利用分段反演参数计算滑坡推力在滑坡勘查中的应用

王平波

(山西省地质环境监测中心,太原 030024)

山西省地处黄土高原区,地形高差大,山高坡陡,沟壑纵横,自然地质环境条件较差,山丘区土岩接触沉积的斜坡地形广泛分布,由于经济发展的需求,人类工程活动强烈,修路切坡、削坡建房等造成边坡失稳,引发滑坡地质灾害时有发生,由此带来了一定的经济损失及人员伤亡,严重影响了当地居民的正常生活,因此,开展对土岩接触面滑坡的认识和研究,进行滑坡勘查与治理,对于有效地防治滑坡地质灾害是十分必要的。本文以山西省乡宁县文昌源小区滑坡为例,利用分段反演参数计算滑坡推力,特别是在室内及原位测试难于准确掌握滑动面力学参数的情况下,不失为一种有效的方法。

1 滑坡区地质环境条件

文昌源小区滑坡位于山西省乡宁县城北部,该滑坡最早发生于1947年,当时乡宁县连降四十多天连阴雨,导致山体滑坡。文昌源小区是一处现代化别墅小区,整个小区大部分建于滑坡体上,共建有40户二层别墅式小楼,小区建设初期已经显现滑坡滑动迹象,每到雨季地面裂缝不断扩展,部分房屋建筑出现裂纹,给小区居民带来严重的安全隐患[1]。

滑坡区为黄土覆盖的碎屑岩低中山区,地形北高南低,滑坡东西两侧发育二条冲沟,平时干涸无水,仅在降雨过程有短时汇流。滑坡后缘地面标高1 020 m ～1 026 m,前缘地面标高995 m ～1 004 m,滑坡体原始地形为坡度约35°的斜坡,因滑坡活动、农业耕种及后期文昌源小区在开发过程中对地表进行改造,滑坡体目前为阶梯状地形,小区开发同时还将滑坡体西侧冲沟填埋,并在冲沟上游修建了小型淤地坝。

滑坡区为单斜构造,地层倾向NW52°与坡向反向斜交,倾角5°～8°。滑坡体主要由Q2粉质粘土、粘土组成,下伏滑床地层为二叠系上石盒子组P2s泥岩和砂岩,局部为Q2砾石层。滑坡所在的乡宁县境内多年平均降水量570 mm,最大年降水量828.9 mm,6月到9月降水量占全年降水量的65%以上。滑坡复活后,滑坡体地表产生大量裂缝,为降水入渗提供了有利的补给通道。滑坡体东侧冲沟因深切至滑动面以下,雨期汇水对滑坡无影响;西侧冲沟规模小、切割深度较浅,滑坡体西侧沟谷汇水面积虽然不大,由于沟谷内建有小型淤地坝,淤地坝位于滑坡体后缘外的西北侧,沟谷汇水全部汇集到淤地坝内,淤地坝没有采取任何防渗措施,沟谷汇水在坝体内入渗并通过地下径流补给滑坡体,因此,滑坡体地下水的补给主要来自西侧冲沟降水入渗,沿滑动面形成水平径流[2]。

2 滑坡特征

2.1 滑坡要素

1)滑坡形态。滑坡平面形态近似呈平行四边形,宽约170 m,纵长约100 m,面积16 500 m2,乡宁县文昌源小区滑坡平面图见图1。

2)坡周界。东、西两侧冲沟及滑坡后壁构成滑坡的周界。

3)滑坡裂缝。地表发现滑坡体主要裂缝12条,裂缝宽度5 mm ～600 mm,最大可见深度1 200 mm,总体呈北东东向延伸,长度10 m ～118 m,裂缝落差10 mm ～850 mm。滑坡裂缝主要集中于滑坡体的西南部,均为拉张型裂缝,见图2。

4)滑动面。在滑坡前缘剪出口一带可以看到Q2红色粘土与P2s灰黄色泥岩的接触面,接触面附近的红色粘土和泥岩均呈湿润、泥化、具滑感状,并有线状泪泉涌出,接触面以上土体因滑动引发了土体的崩塌现象,而接触面以下为稳定岩体。另据ZK8钻孔揭露,Q2红色粘土与P2s灰黄色泥岩的接触面有明显的滑动擦痕,见图3所示。

