某顺层岩质滑坡稳定性分析及治理工程有效性评价

刘定霞， 陈 喆， 李占飞， 张青云， 王小江

(四川省地质矿产勘查开发局 四○三地质队，四川 峨眉山 614200)

由于内、外地质条件的共同作用，中国西南地区地质灾害频发，在四川省西南山区尤以岩质滑坡灾害最为常见[1]。按照层面与坡面角度的大小关系，岩质边坡一般可分为顺向坡、逆向坡和斜向坡，其中层面倾角小于坡面角的顺向坡是岩质边坡中最容易发生滑坡灾害的情况之一。目前，岩质滑坡的工程治理措施包括排水、削方减载、坡脚反压、夯填裂缝、格构、坡面绿化、支挡工程(挡土墙、抗滑桩、锚索、锚杆、抗滑键、微型桩等)和滑带土改良(灌浆、旋喷桩、砂桩)等，对不同类型的岩质滑坡采取相应合理的治理措施是治理工程有效的前提条件，自然因素、技术因素和施工因素是评价治理工程有效性的主要影响因素[2]。本文基于沙溪滑坡的工程案例，根据滑坡基本情况，分析了滑坡监测数据和变形特征，计算了滑坡的稳定性，评价了应急治理工程的有效性，为类似滑坡的工程应急治理提供借鉴。

1 地质环境条件

1.1 地形地貌

滑坡区属于低山—丘陵地貌，地形起伏较大，沟壑发育，北高南低，相对高差约110 m。滑坡体斜坡位于斜坡中部，所在斜坡整体为上缓—中陡—下缓的折线形。斜坡中后部较缓，坡度15°～20°；斜坡中部较陡，坡度35°～55°；下部地形相对于斜坡中部稍缓，坡度一般为20°～35°。

1.2 地层岩性

1.3 地质构造

滑坡所在沙溪村地处四川盆地与大、小凉山的过渡地带，沐川背斜南翼。滑坡区构造较简单，构造裂隙发育，主要发育三组节理裂隙，其产状及基本特征为：①192°∠51°，节理面较光滑、平直，泥质充填，长1～21 m，裂隙间距一般0.3～0.4 m；②266°∠84°，裂面较光滑，泥质充填，裂隙间距一般0.5～0.8 m/条，长2～42 m；③305°∠66°，裂面较光滑，泥质充填，裂隙间距一般1～2 m/条，长2～19 m。滑坡区域曾受到临近地区1994年沐川—马边地震和2010年乐山地震两次较大地震的影响。

2 滑坡基本特征

沙溪滑坡位于四川省沐川县，区域地层产状为220°∠11°，滑坡区岩性主要为侏罗系中统遂宁组砂岩、砂质泥岩，斜坡坡度35°～55°，斜坡为顺向斜坡，坡体无地下水露头。

沙溪滑坡右侧及左侧以剪切裂缝为界，前缘以公路外侧破损挡墙为界，后缘则通过潜在滑动面倾角及拉张裂缝推测确定，平面形态呈“簸箕”形，剖面形态呈台阶状，滑坡横宽约100 m，纵长90 m，坡角35°～55°，滑坡主滑方向为226°，潜在滑面为砂质泥岩的软弱夹层，倾角约11°；滑体厚度为16～29 m，平均厚度约21 m，滑坡体积约19×104m3，为中型岩质顺层滑坡(照片1，图1-图2)。

照片1 滑坡全貌Photo 1 Photos of landslide

图1 沙溪滑坡工程地质平面图Fig.1 Engineering geological plan of Shaxi landslide1.第四系全新统残坡积层；2.第四系人工填土；3.侏罗系中统遂宁组；4.地层界线；5.道路；6.裂缝位置及编号；7.岩层产状；8.探槽；9.钻孔；10.已有建筑物；11.滑坡范围；12.GNSS监测点；13.裂缝监测点。

图2 沙溪滑坡典型地质剖面图Fig.2 Typical geological section of Shaxi landslide1.第四系全新统残坡积层；2.第四系人工填土；3.侏罗系中统遂宁组；4.裂缝及编号；5.已建挡墙；6.潜在滑面；7.素填土；8.含碎石粉质粘土；9.砂岩；10.砂质泥岩；11.强风化线。

