某工程廠址古滑坡變形演化機制及穩定性研究

黃 達，李子曄

（河北工業大學土木與交通學院，天津 300401）

0 引言

古滑坡是斜坡長期復雜演化過程的產物，古滑坡災害嚴重威脅著工程設施和人類生命安全，對資源環境以及財產經濟造成巨大損失[1-4]。2014年美國Oso古滑坡發生大規模復活，山體滑坡波及范圍甚廣，復活體積達830萬m3，Oso近五分之一區域被泥石淹沒，造成43人死亡[5]；2017年四川雷波縣城東側邊坡由于修建公路開挖以及強降雨導致古滑坡復活，摧毀在建道路，堵塞坡腳東邊溝[6]。近年來對古滑坡和工程選址的關注和研究越來越多[7-8]。

地形高陡、地質環境復雜以及滑坡等地質災害頻發為我國西南高山峽谷地區普遍的地質環境，但因其滑坡堆積區經常具有較好的地形、水源、土地以及交通條件，在古滑坡上修建各種建筑物以求合理利用土地資源已成趨勢，越來越多的鄉鎮或者企業建筑不可避免的選址于此[9]。因山區的土地使用較為緊張以及貴州省習酒鎮新寨片區古滑坡堆積體旁鄰的桐梓河有著利于較好制酒的水源，經過綜合考慮習酒廠址選址于此。根據現場調查以及地質勘察發現，該古滑坡具有山區地形地貌，有著山區微地貌以及局部陡坎等不利地形，要在其進行大規模的建筑群的建造，必然會對古滑坡堆積體產生一定程度上的擾動，故選擇習酒廠址區域作為研究區對古滑坡發生的變形以及穩定性進行研究。

古滑坡體上能否進行建筑的關鍵在于古滑坡體的穩定性和穩定程度的確定。楊忠平等[10]探究庫區堆積層滑坡體在地形地貌、地質巖性、斜坡構造、降水和庫水波動等關鍵影響因子下的變形分布和發育規律，闡述了作用機理，為庫區滑坡總體防治提供了科學指導。游昆駿等[11]基于對皖南山區陽臺古滑坡的地質勘察，運用三維有限差分數值模擬結合極限平衡理論對其古滑坡的穩定性進行了詳細研究；穆景超等[12]確定某古滑坡復活變形的主要影響因素為坡體開挖，并以數值模擬結果分析了斜坡的破壞模式；陳國慶等[13]基于動態和整體強度折減法的邊坡動態穩定性評價方法，分析邊坡漸進失穩過程中的穩定性狀況，實現了對邊坡失穩全過程的分析調控；許建聰等[14]采用三維大變形彈塑性接觸有限元算法等結合柘州嶺碎石土滑坡工程實例，分析了該類型滑坡穩定性；夏園園[15]基于ABAQUS 有限元強度折減法對邊坡的穩定性進行分析；李世貴等[16]基于極限應變判據，建立邊坡破壞的動態局部強度折減方法，對邊坡中某些單元進行強度折減，來分析邊坡的漸進性破壞及其穩定性。雖然前人已對滑坡的穩定性做了大量研究，但不同滑坡具有各不相同的地質地形條件，這將導致其變形演化機制以及穩定性千差萬別。本文以習酒廠址古滑坡為研究對象，結合地質勘察以及數值模擬方法對其變形演化以及穩定性進行研究，分析該滑坡體可能發生的變形破壞以及破壞區域，及時對坡體進行加固防護處理，研究結果對該古滑坡堆積體上密集建筑群建造活動的開展提供了重要的理論依據以及同類滑坡地質災害防治提供參考。

