大型礫巖滑坡特征與成因機(jī)制分析

楊偉強(qiáng)，巨廣宏,2，李樹武,2，何曉東

(1. 中國電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065;2. 國家能源水電工程技術(shù)研發(fā)中心高邊坡與地質(zhì)災(zāi)害研究治理分中心,西安 710065)

0 前 言

伴隨中國經(jīng)濟(jì)的高速增長，大型工程數(shù)量日益增多，在各類工程活動(dòng)中也遇到了越來越多的邊坡工程問題。礫巖邊坡成巖時(shí)間相對(duì)較短，性質(zhì)特殊，一般力學(xué)性質(zhì)較差，且成分復(fù)雜，物理力學(xué)性質(zhì)較為特殊，即與巖體內(nèi)部物質(zhì)組成及膠結(jié)程度緊密相關(guān)，同時(shí)受結(jié)構(gòu)面控制[1]，其邊坡的穩(wěn)定性對(duì)工程建設(shè)影響極大。

由于礫巖性質(zhì)特殊，其失穩(wěn)經(jīng)常不是由單一因素導(dǎo)致的，一般是在多種條件共同發(fā)生作用而致其滑動(dòng)失穩(wěn)[2]，如地形臨空陡峭、巖體破碎、降雨、人類工程活動(dòng)等作用對(duì)滑坡產(chǎn)生形成了有利條件[3-5]。本文以現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察取得的資料為基礎(chǔ)，結(jié)合滑坡區(qū)所處的地質(zhì)環(huán)境條件，查明滑坡的邊界條件、范圍、分區(qū)及破壞特征等基本特征，分析礫巖滑坡形成的影響因素和成因機(jī)制，為其穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及工程處理提供支撐。

1 滑坡基本特征

1.1 滑坡概況及邊界條件

本文研究的礫巖滑坡位于青海省黃南州浪加河左岸，岸坡總體順直，總體走向?yàn)镹W300°，上游為原3號(hào)邊坡，下游為原2號(hào)邊坡。滑坡區(qū)屬典型的侵蝕丹霞地貌，岸坡基巖總體裸露，巖性主要為白堊系河口組礫巖夾泥質(zhì)夾層、薄層泥巖。礫巖以泥質(zhì)膠結(jié)為主，具鐵錳質(zhì)膠結(jié)特性，為一套內(nèi)陸湖相沉積地層。巖體節(jié)理不發(fā)育，巖體完整，但易風(fēng)化，遇水易軟化崩解，微風(fēng)化礫巖飽和抗壓強(qiáng)度低，屬較軟巖，軟化系數(shù)低。

該礫巖滑坡于2019年5月12日發(fā)生大規(guī)模整體滑動(dòng)，滑坡平面形態(tài)呈“長條形”總體上窄、下寬，最大寬度220 m，最小寬度155 m，平均寬度187 m?；驴v長最大長度415 m，平均縱長365 m。滑坡形態(tài)平面如圖1所示。

圖1 礫巖滑坡平面

滑坡堆積體厚度的空間變化較大，總體呈中間厚、前后緣薄，上游薄、下游厚的特征，鉆孔揭示的滑體厚度最大達(dá)79.4 m，原河床基坑部位滑坡體堆積厚度20余米，后緣邊界部位滑體厚度約10～20 m，滑坡平均厚約38 m。

滑體平均坡度35°～40°，呈前緣陡-后部緩的坡面形態(tài)，前緣2號(hào)邊坡部位滑坡發(fā)生后前緣坡度較陡，整體約45°，局部最大坡度近60°～70°，滑坡全貌見圖2。利用三維地質(zhì)模型統(tǒng)計(jì)滑坡方量(見圖3)，估算的滑坡體積約320萬m3，滑坡屬大型巖質(zhì)滑坡，滑動(dòng)后巖體破碎，孤石林立，對(duì)周邊地區(qū)安全構(gòu)成了較大的威脅。

圖2 礫巖滑坡全貌及分區(qū)

圖3 滑坡三維地質(zhì)模型(正視)

