甘肃陇南某滑坡稳定性分析及工程治理效果探讨

李国营

(甘肃省地矿局第二地质勘查院，甘肃 兰州 730020)

地震和降雨是引发山体滑坡的主要因素[1-5]。近年来，由于2008年汶川地震的影响，甘肃陇南地区由于地震及强降雨引发的山体滑坡灾害呈逐年递增趋势[4]。西部地区多为黄土广泛分布地区，沉积厚度较厚，遇水后黄土强度显著降低。因此黄土滑坡灾害作为最典型的地质灾害成为众多研究人员研究的热点问题[6-10]。

本文针对甘肃陇南地区两当县显龙清真寺滑坡为研究对象，在滑坡工程地质调查及勘察成果基础上，对滑坡稳定性进行计算分析，并提出相应防治措施。

1 自然地理概况

显龙清真寺滑坡位于甘肃省两当县，隶属甘肃省陇南市，甘肃省东南部，地处陕甘川交界的秦岭山区，属长江上游嘉陵江水系。北靠天水，西邻徽县，东南二面与陕西宝鸡、汉中相连。显龙清真寺滑坡为一新老滑坡复合体，2008年以前处于较稳定状态，后因“5.12”汶川地震、“5.10”强降雨及“7.22”岷漳地震影响，坡体开始出现变形，经调查，滑体前缘中部地带出现鼓肚现象、通往清真寺小路发生位移、坡体上下自来水管道弯折自爆。工作区位于两当县显龙乡境内，显龙乡距两当县城区约18 km。

项目区位于梁坡部位，整个滑坡区地形相对较为平缓，坡面呈不规则的台阶状，坡度为12°～27°，后壁和边界相对较陡。滑坡后壁上部陡直，向下呈“圈椅状”，形迹十分清晰，坡度为40°～75°。滑体后缘地带坡面为耕植区，地形平缓，宽约50～60m，微向西南倾斜，局部发育小陡坎。滑坡前缘坡度20°～25°，局部较陡。勘查区内因人类工程活动形成的边坡较多，小型崩塌、滑坡较发育。项目区出露的岩层主要为三迭系薄层状灰岩及新近系棕红色泥岩、砂砾岩互层，土层主要为第四系中更新统离石黄土、上更新统马兰黄土、坡积物黄土状粉土及滑坡堆积物。

两当县属陇南北部暖温带湿润气候区，总的气候特征是冬季寒冷干燥，降雨量少，夏、秋季温和多雨。区内年平均气温11.4℃，多年平均降雨量在632.5 mm。降雨年内分布不均，降雨多集中于7、8、9三个月，其降雨量约占全年降雨量的50%以上。区内降雨多以暴雨、连阴雨的方式出现，1 d最大降雨量122.3 mm，1 h最大降雨量79.9 mm，10 min最大降雨量21.0 mm。两当县冻土深度45 cm。受地形、植被等因素的影响，各地降雨量分布很不均匀，南北山区气候阴湿，年降雨量在800 mm左右，中部丘陵河谷区气候湿润，勘查区一带降雨量在700 mm左右，两当县多年平均降雨量如图1所示。

图1 两当县多年平均降雨量分布图

2 地质灾害特征

显龙清真寺滑坡属基岩-堆积层滑坡，滑坡体形态呈“舌”状，东(右侧)以新建清真寺为界，西(左侧)至梁垭村乡村小路为界，滑坡前缘位于山体坡脚，后缘以分水梁为界。滑坡后缘高程1 169 m，前缘高程1 103 m，相对高差66m。滑坡体纵向轴长152 m，前缘宽70 m，后缘宽60 m，总面积约9 880 m2，主滑方向30°，根据圈定的滑坡范围和钻探揭露滑体厚度计算确定，滑坡体厚4.5～12.2 m，平均厚10.4 m，滑坡总体积约10.03×104m3，规模为中型滑坡。滑坡后壁呈现清晰的“圈椅状”地形，后壁与滑体相对高差约10～14 m，坡度40°～75°，坡脚处为崩塌松散堆积体。两侧壁平均高出滑体3～12 m，滑体与周围呈明显的“凹状”地形。前缘坡脚为人工开挖形成高2～4 m的边坡，村民紧临坡脚建房。由于村民在滑体上开垦耕种，坡面现存4处人工台地(见图2)。

