邓立雄, 徐世光,2*, 郑庭, 吴静, 郝少雷
(1.昆明理工大学国土资源工程学院, 昆明 650093; 2.云南省地质矿产勘察开发局, 昆明 650011;3.中国有色金属工业昆明勘察设计研究院, 昆明 650051)
近年来,随着人口数量的急剧增长、工程活动的不断加剧以及全球气候的变化,古滑坡复活趋势日渐显著,对人类的生命财产安全造成了巨大的威胁[1]。例如,湖北省千将坪古滑坡于2003年7月13日凌晨复活,滑坡体积约2×107m3,造成14人死亡,10人失踪,1 200 多人无家可归,多处房屋等巨大损失[2]。四川省巴塘县茶树山古滑坡于2006年1月7日发生大规模滑动,造成大面积地面沉降、水渠错位变形、房屋受损,现今仍处于不稳定状态[3-4]。关于突发增长的古滑坡复活问题,前人已经作了许多研究。邓建辉等[5]利用测年法确定了古滑坡的发生时代,并采用强度折减法对滑坡进行稳定性评价。殷跃平等[6]在分析丹巴县城滑坡稳定性时,运用强度折减法与常用的Janbu简化法、Morgenstern-Price法、Sarma法进行了对比研究。黄达等[7]利用地质、位移监测及数值模拟方法,对巫山曲尺塔坪H2滑坡进行研究,发现在降雨-库水位涨落耦合作用下滑坡呈现出渐进式变形破坏特征。何坤等[8]通过对四川省盐源玻璃村特大型玄武岩古滑坡的研究,将复活滑坡划分为主滑区与侧滑区,认为破碎岩土体结构以及持续的降雨是滑坡复活的诱发因素。李雪等[9]通过野外地质调查、遥感解译等手段对金沙江流域雄巴巨型古滑坡进行研究,认为复活变形是多因素共同的结果,有发展成堵江、溃堤等灾害的趋势。刘莉等[10]分析了金沙江巧家巨型古滑坡的发育特征,认为在库水波动、地震与降雨等因素的相互作用下,古滑坡具有复活的可能。
目前对于古滑坡的发育特征与稳定性分析等研究较多,但是对于金沙江沿岸城镇建设区巨型古滑坡复活变形研究较少,因此现以永善东部县城古滑坡为例,通过野外调查、位移监测与数值模拟等方法,对永善县城东部滑坡的复活变形特征与不同工况下的稳定性展开研究,为西南山区城镇建设区巨型古滑坡的复活问题提供一定的参考价值。
复活滑坡位于永善县城东部斜坡地带,溪洛渡水电站正南2.8 km处。区域地形地貌切割强烈、高差起伏大,为构造侵蚀中山峡谷、沟谷地形,处于莲峰断裂、峨边-金阳断裂和马边-盐津隐伏断裂三条断裂所围限的雷波—永善三角形块体之南、“雷波—永善菱形构造盆地”中部,主要以单斜地层为主,断层、褶皱均不发育[11-12]。研究区内的基岩地层整体呈南东向,产状100°～134°∠8°～18°。斜坡下部出露致密坚硬的(P2β)玄武岩,中上部则出露T1f、P2x砂岩夹页岩碎屑岩地层。研究区属低纬度亚热带季风气候,冬冷夏热且干湿两季分明。平均相对湿度达74%,多年统计平均降雨量为691.0 mm,雨季为5—10月,全年降水量的79%～88%,其中以6—8月最多,占全年降水量58%。同时研究区具有短时强降雨现象(据统计的历年日降水量最大可达105.7 mm)。研究区的地震危险性主要来自雷波—永善三角形块体东侧的马边地震带的波及影响,在历史上曾发生过5次大于6级的强震,波及研究区的地震烈度为Ⅵ度左右。此外由于研究区紧邻金沙江溪洛渡电站,在电站蓄水后可能会存在水库诱发的多频率、小震级、低烈度地震。
整个古滑坡在平面上呈扇状向南东向散开,两侧以大瀑沟与杨家店沟为界,前缘高程约516 m,后缘高程约950 m,滑坡主轴方向上长2 620 m,横向长1 700 m,平面面积约4.21×106m2,滑体厚度15～40m、平均厚度约32 m,滑坡体积约1.35×108m3,属深层特大型滑坡(图1)。复活区H1滑块分布于古滑坡H前缘,呈扇状向南东向散开,向井底小河方向滑移,分布高程516～750 m,主轴方向上长1 294 m,横向长1 072 m,平面面积约8.49×105m2,滑动方向109°～132°,平均值约120°,滑体厚度15～32 m、平均厚度约23.5 m,滑面埋深南北两侧较中部薄,滑坡体积约1.99×107m3。复活区H2滑坡位于H1滑坡后部,呈扇状向南东向散开,向井底小河方向滑移,分布高程552～775 m,主轴方向上长250 m,横向长1 044 m,平面面积约3.43×105m2,滑体厚度15～40 m,平均厚度约28 m,总体呈后深前薄,滑坡体积约1.03×107m3。