該滑坡滑動(dòng)破壞現(xiàn)象與邊界特征非常明顯，上游邊界下部沿上游沖溝溝道、向上斜穿3號(hào)邊坡，延伸至后緣高程2 800.00 m山脊附近；下游邊界中下部以沖溝為界，上部以后緣平直、光滑的滑坡壁為界；滑坡前緣剪出口位于現(xiàn)代浪加河床基坑以下2～3 m、高程約2 600.00 m，前緣隆起最大高度達(dá)38 m；后緣滑坡破裂壁至山脊分水嶺，最高高程2 800.00 m，后緣錯(cuò)坎高約20 m，滑坡前后緣高差約200 m。

1.2 滑坡分區(qū)特征

結(jié)合滑坡區(qū)的地形、滑坡邊界、滑動(dòng)過程中的解體、變形拉裂縫分布等特征，滑坡可分為主滑區(qū)(Ⅰ區(qū))與牽引區(qū)(Ⅱ)，各區(qū)根據(jù)變形差異進(jìn)一步進(jìn)行亞區(qū)劃分，滑坡分區(qū)見圖1、2。

主滑區(qū)(Ⅰ區(qū))整體位于滑坡中下部，主滑方向45°。根據(jù)主滑區(qū)變形特征、破壞解體程度及裂縫分布的特點(diǎn)等，主滑區(qū)進(jìn)一步分為：原2號(hào)邊坡部位的Ⅰ1、3號(hào)邊坡的Ⅰ2亞區(qū)。

(1)Ⅰ1區(qū)位于主滑區(qū)下游側(cè)2號(hào)邊坡部位，整體為一山脊地貌，地形上緩下陡，前緣坡度可達(dá)60°～70°，坡體拉裂、陷落特征十分明顯，Ⅰ1區(qū)后緣呈明顯的拉陷槽(見圖4)，與滑坡主滑方向近垂直。Ⅰ1區(qū)中前部坡體發(fā)育了大量裂縫、錯(cuò)臺(tái)，坡體似層狀結(jié)構(gòu)明顯，解體程度不高。發(fā)育裂縫類型有張拉裂縫、鼓脹裂縫以及剪切裂縫。區(qū)內(nèi)部分拉裂縫延伸長，長的可達(dá)50 m，拉裂寬度大的可達(dá)0.5～1 m，可見深度大于15 m。

圖4 Ⅰ區(qū)后緣拉陷變形(拉陷槽)

(2)Ⅰ區(qū)位于主滑區(qū)上側(cè)3號(hào)邊坡區(qū)域，滑坡體地形上緩下陡，整體坡度約30°，縱向長度210 m，上寬下窄，平均橫向?qū)挾?0 m，滑體整體解體嚴(yán)重，地表破碎。

牽引區(qū)(Ⅱ區(qū))位于滑坡后緣、主滑體Ⅰ區(qū)之上(見圖5)，高程在2 730.00～2 800.00 m，平面上呈“月牙”形。主滑體后緣形成的拉陷區(qū)產(chǎn)生了良好的臨空面，原2號(hào)邊坡與3號(hào)邊坡頂部之間的“鞍部”地形受前緣滑動(dòng)牽引、以及兩個(gè)山脊臨空地形的控制，使后緣上下山脊之間的“鞍部”兩側(cè)坡體發(fā)生滑動(dòng)。根據(jù)滑動(dòng)方向的不同又可劃分為Ⅱ1、Ⅱ2區(qū)。

圖5 牽引變形區(qū)(Ⅱ區(qū))形貌特征

Ⅱ1區(qū)位于2號(hào)邊坡后緣山脊上游側(cè)，滑坡后堆積物順滑坡壁直接堆積于坡腳，后期在堆積物與滑坡壁接觸面部位仍有拉裂變形現(xiàn)象。Ⅱ2區(qū)位于3號(hào)邊坡后緣山脊下游側(cè)，后緣滑坡壁下錯(cuò)高度0.5～2 m不等，并呈密集圈椅狀多級(jí)臺(tái)階錯(cuò)動(dòng)，后緣多處可見滑動(dòng)擦痕。