1 地質背景及古滑坡基本特征

1.1 地理位置及地形地貌

古滑坡堆積體位于貴州省習水縣習酒鎮。習酒廠址研究區位于習水縣習酒鎮以東的新寨片區（見圖1a）），研究區的概貌如圖1b）所示。2019年9月的現場工程地質勘察揭示了古滑坡體的基本特征。研究區所處的碎石土滑坡在平面上呈現矩形并呈北高南低，西高東低，處于斜坡地帶，其主滑方向約為161°，坡體的長度約為990 m，寬約480 m。經過地質勘測進行鉆孔所推測得到的滑體平均厚度約為40 m，體積約為1.956×107m3，屬于大型堆積古滑坡建筑場地。

圖1 研究區位置a）及其概貌b）Fig.1 Location a)and outline b)of the study area

研究區域的水系為長江水系一級支流赤水河的支流桐梓河，地貌組合類型為侵蝕型中低山河谷斜坡地貌，擬建場地位于桐梓河右岸斜坡臺地，地域海拔高度為331.10～575.82 m。場區為山區地形，地形起伏較大。廠址區域北高南低，西高東低，原始地形坡度10°～16°，局部為陡坎。

1.2 巖土體物質特征

根據現場巖石鉆探情況以及巖石取樣試驗結果，古滑坡的典型地質剖面如圖2所示。該研究區域的堆積體主要為碎石土（Q4col+dl），為黃褐色，物質成分為灰巖、泥灰巖巖塊混粘土，粗顆粒粒徑，主要在20～90 mm，含量大于50%，偶見較大塊石，最大粒徑為1 000 mm，粒間充填可塑粘土，透水性強。區域分布較均勻連續，厚度及橫向分布無明顯規律特點，局部碎石粒徑差異大，局部有缺失尖滅現象。其中塊石為灰色、灰白色，主要成分為灰巖，巖質較硬，粒徑主要在0.2～1.5 m，偶見粒徑2.0～4.5 m。棱角形為主，粗顆粒粒徑差異大，粒間充填粘土，局部無充填，結構稍密。碎石土堆積層厚度為20～60 m 不等?；鶐r主要為志留系下統龍馬溪組灰巖（S1l），薄至中厚層灰巖，灰色、灰白色，節理裂隙較發育，少量炭質礦物，充填物主要為方解石，少量粘土充填，局部無充填，見方解石脈及團塊。根據風化程度大致為中風化灰巖，為較硬巖。

圖2 典型工程地質剖面圖Fig.2 Typical geological profile

1.3 水文地質條件

場地地處桐梓河右岸的斜坡坡地，地勢較高，地下水的埋藏條件嚴格受地形、地層巖性以及地表水的補給來源控制。場地原始地形為丘陵緩坡，非常有利于大氣降水和地表水的徑流和排泄。場地的基準排泄面為桐梓河，河水水位標高約為340 m，低于擬建場地約180 m，地下水埋藏較深。場地為地下水的補給徑流區，場地巖土層的透水性較好，地表水可以快速的下滲到基巖面以下并經基巖的裂隙徑流補給桐梓河。由記錄數據表明，約有80%的降水主要集中發生在6月至9月之間的雨季。

1.4 破壞變形特征

習酒廠址位于碎石土古滑坡堆積體，其形成過程復雜，結構較為松散，在降雨、人為擾動等內外因素作用下，滑坡出現明顯變形，進而再次誘發滑坡地質災害。根據資料以及現場調查，記錄了習酒廠址所處古滑坡的既有變形特征，變形的主要跡象包括地面裂縫、道路破裂以及局部滑塌現象。

在滑坡上部原有居民樓區附近的地面出現裂縫，裂縫長度約為7 m，裂縫斷斷續續并未完全貫通，目前裂縫已被灌漿處理（見圖3a））。在雨水的沖刷下，坡體上部出現局部的碎石土體的滑塌（見圖3b）），現已用鐵絲網加砂漿覆蓋進行臨時加固。在習酒廠址的區域內，滑坡體上有局部陡坎，在長期的風化以及雨水作用下極易發生局部的滑塌現象（見圖3c））。在坡體右部自上而下的已修建的道路上出現了部分面積的坍塌和破裂（見圖3d）），已經影響了當地居民的正常使用，現已用水泥砂漿重新覆蓋澆筑，以免發生更嚴重的破壞。在調查中發現，有一些早期的裂縫因時間較為久遠已經被一些土體和雜物所覆蓋不易被發現。

