西南巖溶山區(qū)復(fù)合水動力場滑坡影響模式
——以關(guān)嶺縣大寨滑坡為例

易連興

(中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所/自然資源部廣西巖溶動力學(xué)重點(diǎn)實驗室，廣西 桂林 541004)

2010年6月28日14時，貴州省關(guān)嶺縣崗烏鎮(zhèn)大寨村發(fā)生特大滑坡災(zāi)害[1]。大寨滑坡發(fā)生后，有關(guān)單位和專家學(xué)者對滑坡區(qū)進(jìn)行了調(diào)查[1～3]和研究[4～9]。殷躍平等[4]研究了滑坡失穩(wěn)后的運(yùn)動特征和堆積特征，從地形、地質(zhì)結(jié)構(gòu)以及降雨作用等方面分析了滑坡的形成機(jī)制；劉傳正[5]通過降雨、斜坡巖體結(jié)構(gòu)兩個方面的影響對滑坡的啟動機(jī)理進(jìn)行了分析，對大寨邊坡巖體的穩(wěn)定性進(jìn)行力學(xué)平衡計算；孔紀(jì)名等[6]分析了滑坡區(qū)工程地質(zhì)條件，認(rèn)為邊坡區(qū)巖性、構(gòu)造、地形等構(gòu)成了滑坡發(fā)生的必要條件，久旱強(qiáng)雨是最重要的激發(fā)致災(zāi)因素；張信寶[7]采用“超壓密巖土邊坡失穩(wěn)理論”來解釋大寨高速滑坡的啟動機(jī)理，認(rèn)為由于強(qiáng)降雨入滲，巖層裂隙與大氣貫通，負(fù)壓消失，“假”穩(wěn)定狀態(tài)消失，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)；張建江等[8]認(rèn)為特殊的地形地貌、“上硬下軟”的地質(zhì)結(jié)構(gòu)以及“前旱后雨”極端氣候是大寨滑坡的成災(zāi)原因。上述研究側(cè)重于滑坡區(qū)工程地質(zhì)及滑坡體結(jié)構(gòu)特征，提出了地下水對滑坡啟動或誘導(dǎo)作用，但僅籠統(tǒng)提出基巖地下水和巖溶地下水的作用。胡光中[9]在大寨滑坡機(jī)理研究基礎(chǔ)上，討論了地下水的影響，并建立地下水作用下的滑坡模擬評價模型，但僅考慮了基巖裂隙水，沒有考慮滑坡區(qū)后緣上覆灰?guī)r區(qū)巖溶地下水的影響作用。

根據(jù)統(tǒng)計，80%以上滑坡的發(fā)生與地下水有密切關(guān)系[10～11]，因此，總結(jié)滑坡過程中的水-巖耦合影響模式是眾多學(xué)者重點(diǎn)研究的內(nèi)容之一。在這方面，非巖溶區(qū)開展了較多研究工作，如黃達(dá)等[12]、周劍等[13]、徐永強(qiáng)等[14]開展了庫區(qū)水位升降耦合滑坡體內(nèi)基巖裂隙水作用下的滑坡體穩(wěn)定性評價；周平根[15]總結(jié)了土質(zhì)、巖質(zhì)滑坡8種水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型，其中7種屬于非巖溶區(qū)，巖溶區(qū)劃分為管道含水體單一水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)；李根等[16]系統(tǒng)總結(jié)了水巖耦合變形破壞過程及機(jī)理研究進(jìn)展，并分析了因水巖耦合變形破壞機(jī)制認(rèn)識不足而導(dǎo)致的慘痛教訓(xùn)案例。相對而言，針對巖溶石山區(qū)滑坡水-巖耦合作用的研究較少?；趲r溶含水介質(zhì)結(jié)構(gòu)和水動力場極其復(fù)雜，巖溶地下水影響滑坡模式有待深入研究。

本文通過野外調(diào)查，結(jié)合水化學(xué)和降水?dāng)?shù)據(jù)分析、綜合研究等方法，分析和提出滑體區(qū)基巖裂隙水及后緣巖溶區(qū)地下水兩種流場耦合對滑坡的控制作用，對研究大寨滑坡機(jī)理及巖溶地下水對滑坡的影響模式有一定意義。

