陜西省南秦嶺典型土質滑坡形成機制及風險評價
——以商洛市山陽中學滑坡為例

高 波, 張茂省, 賈 俊, 張成航

(1.國土資源部 黃土地質災害重點實驗室, 陜西 西安710054; 2.中國地質調查局 西安地質調查中心, 陜西 西安 710054)

陜西省南秦嶺典型土質滑坡形成機制及風險評價
——以商洛市山陽中學滑坡為例

高 波1,2, 張茂省1,2, 賈 俊1,2, 張成航1,2

(1.國土資源部 黃土地質災害重點實驗室, 陜西 西安710054; 2.中國地質調查局 西安地質調查中心, 陜西 西安 710054)

[目的] 對陜西省南秦嶺典型土質滑坡形成機制及風險進行研究和評價，為該區地質災害的防治提供支持。 [方法] 以陜西省商洛市山陽縣山陽中學滑坡為研究對象，通過現場調查、勘察及室內試驗開展研究。 [結果] 山陽中學滑坡現處于基本穩定狀態，但不排除遭遇極端氣候下復活的可能，滑坡復活概率為7.45%。 [結論] 區域地殼差異性運動是山陽中學滑坡形成的內動力因素；降雨是該滑坡啟動的主要外在誘因；滑坡威脅范圍內人員在最大風險中喪命的年概率為：1.70×10-3。

山陽中學; 滑坡; 形成機制; 風險分析

陜西省南秦嶺是我國地質災害的重災區之一，歷年來滑坡災害嚴重[1-3]，其中山間斷凹盆地內由地殼差異性運動及巖體風化等原因形成的土質滑坡分布廣泛，人民群眾生命財產安全受到嚴重威脅。為此，開展該區域內土質滑坡的形成機制及風險評價研究可為此類滑坡災害防治及風險減緩提供依據。山陽中學滑坡位于陜西省山陽盆地北側，山陽縣城關鎮山陽中學后，為典型土質滑坡。20世紀80年代遭受多次連續強降雨，加之坡體前緣磚廠開挖取土導致滑坡局部發生滑移。近兩年每逢雨季滑坡體均有不同程度的變形，給滑體周圍居民生產和生活帶來危害，嚴重威脅滑坡前緣山陽中學本部教學樓及在校師生的生命財產安全。本文通過現場調查、鉆探及室內試驗，查明了山陽中學滑坡巖土體結構特征及物理力學性質，在分析滑坡形成條件和發育特征基礎上，結合滑坡區域地質演化背景及降雨資料，研究了該滑坡形成機制，并初步分析了山陽中學滑坡的風險性。

1 滑坡區地質環境概況

山陽中學滑坡屬南秦嶺東西向流嶺山脈南側低山斜坡及縣河階地地貌，屬山陽斷凹盆地北緣。物質組成以黏土為主，局部為山間坡積物、殘積物及河谷沖積物。滑坡區南側為EW向山陽深斷裂，陡傾N，為一多期活動的逆斷層。北側為NW向商南深斷裂，陡傾NE，為逆斷層。南北兩條斷裂構造之間即為秦嶺褶皺系禮縣—柞水華力西褶皺帶。滑坡就處于該褶皺帶上，屬山陽斷凹盆地。盆地內有厚度較大的白堊系紅色碎屑巖沉積。受構造作用影響白堊系巖層產狀與地形斜坡同向南傾，構成不穩定斜坡。第四紀以來，區域內間歇性脈動上升，不利于山體穩定[4]。據《中國地震烈度區劃圖》，滑坡區屬遠震區，基本烈度為Ⅵ。整個山陽縣境內未發生過破壞性地震。自明代以來，研究區內共發生<5級的小震及微震19次。據《陜西省一般建設工程地震動參數表》，滑坡區地震峰值加速度微0.05 g。滑坡區地層巖性主要有白堊系碎屑巖和第四系碎石土和黏土。兩者不整合接觸。白堊系分布于滑坡區北部低山斜坡區。巖性主要紅褐色礫巖、砂礫巖為主，鈣質膠結，膠結程度較高，較堅硬。該套地層厚度較厚，大于200 m。第四系不整合于白堊系礫巖、砂礫巖之上，以粉質黏土、黏土為主，局部夾砂礫石薄層。厚度約為5～15 m。

