碎石土滑坡稳定性与治理效果分析

彭 成，范子坚，付贵海，成彦惠

(1.南华大学 土木工程学院，湖南 衡阳 421001；2.湖南城市学院 土木工程学院，湖南 益阳 413000)

矿区与山区存在大量的失稳边坡，当外部环境发生变化时，易发生滑坡灾害，给社会生产与人民生命财产造成极大威胁[1].为选择合理的滑坡治理措施，降低滑坡灾害的不利影响，需从滑坡形成条件、滑坡稳定性影响因素、工程治理处置措施、滑坡稳定性分析、滑坡监测措施等方面进行研究[2-5].

碎石土滑坡一般由坡积、冲积、崩塌堆积和滑坡堆积而成[6].连续性降雨是激发碎石土滑坡发生的主要因素，降雨入渗将加速滑坡的变形速率.据统计，绝大部分碎石土滑坡的失稳均发生在雨季；在降雨量较少的季节，滑坡变形又趋停止[7].由于影响碎石土滑坡稳定性的因素众多，滑坡破坏机理复杂，其岩土体的组成物质多样，为了对治理后的碎石土滑坡进行治理效果评估，所以需对滑坡治理前后的稳定性变化进行研究.目前，主要通过地质调查、数值模拟、模型试验等方法进行碎石土滑坡的破坏机理研究[8-11]，对于滑坡治理后的稳定状态分析与治理效果评价研究甚少.为探究碎石土滑坡治理后的稳定性变化，本文基于江石桥滑坡群的形成条件与稳定性进行研究，并通过长期监测对其治理效果进行评价.

1 工程概况

江石桥滑坡群由Ⅰ～Ⅴ号滑坡体组成，滑体组成物质主要为碎石粉质黏土，Ⅰ号滑坡体已经进行了专项治理，但Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ号滑坡体仍处于蠕滑变形阶段.Ⅱ号滑坡体冠高408.72 m，趾高306.36 m，相对高差约102 m，滑坡体平均坡度约10°～30°，滑坡纵长511 m，面积约16.7 万m2，滑体平均厚度为13.7 m，总体积约228.92 万m3，综合确定为大型中层土质牵引式滑坡.Ⅲ号滑体冠高420.23 m，趾高313.07 m，相对高差约107 m，平均坡度约15°～30°，滑坡纵长350 m，面积约3.4万m2，滑体平均厚度为13.25 m，总体积约44.98万m3，综合确定为中型中层土质推移式滑坡.Ⅴ号滑坡体冠高338.14 m，趾高252.78 m，相对高差约85 m，平均坡度约20°～45°，滑坡纵长216 m，面积约5.9万m2，滑体平均厚度为4.85 m，体积约28.7万m3，综合确定为中型浅层土质牵引式滑坡.江石桥滑坡群各滑坡位置分布如图1所示.

图1 江石桥滑坡群滑坡体位置分布

江石桥滑坡群位于桃江县灰山港镇江石桥水库北岸，该滑坡群附近生活有105户居民(共390人)，有1 500 m的公路经过滑坡区域.如发生滑坡，直接经济损失将达1 300 万元.Ⅱ号滑坡体在2004年5月21日滑动，造成4栋房屋产生倾斜与裂缝；Ⅴ号滑坡体在2012年5月有明显滑动，后缘出现拉张裂缝.多种迹象表明江石桥滑坡群的Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ号滑坡体在雨季有明显的滑动迹象，为防止滑坡对居民造成经济损失，减缓滑坡变形趋势，需对Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ号滑坡体进行综合治理.

2 研究方法及技术路线

滑坡治理稳定性分析及效果评价的研究方法及技术路线具体如图2所示.通过滑坡形成机制分析、治理稳定性分析、治理后期滑坡位移变化趋势监测3个方面来实现滑坡的稳定性动态反馈机制及治理效果评价，其主要涉及滑坡的变形机制、破坏因素、稳定性计算、状态分析和工程治理效果评价等内容.

图2 滑坡治理研究体系

3 滑坡形成机制分析

根据滑坡的地质勘察结果，江石桥滑坡群的形成因素分为内在因素与外在因素，内在因素主要为地形地貌条件、地质条件；外在因素主要为气象水文条件、人类工程活动等.

