青?；∪嚎菩聟^(qū)紅層大型滑坡群成因機制研究

范曉嶺

(北京交科公路勘察設(shè)計研究院有限公司,北京 100191)

0 引言

青?；〉靥幥嗪|部青藏高原與黃土高原的過渡地帶,地形地貌主要受北西向構(gòu)造所控制,黃河、隆務(wù)河縱貫全境南北,形成東西部山區(qū)和中部的河谷地區(qū)[1-2]。區(qū)域地質(zhì)特征為第三紀紅層出露,更新世黃土覆蓋,自第四紀以來受外營力作用,本地區(qū)溝系發(fā)育,深切入第三紀紅色巖層中,溝道短促,坡降大,常見溯源侵蝕,多至卯頂,橫斷面多呈“V”形,坡度多在45°以上,其上新生懸溝林立,滑坡崩塌等塊體運動極為活躍。其中第三紀高原紅層成巖時間距今較近,成巖作用差,膠結(jié)固結(jié)程度低,巖體結(jié)構(gòu)相對松疏,強度較低,在地下水下滲、坡腳沖刷作用下,對自然坡體穩(wěn)定性極為不利,是滑坡滑動結(jié)構(gòu)面的主要巖性。紅層具有成巖歷史短、膠結(jié)差、強度低、抗風(fēng)化能力差、親水性強、透水性差,具遇水軟化、崩解等特點,為滑坡的發(fā)展提供了基礎(chǔ)的物質(zhì)條件[2-6]。根據(jù)西部地區(qū)滑坡統(tǒng)計,紅層滑坡占滑坡總數(shù)約為1/4,且紅層滑坡往往成群分布,規(guī)模較大,滑坡類型主要為順層滑動[7-8]。

在青海省化隆群科新區(qū)公路地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評價工作中,重點針對化隆新城至沙連堡鄉(xiāng)段開展現(xiàn)場調(diào)查。共計發(fā)現(xiàn)滑坡12處,且多為大型或巨型滑坡,滑坡呈多級滑動特征。其發(fā)育地層主要為第三系貴德組的泥巖、粉砂質(zhì)泥巖,上覆有厚度不均的更新世風(fēng)成黃土,滑坡后緣多位于現(xiàn)狀山脊處,其主滑方向主要以北東向,受坡腳水流不斷沖刷掏蝕作用,滑坡多處于蠕滑狀態(tài),多為大型、特大型滑坡,見表1。

表1 研究區(qū)滑坡概況Table 1 Survey results of landslides in the study area

現(xiàn)場工作在搜集資料和野外地質(zhì)調(diào)查分析的基礎(chǔ)上,采用鉆探、取樣、原位測試、室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬計算的手段方法,對該段滑坡群進行了滑坡成因和機理研究,提出了該段滑坡群的防治原則,對該地區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警和防治規(guī)劃工作具有一定的指導(dǎo)意義。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于祁連地槽褶皺系的東南部,松潘甘孜地槽褶皺系的東北緣,包括祁連山中間隆起帶、拉脊山加里東地向斜褶皺帶、日月山晚元隆起帶、青海南山印支地向斜褶皺帶等二級單元的一部分。區(qū)內(nèi)主要斷裂構(gòu)造有:與古北西向構(gòu)造帶有關(guān)的壓扭性斷裂;與祁呂山字形構(gòu)造有關(guān)的向斜軸、背斜軸、壓扭性斷裂;與河西構(gòu)造體系有關(guān)的壓扭性斷裂;祁呂系與古北西系疊合斷裂及性質(zhì)不明斷裂等,見圖1。其中拉脊山南坡的壓扭性深大斷裂為拉脊山與化隆盆地的分界,該斷裂延長100 km,走向280°,傾向北、傾角40°～60°,斷層帶西段的下元古界沖覆與古近系、新近系之上,現(xiàn)該斷裂仍在活動,該斷裂北距研究區(qū)25～30 km。

圖1 調(diào)查區(qū)周邊斷裂構(gòu)造發(fā)育情況Fig. 1 Fault structure distribution around the survey area

