（地质工程专业论文）四川省宣汉县天台乡滑坡治理排水工程措施及设计优化研究.pdf

四川省宣汉县天台乡滑坡治理排水工程措施及 设计优化研究 作者简介：王兴平，男，1 9 7 7 年6 月出生，2 0 0 3 年9 月师从于成都理工大 学许强教授，于2 0 0 7 年6 月获硕士学位。 摘要 降雨是诱发滑坡的重要因素之一，。中国地质灾害数据库”记录了1 9 4 9 年 至1 9 9 5 年期间在我国发生的滑坡灾害，其中6 8 5 的滑坡是由降雨引起的。四 川省宣汉县天台乡特大型滑坡就是暴雨诱发滑坡的一个典型实例。及时排除地 表水，减少其入渗量，降低地下水位，是治理这类滑坡的关键；而要科学合理 地布置排水工程，必须深入研究滑坡区地表和地下水的产流、分布及其运移特 征。本论文结合宣汉县天台乡特大型滑坡，以滑坡工程地质条件调查为基础， 通过计算分析、数值模拟等手段，对宣汉县天台乡特大型滑坡的变形失稳机制 进行了深入分析，对不同工况下滑坡区地表和地下水的发育分布及运移特征做 了较为详细的研究，模拟验证了已建排水工程效果良好，最后提出了该滑坡排 水工程设计的优化方案。本论文的主要研究内容和创新性工作如下： ( 1 ) 深入分析了暴雨诱发四川省宣汉县天台乡特大型滑坡的成因机理， 提出了特大型近水平岩层滑坡多级平推式滑动模式。 ( 2 ) 通过不同工况下滑坡稳定性计算分析得出，地下水位的高低对近水 平岩层滑坡的发生将起着决定性的作用。 ( 3 ) 在天台乡滑坡区域渗流场水文地质调查分析的基础上，建立了该滑 坡的区域水文地质概化模型，运用v i s u a lm o d f l o w 模拟分析了不同设计方案下 地下渗流场的变化特征，同时验证了该地下排水工程的排水效果良好。 ( 4 ) 通过现场调查、计算分析和数值模拟相结合手段，分析得出己建滑 坡排水工程的排水效果良好，同时对现有的排水工程提出了简要的设计优化方 案，以期对今后类似的降雨型滑坡的排水工程设计起到一定参考借鉴作用。 关键词：降雨，多级平推式滑坡，v i s u a lm o d f l o w ，排水工程，优化设计 s t u d yo nm e a s u r e so f a r t i f i c i a ld r a i n a g es y s t e ma n d o p t i m i z a t i o nd e s i g no f t i a n t a i v i l l a g el a n d s l i d ei n x u a n h a nc o u n t r yo fs i c h u a np r o v i n c e a b s t r a c t r a i n f a l li so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r sw h i c hc a u s et h el a n d s l i d e t h e c h i n e s eg e o l o g yd i s a s t e rd a t a b a s eh a sr e c o r d e dt h el a n d s l i d ed i s a s t e r sf r o m1 9 4 9t o 1 9 9 5i no u rc o u n t r y , 6 8 5 o fw h i c hh a v eb e e nc a u s e db yr a i n t i a n t a iv i l l a g e l a n d s l i d e ，as u p e r - g i a n tl a n d s l i d ei nx u a n h a nc o u n t r yo fs i c h u a np r o v i n c e ，i sat y p i c a l s l o p ei sc a u s e db yr a i n f a l l d r a i n i n gt h es u r f a c ew a t e r , r e d u c i n gp e r c o l a t i o n ，l o w i n g t h eg r o u n dw a t e ra r et h ek e ym e a s u r e st oc o n t r o lt h i sk i n do fl a n d s l i d e i no r d e rt o a r r a n g ea r t i f i c i a ld r a i n a g es y s t e mr e a s o n a b l ya n ds c i e n t i f i c a l l y ，i ti sn e c e s s a r yt o c l e a r l ya n a l y z et h es u r f a c ew a t e rc o n d i t i o n sa n dd i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，a n d m o v i n gc o n d i t i o