為確定滑坡主滑面(帶)的深度及特征，布置2條縱向及3條橫向物探剖面及勘探剖面，布置了6個(gè)勘探鉆孔，孔內(nèi)進(jìn)行了物探波速測(cè)試，綜合確定滑坡的主滑面剖面特征見圖6。

圖6 主滑面地質(zhì)縱剖面

2 形成影響因素分析

2.1 區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)

滑坡區(qū)地處我國西部，區(qū)內(nèi)地應(yīng)力和現(xiàn)代構(gòu)造活動(dòng)主要是由印度和歐亞兩大陸板塊相互碰撞、近SN向的擠壓所決定的，構(gòu)造應(yīng)力總體上近S～N向。青藏高原主體部分的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)最大主應(yīng)力方向?yàn)镹NE向[6]。結(jié)合區(qū)域及鄰近區(qū)地震的震源機(jī)制解獲得的工程區(qū)與鄰近區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)最大主應(yīng)力的方位分布如圖7。

圖7 工程區(qū)及鄰近區(qū)域現(xiàn)今地應(yīng)力狀態(tài)

滑坡區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)最大主應(yīng)力方向總體在NE30°～60°，方向與河谷呈大角度相交或近垂直，河流與最大主應(yīng)力近于正交時(shí)，河床部位有利于應(yīng)力的集中，對(duì)平緩層狀巖體組成的寬谷區(qū)，側(cè)向地應(yīng)力較高，造成谷底剪切破裂、層間蠕滑，并在岸坡順坡發(fā)育卸荷拉張帶。

2.2 有利的地形臨空條件

滑坡區(qū)為典型的寬闊河谷地貌，滑坡發(fā)生前，滑坡所處邊坡的前緣為河谷，兩側(cè)為深切的沖溝，岸坡高差約200 m，天然岸坡上緩、下陡，前緣坡度約50°～70°，局部近直立，臨空條件較好，為滑坡的發(fā)展提供了有利的地形條件(見圖8)。

圖8 滑坡區(qū)原始地形地貌

滑坡區(qū)早期形成典型的寬闊河谷地貌特征，這種地貌在形成過程中河谷的侵蝕、剝蝕造成的垂向及水平方向的卸荷，有利于河床以及岸坡巖體的變形。

2.3 礫巖巖性條件

滑坡區(qū)基巖主要為白堊系河口組礫巖夾泥質(zhì)夾層。在地表及鉆孔巖芯中均有發(fā)現(xiàn)薄層泥質(zhì)夾層，為滑坡的形成奠定了內(nèi)在的物質(zhì)基礎(chǔ)，是滑坡上游邊界中上部的控制邊界，巖體基本沿礫巖與薄層泥巖的界面或泥質(zhì)夾層發(fā)生滑動(dòng)。

2.4 地質(zhì)構(gòu)造條件

滑坡區(qū)礫巖巖體中裂隙不甚發(fā)育，有不同延伸長度的隨機(jī)結(jié)構(gòu)面發(fā)育(見圖9)，這些結(jié)構(gòu)面不僅為斜坡的卸荷拉裂提供了潛在的地質(zhì)缺陷，而且一定延伸長度的長大結(jié)構(gòu)面，也構(gòu)成滑坡的失穩(wěn)邊界?；孪掠蝹?cè)壁基本受控于NE10°～20°SE∠60°～70°這組結(jié)構(gòu)面，這組結(jié)構(gòu)面延伸性好，構(gòu)成了滑坡下游側(cè)邊界。上游側(cè)邊界總體追蹤巖體中礫巖與泥巖接觸面或泥質(zhì)夾層、層面，產(chǎn)狀NE50°～80°NW∠20°～40°，其總體傾向下游偏岸外，構(gòu)成滑坡的失穩(wěn)的上游側(cè)邊界。礫巖中還發(fā)育有NE23°～60°NW∠9°～25°組緩傾裂隙，這組結(jié)構(gòu)面在左岸總體傾向坡外，尤其在低高程部位較發(fā)育，其與緩傾坡外的層面共同構(gòu)成滑坡底部控制面。

