古西特大型滑坡群成因機制及穩(wěn)定性分析

楊 偉

(廣東省地質(zhì)局第八地質(zhì)大隊,廣東 梅州 514089)

0 前言

廣東省地層巖性復(fù)雜,種類眾多,且分布面積廣,各地層的物化特性差異大。巖體受區(qū)域氣候和地質(zhì)構(gòu)造的影響,結(jié)構(gòu)面和風(fēng)化層普遍發(fā)育。大部分地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候,且臨海,雨季臺風(fēng)活動密集強烈。特殊的氣候和巖土特征,為滑坡、崩塌等山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害提供了良好水文和物質(zhì)條件[1]。古西滑坡群由HPa滑坡和HPb共同組成。HPa和HPb滑坡總體積約377萬 m3,威脅人數(shù)達2 948人,屬特大型滑坡。目前,已損壞滑坡區(qū)內(nèi)多處房屋、道路,嚴重威脅附近村民的生命財產(chǎn)安全。本次對古西滑坡群的成因機制和穩(wěn)定性進行較為詳細的分析評價,希冀對往后廣東省類似地質(zhì)災(zāi)害的防災(zāi)減災(zāi)工作,提供一定的參考。

1 研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件

1.1 地形地貌

滑坡區(qū)地處大埔縣西南部,溝系較為發(fā)育,屬丘陵地貌,總體坡向30°～65°,坡度20°～50°,局部達55°,地形為臺階狀,多陡坎平臺。區(qū)內(nèi)最高點高程為+450 m,位于滑坡后緣山體分水嶺頂部,最低點高程約+93 m位于滑坡前緣的沖溝內(nèi),兩者高差達357 m,地表遍布松散堆積體,堆積體中出露大量花崗巖、閃長巖滾石。

1.2 巖體結(jié)構(gòu)

滑坡區(qū)內(nèi)巖土層按地質(zhì)年代和成因類型自上而下可劃分為填土層(Q4ml)、耕土層(Q4pd)、坡積土層(Q4dl)、殘積土層(Q4el)和下伏基巖中生代末期閃長巖(δo5)?；聟^(qū)內(nèi)巖石出露范圍較少(僅局部地段山體開挖有基巖裸露),大部分山體為風(fēng)化巖體(全風(fēng)化花崗巖和閃長巖、強風(fēng)化花崗巖和閃長巖),基巖出露地段節(jié)理裂隙較發(fā)育。在節(jié)理裂隙的作用下,基巖巖體被切割成塊狀,山體開挖巖質(zhì)邊坡、巖土質(zhì)邊坡基巖坡面常見掉塊、崩塌等現(xiàn)象(圖1)。

圖1 古西特大型滑坡群地質(zhì)災(zāi)害分平面圖

1.3 氣象水文

大埔縣屬亞熱帶季風(fēng)氣候,冬短夏長,日照充足,溫和潮濕。多年平均氣溫21.2℃,年平均降雨量1 414.4 mm,雨季多集中在4-9月。大埔縣處于韓江中上游,韓江為大埔縣境內(nèi)最大地表徑流,由梅江、汀江及梅潭河在大埔三河壩匯合而成?；聟^(qū)內(nèi)水系主要為魚塘、沖溝,常年有水,地表徑流主要為泉水補給形成的地表逕流,調(diào)查時在滑坡及附近發(fā)現(xiàn)10處泉水,泉水流量0.035～3.521 L/s。

2 研究方法

本次研究綜合運用勘探、地下水模型分析、物探和監(jiān)測相結(jié)合的方式,對該特大型滑坡群的穩(wěn)定性進行分析。

2.1 地下水模型預(yù)測與評價

采用Visual MODFLOW軟件,預(yù)測不同情景條件下,模擬區(qū)地下水水位的變化情況以及污染物在地下水中的遷移過程[2],并以此來分析擬建項目對地下水環(huán)境可能造成的影響。

2.1.1 空間、時間離散

計算區(qū)面積約0.438 km2,共剖分2 500個單元,單元長15 m,寬12 m,平均面積約為180 m2,平面剖分圖見圖2。模擬期為2017年12月到2027年12月,共10 a,以每年為一個時間段,每個時間段以10 d為一個時間步長。