1 研究區(qū)概況

大寨滑坡區(qū)及周邊區(qū)域(圖1)為溶蝕-侵蝕深切中低山河谷地貌。北盤江河床高程590 m，滑坡區(qū)后緣為山脊，最大高程1 695 m，切割深度大于1 000 m；相對光照水電站正常蓄水位730 m，高差也近千米。垂直北盤江發(fā)育東西向槽谷，槽谷內(nèi)發(fā)育樹枝狀沖溝。沖溝地形上游為陡崖或陡坡，坡度25°～35°；下游為緩坡，坡度10°～15°。本次滑坡發(fā)生于永窩—大寨槽谷之沖溝上游。

研究區(qū)處于普安山字型構(gòu)造脊柱、大田—法郎向斜北翼，為單斜構(gòu)造，斷裂不發(fā)育，斷層主要由SW—NE向的小型斷層組成，斷層傾角60°～80°。出露地層有三疊系中統(tǒng)關(guān)嶺組(T2g)、下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組(T1yn)和夜郎組(T1y)，二疊系上統(tǒng)龍?zhí)?長興組(P3l+c)、峨眉山玄武巖(P3β)及中統(tǒng)茅口組(P2m)等；地層產(chǎn)狀總體傾向SE，傾角28°～38°。

滑坡區(qū)及后緣土地利用類型為灌木、草地，滑坡區(qū)以下主要為旱地、村民房屋用地等。該區(qū)域以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主，沒有采礦等工業(yè)活動。

圖1 研究區(qū)水文地質(zhì)簡圖Fig.1 Simplified hydrogeological map of the study area

2 復(fù)合水動力場及滑坡影響模式

2.1 含水巖組及其與滑坡的關(guān)系

(1)含水巖組

研究區(qū)分布有碳酸鹽巖含水巖組(Ⅰ)和碎屑巖含水巖組(Ⅱ)。碳酸鹽巖含水巖組包括茅口組(P2m)，永寧鎮(zhèn)組1段(T1yn1)、3段和4段(T1yn3+4)，關(guān)嶺組2段和3段(T2g2+3)等，巖溶中等至強(qiáng)發(fā)育，發(fā)育地下河(表1)、天窗和消水洞，受北盤江排泄基準(zhǔn)面控制，巖溶地下水向北盤江或光照水電站庫區(qū)徑流排泄。

表1 地下河主要特征表

研究區(qū)內(nèi)碎屑巖含水巖組包括龍?zhí)?長興組(P3l+c)、夜郎組(T1y)、永寧鎮(zhèn)組2段(T1yn2)、關(guān)嶺組1段(T2g1)等。碎屑巖從地面至下具有強(qiáng)風(fēng)化、風(fēng)化、弱風(fēng)化特征，淺部節(jié)理和裂隙相對發(fā)育，深部相對不發(fā)育。碎屑巖基巖裂隙水主要受地形控制，順坡朝最近沖溝或槽谷徑流排泄。研究區(qū)主要含水巖組分布見圖1，特征見表2。

(2)分水嶺

永寧鎮(zhèn)組2段碎屑巖(Ⅱ2區(qū))含水巖組沿東西方向呈連續(xù)條帶狀分布，厚60～80 m；在西部水庫旁公路邊(圖2a)、東側(cè)上寨公路邊(圖2b)可見典型剖面，在滑坡后緣山體頂部d3處可見出露。該巖層表層風(fēng)化后形成粉質(zhì)黏土，如圖2(b)左側(cè)部分，右側(cè)為永寧鎮(zhèn)組1段(T1yn1)灰?guī)r。該地層厚度穩(wěn)定、裂隙不發(fā)育，為相對隔水層，其分布區(qū)域在地形上為山脊，即地表水分水嶺，同時也是地下水分水嶺，地表水和地下水分別向南側(cè)下隴古槽谷地下河(gw20)、北側(cè)地下河(gw21)以及滑坡區(qū)徑流排泄。

(3)滑坡區(qū)地下水補(bǔ)徑排特征

受分水嶺隔水作用，分水嶺以南的永寧鎮(zhèn)組3段、4段(Ⅰ3區(qū))巖溶管道水、關(guān)嶺組1段基巖裂隙水和關(guān)嶺組2段、3段巖溶地下水與滑坡區(qū)不存在水力聯(lián)系。

