某工程厂址古滑坡变形演化机制及稳定性研究

黄 达，李子晔

（河北工业大学土木与交通学院，天津 300401）

0 引言

古滑坡是斜坡长期复杂演化过程的产物，古滑坡灾害严重威胁着工程设施和人类生命安全，对资源环境以及财产经济造成巨大损失[1-4]。2014年美国Oso古滑坡发生大规模复活，山体滑坡波及范围甚广，复活体积达830万m3，Oso近五分之一区域被泥石淹没，造成43人死亡[5]；2017年四川雷波县城东侧边坡由于修建公路开挖以及强降雨导致古滑坡复活，摧毁在建道路，堵塞坡脚东边沟[6]。近年来对古滑坡和工程选址的关注和研究越来越多[7-8]。

地形高陡、地质环境复杂以及滑坡等地质灾害频发为我国西南高山峡谷地区普遍的地质环境，但因其滑坡堆积区经常具有较好的地形、水源、土地以及交通条件，在古滑坡上修建各种建筑物以求合理利用土地资源已成趋势，越来越多的乡镇或者企业建筑不可避免的选址于此[9]。因山区的土地使用较为紧张以及贵州省习酒镇新寨片区古滑坡堆积体旁邻的桐梓河有着利于较好制酒的水源，经过综合考虑习酒厂址选址于此。根据现场调查以及地质勘察发现，该古滑坡具有山区地形地貌，有着山区微地貌以及局部陡坎等不利地形，要在其进行大规模的建筑群的建造，必然会对古滑坡堆积体产生一定程度上的扰动，故选择习酒厂址区域作为研究区对古滑坡发生的变形以及稳定性进行研究。

古滑坡体上能否进行建筑的关键在于古滑坡体的稳定性和稳定程度的确定。杨忠平等[10]探究库区堆积层滑坡体在地形地貌、地质岩性、斜坡构造、降水和库水波动等关键影响因子下的变形分布和发育规律，阐述了作用机理，为库区滑坡总体防治提供了科学指导。游昆骏等[11]基于对皖南山区阳台古滑坡的地质勘察，运用三维有限差分数值模拟结合极限平衡理论对其古滑坡的稳定性进行了详细研究；穆景超等[12]确定某古滑坡复活变形的主要影响因素为坡体开挖，并以数值模拟结果分析了斜坡的破坏模式；陈国庆等[13]基于动态和整体强度折减法的边坡动态稳定性评价方法，分析边坡渐进失稳过程中的稳定性状况，实现了对边坡失稳全过程的分析调控；许建聪等[14]采用三维大变形弹塑性接触有限元算法等结合柘州岭碎石土滑坡工程实例，分析了该类型滑坡稳定性；夏园园[15]基于ABAQUS 有限元强度折减法对边坡的稳定性进行分析；李世贵等[16]基于极限应变判据，建立边坡破坏的动态局部强度折减方法，对边坡中某些单元进行强度折减，来分析边坡的渐进性破坏及其稳定性。虽然前人已对滑坡的稳定性做了大量研究，但不同滑坡具有各不相同的地质地形条件，这将导致其变形演化机制以及稳定性千差万别。本文以习酒厂址古滑坡为研究对象，结合地质勘察以及数值模拟方法对其变形演化以及稳定性进行研究，分析该滑坡体可能发生的变形破坏以及破坏区域，及时对坡体进行加固防护处理，研究结果对该古滑坡堆积体上密集建筑群建造活动的开展提供了重要的理论依据以及同类滑坡地质灾害防治提供参考。

1 地质背景及古滑坡基本特征

1.1 地理位置及地形地貌

古滑坡堆积体位于贵州省习水县习酒镇。习酒厂址研究区位于习水县习酒镇以东的新寨片区（见图1a）），研究区的概貌如图1b）所示。2019年9月的现场工程地质勘察揭示了古滑坡体的基本特征。研究区所处的碎石土滑坡在平面上呈现矩形并呈北高南低，西高东低，处于斜坡地带，其主滑方向约为161°，坡体的长度约为990 m，宽约480 m。经过地质勘测进行钻孔所推测得到的滑体平均厚度约为40 m，体积约为1.956×107m3，属于大型堆积古滑坡建筑场地。

图1 研究区位置a）及其概貌b）Fig.1 Location a)and outline b)of the study area

研究区域的水系为长江水系一级支流赤水河的支流桐梓河，地貌组合类型为侵蚀型中低山河谷斜坡地貌，拟建场地位于桐梓河右岸斜坡台地，地域海拔高度为331.10～575.82 m。场区为山区地形，地形起伏较大。厂址区域北高南低，西高东低，原始地形坡度10°～16°，局部为陡坎。