圖2 評價區(qū)平面網(wǎng)格剖分圖 圖3 識別期潛水水位擬合(2018.3.17)

2.1.2 模型識別

地下水流模型的識別工作的目的是檢驗所建立的水文地質(zhì)概念模型合理性,以及所建立的數(shù)學(xué)模型反映實際流場的效果[3]。

結(jié)合現(xiàn)有資料選擇以2017.12.17-2018.3.17作為識別時段,在評價區(qū)內(nèi)選擇均勻分布的3口潛水觀測孔。以2017.12.17所測水位作為初始水位。以一個月為一個時間段,共分為5個時間段,以10 d為一個步長。由圖3可見,識別期地下水位的變幅約0.5～2.5 m,選取的參數(shù)分區(qū)和參數(shù)值(表1),基本符合滑坡區(qū)的水文地質(zhì)條件,此次構(gòu)建的水文地質(zhì)概念模型、數(shù)學(xué)模型可以較為真實地擬合出滑坡區(qū)地下水含水層結(jié)構(gòu)的情況。

表1 潛水含水層數(shù)值模型參數(shù)識別結(jié)果表

2.1.3 模型有效性分析

經(jīng)多次調(diào)整優(yōu)化參數(shù)和均衡量,模型模擬水位等值線基本與水位等值線吻合,達到模型精度要求,與滑坡區(qū)水文地質(zhì)條件相符,可才用該模型進行滑坡區(qū)地下水流場變化的預(yù)測[4]。

2.1.4 模型的預(yù)測

本次預(yù)測周期為2017年12月1日至2027年12月31日,共計3 650 d,以2017年12月的地下水流場作為預(yù)測周期的初始流場。因預(yù)測周期較短,評價區(qū)的邊界條件和源匯項基本沒有變化,本次預(yù)測模型的基本條件與識別期一致,預(yù)測未來地下水流場的變化規(guī)律具有可行性。

經(jīng)模型運行后得到3年、5年、10年研究區(qū)的地下水流場分布特征,預(yù)測結(jié)果如圖4～圖6所示。研究區(qū)潛水水位動態(tài)變化較大,10 a后水位變幅介于2.5～3.5 m之間。根據(jù)水量均衡法得出評價區(qū)潛水含水層總補給量為2.611×105m3/a,總排泄量為2.312×105m3/a,年際水量變化量為0.300×105m3/a,為正均衡。計算結(jié)果與地下水動態(tài)變化特征一致。

圖4 預(yù)測期潛水水位等值線圖(2020.12.31)

圖6 預(yù)測期潛水水位等值線圖(2027.12.31)

2.2 高密度電法

2.2.1 地球物理特征

區(qū)內(nèi)基巖為閃長巖,電阻率為高阻,覆蓋層為第四系殘積土、坡積土,裂隙充填砂、粘土及水等低阻物質(zhì)。土層及遇水軟化的粉質(zhì)粘土、全風(fēng)化閃長巖遇水附著力減小,會導(dǎo)致上覆地質(zhì)體滑動,因此滑坡面附近易呈現(xiàn)低阻的特征,在該地區(qū)利用低阻的特征可以確定滑坡面的埋深及規(guī)模[5]。

2.2.2 主畫面埋深推斷

通過本次工作,獲得了工作區(qū)內(nèi)L1～L12線共12條測線的電阻率斷面圖,斷面圖顯示基巖埋深基本在40 m以下。全風(fēng)化閃長巖與強、中風(fēng)化閃長巖的接觸面為主滑坡面,是最易發(fā)生滑坡的層位,埋深為0～40 m;粉質(zhì)粘土層由粉粘粒等組成,遇水易崩解,成為次級滑動面,層厚為1～28 m;坡積層由于含水率較高或含有低阻介質(zhì)等因素,表現(xiàn)為低電阻率,附著力小,是地表可見且易發(fā)生滑坡的層位,層厚為1～19 m。