圖3 習酒廠址滑坡變形特征：a）坡表裂縫；b）降雨引起的滑塌；c）局部陡坎處滑塌；d）道路坍塌、張裂Fig.3 Deformation features of the Xijiu site landslide:a)Surface crack of slope body;b)slide caused by rain;c)partial slide at steep slope;d)the collapse and cracking of roads

2 數值模型的建立

2.1 強度折減法

為了研究習酒廠址所處古滑坡的變形演化過程及其穩定性，現采用強度折減法，即該方法是在理想彈塑性有限元計算過程中將滑坡巖土體抗剪強度參數不斷降低直到達到破壞狀態或計算不收斂為止[17-18]。該方法的實質是通過修改材料參數，改變屈服空間的大小，使得結構體的應力發生變化，直到整個體系不平衡，與此同時能夠得到強度折減系數Ks，即滑坡體的穩定性系數。

折減后的抗剪強度參數可分別表達為：

式中：c和φ分別是土體的粘聚力和內摩擦角；cm和φm分別為強度折減系數折減后的粘聚力和內摩擦角；Ks為強度折減系數。

2.2 參數選取

巖土體有關的數值模擬計算材料參數取值根據已有的地勘資料以及滑坡簡化模型進行參數反演綜合取值，具體的各巖土體物理力學取值如表1所示。

表1 巖土體物理力學參數Tab.1 Physical and mechanical parameters of rock and soil mass

2.3 模型建立

通過野外地質勘察發現，該滑坡為典型的碎石土堆積體古滑坡，建筑場地部分區域較為陡立，地形起伏較大，該部位可能會發生局部的崩塌，同時此滑坡研究規模較大，傳統的二維穩定性分析不能很好的對其作出準確的評價，故而對建筑場地研究區域進行三維建模來更好的符合其實際的情況。

結合新寨片區古滑坡建筑場地的等高線、地形地貌、巖體結構等特征，建立概化三維有限元數值模型，滑體為碎石土，厚度約為20～60 m，平均厚度約為40 m，下伏基巖為中風化灰巖。建造的模型如下：長1 300 m、寬480 m、高275 m，計算模型采用四面體實體單元進行網格劃分，對碎石土堆積體的部分網格進行加密以保證計算的精度，如圖4 所示。使用Mohr-Coulomb 彈塑性模型進行計算，模型四周以及底面邊界采用位移約束，上表面為自由面，使其只受豎直方向的重力作用，忽略其他的應力作用（對滑坡堆積體的穩定性影響較?。?，采用Abaqus有限元分析該擬建場地的位移場、塑性區等特征量的變化情況，來研究其穩定性以及可能的破壞模式。由于擬建場地穩定的地下水位較深，對滑坡體以及后續建筑施工影響較小，故而在計算中忽略地下水的影響。

圖4 古滑坡模型幾何示意圖Fig.4 Geometric sketch of ancient landslide model

3 古滑坡穩定性數值模擬分析

3.1 變形特征分析

對巖土體的抗剪強度參數不斷進行折減后，滑坡體失穩破壞時的總位移及其位移矢量云圖如圖5 所示，從中可以分析得到滑坡體發生位移的區域分布。由圖5 可知，坡體發生位移的區域分布較為明顯集中，主要發生在古滑坡體的中上部以及中下部位置。而那些較大位移值主要在左邊緣處的中上以及中下部位置，這與碎石土滑坡體的地形地貌密切相關，可以看出左中上部的局部陡坎以及左中下部的微地貌對滑坡體的變形穩定有著極大的影響。但從總體來看，整個滑坡體并不會發生整體滑動破壞，即表現為局部滑移失穩破壞。圖5 中對滑坡體所產生較大位移處的位移矢量圖進行放大，可分析得到古滑坡堆積體總體沿著邊坡坡向發生滑動，坡體主要變形發生在碎石土堆積體上，位移矢量與坡體表面所成角度較小，極有可能坡體的左中上部以及中下部會在基覆界面附近從坡體的臨空方向滑移剪出破壞。