圖9 礫巖中發(fā)育的長大結(jié)構(gòu)面

2.5 斜坡巖體卸荷拉裂

原斜坡的邊坡巖體卸荷強(qiáng)烈，主要發(fā)育以下3組卸荷裂隙：

(1) NW354°SW∠85°，面平直稍粗糙，大部分閉合，局部張開1～3 mm，延伸長度大于10 m，沿該裂隙發(fā)育多條風(fēng)化凹槽；

(2) NE20°NE∠9°，面平直粗糙，張開1～5 cm，延伸長度大于10 m；

(3) NW335°SW∠80°，面起伏粗糙，基本平行于岸坡，表部張開無填充，一般張開寬度為0.15 m，延伸長度大于20 m，最大可達(dá)現(xiàn)代河床高程，延伸長度可達(dá)40～50 m。

卸荷拉裂縫破壞了巖體的完整性，為大氣降水直接進(jìn)入坡體提供了良好的通道，圖10為順河向發(fā)育的卸荷拉裂縫情況。

圖10 順河向卸荷拉裂縫情況

滑坡所在邊坡密集發(fā)育的陡傾卸荷拉裂、勘探揭示的河床高程及較深部位巖體破碎、泥質(zhì)夾層較發(fā)育等現(xiàn)象，應(yīng)與河谷演化過程中巖體卸荷變形有關(guān)，這些潛在的地質(zhì)缺陷為斜坡的變形提供了基礎(chǔ)。

2.6 超常降雨

滑坡發(fā)生前降水量分布如圖11所示。 2018年7—9月這3個(gè)月的降雨分別為：135.7、220.7、103.1 mm，累積降雨量達(dá)459.5 mm，遠(yuǎn)高于該區(qū)歷年的年平均降雨量416 mm；自2019年4月以來降雨也有所增加，其中4月份降雨量達(dá)20.5 mm，5月份上旬降雨量達(dá)30.7 mm，相比同期顯著增大。

圖11 滑坡發(fā)生前降雨分布

由于礫巖以泥質(zhì)膠結(jié)為主，透水性較差，以弱透水為主，坡體下部發(fā)育泥質(zhì)夾層為相對(duì)隔水層。滲入坡體內(nèi)的水體不易于向河谷排泄，長期作用下，因礫巖與泥質(zhì)夾層滲透性的差異，在緩慢滲流過程中不斷軟化礫巖與泥巖接觸面或順層的泥質(zhì)夾層、致使抗剪強(qiáng)度逐漸降低；同時(shí)，封閉在裂隙中的水體形成的水壓力對(duì)坡體變形也有加速作用；同時(shí)，在冬季水體結(jié)冰引起凍脹力，春夏季冰的融化，均對(duì)斜坡變形有促進(jìn)作用。

2.7 人類工程活動(dòng)

滑坡發(fā)生前，滑坡前緣坡體施工道路開挖改變了坡體形態(tài)，導(dǎo)致斜坡穩(wěn)定性發(fā)生變化，改變坡體的平衡狀態(tài)，一定程度影響整體穩(wěn)定性[7]。

3 成因機(jī)制分析

滑坡巖性為厚層礫巖夾泥質(zhì)夾層，上游側(cè)邊界追蹤巖層面，下游側(cè)受傾上游長大裂隙控制，并發(fā)育緩傾岸外的結(jié)構(gòu)面，圖12為由高向低的滑坡形成結(jié)構(gòu)面條件空間立體圖?；碌男纬墒翘囟ǖ牡匦?、巖性、構(gòu)造條件下，坡體遭受長期降水作用，沿傾坡外的層面并追蹤緩傾角結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑移、后緣坡體逐漸拉裂，滑面最終貫通形成滑移-拉裂型滑坡。其形成過程大致可以分為以下階段：