2.3 監(jiān)測

2.3.1 工作部署

大埔縣古西村鶴山片區(qū)滑坡群監(jiān)測內(nèi)容包括:滑坡深部變形監(jiān)測、地表變形監(jiān)測和降雨量監(jiān)測。其中深部變形監(jiān)測點7個,地表變形監(jiān)測點15個,深部與地表共用監(jiān)測點3個,降雨量監(jiān)測站一個。深部監(jiān)測使用測斜儀,地表監(jiān)測使用滑坡伸縮儀與全站儀相結(jié)合,深部、地表共用監(jiān)測點使用SAA遠程自動化監(jiān)測儀,雨量監(jiān)測使用遠程自動化雨量傳感器(見圖7和圖8)。

圖7 SAA遠程自動化監(jiān)測儀

2.3.2 成果分析

根據(jù)雨量數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,2018年自2月1起至11月12日。累計降雨量為956 mm;SAA水平位移監(jiān)測數(shù),據(jù)顯示最大位移為ZK25-第六節(jié)點,位移量為1.89 mm。本年度降雨較少,各監(jiān)測點變化較小,各項監(jiān)測數(shù)據(jù)均無超出控制值范圍的情況。

綜合分析深部監(jiān)測曲線圖9和圖10可知,“測斜SB17監(jiān)測曲線圖”在深度17.5 m附近開始向地表有趨于同一個方向位移量逐漸增大的趨勢,參照附近開挖的4號淺井,在17.5 m附近揭露到滑動面,說明HPa滑坡的塊體3在監(jiān)測期間處于蠕動變形狀態(tài),監(jiān)測出現(xiàn)起始滑動的位置與淺井揭露的滑動面位置基本吻合。HPb滑坡在監(jiān)測期間,數(shù)值變化看不出滑坡變形起始位置,且變形無規(guī)律,無法判斷滑動面的位置。

圖9 測斜SB17監(jiān)測曲線圖(2018.7.18-2018.9.16)

3 古西滑坡發(fā)育特征

3.1 滑坡HPa

HPa滑坡為老滑坡,整個老滑坡平面形態(tài)整體呈長舌狀(前窄后寬),臺階錯落明顯,地形上前緣較陡,后緣平緩。由于滑塊間的差異性運動,部分坡面弧狀、橫向拉張裂縫或縱向剪裂縫較發(fā)育,裂縫形成時間跨度較大。整個滑坡縱向長約370 m,橫向?qū)捈s420 m,面積約151 546 m2,滑體厚度一般5～29 m,平均厚度17 m,總體積約257萬 m3。根據(jù)HPa滑坡上滑塊滑動速度的差異性,將其分為3個塊體,編號分別為塊體1、塊體2和塊體3,各塊體的發(fā)育特征如下。

3.1.1 塊體1

塊體1縱向長約370 m,橫向?qū)捈s150 m,面積約55 600 m2,塊體厚度一般10～26 m,平均厚度18 m,塊體體積約1 000 800 m3,位于HPa滑坡東南側(cè)。塊體1的變形特征比較明顯,在塊體的北西邊界、南東邊界及后緣均見新近形成的變形裂縫。自2000年開始,塊體1裂縫發(fā)育較為頻繁,變形持續(xù)時間長、速率較快。

3.1.2 塊體2

塊體2縱向長約370 m,橫向?qū)捈s80 m,面積約34 477 m2,厚約5～29 m,平均厚度17 m,體積約586 109 m3,位于HPa滑坡中部。塊體2后緣附近發(fā)育痕跡較陳舊的多級弧狀滑坡錯落臺階,被柚子等經(jīng)濟作物覆蓋,錯落臺階出現(xiàn)時間不詳。據(jù)村民反映,塊體2上建(構(gòu))筑物(民居)未見明顯變形跡象。結(jié)合塊體2的微地貌特征、民居結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀,可判斷塊體2狀態(tài)較穩(wěn)定。

