基于滑前三维地形反演的黄土-红土层滑坡破坏机理研究

焦桢立,张常亮,汤庆浩

(长安大学地质工程与测绘学院地质工程系,陕西 西安 710054)

黄土-红土层斜坡主要由第四纪黄土和新近系红黏土组成,常在黄土高原的丘陵沟谷区出露。风成黄土多以披覆形式沉积在第三系红黏土之上,由于黄土具有良好的直立性,常形成陡峭的边坡,这与其垂直节理的生长特性有关,已有多名研究人员对其形成机制进行分析[1-3]。而红黏土结构致密,构成渗透性差的相对隔水层,水分在该层顶面容易汇集,使得红土层顶面长期处于软塑-饱和状态,在坡脚开挖或持续降雨作用下,黄土易沿红土顶面发生滑动破坏,形成黄土-红土层滑坡,对邻近的工程或人民财产安全造成威胁,为此,对其破坏机理开展研究具有重要的理论意义和实际应用价值。

探究黄土-红土层滑坡形成的本质,实质就是揭示其从稳定状态到失稳状态整个过程中边坡的应力应变变化过程,滑坡滑前地形反映的就是其稳定状态时的初始地形条件,这是进行破坏机理分析的基础。现有滑前地形反演方法已经取得很多成果,如王鹤等[4]利用无人机高分辨率的特点构建了滑坡三维模型;刘春等[5]利用无人机解决复杂地形三维构建问题;Iwahashi等[6]提取地形因子数据进行滑坡地貌分析;Lowe等[7]利用SIFT进行了地形反演高效计算;李维炼等[8]利用无人机遥感和虚拟现实技术开展了滑坡灾害动态构建。这些技术的发展对滑坡地形反演提供了很好的理论依据,但这些方法要么是针对滑后滑坡地形进行,要么是需要长期持续对滑坡开展监测,以获得每个阶段的地形数据,过程复杂,造价昂贵。对未处于监测区域的滑坡无法获得其原始地形数据,这就限制了这些方法的应用范围。因此,无滑前地形数据的地形反演值得进一步研究。

诱发黄土滑坡的因素很多,如降雨、河流侵蚀、地震等,随着人类活动的开展,其日渐成为诱发黄土滑坡的主要因素之一,如堆载、坡脚开挖等人类工程活动诱发的滑坡灾害越来越多。近年来,黄土高原区在原来交通线路的基础上,又加大了修建规模。由于在黄土丘陵沟壑区修路一般沿河谷岸坡或在半山坡修建,这些线路的修建和改造必然开挖坡脚或坡体,形成大量的黄土高陡边坡,进而诱发黄土滑坡。针对坡脚开挖引起的滑坡,国内外已开展了很多相关研究,如武隆鸡尾山滑坡[9]、延安的阳崖山滑坡[10]、兰州的沙井驿滑坡[11]、加拿大Frank滑坡[12]、飞凤山滑坡[13]等均受到坡脚开挖影响而发生失稳。但是专门针对黄土-红土层这一类型边坡的坡脚开挖引起的滑坡还有待进一步研究。

我们以山西省柳林县贺西滑坡这一典型黄土-红土层滑坡为研究对象,利用Sassa K.运动模型对其滑前三维地形进行反演,基于此建立其坡脚开挖前和开挖后的数值模型,开展开挖前后的应力应变及稳定性的变化特征的研究,以揭示黄土-红土层滑坡的破坏机理,为同类型滑坡的破坏机理研究和防治提供参考和依据。

1 研究案例

贺西滑坡位于山西省柳林县，该滑坡主要是在平整场地开挖了边坡的坡脚,造成老滑坡体的中部坡体复活,发生了二次滑塌。滑坡前缘为工厂场地,滑坡长110 m,最大宽度150 m,滑体厚2～21 m,滑坡体积约16.5×104m3,滑体覆盖面积0.016 5 km2,最大水平滑动距离30 m。滑体地表坡度下缓上陡,中部15°～20°,滑坡上部后缘坡度明显变陡,约60°(见图1)。

