十堰郧阳区膨胀土滑坡变形特征及稳定性分析

Science and Technology & Innovation ｜科技与创新
2024年 第03期
DOI ：10.15913/ki.kjycx.2024.03.019
十堰郧阳区膨胀土滑坡变形特征及稳定性分析
黄向涛1，2，易 武1，2，杨岚峣1，2，莫春雷3，贲琰棋1，
2
（1.三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 443002；2.防灾减灾湖北省重点实验室，湖北 宜昌 443002；
3.湖北省地质环境总站，湖北 武汉 430000）
摘 要：在十堰郧阳区的发展过程中，滑坡发生频率较高，其中因膨胀土引发的滑坡占有一定比例。

膨胀土滑坡作为一种特殊土滑坡，常引发各种工程地质问题，对社会稳定和人民生命财产安全威胁较大。

以十堰郧阳区金岗村滑坡为例，在分析滑坡概况、物质组成和工程地质特征的基础上，结合金岗村滑坡的变形特征、位移监测数据和高库水位耦合降雨工况数值模拟，进行了滑坡稳定性分析，并根据稳定性分析结果提出了相应的防治措施，对十堰郧阳区膨胀土的防灾减灾起到一定的作用，并为同类型膨胀土滑坡的研究提供了参考，具有一定的理论和现实意义，同时对促进十堰郧阳区的经济发展具有重要作用。

关键词：膨胀土滑坡；变形特征；稳定性；数值模拟
中图分类号：P642.22 文献标志码：A 文章编号：2095-6835（2024）03-0067-05
膨胀土滑坡作为一种特殊土滑坡，因其胀缩特性
而比一般黏性土滑坡更难治理，常引发各种工程地质问题，对社会稳定和人民生活造成了极大困扰[1]。

膨胀土由蒙脱石、伊利石及高岭石组成，是一种具有特殊性质的高塑性黏土[2]。

膨胀土滑坡由于其性质不稳定而比一般黏性土滑坡更为特殊
[3-5]。

由于膨胀土自身的结
构特性、胀缩特性和强度衰减特性，导致其频繁失稳[6]。

近几年，有学者根据膨胀土边坡破坏的力学机制提出了2类破坏模式：第一类是由于周边水环境变化引发的坡体含水率变化，导致坡体的膨胀变形、强度衰减和应力重分布；第二类是由于膨胀土原生裂隙贯通延伸导致的破坏，根据其机理可以归纳为由膨胀变形引发的浅层滑动和由裂隙强度控制的深层滑动[7-11]。

丹江口水库作为亚洲第一大人工淡水湖和南水北调中线工程的水源地，因其蓄水诱发了众多膨胀土滑坡，对水库平稳运行造成了影响，同时造成了重大的经济损失。

本文以郧阳区金岗村滑坡为例，分析滑坡物质组
成和工程地质特征，结合变形特征和监测数据，进行了
滑坡的稳定性分析，并提出了相应的防治措施。

1 工程实例
1.1 滑坡概况
金岗村滑坡位于郧阳区城关镇金岗村2组和3组，属丘陵地貌。

滑坡总体地势北高南低，分布高程为152.0～220.5 m ，前后缘最大相对高差68.5 m 。

主滑方向为185°，坡度为15°～25°，平面形态为不规则的舌形，平均厚12 m ，规模为206.4×104 m 3，为大型土质滑坡。

滑坡平面形态呈舌形，剖面形态呈折线型，整体坡度为15°～25°。

滑坡全貌图及工程地质剖面图如图1、图2所示。

图1 金岗村滑坡全貌图
图2 金岗村滑坡西段2-2′工程地质剖面图
图1金岗村滑坡全貌图图2金岗村滑坡西段2-2′
工程地质剖面图
含砾粉质黏土
图1
金岗村滑坡全貌图
图
2金岗村滑坡西段2-2′工程地质剖面图
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滑坡区内出露地层主要为第四系（Q ）堆积物、白垩系寺沟组（K 2s ）砂砾岩、粉质黏土岩和震旦系灯影组（Z 2dn ）白云质灰岩。

