件為模型左右邊界均固定x 方向，底部固定y方向位移，模型初始應(yīng)力為自重。

圖3 初始數(shù)值計(jì)算模型

3.5 滑坡穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)

基于Midas/ GTS 有限元數(shù)值模擬軟件，對(duì)滑坡采用邊坡穩(wěn)定SRM 進(jìn)行模擬。

3.5.1 天然狀態(tài)

采用天然狀態(tài)下巖土體物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行模擬， 天然狀態(tài)下滑坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果如圖4 所示。由模擬得出的穩(wěn)定性系數(shù)為1.00，坡體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。 滑體位移量較大的地方主要出現(xiàn)在沿軟弱帶的滑坡中上部陡坎處及滑坡前緣陡坡處，最大位移量約為0.532 mm，滑面主要為坡積物與全風(fēng)化片麻巖接觸面，滑體主要組成成分為上層坡積物。 最大剪應(yīng)變量為0.002，最大剪應(yīng)變主要位于坡體前緣陡坡坡腳的軟弱帶處。

圖4 天然狀態(tài)下滑坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

3.5.2 自重＋暴雨?duì)顟B(tài)

對(duì)暴雨情況下滑坡進(jìn)行模擬，此時(shí)坡體由于暴雨處于完全飽水狀態(tài)，暴雨?duì)顟B(tài)件下滑坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果如圖5 所示。 由模擬得出的穩(wěn)定性系數(shù)為0.909，坡體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。 滑體位移量較大的地方主要出現(xiàn)在坡體上部，最大位移量約有443 mm，坡體形成2 個(gè)滑面，兩滑面不形成連續(xù)貫通，滑體主要組成成分為坡積物與全風(fēng)化片麻巖。 最大剪應(yīng)變量為0.712， 最大剪應(yīng)變位于坡體頂部4 個(gè)地層交界處，主要部分位于全風(fēng)化片麻巖地層。

圖5 暴雨?duì)顟B(tài)下滑坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

3.5.3 自重＋地震狀態(tài)

對(duì)地震情況下滑坡進(jìn)行模擬，通過(guò)添加慣性力模擬地震工況，且地震烈度在Ⅵ度以上，取地震動(dòng)峰值加速度為0.1 g。 模擬總位移圖如圖6 所示。 由模擬得出的穩(wěn)定性系數(shù)為0.530， 坡體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。 滑體位移量較大的地方主要出現(xiàn)在整個(gè)坡體上部， 并包括部分坡積物與全風(fēng)化片麻巖地層，最大位移量約有350 mm， 滑體主要組成成分為坡積物與全風(fēng)化片麻巖。 最大剪應(yīng)變量為0.485，位于坡體頂部全風(fēng)化片麻巖地層。

圖6 地震狀態(tài)件下滑坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論和建議

4.1 結(jié)論

通過(guò)Midas/GTS 軟件模擬所得的各個(gè)工況的滑坡?tīng)顟B(tài)如表3 所示。

表3 軟件模擬各個(gè)工況下的滑坡?tīng)顟B(tài)

由此可以看出，毛集鎮(zhèn)湖山村滑坡處于欠穩(wěn)定至不穩(wěn)定狀態(tài)，具體來(lái)看：（1）天然狀態(tài)下，滑坡潛在破壞形式為滑坡局部剪切滑移，且滑移面集中于坡體前緣陡坡坡腳處，在此工況下，滑坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，并且接近極限平衡狀態(tài)，有必要采取相應(yīng)的防護(hù)措施；（2）暴雨?duì)顟B(tài)下，由于斜坡最大剪應(yīng)變量增大，滑坡穩(wěn)定性相較于天然狀態(tài)有所下降，毛集鎮(zhèn)滑坡滑移面集中在全風(fēng)化片麻巖土層的上部，在此工況下，滑坡呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)；（3）地震狀況下，Ⅵ度以上的地震烈度會(huì)加劇滑坡體整體的不穩(wěn)定性，最大剪應(yīng)變量較天然狀態(tài)增大較多，滑移面出現(xiàn)在整個(gè)坡積物和全風(fēng)化片麻巖層上部，滑坡整體呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)；（4）隨著降雨、地震和人類工程活動(dòng)的影響，滑坡失穩(wěn)主要威脅當(dāng)?shù)鼐用裆柏?cái)產(chǎn)安全，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度強(qiáng)，危險(xiǎn)性大。

4.2 建議

（1）對(duì)滑坡后緣、側(cè)翼及坡體中部裂縫，使用阻水材料夯實(shí)回填，并采取有效的防水措施；減少人類活動(dòng)對(duì)滑坡的影響，特別是對(duì)坡體上改造、開(kāi)挖及對(duì)滑坡坡腳角處擋土墻跟的開(kāi)挖。 （2）加強(qiáng)監(jiān)測(cè)預(yù)警預(yù)報(bào)、群測(cè)群防工作，及時(shí)上報(bào)，隨時(shí)為毛集鎮(zhèn)湖山村南東組中修廠后滑坡做好預(yù)警工作；采取有效的治理方案，及時(shí)進(jìn)行工程治理，防止滑坡繼續(xù)滑移，以免出現(xiàn)重大事故。 （3）建立與該滑坡相關(guān)聯(lián)的地質(zhì)災(zāi)害防災(zāi)體系，出現(xiàn)險(xiǎn)情啟動(dòng)預(yù)案，及時(shí)疏散，并向上級(jí)部門(mén)報(bào)告。