西安航天基地南侧某滑坡稳定性分析及防治研究
杨 锐，潘 杰
(1.中国民用航空飞行学院机场学院，四川 广汉 618307；
2.西北大学地质学系，陕西 西安 710069)
我国广泛分布滑坡地质灾害，即影响工程建设，又危害人民生命财产安全。滑坡的稳定性研究对滑坡地质灾害的发展趋势及治理具有至关重要的工程意义。滑坡稳定性分析一直是国内外滑坡灾害防治领域的重要关注点，谢飞鸿等对通过分析成南高速公路滑坡的形成条件及其性质特征，进行稳定性分析，提出了支挡和排水的综合治理措施[1]。刘德平等对甘南某高速公路滑坡的成因、诱发机制、失稳机理等进行分析，通过稳定性定量分析得出滑坡在非正常工况下处于变形失稳状态，并提出了合理防治措施[2]。潘长胜等借助极限平衡法和数值模拟法对幕府山滑坡的稳定性进行计算分析，得出不同工况下滑坡的状态，提出了削坡减载、锚杆加固等治理措施[3]。王占巍等结合青海省高家湾滑坡稳定性现状评价结果进行稳定性综合研究，得出高家湾滑坡稳定性发展方向趋于不利的结论[4]。
西安航天基地位于少陵塬西坡边缘地带，属地质灾害易发区。本文以西安航天基地通航机场南侧滑坡为研究对象，分析滑坡的性质特征及形成因素，运用传递系数法对滑坡稳定性进行分析，预测其发展趋势并提出防治方案建议，为研究区滑坡灾害治理提供科学依据。
研究区位于西安国家民用航天产业基地杜曲街道办和韦曲街道办的交界处，行政区划隶属于长安区。研究区属暖温带半湿润大陆性季风气候，雨量适中，四季分明，秋短春长，年平均气温13.4℃，极端最高气温43.4℃(1966年6月21日)，极端最低气温-17.5℃(1977年1月1日)[5]。年平均降水量667 mm，南部山区年降水量大于750 mm，北部平原年降水量600～700 mm，年内降水量集中于6-10月份，其它月份降水量则较少。区内降水多以连阴雨或暴雨形式降落，持续日期最长17 d，连续最大降水量168.5 mm。降水最多的年份是1983年，年降雨量1 032.4 mm；
降水最少的年份1995年，年降水量仅为361.6 mm。日最大降水量为122.7 mm(2004年6月29日)[5]。暴雨和大暴雨多发生在海拔800 m以上的山区。研究区周边有潏河，潏河位于少陵塬与神禾塬之间，属于沣河的主要支流之一，发源于长安区秦岭北麓的大峪，出峪后流经引镇、王莽、杜曲、韦曲、郭杜等街办，于秦镇汇入沣河。在牛头寺附近分为两支，向北为皂河，向西则与滈河合流。潏河全长74 km，流域面积约687 km2，平均比降0.006 3，多年平均径流量2.105×108m3。实测年最大径流量3.77×108m3，最小径流量0.807×108m3。
研究区位于少陵塬西坡，地貌单元属黄土台塬，地势东高西低，南北高中间低，大面积人工填土覆盖，形成三个台地，高差3～10 m不等；
其南部出露第四系黄土，草本植被发育。区内最高点位于东北角，高程556 m，最低点位于西南部，高程约460 m。西侧塬边坡体高差约67 m，主坡向260°，坡度介于35°～40°，草本植物较为发育。坡体自北向南发育三条冲沟，北侧两条沟谷受雨水淋滤侵蚀，南侧冲沟切割较深，自2005年起，常年堆填倾倒弃土，已将沟道填平，填土斜坡高差近60 m，坡口及坡面上出现多条裂缝。北侧为通航机场跑道，东侧、南侧为农田和草地，地势总体呈缓坡状。黄土台塬斜坡坡脚以西属河流阶地，地势较为平缓，厂房、民房分布密集。据工程地质测绘及钻探工作，研究区分布的岩土地层主要为第四系人工填土、黄土及古土壤。
西安地区分布有渭河断裂、临潼—长安断裂、浐河、灞河断裂、沣河断裂以及次一级的小断裂。断裂走向以北东、近东西、北西向分布，以正断层为主。断裂的继承性活动对地层分布、岩性厚度变化、地貌发育、水文地质特征及地热分布均有重要的影响。