2 青?；∪嚎菩聟^(qū)滑坡群特征

2.1 滑坡的巖土體特征

研究區(qū)地表普遍分布有單層結(jié)構(gòu)黃土,具大孔隙,結(jié)構(gòu)松散,可見垂直節(jié)理,土質(zhì)均勻,厚度普遍在2～5 m,局部厚度達10 m,多為風(fēng)成黃土,地表多見土洞裂縫等,是地表水的主要下滲通道。下覆基巖主要第三系棕紅色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主,固結(jié)程度較差,浸水后極易軟化崩解,巖體整體力學(xué)強度較低,抗風(fēng)化能力很差?？箟簭姸榷嘣?～15 MPa,軟化系數(shù)0.50,黏聚力在0.03～0.1 MPa,內(nèi)摩擦角在17°～30°之間。巖層呈厚層-巨厚層近水平狀分布,略向北北東傾斜。

滑坡滑面多位于第三系(N)泥巖中,表現(xiàn)為順層或切層,現(xiàn)狀多處于蠕滑狀態(tài)。雨季受地表水下滲和坡腳沖刷影響,活動相對頻繁。

2.2 滑坡的水文地質(zhì)特征

研究區(qū)屬干旱-半干旱大陸性氣候,以多風(fēng)、少雨為特征。據(jù)化隆縣氣象站資料,多年平均降水量421.7 mm,多集中在7—9月份,占全年降水量的60%,且降水量隨地勢增高而增大,具有明顯的垂直分帶性,見圖2。區(qū)內(nèi)小氣候特征明顯,暴雨頻次多、強度大、歷時短。暴雨多發(fā)生在7—8月。

圖2 化隆縣降水量與地勢相關(guān)曲線圖Fig. 2 Correlation curve between precipitation and terrain in Hualong County

滑坡體多在滑坡中部或坡腳見地下水滲出,主要為碎屑巖類裂隙孔隙水,主要接受基巖裂隙水和大氣降水補給,作短途逕流后,以泉的形式排泄。水量大小受地形、地貌、匯水條件的控制,流量約為0.05～0.5l/s。受泥巖的不透水影響,區(qū)域內(nèi)局部還形成風(fēng)化裂隙潛水含水層,對坡體穩(wěn)定性不利。

2.3 滑坡平面分布及形態(tài)特征

研究區(qū)在直線距離約6 km,地形高差約800 m,地形由沙連堡鄉(xiāng)向化隆新城陡降,地表高程在2 150～2 950 m之間,滑坡集中發(fā)育,見圖3,滑坡多垂直山脊沿溝谷成群成帶分布,滑坡呈多級多層性,主要以大型或巨型滑坡為主。局部受地形影響,伴有大型崩塌?；滦纬蓷l件復(fù)雜,成因多樣,在坡腳沖刷、雨水下滲及順層作用下,沿第三系泥巖、粉砂質(zhì)泥巖界面失穩(wěn)。在地震、暴雨等自然災(zāi)害及人類活動的影響下,滑坡現(xiàn)狀處于蠕滑狀態(tài)?；氯旱闹骰较蛑饕芷履_位置的沖溝和山脊線控制,多以北北東、北東向為主,自然坡度多在15°～25°之間。滑坡形狀多以簸箕狀和舌狀為主?，F(xiàn)狀道路在穿越滑坡時,在滑坡兩側(cè)邊界位置見明顯道路損毀,且多呈臺階狀。坡體多見滑坡裂縫,在后緣的滑體與滑壁間,多存在一條弧形裂縫,寬0.05～0.4 m,深度不一,見串珠狀落水洞。

圖3 滑坡分布圖Fig. 3 Landslide distribution map

2.4 滑坡剖面特征

研究區(qū)滑坡堆積體的坡面形態(tài),受滑坡滑動影響,多呈緩臺階,部分見陡坎,坡度由滑坡后緣至坡腳呈現(xiàn)逐漸增大的特點,至滑坡中下部,多見滑坡平臺和陡坎。滑坡滑面多位于第三系泥巖風(fēng)化帶中,滑動面傾角多為10°～15°,同巖層傾角近似一致,多為蠕滑形成的淺層-中層滑坡。滑坡剖面受坡體運動影響,呈折線型,在分級位置多見滑坡裂縫,裂縫由坡頂至坡腳分布密度不一,靠近臺階位置相對較多,多為拉伸裂縫,見圖4。

