天水鍛壓機床廠滑坡變形破壞機制及形成演化

田 尤，楊為民，劉 廷，，李 浩，，程小杰

(1.中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京100083;2.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京100081)

0 引言

天水鍛壓機床廠滑坡 (以下簡稱鍛壓機床廠滑坡)緊鄰天水市麥積區(qū)西端鍛壓機床廠北側(cè)，隴海線鐵路以北的斜坡上。該滑坡發(fā)生于1990年8月11日上午11時45分，滑坡致天水鍛壓機床廠西半部分6個車間瞬間成為廢墟，7名職工被埋于黃土之中，損毀坡上公路超過1000 m，造成了重大的生命財產(chǎn)損失。

鍛壓機床廠滑坡的發(fā)生引起了國內(nèi)學(xué)者廣泛關(guān)注和研究。吳瑋江［1］、曲永新等［2］、文寶萍［3］分別以鍛壓機床廠滑坡為例，對黃土地區(qū)典型滑坡災(zāi)害的分類、成因和防治等進行了研究;馬崇武等［4］、李杰［5］、劉忠玉等［6］研究認為鍛壓機床廠滑坡為典型的高速滑坡，并在此基礎(chǔ)上分析了高速滑坡的動力來源和動力模型，提出了高速滑坡活動強度預(yù)測的不同方法;薛振勇等［7］對滑坡的形成原因進行了初步分析，認為人類工程活動是導(dǎo)致滑坡形成的根本原因，提出工程和生物相結(jié)合的治理方案。以上研究主要集中在滑坡成因、分類和治理等方面，對滑坡變形破壞機制和形成演化模式的相關(guān)研究尚不多見。本文基于野外調(diào)查和工程鉆探結(jié)果，深入剖析鍛壓機床廠滑坡的變形破壞機制和形成演化模式，以期為該類滑坡的防治預(yù)警提供科學(xué)依據(jù)。

1 滑坡區(qū)環(huán)境地質(zhì)條件

天水市地處隴西黃土高原，南鄰西秦嶺山區(qū)，屬渭河流域，地勢整體呈西高東低。區(qū)內(nèi)按巖土體性質(zhì)可劃分為黃土區(qū)和基巖區(qū)。黃土區(qū)地形坡度變化較大，坡頂至坡腳相對高差100～400 m;基巖區(qū)坡度多在30°以上，相對高差200～500 m。鍛壓機床廠滑坡發(fā)生區(qū)地貌上表現(xiàn)為黃土梁單斜順向坡，坡頂高程1280 m，坡底為天水市麥積城區(qū)，最低點為渭河河床，高程1080 m?；聟^(qū)坡向約210°，地表坡度25°—30°，植被較發(fā)育，主要為農(nóng)用耕地和果園，天—隴公路 (天水至隴縣)由此斜坡蜿蜒而上。

滑坡區(qū)地層主要為第四系、新近系和下古生界牛頭河群。其中牛頭河群巖性為片巖、片麻巖，新近系巖性為雜色泥巖，它們作為第四系風(fēng)成黃土堆積的基底，厚度較大;第四系主要為Q4堆積物、Q3馬蘭黃土、Q2離石黃土，呈披覆式分布在新近系泥巖之上，其中，Q4堆積物厚度小于2 m，Q3馬蘭黃土厚5～10 m，Q2離石黃土厚20～30 m，夾多層古土壤，整體節(jié)理裂隙發(fā)育。

天水地區(qū)新構(gòu)造運動具有差異性升降運動明顯、運動速率不均勻和新構(gòu)造運動強度空間上不均勻、斷裂活動性強等特征。全新世以來，區(qū)內(nèi)新構(gòu)造運動處相對上升階段，上升速率4 ～8 mm/1000 a［8～9］。

天水市地處六盤山南北地震帶中段天水—武都地震帶和秦嶺北緣東西地震帶中部天水—蘭州地震帶的交匯復(fù)合部位，歷史地震頻繁。大地震會強烈改變地形并且在很長一段時間內(nèi)影響山坡穩(wěn)定性［10］，進而誘發(fā)大量滑坡、泥石流災(zāi)害。

