斷裂構(gòu)造對滑坡的水力補給類型及作用機理分析*

趙 甫 丁 棟

(中煤科工集團西安研究院有限公司，西安 710077，中國)

0 引 言

眾所周知，滑坡的發(fā)生大多與地下水的活動有關(guān)，尤其是斷裂構(gòu)造發(fā)育的大型復(fù)雜滑坡，受斷裂構(gòu)造的水力補給作用，往往發(fā)育豐富的地下水，對滑坡穩(wěn)定性影響巨大。然而，由于以往對斷裂構(gòu)造水力補給作用的認(rèn)識不足或誤判，導(dǎo)致工程事故多有發(fā)生。如京珠高速公路K108滑坡，因斷裂構(gòu)造發(fā)育，地下水異常豐富，施工中多次發(fā)生較大滑動變形，造成工程進度滯后，成為“卡脖子”工程(馬惠民等， 2006)； 又如福建永武高速公路箭豐尾滑坡，斷裂構(gòu)造發(fā)育，坡體內(nèi)賦存有大量地下水，導(dǎo)致滑坡復(fù)活，對高速公路路面及抗滑工程結(jié)構(gòu)等造成了嚴(yán)重破壞(王恭先等， 2016)； 再如深圳市水貝松泉滑坡位于具有水力補給作用的南北向張拉斷裂帶上，地下水活動導(dǎo)致滑坡前級下滑，嚴(yán)重威脅華艷化工樓及凱利大廈的安全(鄭靜， 1998)。

綜上可知，查明斷裂構(gòu)造對滑坡的水力補給類型及作用機理，是正確評價滑坡穩(wěn)定性和合理確定地下截排水設(shè)計的關(guān)鍵。然而，確定滑坡內(nèi)地下水分布特征與斷裂帶產(chǎn)狀與分布至今仍是國內(nèi)外滑坡防治中的難題之一(徐邦棟， 2001； 王恭先等， 2008)。

目前，有關(guān)斷裂構(gòu)造對滑坡的影響和作用的研究，主要涉及斷裂構(gòu)造對滑坡分布及邊界條件的控制方面(陳明等， 2018； 馮文凱等， 2018； 魏昌利等， 2019)，而有關(guān)斷裂構(gòu)造對滑坡水力補給作用方面的研究成果較少且不系統(tǒng)，多以單個典型滑坡工點為研究對象，或分析研究其作用機理及對滑坡穩(wěn)定性的影響(金培杰， 1994； 金培杰等， 1994； 曹玉立等， 1999； 鄭靜， 1998； 閻長虹等， 2019)，或分析總結(jié)國內(nèi)外土質(zhì)滑坡和巖質(zhì)滑坡的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型及對滑坡的影響(周平根， 1998； 周家文等， 2019)，但已有研究尚未對斷裂構(gòu)造對滑坡的水力補給類型、形成條件等共性規(guī)律進行歸納總結(jié)。

針對上述問題，本文通過歸納總結(jié)國內(nèi)典型滑坡實例中的水力補給斷裂的發(fā)育部位、地下水賦存規(guī)律等，劃分了斷裂構(gòu)造對滑坡的水力補給類型，進而分析了地下水對滑坡的作用機理，對今后揭示滑坡地下水運移規(guī)律、定量評價地下水對滑坡的作用及確定合理的地下截排水設(shè)計等具有重要指導(dǎo)價值。

1 斷裂構(gòu)造對滑坡的水力補給類型

不同力學(xué)性質(zhì)的富水性斷裂一般呈張(張扭)性斷裂>扭性斷裂>壓(壓扭)性斷裂的特點，其作用于滑坡將產(chǎn)生不同程度的影響。實踐中作者發(fā)現(xiàn)，斷裂構(gòu)造水的作用部位不同，滑坡的滑動力學(xué)特征亦有較大不同，如滑坡前部抗滑段受滑床斷裂承壓水的頂托及對滑帶持續(xù)軟化作用，滑坡前部先失穩(wěn)下滑，產(chǎn)生牽引式的多級滑坡，而作用于滑坡后部邊界，則可能產(chǎn)生推動式滑坡。

發(fā)育多層軟弱夾層的斜坡，受斷裂構(gòu)造水補給水頭及越流補給的影響，可能發(fā)育出滑床承壓水、滑體潛水或承壓水的多層復(fù)雜地下水類型。

基于以上因素，根據(jù)水力補給斷裂與滑坡邊界的關(guān)系、力學(xué)性質(zhì)及地下水類型等，將斷裂構(gòu)造對滑坡的水力補給類型劃分為邊界補給型、滑床補給型和復(fù)合型等3種類型。

