十堰市南部堆積層滑坡分布特征及變形破壞模式淺析

李麗華，李 彬，于義軍，張維江，馬春燕，許程程

(湖北省地質(zhì)局 第八地質(zhì)大隊，湖北 襄陽 441000)

鄂西北是湖北省遭受地質(zhì)災(zāi)害危害最嚴重的地區(qū)之一。據(jù)縣域地質(zhì)災(zāi)害詳細調(diào)查成果，十堰市境內(nèi)常發(fā)生滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷等各類地質(zhì)災(zāi)害，其中滑坡4 591處，占地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的90.5%；而堆積層滑坡有4 136處，占滑坡總數(shù)的90.1%[1-4]。由此可見，堆積層滑坡是十堰市發(fā)育數(shù)量最多、發(fā)生頻率最高的地質(zhì)災(zāi)害類型。十堰市每年都因堆積層滑坡的發(fā)生帶來一系列損失，例如2017年秋汛期間，其境內(nèi)發(fā)生因降雨誘發(fā)的堆積層滑坡1 163處，威脅群眾34 447人，帶來直接經(jīng)濟損失約2.2億元，其危害之廣、影響之大為歷史罕見。加強堆積層滑坡調(diào)查研究，查明其數(shù)量、規(guī)模、產(chǎn)狀、物質(zhì)組成及其時空分布特征等，對地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預警和防治具有重要的基礎(chǔ)支撐作用。前人圍繞堆積層滑坡開展了大量研究工作，例如Campbell[5]提出暴雨引起的淺層滑坡應(yīng)具備松散堆積物、陡傾斜坡、土體含水量達到或超過堆積土液限等三個基本條件；湯羅圣[6]總結(jié)了三峽庫區(qū)堆積層滑坡的結(jié)構(gòu)、形態(tài)、坡度、物質(zhì)等分布規(guī)律，構(gòu)建了堆積層滑坡位移破壞模型；陳善雄等[7]研究發(fā)現(xiàn)地下水位變動或降雨是堆積層滑坡滑動的主要誘因，滲透力對堆積層滑坡失穩(wěn)起關(guān)鍵作用；李志剛[8]專門研究了堵河流域變質(zhì)巖工程地質(zhì)特性與堆積層滑坡的成生關(guān)系。上述研究提升了堆積層滑坡的研究程度，但對變質(zhì)巖區(qū)堆積層滑坡的研究還不夠。

十堰市南部的竹溪縣、竹山縣和房縣(后文簡稱“南三縣”)地形地貌及地質(zhì)條件十分復雜，是地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)區(qū)，發(fā)育堆積層滑坡2 220處，占十堰市堆積層滑坡總數(shù)的53.7%[1-4]，是開展堆積層滑坡研究的理想?yún)^(qū)域。本文以“南三縣”為研究區(qū)，選取變質(zhì)巖區(qū)發(fā)育的1 479處堆積層滑坡，基于堆積層滑坡詳細調(diào)查成果資料，總結(jié)其空間、時間分布特征；基于監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立典型堆積層滑坡降雨入滲作用下的變形破壞模式，以期為十堰地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預警及防災(zāi)減災(zāi)工作提供幫助。

1 研究區(qū)概況

“南三縣”地處秦巴山區(qū)(圖1)，縣域總面積11 998.6 km2，其中變質(zhì)巖分布區(qū)面積6 387.9 km2，占縣域總面積的53.2%。研究區(qū)屬高—低山地貌，地勢總體呈西高東低、南高北低的特征，平均海拔約1 300 m，最高點為竹溪縣向壩鄉(xiāng)蔥坪，海拔2 740 m；最低點為房縣大木廠鎮(zhèn)姜家坡，海拔180 m。以城口—青峰斷裂弧形構(gòu)造帶為界，占研究區(qū)小部分面積的南部為揚子地臺臺緣褶皺帶，主要分布震旦系—二疊系沉積巖系；北部為秦嶺造山帶武當—隨州陸內(nèi)裂谷，主要分布南華系—震旦系變質(zhì)巖系。