1.2 岩土体物质特征

根据现场岩石钻探情况以及岩石取样试验结果，古滑坡的典型地质剖面如图2所示。该研究区域的堆积体主要为碎石土（Q4col+dl），为黄褐色，物质成分为灰岩、泥灰岩岩块混粘土，粗颗粒粒径，主要在20～90 mm，含量大于50%，偶见较大块石，最大粒径为1 000 mm，粒间充填可塑粘土，透水性强。区域分布较均匀连续，厚度及横向分布无明显规律特点，局部碎石粒径差异大，局部有缺失尖灭现象。其中块石为灰色、灰白色，主要成分为灰岩，岩质较硬，粒径主要在0.2～1.5 m，偶见粒径2.0～4.5 m。棱角形为主，粗颗粒粒径差异大，粒间充填粘土，局部无充填，结构稍密。碎石土堆积层厚度为20～60 m 不等。基岩主要为志留系下统龙马溪组灰岩（S1l），薄至中厚层灰岩，灰色、灰白色，节理裂隙较发育，少量炭质矿物，充填物主要为方解石，少量粘土充填，局部无充填，见方解石脉及团块。根据风化程度大致为中风化灰岩，为较硬岩。

图2 典型工程地质剖面图Fig.2 Typical geological profile

1.3 水文地质条件

场地地处桐梓河右岸的斜坡坡地，地势较高，地下水的埋藏条件严格受地形、地层岩性以及地表水的补给来源控制。场地原始地形为丘陵缓坡，非常有利于大气降水和地表水的径流和排泄。场地的基准排泄面为桐梓河，河水水位标高约为340 m，低于拟建场地约180 m，地下水埋藏较深。场地为地下水的补给径流区，场地岩土层的透水性较好，地表水可以快速的下渗到基岩面以下并经基岩的裂隙径流补给桐梓河。由记录数据表明，约有80%的降水主要集中发生在6月至9月之间的雨季。

1.4 破坏变形特征

习酒厂址位于碎石土古滑坡堆积体，其形成过程复杂，结构较为松散，在降雨、人为扰动等内外因素作用下，滑坡出现明显变形，进而再次诱发滑坡地质灾害。根据资料以及现场调查，记录了习酒厂址所处古滑坡的既有变形特征，变形的主要迹象包括地面裂缝、道路破裂以及局部滑塌现象。

在滑坡上部原有居民楼区附近的地面出现裂缝，裂缝长度约为7 m，裂缝断断续续并未完全贯通，目前裂缝已被灌浆处理（见图3a））。在雨水的冲刷下，坡体上部出现局部的碎石土体的滑塌（见图3b）），现已用铁丝网加砂浆覆盖进行临时加固。在习酒厂址的区域内，滑坡体上有局部陡坎，在长期的风化以及雨水作用下极易发生局部的滑塌现象（见图3c））。在坡体右部自上而下的已修建的道路上出现了部分面积的坍塌和破裂（见图3d）），已经影响了当地居民的正常使用，现已用水泥砂浆重新覆盖浇筑，以免发生更严重的破坏。在调查中发现，有一些早期的裂缝因时间较为久远已经被一些土体和杂物所覆盖不易被发现。

图3 习酒厂址滑坡变形特征：a）坡表裂缝；b）降雨引起的滑塌；c）局部陡坎处滑塌；d）道路坍塌、张裂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 数值模型的建立

2.1 强度折减法

为了研究习酒厂址所处古滑坡的变形演化过程及其稳定性，现采用强度折减法，即该方法是在理想弹塑性有限元计算过程中将滑坡岩土体抗剪强度参数不断降低直到达到破坏状态或计算不收敛为止[17-18]。该方法的实质是通过修改材料参数，改变屈服空间的大小，使得结构体的应力发生变化，直到整个体系不平衡，与此同时能够得到强度折减系数Ks，即滑坡体的稳定性系数。

折减后的抗剪强度参数可分别表达为：

式中：c和φ分别是土体的粘聚力和内摩擦角；cm和φm分别为强度折减系数折减后的粘聚力和内摩擦角；Ks为强度折减系数。

2.2 参数选取

岩土体有关的数值模拟计算材料参数取值根据已有的地勘资料以及滑坡简化模型进行参数反演综合取值，具体的各岩土体物理力学取值如表1所示。

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

2.3 模型建立

通过野外地质勘察发现，该滑坡为典型的碎石土堆积体古滑坡，建筑场地部分区域较为陡立，地形起伏较大，该部位可能会发生局部的崩塌，同时此滑坡研究规模较大，传统的二维稳定性分析不能很好的对其作出准确的评价，故而对建筑场地研究区域进行三维建模来更好的符合其实际的情况。