地下水以降水入渗和降水形成的片流补给为主。

滑坡剪出口位于坡脚处，剪出口处因丹江口水库蓄水已被库水淹没，同时滑坡前缘在库水波动和库水冲刷影响下形成多处陡坎，如图3（a ）所示。

滑坡后缘平台经人工改造多为耕地，因变形时间久远加上人工改造，陡坎处部分区域被植被掩盖，原有变形迹象已不明显，如图3（b ）所示。

滑坡左边界目前主要受冲沟控制，冲沟横切面形态呈U 形，走向155°，谷底宽8～15 m ，
坡度35°～40°，沟底及沟壁两侧多为灌木，如图3（c ）所示。

滑坡右边界位于秦家沟冲沟处，冲沟走向205°，冲沟前缘与北西向的不明性质断层相交，右侧边界与村路交汇处路面存在变形开裂，发育有剪切裂缝，如图3（d ）所示。

（a ）滑坡前缘地貌
（b ）滑坡后缘陡坎
（c ）左边界冲沟地形
（d ）右边界冲沟地形
图3 滑坡边界情况
1.2 滑坡物质组成
滑坡滑体主要组成物质为含砾黏土及含砾粉质黏土。

东段滑体主要为含砾粉质黏土，局部为含砾黏土，呈黄褐色，砾石含量为10%～30%不等，岩土结构松散，透水性中等。

西段坡体主要为含砾黏土，局部为含砾粉质黏土，砾石含量为10%～30%不等，岩土结构松散，透水性中等。

滑体纵向上中部厚两端略薄，横向上西侧厚东侧略薄。

滑体整体厚度变化差异较大，厚度在4～16 m ，平均厚约12 m 。

滑坡滑床主要为白垩系粉砂岩、粉土岩、砂砾岩互层，东侧局部区域滑床为震旦系白云质
灰岩。

2 变形特征
2.1 宏观变形特征
初期变形多集中分布于坡脚地带，随着丹江口库区蓄水，滑坡发生浅层的蠕滑变形。

膨胀土胀缩变形，常引起地坪隆起，地面多出现纵长裂缝，有时出现网格状裂缝，如图4（a ）所示，同时因为膨胀土的涨缩特性，易产生浅层滑坡，对构筑物基础造成影响，引发开裂破
坏，如图4（b ）所示。

2.2 变形监测分析
滑坡险情出现后，在2017年布设各项监测工程。

共布置3纵2横共5条监测剖面，并沿3条纵剖面布设G1—G8共8个GNSS 地表位移监测点，如图5所示。

图1金岗村滑坡全貌图
图2金岗村滑坡西段2-2′工程地质剖面图（a ）滑坡前缘地貌（b （c ）左边界冲沟地形
（
图3滑坡边界情况
（a ）滑坡前缘地貌（b ）滑坡后
（c ）左边界冲沟地形
（d ）右边
图3
滑坡边界情况（a ）地坪隆起裂缝
（b ）挡墙变形破坏
图4
滑坡变形特征图2金岗村滑坡西段2
（a ）滑坡前缘地貌
（c ）左边界冲沟地形
图3滑坡边
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（a）地坪隆起裂缝
（b）挡墙变形破坏
图4 滑坡变形特征
图5 金岗村滑坡监测工程平面布置图
2019年6月至11月为库水位上升阶段，各监测点均发生了不同程度的位移变形，如图6所示。

在库水位上升初期，由于库水向坡体内不断入渗，形成了由坡外指向坡内的渗透压力。

但随着库水入渗到坡体内部，坡体浸润锋趋于稳定，渗透压力逐渐减小，此时岩土体在库水浮托力作用下自重降低，同时滑带因水位上涨而逐渐被浸泡软化，抗滑力下降，滑坡出现缓慢变形，但由于库水抬升对前缘坡脚的反压作用使得滑坡整体变形相对较小。

而当出现降雨后，中后缘坡体吸水膨胀，同时自重增加，增大了滑坡下滑力，故在每次降雨后各监测点均会出现明显的位移变形。

图6 累计位移曲线（2019-06-12—11-30）
3 滑坡稳定性数值模拟分析
滑坡失稳破坏通常是由于外力作用导致其内部原有应力平衡被打破，使坡体内部产生应力重分布，从而对滑坡稳定性造成影响。

降雨入渗、库水位升降、地下水位变动等水动力因素是造成滑坡失稳的主要外因，水通过软化边坡岩土体、降低坡体基质吸力、改变坡体渗流场等方式影响滑坡稳定，这一直是滑坡治理工程研究的重点。

基于以上内容，采用GeoStudio二维有限元模拟软件，以流-固耦合理论、饱和-非饱和渗透理论及极限平衡法为基础，探究滑坡土体渗流和稳定性变化规律。

3.1 模型建立及网格划分
根据金岗村滑坡相关资料，结合变形监测情况，建立金岗村滑坡地质模型。

选取滑坡典型剖面2-2′作为有限元计算剖面，建立二维有限元网格模型，如图7所示。

计算模型长280 m、高64 m，按滑坡组成将模型自上而下分为滑体、滑带和滑床3个部分，根据勘查资料将滑体设置为含砾黏土，滑带设置为黏土，滑床设置为砂砾岩，物理力学设置参数如表1所示。