茅口組灰?guī)r(Ⅰ1區(qū))與滑坡區(qū)位于分水嶺同一側(cè)，地貌上為巖溶槽谷，發(fā)育地下河gw22，主管道水位570～800 m。盡管該地層巖溶強(qiáng)發(fā)育，且與滑坡區(qū)存在250 m以上的水位差，但與滑坡區(qū)之間分布有隔水作用較好的玄武巖和龍?zhí)督M長興組中下部，兩者合計厚度達(dá)數(shù)百米，因此，茅口組灰?guī)r(Ⅰ1區(qū))不會對滑坡區(qū)地下水形成襲奪，即不存在地下水水力聯(lián)系。當(dāng)然，受地形控制，滑坡區(qū)排泄出地表的基巖裂隙水以溪流形式流入茅口組灰?guī)r區(qū)，這方面與文章所討論的地下水與滑坡的關(guān)系無關(guān)。

表2 研究區(qū)主要含水巖組

圖2 永寧鎮(zhèn)組2段典型照片F(xiàn)ig.2 Typical photos of T1yn2 near the Yongning Town

滑坡區(qū)(Ⅱ1區(qū))為基巖裂隙水分布區(qū)，大氣降水垂直入滲為主要補(bǔ)給源。永寧鎮(zhèn)組1段巖溶區(qū)(Ⅰ2區(qū))位于分水嶺北側(cè)，緊鄰且上覆于滑坡區(qū)，巖溶管道裂隙水總體由東向西朝水庫區(qū)徑流排泄，在徑流過程中，部分巖溶地下水側(cè)向補(bǔ)給滑坡區(qū)碎屑巖(Ⅱ1區(qū))，因此，Ⅰ2區(qū)與滑坡區(qū)有密切水力聯(lián)系，對滑坡將產(chǎn)生直接影響。對類似巖溶山區(qū)，張楠等[18]也提出了降雨入滲且無有效的排泄通道，巖溶區(qū)的側(cè)向補(bǔ)給對碎屑巖滑坡將起到重要作用。

滑坡區(qū)(Ⅱ1區(qū))接受降水垂直入滲補(bǔ)給、側(cè)向補(bǔ)給后，地下水順地形向北徑流，再轉(zhuǎn)向沿永窩—大寨槽谷向水庫區(qū)徑流排泄，在徑流過程中部分地下水就近在溝、槽中排泄。

2.2 復(fù)合水動力場及其對滑坡的影響

(1)特枯期水動力場

2009年8月15日以來，我國西南地區(qū)遭遇歷史罕見的夏秋冬春四季連旱[19]，各地表層土體龜裂，泉點(diǎn)斷流。研究區(qū)2009年9月至2010年4月合計降水量為108.0 mm，僅為同期多年平均月降水量416.8 mm的26%(表5)。通過訪問，在此次特枯期，南坡下隴古槽谷中g(shù)w03泉未斷流，水位還保持在gw03泉口高程1 432 m；北坡gw18和gw19兩個泉斷流。北坡永寧鎮(zhèn)組1段(Ⅰ2區(qū))巖溶水動力場在相對強(qiáng)徑流條件作用下形成低水位徑流槽，并襲奪兩側(cè)基巖裂隙水向水庫徑流和排泄，使部分夜郎組(Ⅱ1區(qū))基巖裂隙水向巖溶Ⅰ2區(qū)徑流并形成臨時局部地下水分水嶺，永寧鎮(zhèn)組2段(Ⅱ2區(qū))內(nèi)水力坡度相對變陡(圖2)。

(2)暴雨期水動力場及其對滑坡的影響

災(zāi)害發(fā)生前，滑坡區(qū)經(jīng)歷了關(guān)嶺縣有氣象記錄以來的最大一次降水過程，暴雨后的強(qiáng)烈補(bǔ)給，不同地段的地下水位急劇上升，形成與枯季不同的水動力場(圖3)。永寧鎮(zhèn)組2段(Ⅱ2區(qū))內(nèi)分水嶺向北偏移；永寧鎮(zhèn)組1段(Ⅰ2區(qū))地下水位也隨著強(qiáng)補(bǔ)給而急劇上漲，伴隨強(qiáng)烈補(bǔ)給和受gw21排水能力限制，地下水在滑坡區(qū)后緣巖溶區(qū)富集，低水位期的徑流槽消失，并形成高水頭，迫使部分巖溶地下水向滑坡區(qū)(Ⅱ1區(qū))內(nèi)徑流，相繼夜郎組內(nèi)的局部臨時分水嶺也消失。由于側(cè)向補(bǔ)給量大，且碎屑巖(Ⅱ1區(qū))基巖裂隙過水能力小，部分地下水在碎屑巖和灰?guī)r接觸帶溢出地表而形成泉，這也是gw17和gw18等泉點(diǎn)主要成因。