2 山陽中學滑坡發育特征

2.1 滑坡形態特征

山陽中學滑坡位于山陽縣城關鎮山陽中學北側，地處縣河(豐陽河)北側三級階地上。滑坡后緣高程754 m，前緣高程718 m，高差36 m，斜坡總體坡形為凹形，上陡下緩，坡度20°～25°，坡向186°，坡面中部下凹兩側高，為土質斜坡，坡體上覆黃褐色、褐紅色第四系粉質黏土、含砂礫黏性土，下伏基巖為第三系磚紅色砂礫巖，產狀210°∠25°。坡面植被較差，為荒草地(圖1)

滑坡體長約150 m，寬約200 m，厚約5 m，面積3×104m2，體積1.5×105m3，滑向186°，平面形態為矩形，剖面為凹形，屬于中型粘性土滑坡，滑坡體為第四系沖洪積粉質黏土、含砂礫黏土，主滑面為上部堆積層與基巖接觸面，次級滑面為層內土體分界面和剪切破壞面，目前滑動變形主要位于上部淺層滑面上，滑坡體上主要建筑為磚廠，前緣即為山陽中學教學樓，公寓樓(圖2)。

圖1 山陽中學三維地形地貌和滑坡全貌圖

圖2 山陽中學滑坡中部平臺開挖出露次級滑帶

2.2 滑坡變形特征

根據調查訪問，滑坡體初次滑動時間為1971年山陽中學建校后；1984年7月連陰雨、暴雨后，在滑坡后緣形成3條弧形拉張裂縫，主裂縫長120 m，寬0.6～0.8 m，錯坎高1～1.5 m，滑動距離2～3 m，損壞校舍6間；1987,1988年雨季，坡體西側下滑明顯，附近水塔變形漏水。目前由于磚廠下部切坡挖方，坡體產生多級橫向陡坎，高0.5～1 m，可見滑痕，滑體中部下滑明顯，形成洼地，土體較濕，含水量高。滑體上部樹木歪斜，墳墓變形。現今，由于磚廠取土燒磚，坡體左側出現數條長大拉張裂縫，裂縫上寬下窄，最大寬度15 cm(圖3)。

圖3 山陽中學滑坡左翼長大拉張裂縫

2.3 滑面及滑帶土特征

根據現場工程地質鉆探、隨鉆監測結果分析可知，該滑坡為淺層土質滑坡，鉆探揭露該滑坡滑帶出露深度約5～7 m(圖4)。滑面為為紅色黏土，滑面以上紅色黏土，潮濕，硬塑狀態，裂隙發育；畫面以下紅色黏土，結構致密，硬塑狀態，可見擦痕。滑帶土巖性為黏土，黃褐色，可塑—軟塑狀態，搓條而不斷裂，土質細膩均勻，厚度1～5 cm。

圖4 山陽中學ZK2鉆孔巖芯編錄

隨鉆監測數據亦能驗證上述判斷，如圖5所示，為隨鉆監測ZK1，ZK3,ZK4,ZK5,鉆頭鉆入全過程(剔除提鉆及其它非鉆進時間)，表征鉆頭在地層中的深度隨時間的變化，其中縱坐標為鉆進深度(m)，橫坐標為鉆進時間(min)。圖5中曲線的梯度表示鉆頭在此孔中的鉆入速度。通過分析曲線，鉆頭鉆速的變化，表征地層鉆進的難易程度，曲線斜率變化處表征地層巖性變化，通過如下4個鉆孔的曲線分析，可知，山陽中學滑坡軟弱帶(滑帶)深度分布在5～7 m處。與鉆孔巖芯編錄實際情況基本吻合。

圖5 山陽中學滑坡隨鉆監測全過程曲線

3 滑坡成因分析

3.1 滑坡形成的地形地貌條件

山陽中學所在城關鎮南北側均有深斷裂通過，南側2 km為東西向山陽深斷裂，北傾，傾角60～80°，為一多期活動的逆斷層。北側則有NW-SW向商南深斷裂，傾向NE，傾向NE，傾角60°～80°，為逆斷層。2條斷裂多次活動，造成地形高差增大。第四紀以來，該區間歇性脈沖上升，時而河流下切侵蝕，造成陡岸，岸邊地層失水，時而又形成河流堆積[4]。總的趨勢是河流下切幅度大，兩岸形成向河傾斜的階梯狀抬升地形，尤其縣河3級階地，其階面向南傾斜坡度很大，約15°～25°。這種地形為滑坡的形成提供了有利的地形地貌條件。

3.2 滑坡物質來源與結構成因

山陽中學所在三級階地上部為粘性土，透水能力差，具有膨脹性，浸水后膨脹，失水后產生許多干縮裂縫及微細裂隙，為雨水下滲準備了通道。據野外觀察，土體漲縮裂縫集中發育深度2～5 m，集中降雨時，雨水沿裂縫下滲至2～5 m，因下部黏土已無漲縮裂縫，水分無法繼續下滲，聚集在2～5 m范圍內，由于水的潤滑和軟化作用，在此形成軟弱帶，在其他因素配合下，上部土體沿此軟弱帶下滑。