圖4 滑坡剖面示意圖Fig. 4 Schematic diagram of landslide section

3 滑坡形成機制

3.1 滑坡坡腳沖刷引起坡體溯源破壞

滑坡群坡腳位置為一沖溝,為季節(jié)性流水,特別是在雨季,在強降雨過程中,坡腳沖刷嚴重,坡腳沖刷后多形成高陡邊坡,臨空面增大,無阻滑塊體,抗滑力減小?；缕茐淖郧熬夐_始,后緣持續(xù)向坡頂擴展,在坡體形成裂縫和陡坎,漸成牽引式破壞[9]。在地表水沿裂縫下滲過程中,泥巖遇水軟化,進一步降低滑面巖土體的抗剪強度,進一步降低滑坡的穩(wěn)定性。

3.2 紅層緩傾角順層滑動

滑坡發(fā)育的地層巖性主要為第三系的泥巖、粉砂質(zhì)泥巖,巖體為泥質(zhì)結(jié)構(gòu),層狀構(gòu)造,遇水易軟化崩解,滑坡滑帶多位于該層中。研究區(qū)巖層傾角相對較小,多呈近水平狀(3°～15°),巖層傾角同滑面傾角近乎一致,或略小于滑面,屬于易滑傾角范圍[10-11]。根據(jù)研究區(qū)滑坡滑動帶特征,滑坡滑動帶傾角近似同紅層傾角,表現(xiàn)為順層滑動或小角度交叉,見表2。

表2 滑動帶傾角同巖層傾角對比Table 2 Comparison between dip angle of sliding zone and dip angle of rock stratum

3.3 土洞及滑坡裂縫為地表水的主要下滲通道

區(qū)內(nèi)地下水主要賦存于基巖裂隙中,其埋藏、補給、運移和排泄主要受地表裂縫、滑帶分布影響,主要以大氣降水下滲補給,以泉水形式在剪出帶或坡腳處排泄。

研究區(qū)地表普遍分布有單層結(jié)構(gòu)黃土,可見垂直節(jié)理,具自重濕陷性,地表多見土洞。同時坡體滑動后在滑坡后緣、兩側(cè)邊界、坡體中出現(xiàn)較多的裂縫,為地表水的下滲提供了有利條件。雨水下滲導(dǎo)致滑坡滑動帶抗剪強度降低、增加坡體自重,同時受隔水巖體的阻隔,水體在坡體內(nèi)聚集,動水壓力和凈水壓力增大,有效應(yīng)力減小[12],對滑坡穩(wěn)定性不利。

3.4 特殊的巖土體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)

研究區(qū)地層巖性為上部普遍分布有2～5 m厚的風(fēng)成黃土,下部為第三系泥巖、粉砂質(zhì)泥巖等,巖層沉積年代較新,結(jié)構(gòu)松散,強度較低,具有透水性弱,親水性強,浸水后巖體強度軟化,失水后易崩解等特點。在雨水下滲后,滑帶位置的泥巖抗剪強度大幅降低,對滑坡穩(wěn)定性不利,且經(jīng)過多次滑動后滑帶巖土體力學(xué)性質(zhì)同泥巖差距較大,多為類土質(zhì)巖土體。本次在滑坡中采集滑坡滑帶典型土樣開展土樣天然狀態(tài)和飽水狀態(tài)剪切試驗,試驗結(jié)果見表3?；瑒訋翗釉陲査疇顟B(tài)下,抗剪強度明顯降低,對滑坡穩(wěn)定性影響較大。因滑動帶土體受地下水影響相對較復(fù)雜,常態(tài)下滑動帶土體含水率多小于飽水狀態(tài)。受降雨特征影響,地表水下滲對滑動帶土體含水率影響表現(xiàn)為多期性,引起滑帶土體抗剪強度的變化,造成滑坡多期的活動性。其多期活動性的證據(jù)除了巖土體抗剪強度的變化,最直接的就是公路垂直穿越滑坡,在滑坡邊界位置路面的多期損毀。