圖5 滑坡總位移及其矢量云圖Fig.5 Total displacement vector nephogram of landslide

圖6 為滑坡體破壞時的3 個不同截面1-1’、2-2’、3-3’（見圖4）的等效塑性應變云圖。等效塑性應變是整個變形過程中塑性應變的累計結果，滑坡體各部分等效塑性應變的大小并不同，從左到右3 個截面等效塑性應變值逐漸減小，等效塑性應變最大值位于截面1-1’，在整個滑坡變形過程中此截面附近的變形最大為危險截面。對于整個滑坡來說，等效塑性應變在坡向上的分布并不均勻，可以看出等效塑性應變值的分布在每個截面上均呈現中上部最大，中下部次之，中部最小的分布特征，滑動面在基覆界面附近。所以整個滑坡在中上部變形較大穩定性較差，基本處于局部失穩狀態，但其中部的等效塑性應變很小具有一定的抗滑能力，這就使得不易發生整體失穩破壞，而發生兩部分的滑動破壞。

圖6 不同截面的等效塑性應變云圖Fig.6 Nephogram of equivalent plastic strain at different cross sections

如圖7 所示，選取最危險截面1-1’對其進行分析。根據圖7 中5 個監測點的位移演變情況，將滑坡變形大致分為3 個階段。第1 階段的主要變形發生在左中上部的局部陡坎位置，主要在A點和B點發生位移增長，C-E點附近也有位移產生，在A點和B點附近可以觀察到相對較大的位移，此時位移最大值約為0.15 m，在監測點附近有不同程度的裂縫出現，這表明失穩首先發生在左中上部的局部陡坎位置。第2 階段在第1 階段的基礎上繼續破壞，位移在A點和B點顯著增大（位移約從0.15 m 增加至0.5 m），左中上部的陡坎位置發生局部滑塌，C-E點處的位移逐漸增加，此附近的堆積體出現拉裂破壞有失穩滑動的趨勢。第3 階段為完全破壞，此階段C-E點附近處的位移快速增加到0.6 m 左右，接著發生失穩滑移破壞。兩次先后滑動破壞分別發生在A、B點和C-E點周圍的土體，依次沿著坡體方向向其臨空面滑出破壞。

圖7 監測點位移隨強度折減系數變化曲線Fig.7 Displacement curve of monitoring point with strength reduction factor

3.2 穩定性分析

在進行數值模擬計算中，進行了地應力平衡計算以便于消除在長期自重作用下所產生的影響。根據數值計算過程可知，在長期自重作用下，整個堆積體沒有發生較大的變形，基本上處于穩定的狀態，只有局部的陡立區域在其表層出現了微小的位移變形現象，這與圖3c）所示的現場局部陡坎處的滑塌相吻合。降雨主要會對該滑坡的物理力學參數以及滑動面產生影響，碎石土滑坡在暴雨條件下，會引起土體內部結構發生變化，一些細顆粒土體會發生遷移，雨水快速滲流，易轉變為飽和狀態，從而使得土體的抗剪強度降低、土體加重，在該分析中采用暴雨飽和狀態下計算參數來簡化降雨對其所產生的影響。以滑體的位移突然出現拐點時為臨界破壞，此時對應的強度折減系數即為安全系數，由此可以得到局部穩定性系數，以計算不收斂時的強度折減系數作為整體穩定性系數取值的依據[19-21]。如表2所示可以得到不同工況下的穩定性系數。

表2 不同工況下的穩定性系數Tab.2 Stability coefficient of landslide under different working conditions

