廣元寶珠村滑坡工程地質(zhì)特征及成因機制研究

賴書名,胡勇生

(1.四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局九〇九水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊，綿陽 621000;2.四川省地質(zhì)工程集團公司,成都 610015)

20世紀至今，滑坡災害一直是人類關(guān)注的主要地質(zhì)災害之一，降雨、地震、工程開挖、堆載等均是誘發(fā)滑坡的影響因素，其中降雨是最主要、最普遍的影響因素之一，降雨型滑坡已累計給百姓生命財產(chǎn)造成了巨大的損失，破壞公路、鐵路、輸電線路等公共設施，多年來關(guān)于降雨型滑坡的研究課題一直是滑坡災害研究方向中的重點[1-3]。國內(nèi)外學者結(jié)合實際滑坡案例，從滲流場變化特征[4-5]、非飽和-飽和巖土體強度特征[6]、降雨閾值[7-9]等多個角度闡明降雨型滑坡形成機理，分析滑坡穩(wěn)定性變化趨勢以及運動過程力學特征[10-12]。隨著分析理論的完善及計算能力的提高，人們又開始建立關(guān)于降雨型滑坡的預報模型，如：曹洪洋等[13]基于粗糙集理論，建立區(qū)域降雨型滑坡預報模型。

每年雨季期，各地降雨誘發(fā)的滑坡仍頻繁發(fā)生，所造成的損失呈現(xiàn)不同程度的增長，由此可見當前對降雨型滑坡的研究尚有不足之處。2010年7月23日，廣元市利州區(qū)遭遇特大暴雨，三堆鎮(zhèn)境內(nèi)3 h總降雨量達195 mm，強降雨直接引發(fā)三堆鎮(zhèn)寶珠村3組一處山體發(fā)生滑坡?；麻L約50 m，寬約80 m，堆積體高約6 m，近2×104m3滑坡體掩埋多戶村民房屋，沖毀道路，堵塞高度約4～6 m，并造成臨近房屋開裂、損毀，直接經(jīng)濟損失約20萬，對前緣18戶65人構(gòu)成嚴重威脅，同時存在發(fā)生二次滑坡的可能性。在災害排查中，對該滑坡已進行了詳細調(diào)查、測繪工作，通過探槽、室內(nèi)試驗等手段查明滑坡組成結(jié)構(gòu)及物理力學性質(zhì)，結(jié)合瞬態(tài)非飽和滲流數(shù)值模擬，對滑坡降雨形成機制展開了研究，研究成果可為當?shù)氐貫呐挪?、滑坡災害防治提供指導及理論依?jù)。

1 滑坡工程地質(zhì)特征

1.1 滑坡概況

寶珠村滑坡位于廣元市利州區(qū)三堆鎮(zhèn)寶珠村3組，地理坐標E105°37′10.2″，N32°30′43.5″，距離廣元市區(qū)約35 km，距離三堆鎮(zhèn)中心約1.4 km(圖1)，屬于第四系堆積層降雨型滑坡。

圖1 滑坡地理位置

滑坡地處四川盆地北端，屬于構(gòu)造侵蝕中山地貌，滑坡近南-北向展布，海拔高程492～545 m，高差約50 m，地勢陡峻，地形坡度約37°～45°，斜坡形態(tài)呈近似直線坡形，坡面發(fā)育3條沖溝，縱坡降大、溝道窄?；聟^(qū)上覆第四系堆積層為殘坡積角礫土(圖2)，灰黃色，稍密-中密，天然密度1.65～1.86 g/cm3，含水率約7.4%～9.2%，角礫含量50%～60%，夾少量碎石，棱角狀，主要為頁巖風化碎塊；角礫土層呈不連續(xù)分布，后緣斜坡探槽揭露厚度為2.2 m，中部探槽揭露厚度為3.2 m，前緣鉆孔揭露厚度為1.5 m，總體呈后緣、兩側(cè)山梁及沖溝處薄而中前部厚的特征。下伏基巖為志留系下統(tǒng)龍馬溪組(S1ln)薄層狀黑褐色灰質(zhì)頁巖，產(chǎn)狀160°∠80°，抗風化能力弱，發(fā)育兩組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面，即：①20°∠18°，②71°∠55°?；戮嚯x白龍江較遠，后期調(diào)查發(fā)現(xiàn)，非降雨天氣滑坡區(qū)無地表流水，地下水貧瘠，埋藏深，地下水位多位于深部基巖層內(nèi)，以大氣降雨補給為主，殘坡積角礫土層內(nèi)含水率低，土體干燥。

