重庆北碚区浸口滑坡形成机制和稳定性分析

葛 莎，刘之葵，高伊航，高幼龙

(1.桂林理工大学 土木与建筑工程学院，广西 桂林541004;2.广西岩土力学与工程重点实验室，广西 桂林541004;3.中国地质大学 工程技术学院，北京100083;4.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北 保定071000)

0 前 言

滑坡一般是指斜坡上的岩土体受到河流冲刷、地下水活动、雨水浸泡、地震及人工切坡等因素影响，沿某一软弱结构面或最大剪力带产生剪切破坏并向坡下发生显著水平位移的现象。影响滑坡规模和程度的因素较为复杂，地质构造、地形地貌、岩土体性质、水文地质条件以及人工活动等都将对滑坡的形成和发展有一定的影响作用［1-3］。随着滑坡岩土体强度不断变化，地质应力、边坡内部应力的调整和斜坡体上植被的生长，岩土体强度逐渐提高，滑坡会在自重作用下逐渐恢复其稳定性，最后趋于停止［4］。

20 世纪80 年代以来，随着我国经济的发展和自然因素的影响，滑坡地质灾害呈逐年加重的趋势［5］。降雨是诱发滑坡的重要因素之一，Rahardjo、Rahimi 等［6-7］分别根据5 d 前期降雨对边坡稳定性的影响进行了研究。Chang Kang-Tsung 等［8］研究了边坡滑坡发生的临界降雨量以及其对边坡的影响。重庆市北碚区浸口滑坡是降雨引起的大型滑坡，进行稳定性评价是治理滑坡的重要手段，李扬波等［9］以圆弧滑动面为对象，采用模式搜索法和不平衡推力法计算潜在滑动面的剩余下滑力，并得到最大滑坡推力的滑动面不一定是最危险滑动面。本文结合三峡库区地质条件和降雨条件，对浸口滑坡的形成条件、稳定性影响因素进行分析评价，分三种工况对滑坡安全系数和滑动面进行稳定性计算和论证，以了解由该滑坡引发的泥石流和崩塌的形成机制及其发展趋势。

1 滑坡基本地质特征

浸口滑坡位于重庆市北培区北温泉镇浅丘斜坡中下部，坡角10 ～30°，整体从上到下变陡。滑坡后缘地势较陡，滑坡右侧是一条冲沟，冲沟自上至下由浅变深，最深处达3 ～4 m;滑坡左侧是基岩陡壁，高20 ～30 m;前缘地势较平缓。浸口滑坡的地层特征列入表1。

表1 浸口滑坡地层特征Tab.1 Stratigraphic characteristics of Jinkou landslide

浸口滑坡(图1)在平面上呈长舌状，由北西向南东延伸，主滑方向为165 ～130°，滑坡长370 m，宽约50 ～130 m，面积约22.32×103m2，平均厚度约11.9 m，体积约26.7×104m3。其左侧以基岩陡壁为界，右侧上部崩坡积厚度大，现变形迹象不明显，则右上部边界推测在堆积体外侧，右侧下部以冲沟为界。滑坡后缘为一弧形状地形，后壁为基岩陡壁，后缘高程约452 m。前缘地带平缓，以阶梯状的农田为界，高程约360.2 m，前后缘高差约92 m。

滑坡区属亚热带湿润季风气候区。区内雨量充沛，多年平均降雨量为1 107.1 mm，大于1 000 mm的年份占70%，最大降雨量为1 544.8 mm，最低降雨量740.1 mm;降雨多集中分布在5 ～9 月，约占全年降雨量的70%，其中大雨、暴雨多发生在7 ～8 月。勘查区内现发育一条冲沟，切割深度3 ～4 m。同时由于斜坡上部的地表水影响，区内还有两条流经地表的水流，水流小，受季节影响大。

图1 浸口滑坡平面示意图Fig.1 Plan schematic diagram of Jinkou landslide

2 滑坡形成机制分析

由于三峡库区特殊的地质环境，滑坡稳定性的影响因素众多，滑坡的发生是内、外因共同作用的结果［10］。该滑坡体主要由粉质粘土夹砂泥岩碎块石组成，块石之间有架空现象(图2)，部分填充有粉质粘土。滑坡产生的内因是与地形斜坡倾向一致的软、硬相间的岩土组合;而人类的工程活动则是造成滑坡体失稳的直接外因;坡体失稳是滑动带土体抗滑力与下滑力长期作用的结果。而风化作用与水的作用也是影响滑坡稳定性的主要因素，经钻孔勘察揭示，坡体内地下水类型主要为第四系松散层孔隙水及基岩风化裂隙水，主要接受降雨补给，向地势低处径流，属季节性水。基岩风化裂隙水主要接受大气降雨及第四系松散层堆积孔隙水补给，向地势低处排泄。降雨和地下水等对滑坡失稳起到了重要的诱发作用，地下水和降雨长期渗透，雨水对滑坡体表面土体的冲刷以及渗流带走土中细小的颗粒，使土体结构疏松，导致土体软化，土体的抗剪强度降低，导致滑坡体不稳定［11-12］。地下水高于滑面任一高度将对滑坡体产生力学效应，将进一步扩大滑体裂隙联通面，从而产生蠕变，形成滑坡。