3 变形破坏特征及机理分析

3.1 滑坡变形特征

根据前期访查，2019年8月3日的强降雨致使沙溪村3组所在斜坡发生强变形，斜坡后缘、两侧出现多条裂缝，主要表现为滑坡前缘挡墙出现位移，滑坡中后部出现多处拉张、剪切裂缝，主要发育裂缝11条，分布于滑坡后缘、两侧边界、中部(图1)，拉张裂缝走向以165°～195°为主，两侧剪切裂缝走向280°～290°，裂缝长4～80 m，深0.2～4.5 m，缝宽0.1～0.5 m，后缘下错高度0.2～2.0 m。直至2020年7月，裂缝的宽度、深度仍然在增大，7月24日滑坡稳定性达到临界值[3-4]，发生滑坡。

3.2 GNSS监测数据分析

在完成削坡和挡墙修建后，于滑坡体中设置了位移监测仪器。通过钻孔揭露已经找到了滑动带且滑动机制清晰，本次监测并未设置深部位移计，仅布置3处GNSS监测点和2个拉线位移计。本文选取一个GNSS监测点(JC04，位于滑坡中—后部)和一个裂缝监测点(LC02，位于滑坡后缘)进行分析。

根据监测数据可知，沙溪滑坡的变形监测曲线属于突发型[5-6](图3)。而滑坡成灾前，滑坡位移较为平稳，每天以数毫米的速率下滑并持续了近三个月；变形监测曲线未出现加速变形阶段中的初加速和中加速过程，而是在短时间内直接进入加速变形阶段，在短时间内位移突然增大，直至滑坡形成。根据滑坡后缘的裂缝变形(图4)可知，边坡在4—7月时间内发生了至少4次较明显的变形阶段，表明滑坡在最终失稳破坏前处于蠕动变形阶段，于2020年7月24日沿基岩层面发生滑坡。

图3 JC04 GNSS监测点时间—累计变形曲线Fig.3 Time-cumulative deformation curve of JC04 GNSS monitoring point

图4 LC02裂缝监测点时间—裂缝变形曲线Fig.4 Time-fracture deformation curve of LC02 fracture monitoring point

3.3 滑坡稳定性计算分析

根据《滑坡防治工程勘查规范》(GB/T 32846—2016)推荐的极限平衡法计算(图5)，本区地震烈度为Ⅶ度区，故稳定性计算选定为天然工况、暴雨饱和工况和地震工况[7]。

图5 极限平衡法计算模型Fig.5 Calculation model of limit equilibrium method

计算公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：W为滑体重量(kN/m3)；C为滑带内聚力(kPa)；

φ为滑带内摩擦角(°)；L为滑面长度(m)；α为滑面倾角(°)；A为地震加速度(单位：重力加速度g)；Kf为稳定系数；H为地下水位高度(m)；γw为水重度(kN/m3);V为后缘裂隙静水压力(kN/m);U为沿滑面扬压力(kN/m)。

根据相关的岩土体参数(表1)，计算滑坡的稳定性系数[8-9]：天然状态下稳定性系数为1.217～1.242，处于稳定状态；暴雨状态下稳定系数为0.992～1.002，处于不稳定—欠稳定状态；在地震工况下稳定系数为1.009～1.032，处于欠稳定状态，斜坡整体稳定性较差，在暴雨工况及地震工况下斜坡坡体沿滑面产生整体失稳的可能性大。

表1 岩土体物理力学参数建议值表Table 1 Recommended values of physical and mechanical parameters of rock and soil mass

综上分析，沙溪滑坡的滑动原因：①顺向坡结构；②不利于稳定的多组节理组合；③2020年7月的连续强降雨等。边坡在上述作用下，沿地层的软弱泥岩夹层发生滑移，最终导致挡墙损坏，形成滑坡。

3.4 滑坡滑动机制分析

统计滑坡的地层产状及普遍发育的多组控制性节理，采用赤平投影法[10]分析该滑坡的形成机制(图6)。由图可知，岩层倾向与坡面方向夹角<40°，近似顺向坡，层面倾角小于坡角，岩层外倾临空，属于不利结构面；裂隙L1、L3倾向与坡向相切，裂隙L2倾向与坡向一致但倾角大于坡角且不临空，对坡体稳定性影响较小；裂隙L1和层面的交线与坡向倾向相近，交线倾角小于坡角，且位于斜坡内部，外倾临空，切割块体易发生滑移；裂隙L3和层面交线与坡向倾向相近，交线倾角小于坡角，且位于斜坡内部，外倾临空，切割块体易发生滑移；裂隙L1和L3的交线与坡向倾向一致，交线倾角小于坡角，且位于斜坡内部，外倾临空，属于不利结构面组合[11]，切割块体易发生滑移。综合分析，斜坡坡向与节理裂隙、层面形成的块体，易沿层面或结构面的交线发生滑动(表2)。

