鴨塘水庫(kù)紅層順層緩傾滑坡形成機(jī)制分析與穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

朱鵬程，徐昊，李中明，吳少飛

摘 要 紅層在我國(guó)分布廣泛，其邊坡穩(wěn)定性是工程建設(shè)中經(jīng)常面臨的問(wèn)題。紅層通常孕育順層緩傾滑坡地質(zhì)災(zāi)害，具有規(guī)模大、隱蔽性強(qiáng)、成災(zāi)機(jī)理多樣等特點(diǎn)。本文以醴陵市鴨塘水庫(kù)滑坡為例，對(duì)其形成機(jī)制進(jìn)行了分析，對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)結(jié)果表明水庫(kù)長(zhǎng)期滲水是該滑坡發(fā)展的一個(gè)重要因素，其穩(wěn)定性與后緣裂隙貫通率、滑帶泥化率及后緣裂隙充水高度密切相關(guān)，超過(guò)臨界值，坡體將會(huì)失穩(wěn)。對(duì)以后紅層區(qū)庫(kù)區(qū)選址、設(shè)計(jì)蓄水位確定、防滲處理工作具有一定指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞 水庫(kù);緩傾滑坡;紅層;形成機(jī)制;穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)：P644.22 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Formation Mechanism Analysis and Stability Evaluation of Slow-inclination-bedding Landslide in Red-beds of Yatang Reservoir

Zhu Pengcheng， Xu Hao， Li Zhongming， Wu Shaofei

（Team 214 of Hunan Nonferrous Metals Geological Exploration Bureau， Zhuzhou Hunan 412007）

Abstract： Red beds are widely distributed in China， and slope stability is often faced in engineering construction. The red beds usually leads to geological disasters of bedding gentle slope landslide， with the characteristics of large scale， high concealment and various disaster mechanisms. Yatang reservoir landslide in Liling City was taken as an example， formation mechanism was analyzed and its stability was evaluated. The results show that the long-term water seepage of the reservoir is an important factor in the development of landslide. The stability is closely related to penetration rate of trailing edge cracks， argillization rate of sliding zone and water filling height of the trailing edge cracks. When the parameter exceeds the critical value， the slope will lose stability.

Keywords： reservoir; slow-inclination landslide; red beds; formation mechanism; stability evaluation

紅層是指中生代以來(lái)的湖相、河流相、河湖交替相或是山麓洪積相等陸相碎屑沉積地層，多以軟硬巖互層出現(xiàn)，以砂巖、泥巖、粉砂巖以及泥質(zhì)巖、砂質(zhì)巖為主[1]。由于其地質(zhì)年齡較短，歷經(jīng)的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)較弱，巖層產(chǎn)狀平緩，在工程建設(shè)中常被誤認(rèn)為穩(wěn)定性良好，未及時(shí)處置。但紅層巖體強(qiáng)度低、親水性強(qiáng)、軟硬互層、差異風(fēng)化、易崩解的特性，反而造成地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，常發(fā)生規(guī)模較大的順層巖質(zhì)滑坡。

針對(duì)紅層滑坡，前人進(jìn)行了廣泛深入的研究。根據(jù)巖層傾向與坡向之間的夾角大小將緩傾紅層邊坡分為三類：順層坡、順層斜向坡、反向坡[2-3]，對(duì)其破壞模式及失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行了較為翔實(shí)的總結(jié)，但鮮有涉及庫(kù)區(qū)紅層邊坡。本文在總結(jié)鴨塘水庫(kù)滑坡地質(zhì)環(huán)境條件、基本特征的基礎(chǔ)上，對(duì)其形成機(jī)制及穩(wěn)定性進(jìn)行了分析和評(píng)價(jià)，以期為紅層區(qū)類似水利工程規(guī)劃建設(shè)及除險(xiǎn)加固提供參考。

1 滑坡區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件

鴨塘水庫(kù)滑坡位于醴陵紅色盆地西側(cè)，構(gòu)造剝蝕丘陵地貌，丘頂渾圓，整體坡度10°～15°，地形北高南低，滑坡體所在山頂標(biāo)高約82.0 m，下方水渠標(biāo)高約46.4 m?；麦w上部有一條廢棄多年的土渠（原酒埠江水庫(kù)北干渠支渠），滑坡體下方為灌溉水渠和農(nóng)田。滑坡區(qū)坡體除僅表層有較薄的第四紀(jì)殘坡積層外，主要由白堊紀(jì)上統(tǒng)戴家坪組（K2d）的紅色泥巖、粉砂巖軟硬相間互層組成，風(fēng)化程度中等，巖層產(chǎn)狀165°∠7°～10°，巖體中存在兩組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面：節(jié)理①;產(chǎn)狀N80°～85°E·SE∠85°～86°;節(jié)理②;產(chǎn)狀N10°～15°E·NW∠72°～74°，節(jié)理延長(zhǎng)10～15m，寬0.2～0.5cm。