表3 滑動帶典型土體不同狀態(tài)的抗剪強度Table 3 Shear strength of typical soil in different states of sliding zone

3.5 地形坡度不是滑坡形成的主控因素

研究區(qū)山脊整體走向為北西向,坡腳發(fā)育有季節(jié)性沖溝,受雨季強降雨沖刷作用,沖溝下切較深,最深處10～15 m。根據(jù)研究區(qū)滑坡不穩(wěn)定區(qū)和現(xiàn)狀自然邊坡穩(wěn)定區(qū)坡度分析,整體自然坡度相差不大,多在20°～35°范圍,見圖5～圖6,但滑坡位置坡度變化相對較大,主要發(fā)生在坡腳、滑坡兩側(cè)邊界和滑坡后緣,其中由坡腳引起的牽引式滑動在坡腳位置多見陡坎,對滑坡穩(wěn)定性影響較大。隨著滑坡的進一步發(fā)展,在滑坡體中多形成裂縫和陡坎,引起滑坡體局部地形坡度變化較大。

圖5 滑坡群坡腳沖刷Fig. 5 Slope toe scouring in landslide group

圖6 滑坡群自然坡度占比Fig. 6 Proportion of natural slope for landslide group

4 典型滑坡穩(wěn)定性評價

4.1 滑坡體特征

選取群科滑坡群中的滑坡H11做典型滑坡穩(wěn)定性評價。滑坡H11位于群科新區(qū)至沙連堡鄉(xiāng)中段,發(fā)育在山體陰坡,滑坡縱剖面呈直線形,滑體表面坡度15°～20°,平面形態(tài)呈舌形,兩側(cè)有沖溝,具雙溝同源性質(zhì),沖溝下游因地下水泄出補給,形成溪流。后緣滑壁高6 m左右、坡度28°左右,滑坡后緣的滑體與滑壁之間,有一條弧形裂縫,斷續(xù)長近300 m,寬0.05～0.4 m,深度大于1 m,其中西段裂縫已發(fā)展成串珠狀落水洞,洞徑小于0.5～1 m。在滑體與滑壁過渡部位的混凝土路面破損碎裂。

該滑坡后緣高程2 600 m,前緣高程2 325 m,相對高差275 m,滑面位于第三系泥巖內(nèi),滑面形態(tài)近上陡下緩的凹形,滑體厚度在空間上分布不均,縱向上滑坡體中部厚度最大,中、后部厚度較小,滑體平均厚度約8 m?；w長1 680 m,平均寬220 m,滑動體積約443×104m3,主滑動方向為230°。

4.2 穩(wěn)定性評價

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,滑坡坡腳受水流沖刷導(dǎo)致前緣失穩(wěn),并逐漸向上發(fā)展,坡體中部和后緣見陡坎和裂縫,目前處于蠕滑狀態(tài)。

根據(jù)滑坡地表形態(tài)調(diào)查,結(jié)合鉆探揭露情況,綜合確定滑坡的地質(zhì)模型、破壞模式和滑動面位置,依滑體物質(zhì)組成、坡體特征和滑動面位置,選取折線形滑面,采用傳遞系數(shù)法進行滑坡的穩(wěn)定性評價。本次依據(jù)滑動帶取土樣采用重復(fù)剪切試驗和抗剪參數(shù)反演綜合確定滑坡的抗剪強度指標,滑坡模型及典型斷面見圖7～圖8。

圖7 滑坡傳遞系數(shù)采用的模型 圖8 滑坡穩(wěn)定性計算采用的典型斷面Fig. 7 Model adopted for landslide transfer coefficient Fig. 8 Typical section used for landslide stability calculation

穩(wěn)定性計算采用傳遞系數(shù)法,計算公式如式(1):

(1)

式中:

Ri=Nitanφi+ciLi=Qicosθitanφi+ciLi

(2)

Ti=Qsinαi

(3)