1.1 邊界補給型(Ⅰ型)

構(gòu)成滑坡邊界的斷裂中，有的富水性較差，僅起切割邊界降低坡體完整性的作用； 有的具有較強的富水性，起連通邊界外含水系統(tǒng)向滑坡水力補給的作用。研究發(fā)現(xiàn)，具有水力補給作用的斷裂，因其位于后緣或側(cè)緣的不同，對于滑坡的影響存在明顯差異，基于此將本類型進一步劃分為后緣補給型及側(cè)緣補給型兩個亞類。

1.1.1 后緣補給型(Ⅰ1型)

多發(fā)育在傾向坡外斷層的上盤巖體內(nèi)，斷層為張(張扭)性或前期為壓(壓扭)性后期改造為張(張扭)性，構(gòu)成滑坡后緣； 主滑帶依附于坡體內(nèi)正斷層伴生的次級或后期生成的順坡緩傾斷層，由于張性斷層破碎帶透水性較好，下盤巖體內(nèi)儲存的地下水透過斷層破碎帶向上盤補給，由于順坡緩傾斷層多由斷層泥、糜棱巖等隔水物質(zhì)組成，使得上盤由后緣張性斷層補給而來的地下水沿順坡緩斷層帶流動并使之軟化，產(chǎn)生滑坡，該類滑坡滑面多呈平面狀(圖1、圖2)。如順坡緩傾斷層呈多層發(fā)育，接受后緣正斷層的水力補給可形成淺層潛水、中層潛水或承壓水、深層承壓水的復(fù)雜地下水類型。

圖1 南同蒲鐵路冷泉滑坡示意圖(據(jù)仇祥凱， 1996)

圖2 太焦鐵路牛晶坪滑坡示意圖(據(jù)王松嶺， 1986)

根據(jù)傾向坡外張性斷裂的次級斷裂及順坡緩斷層發(fā)育情況，在地下水作用下可發(fā)育成單層滑動或多層、多級滑動(表1)。

表1 斷層發(fā)育與滑坡分層、分級關(guān)系

1.1.2 側(cè)向補給型(Ⅰ2型)

常見于側(cè)向邊界由水力補給斷裂控制的滑坡，其力學(xué)性質(zhì)多為張性、張扭性或扭性，與斜坡走向垂直或大角度相交，后山儲存的地下水以其為通道向滑坡補給。該水文地質(zhì)類型主要發(fā)育在巖質(zhì)滑坡及堆積層滑坡中，其地下水類型一般較為簡單，多為潛水，若地下水較豐富溢出地表，可形成串珠狀、帶狀水泉或濕地。

有時受與滑坡側(cè)向邊界導(dǎo)水?dāng)嗔褬?gòu)造交叉的其他斷裂構(gòu)造導(dǎo)水性質(zhì)差異的影響，沿側(cè)向?qū)當(dāng)嗔殉尸F(xiàn)出局部導(dǎo)水能力增強或起阻隔滯流的現(xiàn)象，使得坡體水文地質(zhì)條件變得復(fù)雜。如斜坡發(fā)育多條平行于側(cè)向邊界的次級斷裂，受斷裂水力補給能力及地下水?dāng)U散范圍的影響，滑坡橫向上地下水的作用存在一定程度的差異，導(dǎo)致橫向上的各部分穩(wěn)定程度不同而形成多條滑坡(圖3)。

“共享經(jīng)濟”即是一種合作互助，你我同享的經(jīng)濟模式，而彼此之間的相互信任則是進行共享的基礎(chǔ)。在這信任度每況愈下的社會，人們彼此之間充滿猜測與懷疑，這也正是“共享經(jīng)濟”面臨的挑戰(zhàn)，作為一個存在金錢關(guān)系交易的載體，“共享經(jīng)濟”更是對人們的一種考驗。給共享單車上私鎖、刻意破壞共享物品、篡改二維碼謀利益，這樣的事例早已屢見不鮮，如何更好的解決這些問題還有待社會各方共同思考、商榷。

圖3 寶成鐵路塔壩滑坡示意圖(據(jù)周平根， 1998)

1.2 滑床補給型(Ⅱ型)

針對大型復(fù)雜滑坡的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，部分滑坡后緣或側(cè)緣邊界斷裂雖無導(dǎo)水能力，但其滑床發(fā)育的斷裂卻對滑體具有水力補給作用或承壓頂托及持續(xù)軟化滑帶的作用，可對滑坡穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。其中：又因滑床斷裂橫穿或縱貫滑坡的不同，其地下水分布及特征存在較大差異，而將本類型劃分為橫向補給型及縱向補給型兩個亞類。