长安区内地震活动较为活跃。受新构造运动的影响，自周文王八年(公元前1189年)至今，发生过92次地震。近2000年间发生21次4级以上地震，自二十世纪，共发生5起有感地震。公元前321年地震引发终南山崩，长安区太乙宫街办水湫池村发生山崩，碎石堵塞沟道，形成甘湫池和水湫池。这是有记载的地震引发的崩塌地质灾害。2008年5月12日四川汶川地震，航天管委会境内地灾隐患点有轻微变形迹象。据《中国地震动参数区划图(GB18306-2015)》，研究区所在的长安区地震动峰值加速度0.20 g，按中硬场地地震反应谱特征周期为0.40 s，地震烈度Ⅷ度。
研究区内未见地表水，局部低洼地带有雨水存集，地下水主要为第四系松散层孔隙水，钻探勘查的过程中，钻孔中量测的稳定水位为32.30～58.30 m，相应标高为477.24～507.95 m，地下水属上层滞水。研究区主要接受大气降水补给，以蒸发排泄为主，进行水量的补给与排泄系统循环。
2.1 滑坡地形地貌
滑坡所在原始冲沟大致呈“枣核”型，长约480 m，沟口处最宽约170 m，走向大体为220°～230°，沟口处原始地面高程为462 m，沟脑处原始地面高程为535 m，最大落差73 m，平均比降15.62%。自2005年起，将城市建设的渣土、弃土无序堆填于该沟道内，目前形成最大填埋高度59.8 m的填土坡，地势上西南低东北高，相对高差约80 m，由低至高呈三级台阶状。坡脚处地面标高约462 m；
前端大斜坡地面最高标高537.8 m，最大坡度为40°；
中部相对低洼，最低标高530.64 m，与中上部以两个紧邻的陡坎过渡，陡坎累计高差约10 m；
上部地形较缓，最高标高542.63 m，见图1。
图1 滑坡地形及示意剖面
2.2 滑坡空间形态
滑坡的空间形态受原始冲沟和填土层分布形态等因素限制，综合分析地质测绘、钻孔揭露的地层分布特征、室内土工试验数据等资料，最终确定2层潜在滑坡，均为土质滑坡，图2。各层滑坡空间形态详述如下。
1层滑坡：平面上呈圈椅状，为深层滑坡，后缘高程约537 m，潜在剪出口高程约475 m，潜在滑面呈折线形，平均坡度约27°，滑向220°，沿滑向最长约127 m，两侧最宽约128 m，平均宽约87 m，平均厚约35 m，面积约1.10×104m2，体积约为38.7×104m3，为中型滑坡。
2层滑坡：平面上呈近椭圆状，为深层滑坡，后缘高程约541 m，潜在剪出口高程约462 m，潜在滑面呈折线形，平均坡度约19°，滑向228°，沿滑向最长约300 m，平均宽约90 m，平均厚约50 m，面积约2.70×104m2，体积约为135.0×104m3，为大型滑坡。
2.3 滑坡边界特征
总体上，各层滑坡后缘边界与软弱层埋深、厚度及分布形态有关，其中1层滑坡后缘以前端平台为界，2层滑坡后缘以填土堆中后部平台为界；
滑坡两侧边界以原始冲沟两侧壁为界，坡脚剪出口位置在杂填土或素填土中。在斜坡前端处新近出现一条40 cm宽度的裂缝，走向约134°，与坡向近垂直，长度约80 m；
在坡面西北侧区域，发现断续到细小裂缝，且部分裂缝已经贯通。
2.4 滑坡物质组成及物理力学性质指标
在滑坡区共布设了3条纵向勘探剖面(其中主剖面为条，两侧各布置一个副剖面)和3条横向剖面，6条勘探剖面上共布置了24个勘探点。通过现在勘探作业及工程地质测绘等工作，已基本查明滑坡潜在的滑体、滑带土与滑床的物质组成及岩性特征(图2、图3)。室内试验进行了土常规试验、黄土湿陷性试验及直剪试验，剪切试验分为天然状态、饱和状态。根据土工试验结果，对滑坡各土层参数进行了统计分析。分析表明：滑坡区1层由以建筑垃圾为主的杂填土组成(地层编号为②2)；
2层滑坡滑带土由生活垃圾杂填土和素填土共同组成(地层编号为②1、②3)，滑带内存在渗沥液和上层滞水。
根据钻探及槽探资料，滑坡区地层岩性为第四系填土、黄土，详细叙述如下。
图2 滑坡滑动面剖面图(5-5′)
图3 滑坡区沟谷形态