由于古滑坡形成时间早,剧烈滑动后滑坡体经过多种变形改造,造就滑坡堆积体具复杂结构特征。滑坡堆积体表层由块石混粉质黏土组成;上部为三叠系飞仙关组砂岩、粉砂岩夹泥岩地层,为较坚硬夹软质岩组合,具易软化、泥化之典型红层的工程地质特性,部分地段缺失;中部为易软化、泥化的宣威组泥岩、沉凝灰岩等软质岩,部分地段缺失此地层;下部为坚硬完整和缺乏地形临空条件的峨眉山组玄武岩(图2)。
图1 滑坡位置图Fig.1 Location of landslide
图2 工程地质剖面图Fig.2 Engineering geology section
3.1 地表变形特征
目前滑坡区变形破坏迹象主要有裂缝、坍塌、陡坎。根据调查可知,H1滑坡与H2滑坡变形活动明显分别开始于1979年与2014年4月。裂缝、坍塌、陡坎等变形迹象主要集中在H1滑坡,在其南侧与前缘分布有7处浅表坍塌,平面均呈半月形,属老滑坡堆积体充分解体后而形成的推移式坍塌,如图3(a)所示。坍塌体最大体积约1.34×104m3,最小体积约0.9×103m3。
图3 复活滑坡变形发育特征Fig.3 Deformation and development characteristics of Reviving landslide
在现状坡体上发育规模较大的裂缝发育有71组,多集中在H1滑坡,常发育有拉张裂缝,走向多垂直于坡向,最大宽度达40 cm;剪切裂缝多平行或斜交于坡向,宽度为2～3 cm。选取H2滑坡裂缝L68与H1滑坡裂缝L32、L35与L64进行分析。其中拉张裂缝L68位于H2滑坡后缘[图3(b)],走向约为NE5°,最大宽度为2 cm,延伸长度为46 m;L32与L35均为拉张裂缝[图3(c)、图3(d)],处于H1滑坡中部,走向分别约为NE46°、SE134°,最大宽度分别为35、10 cm,延伸长度分别约为165、70 m,对附近民房均造成不同程度的损坏;L64剪切裂缝则为H1滑坡的左边界[图3(e)], 走向约为SE96°,最大宽度20 cm,延伸长度约70 m,且局部沿低洼的斜坡段延展,表层覆盖层主要为含碎石粉质黏土。陡坎发育于H1滑坡的后缘位置[图3(g)],坡面为阶梯状耕地,迹象不明显,坎高7～18m,连续发育长1 170 m,陡坎部位出露块石残留体,块石成分多为三叠系飞仙关组基岩崩滑积残留体,应为早期形成的台坎。H1滑坡有两个滑坡前缘剪出口,第一剪出口位于斜坡前缘第四系冲洪积出露顶界,与老滑坡剪出口一致,现状变形迹象不明显;第二剪出口位于S301省道东侧10～65 m的斜坡地带,分布高程548～630 m,其中在桃花里花园山庄一带的建筑出现挤胀变形[图3(f)]。
3.2 综合变形监测分析
自2014年8月—2015年6月对永善县城东部滑坡进行GPS水平位移监测,在H1滑坡区共布置了14个地面位移监测点(编号JC5～JC9、JC11～JC19),在H2滑坡区布置了5个地面位移监测点(编号JC1～JC4、JC10)。根据地面位移监测结果(表1)可知:除JC14基本没有位移,其余均出现了不同程度的位移,总体位移方向为顺坡方向。H1滑坡的左侧的变形较其他区域变形显著强烈,其中JC12、JC13的水平位移速率分别为0.66、0.60 mm/d,累积水平位移量分别为194.1、176.7 mm;H1滑坡其他区域以中部JC9的0.43 mm/d最快,最小为右侧JC15的0.20 mm/d,平均变形速率为0.30 mm/d,平均累计水平位移量为86.4 mm;H2滑块平均变形速率为0.19 mm/d,平均累计水平位移量为56.2 mm;H2滑块后部平均变形速率为0.12 mm/d,平均累计水平位移量为34.8 mm。从变形速率、位移量与位移方向三方面考虑,H1整体的位移量大于其他区域,变形速率以其他区域两倍的速率滑移,可能会出现下部位移牵引上部位移的滑动。其中H1滑块左侧JC12、JC13区域的变形速率远大于H1其他区域3倍多,可能会出现H1滑块左侧最先发生滑动。选用H1滑坡区域的JC07、JC12、JC13、JC15监测点,结合大气降雨规律,形成相邻周期水平位移速率与降雨量关系综合曲线图(图4),结果表明降雨量与相邻周期水平位移速率关联比较明显:降雨量持续减少时(8—11月),相邻周期水平位移速率也随之变小;降雨量很少时(2014年11月—2015年3月),相邻周期水平位移速率呈现出匀速状态;降雨量持续增大时(3—5月),相邻周期水平位移速率也随之变大。