计算模型网格划分采用单元格尺寸为2 m，共划分四边形单元和三角形单元2 939个，节点3 086个。

图7 金岗村滑坡2-2′剖面计算模型
3.2 边界条件与计算工况
模型边界条件设置包括渗流边界、位移边界、库水位变化函数、前后缘水头、材料等。

参考钻孔资料中地下水的水位来设置模型滑坡前后缘的水头；位移边界
（c ）左边界冲沟地形（d）右边界冲沟地形图3
滑坡边界情况
（a ）地坪隆起裂缝
（b）挡墙变形破坏
图4
滑坡变形特征
图5金岗村滑坡监测工程平面布置图
图6累计位移曲线（2019-06-12T11：30）
图5金岗村滑坡监测工程平面布置图
图6累计位移曲线（2019-06-12T11：30）
图7金岗村滑坡2-2′剖面计算模型
图8膨胀力边界条件设置
（a）库水位上升第5d
（b）库水位稳定第35d（c ）库水位稳
（d）库水位稳定+降雨第60d（e）库水位稳定+降雨第75d
图9孔隙水压力变化云图
降
水
量
/
m
m
库
水
位
/
m
降水量——库水位
图5金岗村滑坡监测工程平面布置图
图6累计位移曲线（2019-06-12T11：30）
图7金岗村滑坡2-2′剖面计算模型
图8
膨胀力边界条件设置
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需将模型左侧和右侧设置水平约束，底边设置垂直约束条件，坡面设置自由边界。

根据表1中滑床、滑体参数对模型材料赋值，设置坡体自重。

将滑体划分为不同条块后，由于块体侧向约束较大，因膨胀变形产生的膨胀力受到抑制，故将相邻条块
之间的膨胀力考虑为内力，此时滑坡中的膨胀力仅考
虑垂直于滑面的部分。

因此，在模拟过程中，当滑带处处于饱水状态时，设置垂直滑面向上的应力边界条件（如图8所示），以此模拟膨胀力P e 对滑坡稳定性的影响。

膨胀力大小取值为26 kPa 。

表1 金岗村滑坡数值模拟设置参数
图8 膨胀力边界条件设置由监测数据分析可知，降雨和库水位升降是影响滑坡稳定性的重要因素，设置极端情况降水量为120 mm/d （暴雨），库水位升降速度为1.68 mm/d ，模拟高库水位+降雨这种工况。

3.3 模拟结果分析该工况模拟库水在第12天升至最高水位，保持高水位运行至第35天后，施加降雨边界条件。

在库水位上升阶段，由于库水位快速上升，使得前缘坡脚处孔隙水压力迅速增大，如图9（a ）所示；库水位
稳定运行至第35天时，如图9（b ）所示，此时库水已基本渗入坡体，使得孔隙水压力等值线弯曲幅度变小；随
后开始施加降雨边界，至降雨第5天时，如图9（c ）所示，坡体内孔隙水压力等值线向上发展，且在坡体后缘出现较大孔隙水压力区域，分析认为受后缘坡面形态影响，出现局部积水，使得下方坡体孔隙水压力显著增
大；降雨至第25天和第40天时，如图9（d ）和图9（e ）所
示，孔隙水压力等值线曲线已变化不大，说明此时坡体
内已处于基本饱和状态。

为了观测滑坡的位移变形情况，在滑坡前缘设置监测点D1，滑坡前缘监测点D1位移变化曲线如图10
所示。

在库水位上升和高水位稳定运行阶段，监测点D1位移量基本保持不变，随着降雨条件的加入，监测点D1开始出现明显移动，且随着降雨时长的增加位移量越来越大，至模拟结束累计位移量达689.1 mm 。

分析认为，降雨入渗增大了坡体自重，抬升地下水位，使
得滑带土体处于饱水状态，产生了垂直滑面向上的膨胀力，减小了滑带的抗滑力，使得监测点D1附近发生变形；随着降雨持续，坡体已逐渐饱和，孔隙水压力增大，同时产生坡面径流不断冲刷坡表土体，使得前缘发生变形，造成D1处位移量一直增大。

