云阳西城古滑坡稳定性影响因素分析

宋文平

(南充水利电力建筑勘察设计研究院,四川南充,637400)

一般而言,天然斜坡或人工边坡的稳定性主要由两大类影响因素决定。一是内在地质特征,包括地质构造、初始地应力、地形地貌、岩土体物理力学性质;二是外部环境因素,包括水的作用、地震影响、人类活动。就库区边坡而言,水的作用包括大气降雨,特别是暴雨,库水位骤升和库水位骤降。据相关资料统计,49%的库区滑坡发生在水位上升期间,30%的滑坡发生在水位下降期间[1]。内在地质特征是控制性因素,外部环境因素是诱发因素。天然斜坡和人工边坡所处的内、外部环境不同。影响其稳定性的最主要因素是不同的。只有计算分析出对坡体稳定性程度最大的影响因素,才能采取针对性的监测预警方案和针对性的有效防治措施。

1 内在地质特征对坡体稳定性影响

在高初始地应力、区域地质构造比较复杂、褶皱发育强烈、新构造运动比较活跃的地区,边坡的稳定性是较差的。

另外,边坡的岩土类型、岩层产状、节理裂隙切割发育特征、软弱夹层性状、岩溶发育情况也是决定边坡变形破坏的主要因素。

边坡坡体的地形地貌特征也是边坡稳定性变化发展过程的动态反应。不同的地形地貌特征对应的坡体稳定性是不同的。坡体地形的起伏、坡面的陡缓、坡体前缘的临空条件、坡体侧面冲沟切割等,这些地形地貌特征均对坡体稳定性有重要影响。

2 外部环境因素对坡体稳定性影响

水的作用是影响坡体稳定性的最常见的外部诱发因素。水的作用又可以分为静水作用和动水作用。静水作用,一则改变岩土体的重度,导致下滑力增大,抗滑力减小,稳定性降低;二则水对滑动带或滑动面的软化作用,导致滑动面的岩土体强度降低,引起稳定性下降。动水作用则是通过渗流力使坡体产生渗透破坏,进而降低坡体的稳定性。

地震作用对斜坡稳定性的影响是通过水平地震力使下滑力增大和抗滑力减小,从而引起斜坡失稳滑动。另外,地震作用会引起沙土、粉土液化,降低有效应力促使坡体产生滑动。

人类活动对坡体的影响主要表现在坡体上土方开挖或堆填。在坡体的下滑段削方减重,在坡体的抗滑段填方堆载,在坡体前缘剪出口堆载压脚均有利于坡体稳定。反之,则不利于坡体稳定。在坡体的中部开挖则有可能产生次级滑动。

3 云阳西城古滑坡地质概况

云阳县西城古滑坡地处重庆市三峡库区云阳县旧城区,位于长江左岸。滑坡后缘较陡直,前部稍缓,平面形态呈“圈椅状”,整体坡度约30°。滑坡体前缘临近长江,剪出口位于水面以下,剪出口高程约为95m,后缘高程约为320m,滑坡体南北纵向长约1000m,东西横向宽约850m。该滑坡体为第四系全新统崩坡积的粘性土夹碎块石组成,滑坡体后缘厚度3.5m左右,中部厚度14.5m左右,前缘厚度27m左右。滑床岩体为侏罗系中统紫红色砂泥岩互层,岩层产状167∠42°。滑动面(带)沿基覆界面,由堆积体与下覆紫红色砂岩、泥岩的接触界面控制,滑带土为可塑状粉质黏土,厚度0.5m～0.8m。滑坡典型剖面见图1、图2。

图1 滑坡典型剖面Ⅰ-Ⅰ

图2 滑坡典型剖面Ⅱ-Ⅱ

滑坡体的物理力学参数根据试验数据、反演计算和经验数据综合取值见表1。

表1 滑坡物理力学参数

4 滑坡稳定性计算分析

4.1 计算模型及理论方法

由于滑带土厚度不足1m,与滑坡堆积体的厚度相较而言较薄,故滑坡渗流和稳定性计算模型可以简化为两层:堆积体和下覆基岩,滑床基岩的渗透系数值很小,可视为不透水体。根据云阳县气象资料,当地触发滑坡大规模发生的暴雨强度为140mm/d～150mm/d,累积降雨量280mm～420mm,本次计算暴雨强度取值150mm/d,累积降雨量450mm。依据三峡水库调度情况,本次计算水位从145m下降到175m,下降速度2m/d,水位从156m上升到175m,上升速度1m/d。