3.1.3 塊體3

塊體3縱向長約370 m,橫向?qū)捈s190 m,面積約61 469 m2,厚約7～25 m,平均厚度16 m,塊體體積約983 504 m3,位于HPa滑坡北西邊界至中部附近。塊體3的滑動變形較為強烈,對地表建筑造成嚴重破壞,在塊體北西、南東邊界及南西側(cè)后緣,均存在大量變形破壞痕跡。裂縫發(fā)育密集,且塊體前緣出現(xiàn)較為明顯的鼓脹裂縫。塊體3的后緣靠右邊界,在2000年發(fā)生滑動,形成高3 m的錯落坎,發(fā)育多條橫向拉張裂縫,塊體右邊界出現(xiàn)一條長約300 m的剪切裂縫,從后緣延伸至古西小學(xué)附近。截止到2018年調(diào)查時,僅剩局部地段有裂縫痕跡殘留。

根據(jù)塊體3的變形破壞特征,其先后發(fā)生過多次滑動,變形程度較塊體1更為劇烈,推測前緣坡腳鼓脹區(qū)域和新的滑動破裂面已經(jīng)徹底貫通,該滑塊長期處于蠕滑-拉裂狀態(tài)[6]。

3.2 滑坡HPb

HPb滑坡為老滑坡,整個滑坡平呈長舌狀,縱向長約325 m,橫向?qū)捈s266 m,面積約77 303 m2,厚度5～26 m,平均厚度15.5 m,總體積約120萬 m3。滑坡前緣地形狹小、后緣寬闊,地形前陡后緩,錯落臺階發(fā)育,部分地段還保留有弧狀臺坎,地表未發(fā)現(xiàn)有新近裂縫,老裂縫已遭受不同程度的破壞,難以調(diào)查、描述,根據(jù)走訪調(diào)查,多年以來該滑坡未見明顯的滑動變形,處于當(dāng)前穩(wěn)定狀態(tài)。在滑坡的南西側(cè)邊界,靠后緣地段出現(xiàn)了一處地面塌陷,地面塌陷的規(guī)模較小,分析塌陷是沿老滑坡的后壁裂縫發(fā)生的塌陷,塌陷造成耕地破壞,柚子樹等經(jīng)濟作物傾伏。根據(jù)滑坡體房屋及構(gòu)筑物(鄉(xiāng)道)的變形特征,和大塊(漂)石的運移跡象,自1879年至今,HPb滑坡未發(fā)生過再次滑動,基本處于穩(wěn)定狀態(tài)[7]。

4 滑坡成因機制分析

從滑坡所處的地質(zhì)環(huán)境條件、發(fā)生時間、誘發(fā)因素及變形規(guī)律,分析滑坡形成的因素主要有:地形地貌、地層巖性、坡體結(jié)構(gòu)、氣象與水文條件、人類工程活動等。

滑坡體以坡積層、殘積層和全風(fēng)化巖為主?；麦w上覆于與坡面傾向基本相同的強風(fēng)化巖面之上。由于邊坡中、上部分布較厚殘坡積堆積體,殘坡積堆積體中含較多塊(漂)石或孤石,塊(漂)石之間存在空洞,滾石與土體接觸面在水流下滲流失作用下形成空隙面,為土體儲水提供了較大空間;調(diào)查發(fā)現(xiàn)大部分滑坡的中部出現(xiàn)泉水和滲水現(xiàn)象,說明地下水在滑坡下游徑流的過程中受阻而滲出地面,滑坡中上部土體長期處于飽和狀態(tài),有效重度降低,土體抗剪強度降低,出現(xiàn)下滑力大于抗滑力現(xiàn)象,滑坡后緣土體出現(xiàn)失穩(wěn)向前擠壓,形成推移破壞。因此,從整體上看滑坡群均屬推移式滑坡。

推移式滑坡一般有四個發(fā)展階段:初始形成階段、滑動帶擴張階段、鼓脹階段和破壞階段。結(jié)合前文分析,滑坡HPa和HPb均處于第三階段(鼓脹階段)?；瑒訋Ю^續(xù)向下擴展,剪應(yīng)力極值仍然發(fā)生在裂縫尖端部位,應(yīng)力集中范圍向前緣擴大,并在前緣坡腳中積累,使坡腳出現(xiàn)鼓脹,坡頂出現(xiàn)明顯的下沉,形成后緣臺階,各滑坡的破壞模型分析示意圖見圖11～圖13。