此外，植被对斜坡的防护作用也是极其重要的。植物根系对坡体表层和浅部起到稳固作用，使土壤抗剪强度增大;树根还能扎根于坚硬的岩土体中，在一定程度上控制岩石裂缝的扩展，锚固和支撑土体;植被还能拦截和吸收雨水、地下水等，保持土壤相对干燥，降低土体水压力，增强滑坡体稳定性［13］。

图2 架空现象Fig.2 Aerial phenomenon

3 滑坡稳定性分析

3.1 稳定性分析原理

边坡安全系数和滑体所对应的滑动面的确定是进行边坡稳定性评价的关键［14］。滑坡稳定分析方法分为定量分析方法和半定量分析方法［15］，本文采用定量分析方法对滑坡区稳定性进行分析。浸口滑坡形成近四十年来未发生变形，但随着时间的变化，在地下水、人类工程活动及其他外力作用下，滑坡可能产生滑动，潜在的滑动面是土岩交接面。对主剖面，采用传递系数法计算(见图3)，将滑坡体的坡面地形线与潜在滑动面简化为折线。计算取滑坡单位宽度为1.0 m。稳定性系数按式(1)计算。

图3 传递系数计算图Fig.3 Transfer coefficient calculation chart

式中:Fs为滑坡体稳定性系数，Ψi为传递系数;Ri为第i 计算条块滑体抗滑力(kN/m);Ti为第i 计算条块滑体下滑力(kN/m);Ni为第i 计算条块滑体在滑动面法线上的反力(kN/m);ci为第i 计算条块滑动面上岩土体的粘结强度标准值(kPa);φi为第i 计算条块滑带土的内摩擦角标准值(°);li为第i 计算条块滑动面长度(m);αi为第i 计算条块地下水流线平均倾角，一般情况下取浸润线倾角与滑面倾角平均值(°)，反倾时取负值;Wi为第i 计算条块自重与建筑等地面荷载之和(kN/m);θi为第i 计算条块底面倾角(°)，反倾时取负值;Viu为地下水位以上单位土体的体积;Vid为地下水位以下单位土体的体积;PWi为第i 计算条块单位宽度的渗透压力，作用方向倾角为αi(kN/m)，根据野外调查、钻孔抽水试验，土体渗透系数大于1×10-7m/s，i 为地下水渗透坡降，为地下水渗透的水力坡度，指渗透途径水头损失与渗透途径长度的比值，此处，在数值上，i=sinαi;γi为水的容重(kN/m3)，取10;γ 为岩土体的天然容重(kN/m3);γsat为岩土体的饱和容重(kN/m3)。

根据该滑坡的特征，对其3 个工况进行计算:

①工况1(现状工况):自重+地面荷载，安全系数1.15;

②工况2(暴雨工况):自重+地面荷载+暴雨(二十年一遇)，安全系数1.15;

③工况3(校核工况):自重+地面荷载+暴雨(二十年一遇)+地震，安全系数1.03。

3.2 计算参数的选取与确定

滑动面抗剪强度参数的准确性是计算滑坡稳定分析的关键。可通过室内试验、野外原位试验或根据已知资料反算来计算抗剪强度指标。室内试验选择的原状土或重塑土重复剪试验可根据滑坡的具体地质条件来确定。根据室内试验资料，结合其他类似工程参数，并参照现场大容重实验，滑体的天然重度γ=19.5 kN/m3，饱和重度γsat=20.0 kN/m3;抗剪强度指标:天然状态下c=24.86 kPa，φ=11.26°;饱和状态下c=16.13 kPa，φ=10.75°。

用反算法求取滑体的抗剪强度。反算法是在假定边坡处于极限平衡状态下，由边坡土体的内观或外观实测位移、应力与破坏特征，据极限平衡条件反分析，计算求得岩土体的力学参数和变形强度指标，这种滑坡反分析方法，由于滑动体被作为大型剪切试验来考虑，确保了分析模型的可靠性，计算出的综合抗剪强度指标较符合实际滑动情况。

