文縣郭家坡滑坡形成機(jī)理與穩(wěn)定性研究

田運(yùn)濤,景 博,王高峰,郭 寧,楊 強(qiáng)

(1. 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051；2.西安市勘察測(cè)繪院，陜西 西安 710054； 3.長(zhǎng)安大學(xué) 地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安 710054)

隴南文縣是汶川地震重災(zāi)區(qū)，也是全國(guó)地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)和重點(diǎn)防治區(qū)。汶川地震過(guò)后，文縣地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，尤其滑坡危害加重，嚴(yán)重威脅人民生命財(cái)產(chǎn)和公共設(shè)施安全。許多學(xué)者對(duì)地震滑坡進(jìn)行了研究：KEEFER[1]認(rèn)為，地震震級(jí)(ML)大于4.0時(shí)便可能觸發(fā)滑坡災(zāi)害；張鐸等[2]認(rèn)為，強(qiáng)震(ML≥6.0)尤其是大地震(ML≥7.0)誘發(fā)的滑坡災(zāi)害更為突出和顯著；黃潤(rùn)秋等[3]通過(guò)對(duì)大光包滑坡的多次調(diào)查研究，認(rèn)為基巖滑床表面在強(qiáng)震作用下震動(dòng)松弛并碎裂化、角礫化，“鎖固段”也在強(qiáng)震作用的拉-剪應(yīng)力下突然斷裂，從而引起滑動(dòng)面摩阻力急劇降低并高速滑動(dòng)；孔紀(jì)名等[4]通過(guò)對(duì)汶川地震的研究，指出地震碎裂型滑坡是指斜坡上部的巖土體在地震中產(chǎn)生滑動(dòng)后，在地震波動(dòng)震蕩作用力的持續(xù)作用下發(fā)生震裂、松弛、碎裂，其碎裂巖體沿坡面或溝道發(fā)生碎裂滑動(dòng)的一種滑坡類型；還有研究人員通過(guò)對(duì)汶川地震災(zāi)區(qū)大量崩滑體的調(diào)查研究，從地震動(dòng)力學(xué)和斜坡變形破壞成因機(jī)理的角度分析了汶川地震誘發(fā)崩滑災(zāi)害的3個(gè)典型特征，即震裂潰屈、臨空拋物、碎屑流化。本研究以隴南市文縣郭家坡地震滑坡為例，在查明滑坡的工程地質(zhì)特征及孕災(zāi)背景條件的基礎(chǔ)上，總結(jié)了滑坡形成機(jī)理，采用Janbu法分析了滑坡在天然狀態(tài)、降雨飽水狀態(tài)、地震狀態(tài)3種工況下的穩(wěn)定性，研究結(jié)果不僅對(duì)該地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)和防治規(guī)劃具有參考價(jià)值，而且對(duì)保障生活在滑坡體上的郭家坡村村民的人身財(cái)產(chǎn)安全具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 滑坡概況

1.1 基本情況

郭家坡滑坡位于甘肅隴南市文縣石雞壩鄉(xiāng)郭家坡村(圖1)，白水江左岸，距文縣縣城23 km，地理坐標(biāo)為104°28′32.1″E、33°02′7.7″N。郭家坡滑坡為一深層、特大型堆積體老滑坡，平面形態(tài)呈舌形，主滑方向?yàn)?94°，堆積體長(zhǎng)950～1 100 m，平均寬750 m左右，體積約3 750萬(wàn)m3。

圖1 郭家坡滑坡全貌

1.2 工程地質(zhì)特征

(1)地形地貌?；聟^(qū)位于侵蝕構(gòu)造中山區(qū)地貌與侵蝕堆積河谷地貌交界處，更傾向于構(gòu)造中山區(qū)地貌。區(qū)內(nèi)北高南低，最高點(diǎn)在剪子坪村，海拔1 510 m，最低點(diǎn)為白水江江岸，海拔1 030 m，相對(duì)高差480 m。白水江呈外弧形流經(jīng)滑坡區(qū)西南邊，河谷狹窄，河水流速快，河床縱比降大。河谷兩側(cè)坡體陡峻，侵蝕切割強(qiáng)烈，坡體平均坡度22°，從上至下呈陡—緩—陡特征。山體溝壑縱橫，山頂呈梁脊形，梁上比較平緩。

(2)地層巖性?；聟^(qū)內(nèi)普遍出露二疊系下統(tǒng)變質(zhì)砂巖、灰?guī)r、砂質(zhì)板巖、炭質(zhì)板巖等，表層普遍風(fēng)化強(qiáng)烈，裂隙發(fā)育，力學(xué)強(qiáng)度總體較低，遇水易軟化、泥化，構(gòu)成易滑地層。碎石土粒徑差異大，透水性強(qiáng)，磨圓度差，尤其是位于堆積體前緣和坡面沖溝溝岸臨空面的碎石土，在長(zhǎng)期水流沖蝕和卸荷作用下已較為松散破碎，物理力學(xué)性能極不穩(wěn)定。