鴨塘水庫(kù)于1958年建成并投入運(yùn)行，設(shè)計(jì)蓄水位70m，庫(kù)容2.4×106 m?，屬無(wú)設(shè)計(jì)和未按規(guī)范要求施工的工程。水庫(kù)壩體及接觸帶、山體上部土渠等未采取防滲處理措施或防滲處理質(zhì)量差，運(yùn)行過(guò)程中散浸、沖刷、滲漏問(wèn)題嚴(yán)重，多年來(lái)險(xiǎn)情不斷，汛期表現(xiàn)尤為突出，針對(duì)該問(wèn)題采取過(guò)多種處理措施，但處理效果不佳[4]。近年來(lái)，根據(jù)庫(kù)水位監(jiān)測(cè)資料，庫(kù)水位超過(guò)65m標(biāo)高后，多處出現(xiàn)異常滲漏。

2 滑坡基本特征

2.1 滑坡形態(tài)與規(guī)模

該滑坡發(fā)生于2019年7月9日主汛期，位于水庫(kù)主壩體東北側(cè)山體?；潞缶壱詮U棄的土渠為界，后緣下挫形成約1 m高的滑坎，裂縫寬度0.1～0.4m;通過(guò)淺井、探槽等手段揭露，裂縫近乎豎直，向下不收斂，形成豎向空洞?；虑熬壱韵路焦喔惹罏榻纾飳?dǎo)致渠道被掩埋。滑坡兩側(cè)有明顯的剪切裂縫，水泥路被剪斷?；虑熬壐叱?6～48 m，寬約160 m，后緣高程68～70 m，寬約100 m，滑坡縱向長(zhǎng)110m，主滑方向約170°?；w厚度約5～8 m，滑坡面積約0.013 km2，滑體方量約1×105 m?，達(dá)到中型規(guī)模（圖1）。

滑坡造成村民養(yǎng)豬場(chǎng)房屋、水泥公路等多處開(kāi)裂，前緣土石方掩埋灌溉渠道約30 m，影響2個(gè)行政村農(nóng)業(yè)灌溉。如任由其發(fā)展，極大可能會(huì)繼續(xù)滑動(dòng)，威脅水庫(kù)運(yùn)行安全，一旦造成潰決，后果嚴(yán)重，對(duì)水庫(kù)下游居民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成威脅[5]。

2.2 滑帶特征

滑坡后緣位置通過(guò)探井已經(jīng)揭露滑帶，為泥化夾層，飽水，軟塑至流塑狀，產(chǎn)狀受巖層面控制，厚度只有2～3 cm?；w中部鉆孔巖芯受多種因素?cái)_動(dòng)，很難發(fā)現(xiàn)滑帶?；w前緣沿滑動(dòng)帶可見(jiàn)明顯的滲漏、管涌現(xiàn)象。下部滑床為細(xì)砂巖，飽和單軸抗壓強(qiáng)度約20 Mpa[5]，強(qiáng)度相對(duì)較高。

2.3 滑坡變形及演化

根據(jù)資料、訪問(wèn)及調(diào)查，水庫(kù)在1958年建成并投入運(yùn)行后，壩體與壩基接觸帶散浸、滲漏嚴(yán)重，不能達(dá)正常蓄水位運(yùn)行，影響工程經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益的正常發(fā)揮。1974年對(duì)壩體采用了培厚加高及在內(nèi)坡腳用水泥砂漿護(hù)面，外坡壩腳壓浸與開(kāi)排水溝的處理措施;1975年對(duì)壩體進(jìn)行了劈裂灌漿處理，但處理效果均不佳;1999年6月汛期，現(xiàn)滑坡前緣位置產(chǎn)生崩塌，體積約900 m3，沿上部土渠產(chǎn)生張拉裂縫，土渠隨之廢棄。

2005年2月庫(kù)水位67m時(shí)，閉閘密實(shí)，下方灌溉水渠實(shí)測(cè)滲漏量0.3 L/s;2008年4月，距外坡壩腳20 m范圍內(nèi)山體（現(xiàn)鴨塘水庫(kù)滑坡位置）集中滲漏點(diǎn)4處，單處滲漏量0.01～0.03 L/s，下方3畝（1畝=666.7m2）農(nóng)田常年浸沒(méi)。2017年巡查制度建立以來(lái)，發(fā)現(xiàn)汛期庫(kù)水位超過(guò)65 m后，下方灌溉水渠滲漏嚴(yán)重，單處滲漏量達(dá)2.0～2.5 L/s。

