降雨条件下麻池村1号阶跃型滑坡动态变形特征及成因机理.pdf

第 卷 第 期 年 月资源环境与工程 .收稿日期:改回日期:责任编辑:孙腾资助项目:湖北省重点研发计划项目()湖北省地质局科技项目()第一作者:肖宇煌()男 高级工程师 硕士 地质工程专业 从事水工环地质调查工作 :通信作者:易武()男 教授 博士 地质工程专业 从事地质灾害机理与防治研究工作 :肖宇煌易武贲琰棋等.降雨条件下麻池村 号阶跃型滑坡动态变形特征及成因机理.资源环境与工程():.():.降雨条件下麻池村 号阶跃型滑坡动态变形特征及成因机理肖宇煌 易 武 贲琰棋 周艳松 莫春雷 李彧磊 李华兵(.资源与生态环境地质湖北省重点实验室湖北 武汉 .湖北省地质环境总站湖北 武汉.三峡大学 湖北长江三峡滑坡国家野外科学观测研究站湖北 宜昌 .中国五冶集团有限公司四川 成都)摘 要:麻池村 号滑坡是十堰市重点专业监测滑坡 至今仍处于蠕动变形阶段 基于现场工程地质调查和勘查 在分析该滑坡动态变形特征、挖掘其位移监测数据与降雨响应关系的基础上 研究该滑坡在降雨作用下的变形机理 进而评价其稳定性现状并预测其发展趋势 结果表明 麻池村 号滑坡展现出周期性演化规律 在降雨因素的驱动下 位移曲线呈现出典型的阶跃特征 滑坡位移阶跃期相对于集中降雨期存在时间滞后性 基于皮尔逊相关性分析法求得滑坡日位移响应降雨的滞后期为 其中阶跃变形前第 天的降雨量对滑坡影响最为显著 降雨入渗导致滑坡岩土体抗剪强度降低、软弱带内摩擦角和黏聚力大幅降低、滑体下滑力增大 进而导致滑坡稳定性迅速降低而加速变形破坏 目前麻池村 号滑坡变形趋势逐年增大 空间分期配套裂缝体系基本形成 在强降雨等不利条件下产生滑动的可能性较大 必须进一步加强监测预警工作关键词:降雨型滑坡 阶跃曲线 变形破坏特征 变形机理 相关性分析中图分类号:.文献标识码:文章编号:():./.滑坡稳定性受多种因素综合影响素有“十滑九水”之说其中降雨入渗是诱发滑坡失稳破坏的主要因素之一滑坡的启动往往与降雨强度、降雨量、降雨持时等密切相关 降雨入渗理论研究不断发展和进步许多研究人员基于室内模型试验、原位试验、数值模拟等建立和优化了土水力耦合模型和解析方法 深化了对降雨作用下渗流特性的认识为揭示滑坡在降雨作用下的致灾机理提供了理论依据 许强 通过对滑坡时空演化规律的研究总结出滑坡变形破坏的“三阶段”演化规律即滑坡变形通常要经历初始(减速)变形、等速变形、加速变形阶段后才达到滑动破坏 常见的滑坡的变形曲线总体是符合“三阶段”演化规律的但在微观和局部表现出阶跃或震荡变形特征 对于具有阶跃变形特征的滑坡其在发育演化过程中受到降雨、库水位升降、冰川融化等外界因素的影响变形曲线通常呈现阶跃式陡增趋势当外界因素衰减、消退后变形曲线又趋于平缓 十堰市地质环境条件脆弱加之处于北亚热带大陆性季风气候区季节性降雨差异明显极易在连续降雨或强降雨等不利因素影响下诱发严重的地质灾害 近年来不少研究人员对十堰市滑坡的变形破坏特征、成因机理、预警预报等开展了研究 促进了区域地质灾害研究水平和防灾能力的提升 