n so ft h eg r o u n dw a t e ri nl a n d s l i d er e g l t h i sp a p e rt a k e st i a n t a i v i l l a g el a n d s l i d ea sac a s e ，a n a l y z i n ge n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa n dt h e r a i n f a l ls l o p em e c h a n i s mo ft h i sl a n d s l i d e , a n ds t u d y i n gd i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c s a n dm o v i n gc o n d i t i o n sa n dc o u r s eo ft h eg r o u n dw a t e ru n d e rt h ed i f f e r e n ts i t u a t i o n s b yu s i n gt h em e t h o do ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h em a i nc o n t e n ta n dc o n c l u s i o n si s f o l l o w i n ga s p e c t s ： ( 1 ) t h ep a p e ra n a l y z e st h eg e n e s i sm e c h a n i s mo ft i a n t a is u p e r - g i a n tl a n d s l i d ei s i n d u c e db yr a i n f a l li nx u a n h a nc o u n t yo fs i c h u a np r o v i n c e a n dp u tf o r w a r d st h e m o d e lo ft h es u p e r - g i a n tm u l t i - s t e pt r a n s l a t i o n a lg l i d i n gl a n d s l i d ef o r m i n go nn e a r h o r i z o n t a lr o c kl a y e r ( 2 ) a n dd r a w sac o n c l u s i o nt h a tt h es c a l eo fg r o u n dw a t e rp l a y sad e c i s i v er o l e o nt h es t a b i l i t yo ft h i sl a n d s l i d eb ya n a l y z i n gs t a b i l i t yi nd i f f e r e n tw a t e rl e v e l s i t u a t i o n ( 3 ) o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gv a d o s er e g i o ni nt h ef i e l do fl a n d s l i d e ，t h eg e n e r a l l y h y d r o l o g i cm o d e li nt h er e g i o no fl a n d s l i d ei se s t a b l i s h e d , a n dt h ec h a r a c t e r i s t i ca n d c h a n g eo fv a d o s er e g i o no fg r o u n dw a t e ri ss i m u l a t e d a n dp r o o ft h a tt h ee f f e c to f a r t i f i c i a ld r a i n a g es y s t e mi sg o o d ( 4 ) b e c a u s co ft h ea r t i f i c i a ld r a i n a g es y s t e mo ft h i sl a n d s l i d ei so p e r a t i n g , s i t e i n v e s t i g a t i o na n dt h ec o n c l u s i o no fn u m e r i c a lc o m p u t a t i o nc o n f i r mt h a tt h ec o n d i t i o n o ft h ea r t i f i c i a ld r a i n a g es y s t e mo p e r a t ew e l l a tt h es a m et i m e ，t h i sa r t i c l ep r