沖洪積卵石土層分布區(qū)滑坡形成機理分析
——以安溪縣某安置區(qū)邊坡為例

卓萬生

(1.福建省安溪縣地質(zhì)災(zāi)害研究所，福建 安溪 362400；2.福州大學(xué)安溪地質(zhì)災(zāi)害防治研究生工作站，福建 安溪 362400)

安溪縣是福建省地質(zhì)災(zāi)害最為發(fā)育的地區(qū)之一[1]，滑坡是主要發(fā)育類型，占該縣地質(zhì)災(zāi)害的75%以上?；乱话憧煞滞临|(zhì)滑坡和巖質(zhì)滑坡，土質(zhì)滑坡多以崩坡積層滑坡為主，而巖質(zhì)滑坡則以全-強風(fēng)化花崗巖在強降雨作用下產(chǎn)生的局部滑塌為主[2]。眾多學(xué)者對這兩類滑坡進行了研究。關(guān)于土質(zhì)崩坡積層滑坡，周云濤等[3]認為滑坡蠕變形成的超孔隙水壓力是致使特大型近水平崩坡積破壞的誘因；陳志超等[4]通過SketchUp軟件，分析安溪縣巖山角落崩坡積層滑坡的滲流系統(tǒng)特征及其對滑坡的影響，認為崩坡積層以管網(wǎng)滲流系統(tǒng)為主，且對降雨的敏感度較高；尹小濤等[5]利用顆粒流PFC2D探討了強度變化對崩坡積體穩(wěn)定性的影響；此外，有眾多學(xué)者對坡腳開挖和強降雨誘發(fā)滑坡的機制做了卓有成效的探索[6-9]。

對于巖質(zhì)滑坡，亦有諸多成果。李凱等[10]認為飽和度對花崗巖巖土體的抗剪強度有較大的影響；張永波等[11]從顆粒劃分角度分析了花崗巖邊坡的穩(wěn)定性；王浩等[12]認為礦物成分差異、沿海斷裂構(gòu)造帶和濕熱的氣候特征是花崗巖球狀風(fēng)化的主要原因：在雨水沖刷作用下形成溝槽，風(fēng)化球體逐漸暴露于坡面，形成地質(zhì)災(zāi)害；劉艷輝等[13]以花崗巖風(fēng)化殼地區(qū)某典型二元結(jié)構(gòu)斜坡為原型，基于飽和-非飽和滲流理論，分析降雨入滲過程和斜坡失穩(wěn)機制；此外，亦有不少學(xué)者通過基巖和風(fēng)化層物理力學(xué)特性探討邊坡的穩(wěn)定性[14～17]。

本文討論的滑坡和上述類型不同，其位于山腳下沖洪積臺地，上覆較厚卵石土層，水文地質(zhì)條件復(fù)雜。獨特的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和水文地質(zhì)特征，致使原本坡度緩、高差小的邊坡多年來變形不斷加劇、范圍逐年擴展，從最初的西段2組裂縫擴展到邊坡的中段和東段，新增了多組裂縫和5處泉眼。裂縫持續(xù)下錯，擋墻中段鼓出開裂、局部甚至倒塌，2017年埋設(shè)的監(jiān)測孔測斜管被剪斷。雖多次改造邊坡，地下水補給通道形似切除，但實際成效微弱。因此，本文在開展詳細的現(xiàn)場走訪調(diào)查和工程勘查基礎(chǔ)上，分析了滑坡的變形特征和成因機理，著重于水文地質(zhì)條件分析和穩(wěn)定性的預(yù)測與驗算。

1 研究區(qū)概況

滑坡區(qū)位于福建省泉州市安溪縣湖頭鎮(zhèn)湖上安置區(qū)北側(cè)山體，五閬山(最高峰高程605 m)坡腳下沖洪積臺地、湖頭小盆地內(nèi)，為構(gòu)造侵蝕丘陵地貌，整體地勢西高東低?；滤谏襟w由西往東自然延伸，山體連貫，山脊處于安置區(qū)中軸。