在湖北省地质灾害综合防治体系建设过程中十堰市对区内危害性较大的地质灾害点实施了专业监测实时监测数据和现场宏观巡查为地质灾害成功预警预报提供了依据麻池村 号滑坡位于堵河左岸是十堰市重点专业监测滑坡之一目前主要受到降雨周期性变化的影响具有明显的阶跃变形特征至今仍处于蠕动变形阶段 本文在现场工程地质调查和勘查基础上分析该滑坡的动态变形特征挖掘其位移监测数据与影响因素之间的相互关系研究该滑坡在降雨作用下的变形机理为滑坡稳定性判断、发展趋势预测、灾害防治等提供依据以减小滑坡变形破坏所造成的损失 滑坡工程地质背景.滑坡基本特征麻池村 号滑坡位于十堰市郧阳区西南边陲地理坐标为北纬、东经 汉江的最大支流堵河由南向北从滑坡区前缘穿过 区内交通不发达仅有 乡道及堵河水运与外界相通滑坡在平面上呈 向长条状(图)分布高程为 主滑方向为 在纵向上坡面与下伏基岩面均较舒缓(图)滑体厚度变化相对较小中后部厚度较大前缘略薄 滑体长约 宽约 面积约.平均厚约 体积约 属中层大型土质滑坡.滑坡物质结构特征()滑体 滑体厚 主要由含碎石粉质黏土和碎块石土组成呈棕褐色褐灰色、可塑硬塑状具絮状或团粒结构、中等压缩性稍湿 所含碎石、块石的岩性主要为强中风化绢云母石英片岩土石比为 块径一般为 以棱角状、次棱角状为主碎石含量随深度变化略有增加()滑带及潜在滑带 钻孔揭露滑带厚度为 滑体整体蠕滑变形现象明显滑带已基本形成 经钻探揭露发现岩土接触部位的岩心采取率相对偏低岩性为含碎石粉质黏土呈软塑可塑状(干烧提取的岩心图)多呈棕黄色或深灰色含水量明显.第四系滑坡堆积物.第四系松散土类残坡积物.第四系松散土类崩坡积物.中元古界姚坪组较软较硬变质岩组.滑坡和塌滑周界.剖面线.高程值.村级公路.钻孔点及编号.水文点及编号.位移监测点及编号.地面裂缝.建筑变形图 麻池村 号滑坡工程地质简图 .偏大碎石含量和块径略有减少并夹杂强风化绢云母石英片岩碎块微见层理轻捻即散尚可揉捏成团图 滑坡 剖面图 第 期肖宇煌等:降雨条件下麻池村 号阶跃型滑坡动态变形特征及成因机理图 原状滑带样图 ()滑床 滑床基岩为中元古界姚坪组中厚薄层状绢云母石英片岩 根据钻孔揭露其颜色为灰黄色灰绿色呈强中风化状锤击易碎片理产状为 局部裂隙较发育.滑坡岩土体物理力学参数根据滑坡土样试验结果同时考虑到黏聚力、内摩擦角与滑体物质成分、土岩接触面形态、斜坡性质的关系类比邻区相同地质条件下的岩土体试验参数获得了本区滑坡岩土体物理力学参数具体见表 表 滑坡岩土体物理力学参数 滑坡部位重度/()黏聚力/内摩擦角/()天然饱和天然饱和天然饱和滑体.滑带.滑坡现场宏观巡查及监测数据分析.地表宏观变形特征麻池村 号滑坡变形最初始于 世纪 年代主要由于当时修路切坡并受降雨等因素持续影响滑坡稳定性急剧降低导致滑坡变形 根据现场调查发现滑体上的裂缝主要集中在滑坡前缘和左右两侧边界坡脚见地下水渗涌、村级公路破裂等现象 为更好地展现滑坡变形破坏特征现对滑坡近期变形发展过程进行分段描述:()滑坡前缘变形特征 滑坡前缘以拉张裂缝为主(图)两侧边界零星分布少量裂缝裂缝长约 宽约 局部形成不连续的放射状裂缝 前缘中部挡墙被破坏垮塌斜长约 墙身纵向剪切裂缝密集附近电线杆发生明显倾斜(图)()滑坡中部变形特征 滑坡中部以拉张裂缝为主(图)两侧边界零星分布少量裂缝裂缝长约 宽约 滑坡中部部分路基下沉约.