圖11 HPa區(qū)塊3滑坡破壞模型分析示意圖

圖12 HPa滑坡區(qū)塊1破壞模型分析示意圖

圖13 HPb滑坡破壞模型分析示意圖

5 滑坡穩(wěn)定性評價

根據(jù)勘查區(qū)巖土體結(jié)構(gòu)特征,工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件及滑坡變形失穩(wěn)模式,滑坡穩(wěn)定性定量評價計算模型采用剩余推力傳遞法,基于理正巖土邊坡綜合治理系統(tǒng)軟件,計算“自重+地下水”工況條件下,選用Ⅰ-Ⅰ′、Ⅱ-Ⅱ′、Ⅲ-Ⅲ′、Ⅵ-Ⅵ′、Ⅶ-Ⅶ′、Ⅷ-Ⅷ′、Ⅸ-Ⅸ′、Ⅹ-Ⅹ′和Ⅺ-Ⅺ′剖面對滑坡的穩(wěn)定性進行分析計算。邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果(僅列出各種條件下的最小安全系數(shù)值)。

由表2可知,滑坡HPa塊體1的三條剖面線(Ⅸ-Ⅸ′、Ⅹ-Ⅹ′、Ⅺ-Ⅺ′),最小安全系數(shù)Kmin為0.985～0.992,剖面線所在的邊坡均處于不穩(wěn)定狀態(tài)。滑坡HPa塊體3的三條剖面線(Ⅵ-Ⅵ′、Ⅶ-Ⅶ′、Ⅷ-Ⅷ′),最小安全系數(shù)Kmin為0.979～1.015,剖面線所在的邊坡處于不穩(wěn)定～欠穩(wěn)定狀態(tài)?；翲Pb的三條剖面線(Ⅰ-Ⅰ′、Ⅱ-Ⅱ′、Ⅲ-Ⅲ′),最小安全系數(shù)Kmin為1.062～1.121,剖面線所在的邊坡均處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

表2 滑坡穩(wěn)定性計算結(jié)果統(tǒng)計

綜上所述,HPa滑坡塊體1和塊體3處于不穩(wěn)定狀態(tài),塊體2處于欠穩(wěn)定狀態(tài);HPb滑坡是基本穩(wěn)定的。

6 結(jié)語

(1)古西滑坡群由HPa、HPb二個滑坡組成,本次研究,主要通過工程地質(zhì)測繪、鉆孔、高密度電法、抽注水試驗、監(jiān)測等手段,基本查清了滑坡群的空間形態(tài)特征、成因及形成機理等。古西滑坡群均屬于老滑坡,為中～深層推移式自然滑坡。

(2)滑坡變形劇烈程度具有明顯的分區(qū)分塊特征,HPa滑坡中塊體1變形特征比較明顯,持續(xù)時間長,變形活動劇烈;塊體2 未發(fā)現(xiàn)明顯的滑動跡象,較為穩(wěn)定;塊體3出現(xiàn)過多次的滑動,滑動破壞較劇烈。HPb滑坡未發(fā)現(xiàn)明顯變形破壞的特征,狀態(tài)較為穩(wěn)定。

(3)滑坡HPa和HPb均處于第三階段(鼓脹階段)?；瑒訋Ю^續(xù)向下擴展,剪應(yīng)力極值仍然發(fā)生在裂縫尖端部位,應(yīng)力集中范圍向前緣擴大,并在前緣坡腳中積累,使坡腳出現(xiàn)鼓脹,坡頂出現(xiàn)明顯的下沉,形成后緣臺階。

(4)經(jīng)穩(wěn)定性分析,查明HPa滑坡塊體1和塊體3處于不穩(wěn)定狀態(tài),現(xiàn)狀處于蠕動變形階段;HPa滑坡塊體2穩(wěn)定性計算結(jié)果處于欠穩(wěn)定狀態(tài),HPa滑坡處于不穩(wěn)定～欠穩(wěn)定狀態(tài)。HPb滑塊處于基本穩(wěn)定狀態(tài),暴雨條件下,將轉(zhuǎn)變?yōu)榍贩€(wěn)定狀態(tài)。