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地质论文-阜平县跑马滩滑坡成因机制及稳定性分析
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导读:地质论文:“阜平县跑马滩滑坡成因机制及稳定性分析”用研究证明:跑马滩滑坡体碎石土与滑床基岩物理力学性质差异大是滑坡形成的先提条件,降雨是诱发滑坡失稳的主要原因,坡脚切坡和引水渠促进了滑坡的形成。虽然跑马滩滑坡在天然自重条件下基本稳定,但在强降雨条件下,滑坡体失稳呈流动式下滑。地质论文-阜平县跑马滩滑坡成因机制及稳定性分析

  阜平县跑马滩滑坡成因机制及稳定性分析

  摘要:跑马滩滑坡位于阜平县跑马滩村北坡,属薄皮式松散堆积层滑坡。2016年7月19日,阜平县普降暴雨,该滑坡发生失稳下滑,对滑坡前缘跑马滩村居民安全构成严重威胁。基于野外调查、勘查测绘和室内测试,剖析了跑马滩滑坡形成的影响因素和稳定性,探讨了滑坡的形成机制。研究结果表明:跑马滩滑坡体碎石土与滑床基岩物理力学性质差异大是滑坡形成的先提条件,降雨是诱发滑坡失稳的主要原因,坡脚切坡和引水渠促进了滑坡的形成。虽然跑马滩滑坡在天然自重条件下基本稳定,但在强降雨条件下,滑坡体失稳呈流动式下滑。

  关键词:跑马滩滑坡;松散堆积层;力学性质;降雨;稳定性分析;

  0引言

  2016年7月19日,河北省西侧太行山区普降大雨或暴雨,导致多处发生滑坡、泥石流灾害,严重威胁该区人类生命财产安全。太行山区主要由古老的太古代变质岩和元古界碳酸盐岩等组成,岩体坚硬,基岩裸露,抗风化能力较强,斜坡堆积层厚度薄。当遭遇强降雨时,坡体堆积物常发生滑坡或坡面流。跑马滩滑坡即是在7.19暴雨时发生的松散堆积层滑坡。

  松散堆积层滑坡是是指发生在第四系及近代松散堆积层的一类滑坡。其有分布广、规模大、突发性强、危害性大等特点[1],且具有与很多其他类型滑坡不同的特点,在我国几种滑坡类型中占有很大的比重[2]。松散堆积层滑坡与其他滑坡的主要区别在于滑坡体主要由一些次生堆积体组成,如残坡积物、崩积物等,这些松散堆积体孔隙率大,结构松散,力学强度低,与滑床物质组成差异较大。

  近年来,许多学者开展了松散堆积层滑坡的研究,成果丰硕[3-7]。如吴火珍等[2]分析了堆积层滑坡体在降雨条件下的滑动机制及原因;贺可强等[1]应用加卸载响应比理论确定了松散堆积层滑坡加卸载参数及加卸载响应参数;杨为民等[3]对秦岭南麓代表性的松散坡积物类滑坡进行分析,认为滑坡的形成和发生与滑体、滑床岩土体本身的工程性质及连续强降雨、坡脚切坡等诱发因素密切相关。前人多对松散堆积层滑坡的成因机制等进行分析,缺少对该类滑坡稳定性的深入研究。本文基于野外调查和工程勘测,以阜平县跑马滩滑坡为研究对象,剖析其环境地质条件、基本特征,探讨跑马滩滑坡的成因机制,评价滑坡的稳定性,为跑马滩滑坡防治预警提供地质依据。

  1.环境地质条件

  阜平县跑马滩村位于太行山北段腹地,距阜平县约35km,地貌以中低山为主,总体地势北高南低,海拔高度700~755m,相对高差55m。跑马滩滑坡发育于沟谷北侧山坡上,坡度较大,约35~55°。斜坡东西两侧各发育一条次级冲沟,走向分别为210°和193°,坡体植被覆盖率较高。

  跑马滩滑坡及周边地区出露地层为太古界团泊口组(Art)及第四系坡积物(图1)。团泊口组岩性主要为黑云斜长片麻岩、角闪斜长片麻岩夹浅粒岩,在滑坡后缘及两侧边界出露。第四系坡积物以碎石土为主,厚度不均,结构松散,碎石主要成分为黑云斜长片麻岩,分布在滑坡坡体及坡脚地段。