ψi=cos(αi-αi+1)-sin(αi-αi+1)tanψi+1

(4)

地震對滑坡穩(wěn)定性的影響主要表現(xiàn)為水平地震力使法向壓力消減和下滑力增強,促使滑坡易于滑動[13-14],因此在考慮地震力時,單位條塊滑坡體下滑力應(yīng)增加Pcosαi,同時抗滑力減少Psinαitanφi,如式(5)所示,地震附加力:

P=C1C2KhGs

(5)

式中:P為地震附加力;C1為地震力計算的綜合影響系數(shù),一般取0.25;C2為地震力計算的重要性修正系數(shù),在0.6～1.7間,取1.3;Kh為水平地震力系數(shù),對7、8、9度地震分別為0.1、0.2、0.4;Gs為滑坡體重力(kN/m)。

滑坡抗剪參數(shù)反演計算采用公式如式(6):

(6)

(7)

式中:φ為內(nèi)摩擦角(°);c為黏聚力(kPa);F為根據(jù)計算工況給定的穩(wěn)定系數(shù);L為滑帶的總長度(m);其余符號同前。

本次選取正常條件、降水條件和地震條件等3種工況計算滑坡的穩(wěn)定性,計算結(jié)果見表4。

表4 不同工況下滑坡穩(wěn)定性計算Table 4 Calculation of landslide stability under different working conditions

近似平行布置3個斷面,其中Ⅰ-Ⅰ斷面位于滑坡左側(cè),Ⅱ-Ⅱ斷面位于滑坡右側(cè),Ⅲ-Ⅲ斷面位于中間,根據(jù)鉆探揭露,滑坡滑動帶深度兩側(cè)略淺,中部相對較深,斷面呈“U”型。

根據(jù)計算結(jié)果,Ⅰ-Ⅰ斷面和Ⅱ-Ⅱ斷面位于滑坡靠近兩側(cè)位置,滑動帶深度略淺,穩(wěn)定性計算結(jié)果略好于Ⅲ-Ⅲ斷面;當考慮地震力作用下,穩(wěn)定系數(shù)降低;滑坡在天然狀態(tài)下處于欠穩(wěn)定-基本穩(wěn)定狀態(tài);在暴雨狀態(tài)下,受雨水浸潤,滑動帶土體抗剪強度降低,滑坡處于不穩(wěn)定狀態(tài);在地震狀態(tài)下,受地震作用影響,滑坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。結(jié)合計算結(jié)果,說明建立的滑坡穩(wěn)定性計算模型和采用參數(shù)同實際情況基本相符。

5 結(jié)論及建議

1)群科新區(qū)滑坡群的分布特征主要受山脊走向及坡腳沖溝影響,主要發(fā)育的地層為第三系的泥巖和粉砂質(zhì)泥巖,具有成巖歷史短、膠結(jié)差,遇水易軟化崩解、傾角較緩等特點。

2)滑坡滑動的主要原因為坡腳沖刷引起的溯源破壞,其滑動面受控巖層傾角,多順層滑動或與巖層傾角小角度交叉,地形坡度不是滑坡形成的主導(dǎo)因素。

3)受降雨特征影響,地表水下滲對滑動帶土體含水率影響表現(xiàn)為多期性,引起滑帶土體抗剪強度的變化,造成滑坡多期的活動性。

4)該類滑坡主要表現(xiàn)為蠕滑,活動性同降雨周期表現(xiàn)一致,規(guī)模相對較大,其防治措施應(yīng)主要結(jié)合當?shù)亟?jīng)濟條件和保護對象確定,并結(jié)合地質(zhì)災(zāi)害的簡易預(yù)警系統(tǒng)開展。

5)滑坡的主要啟動因素為坡腳沖刷引起的溯源破壞,受雨水下滲影響,滑動帶巖土層抗剪強度降低,在緩傾角的不利疊加作用下,滑坡主要表現(xiàn)為蠕滑,其活動性同降雨周期表現(xiàn)一致。其主要影響因素包括坡腳沖刷、基巖的緩傾角和第三系半成泥巖力學(xué)特點及降雨下滲等。