滑坡區(qū)屬大陸半濕潤季風(fēng)氣候，年平均氣溫10.5℃。降雨多以暴雨和連陰雨形式為主，且主要集中在7—9月。據(jù)麥積區(qū)氣象站降水資料 (1998-2013年)統(tǒng)計，年平均降水量525.2 mm，最大817.3 mm(2013年)，最小347.7 mm(2004年)。區(qū)內(nèi)主要河流為渭河，由西向東從麥積區(qū)城區(qū)中部穿過，平均徑流量12.7×108m3，流量隨季節(jié)變化明顯。

2 滑坡基本特征

鍛壓機床廠滑坡發(fā)生于渭河左岸三級階地前沿，由滑坡壁組成的“圈椅狀”地貌明顯?；缕矫嫘螒B(tài)呈南南西方向敞開的簸箕形，上下寬度相近，最大寬度400 m(見圖1)?；缕拭嫔铣省吧住毙危骰较?10°，平均坡度16°，后緣高程1190 m，前緣剪出口出現(xiàn)在高程為1080～1090 m的緩坡上 (見圖2)?；麻L350 m，寬300～400 m，厚度1～35 m，平均厚度約20 m，體積約1.4×106m3，為大型黃土滑坡。滑坡整體邊界清晰，后壁高40～45 m，側(cè)壁延伸不遠，陡坎高1～30 m。受地形影響，西邊界側(cè)壁陡坎較高，東邊界側(cè)壁陡坎較低。

圖1 天水鍛壓機床廠滑坡綜合平面圖Fig.1 Planar graph of Tianshui Forging Machine Plant

圖2 天水鍛壓機床廠滑坡剖面圖Fig.2 Profile graph of Tianshui Forging Machine Plant

圖3 天水鍛壓機床廠滑坡ZK2、ZK4鉆孔柱狀圖Fig.3 Columnar sections of the drill holes of ZK2 and ZK4 in Tianshui Forging Machine Plant

滑坡體內(nèi)見一次級平臺，長約350 m，寬約100 m，高程為1125～1130 m，臺階下發(fā)育一次級陡坎，高約25 m，平均坡度45°。滑坡體后緣見殘留拉張洼地，呈長條狀，蘆葦生長茂盛，反映現(xiàn)今仍積水?；w勘探資料表明，滑坡體主要由次生黃土及多層古土壤團塊組成，底部見少量強風(fēng)化泥巖 (見圖3a)?；麦w結(jié)構(gòu)基本可分為2層:上層以粉土、粉質(zhì)黏土為主的次生黃土與古土壤團塊混雜堆積層，結(jié)構(gòu)松散，黏粒含量少，含水量低;下層以黏土為主，含水量高，具可塑性和弱膨脹性，厚1～3 m?；w物質(zhì)具有上粗下細的特點，相應(yīng)地其透水性自上而下變小，但含水量自上而下逐漸增大?；w初見水位高程為1120 m，但很快水即消失殆盡，水量小，推測為滑坡體局部裂隙殘留水。說明滑坡巖土體本身不能儲水，僅能通過大氣降水進行補給。

鉆孔ZK1揭露主滑面埋深8～10 m，滑帶厚1.5～2.1 m，ZK2揭露主滑面埋深約35 m，滑帶厚0.8～1.6 m。受滑床形態(tài)控制，滑帶厚度剖面上有起伏變化?；轮骰媲熬壩挥谀鄮r頂部與離石黃土的接觸面處，后部位于黃土層內(nèi)，滑帶由強風(fēng)化物和黏土組成，滑帶土結(jié)構(gòu)松散，含水率高，滑帶軟弱面的形成與降雨直接相關(guān)。

從滑坡后壁頂部鉆孔柱狀圖 (見圖3b)可見，滑坡滑床為第四系黃土和新近系泥巖，滑床基巖產(chǎn)狀近水平，厚度較大，滑坡滑動對滑床的影響較小。

3 變形特征

現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果表明，鍛壓機床廠滑坡 (見圖4a)目前處于緩慢蠕滑變形狀態(tài)，受地形地貌和滑坡體物質(zhì)組成差異的影響，滑坡體各部分變形不一。