3.3 滑坡誘發因素分析

山陽中學1972年在滑坡前緣開挖坡腳，修建學生宿舍，是滑坡前緣臨空，為滑坡形成創造了有利的空間條件。當地居民利用滑坡后部弧形后壁和后緣開挖墓穴，增加了降雨入滲的機會。

滑坡區屬多雨濕潤氣候，雨水沿干縮裂縫下滲，一則增大了土體容重，加大坡體的勢能，二則雨水下滲改變土體塑形狀態，形成軟弱帶，降低土體的摩擦力和黏聚力，最終失穩下滑。山陽中學滑坡1984年及以后幾年雨季所出現的變形破壞跡象，即因此形成。

綜上所述，山陽中學滑坡的形成是多因素綜合作用的結果。滑坡體上覆第四系黏性土與下伏白堊系碎屑巖體不整合接觸，兩者工程、水文性質差異巨大，因而在兩者之間易形成滑動面。滑坡土體黏性土，滲透性差，致使坡體在持續降雨條件下易飽和，提高了滑體容重，增加下滑力，孔隙水壓力增高導致有效應力降低，降低滑坡穩定性。降雨是該滑坡發生的主要誘發因素。

4 滑坡風險分析

根據滑坡現場調查并結合滑坡勘察分析，近幾年滑坡體上裂縫數量與寬度均有所增長，滑坡中部平臺磚廠持續多年的開挖取土燒磚，導致滑坡后緣不斷溯源侵蝕，早期滑坡后緣修筑的截水溝已被損毀，現今滑坡體土質疏松，坡面地表水極易下滲，在雨季滑坡有大規模在此滑動的可能，因此開展危險性分析和風險評價對坡體前緣山陽中學師生的生命財產安全具有重要的實際意義。

山陽中學滑坡風險分析主要包括滑坡危險性評價、承災體易損性評價、滑坡風險評價3個方面。其中，滑坡危險性評價包括：滑坡穩定性分析、滑坡影響范圍分析、滑坡失穩概率計算；承災體易損性評價包括承災概率計算和承災體價值損失率計算；承災體價值損失計算是對各類承災體在遭受災害前可能產生的價值損失進行計算。最后，用總風險值來量化滑坡災害的潛在損失程度[5-8]。計算公式為：

R=PF·PL·RL·C

(1)

式中:R——滑坡總風險值；PF——滑坡失穩概率；PL——承災概率；RL——價值損失率;C——價值。

4.1 山陽中學滑坡危險性評價

單體滑坡危險性評價過程主要包含:(1) 滑坡穩定性分析；(2) 滑坡影響范圍分析；(3) 失穩概率分析。

4.1.1 滑坡穩定性分析 山陽中學滑坡穩定性分析采用定性分析與定量評價相結合。定性分析基于野外調查資料的綜合判斷；定量計算根據鉆探，槽探取樣分析資料及實測計算剖面的有關資料，選取有代表性的計算參數，采用極限平衡法進行穩定性計算。

(1) 定性分析。坡體組成物質為黏土和粉質黏土，具有膨脹性，膨脹土脹縮裂隙發育深度2～5 m，與鉆探揭露滑面埋藏深度基本一致，集中降雨時，雨水沿裂縫下滲至2～5 m，因下部黏土已無漲縮裂縫，水分無法繼續下滲，聚集在2～5 m范圍內，由于水的潤滑和軟化作用，在此形成軟弱帶，滑坡土體性質是有利于滑坡的形成。根據鉆孔揭露，坡體上沒有連續的地下水。因此，可判斷集中降雨后，降水極易變成地表徑流排除滑坡區外。地下水對滑坡發生不起主導作用。現場調查，坡體上存在多級人工修整的平臺，斜坡坡度放緩，坡體表部植被較少，滑體中間的局部地帶及左側邊界有少量拉張裂縫，系磚廠開挖取土所致，其余大部地區未見拉張裂縫，滑坡體后部修筑3條排水溝，現已損毀。滑坡現今整體變形破壞跡象不明顯。綜合分析，認為該滑坡體一般情況下處于穩定狀態，但在持續強降雨條件下，滑坡可能發生。