(3)地質(zhì)構(gòu)造?；聟^(qū)位于文康斷裂帶文縣弧頂部位，附近發(fā)育近乎平行的3條NEE向斷裂，即哈南—青山灣—磨壩斷裂、堡子壩—高樓山—稻畦子斷裂、范家壩—臨江斷裂。前兩個(gè)斷裂自全新世以來(lái)活動(dòng)性較強(qiáng)，為武都南大地震的主要發(fā)震斷裂，沿?cái)嗔炎呦蚨嗵幙梢?jiàn)到地震陡坎、地震裂縫、地震崩滑體、堰塞湖等地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象?；聟^(qū)與哈南—青山灣—磨壩斷裂關(guān)系最為緊密，該條斷裂的存在，導(dǎo)致區(qū)內(nèi)基巖結(jié)構(gòu)不完整，空氣與雨水容易進(jìn)入山體，基巖風(fēng)化層較厚，在山坡上逐漸形成殘坡積物。

1.3 滑坡變形特征

郭家坡滑坡體上陡中緩，表面發(fā)育眾多縱向沖溝，后緣剪切裂縫大量發(fā)育，這是差異剪切作用的構(gòu)造表現(xiàn)?；虑熬夈@孔顯示底部有河流相泥沙沉積，可以判定在滑坡發(fā)生后有大量土石涌入白水江，將河道推向?qū)γ嫔侥_，從而形成現(xiàn)在的河道。

滑坡區(qū)附近有金礦開采、排渣等人類活動(dòng)，導(dǎo)致滑坡體上堆積物不斷增加，滑坡體厚度增加，前緣坡腳不斷增大。同時(shí)，采礦廢水的大量滲入，導(dǎo)致坡體含水量大大增加，容重增加，土體抗剪強(qiáng)度降低，滑坡可能再度復(fù)活?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及鉆孔資料分析得出郭家坡滑坡歷史上經(jīng)歷了4次變形破壞過(guò)程。①整體(H1)滑動(dòng)。是現(xiàn)今看到的最大的整體滑動(dòng)，在滑坡后壁處可見(jiàn)到基巖斷裂面，可以判斷滑坡為堆積層與基巖混合滑動(dòng)。但是根據(jù)現(xiàn)狀滑坡的工程地質(zhì)鉆探，滑坡堆積體底部主要為灰?guī)r、板巖等碎石、塊石，基巖并不完整，呈破裂狀，因此猜測(cè)是強(qiáng)震造成風(fēng)化基巖破裂成碎石，導(dǎo)致抗剪力突然下降，引起失穩(wěn)。②滑坡中后部(H2)滑動(dòng)。滑坡后緣局部淺層碎石滑動(dòng)。風(fēng)化產(chǎn)生了潛在滑體，在降雨和重力的作用下發(fā)生滾落滑動(dòng)。③滑坡后緣(H3)滑動(dòng)。2008年汶川地震時(shí)滑坡后壁松散黃土因?yàn)閺埨芽p的擴(kuò)張而失穩(wěn)下滑，淺層黃土滑落至坡體中部，但未對(duì)當(dāng)?shù)鼐用裨斐扇松碡?cái)產(chǎn)損失。④滑坡前緣(H4)滑動(dòng)。位于滑坡坡腳處，2015年6月發(fā)生滑動(dòng)。修路開挖使本就松散的碎石土體前緣產(chǎn)生牽引力，雖然在坡腳修建了擋土墻，但降雨時(shí)雨水很快滲入土體使土體接近飽和，土體自身質(zhì)量增大而抗剪強(qiáng)度降低，最終推倒擋土墻滑至公路中央，阻礙道路通暢，路面也出現(xiàn)了裂縫。

2 滑坡成因分析

2.1 外部因素

地震是滑坡發(fā)生的根本原因?；聟^(qū)屬于地震易發(fā)區(qū)，在短時(shí)強(qiáng)地震力的作用下，震蕩破壞了風(fēng)化基巖層的強(qiáng)度結(jié)構(gòu)，改變了原本的膠結(jié)狀態(tài)，使巖體松動(dòng)破碎，碎石土顆粒之間的咬合程度降低，導(dǎo)致黏聚力和內(nèi)摩擦角減小。汶川地震波向NE方向傳播，與滑坡運(yùn)動(dòng)方向(NNE)基本一致，在地震波的作用下坡體受力巨大，原始平衡狀態(tài)被打破，從而導(dǎo)致斜坡結(jié)構(gòu)遭到破壞，在重力的作用下滑動(dòng)形成滑坡?！?·12”汶川地震導(dǎo)致滑坡后緣(H3)發(fā)生變形，局部滑動(dòng)。通過(guò)走訪調(diào)查得知，后緣(H3)滑動(dòng)時(shí)巖土體在滑動(dòng)過(guò)程中瞬間碎裂滑移至坡體中部，在滑坡頂部黃土堆積層產(chǎn)生了大量橫向平行裂縫。