o p o s e s o p t i m i z a t i o nd e s i g np l a nf o rt h ea r t i f i c i a ld r a i n a g es y s t e m i th a st h em o d e lv a l u ef o r d e s i g n i n go t h e ra r t i f i c i a ld r a i n a g es y s t e mi ns i m i l a rl a n d s l i d e k e yw o r d s ：r a i n ；t h em u l t i s t e pt r a n s l a t i o n a lg l i d i n gl a n d s l i d e ；v i s u a lm o d f l o w ； a r t i f i c i a ld r a i n a g es y s t e m ；o p t i m i z a t i o nd e s i g n n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盛都堡互太堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者导 学位论文作者签 0 7 年岁月孑d 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盛都堡王塞堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盛壑理王太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 6 7 年 f 月 刁。日 第1 章前言 第1 章前言 1 1 选题依据及研究意义 滑坡是一种十分严重的全球性自然灾害，有统计资料表明其危害性仅次于 地震和洪水，其中，降雨是导致滑坡产生的主要诱发因素。中国地质灾害数 据库记录了1 9 4 9 年至1 9 9 5 年期间发生在我国的滑坡灾害，其中68 5 的滑 坡是由降雨引起的，而其它诱发因素( 如库水位升降、地震、洪水、人工切坡、 采矿等1 导致滑坡的总数仅占同一期间发生在我国滑坡灾害的3 1 5 。中国典 型滑坡一书中列举了9 0 多个滑坡实例，其中有9 5 以上的滑坡都与降雨有 着密切关系。如1 9 8 2 年的长江鸡扒子滑坡、1 9 8 5 年的长江新滩滑坡以及1 9 9 1 年的黄腊石滑坡等。 我国现有新老滑坡约3 0 万处，其中灾害性的约1 5 万处，每年自然滑坡 体积达数百万甚至上亿立方米，损失高达1 0 0 亿元以上。滑坡一旦发生，轻则 延误工期，造成巨大的经济损失，重则引起伤亡事故。因此，对边坡的稳定性 进行正确评价和对滑坡的预测是相当重要的，另外，分析滑坡产生的原因和形 成机制，是工程治理设计中的关键。 2 0 0 4 年9 月5 日1 2 ：0 0 2 3 ：0 0 四川省达州市宣汉县天台乡义和村在特 大暴雨诱发下，发生特大型岩质滑坡。滑坡平面形态总体上里“圈椅”状( 见图 1 - 1 ) ，纵向( 东西方向) 长9 5 0 1 2 0 0 m ，横向( 南北方向) 宽1 4 0 0 1 6 0 0 r a ， 滑坡面积1 2 k m 2 ，滑体总体积2 5 x 1 0 7 m 3 。滑坡前部冲入渠江支流前河， 堵塞河道和河漫滩，形成宽1 5 0 0 m 、高2 0 余m 的天然堆石坝，河道及岸坡松 散堆积物约2 1 0 万m 3 。河水形成的堰塞湖回水达2 0 k i n ，水位上涨2 0 2 3 m ， 库容约6 x 1 0 7m 3 。 根据应急监测资料表明：滑坡解体较完全，滑体上形成了大量的横张裂缝， 成为地表水入渗的通道，在滑体后缘滑动产生了多个反向台阶，形成汇水洼地； 滑坡体上的纵向冲沟阻塞雍水，滑体内地表水排泄不畅，今后再次遭遇一定的 强降雨，地表水很容易渗入滑体，造成坡体饱水。因此从宏观判断：若不采取 积极的治理措施，今后在一定的强降雨条件下或其他因素的诱发下易产生局部 或整体复活并造成继续堵河的危害。从而造成河道堵塞，威胁上游村镇和下游 村庄的安全。 成都理l ：人学硕十学位论文 图1 - 1 天台乡特大型滑坡工程地质平面图 根据多方面的专家现场考察和相关数据表明：天台乡特大型滑坡的产生是 由于超强度的降雨触发引起的，降雨使得坡体饱水，降低其力学性质，加大了 坡体重度，同时地下水渗入坡体裂隙，在裂隙尖部产生应力集中现象，使得裂 隙进一步被楔裂、撕开。因此，研究清楚该滑坡的地下水的渗流场特征对滑坡 治理是相当重要的。正是基于此，笔者希望通过对天台乡特大型滑坡排水工程 的研究，能够对以后类似滑坡的治理提供一些参考意见。 1 2 研究现状 地下水对滑体的作用主要涉及两个方面：一是地下水对滑体的力学作用， 包括滑体裂隙( 孔隙) 静水压力和动水压力；二是地下水对滑体所产生的物理和 化学作用，常常极大地改变滑体力学性质，能使滑体性状逐渐恶化。 