3.1 滑坡成因分析
滑坡的形成包括三个基本条件和两个诱发因素，基本条件包括地形条件、地层岩性和人类活动，诱发因素为大气降水和地震。
(1)地形条件。斜坡坡底较为开阔，坡脚与前端坡顶高程相差大，坡面较陡，导致坡体存在临空条件，抗剪能力降低。
(2)大气降水。坡体顶部经过人类活动影响，形成三级台阶和一个洼地，雨水全部深入坡体深部；
连续的强降水天气，雨水通过坡顶与坡面可持续入渗到坡体内，土体的抗剪切强度骤然减小，易引起坡体失稳。
(3)地层岩性。坡体全部由素填土、生活垃圾和建筑垃圾杂填土组成，结构松散，强度低，这种地层结构为易滑地层。
(4)人类活动。人类活动是滑坡形成的最基本条件。经过多年不断无序推倒弃土，形成高差约60m的填土堆，且未进行任何防治措施，属典型的人工次生滑坡隐患。
3.2 地质灾害稳定性判断及破坏模式
滑坡按滑体体积分类，属大型土质滑坡；
按滑体厚度分类，属深层滑坡；
按引起滑动的力学性质分类，属推移式滑坡。通过野外勘察，除前端斜坡坡顶处出现贯通性裂缝外，其余地段未发现明显变形迹象，综合判断该滑坡处于蠕动挤压阶段，当滑动面或滑动带完全形成后，位移速度加快。滑坡对地表的破坏方式为差异性垂直、水平位移，对厂房、民房等破坏性极强。
3.3 地质灾害稳定性计算
3.3.1 滑坡稳定性计算方法及公式
本滑坡主要为折线形滑动面，采用传递系数法计算，计算公式如下：
Kf=
(1)
其中：Rn=(Wn((1-ru)cosαn-Asinαn)-RDn)tanφn+CnLn
(2)
Tn=(Wn(sinαn+Acosαn)+TDn)
(3)
(4)
3.3.2 滑坡稳定性计算工况
本次计算工况、参数与荷载组合具体情况如下：
(1)天然状态：计算时采用天然重度，其中地层编号为①、②1、②2、②3的四层的三层土体天然重度分别为17.6 KN/m3、18.6 KN/m3、19.5 KN/m3和14.6 KN/m3，条块重量为天然状态的各土体重度与该层所占条块面积的乘积之和。计算时未考虑浮托力和地震力的影响。
(2)饱和状态：假设滑坡土体全部饱和，采用天然饱和重度，其中地层编号为①、②1、②2、②3的四层土体天然重度分别为18.2 KN/m3、19.0 KN/m3和20.0 KN/m3和15.0 KN/m3，条块重量为饱和状态的各土体重度与该层所占条块面积的乘积之和，计算时未考虑浮托力和地震力的影响。
(3)饱和状态+地震：假设滑坡土体全部饱和，条块重量为饱和状态的各土体重度与该层所占条块面积的乘积之和，计算时考虑地震力的影响。
3.3.3 计算剖面
滑坡选取平行滑坡主滑向的4-4′、5-5′、6-6′共3条纵剖面进行计算，其中5-5′剖面最具代表性，计算结果起决定作用。
3.3.4 滑坡稳定性计算参数
本项目中对滑坡岩土体物理力学参数的选取，是参考室内土工试验值并结合经验值，用反算法求各层滑坡天然工况下的C、φ值。反算法视滑坡处于极限平衡状态，即稳定系数Fs=1,通过给定粘聚力或内摩擦角，反求另一值。分析认为试验测定的杂填土的内摩擦角φ值与经验值较为接近，粘聚力较经验值偏高，与实际情况不符，故本次反算时给定内摩擦角φ值，求取粘聚力C值，反算公式为：
(5)
各层滑坡C、φ值反算选定的计算断面均为纵向剖面5-5′所在位置。
(1)1层滑坡C、φ值
该层滑坡滑带土物质主要为建筑垃圾，以试验测定的内摩擦角为23.0，选取φ=22.0、23.0、24.0、25.0进行反算，计算简图如图4，计算结果如见表1。
图4 1层滑坡5-5′剖面计算分析简图
φ值/°22.023.024.025.0c值/kPa21.314.07.00
(2)2层滑坡C、φ值
该层滑坡的情况相对特殊，一方面其滑带土由生活垃圾和浸水面以下的素填土两部分组成，且生活垃圾地段无法获取室内土工试验数据；