(2) 定量計算。滑坡穩定性計算中，選取滑坡主滑方向實測縱剖面在Geo-Slope軟件中進行運算，用Morgenstern-Price法計算。考慮到該滑坡體在持續強降雨情況下易發生滑動，故在計算時考慮天然狀態及飽和狀態分別進行。根據鉆探取樣土工試驗資料，按不同地貌單元進行分層統計分析，得出滑坡區，滑帶土，滑體土，滑床土中黏土，粉質黏土的物理力學性質指標參數。天然狀態下滑坡穩定性計算時，選取天然土重度值為18.6 kN。天然土剪切殘余強度值，黏聚力值為8.8 kPa，內摩擦角值為7.5°。雨季飽和狀態下滑坡穩定性計算時，選取土的飽和重度值為19 kN，重塑土剪切強度，內聚力值5.5 kPa，內摩擦角值4.2°。該區地震烈度為6°，據現場勘查滑坡體處于潛水位以上，所以不考慮地震力和孔隙水壓力。計算結果表明，天然狀態下，K=1.99，說明天然狀態下山陽中學滑坡是穩定的；飽和狀態下，K=0.95。說明持續強降雨情況下，山陽中學滑坡整體處于不穩定狀態。

4.1.2 滑坡影響范圍分析 從山陽中學滑坡基本地質特征分析，滑坡前緣已位于山陽中學最北側教學樓處，整體看，前緣剪出口較高，滑體中部次級滑帶剪出口位于滑坡體中部平臺，磚廠取土場。因此，從滑坡變形特征和發展趨勢分析，正南方向為滑坡主要變形剪出方向，如果滑坡體大規模快速剪出，可能威脅前緣山陽中學教學區多棟教學樓的安全，因此，需要在滑坡變形特征定性分析的基礎上，利用定量化模型估算滑體快速滑動的最大距離。

滑坡滑移距離預測，前人通過研究，提出了多種預測模型，包括利用滑坡后緣高程和前緣高程作為參數的經驗公式；奧地利學者[9]通過統計的方法提出以滑坡垂直滑落高度，水平距離和滑坡體積為參數的預測模型；日本學者[10]通過分析不同體積的滑坡資料，依據滑坡垂直滑落高度，水平滑移距離與滑坡體積的關系，提出滑移距離預測模型；國內眾多學者[11-13]也分別提出了相應的滑移距離預測模型。

根據山陽中學滑坡特殊的地形地貌特點，選取以下3個模型進行滑移距離預測，模型為：

模型1：基于前后緣高程的經驗公式：

S=2(H1-H2)

式中：S——滑距(m)；H1——滑坡后緣高程(m)；H2——滑坡前緣高程(m)。

模型2：基礎滑坡體積的模型：

lg(H/L)=-0.094 lgV+0.1

式中：H——滑體垂直滑落高度(滑坡前后緣高差)(m)；L——水平滑移距離(m)；V——滑動體的體積(m3)。

(3) 模型3：基于滑坡物理力學參數的模型

L=n·H/(0.5 tanΦ)

式中：L——滑坡體最大水平滑移距離(m)；H——滑坡前，后緣高差(m)；n——滑坡滑出條件系數，根據經驗取0.2；Φ——土體的內摩擦角。

根據上述計算方法，計算結果詳見表1。

表1 3種模型滑坡失穩漏移距離計算結果

根據滑坡水平位移理論計算結果并結合現場實際情況，修正滑坡影響范圍，滑坡發生整體滑動最大影響范圍約12 000 m2。

4.1.3 滑坡失穩概率分析 滑坡的失穩概率即滑坡發生的概率，是評價滑坡危險性的重要依據之一。滑坡破壞概率分析常用方法有:Monte Carlo模擬法、可靠指標法、統計矩近似法、隨機有限元法等，本文分析主要采用Monte Carlo模擬法。Monte Carlo法基本思想如下：設狀態函數為安全系數Z=G(X)=F，根據對穩定性的影響程度選取隨機變量。影響滑坡穩定的因素較多，對滑坡穩定可靠度分析成果影響最大的主要是抗剪強度指標黏聚力C和內摩擦角φ。隨機地從變量C,φ中分別抽取一個樣本點，形成一組樣本值(Cj，φj)，代入狀態函數求得一個安全系數的隨機樣本F′，如此重復，直至達到預期精度的充分次數N，就可得到N個相對獨立的安全系數樣本值F1，F2，…，FN。安全系數所表征的極限狀態為F=1，設在N次試驗中出現F≤1的次數為M，則斜坡的破壞概率為[5-6,9-11]：

PF=P(FS≤1)=M/N

(2)

根據山陽中學滑坡實際情況，選取計算剖面在Geo-Slope軟件中進行模擬運算，采用Morgenstern-Price法計算：滑坡平均穩定性系數為1.027 9，失穩概率為7.45%。