滑坡群的地形坡度范围为15°～45°，滑坡相对高差范围在60～110 m，是形成滑坡的有利地形条件.滑坡体均由可塑状至硬塑状含碎石粉质黏土组成，土体结构松散，有良好的透水性.滑带由软塑状含碎石的粉质黏土组成，抗剪强度低.滑床由强风化至中风化砂岩与泥炭质灰岩组成，岩石裂隙被泥质充填或方解石胶结，透水性相对较差.由于滑床相对隔水，导致地表渗流与地下水只能沿土岩接触面通过，而地下水渗流通道的形成，导致渗流带土体呈软塑状，土体抗剪强度降低，易于形成滑坡.

滑坡区域的降雨时间分配不均匀，夏季多暴雨，且持续降雨天气较多.降雨后，雨水渗入土体，会进一步使滑坡土体软化，降低土体的抗剪强度，同时形成静水压力与动水压力，增加土体容重，导致滑坡的稳定性降低.另外，Ⅱ号滑坡体的前缘为水库的西北岸，不利于滑坡稳定.刘哲儒在对三峡水库中碎石土滑体渗透性的研究中发现水库水位的骤降和骤升对滑坡体的稳定性有较大影响[12].人类工程活动对滑坡影响较大，滑坡区分布有大量的旱地，导致地表水的滞留坡体；公路和房屋的建设导致原有排水条件的改变，甚至局部区域存在开挖坡脚的现象.

4 滑坡稳定性分析

分析滑坡稳定性的前期工作主要为确定滑动面位置、滑带组成成分、滑坡体组成物质的物理力学性质.根据对滑坡的现场勘测，江石桥滑坡群各滑体的滑动面位于岩土分界面附近，且各滑体的滑动面均为折线型；滑带土体由含碎石的粉质黏土组成，遇水土体易软化.本研究通过对比分析暴雨工况条件与一般条件的滑坡稳定性系数变化情况，结合治理后的监测数据，对治理效果进行评价.依据现行的国家规范[13]，对江石桥滑坡各滑坡体采用极限平衡法对滑坡稳定性进行评价，因滑坡所在位置的地震峰值加速度很小，故不考虑地震对滑坡稳定性的影响.其计算公式为：

其中，ψi为第i块段的剩余下滑力传递至第i+1块段时的传递系数(j=i)，即

其中，Wi为第i条块的重量(kN/m)；ci为第i条块内聚力(kPa)；φi为第i条块内摩擦角(°)；Li为第i条块滑面长度(m)；αi为第i条块滑面倾角(°)；Kf为稳定系数；ru为孔隙压力(kPa)；Tn为作用于第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.

通过现场试验与室内试验，确定各滑坡体土体的物理力学性质，见表1(其中ω为土的含水量；a1-2为土的压缩系数；Es为土的压缩模量；c为土的黏聚力；φ为土的内摩擦角).其中因为滑坡体位置相近，各滑坡体土体颗粒比重均为2.73，土体天然密度均按照1.92 g/cm3计算.

表1 滑坡体土体物理力学性质

滑坡的发生通常是由于滑带土体发生破坏，通过确定滑带土体在不同条件下的黏聚力与内摩擦角，得到滑带土体在不同环境中的抗剪强度，从而计算滑坡的稳定性，江石桥滑坡群各滑坡体滑带土体的的物理力学性质见表2.

表2 滑带土体物理力学性质

对Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ号滑坡体在平行于主滑动方向取3条纵剖面进行稳定性计算.Ⅱ号滑坡体从主滑动方向的3条纵剖面为1-1′、2-2′、3-3′；Ⅲ号滑坡体从主滑动方向的3条纵剖面为6-6′、B-B′、C-C′；Ⅴ号滑坡体从主滑动方向的3条纵剖面为10-10′、11-11′、12-12′.

对滑坡在2种不同工况下进行稳定性计算，工况1仅考虑滑坡体自重，工况2为暴雨条件下滑坡的稳定性系数计算，得到滑坡体不同纵剖面位置的稳定性系数.在工况1条件下，滑坡体的安全系数取K=1.15；在工况2条件下滑坡体的安全系数取K=1.05，对比计算结果，对滑坡进行稳定性评价.滑坡体稳定性系数计算结果见表3和图3.