2.1 滑坡物质组成

通过对滑坡布置一条纵向主剖面中所布置的钻孔、探井及浅层地震揭露和探测以及土体特征可知，组成滑坡深层滑体物质为粉质粘土及粘土夹碎石，浅层滑体物质为粉土。深层滑体由粉质粘土及粘土夹碎石构成，其中粉质粘土分布于滑体中后缘一带，由滑积后的离石黄土组成，与上层粉土分层明显。粘土夹碎石分布于滑坡中部及中下部、覆盖于灰岩之上，颜色红褐色，土质较坚硬。浅层滑体：滑体物质由粉土构成，分布于滑坡坡面中部及后缘一带，由崩积后的马兰黄土组成，后经洪积或人为改造耕地堆积于坡面。构成滑体物质结构复杂，且厚度变化大，不同层位物质组成和厚度存在差异，纵向上总体具有上厚下薄的特点，横向上呈中部厚两侧薄的凹状地形。

图2 滑坡现场及卫星照片

2.2 滑坡结构特征

根据现场地质调查及勘探孔揭露滑体情况，滑体存在两处浅层和深层实测滑面。浅层滑面：主要位于粉土与下部粉质粘土及粘土夹碎石之间，由于下部粉质粘土及粘土粘粒含量大，相对粉土为隔水层，雨水入渗后在接触面处形成滞留，长期浸润粉土层底部，易形成软弱面，导致上部粉土沿此软弱面发生滑动。该层与下部粉质粘土及红粘土夹碎石接触面处存在厚度0.3～0.5 m的饱和含水土层，埋深随滑体厚度变化而不同，总体上从前缘到后缘，滑带埋深由浅到深。根据现场调查发现，滑体前缘中部地带出现故鼓胀、清真寺小路发生明显位移变形特征，浅层滑体剪出口位于滑体前缘。

深层滑面：滑体上部滑面位于粉质粘土与下伏灰岩之间，中部及前缘位于粘土夹碎石与下伏灰岩之间。滑坡纵向中心剖面钻孔岩芯(钻孔深度12.2 m)显示粉质粘土与下伏灰岩接触面，且岩心呈饱和且扰动状态。物探资料显示，滑体前缘基岩面埋深达10.9～12.4 m。若滑坡沿着基岩面持续滑动，则位于滑坡前缘的居民区及公共设施会发生变形。根据现场调查，位于滑坡体前缘的村民房屋及道路未发生变形，且场地已被人为改造为平地，因此可推测滑体前缘未沿着基岩面滑动。根据沿滑坡体纵向布置地震勘探纵剖面资料显示，在位于滑体前缘1 105.0～1 115 m之间存在4.9～6.2 m厚碎石集中地层，并因前缘坡脚一带因人工建房开挖形成高2～4 m临空面，推测深层滑体剪出口位于前缘削坡建房坡脚处。滑坡顺坡方向主剖面工程地质剖面如图3所示。

3 滑坡稳定性分析及防治方案设计

3.1 滑坡稳定性分析

浅层滑体由粉土构成，滑面较长，属于折线型，滑床为粉质粘土；深层滑坡的滑体由粉质粘土及粘土夹碎石构成，包含上部粉土，滑床为灰岩，滑面属折线型。采用折线滑动法计算滑坡安全系数，并分析滑坡的稳定性。安全系数计算公式为：

(1)

ψj=cos(θi-θi+1)-sin(θi-θi+1)tanφi+1

(2)

Ri=Nitanφi+ciLi

(3)

式中：Fs为稳定系数；θi第i块段滑动面与水平面的夹角(°)；Ri作用于第i块段的抗滑力(kN/m)；Ni第i块段滑动面的法向分力(kN/m)；φi第i块段土的内摩擦角(°)；ci第i块段土的粘聚力(kPa)；Li第i块段滑动面长度(m)；Ti作用于第i块段滑动面上的滑动分力(kN/m)，出现与滑动方向相反的滑动分力时，Ti应取负值；ψj第i块段的剩余下滑动力传递至i+1块段时的传递系数(j=i)。地震情况下，将地震引起的惯性力作为水平向体力加载到各块段质心，模拟地震引起的动荷载，以此计算地震情况下滑坡的安全系数。主剖面浅层及深层滑体稳定性计算条块划分如图4和图5所示。

图3 滑坡顺坡方向主剖面工程地质剖面图

根据滑坡形成的实际情况和影响稳定性的主要因素，本次稳定性计算的工况条件分为3种：即：(1)自重条件；(2)自重+暴雨条件；(3)自重+地震条件。根据《中国地震动参数区划图(GB18306-2008)本区地震动峰值加速度为0.20 g，属Ⅷ度地震设防烈度区[12]。具体滑坡稳定性计算选择主滑方向主剖面对浅层及深层滑体进行计算，并评价滑坡的总体稳定性。