结合新寨片区古滑坡建筑场地的等高线、地形地貌、岩体结构等特征，建立概化三维有限元数值模型，滑体为碎石土，厚度约为20～60 m，平均厚度约为40 m，下伏基岩为中风化灰岩。建造的模型如下：长1 300 m、宽480 m、高275 m，计算模型采用四面体实体单元进行网格划分，对碎石土堆积体的部分网格进行加密以保证计算的精度，如图4 所示。使用Mohr-Coulomb 弹塑性模型进行计算，模型四周以及底面边界采用位移约束，上表面为自由面，使其只受竖直方向的重力作用，忽略其他的应力作用（对滑坡堆积体的稳定性影响较小），采用Abaqus有限元分析该拟建场地的位移场、塑性区等特征量的变化情况，来研究其稳定性以及可能的破坏模式。由于拟建场地稳定的地下水位较深，对滑坡体以及后续建筑施工影响较小，故而在计算中忽略地下水的影响。

图4 古滑坡模型几何示意图Fig.4 Geometric sketch of ancient landslide model

3 古滑坡稳定性数值模拟分析

3.1 变形特征分析

对岩土体的抗剪强度参数不断进行折减后，滑坡体失稳破坏时的总位移及其位移矢量云图如图5 所示，从中可以分析得到滑坡体发生位移的区域分布。由图5 可知，坡体发生位移的区域分布较为明显集中，主要发生在古滑坡体的中上部以及中下部位置。而那些较大位移值主要在左边缘处的中上以及中下部位置，这与碎石土滑坡体的地形地貌密切相关，可以看出左中上部的局部陡坎以及左中下部的微地貌对滑坡体的变形稳定有着极大的影响。但从总体来看，整个滑坡体并不会发生整体滑动破坏，即表现为局部滑移失稳破坏。图5 中对滑坡体所产生较大位移处的位移矢量图进行放大，可分析得到古滑坡堆积体总体沿着边坡坡向发生滑动，坡体主要变形发生在碎石土堆积体上，位移矢量与坡体表面所成角度较小，极有可能坡体的左中上部以及中下部会在基覆界面附近从坡体的临空方向滑移剪出破坏。

图5 滑坡总位移及其矢量云图Fig.5 Total displacement vector nephogram of landslide

图6 为滑坡体破坏时的3 个不同截面1-1’、2-2’、3-3’（见图4）的等效塑性应变云图。等效塑性应变是整个变形过程中塑性应变的累计结果，滑坡体各部分等效塑性应变的大小并不同，从左到右3 个截面等效塑性应变值逐渐减小，等效塑性应变最大值位于截面1-1’，在整个滑坡变形过程中此截面附近的变形最大为危险截面。对于整个滑坡来说，等效塑性应变在坡向上的分布并不均匀，可以看出等效塑性应变值的分布在每个截面上均呈现中上部最大，中下部次之，中部最小的分布特征，滑动面在基覆界面附近。所以整个滑坡在中上部变形较大稳定性较差，基本处于局部失稳状态，但其中部的等效塑性应变很小具有一定的抗滑能力，这就使得不易发生整体失稳破坏，而发生两部分的滑动破坏。

图6 不同截面的等效塑性应变云图Fig.6 Nephogram of equivalent plastic strain at different cross sections

如图7 所示，选取最危险截面1-1’对其进行分析。根据图7 中5 个监测点的位移演变情况，将滑坡变形大致分为3 个阶段。第1 阶段的主要变形发生在左中上部的局部陡坎位置，主要在A点和B点发生位移增长，C-E点附近也有位移产生，在A点和B点附近可以观察到相对较大的位移，此时位移最大值约为0.15 m，在监测点附近有不同程度的裂缝出现，这表明失稳首先发生在左中上部的局部陡坎位置。第2 阶段在第1 阶段的基础上继续破坏，位移在A点和B点显著增大（位移约从0.15 m 增加至0.5 m），左中上部的陡坎位置发生局部滑塌，C-E点处的位移逐渐增加，此附近的堆积体出现拉裂破坏有失稳滑动的趋势。第3 阶段为完全破坏，此阶段C-E点附近处的位移快速增加到0.6 m 左右，接着发生失稳滑移破坏。两次先后滑动破坏分别发生在A、B点和C-E点周围的土体，依次沿着坡体方向向其临空面滑出破坏。

图7 监测点位移随强度折减系数变化曲线Fig.7 Displacement curve of monitoring point with strength reduction factor