另一方面，据钻孔揭露来看，生活垃圾中见少量的渗沥液，两个地段临近或处于饱和状态。综合考虑，反算时分别指定以上两地段粘聚力值，求取相应的内摩擦角，其中生活垃圾段选取C=5.0、6.0、7.0、8.0、9.0进行反算，素填土段参照该层位试验分析的饱和状态下的粘聚力均值(10.1kPa)，选取C=5.0、6.0、7.0、8.0、9.0进行反算，计算过程中条块重量的求取方法与1层滑坡相同，计算简图如图5，计算结果如见表2。
表2 滑面抗剪强度反算结果
图5 2层滑坡5-5′剖面计算分析简图
(3)抗剪强度参数建议值
根据上述对滑坡稳定性计算参数的反算结果，结合室内试验结果及地区滑坡防治经验，综合考虑抗剪强度参数建议值，各层滑带土在天然工况和饱和工况下的参数取值详见表3。
3.3.5 计算结果
在选定有关参数的情况下，计算了沿主滑向布置的3条剖面各在不同工况下的稳定系数Fs值，计算简图见图6和图7；
按《滑坡防治工程勘查规范》 DZ/T 0218-2006中给定的滑坡稳定状态划分表(表4)，对滑坡各剖面稳定性进行了评价，详见表5。
表3 滑带土参数取值参照表
图6 滑坡4-4′剖面计算简图 图7 滑坡6-6′剖面计算简图
表4 滑坡稳定状态划分
表5 滑坡稳定系数Fs计算结果
3.3.6 地质灾害稳定性综合评价
依据滑坡稳定性分析计算结果，1层滑坡在天然状态下，由4-4′至5-5′剖面附近，坡体处于欠稳定～不稳定状态；
在暴雨、地震工况下处于不稳定状态，其变形滑动范围可能延伸至剖面6-6′周边。2层滑坡在天然状态(自重工况)下及遭遇暴雨天气(自重+暴雨工况)下，处于稳定状态，在地震工况下处于欠稳定状态。根据滑坡区现状条件来看，滑坡在4-4′至5-5′剖面附近，围墙西侧坡体上时有细小裂缝出现，新近出现的较宽裂缝亦有加宽迹象，围墙以东未发现明显变形迹象，表明计算的稳定性评价结果与实际情况基本相符，1层滑坡处于蠕动变形过程中。
综合判定本次勘查划定的2个潜在滑坡，1层滑坡最为不利，其次为2层。
3.3.7 滑坡剩余下滑力计算
为更好的提出滑坡防治方案建议，本次勘查工作对滑坡剩余下滑力进行了计算。根据《滑坡防治工程设计与施工技术规范》 DZ/T 0219-2006，该滑坡防治工程分级为Ⅱ级，天然状态(自重工况)下，设计安全系数取值为1.25，自重+暴雨工况、自重+地震工况的安全系数均取1.05。按传递系数法，选择5-5′剖面计算各层滑坡在三种工况下的剩余下滑力，计算结果见表6。
4.1 地质灾害发展趋势预测
现状条件下，人工填土堆1层滑坡最为不利，基本上处于欠稳定状态，坡体及后缘位置在勘查期间有新的裂缝出现，说明该滑坡整治蠕动变形，在强降雨或地震条件下，优先转化为滑动变形阶段的危险性大，甚至极有可能发生快速下滑。2层滑坡在地震工况下处于欠稳定状态，亦存在滑动的危险。
4.2 地质灾害危害性预测
该滑坡规模为中～大型，且发生滑动的危险性大，如出现滑坡灾害，破坏的后果严重，对坡脚处的厂房、居民以及坡顶的建设用地等危害大，将形成人员伤亡和巨大的经济损失。
(1)土地损毁。按2层滑坡滑动破坏的方式估算，预计将造成约35亩的土地损毁。
(2)道路、建筑设施。目前坡脚附近分布着村间道路与办公房建筑设施，以及周边村庄的居民房屋。现有坡体高陡的地形特征，是再次发生高速滑坡灾害的基本条件，高速滑坡的发生，将直接摧毁坡脚现有道路设施，并且其高速破坏性特征也会威胁到周边村庄内居民住房等建(构)筑物的安全。
(3)人员伤亡。坡脚处西杨万坡村人口密集，滑坡直接威胁村民、厂房工人的生命安全，预计威胁人数约80人左右。
(4)经济损失。发生滑坡灾害，将破坏道路设施、房屋建筑及建设用地等，形成的经济损失预估大约在500万元，损失严重。
因此，预测一旦发生滑坡地质灾害，极有可能会造成人员伤亡，也将带来极大的经济损失，同时对生态环境、地表植被产生严重的影响，其危害性大。
表6 滑坡剩余下滑力P计算结果
