人类活动对滑坡稳定性的影响研究
——以武汉市某滑坡为例

蒋玉冰，曾凯波，丁德民

(武汉综合交通研究院有限公司,湖北 武汉 430024 )

滑坡在中国分布广泛,发生频率较高,每年造成损失不可估量。随着人类活动对自然环境改造加剧,导致滑坡的发生频率日渐增高,现人类活动已逐渐成为滑坡变形失稳的主要诱因。如大规模的采矿,导致形成的加拿大Frank滑坡[1]及2009年6月5日下午15时重庆市武隆发生的鸡尾山滑坡[2-6]；如宜昌市三峡库区千将坪滑坡[7-10]、白家包滑坡[11-13]、树坪滑坡[14-15]、八字门滑坡[16-17]等均受到水库蓄水影响而发生失稳；还有部分滑坡是人类建设切坡而引起的[18-20]。因此,人类活动是加速滑坡失稳变形的一个重要诱导因素。本文以武汉市某滑坡为研究对象,基于滑坡勘察资料及工程地质测绘,对滑坡的变形机制进行分析,采用Midas GTS有限元数值方法模拟计算不同工况下人类活动对滑坡的影响,包括坡脚开挖及坡脚回填,并从滑坡的位移、最大剪应变及稳定系数对滑坡的稳定性进行评价。

1 滑坡区地质环境

滑坡区位于武汉—阳新高速公路武汉段起点凤凰山北部,中心坐标为114°27′18″E,30°24′30″N,紧邻滑坡北侧原为一废弃采石场,经回填处理后成为垃圾填埋场,滑坡具体地理位置如图1所示。滑坡区属于亚热带湿润性季风气候区,雨量充沛,四季分明。多年平均降水量1 347.7 mm,降雨集中在4—9月,以暴雨为主。

滑坡体地形上呈现上缓下陡,后缘高程85～95 m,前缘高程约45 m,相对高差约50 m；滑坡体自然坡度约25°～35°。滑坡体植被发育,侧缘及后缘植被茂密。滑坡区属构造剥蚀残丘地貌,位于大付村短轴倒转背斜。该背斜位于流芳岭南4 km,褶皱近东西向,全长12 km,核部主要为中上统志留系砂、页岩,翼部为上泥盆统石英砂岩。

图1 地理位置图Fig.1 Geographical location map

2 滑坡特征与宏观变形

2.1 形态特征

滑坡平面形态呈舌状,横向呈不规则的“圈椅状”。滑坡后缘以走向为45°的山脊为界,两侧分别以冲沟为界,前缘为一平地,现为垃圾填埋场。滑体主滑方向为330°,全长90～140 m,平均宽度约750 m,面积约8.3×104m2,滑坡面一般埋深8～16 m,平均厚度约13m,体积约107.3×104m3,属大型(中层)顺层牵引式滑坡。该滑坡的平面图如图2所示,典型剖面如图3所示。

在滑坡体中采用“高密度点法”进行了勘察,其中在南北向、东西向分别布置剖面5条、2条(图2)，也布置了钻孔，其典型岩芯如照片1-照片2所示,选取典型纵向剖面2-2′(图4)和横向剖面7-7′(图5)来分析滑面位置。根据电阻的差异及异常,对滑带位置进行了初步推测,后结合现场钻探结果,对滑面位置进行了验证与校核,认为滑面埋深在8～16 m,平均厚度约13 m。

图2 滑坡工程地质平面图Fig.2 Engineering geological plan of landslide1.第四系人工填土；2.第四系残坡积碎石土；3.第四系冲击层卵石；4.志留系中统坟头组泥质粉砂层；5.剖面线；6.滑坡主滑方向；7.滑坡边界。

图3 滑坡3-3′工程地质剖面图Fig.3 3-3′ engineering geological section of landslide1.杂填土；2.碎石土；3.泥岩；4.泥质粉砂岩；5.推测滑带；6.第四系人工填土；7.第四系残坡积；8.志留系中统坟头组。

照片1 强风化泥岩岩芯Photo 1 Strongly weathered mudstone core

照片2 滑床泥质粉砂岩岩芯Photo 2 Core photos of argillaceous siltstone in sliding bed

图4 滑坡物探典型纵向剖面2-2′Fig.4 2-2′ Typical longitudinal section of landslide geophysical prospecting

图5 滑坡物探典型横向剖面7-7′Fig.5 7-7′ typical transverse section of landslide geophysical prospecting

2.3 变形特征

滑体上可见有醉汉林地貌特征。滑坡后壁高度约3～6 m(后壁0.0～0.6 m为残坡积碎石土,0.6 m以下为强—中风化泥砂岩),如照片3所示。处于主线道路中线左侧东部的滑坡后缘位置,发育有1条近东西走向的裂缝(走向58°),如照片4所示,裂缝张开约0.3 m,延伸长度约80 m,可见裂隙深度为0.3 m。另外滑坡体中部亦可见1～2条横向张裂缝(照片5),延伸长度10～30 m。在滑坡体中下部设置有3道干砌片石挡墙,目前挡墙均已产生明显滑移破坏。