图4 主剖面浅层滑体稳定性计算简图

图5 主剖面剖面深层滑体稳定性计算简图

3.2 滑坡计算参数反演

由于深层滑带埋深较大，结合现场钻探提取岩芯，发现深层滑带土由于基岩裂隙水作用呈饱和状态，故本次选取的滑带土重塑试样的岩土物理力学参数也适用于暴雨状况。浅层滑带由粉土、粉质粘土构成，均具有较强的饱水性。2013年7月，该滑坡浅层滑体由于雨水浸润，土体达到饱和，发生蠕滑，致使坡体中上部蓄水池上下水管道受压弯折自爆、前缘道路局部发生位移，可见降雨对浅层滑带岩土物理力学参数影响较大，因此采用反演的方法确定浅层滑带土饱和状态下粘聚力c、摩擦角φ值。选取滑坡中心剖面进行计算分析，按暴雨工况稳定系数1.0计算，计算公式如下：

(4)

(5)

反演计算结果显示稳定系数取1.0时浅层滑体饱和状态下粘聚力c值为4.8 kPa，摩擦角φ值为9.5°。此次滑坡稳定性计算相关参数的建议值如表1所示。

表1 计算参数取值表

注：括号内数值为降水条件下采用值。

3.3 滑坡安全系数计算结果

将折线滑动法滑坡稳定计算公式编制成excel计算表格，添加有关计算参数，通过计算机分别进行运算，得出了浅层、深层滑体在自重、自重+暴雨、自重+地震3种不同工况条件下的稳定系数。滑坡按照浅层及深层滑动面计算出的安全系数如表2所示。

表2 计算结果及稳定状态一览表

依据《滑坡防治工程勘查规范》(DZ/T0218-2006)稳定性划分标准：稳定系数Fs≥1.15为稳定，1.15>Fs≥1.05基本稳定，1.05>Fs≥1.0欠稳定，Fs<1.0不稳定[13]。从计算结果可以看出，浅层滑体在自重条件下处于欠稳定状态，在暴雨、地震条件下处于不稳定状态；深层滑体在自重条件下处于稳定状态，在暴雨条件下处于基本稳定状态，在地震条件下处于欠稳定～基本稳定状态。

4 治理效果分析

根据滑坡的发育特征，稳定性综合评价结果、危害对象以及场地实际条件，在充分考虑治理工程安全性与可行性、经济合理性等因素，对滑坡治理工程提出总体抗滑、坡面截水、坡脚反压的综合治理方案。1)抗滑工程。为防止滑坡整体滑动，治理工程选用抗滑桩进行抗滑支挡，抗滑桩布设于滑坡前缘，桩下锚固段为灰岩。采用普通式及锚拉式抗滑桩，即在抗滑桩桩头段增设预应力锚索。通过布设抗滑桩有效提高滑坡整体的稳定性，在治理深层滑坡的同时兼顾浅层滑体，从而起到事半功倍、彻底防治的效果。2)桩后反压。鉴于新滑体具有上陡下缓、上厚下薄的特点，治理工程利用桩后悬臂段回填反压措施对其进行防治，以防止滑体有越顶滑动的可能。3)坡面截排水。水是导致滑坡滑动的直接原因之一，选用在滑坡治理中常用的截排水渠工程，是稳固滑体的有效治理措施之一，鉴于区内降雨量大、降水集中的特点，治理工程建议在滑体外围及横向上布设截排水渠工程，从而防止滑坡外围来水进入滑体。4)坡面防护。根据对滑坡前缘人工边坡现场调查及稳定性计算结果分析，雨水入渗是导致边坡失稳的主要因素，因此对该边坡进行坡面防护治理措施，建议修建护面墙。

5 结语

通过对甘肃两当县显龙清真寺滑坡的调查及研究，得出以下几点结论：

(1) 研究区降雨时间集中于7—9月，且降雨量较大，是导致显龙清真寺滑坡不稳定的主要因素。研究区全年蒸发量普遍大于降雨量，雨季期间滑坡土体容易处于非饱和状态更易造成滑坡失稳滑动。

(2)通过滑坡稳定性计算分析可知，显龙清真寺滑坡浅层滑体在自重条件下处于欠稳定状态，在暴雨或地震条件下安全系数普遍小于1，即出现滑动失稳；深层滑体在自重条件下处于稳定状态，在暴雨条件下安全系数接近1，即处于基本稳定状态，而在地震条件下发生失稳滑动。

(3)根据滑坡的发育特征，稳定性综合评价结果、危害对象以及场地实际条件，本文针对显龙清真寺滑坡提出总体抗滑、坡面截水、坡脚反压的综合治理方案。

(4)通过抗滑+桩后反压+坡面截排水+坡面防护的综合治理措施，能够有效减小浅层及深层滑体的下滑力，防止暴雨情况下坡体的变形，有效降低滑坡在暴雨及地震条件下失稳滑动的风险。

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