1.2.1 橫向補給型(Ⅱ1型)

該類型的水力補給斷裂常橫穿滑床，斷裂為張(張扭)性，多傾向坡外。受滑帶的隔水作用，滑帶以上主要為潛水，接受大氣降水補給； 滑面以下接受斷裂構(gòu)造水力補給，呈承壓狀態(tài)。

該水文地質(zhì)類型在破碎巖石滑坡和大型堆積層滑坡中較為普遍。如寶成鐵路西坡Ⅳ號堆積層滑坡，中部滑床發(fā)育一正斷層，現(xiàn)場水文試驗證實其對滑坡有承壓水力補給作用，承壓水頭高出地面十余米，受其影響滑坡長期處于蠕動變形當(dāng)中(圖4)。

圖4 寶成鐵路西坡Ⅳ號滑坡示意圖(據(jù)徐邦棟， 2001)

以往工作中，由于該類斷裂不構(gòu)成滑坡邊界而易被忽視，但鑒于其對滑坡特殊的水文地質(zhì)作用，今后應(yīng)加強這方面的調(diào)查研究工作。

1.2.2 縱向補給型(Ⅱ2型)

在區(qū)域性斷裂帶內(nèi)發(fā)育的滑坡常見該水文地質(zhì)類型，斷裂帶力學(xué)性質(zhì)多為張性、張扭性或前期為壓性斷裂后期改造為張扭性，該斷裂一般規(guī)模較大，且?guī)?nèi)巖體破碎，由于斷裂帶多具有導(dǎo)水和儲水的雙重功能，使得坡體內(nèi)地下水十分豐富； 受次級斷裂性質(zhì)及發(fā)育情況影響，其地下水空間分布均勻性較差且性質(zhì)較為復(fù)雜，坡體內(nèi)常出現(xiàn)片狀、股狀、脈狀等不同分布形態(tài)地下水，其地下水類型多呈現(xiàn)出潛水、承壓水等不同類型的多層地下水發(fā)育特點。

沿該類斷裂帶易發(fā)育大型破碎巖石滑坡(圖5， 圖6)； 若斷裂帶通過處與兩側(cè)地貌差異較大，崩坡積作用較為強烈，在低洼地帶或斷裂凹槽內(nèi)易堆積大量的崩坡積物質(zhì)，受斷裂凹槽內(nèi)豐富地下水的影響，則易于生成溝槽狀破碎巖石或大型堆積層滑坡(圖7)。

圖5 京珠高速K108滑坡示意圖(據(jù)王恭先等， 2008)

圖6 水貝松泉滑坡示意圖(據(jù)鄭靜， 1998)

圖7 劉家臺滑坡示意圖(據(jù)王恭先等， 2008)

1.3 復(fù)合型(Ⅲ)

在不同規(guī)模、性質(zhì)、方向的斷裂交匯帶或區(qū)域斷裂帶與次級斷裂交匯帶，常見該水文地質(zhì)類型的滑坡。由于坡體內(nèi)發(fā)育多個方向的不同力學(xué)性質(zhì)和不同規(guī)模的導(dǎo)(富)水?dāng)嗔眩纬蓮?fù)雜的水力補給網(wǎng)絡(luò)，地下水類型均勻性較差，常發(fā)育多層地下水，且潛水、承壓水共同發(fā)育的特點，在此基礎(chǔ)上發(fā)育的滑坡呈現(xiàn)出分級、分層、分塊的特征，其各條塊多具有相對獨立的水文地質(zhì)類型(圖8)。

圖8 東榮河1#隧道滑坡群示意圖(據(jù)徐邦棟， 2001)

2 斷裂構(gòu)造水對滑坡的作用機理

2.1 滑帶孔隙水壓力增高

該作用僅限于受斷裂構(gòu)造水力補給作用形成的潛水，常存在于多層破碎巖石滑坡的中淺層滑坡、部分堆積層滑坡及順層滑坡中，坡體的失穩(wěn)主要受滑帶孔隙水壓力增高的影響。由于坡體內(nèi)地下水位的升高，滑帶土孔隙水壓力增大，導(dǎo)致滑坡穩(wěn)定性下降。關(guān)于潛水對滑坡穩(wěn)定性影響的評價，研究成果較多，這里不再贅述。