图1 贺西滑坡全景Fig.1 Panorama of Hexi landslide

通过现场实测后绘制该滑坡剖面。滑坡地层从上到下依次为:黄土状土、粉土、粉质黏土、红黏土、砂岩(见图2)。底层砂岩作为基岩,整个滑坡坡面未见地下水出露。

图2 贺西滑坡剖面图Fig.2 Sectional view of Hexi landslide

2 滑坡运动学分析方法

通过勘察测量,获得了破坏后的滑坡地形数据和地层数据,但利用这些数据无法直接建立滑坡滑前地形。在无滑前地形数据的情况下,只能参考滑坡周边未滑地形,同时以现有滑面为控制界面,依据滑面上滑体体积在滑前滑后不变原则,初步建立滑前三维地形,然后利用建立的三维地形使之滑动,通过模拟滑动后的滑坡形态与当前滑坡地形形态的对比来验证所建滑前地形的准确性,最后确定最优滑前地形作为反演结果。因此,关键是找到一个可靠高效的滑坡运动模拟方法开展对比研究,Wang等[14]提出的理论模型为我们提供了一个很好的方法。Wang等[14]根据块体运动学原理提出滑坡运动岩土模型,指出滑坡运动是连续性的运动过程并提出假设:滑坡过程中坡体的总体积不发生变化,只有高程发生变化,运动过程中坡体厚度变薄,最终形成沉积体,即坡体在z轴上未发生变化,通过计算滑动量M和N可以得到x和y方向上坡体厚度的变化,以上假设可通过下列公式体现:

{hc(q+1)+htanφα},

(1)

{hc(q+1)+htanφc},

(2)

(3)

其中:h为滑坡体的厚度;μ、v、ω分别为x、y、z方向上的速度;M、N分别为每单位宽度在x、y方向上的滑坡量,M=μh,N=vh;k为横向土压力系数;tanφc为滑动带中土壤表观摩擦系数;hc为内聚力;tanα、tanβ分别为原始斜面与xz、yz平面交点的倾斜度。

Wang等[14]将滑坡结构分为碎屑区和滑动区,在滑动过程中碎屑区的厚度发生变化,滑动区的抗剪强度发生变化。边坡破坏后,随着滑坡的加速,抗剪强度将下降到稳定状态。坡体上部的碎屑物质随着滑坡破坏、坡体碎屑不断下落使坡体的厚度发生变化(见图3),假设h为坡体中的某一点,滑坡运动开始时，X轴方向上的坡体长度增加，Y轴方向上的坡体厚度减少，最终滑坡停止并变成沉积物。在滑坡体运动过程中，正应力会减小，导致表观摩擦系数增大，从而导致滑坡运动停止。

图3 微分计算网格和x、y方向上厚度的变化Fig.3 The grid of differential calculation and the variationof thickness at the x and the y directions

3 贺西滑坡滑前三维地形反演

根据贺西滑坡当前的地形高程数据(见图4),结合滑坡地层的物理力学参数(见表1),利用滑动特性反推原始滑坡的地形高程数据,复原的滑前三维地形结果如图5(a)所示,利用文献[14]中模型对贺西滑坡进行运动模拟,不同时间段滑动过程模拟结果如图5(b)～(e)所示,对比实际滑坡与模拟滑坡后的三维地形,验证反演的滑坡滑前三维地形的合理性。

图4 滑坡当前三维地形Fig.4 The current three-dimensional topographyof the landslide

图5 贺西滑坡三维模拟堆积形态Fig.5 3D simulated accumulation pattern of Hexi landslide

表1 滑坡模拟参数

滑坡的运动速度过程曲线如图6所示,由图6发现滑坡滑动呈现一种波动状态:启动速度快,0～2.8 s为加速阶段,之后速度达到第1个高峰点,最高达2.1 m/s,并从3.3 s持续到4.3 s;4.3～11.1 s