20世紀(jì)70年代在安置區(qū)南西側(cè)建水庫，水面高程207 m；2006年在滑坡區(qū)南側(cè)推平山包、統(tǒng)建100棟安置房，自西往東高程為197～178 m。安置區(qū)建成后，其四周邊坡下側(cè)開始頻繁的工程活動：2010年在北側(cè)高程156～157 m處建水泥廠、西側(cè)197 m處建蓄水池；2012年在南側(cè)高程173～190 m處建人才公寓；2014年在東側(cè)176 m處建水廠；2015年在西側(cè)建環(huán)城公路，高程185～190 m，從而挖開安置區(qū)和橫山水庫間原本連貫的山體，似鞍狀。至此，安置區(qū)微地貌形似橢圓橫臥的“饅頭”(圖1)。

圖1 滑坡區(qū)工程地質(zhì)平面圖Fig.1 Map showing the engineering geology of the landslide area

2 工程地質(zhì)條件

經(jīng)對滑坡區(qū)調(diào)查、測繪和工程勘查，結(jié)合之前工程活動所揭露的地層，地層巖性自上而下依次是素填土、卵石土、殘積砂質(zhì)黏性土和全風(fēng)化花崗巖[18]。各層特征如下：

3 水文地質(zhì)條件

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和周邊揭露的地層情況，推斷安置區(qū)位于一條古河道上，河道走向SE110°，卵石土層展布和河道走向基本吻合，呈扇形擴散，寬150～200 m，卵石土層總體厚度3～25 m，其中：環(huán)城路西側(cè)處厚10～25 m，滑坡處厚3～10 m，由邊坡南側(cè)往北側(cè)的厚度逐漸變薄，北側(cè)邊坡的中部及以下未見卵石土層。

根據(jù)場地地層巖性及地下水在含水介質(zhì)中的賦存特征，滑坡區(qū)地下水以賦存于卵石土層中的孔隙水及基巖風(fēng)化裂隙中的裂隙水為主，主要補給來源包括大氣降水、地表水，西側(cè)山脈、水庫及臨近基巖裂隙水的側(cè)向補給；向滑坡北側(cè)水泥廠低洼處排泄。

孔號S07、S08(圖1)為殘積土層水位觀察孔，鉆孔結(jié)束后通過清洗并抽干孔內(nèi)地下水，經(jīng)觀測孔內(nèi)水位的恢復(fù)情況，發(fā)現(xiàn)兩水文孔均在2 h內(nèi)恢復(fù)至穩(wěn)定水位，尤其是最初10 min，水位迅速升至地面下4.5 m處，表明滑坡區(qū)殘積土砂質(zhì)含量較高，滲透性較強；在孔號ZK26、ZK32(圖1)周邊對殘積砂質(zhì)黏性土做試坑滲水試驗，滲透系數(shù)為9.5×10-4～1.3×10-3cm/s，滲透性較好。

滑坡區(qū)共出露5處泉眼(Q1—Q5)，用三角堰法測得Q1和Q2平常流量分別為28 t/d、24 t/d，均無色無味；暴雨期流量分別為28 t/d、39 t/d；表明Q1受天氣影響很??；采取地下水示蹤法，對蓄水池溢出的水流用墨汁渲染追蹤，10多分鐘后Q2顏色變暗，后期水塔關(guān)閉，溢水停止，Q2隨之干枯，判定Q2來自蓄水池溢水。Q3平常流量約9 t/d，雨期約10 t/d。Q4平常流量約1.8 t/d，無色無味，雨季流量約12 t/d，流量與天氣關(guān)系明顯，變化較大。Q5呈帶狀出露，高程165～175 m，平常和雨期流量約40 t/d，無色無味，受天氣影響小。通過現(xiàn)場實測，5處泉眼(圖1、圖2)滲水位置大致在卵石土層和殘積砂質(zhì)黏性土的交界面。卵石土層滲透性較好且存在一定的架空結(jié)構(gòu)，管網(wǎng)滲流的特征明顯。因此，綜合判定地下水主要是沿著卵石土層與下部殘積砂質(zhì)黏性土交界處進行滲流。