1 2 1 地表排水工程措施及方法研究现状 地表排水主要是通过改变降雨入渗的初始及边界条件来达到减小入渗量、 治理滑坡的目的；滑体以外的地表水，以拦截和旁引为原则，避免其流入滑坡 区；滑体以内的地表水以防渗，尽快汇集和引出为原则。因此，滑体外设置一 条或多条环形截水沟，拦截旁引地表径流，不使其流入滑坡范围之内；滑体内 充分利用自然沟谷，布置成树枝状排水系统。滑体内的湿地及泉水出露之处， 修建渗沟及明沟等引水工程，以减少对滑坡的供水。 2 第1 章前言 地表排水工程常用的措施有截、排水沟、跌水与陡坡、消力池、集水井和 排水井等。地表排水系统的截面尺寸首先要确定设计径流量0 ，而设计径流量 u 与以下几个参数直接相关：汇水面积f ，汇流时间f ，径流系数妒，设计重 现期和降雨历时内的平均降雨强度鼋，根据公路排水设计规范可知q 的计 算公式如下： q = 1 6 6 7 妒q f 求解设计径流量的框图如图1 2 ： 图1 - 2 径流量计算流程图 国内郑金城等人从降雨形成地表径流的规律入手，对目前滑坡体排水沟流 量的两种的计算方法( 一是采用水文中的小流域流量计算公式；另一种是采取 城镇给排水设计中的合理化公式) 的优缺点进行了对比，提出了运用前者确定 汇流历时t ( t = f l + f ：) ，运用后者确定设计暴雨强度鼋；计算公式如下： p 去g - 掣n d 公式( 1 - 1 ) 中f 1 表示地面雨水集流时间；1 2 表示雨水在排水沟类的流行 时间；雄表示山坡粗糙率；趣表示最远的汇流距离，- ，表示地形坡度；q 表示 3 黯 - f 成都理i ：大学硕十学何论文 地貌情况；p 表示降雨重现期，a 、b 表示地方参数，可以查阅相关排水工程 设计手册。 刘德富等人从坡面产流及降雨入渗的一般规律分析入手，对滑坡地表排 水在不同产流阶段以及不同条件下的效果进行了探讨，提出了地表排水工程的 稚置原则。 向喜琼等人将数字高程模型( d e m ) 用于地表排水的设计中，大大提高 了地表排水设计的速度和准确性。 1 2 2 地下排水工程措施及方法研究现状 地下排水工程的目的是为了降低地下水位，从而削弱地下水对滑坡区岩 土体的力学作用和物理化学作用。地下水是斜坡不稳定的主要原因之一，由于 斜坡土层( 岩体) 中埋藏有地下水，流入边坡变形区，产生了动水压力和静水 压力，为减弱这种压力的作用，确保边坡稳定，可采用地下排水的方法。根据 地下水的含水层数、埋藏深度和土质密实程度的不同，而采用不同的构筑物， 如盲沟、地下排水廊道、竖直排水井群等方法。 ( 1 ) 盲沟按其作用的不同可分为支撑盲沟、截水盲沟及边坡渗沟。 支撑盲沟：平面布置形式有y 形，y y y 形和l l l 形，盲沟的间距根据土质情 况而定，一般采用6 1 5 m 。支撑盲沟的上部分岔开成支沟同时支沟的部分可 伸展到滑坡范围以外，以达到拦截地下水的作用。如在柳古二级公路黑松驿 ( k 2 4 1 0 + 4 0 0 k 2 4 1 0 + 6 5 0 ) 段滑坡整治单独采用支撑盲沟，效果良好。 截水盲沟：当滑坡外界有比较丰富的地下水补给时，常采用截水盲沟， 以便将地下水尚未流入滑体之前就拦截引走。一般布置在滑坡可能发展的范围 以外的稳定地段，要求与地下水流向垂直，是一种较为有效的地下排水措施。 边坡渗沟：渗沟的作用是排除滑坡前缘的边坡壤中水，疏干边坡，同时 对边坡的局部地段有支撑作用。其形状从平面来分有垂直的、分支的、拱形等 几种。 ( 2 ) 地下排水廊道、竖直排水井群往往设置在基岩内部，对于下部有隔 水板的滑坡体，可迅速降低滑体内部的地下水位，防止地下水产生过高的水头 而导致对滑坡稳定性的影响，但地下排水廊道这种方法施工周期较长，造价高， 特别是在某些特殊的地质环境下无法实施，加之排水深度不能达到任意深度， 应用范围较小，在国内，也只就用在重大工程中，如大型水电工程及一些危害 重大的滑坡、边坡等。 唐红梅等基于对岩体边坡中地下水的存在性态及作用机理分析，提出了实 用排水模型；建立了排水微分控制方程，利用敏感性分析求解此方程而得到了 4 第1 章前言 岩体中地下水的优化排水方向，对于库岸边坡岩体中地下水的有效排泄、岩体 滑坡有效排水等方面有一定的实用价值。 舒群等人提出了结合钻孔的虹吸法( 见图1 3 ) ，并对该法的施工工艺从钻 机成孔下吸水管钻孔灌砂虹吸排水四个步骤进行了介绍，同时对 虹吸井点的数量及其排列方法进行了理论研究，但是该方法在工程实践上有待 进一步研究和积累经验。 图1 - 3 虹吸排水法施工工艺 1 2 3 排水工程效果评价研究现状 治理滑坡的排水工程设置后，在国内对于排水效果的研究一般将滑坡体 中地下水流动问题概化为沿主滑剖面的二维流动，滑动带视为下部不透水边界， 于是将因大气降雨而引起的地下水水流当做潜水二维流动问题加以简化求解。 根据达西定律及地下水水流均衡原理，可以得到描述滑坡剖面二维不稳定流 动问题的动力学模型。但对滑坡体本身的几何特点和材料特点考虑得不多，有 时这种简化可能对于问题的解决起到了相反的效果，如一些裂隙较发育的岩质 滑坡等。 排水工程效果的定量评价是一个复杂的问题，必须把降雨入渗过程当作 一个饱和非饱和不稳定渗流问题，必须处理好“三水”( 地表水、土壤水 和地下水) 的转化问题，但是在实际研究当中受理论和试验技术的限制，一些 参数不能很好的确定，甚至无法取得，仅能通过经验获得。