某不稳定斜坡变形破坏特征及稳定性分析

第４８卷第４期　２０１２年４月　甘肃水利水电技术　ＧＡ／ｑＳＵＷＡＴＥＲＲＥＳＯＵＲＣＥＳＡＮＤＨＹＤＲＯＰＯＷＥＲＴＥＣＨＮ０ＬＯＧＹ　Ｖｏ１．４８．Ｎｏ．４　Ａｐｒ．，２０１２　・设计与研究・　某不稳定斜坡变形破坏特征及稳定性分析　李金标，陈　华　（成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都６１００５９）　摘要：通过对现场调查、勘探及试验等成果的分析，研究不稳定斜坡地质环境、岩土体结构特征、变形破坏特征、影响　因素及形成机制，并对其稳定性做出定性评价、定量分析。结果表明，不稳定斜坡的发生、发展过程与地形地貌、地质　构造及地层岩性等内部因素密切相关；而气象、水文、地震等内外动力条件则是致使该不稳定斜坡形成和发展的主　要诱发因素，目前斜坡处于整体稳定状态，局部存在表层滑塌。　关键词：不稳定斜坡；变形；破坏；稳定性分析　中圈分类号：Ｐ６４２．２２　文献标志码：Ａ　文章编号：２０９５—０１４４（２０１２）０４－００１８—０３　１　前言　汶川大地震引发了大量的崩塌、滑坡等次生地　质灾害，严重的威胁到交通、民房和安置点。潜在不　稳定斜坡因其隐蔽性可能造成更大的威胁。该不　稳定斜坡一旦失稳后，将直接危及斜坡体内该１Ｏ　户４２人的生命财产安全以及斜坡前缘乡村公路，　直接经济损失约３００万元。需对其变形破坏机制　及稳定性作出明确的分析评价，主动防治灾害的　发生。　能较好，承载力较高。　该潜在不稳定斜坡区位于石大关弧形构造体系　北西翼，断裂构造不发育，褶皱发育。新构造运动的　特点是，区域性地壳急剧上升并伴随断裂活动。地　震动峰值加速度值为Ｏ．１０　，地震动反应谱特征周　期０．４５　Ｓ。　３斜坡结构及变形破坏特征　３．１斜坡结构特征　２工程地质环境条件　该潜在不稳定斜坡倾向近于正北方向，平面似　马蹄形，空间上为一圈椅状地形，高程２　４３０～２　６００　ｎｌ，整体为陡缓相间的斜坡，左侧为常年流水冲沟，　右侧为一明显的凹槽。据勘探结果，坡体剖面形态　该潜在不稳定斜坡区属高原气候区域的波密一　川西气候区，多年平均气温９℃，干、雨季分明，雨季　集中在６—９月，多年平均降水量８３５．８　ＩＴｌｍ．多年平　均地面蒸发量１　５８２．２　ｍｍ，平均相对湿度６５％。　该潜在不稳定斜坡区处青藏高原东南缘横断山　脉北端岷山与邛崃山脉交汇处，地形变化的总趋势　是西北高而东南低。属于构造剥蚀侵蚀高中山区．地　层主要为第四系全新统残坡积物（Ｑ４ｄ砌）、晚更新统　为：前缘坡度约６０。，民房至前缘段呈阶梯状，陡缓　相间，平均坡度３４ｏ，民房处至后缘平均坡度２２ｏ，后　缘坡度３０。，潜在滑面为基覆界面，上覆残坡积含碎　砾石粉土及碎块石土。下伏炭质千枚岩。　斜坡中部的民房前缘陡坎基岩埋藏浅，结合斜　坡体变形特征，将该潜在不稳定斜坡体分为两级潜　在滑体，斜坡中后部为Ｉ级潜在滑体．中前部为Ⅱ级　冰积物（Ｑ　）及泥盆系危关群上组（Ｄｗｇ２）。泥盆系危　关群上组为的炭质千枚岩、钙质千枚岩与灰色薄一　中层石英岩互层．受构造及表生风化影响岩体较破　碎，岩体力学性质较差。各类土体因形成环境的差　潜在滑体。Ｉ级潜在滑体厚５～１１　ｍ，面积约２．３４万　ｍ２，体积约１７．５万ｍ３，为潜在的中型滑坡；ＩＩ级潜在　滑体厚５～１２　ｍ，面积约３．２万ｍ　，体积约２４．０万ｒｌｌ。，　异，物理力学性质差异明显。