2019年7月上旬，醴陵市累計(jì)降雨量達(dá)288.3 mm，庫(kù)水位最高達(dá)到67 m，下方灌溉水渠實(shí)測(cè)滲漏量達(dá)到10 L/s，6月9日，滑坡發(fā)生。

3 滑坡形成機(jī)制分析

3.1 誘發(fā)因素

滑坡的誘發(fā)因素眾多。內(nèi)因主要有地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、地形地貌等;外因主要有地震、凍融、降雨、滲流、差異風(fēng)化及人類工程活動(dòng)等。造成本滑坡產(chǎn)生的原因主要有以下幾個(gè)因素：

（1）地層巖性。

坡體主要由白堊紀(jì)戴家坪組（K2d）的紅色泥巖、粉砂巖軟硬相間互層組成，中等風(fēng)化，存在兩組近垂直的豎向張性節(jié)理面，巖層順層傾角7°～10°。泥巖滲透性較小，為相對(duì)隔水層，遇水易軟化，長(zhǎng)期浸泡可泥化，物理力學(xué)性能顯著降低，形成潛在滑動(dòng)面。

（2）坡腳開(kāi)挖。

山體原始地形平緩，發(fā)生滑坡的可能性小，在坡體前緣修建灌溉水渠，開(kāi)挖坡腳，形成較陡的臨空面，為滑坡產(chǎn)生提供了空間條件。

（3）長(zhǎng)期滲流。

鴨塘水庫(kù)壩體及接觸帶、山體上部水渠等未采取防滲處理措施或防滲處理質(zhì)量差，巖層透水率q=12.0～16.7 Lu，屬中等透水巖層。建庫(kù)以來(lái)，滲漏問(wèn)題嚴(yán)重，幾十年的散浸滲流導(dǎo)致坡體出現(xiàn)管涌、潛蝕。另外，長(zhǎng)期滲流導(dǎo)致泥巖層易溶鹽或膠結(jié)物溶解，巖層軟化。

（4）持續(xù)性強(qiáng)降雨。

歷史罕見(jiàn)的持續(xù)性強(qiáng)降雨導(dǎo)致庫(kù)區(qū)水位超高，巖土體重度增加，裂隙充水，在裂縫中形成較大的水壓力，造成下滑力增大。而滲流形成浮托力，并不斷浸泡軟化或泥化泥巖，抗滑力減小。

3.2 滑坡形成機(jī)制

滑坡所在坡體巖層中等風(fēng)化，豎向節(jié)理較發(fā)育，巖層產(chǎn)狀平緩，為7°～10°，砂、泥巖互層結(jié)構(gòu)。坡體前緣修建水渠形成較陡的臨空面，改變了坡體應(yīng)力狀態(tài)，使坡體后方沿節(jié)理面形成豎向張拉裂縫。水庫(kù)蓄水運(yùn)行后，整個(gè)滑坡區(qū)域坡體普遍存在散浸與滲漏，近年來(lái)，隨庫(kù)水位升高滲漏量增大并呈現(xiàn)異常滲漏，說(shuō)明長(zhǎng)期滲流造成下部泥巖軟化、泥化，并帶走其中細(xì)粒組分，造成管涌、潛蝕現(xiàn)象，日積月累，下部巖層面逐漸貫通轉(zhuǎn)化為軟弱夾層，形成潛在的滑動(dòng)面。在罕見(jiàn)連續(xù)強(qiáng)降雨作用下，庫(kù)水位超高運(yùn)行，后緣張拉裂縫充水形成較大的水壓力，最終，坡體沿該軟弱夾層產(chǎn)生滑動(dòng)（圖2）。

4 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

4.1 評(píng)價(jià)方法

根據(jù)上述滑坡特征，該滑坡為緩傾的平面巖質(zhì)滑坡，采用極限平衡分析法，本文對(duì)其穩(wěn)定性評(píng)價(jià)采用《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范GB50330—2013》推薦的平面滑動(dòng)面邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法，其計(jì)算模型如圖3所示：

式中：Fs—滑坡穩(wěn)定性系數(shù);

T—滑體單位寬度重力及其他外力引起的下滑力;

R—滑體單位寬度重力及其他外力引起的抗滑力;

c—滑面的黏聚力（kPa）;

—滑面的內(nèi)摩擦角;

L—畫(huà)面長(zhǎng)度（m）;

G—滑體單位寬度自重（kN/m）;

Gb—滑體單位寬度豎向附加荷載（kN/m）;

θ—滑面傾角（°）;

U—滑面單位寬度總水壓力（kN/m）;

V—后緣陡傾裂隙面上的單位寬度總水壓力（kN/m）;