圖1 研究區(qū)堆積層滑坡分布圖

2 堆積層滑坡分布特征

2.1 滑坡類型劃分

研究區(qū)變質(zhì)巖區(qū)發(fā)育1 479處堆積層滑坡，其空間分布情況如圖1所示。按滑坡規(guī)模(滑體體積)劃分(圖2)，小型、中型、大型、特大型滑坡分別有846、554、75、4處，占比分別為57.2%、37.4%、5.1%、0.3%，表明研究區(qū)以中—小型堆積層滑坡為主，合計占比94.6%；小型堆積層滑坡中，體積為1×104～5×104m3的占優(yōu)勢，其占比為28.5%；中型堆積層滑坡中，體積為10×104～50×104m3的占優(yōu)勢，其占比為29.9%。按滑體厚度劃分，淺層、中層、深層滑坡分別有1 366、103、10處，占比分別為92.3%、7.0%、0.7%，表明研究區(qū)以淺層堆積層滑坡為主，而其中又以滑體厚度為5～10 m的堆積層滑坡占優(yōu)勢，占淺層堆積層滑坡總數(shù)的42.5%。

圖2 堆積層滑坡規(guī)模分布圖

2.2 空間分布特征

2.2.1按基巖巖性分布特征

區(qū)內(nèi)堆積層滑坡組成物質(zhì)的原生基巖包括板巖類(炭質(zhì)板巖、硅質(zhì)板巖、泥質(zhì)板巖、粉砂質(zhì)板巖、砂質(zhì)板巖)、千枚巖類(石英千枚巖)、片巖類(鈉長石英片巖、綠泥片巖、絹云片巖、白云鈉長片巖)和其他巖類(變粒巖、變輝巖、變質(zhì)砂巖)，上述巖性分布區(qū)分別發(fā)育350、187、575和367處堆積層滑坡(圖3)。堆積層滑坡在鈉長石英片巖區(qū)(312處)和變質(zhì)砂巖區(qū)(226處)最為發(fā)育，合計占比達36.4%；石英千枚巖區(qū)(187處)、絹云片巖區(qū)(179處)、泥質(zhì)板巖區(qū)(133處)和炭質(zhì)板巖區(qū)(130處)中發(fā)育的堆積層滑坡也均超過100處。

圖3 堆積層滑坡基巖巖性分布圖

2.2.2按高程分布特征

研究區(qū)地勢總體特點為西部和南部高、東部和北部低，中部為河谷坪壩。受青峰斷裂及竹山斷裂構(gòu)造作用影響，研究區(qū)中部一帶形成寶豐—竹山城關(guān)盆地和房縣盆地，是區(qū)內(nèi)平均海拔最低的區(qū)域；高程超過1 000 m的區(qū)域占研究區(qū)總面積的35.0%，主要分布在青峰斷裂以南地區(qū)；高程為400～700 m的區(qū)域占研究區(qū)總面積的28.6%，主要分布在青峰斷裂以北地區(qū)(圖4)。統(tǒng)計堆積層滑坡的高程數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，以每100 m高程間斷點劃分，堆積層滑坡數(shù)量具正態(tài)分布特征(圖5)；堆積層滑坡主要分布在400～700 m高程范圍內(nèi)，其數(shù)量占堆積層滑坡總數(shù)的61.5%，意味著研究區(qū)內(nèi)28.6%的面積內(nèi)即分布有61.5%的堆積層滑坡，表明400～700 m高程范圍是堆積層滑坡易發(fā)區(qū)域。