為形象說明卵石土層分布特征及其與泉眼的關(guān)系，作A-A′、B-B′和 C-C′三條典型剖面(圖2～3)，其中A-A’剖面位于環(huán)城路西側(cè)20～30 m處，穿過水庫；B-B’剖面位于環(huán)城路東側(cè)10～20 m處，穿過Q1、Q3；C-C’剖面位于滑坡中段，穿過Q4、Q5。根據(jù)5處泉眼監(jiān)測和6個水位孔觀測資料(表1)，取5個組合(①S01、S02、S04，②S01、S03、S04，③S02、S03、S04，④S01、ZK34、ZK35和⑤S02、ZK34、ZK35，具體位置見圖1)，采用三點法測定地下水流向，獲得各組流向(圖4)。由此判定卵石土層潛水流向總體為NE50°～60°，水庫與卵石土層仍存在著地下水補給聯(lián)系。

圖2 卵石和泉眼的分布位置圖Fig.2 Distribution of the pebble layer and the spring’s vents

圖3 卵石及泉眼關(guān)系示意圖Fig.3 Schematic diagram of the pebbles and spring’s vents

表1 卵石土層水位觀測值Table 1 Observed values of groundwater level of the pebble layer

圖4 卵石土層地下水流向示意圖Fig.4 Schematic diagram of groundwater flow in the pebble layer

4 滑坡體變形特征

按邊坡變形的發(fā)生時間和范圍，將北側(cè)邊坡劃分三個滑坡體，即滑坡Ⅰ(西段)、滑坡Ⅱ(中段)和滑坡Ⅲ(東段)，具體位置見圖1。

4.1 滑坡Ⅰ(1-1′)變形特征

滑坡Ⅰ主滑方向28°，后緣高程195 m，前緣高程155 m，橫向?qū)?0 m，縱向長100 m，面積約9 000 m2，滑體厚度10～15 m，平均厚度約12 m，體積約12×104m3(圖5)。受強降雨影響，2010年6月坡體發(fā)育2條裂縫，9月又發(fā)育2條裂縫，產(chǎn)狀分別是：①走向355°，長80 m，寬5～10 cm，下錯5～10 cm，可見深度30 cm；②走向55°，長約180 m，寬10～15 cm，下錯10～20 cm，可見深度50 cm；③走向290°，長約50 m，寬10～20 cm；④走向60°，長100 m，寬10～15 cm，可見深度1 m以上。2017年6—9月裂縫進一步加劇，埋設(shè)的3個專業(yè)監(jiān)測孔均被剪斷；2018年9月2日距安置區(qū)的水泥路10 m處邊坡上發(fā)育第5組裂縫，東西走向、長35 m、寬10～25 cm(圖1)。

通過鉆探揭露，滑坡發(fā)育兩層滑動面?；瑒用?位于殘積黏性土和全風(fēng)化花崗巖交界處，為含角礫黏土，含水率高，呈軟塑狀，滲透性較差，為弱透水層，角礫分布不均，呈棱角狀，母巖為花崗巖，含量為10%～15%；滑動面2位于殘積土內(nèi)，為黏性土，含水率較高，呈可塑-軟塑狀，鏡面光澤，可見擦痕。

4.2 滑坡Ⅱ(2-2′)和滑坡Ⅲ(3-3′)的變形特征

滑坡Ⅱ西側(cè)緊鄰滑坡Ⅰ，呈EW展布，平面上呈弧形，主滑方向28°，后緣高程192 m，前緣高程156 m，橫向?qū)?50 m，縱向長100 m，面積約1.5×104m2，滑體厚10～15 m，平均厚度約12 m，體積約18×104m3(圖6)。通過鉆探揭露，滑坡發(fā)育兩層滑動面?；瑒用?位于殘積黏性土和全風(fēng)化花崗巖交界處，為含角礫黏土，含水率高，呈軟塑狀，滲透性較差，為弱透水層，角礫分布不均，呈棱角狀，母巖為花崗巖，含量為10%～15%；而滑動面2位于殘積土內(nèi)，為黏性土，含水率較高，呈可塑-軟塑狀，鏡面光澤，可見擦痕。