滑坡變形與降雨有著較明顯的相關(guān)關(guān)系?；录舫隹诟浇霈F(xiàn)拉張裂縫，降雨滲入坡體既增加了坡體自身質(zhì)量，降低了巖土體力學(xué)強(qiáng)度，又容易在滑帶附近聚集，軟化滑帶，降低土體抗剪強(qiáng)度，從而誘發(fā)滑坡?；虑熬?H4)發(fā)生滑動(dòng)的主要誘因就是降雨，同時(shí)降雨會(huì)導(dǎo)致滑坡后緣頂部的裂縫貫通并進(jìn)一步加大，從而再次發(fā)生滑坡。

2.2 內(nèi)部因素

地形地貌特征決定了地震滑坡坡度的發(fā)育特征?；聟^(qū)屬于侵蝕構(gòu)造中山區(qū)，為高山峽谷地貌，斜坡平均坡度為30°，整體呈上陡—中緩—下陡狀況。上部斜坡坡度范圍為45°～79°，越靠近頂部坡度越陡，為后緣滑坡的發(fā)生提供了有利的地形條件；中部在原有斜坡地形基礎(chǔ)上，被人類改造成住房、公路、耕地等，坡度較緩，約20°，地質(zhì)災(zāi)害不發(fā)育；下部坡體坡度范圍為35°～70°，靠近底部被人工改造成近垂直的斜坡，存在安全隱患?；虑熬墰_溝發(fā)育，切割深度幾米至幾十米不等，部分沖溝在長(zhǎng)期的風(fēng)化侵蝕下形成小型泥石流溝。滑坡分布高程為1 030～1 450 m，高差400 m以上。地形整體較為陡峭，北高南低，整體傾向白水江，坡體高差大、斜坡陡峭為滑坡運(yùn)動(dòng)提供了勢(shì)能。滑坡處于哈南—青山灣—磨壩斷裂帶，巖土體力學(xué)強(qiáng)度不高，巖體結(jié)構(gòu)不緊密，易受雨水、空氣侵蝕，出現(xiàn)厚層風(fēng)化基巖。

有利的坡體結(jié)構(gòu)是該滑坡產(chǎn)生的內(nèi)在因素?；孪赂矌r層產(chǎn)狀為210°∠75°，坡向194°，滑坡體為順向結(jié)構(gòu)類型，有利于滑坡的發(fā)生。對(duì)滑坡形成的影響表現(xiàn)在：巖層中發(fā)育兩組節(jié)理，230°∠10°和50°∠10°(臨空面)，與層面形成巖體破壞模式，其中一組節(jié)理傾向與巖層傾向基本一致，但較為平緩，切割巖層與層面相交，易造成基巖軟弱帶破碎形成滑動(dòng)面，影響坡體穩(wěn)定性。

郭家坡滑坡堆積體主要物質(zhì)為碎石土，磨圓度差，孔隙大，透水性強(qiáng)，而滑床為易風(fēng)化的軟弱千枚狀板巖，透水性較差。在長(zhǎng)期降雨條件下，地表水大量滲入碎石土體，易使土體飽和，在軟弱巖層處地下水富集，軟化基巖，使土體力學(xué)強(qiáng)度降低，形成潛在滑動(dòng)帶，增加了滑坡發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。滑落下來(lái)的滑體破碎松散，土體磨圓度差、棱角分明，在滑體底部碎石中常可見(jiàn)到板巖塊石等現(xiàn)象也說(shuō)明風(fēng)化基巖層的存在。

3 滑坡穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)

通過(guò)觀察滑坡的堆積形態(tài)，研究認(rèn)為滑坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，復(fù)活的可能性小，但受降雨和地震的影響，局部處于不穩(wěn)定狀態(tài)。本研究采用極限平衡法，利用GeoStudio中GEO-SLOPE模塊嵌套的Janbu法建立地質(zhì)模型，選取合理的地層物理力學(xué)參數(shù)計(jì)算邊坡穩(wěn)定性。