5)滑床。滑床与滑动面相互依附,经钻探揭露,发现西南部滑动面为Q2红色粘土与P2s灰黄色泥岩的接触面,而东北部滑动面为Q2红色粘土与卵石层或P2s砂岩的接触面(图1中A区滑床为泥岩,B区滑床为砂岩、卵石),滑坡床的轴线空间展布总体倾向东南。滑床岩性的差异造成了文昌源小区滑坡滑动的不均一性,表现出西南部滑动较强、东北部相对稳定。

图1 乡宁县文昌源小区滑坡平面图Fig.1 Planar graph of landslide in Wenchangyuan community, Xiangning County

2.2 滑坡类型

从文昌源小区滑坡的稳定性、动力形式、运动速度、滑动面与结构面的关系、滑坡厚度及规模、主滑面的成因、滑体的物质成分等方面,对该滑坡进行如下分类:

1)不稳定滑坡。该滑坡最早发生时间在1947年,近年来,由于人类建设工程活动,特别是建筑切坡以及文昌源小区建设填埋了西侧冲沟导致地下水补给滑坡体,造成滑坡重新复活。

2)牵引式、蠕动性、单层滑坡。从滑坡体裂缝分布来看,裂缝主要分布于滑坡体前缘或近前缘,裂缝形成的次序由前向后发展,裂缝的宽度由前向后变窄,滑坡发展随降水的大小、历时长短变化,具有间歇性的特点,即雨期滑动(有滞后性)、非雨期停止滑动,滑动速度缓慢,该滑坡属牵引式、蠕动性滑坡。

3)中型滑坡。经钻探揭露,滑坡体厚度介于8 m～22 m,对所有钻孔资料进行分析对比,滑坡体平均厚度约15 m,滑坡体体积约为24.75×104m3,属中层、中型滑坡。

4)土体滑坡。根据滑动面上、下岩性来划分,滑体的组成为土体,滑动面为土岩接触面,滑体的物质成分属土体滑坡。

3 反演参数及滑坡推力分析

3.1 计算模型的确定

计算模型的选择包括两部分,一个是滑坡体的物理模型,另一个是基于反演参数进行滑坡推力计算的数学模型,其中物理模型是基础,物理模型决定数学模型的取向。根据钻孔资料,利用地质剖面图(见图4),建立滑坡体概化物理模型图(见图5)。

3.2 反演参数及滑坡推力计算分析

从图5可以看出,滑坡体滑动面为三段折线,因此数学模型采用条块推力传递法(剩余推力法)[3-4]。

滑坡体的重度依据滑体试验测试结果取21.0 kN/m3,考虑到滑坡体建有40户2层别墅,计算时沿剖面每延米加1 kN荷载。

从文昌源小区滑坡勘查试验测试结果看,由于滑带岩土抗剪强度试验值变化较大,样品试验数据较少,不能满足计算要求,因此,根据以往经验[5],文昌源小区滑坡滑动面力学参数利用主滑方向2-2′地质剖面,建立滑坡体概化物理模型,根据规范利用计算公式(1) 、(2) 进行滑带参数反演,有关滑坡体相关情况如表1所示。

(1)

(2)

式(1)(2)中:C为滑带内聚力,kPa;F为稳定系数;Wi为滑体第i块段的重度,kN/m;ai为滑体第i块段的滑动面倾角,°;φ为滑带内摩擦角,°;L为滑体长度,m。

表1 滑坡体2-2′剖面有关参数Table 1 Relative parameters of 2-2′ profile in landslide mass

考虑到勘查期间滑坡处于整体变形-滑动状态,依据《滑坡防治工程勘查规范》12.3.3条,本次稳定系数取F=0.98,在不考虑2-2′地质剖面孔隙水压力及渗透压力条件下(勘查期间未见稳定地下水位,安全系数取值适当考虑了地下水影响),按Ⅱ级防治工程工况Ⅱ通过给定C值计算φ值得出的滑坡推力计算结果如表2所示,给定φ值计算C值得出的滑坡推力计算结果如表3所示,计算公式如下：

滑坡推力Pi=Pi-1×ψ+Ks×Ti-Ri.

(3)

下滑力Ti=Wisinai.

(4)

抗滑力Ri=Wicosaitanφi+CiLi.

(5)

传递系数φ=cos(ai-1-ai)-sin(ai-1-

ai)tanφi.