表3 滑坡區(qū)水化學(xué)特征

表4 打邦河流域相關(guān)地層水化學(xué)特征

表5 月降水量統(tǒng)計表

圖2 滑坡區(qū)剖面水動力場Fig.2 Hydrodynamic field of the landslide section

巖溶區(qū)(Ⅰ2區(qū))形成地下水富集并向滑坡區(qū)徑流補(bǔ)給的同時，滑坡區(qū)地層夜郎組、龍?zhí)?長興組碎屑巖(Ⅱ1區(qū))也接收了強(qiáng)大的垂直入滲補(bǔ)給。滑坡區(qū)自身形成的裂隙水動力疊加永寧鎮(zhèn)組1段巖溶區(qū)(Ⅰ2區(qū))的水頭壓力作用，當(dāng)滑坡區(qū)內(nèi)水頭達(dá)到某種高度時，使得潛在軟弱結(jié)構(gòu)面以上巖層失穩(wěn)而形成本次大型滑坡。

假設(shè)P為巖溶區(qū)水頭、p為滑坡區(qū)(A區(qū))內(nèi)自身形成的碎屑巖裂隙水水位、W為滑坡巖層重力、f為滑動面摩擦阻力，兩種地下水共同作用水動力應(yīng)力場σ(P+p)和巖層應(yīng)力場σW在滑動面上與摩擦阻力f的平衡關(guān)系，即滑坡區(qū)水巖耦合模式關(guān)系：

σ(P+p)+σW=f

(1)

由于巖溶地下水往往具有快速流動特征，在幾十分鐘或數(shù)小時就會影響到下游數(shù)千米距離處水位[20-21]，因此，本案例中考慮上部巖溶地下水影響，不僅需要考慮滑坡區(qū)直接后緣巖溶區(qū)域，也要考慮后緣以東巖溶區(qū)域，以及間接影響巖溶區(qū)補(bǔ)給條件的碎屑巖區(qū)，即圖1中ab線段以東至分水嶺的永寧鎮(zhèn)組1段B區(qū)和永寧鎮(zhèn)組2段C區(qū)，對應(yīng)面積分別為0.93，0.30 km2。

2.3 滑坡滯后暴雨分析

2010年6月26日至6月28日強(qiáng)降水過程合計降水296.5 mm。暴雨主要發(fā)生在28日6時—12時，合計降水191 mm，其中小時降水量最大達(dá)52 mm；12時以后為小雨，其中13時—14時2個小時降水量僅為5.9 mm(表6)?；掳l(fā)生于14時，滯后暴雨2 h，即滑坡區(qū)內(nèi)動、靜水壓力14時達(dá)到最大，因此滑坡暴雨滯后問題在水文地質(zhì)上轉(zhuǎn)化為滑坡區(qū)內(nèi)最大水動力場產(chǎn)生問題。

滯后暴雨問題與滑坡區(qū)本身工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)、降水過程、上游補(bǔ)給區(qū)大小、含水介質(zhì)結(jié)構(gòu)等條件密切相關(guān)，一些學(xué)者統(tǒng)計得出西南石山區(qū)滑坡在暴雨當(dāng)日或滯后1 d產(chǎn)生的可能性最大[22-23]。本次滑坡區(qū)范圍南北長280 m，東西寬200～250 m，后緣距離灰?guī)r區(qū)僅25～50 m，同時又與兩側(cè)裂隙水沒有聯(lián)系，如果不考慮上覆巖溶水影響作用，僅考慮滑坡區(qū)碎屑巖自身基巖裂隙水，伴隨13時—14時降水和補(bǔ)給量減少以及經(jīng)過2 h的徑流排泄，大部分滑坡區(qū)內(nèi)的水位已經(jīng)處于下降過程，14時的動、靜水壓力不是最大峰值。