2.2 滑床承壓水頂托

由滑床斷裂水力補給而發(fā)育的地下水，如果其補給水頭高于滑帶，受滑帶隔水作用則使滑床內(nèi)地下水具有承壓性，對滑體產(chǎn)生頂托作用，頂托力大小受斷裂構(gòu)造水力補給的水頭高度及承壓補給面積控制。滑床各部位承壓水頭隨巖體透水性的差異及距離水力補給斷裂遠(yuǎn)近而呈現(xiàn)出一定變化，其長期作用于滑體，對滑坡穩(wěn)定極為不利，在后緣補給型的中、深層滑坡及滑床承壓補給型滑坡中較為常見(圖9， 圖10)。如深汕高速K101滑坡，其中部滑床內(nèi)承壓水通過斷裂向上補給滑體，造成斷裂以下坡體內(nèi)地下水大幅度壟高，滑坡穩(wěn)定性明顯下降。

圖9 Ⅰ1型滑坡地下水水力模式示意圖

圖10 Ⅱ1型滑坡地下水水力模式示意圖

縱向廊道補給型滑坡的地下水在縱向水力補給斷裂部位呈現(xiàn)出明顯高于兩側(cè)的高水位或高承壓水頭特征； 側(cè)向補給型滑坡地下水水力模式與縱向廊道補給型滑坡的中部至左(右)部分模式類似(圖11)。

圖11 Ⅱ2型滑坡地下水水力模式示意圖

復(fù)合型地下水類型較為復(fù)雜，其地下水水力模式為以上兩種或兩種以上的組合。

2.3 滑帶黏土礦物遇水膨脹

大多數(shù)滑坡滑動面(帶)是依附于坡體內(nèi)先期存在的軟弱結(jié)構(gòu)面，尤其是泥質(zhì)含量較高的泥化夾層，其內(nèi)含有大量黏土礦物，其類型以蒙脫石、伊利石和高嶺石最為常見。其中：高嶺石親水性較弱，浸水時膨脹量不大； 蒙脫石因極高的比表面積和離子交換量，具有極強的親水性，其含量大于5%時，便具有明顯的膨脹性； 伊利石性質(zhì)介于高嶺石與蒙脫石之間(錢家歡等， 1996； 冷挺等， 2018； 張莉萍等， 2018； 謝小帥等， 2019)。泥化夾層中膨脹黏土礦物的形成與其所在環(huán)境中特定的巖石類型關(guān)系密切(表2)。

表2 易發(fā)育含膨脹黏土礦物滑帶的巖石種類

上述巖體內(nèi)地下水多呈弱堿性，受母巖物質(zhì)組成影響，巖體內(nèi)發(fā)育的軟弱夾層普遍含有大量鋁硅酸鹽礦物，且一旦進水便不易排出，形成有利于蒙脫石形成的弱堿、排水不良的環(huán)境，在經(jīng)過一系列的風(fēng)化作用后，在堆積層下伏基巖頂面或巖體內(nèi)的斷裂構(gòu)造處形成富含蒙脫石的黏性土層或泥化夾層。在少量地下水作用下，滑帶即可產(chǎn)生極大的體積膨脹，使得滑帶強度急劇下降，造成坡體失穩(wěn)滑動。這與褚宏亮(2017)和曾召田等(2012)關(guān)于富含蒙脫石滑帶的工程地質(zhì)特性和膨脹土的研究結(jié)論是一致的。

2.4 滑帶化學(xué)溶蝕

地下水在滑帶附近活動可造成滑帶內(nèi)起鹽分膠結(jié)作用的易溶鹽類溶解，含量減少，造成滑帶抗剪強度下降。通常，滑帶的化學(xué)溶蝕現(xiàn)象需要較豐富的地下水或一定時效的地下水徑流作用(Anson et al.， 2002； 黃潤秋等， 2005； 姚曉陽等， 2012； 朱賽楠等， 2018； 周家文等， 2019)。如貴州某巖質(zhì)滑坡，由于斷裂構(gòu)造向滑帶水力補給，滑帶附近地下水活動強烈，沿軟弱夾層形成的滑帶內(nèi)碳酸鈣含量急劇減少，沿之形成滑坡(表3)。

表3 同一類型泥化夾層形成滑帶前后碳酸鈣含量變化

3 斷裂構(gòu)造水力補給滑坡的防治方法

由于斷裂構(gòu)造水力補給具有補給水量相對穩(wěn)定及作用長期性的特點，加之?dāng)嗔褬?gòu)造水力補給位置一般較深，多位于地表以下十余米或幾十米，一般的地表截排水工程無法排除該類地下水，因此，對于該類滑坡應(yīng)優(yōu)先考慮“治滑先治水”的深層截排水方案，但需有詳細(xì)的水文地質(zhì)條件及隧洞圍巖級別等定量評價資料。