局部塌滑 位于滑体中段右侧边界处斜长约 宽约 厚约 滑移方向为 后缘弧形拉裂陡坎高约 坡间树木歪斜形成“马刀树”(图)()滑坡后缘变形特征 滑坡后缘可见裂缝从左侧田地延伸至路面两侧剪切裂缝多呈羽状均为 年下半年产生 后缘裂缝长约 宽约 走向约 (图)滑坡后缘呈陡崖地形相对高差约 坡度约 局部呈凹腔状坡形 该坡段岩体长期裸露遭风化侵蚀、裂隙切割作用强烈岩体较破碎在重力作用下易发生突发性岩崩估测位于陡崖中上部的危岩体规模约 (图).地表位移监测结果为了更好地掌握麻池村 号滑坡的变形和发育特征在滑坡 剖面上布置了 个地表位移监测点编号为、和 并在外围辅以雨量计监测 自 年 月 日进行首测重点监测滑坡区地表位移变形发展情况各监测点的累计位移曲线如图 所示可以看出滑坡呈现典型的阶跃变形特征且各区域变形特征较为一致 滑坡主要有 个阶跃阶段在地表位移监测初期各监测点累计位移缓慢增加位移速率为./(表)滑坡处于初始变形阶段 年 月发生首次阶跃位移速率增加为./随后各监测点累计位移呈缓慢增加趋势位移速率为./滑坡处于等速变形阶段 年 月发生第二次阶跃各监测点累计位移陡增位移速率增加为./变形急速加剧综合分析图 和表 可知滑坡在变形演化过程中受季节性降雨的影响较大使得滑坡变形表现为阶跃型演化特征即滑坡在每年汛期期间位移曲线突然上抬滑坡位移出现阶跃式增长其余时段位移曲线则趋于平缓资源环境与工程 年.滑坡前缘裂缝.滑坡前缘建筑变形.滑坡中部裂缝.滑坡中部局部塌滑.滑坡后缘裂缝.滑坡后缘陡崖危岩体图 滑坡典型裂缝及变形现象 图 滑坡累计位移曲线 .滑坡变形与降雨的响应关系为分析滑坡变形发展过程对降雨的响应规律绘制了各监测点累计位移与日降雨量相互关系图(图)由图 可以看出滑坡变形发展过程中出现了 个阶跃阶段包括 个阶跃区间即阶跃区间:年 月 日、:年 月 日、:年 月 日、:年 月 日、:年 月 日、:年 月 日 月 日、:年 月 日 月 日且 年的 个阶跃区间的高度明显高于 年的 个阶跃区间说明滑坡发生首次阶跃变形之后其内部应力场重新调整并持续聚积应变能后期在外界因素触发下能持续释放能量加剧了滑坡第二次阶跃的变形强度将各监测点位移速率与日降雨量的相互关系绘制第 期肖宇煌等:降雨条件下麻池村 号阶跃型滑坡动态变形特征及成因机理表 各监测点分段累计位移变化过程 位移监测点时间段/年月日位移起始值/位移结束值/位移增量/位移速率/()变形阶段.初始变形首次阶跃等速变形再次阶跃图 滑坡累计位移与日降雨量相互关系 于图 可以看出各阶跃区间的位移速率存在显著差异如阶跃区间内、监测点的最大位移速率分别为.、.、./阶跃区间内、监测点的最大位移速率分别为.、.、./同时每个阶跃区间前后均出现了不同程度的降雨过程为深入分析降雨对滑坡变形的动态影响过程将滑坡累计位移与累计降雨量的相互关系、代表性阶跃区间累计位移与日降雨量的相互关系绘于图 由图 可知每个阶跃区间及起始前均受到降雨的影响如阶跃区间内降雨集中于 年 月 日其中 月 日降雨有中断(图)累计降雨量达到.