近年来陈国金等人 通过监测和放水试验对黄腊石滑坡的地下排水效果进行了分析，罗先启等人运 用非饱和非稳定渗流原理对石榴树包滑坡排水效果进行了分析，除此以外，张爱 军等人运用自主研发的u n d e r f l o w 3 d 对黄土滑坡立体排水系统进行了数值模 拟，徐卫亚等人运用人工神经网络方法预测滑坡内地下水在捧水工程实施前后 的变化。 不考虑水的密度变化的条件下，孔隙介质中地下水的三维空间流动连续 成都理l 人学硕十学位论文 性方程在一定的初始条件和边界条件下，一般是很难求出解析解，但是我们要 了解地下水的分布特征，就必须知道该方程的解，因此，我们必须通过有限差 分法对连续的时间、空间进行离散，从而求出其数值解为我们所用。由美国地 质调查局于8 0 年代开发出的一套专门用于孔隙介质中地下水流动数值模拟的 软件m o d f l o w 在科研、生产、环境保护、城乡发展规划及水资源利用 等许多行业和部门得到了广泛的应用，已经成为晟为普及的地下水运动数值 模拟的计算机程序。虽然m o d f l o w 本身仅限于模拟地下水在孔隙介质中的 流动，但大量实际工作表明，只要恰当使用，m o d f l o w 也可用于解决许多 地下水在裂隙介质中流动的问题。如李文跃、杨青春等人运用m o d f l o w 模 拟区域地下水，朱冬林等人运用该软件模拟库岸滑坡工程地下水分布，但运用 该软件模拟滑坡治理排水工程效果研究的还不多。 1 3 研究内容及技术路线 本论文将从分析宣汉天台乡滑坡的工程地质条件入手，深入分析该滑坡 的成因机理，通过稳定性计算和因素敏感性分析认为地下水位的高低是滑坡再 次失稳的关键因素。在此基础上，进行了该滑坡的排水工程设计，然后，运用 m o d f l o w 模拟在确定的降雨过程中，排水工程设置前和设置后滑坡区域地下 渗流场的改变，结合已有的水文监测资料对已投入运营的滑坡排水工程效果做 出评价，并提出相应的设计优化方案。因此，本论文主要将对以下内容进行分 析研究； ( 1 ) 天台乡滑坡形成过程和机制分析 首先对天台乡滑坡的具体工程地质条件进行分析，然后从力学机制上分析 降雨诱发天台乡滑坡的成因机理。 ( 2 ) 天台乡滑坡的排水工程设计 主要包括排水工程( 地表、地下) 的设计理论及原则，天台乡滑坡排水工 程的设计手段，工程布置研究。 ( 3 ) 排水工程效果及设计优化研究 运用m o d f l o w 模拟工程前、后地下水渗流场特征，结合监测资料和现 场地质调查验证工程排水效果，并提出简要的设计优化方案。 根据具体分析和研究的需要，建立相应的技术路线图，见图1 4 。 6 第l 章前言 图1 - 4 研究内容及技术路线图 7 成都理i ：大学硕十学位论文 2 1 自然地理 第2 章滑坡区工程地质条件 2 0 0 4 年9 月5 日发生的天台乡特大型滑坡位于四川省达州市宣汉县天台 乡义和村，处在渠江支流f i 河的右岸，滑坡距达州的直线距离为6 0 k m ，南距 天台乡0 4 k m 2 3 k m ，北至五宝镇。滑坡区的地理坐标为：东经1 0 8 。3 2 5 ”； 北纬3 l 。2 6 1 0 ”。北京坐标为x = 3 4 7 8 3 6 0 3 4 7 9 7 2 0 ，y = 3 6 5 0 5 5 0 0 3 6 5 0 6 7 0 0 。 其地理位置参见图2 1 。 由成都至达州有高速公路、铁路相通，达州至宣汉县、宣汉县至天台乡为 公路相连，成都至天台乡公路里程约5 8 0 k i n 。滑坡区的目前只有临时便道通 行。 2 2 气象水文 图2 - 1 滑坡区自然地理位置 滑坡区属中亚热带湿润季风气候区，气候温暖潮湿，雨量丰沛，具有冬暖、 春早、夏热、多秋雨的特点。多年平均气温为1 6 8 1 2 ，多年平均降雨量1 2 0 0 m m ， 多年最大降雨量1 6 9 8 m m ，多年最小降雨量8 6 5 9 m m 。降雨多集中在5 1 0 月， 降雨量约占全年的8 0 9 0 。夏季多暴雨，日降雨量一般达l o o m m 以上。 宣汉县“9 5 ”特大暴雨从2 0 0 4 年9 月2 日开始，至9 月6 日基本结束。 这次暴雨过程持续时间之长、降雨强度之大，在宣汉县有气象记载以来是前所 未有的。从9 月31 5 11 3 时至6 日1 4 时的过程降雨量达4 1 9 m m 。降雨时段主 要集中在4 日1 时至5 日1 2 时，4 日2 时至5 日8 时降雨达2 5 7 m m 。 滑坡前缘为前河，属渠江河的支流。前河河谷宽为1 0 0 2 0 0 m ，河床宽 度变化较大，一般在5 0 1 5 0 m ，天然河床的纵坡降在1 2 左右。滑坡堵塞 第2 章滑坡区： 程地质条件 后，堵塞段河床的纵坡降变陡，达到1 5 2 0 o 。河水的流量变幅较大，根据 土黄水文站资料，前河的年平均流量在4 0 4 7 2 2 m 3 s 。据滑坡堵河疏浚施工 期间的水文观测，2 0 0 4 年1 0 月31 5 的河水流量为1 3 9 m 3 s ，1 1 月以后逐渐减 至2 7 m 3 s 。滑坡体上的余家沟、麻柳树沟、凉水井沟及大河沟均长年有水， 流量季节变化较大。 