3.2 稳定性分析

在进行数值模拟计算中，进行了地应力平衡计算以便于消除在长期自重作用下所产生的影响。根据数值计算过程可知，在长期自重作用下，整个堆积体没有发生较大的变形，基本上处于稳定的状态，只有局部的陡立区域在其表层出现了微小的位移变形现象，这与图3c）所示的现场局部陡坎处的滑塌相吻合。降雨主要会对该滑坡的物理力学参数以及滑动面产生影响，碎石土滑坡在暴雨条件下，会引起土体内部结构发生变化，一些细颗粒土体会发生迁移，雨水快速渗流，易转变为饱和状态，从而使得土体的抗剪强度降低、土体加重，在该分析中采用暴雨饱和状态下计算参数来简化降雨对其所产生的影响。以滑体的位移突然出现拐点时为临界破坏，此时对应的强度折减系数即为安全系数，由此可以得到局部稳定性系数，以计算不收敛时的强度折减系数作为整体稳定性系数取值的依据[19-21]。如表2所示可以得到不同工况下的稳定性系数。

表2 不同工况下的稳定性系数Tab.2 Stability coefficient of landslide under different working conditions

参照《公路滑坡防治设计规范》（JTG/T 3334—2018），坡体稳定性控制标准为：工况1 下的稳定性系数控制标准为1.30，工况2下稳定性系数控制标准为1.20。工况1下局部稳定系数为1.254，处于欠稳定状态，整体稳定性系数为1.641，处于稳定状态；工况2下局部稳定性系数为1.012，处于不稳定状态，整体稳定性系数为1.226，处于较为稳定状态。由此可知，天然状态下该滑坡较为稳定，易发生局部的滑塌，但不易发生整体失稳破坏。在暴雨饱和状态下，相比于天然状态下坡体的稳定性有了一定的下降，可见受到暴雨的影响坡体局部陡坎位置极为不稳定，坡体前缘处也更易发生失稳滑移破坏。但暴雨条件下并没有改变滑坡整体失稳破坏的变化趋势，只加速了坡体发生破坏[22-23]。

4 演化机制

本研究在对现场调查以及数值模拟分析的基础上，分析了习酒厂址所处古滑坡的特征和破坏失稳演化机制。在现场调查时可以看出此滑坡具有一定的山区微地貌以及局部陡坎现象，由此会出现局部的滑塌，发生的局部滑塌如图3c）所示，这与数值模拟的结果一致。如图8所示，选取最危险截面部分表示该滑坡失稳演化过程（3 个阶段）以及相对应的位移云图和滑移部位的位移矢量图（箭头的长短代表位移的大小、方向代表坡体滑移的方向），左测素描图为滑坡体的变形演化过程，可以描述出滑坡在整个变形破坏阶段中各部分的渐进破坏状态，右图为其相对应阶段的数值模拟计算云图。可以看出首先在第1阶段会在陡坎以及微地貌的位置处有裂缝以及变形产生，这是由于坡体具有的地形地貌所导致的，如图8a）。接着裂缝不断发展延伸，会先后发生两处滑动破坏。如图8b）所示，第2阶段在土体重力作用下后缘处的拉裂缝位置变形扩展，不断向下滑移形成局部失稳滑塌，同时前缘处土体蠕滑变形。之后第3阶段前缘处坡体逐渐失稳，牵引后缘坡体破坏完全，发生二次滑动破坏，如图8c）所示。

图8 滑坡失稳演化过程和各阶段对应的位移云图及矢量图Fig.8 Process of landslide instability evolution and displacement nephogram and vector maps corresponding to each stage

综上所述，习酒厂址滑坡体在整体范围内的变形相对较小并不会发生整体上的大规模的滑坡灾害，但因其部分陡坎的地形等原因，极易发生局部滑塌，主要为局部范围内的变形破坏，发生中上部的推移式破坏以及中下部的牵引式破坏，其出现的破坏模式可能为坡体中上部分的滑移-拉裂破坏以及中下部堆积体的蠕滑-拉裂破坏。

5 结论

本文采用有限元强度折减法对习酒厂址古滑坡堆积体稳定性进行研究，对位移以及塑性区等特征量进行分析，对该场地建造施工活动开展具有一定的指导作用，可得到如下结论。

1）采用三维有限元强度折减法分析其稳定性，可以更好的作出准确的评价。习酒厂址处于古滑坡碎石土堆积体上，不会发生大规模的滑坡灾害，但极易发生局部的滑塌，主要为局部的变形破坏。若要在此上进行大规模的建设，引起的地形地貌变化和大量加载对古滑坡堆积体的整体稳定性定然会产生一定的影响。

2）滑坡体的变形破坏模式主要为坡体中上部分的滑移-拉裂破坏以及中下部堆积体的蠕动-拉裂破坏。该滑坡为碎石土堆积体滑坡，较为松散透水，坡体中上部位置以及坡体前缘稳定性较差，在暴雨条件影响下，稳定性降低加大发生局部滑塌以及左前缘处滑动破坏的可能性。

3）此区域作为危险性大区，习酒厂址的大规模建筑场地，在进行开挖施工时必须要采取恰当的工程措施，特别是对于易发生变形破坏的区域，如进行支挡防护、及时排水引流等，以免发生地质灾害造成巨大损失。