阶跃区间内降雨断续从 年 月 日持续至 月 日 累计降雨量达到.其中 月 日的日降雨量为.阶跃区间内降雨发生于 年 月 日与上一次阶跃区间间隔不大降雨持续时间较短、连续性较强 累计降雨量为.综上所述麻池村 号滑坡的变形与季节性降雨高度吻合累计位移曲线具有明显的阶跃演化特征即进入蠕动变形阶段后在连续性降雨或强降雨的影响下位移骤增位移速率出现跳跃现象当降雨因素衰减后位移和位移速率增长变缓甚至停止滑坡阶跃期和集中降雨期在时间上具有明显的滞后性为量化该过程本文以位移最大的 监测点为例采用皮尔逊相关性分析方法以皮尔逊相关系数及相关程度表初步确定滑坡日位移响应降雨的滞后时间计算结果见表 根据表 可知当前移天数资源环境与工程 年 图 滑坡位移速率与日降雨量相互关系 为 时日降雨量与日位移的相关系数表现出先增大后减小的趋势呈现中等弱相关程度即滑坡当日位移与前第 天以来的降雨均具显著相关性当前移天数 时日降雨量与日位移的相关系数 中部 后缘力学变形模式为蠕滑拉裂型运移形式为牵引式 坡面呈陡坎状坡体上横向裂缝密集正向着左侧不断延伸 滑坡前缘以水平位移变形为主后缘以垂直位移变形为主在降雨等不利因素影响下极易发生整体滑移变形 滑坡变形机理滑坡在发育演化过程中受诸多因素的影响通常可归纳为内部因素和外部因素 个方面 麻池村 号滑坡也是在内、外部因素耦合作用下形成的其在应力分布状态、岩土体物理力学性质、坡体所处外部环境等因素的不断改变下发生变形甚至失稳破坏.地质因素对滑坡变形的控制.地质条件滑坡所处斜坡为斜顺向坡坡向为 岩层倾向为 滑体为松散土类工程地质岩组天然状态下土体孔隙度大多呈可塑状具中等压缩性和弱膨胀性受滑坡区干湿交替作用的显著影响易产生胀缩变形不仅对土体结构造成破坏也使得土体力学强度大幅降低进而加剧滑坡变形或引发滑坡失稳滑床属软质岩类岩性主要为绢云母石英片岩呈薄层状抗风化能力差遇水易软化 同时滑坡区在区域构造运动中产生了少量褶皱和断裂并出现多组裂隙第 期肖宇煌等:降雨条件下麻池村 号阶跃型滑坡动态变形特征及成因机理图 滑坡累计位移与累计降雨量、日降雨量相互关系 .坡体结构滑坡在地形上受、向“人”字形山脉控制形成半扇形槽地形地势西高东低总体呈一缓坡地形坡度在 左右前陡后缓 滑坡区主要被 条、向“”型冲沟所控制滑坡后缘长期受到泉点地下水浸泡及零星岩崩体的外部加荷作用滑坡前缘外围受堵河多年冲刷、侧蚀等作用岸坡再造频繁现今也多以陡坡地形为主坡度为 .岩土体物理力学性质根据滑坡区岩土体的结构、类型、生成条件及物理力学性质可将区内岩土体划分为第四系松散岩类和变质岩类 种类型 滑坡坡体上部主要由含碎石粉质黏土和碎块石土组成结构松散、力学强度较低且含水性较好下部为绢云母石英片岩抗风化能力差遇水易软化局部裂隙较发育岩层透水性较差可视为相对隔水岩层 在上层土体和下伏基岩之间形成软弱带在外界因素影响下软弱带岩土体物理力学性质发生改变进而影响滑坡的整体稳定性.降雨和人类工程活动对滑坡变形的激励.