圖4 高程對應(yīng)面積分布圖

圖5 堆積層滑坡高程分布圖

2.2.3沿水系分布特征

研究區(qū)經(jīng)強烈的地質(zhì)構(gòu)造運動和風化作用的改造，水系密布、河谷深切，其中漢江支流堵河和馬欄河以及匯灣河、官渡河、縣河等是區(qū)內(nèi)主要水系。上述主要河流及其支流兩岸坡度相對較陡，兩岸一、二級階地及山麓地帶廣泛分布第四系殘坡積層、沖積層和沖洪積層，巖性為粉質(zhì)黏土、粉細砂、砂質(zhì)黏土夾礫石等松散堆積物。由滑坡與水系分布關(guān)系可知，堆積層滑坡主要集中分布在官渡河、縣河、堵河、萬峪河沿岸階地及山麓地帶(圖6)。究其原因，河流沿線廣泛分布松散堆積層并發(fā)育基覆界面，為滑坡形成提供了有利的地質(zhì)條件；同時河流沿線是水文交互作用強烈區(qū)，為滑坡形成提供了有利的水文地質(zhì)條件；此外，河流沿線人類工程活動強烈，易于誘發(fā)滑坡發(fā)生。

圖6 堆積層滑坡與水系分布圖

2.3 時間分布特征

2.3.1年際發(fā)育特征

對研究區(qū)1919—2016年期間有時間記錄的滑坡活動情況進行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)自1998年以來發(fā)生堆積層滑坡的數(shù)量顯著增多，并呈現(xiàn)一定的周期性群發(fā)態(tài)勢(圖7)，2～3年為一個小周期，6～8年為一個大周期，其中1998、2000、2005、2008、2012、2014年發(fā)生的堆積層滑坡相對較多，具明顯的峰值；尤其是2005年，發(fā)生堆積層滑坡多達306處。堆積層滑坡的年際高發(fā)性與當年發(fā)生強降雨有關(guān)，例如1998年8月9—15日期間，總降雨量達到106.5 mm，當月新增堆積層滑坡16處；2005年8月15—29日期間，總降雨量超過284.2 mm,誘發(fā)區(qū)內(nèi)老滑坡復活并產(chǎn)生新的堆積層滑坡；2014年9月23—29日期間，總降雨量超過104.4 mm，使大量老堆積層滑坡變形加劇。

圖7 堆積層滑坡數(shù)量年際分布圖(1919—2016年)

本文還統(tǒng)計了1998年以來不同年份發(fā)生的不同規(guī)模的堆積層滑坡數(shù)量(圖8)，發(fā)現(xiàn)小型、中型、大型堆積層滑坡數(shù)量的年際變化特征是一致的。因小型和中型堆積層滑坡數(shù)量較多，其變化曲線跳動更明顯，在1998、2000、2005、2008、2012、2014年具有明顯的峰值，尤其是在2005年，小型與中型堆積層滑坡數(shù)量相當，是其他高發(fā)年份的3倍以上。

圖8 不同規(guī)模的堆積層滑坡數(shù)量年際分布圖(1998—2015年)

2.3.2月際發(fā)育特征

由堆積層滑坡數(shù)量月際分布圖(圖9)可知，7—8月發(fā)生的堆積層滑坡占堆積層滑坡總數(shù)的68.7%,6—9月發(fā)生的堆積層滑坡占比85.8%，表明堆積層滑坡主要發(fā)生在雨季(6—9月)，尤其是7—8月，堆積層滑坡更為高發(fā)。以上說明堆積層滑坡發(fā)生頻率的高低與降雨量多寡密切相關(guān)，表明降雨是滑坡發(fā)生的關(guān)鍵誘發(fā)因素。