结合图3与表3分析滑坡体稳定性系数在不同工况下的变化.在工况1条件下，Ⅱ号滑坡体主剖面稳定性系数略小于1.15，其他2条辅剖面在安全系数周边波动，能基本保持稳定；Ⅲ号滑坡体住剖面远大于1.15，其中C-C′辅剖面略小于1.15，处于稳定状态；Ⅴ号滑坡体所有计算剖面均在安全系数周边波动，滑坡体基本能保持稳定.但是在工况2中，Ⅱ、Ⅲ号滑坡体的稳定性系数均小于1.05，滑坡体均处于欠稳定状态，Ⅴ号滑坡体稳定性系数在安全系数周边波动.

结合江石桥滑坡群的周边环境与稳定性计算结果，可知Ⅱ号滑坡体位于江石桥水库北岸，Ⅱ号滑坡体受水库水体的浸泡、冲蚀作用和洪水消落的影响，同时水库水位的升降将导致滑坡体前缘的岩土体强度降低，从而导致Ⅱ号滑坡体稳定性系数降低.而Ⅲ、Ⅴ号滑坡体的位置与滑坡走向均与水库无关，降雨入渗是影响其稳定性的主要原因.而降雨产生的间接作用与直接作用是导致滑坡体失稳的主要因素.

5 工程治理效果监测

因滑坡体在工况1条件下处于基本稳定状态，但在工况2条件下滑坡体欠稳定，对滑坡进行监测能有效预防滑坡造成的财产损失，同时能对滑坡治理效果进行评估.江石桥滑坡采用地表位移测量与裂缝宽度变化监测的方式对滑坡变形进行监测.

滑坡群共布置15个水平位移监测点，但各滑坡体有一定的距离，在文中不能全部进行列举分析，选取受水库水位变化影响较大的Ⅱ号滑坡后缘的2W-1水平位移监测点进行分析，2W-1水平位移监测点位移时间曲线见图4.

图4 2W-1水平位移监测点位移时间曲线

为对滑坡群影响区域的房屋进行裂缝宽度监测，共布置14个裂缝宽度监测点，选取2W-1水平位移监测点附近的房屋2F-5裂缝监测点进行分析.2F-5房屋裂缝宽度监测点宽度时间曲线见图5.

图5 2F-5裂缝监测点宽度时间曲线

2016年9月对滑坡群进行综合治理，治理措施主要是在滑坡体后缘布设截水沟，在滑坡体中部及下部布设纵横向排水沟，降低雨期地表水渗入滑坡体的水量.由图4可知，滑坡在进行治理前，2W-1水平位移监测点在2016年3月份至9月份之间有较大的位移变化量，该地区的降雨主要集中在该时段，且多暴雨.由图5可见，房屋裂缝发育时间主要为治理期间，在对滑坡进行地表水流动通道处理后，其裂缝变化趋势较为稳定，且随着时间推移，房屋裂缝的变化波动越小.进行治理后，滑坡的位移速度变慢.监测至目前，滑坡在进行截排水后，综合判定滑坡基本保持稳定，其滑动速度显著降低.Ⅱ号滑坡后缘治理前后裂缝宽度变形如图6所示.

图6 Ⅱ号滑坡后缘治理前后裂缝宽度对比

由图6可知，在滑坡治理前，滑坡后缘已经有较大的裂缝，降雨易渗入土体，使滑带土体抗剪强度降低，加速滑坡的滑动速度.但是进行截排水处理后，至2020年10月，滑坡后缘虽然有裂缝产生，但是宽度较小.结合图4、图5与图6可知，对滑坡表面进行截排水能有效减缓滑坡的变形速度.

6 结语

本文针对碎石土滑坡治理前后的稳定性与治理效果问题，基于江石桥滑坡群形成条件与变形破坏情况，并结合江石桥碎石土滑坡的形成条件，进行了滑坡形成机制、治理前后滑坡稳定性分析及工程治理效果评估等方面的研究.结果表明：相对高差大的碎石土堆积体与陡坡是形成滑坡的地形条件；地下水排泄通道受阻，导致滑带土体软化，是滑坡形成的地质条件；连续降雨会加速碎石土滑坡的发育速度；通过对比在不同工况条件下滑坡的稳定性系数，发现降雨是导致滑坡失稳的主要原因，会极大地降低滑坡的稳定性系数；对滑坡进行截排水处理，能极大地减缓滑坡的变形趋势，使滑坡处于基本稳定状态.

综上，处理好地表渗流能有效控制碎石土滑坡的变形，提高碎石土滑坡的稳定性.