地下截排水工程不僅能將作用于滑帶的潛水排出，而且對于滑帶以下的承壓水也具有良好的截排效果，這將從根本上提高滑坡的自穩(wěn)能力、有效減少支擋工程量，降低滑坡治理費用而且對滑坡的長久穩(wěn)定有利。

3.1 截水隧洞

采用截水隧洞可對滑坡地下水進行有效的疏排，有效地控制地下水水位，顯著提高滑坡的穩(wěn)定性，且便于后期維護管理(孫紅月等， 2006)。結(jié)合滑坡的具體情況，可設(shè)計成“直線”形、“折線”形、“Y”形或幾種形式的組合。當(dāng)斷裂構(gòu)造向滑坡體水力補給范圍較大、滑坡兩側(cè)或一側(cè)沖溝發(fā)育時，按照“就近截排”的原則，在靠近水力補給斷裂構(gòu)造部位的滑帶以下2～3m滑床中，平行水力補給斷裂布置； 沿截水隧洞軸線間隔一定距離設(shè)置檢查井； 洞內(nèi)向上及兩側(cè)布置穿過滑帶的滲井或仰斜排水孔，形成截水帷幕排出斷裂構(gòu)造補給的地下水，將水引入兩側(cè)或一側(cè)的自然沖溝內(nèi)排走(圖12)。

圖12 截水隧洞截排滑坡體斷裂水力補給示意圖

如深汕高速K101滑坡，滑床中部存在一承壓補給的正斷層，滑坡治理未布置深層排水工程，工程竣工后，一直處于蠕動變形中，10年后滑坡復(fù)活。后在水力補給斷層上盤布置兩條地下截水隧洞，滑坡變形呈迅速收斂趨勢，多年監(jiān)測表明滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，排水效果良好(圖13、圖14)。

圖13 深汕高速K101滑坡ZK4-3滑面處位移監(jiān)測曲線圖(據(jù)高和斌等， 2016)

圖14 深汕高速K101滑坡示意圖(據(jù)丁孝勇， 2016)

又如某滑坡采用截水隧洞方案后，在截水隧洞附近滑坡的穩(wěn)定性可提高11.2%，距排水隧洞20余米處，可提高6%(嚴(yán)紹軍等， 2008)。

3.2 井-孔聯(lián)合排水

當(dāng)滑坡兩側(cè)沖溝不發(fā)育，尤其是滑坡地下水呈不連續(xù)的片狀分布時，可采用井-孔聯(lián)合排水工程，截排坡體內(nèi)深層地下水，并可在平面上分散靈活布置，不存在像截水隧洞排水模式受廊道走向的約束(陳崇希等， 1998)。坡體內(nèi)布置一定數(shù)量的集水井，間距30～40m，井底位于滑帶以下一定深度，沿井壁呈放射狀布置仰斜排水孔，可根據(jù)地下水分布情況，在不同高度設(shè)置多層仰斜排水孔，井間以排水鉆孔連接(圖15)。

圖15 井-孔群聯(lián)合截排滑坡地下水示意圖

如四川江油某滑坡采用井-孔聯(lián)合排水方案，成功穩(wěn)定住了滑坡(金培杰， 1994)。

4 結(jié)論與討論

(1)根據(jù)水力補給斷裂與滑坡邊界的關(guān)系、力學(xué)性質(zhì)及地下水類型等，本文將斷裂構(gòu)造對滑坡的水力補給類型初步劃分為邊界補給型、滑床補給型和復(fù)合型3種類型。

(2)分析了斷裂構(gòu)造水力補給對滑坡的作用機理及地下水水力模式圖。

(3)給出了截排斷裂構(gòu)造水力補給滑坡的防治思路和方法。

研究斷裂構(gòu)造對滑坡的水力補給作用，可對提高滑坡防治水平提供重要支撐。但滑坡水文地質(zhì)條件的變化及規(guī)律是復(fù)雜的，目前仍存在一些問題有待進一步深入研究，如不同力學(xué)性質(zhì)的區(qū)域性斷裂與滑坡水文地質(zhì)條件的關(guān)系及影響，不同構(gòu)造體系內(nèi)富水?dāng)嗔雅c滑坡水文地質(zhì)條件的關(guān)系，分布規(guī)律較差的滑坡地下水精細(xì)化探查及評價等。