3.1 建立地質(zhì)模型

選取滑坡縱剖面建立郭家坡滑坡縱剖面模型，見(jiàn)圖2。

圖2 郭家坡滑坡縱剖面模型

3.2 計(jì)算剖面及工況

滑坡前緣為白水江，剪出口位于水位最大漲幅之上，故此次計(jì)算對(duì)水位的變化不予考慮。根據(jù)滑坡的受力特征、可能出現(xiàn)的荷載情況及其組合，計(jì)算中主要考慮降雨因素影響，選定天然狀態(tài)、降雨飽水狀態(tài)、地震狀態(tài)3種工況計(jì)算滑坡穩(wěn)定性。

3.3 計(jì)算參數(shù)選取

滑帶土的黏聚力和內(nèi)摩擦角是滑坡穩(wěn)定性定量評(píng)價(jià)和推力計(jì)算的重要參數(shù)，其值變化對(duì)計(jì)算結(jié)果有很大影響。根據(jù)室內(nèi)大剪試驗(yàn)、三軸試驗(yàn)所獲數(shù)據(jù)，結(jié)合臨近工作區(qū)工程地質(zhì)類比數(shù)據(jù)，最終確定滑坡穩(wěn)定性計(jì)算的巖土物理力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 郭家坡滑坡穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)

3.4 計(jì)算結(jié)果及評(píng)價(jià)

利用GEO-SLOPE模塊中的Janbu法對(duì)處于3種工況下的滑坡整體穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表2。在天然狀態(tài)下，郭家坡滑坡整體(H1)穩(wěn)定性系數(shù)為1.927，處于穩(wěn)定狀態(tài)；降雨飽水狀態(tài)下，雖然整體(H1)穩(wěn)定性有所下降，但仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，滑坡后緣(H3)也處于穩(wěn)定狀態(tài)，但滑坡中后部(H2)穩(wěn)定性系數(shù)為0.939，處于不穩(wěn)定狀態(tài)；地震條件下，H1、H3處于穩(wěn)定狀態(tài)，滑坡中后部(H2)在Ⅶ級(jí)地震烈度下穩(wěn)定性系數(shù)為1.100，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，在Ⅷ級(jí)地震烈度下為0.917，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。通過(guò)設(shè)置系統(tǒng)自動(dòng)搜索最危險(xiǎn)滑面，得出地震條件下斜坡最不穩(wěn)定、最易失穩(wěn)下滑的區(qū)域是滑坡頂部的淺層黃土與碎石土(圖3)。

表2 不同工況下滑坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

圖3 郭家坡滑坡后緣變形區(qū)示意

綜上，目前郭家坡滑坡整體處于較穩(wěn)定狀態(tài)，發(fā)生整體滑動(dòng)的可能性較小，但滑坡體后部變形明顯，若在土體飽和或地震條件下，滑坡后部發(fā)生失穩(wěn)、滑移的可能性較大。若后部發(fā)生滑移，則可能進(jìn)一步推動(dòng)前部老滑體變形，降低滑坡體整體穩(wěn)定性，對(duì)生活在滑坡體上的居民的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

4 結(jié) 論

(1)郭家坡滑坡屬于特大型牽引式老滑坡，滑坡共發(fā)生過(guò)4次滑動(dòng)，第一次為斜坡整體性滑動(dòng)，第二次為滑坡中后部局部滑動(dòng)，第三次為汶川地震時(shí)滑坡后壁的淺層滑動(dòng)，第四次為滑坡前緣人工削坡和降雨造成的滑動(dòng)。

(2)滑坡發(fā)生的外因：地震是滑坡發(fā)生最主要的誘因，震蕩破壞了風(fēng)化基巖層的強(qiáng)度結(jié)構(gòu)；滑坡頂部黃土堆積層產(chǎn)生了大面積的橫向平行裂縫，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，降雨條件下容易向下發(fā)生局部滑動(dòng)。

(3)滑坡發(fā)生的內(nèi)因：順向斜坡結(jié)構(gòu)在兩組節(jié)理的共同作用下，易形成破碎滑帶；陡峭地形為滑坡的形成提供了強(qiáng)大的勢(shì)能條件；以碎石土為主的滑坡體和易風(fēng)化的軟弱基巖力學(xué)強(qiáng)度較低，形成了潛在滑面。

(4)目前該滑坡體整體穩(wěn)定性較好， 發(fā)生整體滑動(dòng)的可能性較小。通過(guò)GEO-SLOPE軟件對(duì)滑坡進(jìn)行了穩(wěn)定性計(jì)算，結(jié)果顯示在地震或降雨飽水狀態(tài)下邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

(5)通過(guò)危險(xiǎn)滑面搜索得到的后緣變形區(qū)范圍，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)查中圈定的變形范圍基本一致。本研究得到的滑坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際情況，具有較高的可信度。