圖2 探槽揭露殘坡積角礫土層

1.2 變形破壞特征

根據(jù)滑坡勘察以及詳細調(diào)查可知，滑坡邊界特征明顯，右側(cè)以基巖裸露山梁為界，左側(cè)以1#沖溝為界，后緣至基巖陡坎，前緣剪出口為坡腳開挖陡坎面，高差約60 m，坡度35°～40°?；缕矫嫘螒B(tài)呈舌形，滑動方向279°，滑動面為基覆界面和部分強風化基巖裂隙面，近似折線形，前緩、后陡(圖3、圖4)；在滑動變形過程中，由于下伏基巖強風化層較厚，呈碎石狀，滑坡推動力促使約1.0～2.0 m的風化層隨滑坡變形而向下滑動，故產(chǎn)生滑動變形平均厚度為5.0 m，總方量約1.9×104m3，屬于小型土質(zhì)滑坡。后期鉆孔、探槽所揭露基覆界面土體較濕，可塑，碎塊石含量為5%～10%左右，呈次棱角狀，易吸水，透水性差，土體飽水后較軟。

圖3 滑坡工程地質(zhì)平面圖

圖4 滑坡1-1’工程地質(zhì)剖面圖

斜坡變形失穩(wěn)后，在后緣形成高約10 m的陡坎，陡坎處局部可見基巖出露，且發(fā)育一處牽引拉張變形裂縫；滑坡體下滑運動過程中土體結(jié)構(gòu)破碎，呈散體狀，夾雜強風化層頁巖風化碎塊，至坡腳阻斷道路、掩埋1戶房屋，堆積前緣受墻體阻滑影響形成鼓丘，同時造成部分靠近堆積體房屋墻體產(chǎn)生擠壓裂縫，見圖5、圖6。

圖5 滑坡變形破壞特征

圖6 墻體開裂

此外，調(diào)查中發(fā)現(xiàn)滑坡鄰近范圍內(nèi)存在變形跡象，主要表現(xiàn)為橫向拉張裂縫，規(guī)模相對較小，裂縫寬8～15 cm，深10～20 cm，延伸長約1～3 m；相鄰斜坡未出現(xiàn)明顯滑動跡象。災情發(fā)生后，當?shù)卣?lián)合村民立即對滑坡堆積體實時清方，清除屋后至公路段3 000 m3堆積體，打通道路；目前仍有將近6 000 m3的土體堆積于公路內(nèi)側(cè)及原斜坡坡腳。

1.3 滑坡影響因素分析

大量降雨型滑坡研究[14-15]表明：滑坡的形成受多種因素控制，可分為地質(zhì)因素、環(huán)境因素兩類。針對寶珠村滑坡，地質(zhì)因素為陡峻的地形條件、特殊的地層結(jié)構(gòu)，無構(gòu)造影響，環(huán)境因素為極端降雨氣候、工程開挖。由于滑坡區(qū)遠隔白龍江，區(qū)內(nèi)無地表流水，地下水位埋藏深，故可不考慮地下水位變化對滑坡的影響。

1.3.1 地形地貌

滑坡區(qū)屬構(gòu)造侵蝕中山地貌，海拔較低(492～545 m)，但相對高差大，斜坡坡度大，具備較好的臨空條件以及極大的重力勢能，局部陡坎地形有利于降雨充分入滲、滲流，一旦斜坡失穩(wěn)，在重力下滑分力作用下將快速剪切、下滑、運動。此外，在該地形條件下，發(fā)育良好的植被使斜坡變形跡象具有極強的隱蔽性，可發(fā)現(xiàn)概率低。

1.3.2 地層結(jié)構(gòu)

滑坡區(qū)地層由第四系殘坡積角礫土層和志留系下統(tǒng)龍馬溪組(S1ln)灰質(zhì)頁巖組成，角礫土呈稍密-中密，含有大量孔隙，表現(xiàn)出較強的滲透性，且土中角礫主要為頁巖風化碎塊，細粒組分為粉質(zhì)黏土，雨水軟化及下滲力作用下角礫土結(jié)構(gòu)損傷、解體，力學強度急劇下降，從而導致堆積層穩(wěn)定性下降，在臨空環(huán)境下極易產(chǎn)生變形破壞。下伏頁巖層產(chǎn)狀與坡向相反，斜坡屬于橫向傾內(nèi)型，頁巖層發(fā)育一定厚度的強風化層，強風化層頁巖呈碎塊狀，滲透性極強，雨水穿過角礫土層下滲至強風化層，受下滲水流潤滑、軟化影響，強風化層原本較弱的結(jié)構(gòu)強度將再次弱化，故而導致坡體下滑運動過程中局部強風化層出現(xiàn)剪切滑動破壞。