圖5 滑坡Ⅰ工程地質(zhì)剖面圖Fig.5 Engineering geological profile of the landslide Ⅰ

圖6 滑坡Ⅱ工程地質(zhì)剖面圖Fig.6 Engineering geological profile of landslide Ⅱ

滑坡Ⅲ呈SN展布，平面上呈弧形，主滑方向10°，后緣高程182 m，前緣平臺高程156 m，橫向?qū)?0～90 m，縱向斜長50 m，平面面積約4 000 m2，滑體厚7～12 m，平均厚度約7 m，體積2.5×104m3(圖7)。通過鉆探揭露，滑動面位于殘積黏性土和全風(fēng)化花崗巖交界處，為含角礫黏土，含水率高，呈軟塑狀，滲透性較差，為弱透水層，角礫分布不均，呈棱角狀，母巖為花崗巖，含量為15%～20%。

圖7 滑坡Ⅲ工程地質(zhì)剖面圖Fig.7 Engineering geological profile of landslide Ⅲ

2013年以來，安置區(qū)水泥路面的中段至東段(對應(yīng)滑坡Ⅱ、滑坡Ⅲ)多次拉裂下沉，滑坡Ⅱ底部漿砌擋墻鼓出開裂，滑坡Ⅲ坡面塌陷，擋墻外移，圍墻局部倒塌，2015—2016年多次修補；2016年9月和2017年6月，滑坡Ⅱ和圍墻破壞再次加劇、圍墻局部斷開，靠近水泥路的兩座安置房墻面拉裂、屋頂滲水；滑坡Ⅲ的毛石砼擋墻前移了20～30 cm，地表水沖刷坡面、呈條狀小沖溝，沿裂隙面下滲掏蝕、逐步坍塌；底部排水溝因受擠壓、溝壁傾倒、路面多處開裂、變電站圍墻外側(cè)水溝邊緣可見一組裂縫，長16 m；2018年9月滑坡Ⅱ后緣水泥路面嚴(yán)重下沉，長110 m、寬10～45 cm，可見深度30～100 cm(圖1)。

5 滑坡機理分析

本處滑坡的變形破壞與地形地貌、地層巖性、地下水特征、工程活動、降水強度等因素密切相關(guān)，其成災(zāi)機理一般可歸納為：在有利的地形地貌、工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件的直接作用下，受工程活動和降水強度等因素的疊加影響，導(dǎo)致滑坡區(qū)變形破壞持續(xù)加劇、災(zāi)害范圍逐年擴展。

5.1 地形地貌

首先，滑坡區(qū)西側(cè)山脈地勢高，匯水面積大、匯集水量多，且設(shè)置一座水庫，十分有利于充沛的地表水及地下水從西側(cè)往滑坡區(qū)補給；其次，滑坡區(qū)頂部為集中安置區(qū)平臺，處于西側(cè)山脈的下部，安置區(qū)整體坡度較緩(約15°～20°)，200多戶居民的生活污水排放量大，加上地表水排水不暢，十分有利于地表水直接下滲。

5.2 物質(zhì)組成

滑坡區(qū)為古河道地貌單元，表層為卵石土層，下部為花崗巖殘積層及風(fēng)化層。卵石土層滲透系數(shù)相對較好，有利于地表水下滲，殘積層及風(fēng)化層黏性顆粒含量較少，為砂質(zhì)土，殘余結(jié)構(gòu)面發(fā)育，巖土體滲透性較好，為地下水運動提供便利通道。地下水長期軟化巖土層，造成巖土體物理力學(xué)強度降低，極易在殘積層內(nèi)發(fā)生失穩(wěn)下滑，是重要的致災(zāi)因素。

5.3 滲流作用

有利的地形地勢，為滑坡區(qū)營造水力梯度提供十分有利的條件，也為滑坡區(qū)提供更多地下水補給源；卵石土層和殘積砂質(zhì)黏性土層的空間展布，已構(gòu)建了通暢的地下滲流系統(tǒng)，是地下水集中徑流區(qū)，為地表水下滲、地下水滲流提供了良好通道和儲水場所，是重要的致災(zāi)成災(zāi)因素。

值得注意的是：如果不開展實地詳查，把鉆孔資料和邊坡揭露實況有機地結(jié)合起來，并作整體分析，極易產(chǎn)生兩個誤判：一是環(huán)城公路開挖后，外觀上極易判定水庫對安置區(qū)影響甚小的誤判；二是水庫北側(cè)的側(cè)向滲流問題。理論上，水庫東側(cè)大壩雖切斷向下導(dǎo)水通道，但現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，水庫北側(cè)仍是卵石土層中心區(qū)，其厚度大，建庫時沒有任何的堵截措施，憑借較高水力梯度，庫水依然往北東方向作側(cè)向滲流，至環(huán)城路段以U形管的方式，繼續(xù)往滑坡區(qū)滲流，而單憑外觀，極易誤判水庫北側(cè)不存在側(cè)向滲流。