图6 滑坡运动速度变化Fig.6 Velocity variation of landslide movement

为剧烈起伏阶段,先下降,于7.6 s达到了最低速度1.6 m/s,之后开始上升;11.4～12.6 s达到第2个高峰,速度为2.7 m/s,之后速度逐渐下降,直至稳定停止。对比滑坡当前地形(见图4)和模拟稳定后最终堆积地形(见图5(e)),发现二者滑距基本一致,滑动范围基本相同,滑动后地面的形态基本相似。通过对滑坡稳定后的堆积形态和实际地形的同一剖面高程进行对比,误差在允许的范围内。由此可见,建立的滑前地形经过运动学的模拟与滑坡滑后地形基本一致,我们就可以将建立的滑前地形作为滑坡真实的滑前地形进行后续的破坏机理分析。

4 贺西滑坡破坏机理分析

为了分析滑坡的破坏过程,根据地质地层的物理力学参数(见表2),并利用文献[14]中模型反演的地形地貌资料,建立贺西滑坡坡脚开挖前和开挖后的二维地质有限元模型(见图7)。

图7 滑坡滑前地质模型Fig.7 Geological model of landslide before sliping

表2 滑坡模拟岩土体物理力学参数

通过GEO-Studio中的SIGMA/W的模块计算边坡X方向(顺坡向)应力应变分布和变化,结果如图8所示。从图8(a)、(b)可以看出:滑坡坡体开挖前,因坡体的形状和岩层参数的差异,出现了“N”形的应力分布形状;开挖坡体后,在开挖处出现了应力集中,改变了上部坡体应力分布,而坡体内部的应力分布变化不大。从图8(c)、(d)中可以看出:滑坡坡体开挖前,因坡体的形状和岩层参数的差异,出现了“O”形的应变分布形状;在开挖后,表层的应变略有增加。

图8 坡体X方向应力应变分布云图Fig.8 Stress and strain distribution cloud diagram of slope in X direction

坡体总应力应变位移云图如图9所示。从图9(a)、(b)可以看出,坡脚开挖后,坡体整体剪应力增大,坡脚附近出现应力集中现象,且图9(e)、(f)也呈现出这样的规律。从图9(c)、(d)可以看出,坡体整体剪应变增大,剪应变区域整体向坡脚移动,坡脚开挖部位剪应变增幅明显。从图9(g)、(h)可以看出,坡体内部的位移圈开始扩大,表明浅层的岩体顺坡向的位移增大。

图9 坡体总应力应变位移云图Fig.9 The total stress and train displacement cloud diagram of the slope

通过GEO-Studio中的SLOPE/W的模块分析边坡在坡脚开挖前和开挖后的稳定性,其最危险滑面的稳定性系数分别为1.654和0.996,结果如图10所示,表明坡体在坡脚开挖后,稳定性快速下降直至破坏。

图10 贺西滑坡稳定性系数计算结果Fig.10 Calculation results of stability coefficient of Hexi landslide

5 结论

以山西省柳林县贺西滑坡这一典型黄土-红土层滑坡为研究对象,基于反演得到的滑前三维地形,开展了其破坏机理的研究,得到以下结论:

(1) 根据滑坡破坏后的地形高程数据,结合周围地形分布特征及物理力学参数,利用滑动特性反推滑坡发生前的地形高程数据,以滑体总体积不变为原则,重新构建了滑坡滑前三维地形,利用文献[14]中模型对贺西滑坡进行运动模拟,对比实际滑坡与模拟滑坡后的三维地形,验证了反演的滑坡滑前三维地形的合理性。

(2) 基于反演得到的滑前地形,建立了贺西滑坡坡脚开挖前和开挖后的有限元模型,利用SIGMA/W分析了坡体在坡脚开挖前和开挖后的应力应变变化规律。结果表明:坡脚开挖后,改变了上部坡体应力分布,在坡脚开挖处出现了应力集中;坡体整体剪应力应变增大,剪应变区域整体向坡脚移动,坡脚开挖部位剪应变增幅明显;坡体内部的位移圈开始扩大,表明浅层的岩体顺坡向的位移增大。

(3) 利用SLOPE/W分析了边坡在坡脚开挖前和开挖后的稳定性,坡体开挖前和开挖后其最危险滑面的稳定性系数分别为1.654和0.996,由于开挖后稳定性系数小于1,表明坡体在坡脚开挖后,稳定性快速下降直至破坏。