  区内构造复杂,断裂发育,主要有4条断裂,以逆断层为主(图1)。跑马滩滑坡位于跑马滩—大沙地断裂(F71)通过处,走向60~65°,倾向NE,倾角70~85°;滑坡北侧发育石梯子—孟家台断裂,走向60°,倾向SW,倾角45~75°;南侧发育跑马滩—小北桑地断裂(F72)及大北沟掌断裂(F37),F72断裂走向近东西,倾向N,倾角75~80°,F37断裂走向45~50°,倾向NW,倾角70°。受断层影响该地区局部岩体构造节理发育,风化程度较高,坡积层厚度较大。
地质论文图1-跑马滩滑坡区域地质图

  图1 跑马滩滑坡区域地质图

  Fig.1 regional geological map of the Paomatan landslide

  滑坡区地下水类型有第四系松散岩类孔隙水和基岩裂隙水两种。其中第四系松散岩类孔隙含水层主要于赋存于第四系残坡积层中,主要由大气降水补给,沿松散堆积物与基岩接触面径流,水位随季节变化较大。基岩裂隙水赋存于第四系下覆片麻岩节理裂隙中,沿节理裂隙自高处向低处径流,地下水位埋深随地形起伏变化较大。

  滑坡区属暖温带半湿润地区,四季分明。年平均降水量为717.9mm,各季降水量差异悬殊,多集中在6~9月份,主要以暴雨和连阴雨为主,占全年降雨量的83.4%;在2016年7月19日强降雨期间,最大日降水量达249.4mm。短时强降雨及持续降雨易诱发滑坡、泥石流等一系列地质灾害。地质论文图2- 跑马滩滑坡平剖面图

  2跑马滩滑坡特征

  2.1滑坡基本特征

  跑马滩滑坡位于阜平县城南庄镇马兰村跑马滩北坡,坡度较陡,约35~55°,滑坡的平面形态呈不规则簸箕形,剖面上大致呈铲状,主滑方向为225°,前缘以居民房屋后人工开挖形成的陡坎为界,后缘以山梁出露的稳定基岩为界,左右边界均以出露的稳定基岩为界。滑坡后缘高程730~755m,前缘高程703~707m,滑坡体纵长75m,前缘宽126m,后缘宽75m,面积约6600m2,滑坡体厚度0.5~3.5m,体积约10000m³(图2)。滑坡体上发育两条小冲沟,宽度1~2m,深度0.5m,长20~30m,冲沟走向与滑坡主滑方向一致,纵坡坡度45~55°。

  图2 跑马滩滑坡平剖面图

  Fig.2 plan and section map of Paomatan Lideslide

  依据野外调查和探槽开挖(图3),滑坡体主要为坡积层组成,岩性为碎石土,含植物根系,颜色呈褐黄色,稍湿,松散~稍密,碎石呈棱角状,主要成份为黑云斜长片麻岩,粒径2~10cm,最大粒径大于20cm,且含量垂直分布不均,深度0~0.6m,碎石占20~35%,深度0.3~0.6m以下碎石占60~80%,孔隙充填粉土、砂,由云母、石英、长石等矿物组成,工程性质较差,属小型松散堆积层滑坡。地质论文图3- 探槽揭示滑坡体及滑床

  图3 探槽揭示滑坡体及滑床

  Fig.3 trenches reveal slide body and slide bed

 本篇地质论文指出 :滑床主要由黑云斜长片麻岩组成夹浅粒岩岩脉,片麻岩呈块状结构,片麻理产状300°∠35°,发育两组节理,产状分别为220°∠89°和155°∠85°,节理宽0.1~3cm,密度3~5条/米,岩体较破碎,风化带深度较大,植被茂密;局部出露浅粒岩处,由于岩体较坚硬完整,堆积层厚度小,植被不发育。

  由于滑床基岩为太古界片麻岩夹浅粒岩岩脉,抗风化能力差异明显,滑坡堆积层厚度不均。滑床基岩以片麻岩为主,滑体总体厚度约2~3m,主要由残坡积土组成。滑床基岩以浅粒岩为主时,滑体厚度小。

  2.2主滑面及滑带土特征

  滑坡主滑面为松散坡积层与基岩接触面,但探槽开挖时未揭示明显的滑动面(或滑动带)(图3)。由于松散坡积层与基岩之间物理力学性质差异较大,二者接触面即为跑马滩滑坡的潜在滑动面,当滑坡失稳时,滑坡体主要沿滑床基岩顶面下滑。

  2.3变形破坏特征

  据野外实地调查,滑坡滑体发育多处拉张裂缝、滑裂陡坎等。局部可见滑体下滑形成的陡坎,高约1.0~1.5m(图4A)。当滑坡体遇强降雨时,雨水迅速入渗,含水率升高,当滑坡岩土体饱水时,滑坡体呈流动式下滑,而非整体下滑,并在下滑过程中解体,伴随土体溜滑等现象,类似坡面碎屑流[8-9]。并导致树木歪斜,形成“马刀树”(图4B)。