地下位移监测点均匀地布设在斜坡中部,共布设了5个监测孔,其编号为:JX01～JX05。从2014年9月设置初值至2015年5月,得出深部位移监测曲线(图5)与(潜在)滑面水平位移时态(图6)及位移速率—时间曲线(图7)。
表1 地面位移监测结果Table 1 Ground displacement monitoring results
图4 相邻周期水平位移速率与降雨量关系曲线Fig.4 Relationship curve between horizontal displacement rate and rainfall in adjacent periods
图5 深部测斜位移曲线Fig.5 Displacement curve of deep inclinometer
图6 孔口地表、滑面水平位移时态曲线Fig.6 Temporal curve of horizontal displacement of surface and sliding surface at the mouth
图7 孔口地表、滑面水平位移速率-时间曲线Fig.7 Rate-time curve of horizontal displacement of surface and sliding surface at the mouth
JX01位于滑坡中后部,其测斜孔深度为20.0～21.0 m处发生了明显的位移突变,孔口地表及滑面(20.5 m)累积位移分别为29.80、32.20 mm,有整体滑动的趋势,平均位移速率为0.25 mm/d;JX02位于滑坡西南侧前缘,其深部测斜位移曲线上升较陡且较平滑,各测点的水平位移累计值较小,监测期间孔口累积水平位移为3.6 mm,目前没有明显的滑动面出现,但有逐步增大的趋势,表明滑坡该部位处于剪切蠕变阶段;JX03位于滑坡中部,其测斜孔深度为21.5～22.5 m处发生了明显的位移突变,孔口地表及滑面(21.5 m)累积位移分别为58.46、61.91 mm,平均位移速率为0.27 mm/d,有整体滑动的趋势;JX04位于滑坡中部,其测斜孔深度为19.0～20.0 m处发生了明显的位移突变,孔口地表及滑面(19.5 m)累积位移分别为41.18、35.33 mm,平均位移速率为0.60 mm/d,根据位移时态曲线,在62 d监测时间内加速变形趋势明显,变形速率持续增加,应密切关注该区域;JX05位于滑坡东侧缘中部,测斜孔深度为10.5～11.5 m处发生了明显的位移突变,孔口地表及滑面(11.0 m)累积位移分别为24.78、28.93 mm,平均位移速率为0.53 mm/d,有变形持续发展趋势。通过对各点监测结果的分析,JX2钻孔地下位移监测孔变形不明显,其余监测孔剪断位置与孔口的位移速率基本一致,位移历时曲线和位移速率变化曲线反应位移量随时序持续增大,钻孔地下位移的一致性明显,综合表明斜坡中部已经发生滑动且有不断加速变形的趋势。
4.1 参数取值
目前对于滑带土的抗剪强度参数的取值主要有室内岩土试验、工程类比与参数反演3种[13-16]。岩土试验往往受取样与试验条件的限制,数据通常比较离散;工程类比则是受到各个滑坡的客观条件的限制,具有一定的主观性;本次研究结合室内岩土试验、工程类比法以及参数反演,综合确定最后计算的岩土体参数,如表2所示。
表2 岩土体参数稳定性计算取值Table 2 Stability calculation value of rock mass parameters
4.2 工况条件
根据项目工程的地质条件以及区域的降雨环境等条件后,设定了4种工况条件,工况Ⅰ:自重;工况Ⅱ:自重+地震;该地区抗震设防烈度为7,地震水平加速度取0.15g(g为重力加速度);工况Ⅲ:考虑极端暴雨饱水情况;工况Ⅳ:极端暴雨饱水情况与地震联合作用。依据《滑坡防治工程勘查规范》(GB/T 32864—2016)[17],划分出4种滑坡稳定状态,如表3所示。
表3 滑坡稳定状态划分[17]Table 3 Classification of stable state of landslide[17]
4.3 稳定性计算