通过调查边坡研究区的实际情况和对室内土工试验成果仔细研读，以最有可能发生滑动破坏的滑带土的抗剪强度指标作为研究对象，根据前期勘察得到的滑带强度参数，考虑饱和与天然状态两种情况，结合项目现场实际勘测的极限平衡边坡进行反演计算，系统确定边坡的岩土体抗剪强度指标。本文采用理正边坡计算分析软件进行分析计算。利用稳定系数1.05 进行的反算，综合考虑后，对滑带土的抗剪强度指标取值:天然状态下c=24 kPa，φ=13.6°;饱和状态下c=16.1 kPa，φ=8.5°。

反算法求解出滑带土的抗剪强度(c、φ 值)与室内实验方法取得的岩土参数相差不大，结合当地类似工程和经验，综合考虑最安全因素，确定滑坡抗剪强度为反算法求得的抗剪强度值。抗剪强度指标c、φ 值是计算滑坡稳定性中最有效、最关键的指标。目前，绝大多数滑坡稳定性计算都是采用室内指标或工程经验指标，但该滑坡采用现场大容重试验和反算法计算，能够最大限度的接近工程实际，具有较高的可靠性。

3.3 滑坡稳定性分析

从上述计算结果分析来看，该滑坡可能沿165°产生变形滑动，同时在碎石路下方可能发生次级剪出，所以以剖面8-8'为计算剖面，如图4。

图4 8－8'剖面示意图Fig.4 8－8'schematic cross-section

三种工况计算条分图(见图5)。暴雨情况下根据当地经验和水文气象资料显示结果综合得到二十年一遇的暴雨地下水位浸润线;坡体失稳是滑动带土体抗滑力与下滑力长期作用的结果，工况三在工况二的基础上，考虑滑坡推力计算在足够安全系数条件下(取最大值1.25)的稳定系数，充分的考虑了滑坡下滑力，使得地震荷载在足够安全范围内得到了充分的考虑。工况三滑块间推力计算公式如下:

式中:Fn、Fn-1分别为第n 块、第n-1 块滑体剩余下滑力;Ψ 为传递系数;γt为滑坡推力的安全系数;Gnt、Gnn分别为第n 块滑体自重沿滑动面、垂直滑动面分力;φ 为第n 块滑体沿画动面土粘聚力标准值;ln为第n 块滑体沿滑动面长度。

图5 三种工况计算条分图Fig.5 Slice calculation drawing of three conditions

根据以上反算结果的抗剪强度指标，以及不同工况下考虑地下水位浸润线的计算条分图，采用传递系数法计算滑坡各剖面各工况稳定性系数(Fs)结果见表2。而滑坡沿8-8'发生整体滑动的可能性较小，现状基本稳定，但在发生暴雨(二十年一遇)和地震的情况下可能发生滑动。而在碎石路下方的次级剪出口，现状欠稳定，在发生暴雨(二十年一遇)和地震的情况下不稳定。

表2 稳定性计算结果一览表Tab.2 Results schedule of stability calculation

4 滑坡发展趋势及危害性预测

通过稳定性计算可知，该滑坡现状基本稳定，在二十年一遇的暴雨条件下欠稳定，可能发生变形;在有地震发生的时候，该滑坡不稳定。因此，现阶段该滑坡还处于基本稳定状态，未发生变形迹象。随时间的变化，在地震、地下水、人类工程活动及其他外力作用下，滑坡的抗剪强度降低，可能发生滑动;且该滑坡中上部部分地段属于人类工程活动区，将来可能发生开挖、加载等工程活动，对滑坡的稳定性`不利，可能造成滑坡在开挖处滑动剪出，从而引起该滑坡整体滑动。另外，该滑坡地处缙云山东侧沟谷地带，汇水条件较好，地形坡度较陡、上覆土层结果松散、地表水和地下水丰富，在暴雨条件下局部还可能发生坡面泥石流，方量几十方到几万方不等。

该滑坡体内无房屋，仅在前缘处有农田，滑体中部有一条碎石路通过，若发生滑动，农田将受损，碎石路将变形破坏，后果较严重;但若将来在滑坡范围内进行人类工程活动，则滑坡将影响人员的生命财产安全，造成一定的损失。

5 浸口滑坡导致的其他致灾体及其趋势分析

5.1 泥石流

在滑坡后缘的西北侧有一处泥石流沟，正处于后缘陡崖处，于2005 年7 月前暴雨中发生崩塌滑动，形成了泥石流沟，沟长约70 ～100 m，宽20 ～30 m，厚度约1 ～3 m，平面上呈“S”弯曲状，前缘呈散状。沟内及侧壁出露须家河组(T3xj)的灰白、黄灰色的粉砂岩，沟内物质主要是砂岩碎块石夹粉质粘土，粒径2 ～20 cm，大的块石粒径可达7 ～8 m，碎块石间部分由粉质粘土冲填，部分碎块石有架空现象。在泥石流沟的后缘仍有大块石处于欠稳定状态，由倾倒的树枝支撑，随时有崩滑的可能。后壁的砂岩中可见裂隙发育，将岩体切割，也有掉块的现象。