  由于滑坡体厚度不均,滑床表面起伏变化,滑坡体下滑形成多个次级滑动面,在滑坡体上形成小型堆积体(图4C),滑体下滑导致滑坡前缘毛石挡墙发生鼓胀变形,房屋墙壁开裂,表明滑坡变形仍在发展(图4D)。

  A-滑坡后缘陡坎 B-滑坡体树木歪斜成“马刀树”

  C-滑坡体上次级堆积体 D-滑坡体前缘推挤,毛石挡墙鼓胀变形致使房屋墙体开裂
地质论文图4- 滑坡变形特征
 

  图4 滑坡变形特征

  Fig.4 characteristics of landslide deformation

  3滑坡成因机制

  3.1 滑坡形成的影响因素

  研究表明,松散堆积层滑坡与滑床基岩的风化程度有密切联系,而滑床基岩的风化程度主要与其本身的工程特性如岩性、结构面等有关,因此滑床基岩本身的物质组成和工程特性对滑坡的形成发展有较大影响。降雨入渗坡体,形成软弱面或潜在破裂面,是诱发滑坡最重要的因素。另外,人类工程活动如开挖坡脚等,改变了原有的地质条件,对滑坡稳定性也产生影响。跑马滩滑坡属于薄皮式松散堆积层滑坡,其形成主要受滑体、滑床的岩土体工程地质特性及降雨等因素影响,另外,地形、人类工程活动等也对滑坡的形成产生一定影响。

  3.2 滑坡形成机制

  (1)滑坡碎石土与滑床基岩物理土力学性质差异大是滑坡形成的先提条件

  为查清滑坡体与滑床岩土体物理力学性质对滑坡的影响,对跑马滩滑坡滑体碎石土、滑床基岩取样进行室内物理力学试验,测试结果如表1。

  表1 滑床滑体物质物理力学性质表

  Table1 physical and mechanical properties of slide body and slide bed

  样品密度(g/cm3)动探锤击数

  /次天然抗压强度(MPa)饱和抗压强度(MPa)天然抗剪切强度(MPa)饱和抗剪切强度(MPa)

  滑体碎石土2.05~2.199~10 0.004~0.0060~0.003

  滑床基岩2.48~2.51 67.5~71.555.5~62.25.29~5.944.15~4.66

  由表可知,滑体碎石土密度为2.10g/cm3,远小于滑床基岩的密度2.50 g/cm3,动探锤击数小于10次,表明碎石土结构松散,密实度低,强度远低于基岩。滑床基岩天然抗剪强度5.52MPa,饱和抗剪强度4.35MPa,岩石坚硬程度较高,物理力学性质较好。滑体和滑带土均为坡积碎石土,试验结果饱和抗剪强度和天然抗剪强度均远远低于滑床基岩,几乎可以忽略。由于滑体碎石土和滑床基岩明显的物理力学性质的差异,导致该滑坡沿二者接触面发生滑动。

  (2)降雨是滑坡失稳下滑的主要诱因

  跑马滩滑坡所在区域各季降水量差异悬殊,降雨多集中在6~9月份,且主要以暴雨为主。据当地气象局资料,2016年7月19日特大暴雨期间,该地区日降水量高达249.4mm。滑坡区松散堆积层属于碎石土,孔隙率大,结构松散,力学强度低。遇短时间强降雨,由于雨水水量集中,地表水动力较强,雨水通过裂隙、节理等通道快速渗入滑坡体,土体含水率迅速增大,致使土体饱和,滑体自重会增加10%左右,增加了下滑力。同时含水量持续增加,孔隙水压力升高,土体力学强度骤降,导致滑带土摩擦阻力降低,加剧了滑坡变形;雨水继续下渗至滑动带,使滑带土饱和,形成渗透压及上浮托力,且雨水充填了软弱结构面,产生顺坡向的剪切力,使滑坡稳定性进一步降低,当剪切面上的剪切力大于抗滑力时,滑坡发生滑动[10]。2016年7月19日特大暴雨期间,跑马滩滑坡发生流动式下滑,致使滑坡前缘多处房屋发生开裂、损坏,且滑坡前缘干砌挡墙发生鼓胀变形。