①滑坡中后部拉張裂縫發(fā)育。在滑坡體后緣次級臺階上發(fā)育一長20 m，寬2～5 m的拉張裂縫，裂縫上蘆葦生長茂盛，現(xiàn)今積水量大 (見圖4b);在滑坡后緣平臺上發(fā)育2條寬度20～30 cm的拉張裂縫 (見圖4c)，且后壁陡坎后部多個半徑50～80 cm的落水洞 (見圖4d)也是拉張裂縫變形經(jīng)雨水沖刷后的結(jié)果。它們?yōu)樗南聺B提供了通道。

圖4 天水鍛壓機床廠滑坡全貌及變形破壞特征Fig.4 View and the characteristics of deformation damage of Tianshui Forging Machine Plant

②滑坡體上公路產(chǎn)生下挫變形。在滑坡東側(cè)壁下，滑坡體上公路發(fā)生長12 m、寬3.5 m下挫，下挫距離5～10 cm;在滑坡體中后部，滑坡體上公路發(fā)生長20 m、寬4 m的局部下挫，下挫距離2～5 cm(見圖4e)。

③滑坡前緣發(fā)生蠕滑變形。滑坡體前緣位于公路下方的廠房擋土墻發(fā)生傾倒;滑坡前緣西側(cè)壁中下部的簡易擋土墻發(fā)生損壞 (見圖4f)。

④滑坡局部發(fā)生復(fù)活，產(chǎn)生小滑坡。如:1990年8月滑坡體下滑后，形成高陡后壁，同年11月，受地震影響，在滑坡后壁西側(cè)發(fā)生長80 m，寬50 m，滑向150°的次級小滑坡;2014年11月，受降雨影響，滑坡前緣西側(cè)壁發(fā)生滑向為165°的小崩滑;此外，滑坡后壁地帶斜坡陡坎處發(fā)生次級小滑坡，斜坡上樹木呈“醉漢林”現(xiàn)象 (見圖4g)。

上述變形特征表明，鍛壓機床廠滑坡目前整體處于緩慢變形狀態(tài)，局部呈加速變形。

4 鍛壓機床廠滑坡變形破壞機制

4.1 二元斜坡結(jié)構(gòu)是滑坡形成的充分條件

天水地區(qū)自全新世以來，風(fēng)成黃土在區(qū)內(nèi)呈“披覆式”廣泛堆積于新近系泥巖之上，厚度較大。同時，地殼抬升致使渭河下切形成高陡岸坡，為鍛壓機床廠滑坡的形成提供了重力條件和運動空間。

鍛壓機床廠滑坡區(qū)斜坡坡度近30°，斜坡結(jié)構(gòu)為上部黃土、下部泥巖的單斜順向?qū)犹厥舛Y(jié)構(gòu)。黃土與泥巖力學(xué)性質(zhì)差異較大，其接觸面往往構(gòu)成軟弱結(jié)構(gòu)面。由于新近系泥巖頂部強風(fēng)化帶抗剪強度較弱風(fēng)化泥巖降低十倍乃至數(shù)十倍之多 (見表1)，因此，這一強風(fēng)化帶常構(gòu)成軟弱帶 (夾層)(見圖5a)。同時，位于上部的黃土節(jié)理裂隙發(fā)育，一方面可作為地表水流下滲直接通道;另一方面使得原先穩(wěn)定狀態(tài)下的黃土組成不穩(wěn)定土體，進而加劇了鍛壓機床廠滑坡的失穩(wěn)。

表1 天水地區(qū)易滑地層物理力學(xué)性質(zhì)統(tǒng)計表［1］Table 1 Statistics of physical and mechanical properties of easy sliding layers in Tianshui area

圖5 天水鍛壓機床廠滑坡形成機理Fig.5 Formation mechanism of Tianshui Forging Machine Plant

4.2 工程切坡是導(dǎo)致滑坡形成的主要原因

天隴公路修建和鍛壓機床廠廠房擴建過程中，將坡腳的二級階地絕大部分開挖，使坡腳前緣形成坡度約70°的臨空面。坡面變陡改變了邊坡原有的穩(wěn)定自然形態(tài)，使得坡體內(nèi)部應(yīng)力場發(fā)生改變，在坡腳處形成剪應(yīng)力集中區(qū)，坡頂形成拉張應(yīng)力，而在中部則處于水平卸荷狀態(tài)下的拉張和剪切狀態(tài) (見圖6)，此時，軟弱帶土體發(fā)生明顯剪切作用 (見圖5b)。坡腳土體剪切坡壞后，坡腳的變形牽引作用會加強坡頂?shù)睦瓘垜?yīng)力，且未等剪切帶延伸至坡頂，便會在坡頂上距離坡面由遠及近形成數(shù)條拉張裂縫［11～12］，坡體穩(wěn)定開始降低。拉張裂縫的形成一方面是因拉張應(yīng)力集中所致，另一方面也來自于黃土自身節(jié)理裂隙發(fā)育的特點。