2 3 地形地貌 滑坡区属中等切割的构造剥蚀中山区，山顶的绝对高程一般为1 0 0 0 l l o o m ，附近山峰高程为1 1 9 8 m ，前河河谷高程为3 5 6 m ，地形的相对高差达 8 0 0 余m 。 由于山体是由侏罗系中统遂宁组砂岩和蓬莱镇组泥岩构成，因此两种岩性 的差异导致砂岩地段形 成陡壁，泥岩地段形成缓 坡，从而构成台阶状斜坡 地形。斜坡的地形坡度为 1 5 。3 0 。，前缘近河谷部 分的坡角达5 5 0 7 0 。，形 成高陡的临空面。河谷的 宽度8 0 l o o m 。图2 2 和图2 3 为滑前和滑后滑 坡区地质遥感影像图。 图2 - 2 滑坡区遥感影像图( 滑前) 图2 - 3 滑坡区遥感影像图( 滑后) 9 成都理i ：人学硕+ 学伉论文 2 4 地层岩性 滑坡区第四系主要为坡积、残积和滑坡堆积的粘土夹块碎石土，块碎石 的含量变化较大，斜坡上部的块碎石含量较高，斜坡下部的块碎石含量较低， 块碎石的成分为棕红色砂质泥岩，风化强烈，填充物为粉质粘土，多为可塑状 态。块碎石土的厚度变化较大，因地而异，在滑坡区内，厚度可达2 0 m 左右， 在滑坡区外多小于5 m 。 基岩为侏罗系中统遂宁组( j 2 。) ，岩性以棕红色、紫红色砂质泥岩、泥质 粉砂岩为主夹数层紫灰色、紫红色细粒石英砂岩。砂岩主要分布在下部，可见 小型斜交层理和细缓波痕，砂质泥岩主要分布在上部，含零星灰质团块和虫迹， 水平层理发育，云母片沿层面富集。底部为棕红色、紫灰色细粒长石石英砂岩， 常具斜层理，底面有时较平整，有时坑洼不平，并含下伏层之泥砾，厚度在 5 m 以上。 2 5 地质构造 天台乡滑坡的区域构造部位在扬子地台西北缘，j i l 东凹褶带与大巴山褶 皱带的交界处，滑坡所属级构造部位为五宝场背斜东翼和平楼山向斜之间( 图 叵! 俸罗摹上统蓬莱镇组 r = ： 地层莽残 刨向井 _ i 1 铼罗幕中统递宁姐 ：一1 岩层产状 团滑坡位王 图2 - 4地质构造图 1 0 l 轴j 倬罗系中兢上沙滇庙纽 一幽背件 第2 章滑坡区】：程地质条件 2 4 ) 。五宝场背斜轴线北东3 0 。，轴部的最老地层为侏罗系中统上砂溪庙组第 二段( j 2 柚) ，两翼产状对称，大约在1 0 。左右。北东在高梯子以东倾没，与北 西向关山坪向斜反接，在倾没端以东有- 4 , 逆断层，轴线n w 5 4 。，倾向n e ， 倾角2 5 0 ，断距5 9 m ，延伸5 0 0 m 。滑坡所处于单斜地带，岩层倾向为9 5 。 1 1 0 。，倾角为8 。1 0 。 受构造作用的影响，滑坡区泥岩层的构造节理和风化裂隙发育，裂隙较 为平直，间距一般2 3 m ，岩石多切割成块体，斜坡的完整性较差。砂岩层 裂隙总体上不发育，地貌上常常构成陡崖，斜坡的稳定性较好，而在河谷岸坡 卸荷带，砂岩层裂隙相对发育，间距一般2 3 m ，岩石多切割成巨大的块体， 裂隙面较为平直，局部块体松动呈危岩状。 2 6 人类工程活动及地震烈度 滑坡区内主要人类工程活动为农耕、农户建房，坡体地形呈平坦及阶梯状、 台坎状和缓坡状，是人们长期进行农耕活动的主要场所，由于在农业生产活动中， 大量开垦种植，修建农田水利设施( 堰塘和水田蓄水) 等，造成大量地表水渗入滑 体，使滑体、滑带饱水，并降低其力学强度，促使滑坡变形加剧；同时，斜坡体 上天然冲沟的冲刷、斜坡前缘河流的下切，斜坡前缘公路的修建等对滑坡的稳 定都具有不利影响。根据1 ：4 0 0 万中国地震烈度区划图( 1 9 9 0 年版) ，该 区域的基本地震烈度为级。 成都理i ：人学硕十学位论文 第3 章天台乡滑坡基本特征及成因机理分析 3 1 滑坡地质特征 3 1 1 滑前斜坡地质特征 滑坡区至西向东倾斜，由于岩性的差异，地形陡缓相间，滑动前地形坡 度一般为6 2 0o ，由南向北发育余家河沟、麻柳树沟、凉水井沟、大河沟等4 条较大的天然冲沟。在地形低缓处或冲沟中常有水塘分布。横向冲沟发育，冲 沟间距3 0 5 0 m ，冲沟在中部有较大转折，有时甚至突然转向，两侧的主要 冲沟具有双沟同源的特征。斜坡地表大部由农田覆盖，土层较厚，但也有多处 鼓丘状基岩分布在斜坡各处，实测基岩层面产状： 1 2 0 0 么4o 7o ，基岩中 有两组十分发育的陡倾节理，其产状分别为：4 0 0 么7 5o 8 0o 、1 1 0o 么7 5 o 8 0o 。斜坡前面有前河围绕，前河河谷成为该斜坡的宽阔临空谷。 3 1 2 滑后滑坡地质特征 滑坡产生后平面形态总体上呈“圈椅”状，纵向( 东西方向) 长9 5 0 1 2 0 0 m ， 横向( 南北方向) 宽1 4 0 0 1 6 0 0 m ，滑坡面积1 2 k m 2 ，体积达到2 5 0 0 万方，滑 床面后陡前缓，前部顺层滑动，坡度5 7 。，后部切层，坡度渐变为2 0 4 0 。， 主滑方向9 5 。滑坡区南侧边界起至观音岩，滑坡体切断余家河沟、麻柳树沟、 凉水井沟三大自然冲沟，滑坡北侧以大河沟为界。滑坡前缘向东凸出，两侧临 空，中部有明显转折，滑坡在前河右岸陡坎泥岩，砂岩顶面剪出，剪出口高程 4 0 0 4 2 2 m ，高于原河床4 5 6 4 m 。