  (3)滑坡体引水渠和坡脚切坡对滑坡失稳的影响

  不合理的人类工程活动如坡脚切坡、坡体引水渠的建造会降低坡体稳定性[11]。跑马滩滑坡周边人类工程活动较强,主要是跑马滩村及上洋河门村居民在滑坡体前缘修建房屋和饮水渠开挖坡脚,滑坡体坡脚失去支撑,剪出口临空,改变了坡体的原始平衡状态,形成高陡临空面,滑体后缘较薄,中部及前缘较厚,在自重力牵引及下滑力大于抗滑力时,在坡体前缘临空面易失稳变形,易导致灾害的发生。

  4滑坡稳定性分析

  跑马滩滑坡系松散堆积层滑坡,因而可采用极限平衡传递系数法评价其稳定性。在主滑方向的剖面上按滑动面产状的相对变化将剖面划为若干个条块,在划分条块时,充分考虑滑体表面起伏情况,再进一步细分条块,以准确计算条块体积,并考虑了滑体岩性分布特点及地下水位埋深等因素(图5)。
地质论文图5-滑坡稳定性条分计算图

  图5滑坡稳定性条分计算图

  Fig.5 stability calculation chart by means of soil stripe method

  稳定性验算采用公式为:地质论文-稳定性验算采用公式

  式中:Fs为滑坡稳定系数;φ为条块土的内摩擦角(°);Wi为第i条块滑动土体重力(kN/m);αi为第i条块所在滑动面的倾角(°);c为条块土的粘聚力(kPa);L为滑动面长度(m)。

  考虑以下两种工况计算滑坡稳定性:①自重情况,采用天然重度、天然内摩擦角和天然内聚力;②自重+暴雨情况,采用饱和重度、饱和内摩擦角和饱和内聚力;

  依据野外调查和工程勘测(图2),该滑坡剖面滑动模式有四种:模式一,坡体岩碎石土内部折线型滑面从高程约703.71m处(A剪出口)剪出破坏,为整体滑动破坏;模式二,坡体岩碎石土内部折线型滑面从高程约710.00m处(B剪出口)剪出破坏,为局部滑动破坏;模式三,坡体岩碎石土内部折线型滑面从高程约711.49m处(C剪出口)剪出破坏,为局部滑动破坏;模式四,坡体岩碎石土内部折线型滑面从高程约716.56m处(D剪出口)剪出破坏,为局部滑动破坏。

  计算结果如表2:

  表2 稳定性计算结果表

  Table2 Results of stability calculation

  剪出口计算工况稳定系数剩余下滑力(kN)

  A剪出口自重1.3760.00

  自重+暴雨0.839200.12

  B剪出口自重1.7650.00

  自重+暴雨0.99245.82

  C剪出口自重1.7470.00

  自重+暴雨0.98442.27

  D剪出口自重1.4650.00

  自重+暴雨0.80459.99

  本篇地质论文根据计算结果分析,仅在自重况工下,跑马滩滑坡稳定性系数为1.376~1.765,处于基本稳定状态;而在自重加暴雨工况下,滑坡稳定性系数为0.804~0.984,处于欠稳定状态。该滑坡基本处于稳定状态,但在降雨的影响下,由于抗剪强度的迅速降低,滑体稳定性逐渐降低,当剪切面上的剪切力大于抗滑力时,滑坡可能发生较大的变形和局部滑移,甚至可能整体失稳下滑。

  5 结论

  (1)跑马滩滑坡属于典型的薄皮式松散堆积层滑坡,滑床为太古代古老变质岩,岩体较坚硬完整;滑坡体主要由第四纪松散坡积层组成,以碎石土为主,结构松散,孔隙率大。滑坡体与滑床岩土体工程特性差异大。

  (2)跑马滩滑坡体厚度小,坡体松散堆积物强度远低于滑床变质岩,二者接触面构成了滑坡的潜在滑动面。当遭遇连阴雨或强降雨时,由于滑坡体含水量增加,自重应力增大,孔隙水压力升高,抗剪强度迅速降低,土体强度逐渐丧失,当潜在滑坡面剪切力大于抗剪强度时,滑坡可能发生流动式下滑甚至整体失稳。

  (3)稳定性计算结果表明,跑马滩滑坡在天然自重条件下基本稳定。而在强降雨条件下,坡体稳定性系数小于1,坡体失稳下滑。

  鉴于该滑坡严重威胁前缘跑马滩村约6户、35间房、27人的安全,一旦发生整体失稳下滑会导致严重的安全事故,因此有必要对滑坡采取相关监测、治理工作。建议对坡体局部较陡处进行削方减载,坡脚前缘修建挡墙,并修建竖向排水渠,以确保坡体稳定。

  参考文献

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