(6)

式(3)(4)(5)(6)中:Pi、Pi -1为第i、i-1块段的滑坡推力,kN/m;Ks为安全系数,Ks=1.21;Ti为第i块段的下滑力,kN/m;Ri为第i块段的抗滑力,kN/m;Wi为第i块段的重度,kN/m;Ci为第i块段滑带内聚力,kPa;φi为第i块段滑带内摩擦角,°;Li为第i块段滑带滑体长度,m;ai、ai -1为滑体第i、i-1块段的滑动面倾角,°。

表2、表3中P1、P1+2、P1+2+3分别为安全系数Ks=1.21时块段1、1+2、1+2+3的滑坡推力,P1′、P2′、P3′分别为不考虑安全系数时块段1、2、3的滑坡推力(Pi′=Wisinai-Wicosaitanφi-CiLi)。

表2 给定C值计算φ值的滑坡推力计算结果Table 2 Landslide thrust calculation result of φ value based on C value

表3 给定φ值计算C值的滑坡推力计算结果Table 3 Landslide thrust calculation result of C value based on φvalue

从表2、表3计算结果可以看出,当给定C值3 kPa～13 kPa滑坡推力介于1 295 kN/m～1 669 kN/m之间,平均值为1 482 kN/m,最大、最小结果相差374 kN/m。当给定φ值3°～10°滑坡推力介于1 379 kN/m～1 305 kN/m之间,平均值为1 342 kN/m,最大、最小结果相差74 kN/m。当给定φ值≥11.0°时,C值为负值,说明不同块段的C、φ按统一取值时,只能是φ<11.0°。上述计算结果反映出最重要的一点是:无论是给定C值反演φ值还是给定φ值反演C值,在不考虑安全系数的情况下,第3块段P3′的计算结果均为负值,亦即按《滑坡防治工程勘查规范》中提供的滑带参数反演公式将不同块段的C、φ按统一取值,得出的结果为该滑坡是一个推移式滑坡,这显然不符合实际情况,因为该滑坡为牵引式滑坡。

为了合理反映滑坡的运动动力状态,本次利用2-2′地质剖面,分别对三个块段进行反演参数,由于滑坡现状已经处于蠕滑状态,且为牵引式滑动,因此计算时1、2、3三个块段的稳定系数分别取0.99、0.98、0.97。经反复试算分析,最终给定1、2、3三个块段的φ值分别为22.5°、12.3°、3.4°,根据公式(1)反演C值结果分别为6.6 kPa、6.5 kPa、5.2 kPa。为了与表2、表3计算结果比较分析,分别计算了P和P′二种情况下的滑坡推力,计算结果如表4所示。

表4 分段参数反演及滑坡推力计算结果Table 4 Segmental inversion parameters and landslide thrust calculation results

由表4计算结果看,与表2、表3的两种情况总滑坡推力计算结果基本一致,但分段、分块计算结果完全不同,表4中的第3块段计算结果没有出现负值,说明采用分块段进行反演参数对于描述滑坡运动状态更为合理。

4 利用分段反演参数计算滑坡推力的应用

文昌源小区滑坡勘查中利用分段反演参数进行了滑坡推力的计算,为后期的滑坡治理设计及工程布置提供了重要的依据。正确分析滑坡形成机理、准确判断致滑因子,结合分段滑坡推力计算结果,采取有针对性的综合治理措施,可以达到有效的治理目的。文昌源小区滑坡治理工程于2007年完工,经过十一年的治理效果检验,滑坡稳定、小区安全无恙,说明利用分段反演参数计算滑坡推力的可行性,为今后滑坡勘查计算滑坡推力提供了一种新的思路。

5 结论

本文通过对山西省乡宁县文昌源小区滑坡的分析,在滑坡勘查中采用分段反演参数计算滑坡推力,并应用于后期的滑坡设计与治理,获得较好的效果并取得了以下几点认识:

1)山西省地处黄土高原,山丘区土岩接触沉积的地质结构遍布全省各地,加上人类工程活动强烈,修路、建房切坡造成边坡失稳,从而诱发土岩接触面滑坡,关注对该类滑坡的认识和研究,特别是在室内及原位测试难于掌握滑动面力学参数的情况下,利用分段反演参数计算滑坡推力为滑坡勘查工作中计算滑坡推力提供了一种新的思路。

2)文昌源小区滑坡体概化物理模型为折线型滑坡,数学模型符合条块推力传递法(剩余推力法),按《滑坡防治工程勘查规范》《滑坡防治工程设计与施工技术规范》提供的滑坡推力计算公式与分块段反演参数计算结果基本接近,但采用分块段进行反演参数对于描述滑坡运动动力状态的描述更为真实。

3)通过采取分段反演参数计算滑坡推力,能够真实反映滑坡的运动动力状态(下滑段还是阻滑段),对于后期的滑坡治理设计[6],特别是支档工程布置具有重要的指导意义。