在空间上，滑体的厚度变化较大，总体为 后部厚，前部薄，滑坡后部的滑体厚度多在3 5 4 5 m ，滑坡前部的滑体厚度一 般为2 0 m 左右；在横向上，滑体厚度的变化趋势是中部厚，北部次之，南侧薄； 滑坡滑动的距离和解体程度都是前部远大于后部，中部大于两侧部位。在总体 上，地形坡度比滑动前减缓，大致为1 2 1 5 0 ，但在局部，地形的高低起伏增 大，滑壁形成的陡坎多高达l o m 以上，在滑坡后壁则形成高达3 0 4 0 m 的陡坎。 滑坡体前部裂隙密集，裂隙间距一般为1 5 m ，裂隙的宽度大多为0 2 l m 。 裂隙切割和错动后，滑体呈“叠瓦式”分布，滑坡由前向后逐渐分级滑动解体 形成，每一级滑块除了向前水平运移之外，还有竖向上的运动，形成滑块问的相 对错动，特别是在滑块的后部形成相对下降的凹地以及相对上升的脊地( 槽脊相 间) 。见图3 1 、图3 2 、图3 3 。 第3 章天台乡滑坡基本特征及成冈机理分析 图3 - 1 滑坡体南侧中后部“槽脊相问”地貌 根据滑坡变形破坏程度和滑体滑移矢量方向及大小，可将滑坡分为强烈位 移变形区、中等位移变形区、后缘拉裂变形区( 参见图l 一1 ) 。 滑带的厚度大多介于0 2 0 1 2 0 m 之间，平均值0 6 2 m 。滑带土为棕红色粘 土或粉质粘土含角砾，其中的角砾大多具有擦痕及磨圆现象。滑带土的湿度较 大，一般为湿很湿，呈可塑一软塑状态，甚至呈流塑状态。滑体物质在后部 主要为紫红色泥岩形成的碎裂岩体及碎块石土夹粉质粘土，在滑坡的前部则以 粉质粘士为主滑坡表面特征为分级分块的波状起伏。滑床由基岩构成，为侏罗 系中统遂宁组( j 2 | n ) 的暗紫红色砂质泥岩和浅灰色泥质砂岩。 综上所述，滑坡有如下特征： ( 1 ) 滑面倾角很缓，只有7 1 0 0 ； ( 2 ) 厚度不大，两侧1 0 2 0 m 。中部2 0 3 0 m i ( 3 ) 分块特征很明显； ( 4 ) 变形和破裂过程较长( 2 0 0 4 年9 月5 日1 5 点2 3 点) ) ，但下滑时间很短； ( 5 ) 滑后原始地形坡度变化不大； ( 6 ) 运动方式特殊，虽然总体方向具有一致性，但各块的速度、方向差异 性较为明显； ( 7 ) 具有“后推前”推移式特征。 成都理i ：人学硕十学位论文 m 瑚聃帅 圈l 囝2 豳3 目4 图5 蛞6 国7 圈8 口9 隧i o 1 粉质粘士夹碎块石；2 碎块石土 3 - 滑坡河道堆积碎块石土 4 泥岩，5 砂岩；6 主滑动面及滑动方向；7 次级滑动面及滑动方向 8 现地形线；9 原始地形线；1 0 侏罗系遂宁组 图3 - - 2 天台乡滑坡典型工程地质剖面图 图3 - 3 天台乡特大型滑坡典型钻孔地质剖面图 1 4 警一 第3 章天台乡滑坡基本特征及成因机理分析 3 2 滑坡区水文地质条件 研究区地表水及地下水都十分丰富，滑前研究区范围内共分布有长度为 8 8 m 1 2 1 7 9 m 的沟谷3 2 条，水田1 0 9 7 亩，大小蓄水塘有2 6 个，滑坡体上由南 向北发育余家河沟、麻柳树沟、凉水井沟、大河沟等4 条较大的天然冲沟，沟 道纵比降1 5 3 1 9 7 o ，其总汇水面积为2 0 8 k m 2 。滑坡前斜坡上部以泥岩及块 碎石夹粉质粘土组成的坡积层构成相对隔水层，下部砂岩裂隙为相对富水的承 压含水层 滑坡后，根据钻孔揭露，滑坡区存在上下两层含水系统。一是以滑床为 界，滑坡松散堆积层中赋存孔隙潜水；二是滑床砂岩中赋存基岩裂隙水。由于 滑坡解体，由泥岩及块碎石夹粉质粘土组成的上部坡积层强烈滑移破坏形成大 量的裂缝，成为相对富水的含水层，赋存潜水；由于滑带土均为粘性土，饱水 而不透水，使得滑带土构成其隔水下界。而下部砂岩裂隙成为相对不富水层。 大气降水是滑坡松散堆积层中地下水的主要补给源，积水洼地和冲沟中 地表水的侧向补给也是地下水的补给源之一。滑坡体地面众多的裂缝、反翘， 错落等造成地面高低不平，不能顺畅地排泄降雨形成的地表径流，使降水的入 渗量大大增加。滑坡体造成冲沟多处堵塞、反倾，致使天然排水系统大多已失 去捧水能力，降雨时冲沟口流水很小，形成的地表径流主要渗入滑体转化为地 下水。 通过钻孔揭露，上部滑坡堆积层中的潜水水位高于下部滑床砂岩裂隙含水 层的承压水位，潜水补给承压水。滑体和滑床地下水的水力联系主要通过滑体 解体形成的裂隙系统与砂岩裂隙系统局部连通形成。物探结果表明，滑坡后缘 地下水多表现为带状分布，在滑坡前缘多表现为层状分布。潜水主要通过滑体中 后部大量裂缝系统垂直入渗滑体( 地面裂缝带渗透系数k = 0 8 5 5 m d ，平均 2 2 1 4 m d ) ，在滑体中运移，最后在滑坡前缘剪出口附近以泉水或渗水的形式排 泄到地表。 滑坡区地下水水质类型为h c 0 3 - s 0 4 c a 型水。p h 值为7 1 7 2 ，s 0 4 2 - 含量为1 4 3 1 6 1 5 0 3 7 m g l ，m 9 2 + 含量为2 5 9 0 2 7 6 0 m g l ，h n 4 含量为 0 0 0 m g r l ，o h 含量为0 0 0 m g l ，总矿化度为7 1 0 2 0 7 2 4 1 5 m g l ，侵蚀性c 0 2 为5 7 8 4 m g l ，h c 0 3 为5 9 5 6 1 2 m g l 。