降雨该滑坡的浅表层岩土体较为松散降雨入渗能力强在降雨入渗作用下易在短时间内形成增重、饱和、软化等不良工程地质效应导致坡体含水率上升在陡坡、陡坎等不利地形条件下易发生浅表层小范围的岩土溜滑、坍滑等变形 当降雨逐步转化为一定深度的地下水作用时其径流、排泄模式将受到水力边界条件及区域综合地质环境条件的约束在重力及地下水渗流作用下使岩土体颗粒间的摩擦力、胶结能力、基质资源环境与工程 年 吸力等降低易形成贯穿性软弱结构面 随着软弱带岩土体内摩擦角和黏聚力的大幅降低滑体下滑力增大滑坡稳定性降低为坡体大规模或整体滑移变形提供了有利条件.人类工程活动滑坡区人类工程活动主要包括道路修建、农耕作业以及建房切坡等对滑坡区地形改造十分强烈坡面形成多处高差为 的陡坎临空地形较为常见大面积开荒种地不仅对区域植被造成破坏同时也改变了区域内水环境及土壤环境有利于降雨的入渗 结论()麻池村 号滑坡为典型的降雨型滑坡各监测点变形与降雨的相关性表现为阶跃特征滑坡力学变形模式为蠕滑拉裂型运移形式为常见的牵引式()麻池村 号滑坡累计位移曲线呈现阶梯状且每年阶跃期和集中降雨期存在时间上的滞后性即滑坡位移的阶跃发生在连续降雨或强降雨之后这种规律具有统一性 基于皮尔逊相关性分析法求得滑坡日位移响应降雨的滞后期为 其中阶跃变形前第 天的降雨量对滑坡影响最为显著()内部因素为麻池村 号滑坡的发生营造了特殊的地质环境和前提条件外部因素则激励了滑坡变形的加剧 降雨入渗导致滑坡岩土体抗剪强度降低、软弱带内摩擦角和黏聚力大幅降低、滑体下滑力增大进而导致滑坡稳定性迅速降低而加速变形破坏()目前麻池村 号滑坡变形趋势逐年增大空间分期配套裂缝体系基本形成在强降雨等不利条件下产生滑动的可能性较大必须进一步加强监测预警工作参考文献:.():.朱智杰卢书强梅军.基于有效降雨量的滑坡位移降雨相关性研究/.长江科学院院报:().:/./.林鸿州于玉贞李广信等.降雨特性对土质边坡失稳的影响.岩石力学与工程学报():.吴礼舟张利民黄润秋等.非饱和土的变形与渗流耦合的一维解析分析及参数研究.岩土工程学报():.张雪东.土水特征曲线及其在非饱和土力学中应用的基本问题研究.北京:北京交通大学.陈东霞龚晓南.非饱和残积土的土水特征曲线试验及模拟.岩土力学():.邵龙潭温天德郭晓霞等.非饱和土渗透系数的一种测量方法和预测公式.岩土工程学报():.():.许强.滑坡的变形破坏行为与内在机理.工程地质学报():.许强.对滑坡监测预警相关问题的认识与思考.工程地质学报():.黄晓虎雷德鑫夏俊宝等.降雨诱发滑坡阶跃型变形的预测分析及应用.岩土力学():.郭飞黄晓虎邓茂林等.三峡库区“阶跃”型滑坡变形机理与预警模型.测绘学报():.曾洋华骐杨涛等.湖北省地质灾害特征及形成条件研究.资源环境与工程():.王浩.十堰市双龙堰滑坡防治技术研究.重庆:重庆大学.廖祥东黄锐杨连旗等.十堰市某滑坡风险分析评价.资源环境与工程():.金朝费雯丽丁卫等.基于信息量模型和 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