表2 赤平投影数据分析表Table 2 Data of stereographic projection

图6 赤平投影分析图Fig.6 Analysis of stereographic projection

根据野外实测剖面形态和钻探成果资料分析可知，推测滑坡剪出口位于斜坡前缘挡墙处。另据滑坡变形特征及地表裂缝发育情况，发现斜坡中前部存在轻微鼓胀，推测斜坡还可能存在次级滑动面。

4 应急治理工程及其有效性分析

2019年12月针对该滑坡进行了应急抢险治理，治理方案为削方减载+挡土墙+排水沟，其中削方量约5×104m3，位于整个坡表；挡墙修建长度约105 m，位于滑坡前缘，为混凝土浇筑；墙身有效高2.5～3.5 m，基础埋深0.5 m，顶宽0.5 m，底宽1.5 m；排水沟修建于滑坡后缘，宽0.4 m，深0.4，厚0.1 m，为混凝土加砖砌而成。

在应急处置工程的治理过程中，根据试验及反演参数，按照极限平衡法取安全系数1.06(滑坡稳定系数为0.98)确定削方量，并在前缘设置挡土墙。预计工程效果为滑坡削方后蠕滑变形停止，达到基本稳定状态[12-13]。而实际情况是工程治理未能停止斜坡蠕动变形，且原有裂缝仍在发生变化。已建挡墙、排水沟遭受不同程度损坏。滑坡在削方后，依然处于蠕滑变形状态，并于7月24日变形加剧发生滑坡。分析其破坏后的照片2可知：①滑坡发生后滑坡后缘下错前移，形成明显的陡峭后壁，表明该滑坡的运动方式以垮塌和滑移为主；②滑坡沿滑动方向位移约8～10 m，之后无新增变形或滑移迹象，滑坡趋于稳定；③滑坡堆积区出现了明显的鼓胀现象，说明由于地层倾角较小，滑坡前缘的摩阻力较大，提供了相当一部分的抗滑力，坡脚挡土墙前期墙体应力高度集中[14]，直至倾覆或者断裂。

照片2 沙溪滑坡发生后全貌照片(2020-07-24)Photo 2 Full picture of Shaxi landslide(2020-07-24)

对比工程预期效果及工程实际效果[15-16]可知：

(1) 治理工程设计削方方案中采用的计算分析模型偏不安全，岩土参数及稳定系数取值偏高，导致最终设计的削方量不能满足滑坡处于基本稳定状态的条件。因此，当滑坡处于蠕滑变形或变形发展期时，极端暴雨工况下采取0.98的稳定系数偏不安全，在岩土参数及反演稳定系数取值中应选取更低的数值，才能保证计算结果的可靠性以及治理工程的有效性。

(2) 在坡脚修建完成的挡土墙一定程度上起到了抗滑作用，削方措施也减小了一部分下滑力，两者暂缓了滑坡体的进一步变形。但是，由于削坡方量不足，剩余下滑力大于设计值，挡土墙未设置锚固段，墙体重力、墙身强度以及墙底摩阻力无法满足抗滑、抗剪的需要，边坡也并不存在明显的抗滑段，导致其抗滑力远不能达到安全状态。

综上所述，由于设计中采用参数偏不安全，削方量不足，因此治理工程未对滑坡的受力状态起到根本性的改变作用，导致该滑坡采取削坡措施后，在极端工况下仍处于不稳定状态，造成治理工程无效。

5 结论与建议

(1) 沙溪滑坡是一个缓倾角顺层岩质滑坡，其滑动过程属于长期多次蠕滑和最终突然整体滑动破坏。内在因素(岩层倾角和坡度、节理组合)和外在自然因素(强降雨和前期多次地震影响)是其发生失稳破坏的原因。

(2) 由于设计中采用稳定系数偏不安全，削方量不足，导致应急措施失效，因此在应急处置期间，计算稳定性及确定削方量时应采用更大的稳定系数。当滑坡处于蠕滑变形或变形发展期时，极端暴雨工况下采取0.98的稳定系数偏不安全，应选取更低的数值，才能保证计算结果的可靠性以及治理工程的有效性。

(3) 对于此类顺层岩质滑坡，建议在开展工程治理时，在前缘设置抗滑桩或抗滑键，再辅以削坡或者格构锚索效果更好。后期应当尽快清理滑坡堆积区的土方，防止降雨等因素引起的再次破坏。