综合考虑滑坡的所处的地形地貌、工程地质条件和成因、稳定性及破坏模式等，治理应从“防水”、“卸荷”、“支挡”及“监测”四个方面入手，并应深入贯彻“预防为主，防治结合”和“综合治理和长期监测相结合”的原则，避免或减少人员和财产损失。
5.1 防水工程
水是诱发或加剧滑坡的重要因素，治理滑坡的关键是治水。(1)要建立完善的截排水和系统，并做防渗处理，防止坡顶、坡面有雨水继续渗入，减少水体对原状土体的侵蚀，更不可在坡顶上浇水；
(2)对滑体内的上层滞水采取深层排水工程，可采用长水平钻孔等方式；
(3)对滑坡区及周边坡顶的积水地、低洼处进行整平或修建渗水盲沟，对坡体上出现的裂缝尽快用粘土或水泥浆填实。
5.2 支挡工程
根据滑坡的稳定性、纵向剩余下滑力的大小及分布特征，应急措施建议采用回填压脚，治理工程结合抗滑桩、预制应力钢砼格构与锚索等方式消除剩余下滑力，支挡工程的位置建议以4-4′至5-5′剖面区段的坡体为重点。对于不稳定斜坡，可采用重力式挡墙进行支护。
5.3 其他工程
从长远来看，为彻底消除隐患，刷方减载是最有效的工程措施，减少滑坡后缘的体积以降低下滑力，改变不稳定斜坡形态降低坡脚。另外，可通过坡体绿化方式，来防护滑坡、不稳定斜坡的表层并达到美化环境的目的。
5.4 监测措施
监测是为了掌握滑坡的变形发育过程，捕捉滑坡灾害特征信息，为滑坡的正确分析评价、预测预报及治理工程提供可靠资料和科学依据。监测的方法有地面监测、空间遥测和遥感监测，监测内容包括地表裂缝位错、坡体多点位移监测、建筑物变形监测、滑坡体应力监测等，最终达到预报险情、防灾减灾的目的。
(1)研究区属黄土台塬地貌单元，海拔高程460～556 m；
钻孔揭露地层主要为人工填土层、第四系黄土和古土壤；
区内构造不发育、地震动峰值加速度0.20 g，地震反应谱特征周期为0.40 s，地震烈度Ⅷ度；
该区未见地表水，钻孔中测定稳定水位为32.30～58.30 m，属上层滞水，水土对混凝土结构及钢筋混凝土结构中的钢筋均具微腐蚀性。
(2)研究区内滑坡为人工填土堆积形成的土质滑坡，规模属中～大型，坡体上新近出现了多条裂缝，最宽约40 cm，贯通性较好。
(3)综合研究认为，在滑坡体上存在两层滑坡，均为深层滑坡，滑面为折线形滑带土主要有由建筑杂填土和生活垃圾杂填土组成。利用传递系数法对两层滑坡在自重、自重+饱和、自重+地震三种工况下的稳定性进行了计算分析，其中，计算选取的粘聚力c值和内摩擦角φ值，是在综合考虑室内土工试验、经验值并结合反算法的基础上给定的参考值。
(4)分析滑坡的成因，认为其形成包括三个基本条件和两个诱发因素，基本条件包括地形条件、地层岩性和人类活动，诱发因素为大气降水和地震。
(5)定性、定量评价滑坡的稳定性，定性认为1层滑坡处于蠕动变形阶段，稳定性定量计算结果表明，1层滑坡在自重、暴雨及地震三种工况下，由4-4′至5-5′剖面附近，坡体处于欠稳定～不稳定状态，与滑坡实地调查的变形情况相符；
2层滑坡在天然状态(自重工况)下及遭遇暴雨天气(自重+暴雨工况)下，处于稳定状态，在地震工况下均处于欠稳定状态。
(6)根据相关规范，该滑坡防治工程分级为Ⅱ级，天然状态(自重工况)下，设计安全系数取值为1.25，自重+暴雨工况、自重+地震工况的安全系数均取1.05。按传递系数法，选择4-4′、5-5′、6-6′三条剖面计算各层滑坡在三种工况下的剩余下滑力。
(7)预测滑坡的发展趋势和危害性，认为滑坡整体上1层滑坡最为不利，转为滑动变形甚至急剧下滑的危险性大，2层滑坡在地震工况下亦有滑动的可能；
滑坡危害对象为建设用地、厂房、居民等，危害性大。
(8)提出了防治方案建议，主要包括防水工程、支挡工程和监测工程及其他，三者均尤为重要。
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