残坡积物广布于斜坡　的表层，主要由碎石土及含碎砾石粉土组成，呈松　散一稍密状态，工程地质性能较差，承载力较低。冰　为潜在的中型滑坡。　（１）潜在滑体特征：为第四系残坡积碎块石土、　含碎砾石粉土。含砾粉土：褐黄色，松散一稍密。碎砾　石含量１５％～２５％，孔隙较发育，结构较松散，工程地　质性能较差。主要分布在斜坡中后部民房区域。厚　积物主要由碎石土组成，以角砾、粉粒及黏粒充填，　结构较密实，胶结程度一般，厚度较大．工程地质性　收稿日期：２０１２—０４—１０　作者简介：李金标（１９８７一），男，河南周口人，硕士研究生，主要从事岩土体稳定性评价、灾害控制及其工程环境效应等方面的生　产及科研。　１８　・　・　第４期　李金标．等：某不稳定斜坡变形破坏特征及稳定性分析　第４８卷　度为１．５～３．９　ｍ。碎块石土：灰黑色、灰色，母岩成分　（２）坡体结构及岩土体类型：斜坡体主要由第　主要为千枚岩、石英岩等。碎块石大小混杂，最大可　四系残坡积物碎石土组成，物质结构较松散，有利于　见１．５　ｍ。厚度变化较大，一般为５～ｉｏ　ｍ。呈松散一稍　雨水的下渗，由于千枚岩为相对隔水层，为斜坡提供　密状态，表部松散层孔隙发育，结构松散，工程地质　了潜在滑移面条件。下伏基岩岩层产状与斜坡坡向　性能差．易发生垮塌及滑塌。下部稍密层土体工程　相一致．为顺向坡，降低了斜坡体稳定能力。　地质性能较好，自稳能力较高。　（３）地下水：斜坡所在区域的多年平均降水量　（２）潜在滑床特征：为泥盆系危关群上组　８３５＿８　ｍｍ，降水量虽不大，但是降雨具有集中、强度　（Ｄｗｇ２）、的炭质千枚岩与钙质千枚岩互层。产状为　大的特点，这种连续集中、大强度的降雨对斜坡的稳　２８７／＿＿３２。，斜坡坡向近于正北方向，构成一顺向坡。　定性够成了极大的威胁。　由于受石大关弧形构造体系及其次级构造影响，节　（４）地震：斜坡所处区域现今时期地壳上升速　理裂隙发育，且受物理风化及植物根系作用，岩体整　度在逐渐加快，新构造运动剧烈。且勘查区位于松　体均较破碎，强风化带较厚，为７．Ｏ～１１．６　ｍ。下伏基　潘一龙门山地震带上，由茂县经较场坝至漳腊岷江　岩顶面起伏较大，呈折线形，且在民房前缘陡坎附近　干流沿线地震活动频繁且强烈。地震对该斜坡的稳　基岩埋深较浅，仅为３．０～４．０　ｍ，且倾角较小，滑床面　定性有着决定性的作用。斜坡中后部产生的拉裂缝　倾角为２０ｏ一３９。。　即为“５．１２”汶川大地震所致。　（３）潜在滑动带特征：据钻探取芯，残坡积碎块　（５）人类工程活动：房屋修建造成坡体加载，农　石土与炭质千枚岩接触面为潜在滑动面，为黏粒含　耕灌溉活动及人工开挖形成临空面，均是造成斜坡　量相对较高的碎角砾土，似千枚岩全风化产物，含水　蠕动变形的因素。　量较高，厚２０～３０　ｅｍ。潜在滑动面顶面埋深在纵向　４．２变形破坏机制　上变化大。上部Ｉ级滑动体为５～１１　ｍ，下部Ⅱ级滑　斜坡中部变形部位地形坡度陡，前缘临空，为坡　动体为５—１２　ｍ，民房前缘陡坎附近相对较浅，为　体提供了良好的应力释放空间；“５．１２”汶川大地震　３．０－４．０　ｍ。　的发生及其频繁余震的累积效果使影响范围内岩体　３．２斜坡变形破坏特征　结构松动，结构面强度降低。致使斜坡上的表部覆盖　在“５．１２”地震以前。该斜坡历史上未曾出现过　层发生变形。　明显的变形迹象，处于稳定状态。地震后，斜坡中部　任不稳定斜坡自然演化，暴雨工况降雨人渗，土　地面产生了两条拉裂缝，Ｌｌ走向１４０。