5.4 工程活動

安置區(qū)建設(shè)前，該處地質(zhì)環(huán)境良好。安置區(qū)等項目建成后，因邊坡改造強烈、開挖量大、邊坡臨空面大(尤其北側(cè)邊坡坡腳修建水泥廠，大量開挖原始山坡)，防護措施又未能及時、有效跟上，加上未科學(xué)建水池和前期應(yīng)急措施的局部失效，使地質(zhì)環(huán)境惡化加劇、邊坡應(yīng)力一次次失衡又一次次尋求新的平衡，導(dǎo)致安置區(qū)及其邊坡變形險情屢屢發(fā)生，是重要的觸發(fā)因素。

5.5 大氣降水

經(jīng)對2010年以來安置區(qū)和滑坡區(qū)出現(xiàn)險情時的雨量統(tǒng)計，表明都是在一定的降雨強度和時間跨度之下發(fā)生，比如2010年6月16—20日和9月11—15日過程雨量分別是422 mm、353 mm；2013年的5月15—23日、6月9—13日、7月、8月的過程雨量分別是263 mm、261 mm、263 mm和248 mm；2017年4月19—21日、6月1—9日與13—21日、7月30日—8月4日的過程雨量分別是170 mm、420 mm和280 mm；2018年8月23—25日和27—31日累積雨量336 mm[19]。變形范圍、變形程度和降水強度、時間跨度相吻合，呈正相關(guān)關(guān)系(圖8)。另外，大氣降水提升水庫水位，增大水力梯度，滑坡區(qū)地下水位也隨之抬升。因此，大氣降水也是滑坡災(zāi)害的另一重要觸發(fā)因素。

圖8 滑坡最大變形量與降水量關(guān)系圖Fig.8 Relationship between the maximum deformation of the landslide and rainfall

6 滑坡穩(wěn)定性分析和防治措施建議

6.1 工況選取

地下水是滑坡變形破壞的主控因素，調(diào)查期間恰逢雨季，坡體地下水位普遍較高，穩(wěn)定水位一般在0.5～4.5 m，降低坡體地下水位是工程治理最需要考慮的因素。因此，工況按以下兩種情形選取，并對滑坡Ⅰ—Ⅲ的典型滑動面分別進行穩(wěn)定性驗算。

(1)工況Ⅰ：暴雨，未采取任何排水措施(坡體的地下水位處于現(xiàn)狀水位，見圖5～7，數(shù)據(jù)是暴雨剛過現(xiàn)場測得)。

(2)工況Ⅱ：暴雨，采取相應(yīng)的4種排水措施情況，即：將地下水位分別降低1 m、2 m、3 m和4 m。

6.2 參數(shù)選取

根據(jù)原狀土樣試驗成果，結(jié)合參數(shù)反演及工程地質(zhì)類比分析，計算參數(shù)按表2選取，其中滑坡Ⅲ的滑動面采取滑動面1的參數(shù)。

表2 計算參數(shù)Table 2 Calculation parameters

6.3 滑坡穩(wěn)定性驗算結(jié)果

利用理正巖土分析6.5軟件，設(shè)計安全系數(shù)≥1.25。采用簡化Bishop法計算，各工況條件下邊坡的穩(wěn)定系數(shù)如表3所示。結(jié)果表明：工況Ⅰ條件下的滑坡穩(wěn)定系數(shù)0.987～1.048，處于不穩(wěn)定-欠穩(wěn)定狀態(tài)。工況Ⅱ條件下，水位降低1 m的穩(wěn)定系數(shù)為1.063～1.108，處于基本穩(wěn)定性狀態(tài)；水位降低2 m的穩(wěn)定系數(shù)為1.143～1.201，處于基本穩(wěn)定-穩(wěn)定狀態(tài)；水位降低3 m的穩(wěn)定系數(shù)為1.205～1.324，處于基本穩(wěn)定-穩(wěn)定狀態(tài)；水位降低4 m的穩(wěn)定系數(shù)為1.298～1.388，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