永寧鎮(zhèn)組1段巖溶區(qū)地下水，從東部分水嶺至滑坡區(qū)后緣最大徑流距離3 450 m，在暴雨2 h后于滑坡區(qū)后緣形成最高水頭并傳遞到滑坡區(qū)內(nèi)，符合實地條件和巖溶管道地下水運(yùn)動規(guī)律。如本文作者實測出桂林寨底巖溶管道1 h影響距離2 230 m[20～21]。因此可以推論，本次滑坡是基巖裂隙水疊加巖溶管道水共同作用的結(jié)果，且?guī)r溶管道水動力是主要激發(fā)和啟動因素。

當(dāng)然，大寨特大型滑坡存在如相關(guān)文獻(xiàn)提出的存在高陡斜坡、基巖節(jié)理裂隙發(fā)育等工程地質(zhì)方面的滑坡失穩(wěn)基本要素，但獨(dú)特的地下水作用是啟動或觸發(fā)本次滑坡以及形成泥石流最重要的因素。從另一角度也說明，泥石流中水體不僅僅來源于滑坡區(qū)本身碎屑巖內(nèi)部，更多的來源于后緣巖溶區(qū)，這是泥石流沿溝槽運(yùn)動更遠(yuǎn)、破壞力更大的原因。

表6 10月28日0—15時小時降水量

2.4 水動力場耦合

解決上述帶有滯后特征的復(fù)合水動力場問題有多種方法，采用分塊獨(dú)立計算后再進(jìn)行耦合是其中的有效方法之一。表示B區(qū)巖溶地下水(式2)和A區(qū)基巖裂隙水(式3)一維(也可采用二維)水流模型為：

(2)

(3)

式中：Tx——x方向?qū)禂?shù)/(m2·h-1)；

P——水頭/m；

R——源匯項/(m·h-1)；

S——儲水系數(shù)；

p——水位/m；

Ky——y方向滲透系數(shù)/(m·h-1)；

r——原匯項(1·h-1)；

μ——單位儲水系數(shù)(1·m-1)；

t——時間/h。

根據(jù)經(jīng)驗，通過調(diào)整導(dǎo)水系數(shù)Tx很難反映暴雨延遲效應(yīng)，可通過邊界條件達(dá)到滯后耦合：

p(y,t)=P(x,t+Δt),x或y∈Γ,t、Δt≥0

(4)

式中：x、y——巖溶區(qū)與碎屑巖接觸邊界Γ上的點(diǎn)；

Δt——滯后時間/h，其值為2。

本文重點(diǎn)關(guān)注水動力滑坡影響模式或概念模型，關(guān)于水流模型解算的初始條件和其他邊界條件以及碎屑巖C區(qū)對巖溶B區(qū)補(bǔ)給條件處理等不進(jìn)行深入討論。

3 結(jié)論

(1)大寨滑坡區(qū)后緣山體頂部存在地下水分水嶺，分水嶺兩側(cè)地下水補(bǔ)徑排條件主要受巖性和含水介質(zhì)控制。接受補(bǔ)給后，巖溶區(qū)地下水以管道集中徑流方式由東向西朝北盤江排泄，碎屑巖區(qū)基巖裂隙水以分散方式向最近的沖溝或槽谷徑流排泄。

(2)滑坡區(qū)位于分水嶺北側(cè)，滑坡區(qū)后緣永寧鎮(zhèn)組1段0.93 km2的巖溶區(qū)地下水與滑坡區(qū)碎屑巖裂隙水存在水力聯(lián)系，其他區(qū)域，特別是下隴古巖溶地下河gw20與滑坡區(qū)沒有水力聯(lián)系。

(3)大寨滑坡及泥石流的發(fā)生，是暴雨后滑坡區(qū)碎屑巖體內(nèi)裂隙滲流疊加上覆永寧鎮(zhèn)組1段巖溶管道快速流共同作用的結(jié)果，即復(fù)合地下水動力場滑坡影響模式；滯后暴雨2 h啟動，是后緣巖溶區(qū)管道水對暴雨延遲效應(yīng)的反應(yīng)。