，长１０　ｍ，宽　体处于暂时饱和状态，孔隙水压力增大，土体间的有　２０～３０　ｅｍ，深５０　ｅｍ；Ｌ２走向与斜坡大致平行，约为　效应力降低，使得土体抗剪强度降低，自重的增加，　９０。，延伸长约１０　ｒｎ，宽约２０　ｅｍ，深３０～５０　ｃｍ；房屋　下滑力增大，抗滑力降低。另外，斜坡中部（民房前　亦出现了竖向拉裂缝及垮塌现象。斜坡后缘发生过　缘）有很好的临空面，为斜坡提供了天然剪出口，进　浅表层的滑动下错，下错高度约２０　ｅｍ，延伸长２Ｏ　而使得斜坡存在沿着基伏界面在中前部的民房前缘　余米，走向近东西向；斜坡前缘有渗水点出露。根据　剪出的可能，潜在变形破坏模式为沿基覆界面的推　现场调查及访问，２００８年８、９月份的雨季，斜坡中　移式土质滑坡。　部及后缘拉裂缝均有轻微的发展，而且斜坡前缘有　结合勘探及地面工程地质测绘综合分析，中部　出水点，说明斜坡变形有加剧的趋势。根据斜坡所　的裂缝为斜坡体在自重应力下的拉裂变形，仅为局　处地形地貌特征及目前的变形迹象。该潜在不稳定　部变形，不属于整体变形迹象。该斜坡仍处于缓慢　斜坡目前处于蠕动变形阶段。　蠕动变形阶段，未形成统一的滑（面）带。　４影响因素与变形破坏机制　５稳定性分析评价　４．１　影响因素　５．１　计算模型与工况　该斜坡产生变形的主要因素有：地形地貌条件、　该潜在不稳定斜坡潜在滑面为基覆界面，呈折　坡体结构及岩土体类型和性质、大气降雨、地震以及　线形。采用刚体极限平衡法的传递系数法进行定量　人类工程活动。　分析。选取１—１　、２—２　、３—３　剖面的潜在滑动面划分　（１）地形地貌：斜坡区处于构造剥蚀侵蚀高中　条块进行计算评价，具体条分情况见图１、２、３。　山地貌，整体坡度较陡。从微地貌单元来讲，在斜坡　考虑到影响斜坡稳定的主要因素为降雨，计算　前缘有良好临空条件的陡坎。此条件为该不稳定斜　工况分为３种：①天然工况：自重；②暴雨工况：自　坡发生的控制因素。　重＋暴雨；③地震工况：自重＋地震（校核工况）。　２０１２年第４期　甘肃水利水电技术　第４８卷　５．３稳定性计算结果　经计算，不稳定斜坡在各工况下的稳定性系数　图１　１—１　剖面潜在滑面条分图　图２　２—２　剖面潜在滑动面条分图　５．２参数选取　坡体碎石土重度取值结合现场大重度试验、和　工程类比．含碎砾石粉土饱和重度值为２１．１　ｋＮ／ｍ３，　碎块石土取２３．６　ｋＮ／ｍ。。抗剪强度取值综合各方面　考虑，由于上部Ｉ区产生过拉裂缝，变形较明显，反　算法及工程地质类比有较大的相似性权重取值适当　偏大，因此，室内试验指标权重取０．２；工程地质类比　指标权重取Ｏ．３；反算指标权重取Ｏ．５。经计算，最终　取值见表１。另外，由于下部Ⅱ区潜在滑动由于变形　较弱，抗剪强度指标主要参考试验数据。　表１　潜在滑带土抗剪强度取值　・２０・　及稳定状态见表２。　表２斜坡稳定性计算结果　根据计算结果显示，该潜在不稳定斜坡１—１　剖　面在各种工况下均处于稳定状态．２—２　及３—３　剖面　上部Ｉ级潜在滑动面在天然状态下处于稳定状态，　在暴雨、地震工况下处于基本稳定状态，在暴雨工况　安全系数为１．１０时，２—２　剖面的剩余推力为１２５．７２　ｋＮ／ｍ，３＿３　剖面的剩余推力为２５＿７　ｋＮ／ｍ；２＿２　及３－３　剖面下部Ⅱ级潜在滑动体在天然状态下处于稳定状　态，在暴雨、地震工况下处于基本稳定状态，暴雨工　况安全系数为１．１０时，其剩余推力为４３６．２６　ｋＮ／ｍ，　３—３　剖面的剩余推力为３８２．６４　ｋＮ／ｍ。　