采用软件中的M-P 法对滑坡稳定性进行计算，数值模拟过程中稳定性系数随时间变化曲线如图11所示。

从图11可以看出，在库水位上升和高水位运行阶段，滑坡稳定性整体变化不大，其稳定性系数仅略微下降，基本保持在1.16附近。

随着降雨开始，滑坡稳定性开始下降，在整个过程中随着降雨持续时间的增加，滑坡稳定性持续减小，直至模拟结束滑坡稳定性系数下降至0.854，此时
滑坡处于不稳定状态。

综合分析认为，在库水高水位运行期间，降雨仍是诱发滑坡破坏的主要影响因素。

（a ）库水位上升第5天
（b ）库水位稳定第35天（c ）
库水位稳定+降雨第40天（d ）库水位稳定+降雨第60天（e ）库水位稳定+降雨第75天图9 孔隙水压力变化云图图5金岗村滑坡监测工程平面布置图图6累计位移曲线（2019-06-12T11：30）
图7金岗村滑坡2-2′剖面计算模型图8膨胀力边界条件设置（a ）库水位上升第5d
稳定第35d （c ）库水位稳定+降雨第40d （d ）库水位稳定+降雨第60d （e ）库水位稳定+降雨第75d 图9孔隙水压力变化云图图6累计位移曲线（2019-06-12
图7金岗村滑坡2-2′剖面计
图8膨胀力边界条件设
（a ）库水位上升第5d （b ）库水位稳定第35d （d ）库水位稳定+降雨第60d （e ）库水位图9孔隙水压力变化云
图5
金岗村滑坡监测工程平面布置图
图6累计位移曲线（2019-06-12T11：30）
图7金岗村滑坡2-2′剖面计算模型图8膨胀力边界条件设置（a ）库水位上升第5d （b ）库水位稳定第35d （c ）库水位稳定+降雨第40d （d ）库水位稳定+降雨第60d （e ）库水位稳定+降雨第75d 图9孔隙水压力变化云图图5金岗村滑坡监测工程平面布置图
图6累计位移曲线（2019-06-12T11：30）
图7金岗村滑坡2-2′剖面计算模型图8膨胀力边界条件设置（a ）库水位上升第5d （b ）库水位稳定第35d （c ）库水位（d ）库水位稳定+降雨第60d （e ）库水位稳定+降雨第75d 图9孔隙水压力变化云图图5金岗村滑坡监测工程平面布置图图6累计位移曲线（2019-06-12T11：30）图7金岗村滑坡2-2′剖面计算模型图8膨胀力边界条件设置（a ）库水位上升第5d （b ）库水位稳定第35d （c ）库水位稳定+降雨第40d （d ）库水位稳定+降雨第60d （e ）库水位稳定+降雨第75d 图9孔隙水压力变化云图图5金岗村滑坡监测工程平图6累计位移曲线（2019-06-1图7金岗村滑坡2-2′剖面计图8膨胀力边界条件设
（a ）库水位上升第5（b ）库水位稳定第35d （d ）库水位稳定+降雨第60d （e ）库水图9孔隙水压力变化云膨胀力P 滑坡数值模拟滑体
滑带滑床参数名称
含水率W /
（%）19.4
23.4—泊松比v
0.30
0.300.25粘聚力c /kPa 27.0
26.0110.0内摩擦角φ/（°）17.0
16.533.0重度γ/
（kN·m -3）18.9
18.925.3
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图10 监测点D1位移变化曲线
图11 稳定性系数随时间变化关系曲线
综合分析认为，在滑坡变形破坏过程中，强降雨对
滑坡稳定性的影响起主导作用，而库水位变化对滑坡整体稳定性的影响相对较小。

在防治过程中，建议采用“挡土墙+截排水沟+抗滑桩+格宾石笼护坡+监测工程”进行防护。

4 结束语
金岗村滑坡主要由第四系含砾黏土及含砾粉质黏土组成，具有弱膨胀性。

滑坡目前破坏模式以浅表局部蠕滑变形破坏为主，伴随局部的膨胀土胀缩变形，整体未发生明显的大规模变形破坏。

结合监测数据和高库水位耦合降雨工况数值模拟分析，认为该滑坡在现阶段整体是基本稳定的。

但在强降雨影响下，滑坡整体将处于浅层蠕滑变形阶段，稳定性降低至欠稳定状态。

在50年一遇的降雨或区内库水位骤涨、骤落及膨胀土变形等综合因素影响下，可能诱发坡体失稳滑动
或大规模变形破坏。

因此，建议采用“挡土墙+截排水沟+抗滑桩+格宾石笼护坡+监测工程”进行防护。

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作者简介：黄向涛（1998—），男，河南洛阳人，硕士，工程师，研究方向为地质灾害防治。

通信作者：易武（1966—），男，湖北宜昌人，博士，教授，研究方向为滑坡机理研究、滑坡监测与预报。

（编辑：王雨茜）
图10
监测点D1位移变化曲线
图11稳定性系数随时间变化关系曲线图10监测点D1位移变化曲线图11稳定性系数随时间变化关系曲线
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