圖6 天水鍛壓機床廠邊坡開挖受力示意圖Fig.6 Free-body diagram of slope excavation of Tianshui Forging Machine Plant

隨著坡腳土體的進一步破壞，剪切帶會隨剪應(yīng)力分布向坡體后緣及上部擴展，后緣拉張裂縫也會在坡腳剪切帶向后擴展牽引坡頂變形和坡頂張應(yīng)力的共同作用下向深部擴展［13～14］，拉張裂縫的深部擴展反過來又加大剪切作用，工程切坡使得坡體穩(wěn)定性顯著降低。

4.3 降水是鍛壓機床廠滑坡形成的直接誘因

1983年開始，當?shù)卮迕裢ㄟ^灌溉水渠，對坡體產(chǎn)生長時間浸泡，使坡體沿后緣拉張裂縫方向發(fā)育多個落水洞，擴寬了地下水的補給通道。1990年8月上旬，天水市麥積區(qū)發(fā)生大強度的連續(xù)降水，降水量高出往常年份30%～40%;而在8月11日滑坡發(fā)生當天，2 h內(nèi)降水就高達110 mm。這一階段的強降雨直接導(dǎo)致了滑坡的啟動下滑。

大量的雨水快速入滲，使得滑體地下水位顯著升高。地下水位的上升一方面改變了坡體內(nèi)部的暫態(tài)滲流場，降低了土體的基質(zhì)吸力，在應(yīng)變?nèi)趸瘏^(qū)形成應(yīng)力集中點，而后裂縫不斷向下擴展［15～20］，又反過來增大了坡體對地表水的吸收，產(chǎn)生惡性循環(huán)。裂縫在這種情況下的擴展也是滲流場改變和黃土自身強度降低共同作用的結(jié)果。另一方面，由于黃土下伏的泥巖層透水性低，雨水的滲入易在黃土與泥巖接觸面形成滯水區(qū)，接觸面處強風(fēng)化泥巖和黃土產(chǎn)生軟化、泥化現(xiàn)象，弱化了土體的力學(xué)性質(zhì) (見表1)。實驗結(jié)果表明，位于接觸面上部的黃土和下部的泥巖遇水后抗剪強度均發(fā)生明顯降低 (見表2)。此時，這一接觸面將進一步演化成潛在滑坡面 (帶)，而潛在滑動面通常是地下水營力活躍帶，且常常有黏土礦物集中的現(xiàn)象［21］。黏土礦物的存在，使其遇水更易發(fā)生軟化、泥化現(xiàn)象，黏土礦物含量越高，其軟化泥化效應(yīng)就越顯著。隨著灌溉用水和雨水的下滲，滑帶的力學(xué)性質(zhì)進一步弱化，研究［22］表明，當含水率超過11%后，滑帶的強度將隨含水率的增大而迅速降低。

表2 天水鍛壓機床廠滑坡區(qū)巖土的抗剪強度指標［23］Table 2 Shear strength of rock and soil in Tianshui Forging Machine Plant

另一方面，高強度降雨沿裂隙下滲，遇土-巖接觸面排泄受阻，將會對裂隙周圍巖土體產(chǎn)生一個橫向壓力，使裂隙發(fā)生擴容變形，而擴容變形又加劇了水體的下滲，降低了巖土體的強度，加快了坡體變形。同時，黃土遇水后重度增加，增大了坡體下滑力，使其沿著主滑面形成更大的剪切破壞，在后壁形成更大的拉裂破壞，一旦剪應(yīng)力超過接觸面抗剪強度，便形成滑坡 (見圖5c)。

綜上所述，鍛壓機床廠滑坡形成機理表現(xiàn)為滑移-拉裂式。

5 滑坡形成演化

依據(jù)鍛壓機床廠滑坡特征和變形發(fā)展特點，其形成演化過程大致可分為以下5個階段:

①高陡邊坡形成期。中—晚更新世，滑坡區(qū)接受厚度約70 m的風(fēng)成黃土沉積，呈“披覆式”覆蓋在新近系泥巖之上 (見圖7a)，二元斜坡結(jié)構(gòu)形成。而全新世以來的新構(gòu)造運動，使渭河不斷發(fā)生下切遷移，高陡邊坡形成。

圖7 天水鍛壓機床廠滑坡形成演化過程Fig.7 Formation process of Tianshui Forging Machine Plant

②滑坡孕育期。工程開挖引起坡體應(yīng)力改變，在開挖處 (公路、廠房平臺)坡腳處剪應(yīng)力集中，斜坡后緣拉應(yīng)力增大，繼而產(chǎn)生拉張裂縫。隨灌溉水和降雨的入滲，裂縫向下擴展，至黃土和新近系接觸面，水的滲透受阻 (泥巖風(fēng)化帶滲透性低極差)，新近系泥巖風(fēng)化帶巖土體飽和軟化，抗剪強度減小，坡體穩(wěn)定性降低，坡體處于下滑孕育期 (見圖7b)。

③滑動面貫通臨界期。年復(fù)一年的降雨和灌溉，使得坡體后緣拉裂縫向下擴展，并逐漸沿黃土與泥巖接觸面 (帶)擴展貫通，形成潛在滑動面，此時坡體處于滑動臨界狀態(tài)，遇觸發(fā)因素將會失穩(wěn)下滑 (見圖7c)。

④滑坡啟動下滑-堆積期。1990年8月，處于臨界狀態(tài)的坡體遭遇了持續(xù)性降雨作用。一方面，大量雨水沿后緣拉裂縫貫入坡體，沿貫通的滑動面滲流，對潛在滑動面產(chǎn)生沖刷侵蝕，滑坡面抗剪強度降低;此時，沿滑動面產(chǎn)生滲透力，增加了滑坡面 (帶)的滑動力，坡體穩(wěn)定性進一步降低。另一方面，持續(xù)性降雨引起坡體重度增加，加大了坡體向下的下滑力，當坡體下滑力超過其抗剪強度，坡體失穩(wěn)下滑 (見圖7d)。

⑤滑坡復(fù)活變形期?；滦纬珊?，在滑坡后緣形成了高達40 m的近直立陡坎，形成高陡邊坡，其后又在陡坎坡腳處重建天隴公路和恢復(fù)廠房切坡，使得陡坎坡腳處剪應(yīng)力集中，滑坡發(fā)生復(fù)活變形;同時，滑坡后壁北側(cè)多處仍發(fā)育拉張裂縫和落水洞，使得坡體在降雨或受振動影響 (如地震)局部重新復(fù)活下滑;此外，滑坡下滑后，部分滑坡體殘留于滑坡體上部，形成滑坡次級平臺和洼地，滑體土體裂隙發(fā)育，局部積水，導(dǎo)致坡體局部蠕滑變形(見圖7e)。

6 結(jié)論

天水鍛壓機床廠滑坡屬黃土接觸面滑坡，滑坡體主要為次生黃土?；矠榈谒南迭S土和新近系泥巖，下伏牛頭河群，具典型的二元斜坡結(jié)構(gòu)。

滑坡現(xiàn)今表現(xiàn)為整體緩慢變形、局部加速變形特點，變形破壞機制為滑移-拉裂式。

區(qū)內(nèi)特殊二元斜坡結(jié)構(gòu)是滑坡形成的充分條件，工程切坡是滑坡形成的主要原因，水是滑坡啟動下滑的直接誘因。

滑坡的形成演化模式為高陡邊坡形成期→滑坡孕育期→滑動面貫通臨界期→滑坡啟動下滑-堆積期→滑坡復(fù)活變形期。

鍛壓機床廠滑坡后壁高陡，坡體現(xiàn)今處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，遇強降雨或地震等因素誘發(fā)，仍有可能失穩(wěn)下滑。因此，加強對滑坡的全方位監(jiān)測，進一步開展滑坡穩(wěn)定性隨時間發(fā)展的動態(tài)變化趨勢的研究是很有必要的。

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