上述稳定性计算结果与不稳定斜坡的变形情况　和斜坡稳定性定性评价是完全相符的。但同时说明　该不稳定斜坡存在使其继续向滑动失稳发展的下滑　推力。　６结语　作者以该不稳定斜坡体为研究对象，分析了其　变形破坏特征，明确了其变形破坏机制，对防治措施　的选取具有指导意义。同时认识到，该潜在不稳定　斜坡局部出现变形，整体处于稳定状态，但任其自然　发展．存在沿基覆界面发生推移式土质滑坡的可能，　一旦发生滑动．直接损失和间接损失都较大，且严重　影响当地社会社会安定。因此，建议尽快采取行之有　效的措施及时防治该斜坡。　（下转第２３页）　第４期　龙海涛，等：边坡稳定性计算中蒙特卡洛法的运用　第４８卷　不同的边坡具有不同的工程地质环境中，所以导致　即定量分析方法、定性分析方法方法和不确定性分　在不同边坡稳定性分析方法又各具各自的使用条件　析方法。　和特点特点，所以，在开展边坡稳定性计算前，应按　采用传递系数法计算该边坡稳定性系数时，Ｆｓ＝　具体的边坡的地质条件，正确的选用与之相应的分　１．４：另采用ＦＬＡＣ　有限差分数值计算方法计算时，　析手段。边坡稳定性评价方法大致可以分为三大类，　Ｆｓ＝１．０５，其中计算结果及剪应力增量见图４。　图４边坡ＦＬＡＣ∞有限差分数值计算结果分析图　通过对比分析，边坡稳定性分析时，采用　法，风＝１．０５更趋于危险；采用传递系数法，　＝１．４　ＦＬＡＣ　。有限差分数值计算方法，　＝１．０５更趋于危　趋于保守。该两种方法在强度参数Ｃ、西取值时均　险；采用传递系数法，　１．４趋于保守。　未考虑参数的随机性。用蒙特卡洛法对边坡进行稳　７结论　定性分析，其结果在工程实践中更符合实际的工程　（１）在蒙特卡洛分析土坡稳定时，其基础是确　情况。　定土性指标的特征值分布情况。然而在岩土工程中，　参考文献：　这方面的实现是很困难的，必须收集大量的原始数　［１］姚耀武，陈东伟．土坡稳定可靠度分析［Ｊ］＿岩土工程学　据，并对其进行整理和详细分析。通过本文的研究　报，１９９４，１６（２）：８０—８７．　可以看出，采用蒙特卡洛随机抽样分析法在确定土　［２］徐钟济．蒙特卡洛法［Ｍ］．上海：上海科技出版社，１９８５：　体的不确定性方面效果更好［５］。　１０－２４．　（２）利用蒙特卡洛概率分析法的原理，通过　［３］苗聚昌．概率风险分析中蒙特卡洛方法的研究与应用　［Ｄ］．天津：天津理工大学，２００９．　ＭＡＴＬＡＢ编程计算得到绵遂高速某边坡的蒙特卡　［４］汪敏，刘东燕．滑坡灾害风险分析研究［Ｊ］．工程勘察，　洛法计算稳定性系数　＝１．２９２７；失稳概率Ｏ．０２。　２００１，２９（２）：１－６．　（３）采用定量的边坡稳定性分析方法进行边　［５］李强，管昌生，周武．基于Ｍｏｎｔｅ－－－Ｃａｒｌｏ法的滑坡稳定可　坡稳定性分析．采用ＦＬＡＣ３Ｄ有限差分数值计算方　靠性分析［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００１，２０（Ｓ１）：３６－４０．　（上接第２Ｏ页）　参考文献：　［１］张倬元，王士天，王兰生．工程地质分析原理［Ｍ］．北京：地　［３］许强，黄润秋，巨能攀，等．边坡岩体块体稳定性分析　质出版社，１９９４．　系统的开发与研究［Ｊ］．工程地质学报，２００１，９（４）：４０８—　［２］黄润秋，许强．中国典型灾难性滑坡ＥＭ］．北京：科学出　５１３．　版社，２１３０８．　［４］ＤＺｆｒ　０２１８－２００６，滑坡防治工程勘查规范［ｓ］．