因此，该泥石流沟现处于欠稳定状态，在暴雨等外力作用下仍可能发生崩塌、滑动，且已崩滑下来的大块石部分处于架空状态(见图2)，也有再次崩落的可能，危害坡下安全。

5.2 崩塌堆积体

在滑坡右边界的中后部有一处崩塌堆积体，该堆积体向西面延伸，崩积体主要物质成分是粉质粘土夹砂岩碎块石，碎块石粒径0.1 ～3 m 不等，局部大块石粒径达5 m;母岩主要是粉砂岩，部分已风化成砂土，该崩积体厚度约34 ～36 m 左右，厚度大，钻孔内未揭示到地下水。根据剖面9-9'显示(图6)，该处原始地形呈“凹”字形，崩积体沿9-9'方向整体滑动变形的可能性较小，但在堆积体内部可能发生滑动，并在平台下部剪出。现按圆弧滑动法进行计算，计算条分图如图7。计算参数取值在参考浸口滑坡参数取值的同时，结合经验取值如下:潜在滑动面的粘结强度取21.5 kPa;内摩擦角取12.1°;重度取19.5 kN/m3。

图6 9－9'剖面示意图Fig.6 9－9'schematic cross-section

图7 崩塌堆积体计算条分图Fig.7 Slice calculation drawing of the collapse accumulation

计算得出的稳定性系数是1.137，崩塌堆积体现状基本稳定，但在暴雨等外力作用下可能发生局部崩塌、掉块现象，同时也可演变成类似区内浸口滑坡一样的滑坡。若人类工程活动在该崩坡积体上加载，或开挖崩坡积体，则崩塌堆积体也可能发生失稳滑动。

滑坡灾害常常伴随着崩塌、泥石流等地质灾害的发生。根据最接近工程状况的抗剪强度指标c，φ是进行滑坡稳定性评价的关键，但按规范中很少能针对实际工程进行最符合工程概况的抗剪强度指标计算。本文根据反算法和大容重试验得出最接近实际工程条件的抗剪强度指标，具有较高的实际意义。根据规范中的三种工况对滑坡进行稳定性评价，得出最危险滑动面在三种工况下的安全系数分别为1.093、1.012、0.953，稳定状况分别为基本稳定、欠稳定、不稳定。滑坡及其伴随产生的泥石流和崩塌在考虑二十年一遇的暴雨和地震(工况三)可能会造成较大的经济损失。因此，合理的监测与必要的防护措施是预防该处地质灾害发生的重要手段。

6 结 论

对浸口滑坡，在深入分析其基本地质特征、变形特征以及形成机理的基础上，通过宏观变形特征揭示了滑坡变形破坏的本质及其发展趋势，通过以上分析，得出了以下结论:

①滑坡稳定分析的可靠性直接取决于滑动面抗剪强度参数的准确性。抗剪强度指标c，φ 值是计算滑坡稳定性中最有效、最关键的指标。目前，绝大多数滑坡稳定性计算都是采用室内指标或工程经验指标，但该滑坡采用现场大容重试验以及反算法，能够最大限度的接近工程实际，具有较高的可靠性。

②通过稳定性计算可知，该滑坡整体现状基本稳定，在二十年一遇的暴雨中欠稳定，可能发生变形;在有地震发生的时候，该滑坡不稳定。

③滑坡体上(碎石路下方)存在次级剪出口，位于碎石土中，现状欠稳定，在发生暴雨(二十年一遇)和地震的情况下不稳定。

④滑坡体地下水的改变使得滑坡土体与滑移带土体抗剪强度降低，滑移带土体软化，静水压力与水浮托力增大，致使滑坡体失稳。该滑坡具有推移式滑动的特征。

⑤降雨和人类工程活动是诱发滑坡的主要因素。其中降雨对滑坡的影响主要表现在两个方面:一方面当雨水入渗补给地下水时，使非饱和带土层的含水量增加，增加了该土层的湿容重，从而导致自重荷载增加;另一方面滑体及滑带在地表水入渗作用下，降低了滑带土的抗剪强度，从而导致滑坡的稳定性下降。另外，修筑道路等人类工程活动，改变了斜坡的原始形态，破坏了斜坡岩土体力学平衡状态，从而进一步促进了滑体的变形。

⑥滑坡区内还发现两处致灾体，泥石流和崩塌堆积体。泥石流现状欠稳定，崩坡堆积体现状基本稳定。在人类工程活动下泥石流和崩塌堆积体均处于欠稳定和不稳定。

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