1.3.3 工程開挖

斜坡坡腳處為新修村道，修建過程中對內(nèi)側(cè)山坡進行了開挖以拓寬路面寬度，由此形成高約1～3 m的開挖斷面，道路建成后采用人工砌石固坡。陡傾斜坡具有較大的勢能，天然狀態(tài)下人工措施可維持斜坡穩(wěn)定性，極端降雨環(huán)境下，斜坡巖土體自身抗剪強度降低，且容重增大，在地形提供的勢能下處于不穩(wěn)定狀態(tài)，工程開挖邊坡則為滑坡的進一步形成提供剪出口。

1.3.4 極端強降雨

根據(jù)“7.23”暴雨洪災氣象資料知，降雨期間三堆鎮(zhèn)境內(nèi)3 h降雨量高達195 mm，強降雨致區(qū)境內(nèi)地質(zhì)災害頻發(fā)，給當?shù)厝嗣竦纳a(chǎn)生活造成較大威脅。連續(xù)的降雨入滲導致巖土體容重增大，內(nèi)聚力及內(nèi)摩擦角下降，阻滑力降低，致使斜坡的整體穩(wěn)定性變差，易沿基覆界面產(chǎn)生滑動。

2 滑坡變形破壞過程分析

為進一步闡明滑坡在強降雨環(huán)境下變形破壞過程，本文選取滑坡典型剖面1-1′剖面作為計算剖面，結(jié)合實際降雨氣象環(huán)境，對原地形斜坡進行降雨滲流分析。

2.1 模型概化

恢復1-1′剖面原地形線，建立有限元滲流計算模型(圖7)，滑坡物質(zhì)為殘坡積角礫土，坡腳殘坡積層下伏早期崩坡積碎石土，基巖為頁巖。模型兩側(cè)及底部均為不透水邊界，坡面為單位流量邊界，單位時間滲流量為7月23日降雨強度，降雨持時為8 h；在角礫土層表部、底部共設置7處監(jiān)測點。

圖7 滑坡有限元計算模型

2.2 參數(shù)選取

根據(jù)滑坡勘察室內(nèi)試驗，得到巖土體相關(guān)物理力學參數(shù)(表1)。采用V-G模型預測得出斜坡結(jié)構(gòu)中各介質(zhì)非飽和土-水特征曲線，角礫土土-水特征曲線見圖8。

圖8 角礫土土-水特征曲線

2.3 模擬結(jié)果分析

滑坡勘察結(jié)果表明，滑坡區(qū)地下水位埋藏深，地下水對滑坡不構(gòu)成影響，故seep/w滲流模擬直接采用瞬態(tài)分析，降雨時長為8 h，本文選取3 h、5 h、8 h時間節(jié)點坡體孔隙水壓力分布特征展開分析，見圖9。

圖9 不同降雨持時下孔隙水壓力分布圖

斜坡表面土體滲透性較好，透水性強，降雨初期(0～3 h)以垂直下滲為主，少量雨水沿坡面形成徑流。由于斜坡堆積層厚度分布不均，且斜坡坡度陡，后緣土層較薄處首先達到飽和狀態(tài)，并進入一定厚度強風化頁巖層內(nèi)，同時順坡向下滲流，在斜坡中部及坡腳局部形成飽和區(qū)，分布范圍較小。降雨至5 h左右，斜坡淺表層在累計降雨入滲影響持續(xù)達到飽和狀態(tài)，此時地表徑流量增大，并在坡腳平緩處形成積水，導致坡腳處飽和區(qū)范圍進一步增大，積水的浸泡、軟化降低土體抗剪強度，斜坡穩(wěn)定性下降；坡體內(nèi)部孔隙水垂直下滲幅度減緩，在勢能作用下以順斜坡下滲為主，斜坡中下部堆積厚層區(qū)內(nèi)下滲孔隙水未達到基覆界面。8 h時降雨結(jié)束，坡腳飽水區(qū)范圍進一步擴大、加深，孔隙水壓力不斷增大，斜坡中后部孔隙水在滲流過程中分布形態(tài)呈持續(xù)變化特征。

各監(jiān)測點隨降雨時間增長孔隙水壓力變化特征如圖10所示。從圖中可以看出，各點隨時間變化，孔隙水壓力變化特征具有明顯差異，近表層4點(A、E、F、G)孔隙水壓力變化幅度強于深部監(jiān)測點(B、C、D)。表層4點在降雨過程中孔隙水壓力先持續(xù)增大，直至飽和狀態(tài)，而后孔隙水壓力開始出現(xiàn)起伏波動，這是由于斜坡地勢陡，降雨入滲到一定程度后順斜坡發(fā)生滲流運動，并持續(xù)改變孔隙水分布形式，這與圖10分析結(jié)果一致。深部3點在降雨7 h之前，孔隙水壓力無明顯變化，降雨結(jié)束后B、C點仍變化不明顯，而D點處于斜坡坡腳，降雨結(jié)束后坡腳飽和區(qū)范圍、深度的增大使D點的孔隙水壓力突然陡增，直至達到飽和。由此可見，在該地形條件下，坡腳降雨積水引起的局部飽和將使土體力學強度急劇下降，并將直接影響斜坡整體穩(wěn)定性。