在工程实践中考虑地下水渗流作用影响的常用方法主要有:(1)容重代替法,对于水位以下土体计算滑动力时取饱和重度,计算抗滑力时取有效重度;(2)静水压力法,对于透水性好的岩土体则假定地下水位以下的水压力沿深度呈直线分布。

容重代替法和静水压力法是等效的,但在某些工况下会产生很大的误差。前一种是以土骨架作为研究对象,采用土的有效重度和水的渗透压力来计算渗流作用对边坡稳定性的影响;后一种是以土体作为研究对象,考虑滑裂面上的孔隙水压与(在外坡面上有静水时)坡体表面上的静水压力。李广信、陈祖煜等认为在边坡稳定性计算时考虑计算地下水的渗透压力趋向于把问题复杂化,实际上只需考虑孔隙水压力的影响即可[2-3]。也就是在计算坡内有渗流、坡外有水情况的边坡稳定性时,采用等效置换的方法,即坡外水位以下的土体采用有效重度,不计坡外的静水压力,孔隙水压力采用超静孔压。

目前渗流计算是以数值模拟为主,常用的数值模拟计算方法主要有边界元法、有限单元法和有限差分法[4]。本文采用Geo-studio软件SEEP模块对相应工况下滑坡体地下水浸润线进行有限元计算分析。

边坡稳定性进行定量计算的方法有极限平衡法、数值计算法和不确定性分析法。在工程实践中计算边坡稳定性时极限平衡法使用的最多[5]。本文使用Geo-studio软件中的SLOPE/W模块采用Morgenstem-Prince法计算滑坡体的稳定性系数。该法属于极限平衡法中的严格条分法,对于任意滑动面均满足力和力矩的平衡[6]。

4.2 计算结果与分析

在计算稳定性系数时首先使用Geo-studio软件SEEP模块对暴雨工况、库水位变动工况下的滑坡体内浸润线进行计算,然后直接导入SLOPE/W模块进行相应工况下的稳定性系数计算[7],其结果见表2。

表2 滑坡稳定性系数

根据表2中的稳定性系数进行对比分析,可得出:在各种情况下,剖面Ⅱ的稳定性系数比剖面Ⅰ的稳定性系数大很多,约30%,说明即使同一坡体,不同部位的稳定性是不同的,充分表明地形地貌对稳定性的显著影响,边坡的稳定性受内在地质特征决定控制。暴雨工况下滑坡的稳定性下降幅度3.5%～13.7%;库水位下降工况下的滑坡稳定性系数下降幅度2.4%～12%;库水位上升工况下的滑坡稳定性系数上升幅度8.3%～11.5%。由此可见,暴雨、库水位下降和库水位上升三种工况对该滑坡的稳定性影响明显,但在坡体不同部位影响程度差异较大。其中暴雨对该滑坡的影响程度相对较大;坡外库水位下降对该滑坡的影响程度相对较小;坡外库水位上升工况下滑坡的稳定性系数不降反而上升,这是因为坡外水位上升时,下滑力减少的幅度比抗滑力减少的幅度更大,且在本次计算时未能考虑水对岩土体强度降低作用。

5 结语

通过本文对云阳西城古滑坡的计算分析,表明坡体的内在地质特征起决定性影响。暴雨是诱发该古滑坡体再次发生滑动的相对较大外部影响因素,坡外库水位是相对较小外部影响因素,两者对坡体稳定性都有显著影响。

本文计算分析的欠缺之处:(1)没有计入水的软化作用引起岩土体强度的降低;(2)未考虑边坡非饱和区的基质吸力对岩土体的抗剪强度的贡献;(3)未对地震作用和人类活动对坡体稳定性影响程度进行计算分析,且只进行了单因素分析,未考虑多因素同时作用的影响。后续分析中,可以针对上述欠缺之处进行更深入的研究。