地下水对混凝土无腐蚀性，对钢结 构具有弱腐蚀性。 成都理i ：人学硕十学位论文 3 3 滑坡成因机理分析 3 3 i 特定的地质构造是滑坡形成的内在因素 滑坡体所处地质构造部位为五宝场背斜东南翼，地层为侏罗系遂宁组的 泥岩、砂岩互层。斜坡结构：上部为坡积层及强风化泥岩( 构成滑体的主要岩 土体) ，下部以中风化砂岩为主( 构成滑床的主要岩体) 。滑床基岩( 砂岩、泥 岩) 顺坡向倾向东南1 1 俨，前部倾角8 1 0 0 ，后部倾角1 0 1 5 q 。岩层呈向前 河倾斜的“平板”状，构成易滑的地质块体，易产生顺层滑坡。 由于受构造作用的影响，斜坡岩层的节理和风化裂隙发育。特别是组成 滑体的泥岩风化裂隙发育，钻孔揭露的风化带深度达几十米接近砂岩顶板，岩 层已呈碎块状、块状，地表水易渗入。泥岩浸水后极易软化，成为含水而透水 性差的相对隔水层。构成滑床的砂岩发育两组裂隙，一组倾向4 0 9 ，另一组倾 向1 1 俨，裂隙较为平直，倾角7 0 8 俨。但是砂岩裂隙分布并不均匀，总体看 裂隙不发育，岩层主要呈厚层状或巨厚层状。钻孔揭露6 0 m 以下的砂岩体完 整，裂隙不发育，岩芯长度可达2 m 以上，已属中微风化带。局部密集带裂 隙间距一般2 3 m ，岩石多切割成块体，呈块状结构，砂岩裂隙系统是斜坡 深部地下水的主要运移通道，赋存承压裂隙水。 3 3 2 易于汇水的地形是滑坡形成的促进因素 滑坡区地形为三面临空的台状斜坡地，台面坡度1 5 0 3 俨。前缘为河谷 岸坡，坡度5 5 0 7 俨，滑坡体剪出口位置高于原河床约4 5 6 4 米，滑坡体前 方无阻滑段，临空条件良好。坡面发育4 条深切大冲沟，集雨面积2 0 8 k m 2 。 滑坡前局部沟底可见基岩( 砂岩、泥岩) 出露，沟水对地下水可以直接补给。 坡面分布大量梯田、大小2 6 个水塘。在大暴雨条件下，地表天然排水系统排 泄能力不畅时，极易产生大面积的积水成为地下水的补给源。 3 3 3 特大暴雨是滑坡产生的主要诱发因素 虽然天台乡滑坡在其内因和地形上具有了产生滑坡的可能，但按照传统的极 限平衡理论，没有特殊的原因，在近水平的基岩坡体中发生如此大规模的滑坡是 不可能的。通过详勘及现场的调查和访问，发现促使该滑坡发生的因素，除与滑 坡体本身的坡体结构特征及良好的临空条件有关外，暴雨是诱发该滑坡的主要外 部因素。 2 0 0 4 年9 月3 日到6 日的暴雨持续时间之长、降雨强度之大，在宣汉县 第3 章天台乡滑坡基本特征及成冈机理分析 有气象记载以来前所未有。从9 月3 日2 0 ：0 0 至9 月6 日2 0 ：0 0 的过程降雨 量达4 0 3 3 m m 。9 月4 日2 0 ：0 0 至9 月5 日2 0 ：0 0 降雨达2 5 7 m m 。 前期降雨使坡体充分饱水，特大暴雨产生的径流使冲沟产生多处垮塌、 沟边树木倒塌堵塞沟道，致使沟水漫流，滑坡区农田、水塘大面积积水下渗， 致使坡体风化裂隙发育的泥岩层逐渐饱和，由于泥岩渗透性差，坡体中的水不 能及时排出，软化了其力学性质，加大了坡体重度，与此同时地下水渗入裂隙 后，在裂隙中形成了较高的静水压力和在滑面产生了较高的扬压力，当前部l i 缶 空的条件下，静水压力和扬压力二者联动使得各滑块体先后启动，从而产生了 以后退式为主的多级平推式滑坡模式。 3 3 4 滑坡过程分析 降雨对滑坡体的作用是一个动态的过程，随着降雨强度的变化和降雨历时 的增长，滑坡体的变形特征也在不断地发展变化。因此，根据降雨入渗特点及 其对滑坡的影响情况，可分为如下三个阶段； ( 1 ) 降雨入渗，坡体浅表部坡残积层逐渐饱水阶段：由于排水不畅，降 雨的初期阶段，滑坡区内地表水主要通过坡体浅表部的坡残积层逐渐下渗并使 其逐渐饱水。 ( 2 ) 雨水渗入泥岩构造裂隙阶段：坡体浅表部坡残积层饱水后，由于持 续降雨，促使下渗的地下水通过泥岩层中的构造裂隙向坡体内部流动，由于完 整的泥岩岩块透水性较差，渗入泥岩中的地下水主要通过裂隙通道下渗，并逐 渐使裂隙充水，并使裂隙周围岩体强度因软化而降低。 ( 3 ) 滑坡分块滑动阶段：泥岩层中裂隙充满水后，被裂隙切割的岩块受 力图如图3 4 所示，a 、b 、c 分别代表由裂隙i 、i i 、i l i 切割的次级滑块。裂 隙充水后不仅会对前一滑块( 裂隙i 对滑块a ) 产生静水压力，同时也会对其后 一滑块( 裂隙i 对滑块b ) 产生与之大小相等，方向相反的静水压力) 。由于滑体 厚度基本相同，且滑面近于水平，滑块b 、c 边界所受的静水压力基本可相互 抵消( 即r 研一r h n ) ( 见图3 5 ) ，故图3 4 中并未把裂隙i l 和i i i 内的静水压 力画出来，但它们是存在的。最后真正只有滑块a 后侧边界会受到近水平的 静水压力( 见图3 4 ) 。由于滑块a 本身具有良好的临空条件，因此其在后侧裂 隙静水压力和底部扬压力的共同作用下，滑块a 首先被平推出去。滑块a 启 动后，其后侧裂隙中的水头迅速降低，空隙水压力迅速消散，滑块滑动一段距 离后( 通过现场留下的地物标志实测，天台乡滑坡前部滑块运动距离为1 4 0 1 5 0 m ) 自行制动。因此，天台乡滑坡前部滑块