Q—滑體單位寬度水平荷載（kN/m），方向指向坡外時(shí)取正值，指向坡內(nèi)時(shí)取負(fù)值;

hw—后緣陡傾裂隙充水高度（m），根據(jù)裂隙情況及匯水條件確定。

4.2 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

根據(jù)滑坡的形成機(jī)制，將后緣陡傾裂隙貫通率k1（d/D）、滑帶泥化率k2（l/L）、后緣陡傾裂隙充水高度hw及滑帶強(qiáng)度（c、j）等作為變量進(jìn)行分析，分別評(píng)價(jià)其對(duì)穩(wěn)定性的影響。

滑坡穩(wěn)定性分析所需巖土力學(xué)參數(shù)來(lái)源于勘查、設(shè)計(jì)報(bào)告[5-6]，總結(jié)如表1：

（1）假定滑帶已全部泥化，后緣裂縫在坡體土渠滲漏、下滑拉力等作用下形成，以后緣裂隙貫通率k1（后緣裂縫貫通深度/滑動(dòng)時(shí)后緣裂縫深度，d/D）為變量進(jìn)行分析，后緣裂隙處巖體飽和抗拉強(qiáng)度取飽和抗壓強(qiáng)度的1/20，裂隙深度d全部充水，可得圖4關(guān)系曲線：當(dāng)后緣裂隙貫通率達(dá)到0.75時(shí)，該滑坡達(dá)到臨界狀態(tài)，裂隙繼續(xù)發(fā)展，將發(fā)生滑坡。因此，對(duì)后緣裂縫進(jìn)行封填，避免后緣充水，對(duì)該滑坡穩(wěn)定有利。

（2）假定后緣裂縫已完全貫通，滑帶在地下水長(zhǎng)期滲流（庫(kù)水位持續(xù)高位）或持續(xù)強(qiáng)降雨作用下發(fā)生軟化，然后泥化，以滑帶泥化率k2（泥化帶長(zhǎng)度/滑帶總長(zhǎng)度，l/L）為變量進(jìn)行分析，可得圖5關(guān)系曲線：即以后緣長(zhǎng)期充水高度hw=5 m為例分析，當(dāng)泥化率接近0.57時(shí)，該滑坡達(dá)到臨界狀態(tài)，若繼續(xù)浸水，將發(fā)生滑坡。因此，庫(kù)水位長(zhǎng)期高位運(yùn)行及持續(xù)性降雨不利于滑坡穩(wěn)定。

（3）假定后緣裂縫全部貫通及滑帶軟化均已完成，在短期暴雨或庫(kù)水位超高因素作用下，后緣裂隙短時(shí)間充水高度hw作為變量進(jìn)行分析，可得圖6關(guān)系曲線：當(dāng)后緣裂隙短時(shí)間充水高度接近7.4 m時(shí)（若不考慮降雨，只考慮蓄水導(dǎo)致庫(kù)水位升高，此時(shí)庫(kù)水位接近設(shè)計(jì)蓄水位70 m），該滑坡達(dá)到臨界狀態(tài)，若庫(kù)水位繼續(xù)上升或降雨強(qiáng)度更大，則該滑坡產(chǎn)生。因此，庫(kù)水位短期超高運(yùn)行及特強(qiáng)暴雨均會(huì)導(dǎo)致滑坡產(chǎn)生。

5 結(jié)論及建議

通過(guò)野外勘查，室內(nèi)綜合分析，得出如下結(jié)論與認(rèn)識(shí)：

（1）鴨塘水庫(kù)紅層順層滑坡受后緣陡傾裂隙貫通率、滑帶泥化率影響明顯，其臨界值分別為0.75、0.57（hw=5 m時(shí)）;為阻止滑坡繼續(xù)發(fā)展，建議對(duì)后緣裂縫用灰土進(jìn)行夯填。

（2）水庫(kù)長(zhǎng)期帶病運(yùn)行，坡體長(zhǎng)期滲流是造成該滑坡發(fā)生的主要誘發(fā)因素，建議對(duì)水庫(kù)壩體、山體后方水位消落帶進(jìn)行防滲處理。

（3）該滑坡在治理及水庫(kù)防滲處理前，建議水庫(kù)蓄水水位不超過(guò)65 m（滲水嚴(yán)重），達(dá)到設(shè)計(jì)蓄水位70 m時(shí)，極易使該滑坡繼續(xù)發(fā)展，導(dǎo)致潰決，造成重大損失。

（4）該滑坡從建庫(kù)到發(fā)生滑動(dòng)經(jīng)歷了60多年演化，時(shí)間漫長(zhǎng)，本文對(duì)其形成機(jī)制及穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，對(duì)今后紅層區(qū)庫(kù)區(qū)選址、設(shè)計(jì)蓄水位確定、防滲處理工作具有一定指導(dǎo)意義。

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