照片4 滑坡后缘发育裂缝Photo 4 Cracks developed in the back edge of landslide

照片5 滑坡中部裂缝Photo 5 Cracks in the middle of landslide

3 滑坡变形机制分析

3.1 滑坡影响因素

(1) 地质因素。滑坡“呈长舌状”,坡度一般为25°,局部达到30°～40°,相对高差约50 m,两侧发育多条冲沟。其后缘形成的陡缓交接微地貌利于雨水入渗,为滑坡的变形提供了入渗条件。此外,坡体前缘为平地,临空条件较好,这些地形条件都控制着滑坡的形成和发展。滑坡的发生主要受易滑地层的控制,如含有软弱面或软弱层(带)的层状岩层。该滑坡发育于志留系中统坟头组(S2f)泥岩及泥质粉砂岩中,该层局部存在软弱夹层,经前期滑动、揉皱、挤压形成滑动面。在重力作用下,坡体下部的软弱层产生蠕动变形,进而牵引上部岩土体产生拉裂变形,形成宏观上可见的横向拉张裂缝。

(2) 降雨。降雨对该滑坡的变形影响较大：①雨水入渗软化了岩层,降低其力学强度；②岩土体内瞬间充水,增加了岩土体内的动静水压力,使岩土体的稳定性降低；③降雨增加了土体的自重,滑坡体表层为粉质粘土夹碎石,且易于雨水入渗,大气降雨是诱发滑坡变形的主要因素之一。

(3) 人类工程活动。滑坡区主要的人类工程活动为开采石料,滑坡前部开挖石英砂岩,且开挖方向与岩层产状基本一致,开采石英砂岩至揭露泥岩后转向开采坡角下的砂岩,从而形成高陡临空面,也暴露了潜在的滑动面,在雨水及风化作用下,加速了滑坡的变形。后坡脚开挖处通过回填,起到了一定的压脚作用,对滑坡的变形具有一定的抑制作用。

3.2 变形机制

该滑坡的变形破坏模式属于蠕滑—拉裂型。坡体是由两种性质不同的岩石构成,泥质粉砂岩相对于泥岩强度较高,形成上软下硬的结构,两种岩体的接触面逐步形成软弱面,由于坡脚人为开挖采矿,使得滑坡形成较陡的临空面,导致坡脚应力集中,在自重作用下,将沿着软弱结构面发生变形；滑坡沿着软弱面蠕滑,坡体表面形成拉裂缝,后缘拉裂下座；雨水通过后缘拉裂缝和松散的地表入渗,软化泥岩,增加坡体自重,滑坡后缘裂缝和多个剪断面逐渐贯通。随后由于对坡脚进行回填,增大了抗滑力,在一定程度抑制了滑坡变形,但一旦软弱面沿回填区贯通,滑坡仍会出现整体失稳。

4 滑坡稳定性评价

4.1 计算模型

采用图3的3-3′工程地质剖面图作为计算剖面,导入Midas GTS NX软件。模型长120 m,左右两侧高度分别为64 m、20 m。模型左右两侧施加X方向的约束,下边界施加完全约束,上边界取自由边界。岩体的初始应力场仅考虑自重应力,不考虑构造应力的影响。岩土体材料采用“莫尔—库伦本构模型”,材料属性为各向同性的平面应变单元。数值模型共有7 552个节点和7 679个单元。网格划分后的数值模型如图6所示。

图6 数值计算模型Fig.6 Numerical calculation model

4.2 岩土体物理力学参数

计算中所采用的岩土体物理力学参数根据滑坡勘查的室内试验结果、相同地区类似滑坡岩土体力学参数取值以及参数反演法综合确定,其参数具体取值见表1。

表1 岩土体物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of rock and soil

4.3 计算工况

通过分析滑坡形成机制,发现人类活动如采石场开挖坡脚以及后期的填埋,对凤凰山公路滑坡的稳定性具有重大影响,因此,主要设置以下三种工况：①坡脚未开挖前；②因采石场开挖坡脚；③坡脚采石坑回填。

4.4 计算结果

在Midas GTS中利用求解器计算,通过对不同工况下滑坡的位移、最大剪应变和稳定系数进行分析,进而探究人类工程活动对滑坡稳定性的具体影响。

(1) 滑坡位移。图7-图9为滑坡在三种工况下的水平位移云图。由图可知,工况Ⅰ和工况Ⅲ的水平位移分布较相似,最大位移处于滑坡上部,存在一个圆弧滑动面,而工况Ⅱ下由于坡脚开挖,导致坡脚的水平位移最大,前缘出现的变形牵引滑坡上部变形,形成图3中的横向拉张裂缝。为了进一步定量分析不同工况下滑坡地表不同位置处水平位移值,在滑坡表面不同位置设置监测点,如图10所示,并提取各点水平位移,如图11所示。