圖9 堆積層滑坡數(shù)量月際分布圖

2.4 體積和面積頻率分布特征

研究表明滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生頻率與其體積、面積等參數(shù)之間存在冪律關(guān)系[10-12]，認為隨著地質(zhì)災(zāi)害體積、面積等增大，其發(fā)生的數(shù)量急劇減少，這種變化過程符合冪律，這對地質(zhì)災(zāi)害預測具有重要意義。本次研究收集到“南三縣”1 479處堆積層滑坡的相關(guān)數(shù)據(jù)，具備開展滑坡冪律關(guān)系研究的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。統(tǒng)計了區(qū)內(nèi)堆積層滑坡的體積V、面積S以及超過某一體積V或面積S的累計頻率NV或NS，繪制相關(guān)關(guān)系圖(圖10)；然后采用最小二乘法進行曲線擬合，得到堆積層滑坡累計頻率與其體積的最佳擬合函數(shù)為：lnNV=-0.422 57lnV+0.009 14，相關(guān)度R2=0.926 01；堆積層滑坡累計頻率與其面積的最佳擬合函數(shù)為：lnNS=-0.650 25lnS+0.006 54，相關(guān)度R2=0.953 96。

圖10 堆積層滑坡發(fā)生的累計頻率與體積、面積關(guān)系圖

3 典型堆積層滑坡變形破壞模式

前文分析表明，區(qū)內(nèi)堆積層滑坡主要由降雨誘發(fā)產(chǎn)生，其類型主要為降雨型滑坡。降雨會導致滑坡內(nèi)部的地下水滲流場發(fā)生變化，進而產(chǎn)生浮托力、動水壓力、靜水壓力及滑帶土飽水軟化效應(yīng)[13-17]，促使滑坡變形和破壞?；诙逊e層滑坡地質(zhì)特征及其地下水滲流場特征，將研究區(qū)降雨型堆積層滑坡分為水平徑流滯水型和垂直徑流滯水型兩類。

3.1 水平徑流滯水型堆積層滑坡

水平徑流滯水型堆積層滑坡一般位于河谷岸坡與階地過渡地帶，滑坡處地勢較緩，地形坡度一般為16°～25°；巖土體具典型的二元結(jié)構(gòu)，上部為沖洪積、坡洪積粉質(zhì)黏土層或粉質(zhì)黏土夾碎石層，下部為沖洪積砂礫石層，下伏強—中風化變質(zhì)巖層。巖土體滲透性自上而下呈弱—強—弱變化特征，致使在持續(xù)性強降雨作用下，地表徑流垂直入滲深度和入滲量均有限；而滑體所處的中—低山匯水單元為地下水的側(cè)向補給提供了途徑。竹山縣窯溝滑坡[18]地下水位監(jiān)測數(shù)據(jù)(圖11、表1)顯示，地下水位明顯受降雨歷時及降雨量的影響，常態(tài)下地下水位位于滑帶以下，降雨后因坡體后部的承壓含水層接受降雨側(cè)向補給，水位抬升明顯，最大抬升高度達到13.82 m。

表1 窯溝滑坡地下水位變化情況統(tǒng)計表

圖11 窯溝滑坡地下水位變化圖

水平徑流滯水型堆積層滑坡的滑面傾角多與地形坡度相當(圖12)，其變形破壞模式為：在持續(xù)性強降雨作用下，降雨通過側(cè)向入滲補給地下含水通道，若含水通道因含水層厚度變化、滲透性強弱變化等因素影響而受阻，地下水位將在受阻區(qū)域大幅抬升，但不同的降雨歷時及降雨量使得地下水位抬升幅度不同；地下水位抬升產(chǎn)生的浮托力及動水壓力使滑體如同坐落在具有承壓性質(zhì)且傾向坡外的水墊上[19]，當產(chǎn)生的浮托力及動水壓力超過滑體自重及滑帶側(cè)向摩阻力時，滑坡即發(fā)生整體變形破壞。