參照《公路滑坡防治設計規范》（JTG/T 3334—2018），坡體穩定性控制標準為：工況1 下的穩定性系數控制標準為1.30，工況2下穩定性系數控制標準為1.20。工況1下局部穩定系數為1.254，處于欠穩定狀態，整體穩定性系數為1.641，處于穩定狀態；工況2下局部穩定性系數為1.012，處于不穩定狀態，整體穩定性系數為1.226，處于較為穩定狀態。由此可知，天然狀態下該滑坡較為穩定，易發生局部的滑塌，但不易發生整體失穩破壞。在暴雨飽和狀態下，相比于天然狀態下坡體的穩定性有了一定的下降，可見受到暴雨的影響坡體局部陡坎位置極為不穩定，坡體前緣處也更易發生失穩滑移破壞。但暴雨條件下并沒有改變滑坡整體失穩破壞的變化趨勢，只加速了坡體發生破壞[22-23]。

4 演化機制

本研究在對現場調查以及數值模擬分析的基礎上，分析了習酒廠址所處古滑坡的特征和破壞失穩演化機制。在現場調查時可以看出此滑坡具有一定的山區微地貌以及局部陡坎現象，由此會出現局部的滑塌，發生的局部滑塌如圖3c）所示，這與數值模擬的結果一致。如圖8所示，選取最危險截面部分表示該滑坡失穩演化過程（3 個階段）以及相對應的位移云圖和滑移部位的位移矢量圖（箭頭的長短代表位移的大小、方向代表坡體滑移的方向），左測素描圖為滑坡體的變形演化過程，可以描述出滑坡在整個變形破壞階段中各部分的漸進破壞狀態，右圖為其相對應階段的數值模擬計算云圖?？梢钥闯鍪紫仍诘?階段會在陡坎以及微地貌的位置處有裂縫以及變形產生，這是由于坡體具有的地形地貌所導致的，如圖8a）。接著裂縫不斷發展延伸，會先后發生兩處滑動破壞。如圖8b）所示，第2階段在土體重力作用下后緣處的拉裂縫位置變形擴展，不斷向下滑移形成局部失穩滑塌，同時前緣處土體蠕滑變形。之后第3階段前緣處坡體逐漸失穩，牽引后緣坡體破壞完全，發生二次滑動破壞，如圖8c）所示。

圖8 滑坡失穩演化過程和各階段對應的位移云圖及矢量圖Fig.8 Process of landslide instability evolution and displacement nephogram and vector maps corresponding to each stage

綜上所述，習酒廠址滑坡體在整體范圍內的變形相對較小并不會發生整體上的大規模的滑坡災害，但因其部分陡坎的地形等原因，極易發生局部滑塌，主要為局部范圍內的變形破壞，發生中上部的推移式破壞以及中下部的牽引式破壞，其出現的破壞模式可能為坡體中上部分的滑移-拉裂破壞以及中下部堆積體的蠕滑-拉裂破壞。

5 結論

本文采用有限元強度折減法對習酒廠址古滑坡堆積體穩定性進行研究，對位移以及塑性區等特征量進行分析，對該場地建造施工活動開展具有一定的指導作用，可得到如下結論。

1）采用三維有限元強度折減法分析其穩定性，可以更好的作出準確的評價。習酒廠址處于古滑坡碎石土堆積體上，不會發生大規模的滑坡災害，但極易發生局部的滑塌，主要為局部的變形破壞。若要在此上進行大規模的建設，引起的地形地貌變化和大量加載對古滑坡堆積體的整體穩定性定然會產生一定的影響。

2）滑坡體的變形破壞模式主要為坡體中上部分的滑移-拉裂破壞以及中下部堆積體的蠕動-拉裂破壞。該滑坡為碎石土堆積體滑坡，較為松散透水，坡體中上部位置以及坡體前緣穩定性較差，在暴雨條件影響下，穩定性降低加大發生局部滑塌以及左前緣處滑動破壞的可能性。

3）此區域作為危險性大區，習酒廠址的大規模建筑場地，在進行開挖施工時必須要采取恰當的工程措施，特別是對于易發生變形破壞的區域，如進行支擋防護、及時排水引流等，以免發生地質災害造成巨大損失。