(1) 初始變形階段

斜坡形成初期，伴隨著河流下蝕、大面積的卸荷，斜坡巖體發(fā)生淺表生改造，不僅形成與岸坡近平行的陡傾卸荷裂隙，而且礫巖與泥巖巖性差異導(dǎo)致的差異卸荷作用，使巖體沿層間弱面、夾層向臨空方向發(fā)生滑移變形，且河床部位因垂直卸荷也形成一些緩傾結(jié)構(gòu)面或沿層間發(fā)生松弛、拉裂等。斜坡后緣、前緣礫巖與泥巖接觸面發(fā)生的松弛、張開，以及與岸坡近平行的陡傾卸荷裂隙有利于斜坡的變形，典型的滑移-拉裂變形破裂體如圖13所示。

圖12 滑坡形成結(jié)構(gòu)面條件

圖13 滑移-拉裂變形破裂體

(2) 斜坡沿潛在弱面滑移、坡體拉裂階段

河谷斜坡形成后，滑坡所在邊坡前緣斜坡較陡、臨空條件好；滑坡區(qū)巖層總體傾向下游偏岸外、有利于沿巖層面發(fā)生順層滑動(dòng)。原始斜坡地形為中后部平緩、前緣陡，有利于地表水匯集、并沿陡傾角裂隙滲入坡體內(nèi)。滲入坡體的地下水匯集于礫巖與泥巖接觸面附近，軟化泥巖或泥質(zhì)夾層，在重力及水等作用下，坡體沿被軟化層面、泥質(zhì)夾層或追蹤緩傾角結(jié)構(gòu)面向前緣河谷臨空方向發(fā)生滑移變形、坡體拉裂。滑坡附近邊坡部位的結(jié)構(gòu)面組合特征如圖14所示。

圖14 滑坡周邊拉裂-滑移型坡體

(3) 滑面貫通、滑坡形成階段

斜坡在多年降水、裂隙充水形成的水壓力、凍脹等作用，施工振動(dòng)尤其前緣道路的開挖、清坡等的擾動(dòng)，斜坡的穩(wěn)定性總體較差。2018年8月以來的超常規(guī)暴雨致大量地表水匯集于斜坡內(nèi)，經(jīng)凍融作用，未完全排泄到坡體外溝谷中，與早期坡體的水體聯(lián)合作用，在卸荷裂隙中形成高的水頭，在高水壓力作用下，陡傾的裂面剪應(yīng)力集中，變形進(jìn)入累進(jìn)性破壞階段，坡體中后部突然啟動(dòng)、推擠前緣斜坡發(fā)生推移式破壞，最終陡傾裂面與平緩滑移面構(gòu)成貫通性滑移面[8]、坡體整體破壞形成滑坡。斜坡前緣滑動(dòng)后，后緣坡體臨空變好，滑坡后緣Ⅱ區(qū)兩側(cè)山脊部位因前緣失去支撐相繼發(fā)生滑動(dòng)，滑坡的形成機(jī)制為滑移-拉裂型，滑動(dòng)形式屬于推移式滑坡[9]。

4 結(jié) 論

本文在查明礫巖滑坡基本特征的基礎(chǔ)上，對(duì)其形成影響因素與成因機(jī)制進(jìn)行分析研究，形成結(jié)論如下：

(1) 滑坡區(qū)地層主要為白堊系河口組厚層狀礫巖夾泥質(zhì)夾層，呈單斜構(gòu)造，坡體總體為傾向下游的斜向坡?；虏课粠r體風(fēng)化、卸荷較強(qiáng)烈，礫巖中潛在的地質(zhì)缺陷為斜坡的變形提供了基礎(chǔ)。

(2) 礫巖中發(fā)育3組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面對(duì)滑坡邊界起控制作用，滑坡體上游側(cè)邊界總體追蹤層面，下游側(cè)受傾上游長大裂隙控制，深部底滑面追蹤隨機(jī)發(fā)育的泥質(zhì)夾層及緩傾結(jié)構(gòu)面。

(3) 滑坡的形成是特定的地形、巖性、構(gòu)造條件下，坡體遭受超常降水作用，沿傾坡外的層面并追蹤緩傾角結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑移、后緣坡體逐漸拉裂，滑面最終貫通形成滑移-拉裂型滑坡，其滑動(dòng)形式屬于推移式。