圖12 水平徑流滯水型堆積層滑坡降雨入滲模型

3.2 垂直徑流滯水型堆積層滑坡

垂直徑流滯水型堆積層滑坡主要分布于變質(zhì)巖區(qū)斜坡中下段部位，斜坡上主要覆蓋殘坡積(坡洪積)碎石土、含碎石粉質(zhì)黏土。因覆蓋層的密實度、顆粒級配等存在差異性和不均勻性，導致巖土體滲透性亦存在差異性和不均勻性。遭受持續(xù)性強降雨后，滑體中地下水以垂直入滲補給為主，而排泄通道因變質(zhì)巖基巖凸起或局部弱透水覆蓋層的影響，易于在局部區(qū)域形成滯水區(qū)域[20]。

垂直徑流滯水型堆積層滑坡的變形破壞模式為：地下水入滲補給后，地下水位抬升，滑體重度增加；不同類型巖土體的接觸帶因地下水的軟化作用，抗剪強度降低，導致滑坡發(fā)生變形破壞(圖13)。該類滑坡因巖土體物質(zhì)成分的差異性，一般沿不同巖土體接觸帶發(fā)生滑移變形，故可能存在多個滑帶。

圖13 垂直徑流滯水型堆積層滑坡降雨入滲模型

3.3 主要影響因素

(1)地層巖性。研究區(qū)堆積層滑坡的上覆堆積體主要為第四系殘坡積、沖洪積或崩坡積的粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土夾碎塊石、含碎石黏土、含碎石粉質(zhì)黏土、含礫粉質(zhì)黏土、碎塊石土等，其結(jié)構(gòu)松散、孔隙度大、透水性強；下伏基巖主要為南華系武當群及志留系變質(zhì)巖，包括鈉長石英片巖、絹云片巖、變質(zhì)砂巖、石英千枚巖、泥質(zhì)板巖、炭質(zhì)板巖等，其結(jié)構(gòu)相對緊密、透水性相對較弱，易于形成隔水層，導致在相對隔水界面上形成滑帶或滑移面，影響滑體的穩(wěn)定性。

(2)地形地貌。研究區(qū)地跨秦嶺造山帶與揚子地臺，構(gòu)造活動強烈，地形切割嚴重，廣泛發(fā)育風化及構(gòu)造侵蝕堆積地貌，沿河流兩岸、河谷堆積形成大量第四系堆積層，有利于滑體的形成。

(3)降雨。降雨是研究區(qū)堆積層滑坡形成和發(fā)展的主要誘發(fā)因素。連續(xù)降雨入滲促使滑體內(nèi)地下水位迅速抬升，導致滑體內(nèi)孔隙水壓力隨之升高，地下水位的浮托效應(yīng)和動水壓力效應(yīng)直接破壞了堆積層滑坡的穩(wěn)定性。

(4)人類工程活動。人類大多沿河谷兩岸定居，其建房、修路、耕種等工程活動強烈，往往產(chǎn)生切坡等行為，易于直接破壞滑體的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

(1)統(tǒng)計了十堰市竹溪縣、竹山縣和房縣境內(nèi)1 479處堆積層滑坡的相關(guān)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)堆積層滑坡以中—小型、淺層滑坡為主；變質(zhì)巖(鈉長石英片巖、變質(zhì)砂巖、石英千枚巖、絹云片巖、泥質(zhì)板巖、炭質(zhì)板巖)分布區(qū)、400～700 m高程范圍、河流兩岸是堆積層滑坡易發(fā)區(qū)域；1998年以來堆積層滑坡數(shù)量顯著增多，呈一定的周期性群發(fā)態(tài)勢，1998、2000、2005、2008、2012和2014年為高發(fā)年份，每年的6—9月為高發(fā)月份。

(2)采用最小二乘法進行曲線擬合，得到堆積層滑坡發(fā)生的累計頻率與其體積、面積的最佳冪律函數(shù)關(guān)系，對十堰地區(qū)堆積層滑坡的預測具有重要意義。

(3)將研究區(qū)典型降雨型堆積層滑坡分為水平徑流滯水型和垂直徑流滯水型兩種類型，初步構(gòu)建了兩種類型堆積層滑坡在降雨作用下的變形破壞模式。