在本次计算中,选用应用较为成熟的极限平衡法,针对典型剖面的H1滑块第一剪出口、H1滑块第二剪出口与H2滑块,选择极限平衡法中可以适用于任意滑动面、且严格满足静力平衡条件的Morgenstern-Price法与Spencer法,对不同工况下的滑坡进行对比试验分析[15],通过Geostudio软件的SLOPE/W模块里的摩尔—库伦(Mohr-Coulomb)本构模型加以实现[18-20]。稳定性计算结果如表4和图8所示。
图8 稳定性数值模拟分析图(部分)Fig.8 Numerical simulation analysis diagram of stability (part)
表4 滑坡稳定性评价结果
由计算结果可知,利用M-P法与Spencer法计算的稳定性结果接近一致,稳定性评价基本一致。以M-P法为例,在自重工况下,3个区域的稳定性均大于1.15,处于稳定状态;在地震作用下,除H1滑坡第一剪出口稳定性系数为1.147,处于基本稳定状态外,其余两个区域均处于稳定,其中H1滑坡第一剪出口相较于自重工况,稳定性系数下降4.9%;暴雨作用对3个区域的稳定性影响较大,H1滑坡第一剪出口稳定性系数相对工况Ⅰ显著下降15.2%,处于欠稳定状态,与变形监测资料判断处于加速变形阶段基本一致,H2滑坡与H1滑坡第二剪出口在暴雨作用下分别为稳定状态与基本稳定状态,对比工况Ⅰ分别下降14.5%与11.9%;在暴雨与地震的耦合作用下,H1滑坡第一剪出口与H1第二剪出口稳定性系数分别为0.973与1.019,处于不稳定与欠稳定状态,H2滑坡处于基本稳定状态。基于以上分析,可以得知各滑块的稳定性状态与变形监测的结果趋于一致,且暴雨对滑坡的稳定性影响最为明显,地震的影响则次之。
据地面变形迹象、位移监测成果及稳定性计算成果分析得知:H1滑坡存在二个剪出口,目前挤胀变形最强烈地段是第二剪出口,当从第二剪出口滑移破坏后,大量滑体覆盖于下方滑体上,引发下方滑动并从第一剪出口剪出。H2滑坡现处于蠕动变形阶段,随着时间延续,H1滑坡快速滑移时将牵引H2滑坡或者为其留下位移空间;另一方面在暴雨、地震等不利作用下,H2滑坡也将进入快速滑移阶段,或与H1滑坡同时进入加速滑移破坏阶段。临近H2滑坡后缘的城镇聚居区,在H2滑坡进入快速滑移阶段后,此地段将受H1滑坡牵引或者其前缘“临空”,促使古滑坡复活,进入整体蠕动变形阶段,对城镇居民生命财产威胁巨大。
对永善县城东古滑坡的变形特征进行综合分析,选取变形程度剧烈的区域进行稳定性分析,并且选用两种通用的方法进行多工况下滑坡稳定性的分析与验证,得出以下结论。
(1)永善县城古滑坡在平面上呈“圈椅状”,滑坡体平均厚度为32 m,滑坡体积为1.35×108m3,属深层特大型顺层滑坡。古滑坡上复活主要集中在H1滑坡的中前部,发育有多条拉张裂缝与多处坍塌,相比之下H2滑坡变形程度较弱,迹象不明显。
(2)目前变形强烈的区域主要集中H1滑坡区,最大水平位移速率与最大水平位移量分别为0.66 mm/d与194.1 mm,处于加速变形状态,有整体滑动的趋势;H2滑坡区变形速率小,平均水平位移速率为0.19 mm/d,处于蠕滑变形阶段;H2滑坡区上部为城镇区域,处于稳定阶段。
(3)根据典型剖面的稳定性分析,M-P法与Spencer法两种极限平衡方法得到的评价结果基本一致,在暴雨与地震耦合作用下,H1滑坡整体处于欠稳定-不稳定状态,H2滑坡处于基本稳定。这与宏观变形迹象和地面位移及地下位移监测资料判断H1滑块处于加速滑移变形阶段,H2滑块处于蠕动变形阶段相符合。
(4)通过4种工况的对比分析与位移监测的统计,发现不同区块的变形程度差异较大,且暴雨对其稳定性影响均远大于地震。对于后期的防治,一是加强截排水措施;二是加强滑坡位移监测;三是采用分级支挡原则分阶段实施抗滑支挡工程,可以根据监测成果对已实施抗滑支挡工程防治效果进行评价,对下一阶段拟实施的抗滑支挡工程设计进行调整。
(5)根据变形趋势分析,H1滑坡第二剪出口变形剧烈时会有大量滑坡体覆盖下方滑体,使H1滑坡第一剪出口稳定性较差,附近滑体滑动,从而将进入到破坏阶段。若对H1滑坡不加以防治,当H1整体滑动时会牵引H2滑坡发生加速滑动,促使古滑坡整体复活,对H2滑坡上部的城镇聚居区造成严重的威胁。
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