图7 工况Ⅰ水平位移云图Fig.7 Horizontal displacement nephogram of condition Ⅰ

图8 工况Ⅱ水平位移云图Fig.8 Horizontal displacement nephogram of condition Ⅱ

图9 工况Ⅲ水平位移云图Fig.9 Horizontal displacement nephogram of condition Ⅲ

图10 位移监测点分布图Fig.10 Distribution of displacement monitoring points

由图11可知,工况Ⅰ从坡体上部一直到坡脚,水平位移均较小,B点为5个监测点中水平位移最大位置,也仅5.83 cm,坡脚处的E点水平位移最小,为0.54 cm；

图11 各监测点水平位移Fig.11 Horizontal displacement of each monitoring points

而在工况Ⅱ下,坡体表面的水平位移分布出现了较大变化,最大水平位移位置处于坡脚开挖处,达到了160.56 cm,其坡体中后部的B点也达到了20.32 cm,主要是由于坡脚的大变形,牵引中后部坡体,导致上部坡体变形随着增大；工况Ⅲ下,滑坡水平位移分布与工况Ⅰ类似,最大水平位移依然处于B点处,但数值却增大到了23.58 cm,而坡脚的水平位移则较小,这主要是因为坡脚的回填虽增大了抗滑力,但滑坡塑性区已存在,且B点处应力集中,进而导致该点水平位移相对较大。

(2) 最大剪应变。大量实践表明,滑坡破坏的主要位置就是最大剪应变分布区域,在有限元边坡稳定性分析中,应变分析是一个重要的内容。最大剪切应变与岩土体最薄弱部位分布几乎一致,很多工程案例分析结果都表明滑坡都是沿着最大剪切应变带发生滑动的。图12-图14分别为工况Ⅰ、工况Ⅱ及工况Ⅲ的最大剪应变图。在图12中,工况Ⅰ下滑坡的剪应变基本呈条带状分布,在坡顶局部分布,但主要分布在滑坡后部第2台阶中部,一直延伸到边坡中下部,其中在边坡中后部剪应变达到最大,为0.005,形成了1个潜在的滑动带,但未贯穿,因此滑坡较为稳定；而在图13中,由于前缘采矿切坡,形成高约8 m的临空面,导致坡脚应力集中,最大剪应变自坡顶一直延伸到坡脚,呈带状分布,且全部贯通,最大剪应变出现在坡脚处,达到0.145,此时滑坡不稳定,会从坡脚剪出；图14中,前缘坡脚开挖处进行了回填且压实,可看出最大剪应变在滑坡前缘消失,其分布形似类似于工况Ⅰ,其最大剪应变依然处于边坡中后部,约为0.035。

(3) 稳定系数。根据计算,三种工况下的稳定系数的变化趋势如图15所示。在工况Ⅰ、工况Ⅱ及工况Ⅲ下的稳定系数分别为1.12、0.98、1.02。根据规范[21]来划分滑坡的稳定状态,在天然工况,工况Ⅰ即坡脚未开挖前,滑坡处于基本稳定状态,工况Ⅱ即坡脚采石开挖后,滑坡处于不稳定状态,工况Ⅲ即坡脚采石坑回填后,滑坡处于欠稳定状态。由此可看出,坡脚开挖不利于滑坡稳定,而坡脚回填则相当于前缘进行填土反压,增大了滑坡的抗滑力,利于滑坡的稳定。

图12 工况Ⅰ最大剪应变分布图Fig.12 Distribution diagram of maximum shear strain under condition Ⅰ

图13 工况Ⅱ最大剪应变分布图Fig.13 Distribution diagram of maximum shear strain under condition Ⅱ

图14 工况Ⅲ最大剪应变分布图Fig.14 Distribution diagram of maximum shear strain under condition Ⅲ

5 结论

(1) 滑坡变形失稳模式属于蠕滑—拉裂型。滑坡所处的地质因素对滑坡的形成发展起着重要的控制作用,为滑坡的形成与发展提供了条件。

(2) 人类活动诱导了滑坡变形,降雨加速了滑坡变形。由于采矿开挖坡脚,滑坡出现较大变形,而坡脚回填后,滑坡变形受到抑制；降雨降低岩土体力学强度增加了岩土体内的动静水压力,使其稳定性降低,增加了自重,加速了滑坡变形。

图15 滑坡稳定系数变化趋势图Fig.15 Variation trend of landslide stability coefficient

(3) 人类滑坡对滑坡稳定性具有重要影响。滑坡在坡脚未开挖时基本稳定；而开挖坡脚后,滑坡处于不稳定状态；坡脚回填后滑坡处于欠稳定状态。