在seep/w滲流分析的基礎(chǔ)上，對斜坡進行全降雨時長穩(wěn)定性分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：降雨至7 h時斜坡穩(wěn)定性已降至1.02，處于極限平衡狀態(tài)，此時極有可能出現(xiàn)局部的變形，如拉張裂縫等，但由于降雨時間長，且植被遮掩，致使變形跡象難以被發(fā)覺。至8 h時，斜坡穩(wěn)定性已降至0.946，且斜坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，將發(fā)生失穩(wěn)破壞，潛在變形體如圖11所示，其形態(tài)與滑坡實際變形特征極為相似，由此可見降雨對滑坡的啟動起到了關(guān)鍵作用。

圖10 各監(jiān)測點孔隙水壓力-降雨時間關(guān)系曲線

圖11 8 h時斜坡潛在變形范圍

3 滑坡成因機制分析

綜合滑坡勘察以及數(shù)值分析結(jié)果，得出降雨作用下滑坡變形破壞機制及形成演化過程，具體分述如下：

(1) 滑坡區(qū)下伏基巖為灰質(zhì)頁巖，巖體強度相對較差，抗風化能力較弱，早期外動力環(huán)境促使出露基巖風化、破碎，形成順坡堆積分布的角礫土層，并造就了陡傾的地形條件，為滑坡啟動發(fā)展孕育了足夠的勢能。堆積層形成周期短，自重固結(jié)效果差，土體密實度偏低，力學強度較低，而滲透性較好。

(2) 坡腳工程開挖削減了斜坡抗滑阻力，降低斜坡整體穩(wěn)定性，同時形成良好臨空條件，開挖直立斷面為斜坡的滑動變形提供剪出口。

(3) 強降雨初期，降雨入滲量大，堆積層表部迅速飽和，斜坡后緣先于中前緣達到飽和，并向強風化頁巖層下滲，與此同時向坡腳形成近于平行坡面的滲流場。斜坡中上部坡內(nèi)入滲孔隙水分布形態(tài)隨滲流作用影響而持續(xù)發(fā)生變化，坡腳在接受降雨入滲的同時，整個斜坡孔隙水也不斷向坡腳匯集，從而造成坡腳土體含水率激增，飽和范圍逐漸增大。

(4) 強降雨的持續(xù)作用，斜坡入滲量進一步增加，地表徑流量加大，在坡腳形成積水，斜坡土體力學強度原本較弱，在孔隙水的長時間浸泡、軟化影響下再次弱化，抗剪強度的急劇下降也嚴重影響斜坡穩(wěn)定性。當土體強度持續(xù)降低，在重力勢能控制下，斜坡開始出現(xiàn)蠕變跡象，當斜坡內(nèi)部不連續(xù)滑動面貫通后則沿坡腳開挖臨空面剪出，由此形成滑坡。

4 結(jié)論

(1) 寶珠村滑坡為第四系堆積層滑坡，屬于牽引式滑坡。滑坡區(qū)邊界形態(tài)明顯，滑面為基覆界面及部分強風化頁巖層，滑坡土體結(jié)構(gòu)破碎，總方量近2×104m3，掩埋前緣靠近坡腳處房屋及道路，形成堆積鼓丘，同時導致堆積前緣建筑墻體產(chǎn)生擠壓開裂變形。

(2) 通過seep/w瞬態(tài)滲流分析，在“7.23”降雨強度下斜坡表部迅速飽和，并形成平行斜坡的滲流場，導致坡腳積水現(xiàn)象突出，飽和區(qū)范圍不斷增大、加深。強降雨作用下，坡腳飽和區(qū)面積的增大、斜坡土體長時間受雨水的浸泡而強度弱化是降雨影響的主要表現(xiàn)形式，斜坡土體強度的降低、坡腳抗滑阻力的下降導致斜坡發(fā)生失穩(wěn)。

(3) 滑坡形成由多種因素共同所致，原始斜坡地形環(huán)境是滑坡發(fā)生內(nèi)在地質(zhì)條件，工程開挖削弱坡腳抗滑阻力，并形成良好臨空面，“7.23”強降雨是誘發(fā)滑坡的關(guān)鍵控制因素。