表3 滑坡穩(wěn)定性驗算結(jié)果Table 3 Calculation results of the landslide stability

驗算結(jié)果表明：地下水就是滑坡的主控因素，隨著地下水位的降低，邊坡穩(wěn)定系數(shù)提升較快。以現(xiàn)狀水位和地下水位降低4 m的計算結(jié)果看，穩(wěn)定安全系數(shù)增幅0.268～0.353，提升率在30%～35%，從欠穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)。由此可見，驗算結(jié)果為治理設(shè)計提供了科學(xué)理論依據(jù)，因此，將“治好水”作為治理方案設(shè)計的核心內(nèi)容，只要把地下水位有效降低4 m及以上，就可保障整個滑坡區(qū)的穩(wěn)定和安全。

6.4 防治措施

根據(jù)穩(wěn)定性分析結(jié)果，針對主控因素，綜合場地附著物和施工條件，以“主攻治水、統(tǒng)籌安排、因地制宜、科學(xué)有效、經(jīng)濟實惠、施工方便”為原則，采取“動態(tài)化設(shè)計、信息化施工”的辦法，有效攔截水源，使補給源不流(滲)入安置區(qū)及其邊坡。就此提出如下治水止滑措施建議：

(1)在安置區(qū)西側(cè)坡腳、北側(cè)邊坡并沿北側(cè)邊坡的水泥路外側(cè)開挖盲溝，斷面尺寸要夠大、夠深，盲溝拐點要閉合，回填碎石塊前要正確安放好盲管、土工布和防水膜。

(2)針對地下水較集中的滑坡Ⅰ、滑坡Ⅱ和滑坡Ⅲ，采用“定向敷管+豎井”作輔助導(dǎo)水。

(3)根據(jù)村民用水量，對安置區(qū)四周科學(xué)設(shè)置排水溝和生活污水收集池，做好集中排放和處理。

(4)規(guī)范管理蓄水池，硬化其周邊場地，防止地表水入滲。

(5)推進已廢棄水庫的整治措施。

7 結(jié)論及建議

(1)隨著走訪調(diào)查的不斷深入，作者再次體會到“全面走訪、細微入手、細致調(diào)查、細部掌握、疑點從有、疑點必查”至關(guān)重要[20]。比如，在對水庫北側(cè)的側(cè)向滲流問題和環(huán)城路開挖后對安置區(qū)的滲流問題，如果在現(xiàn)場調(diào)查時馬虎走過場，則極易出現(xiàn)上述的兩個誤判。

(2)滑坡卵石土層管網(wǎng)滲流特征明顯，地下水主要是沿著卵石土層與下部殘積砂質(zhì)黏性土交界處進行滲流，卵石土層潛水流向總體為NE50°～60°，水庫與卵石土層仍存在著地下水補給聯(lián)系。

(3)滑坡的變形破壞與地形地貌、地層巖性、地下水特征、工程活動、降水強度等因素密切相關(guān)，工程活動和大氣降水是滑坡的主要觸發(fā)因素，變形程度、變形范圍和降水強度、時間跨度相吻合，呈正相關(guān)關(guān)系。

(4)項目建設(shè)對安置區(qū)周邊微地形改造強烈，使邊坡地層和地下水系統(tǒng)揭露得越加明顯，便于更直觀、更全面掌握之前難以摸清的關(guān)鍵情況，使成災(zāi)機理剖析得更透徹，治理方案更趨科學(xué)、合理和經(jīng)濟。

(5)地下水是本處滑坡的主控因素。因此，采用閉合式盲溝盲管為治水止滑的主措施，同時也是對高差不大、坡度較緩的常用邊坡治理措施(如抗滑樁+錨索+擋墻)的有益探索和挑戰(zhàn)。

致謝：本論文在撰寫和成稿過程中，得到福州大學(xué)博士生導(dǎo)師簡文彬教授的大力支持，也得到福建省地質(zhì)工程勘察院鄢慶南和吳鐘騰兩位專家以及成都理工大學(xué)馮文凱教授的指導(dǎo)和幫助，在此一并致謝！