4.2 山陽中學滑坡承災體易損性評價

易損性是在滑坡影響地區，一個或多個對象受破壞或損害的程度，是承災體屬性的表現。承災體易損性評價包括承災概率計算和承災體價值損失率計算[14]。 (1) 承災概率。當特定風險的滑坡發生時，空間影響范圍的概率，在定量分析中，如果滑坡將要達到或者影響到承災體所在的位置，那么承災概率是1。根據前述滑坡影響范圍分析可知，考慮滑坡整體滑動最大影響范圍，滑坡體整體滑動到達最遠距離即到教學區最北側教學樓處，對教學區內其他教學樓影響較小。因此承災體承災概率PL=1。 (2) 承災體價值損失率。承災體在遭受特定災害后的破壞程度，用破壞損失的價值與承災前原有價值之比表示。根據現場調查，山陽中學滑坡承災體為學生，教師，教學樓及其他附屬建筑。考慮到山陽中學教學樓為鋼混結構，受滑坡沖擊影響較弱，因此，本文承災體主要考慮人員損失。參考前人研究已有成果[15]，對人員價值損失率進行賦值。據滑坡的體積，以及他撞擊房屋的可能速率，估計滑坡體撞擊后房屋內人員死亡的價值損失率為0.4。

4.3 滑坡風險評價

考慮學生一天在教室時間16 h，一周6 d，故學生的時空概率為：

P(S:T)=16/24×6/7=0.571 7

(3)

滑坡到達承災體(學校教學樓)的概率為：

P(L)=1

(4)

根據滑坡的體積，以及他撞擊房屋的可能速率，估計滑坡體撞擊后房屋內人員死亡的易損性為：

V(D:T)=0.4

(5)

考慮公式(1)中RL×C表征為價值損失，體現到人員損失可體現為：P(S:T)·V(D:T)

故綜合上述分析，人員在最大風險中喪命的年概率可：將式(2—5)帶入(1)中，即得：

P(LOL)=P(F)·P(L)·P(S:T)·V(D:T)

=(0.007 45)×(1)×(0.571 7)×(0.4)

=1.703 6×10-3

5 結 論

(1) 綜合分析滑坡類型、滑體結構、發育特征，山陽中學滑坡是陜西省南秦嶺具有代表性的土質滑坡。

(2) 區域地殼差異性運動是滑坡形成的內動力因素，降雨則是導致滑坡發生的主要外在誘因。

(3) 根據現場調查及室內分析計算，該滑坡現處于基本穩定狀態，但不排除遭遇極端氣候下復活的可能，滑坡復活概率為7.45%，分析了該滑坡風險性，山陽中學滑坡災害個體生命風險為每年1.703 6×10-3。

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Risk Assessment and Formation Mechanism for Typical Soil Landslide in South Qinling Mountains of Shaanxi Province —Taking Shanyang School Landslide as an Example

GAO Bo1,2, ZHANG Mɑoshenɡ1,2, JIA Jun1，2, ZHANG Chenɡhanɡ1,2

(1.KeyLaboratoryforGeo-hazardsinLoessArea,MLR,Xi’an，Shaanxi710054,China; 2.Xi’anCenterofGeologicalSurvey,ChinaGeologicalSurvey,Xi’an，Shaanxi710054,China)

[Objective] Studying on the formation mechanism and risk assessment of typical soil landslide in South Qinling Mountains can provide technical support for the prevention of geological disasters in the region. [Methods] The Shanyang School landslide in Shaanxi was selected as an example，the formation conditions and distribution characteristics were analyzed through in situ investigation, survey and laboratory test. [Results] The results show that Shanyang School landslide is in a stable state, the landslide may be revive suffered extreme climates, and resurrection probability is 7.45%.[Conclusion] Regional differences in the crustal movement are the inner dynamic factor of the landslide, and rainfall is the main induced factor of landslide. The maximum personnel risk probability is 1.70×10-3in the threats range.

Shanyang school； lanslide; formation mechanism； risk assessment

2016-07-04

2016-10-11

中國地質調查局地質調查項目“陜西省重要城鎮地質災害調查”(12120113008900)； 中國地質調查局地質調查項目“秦嶺及寧東礦產資源集中開采區地質環境調查”(12120111000150022)

高波(1981—)，男(漢族)，山西省長治市人，碩士，工程師，主要從事地質災害調查防治風險評估等方面的研究。E-mail:43617102@qq.com。

10.13961/j.cnki.stbctb.20160912.001

A

1000-288X(2016)06-0097-05

P642

文獻參數： 高波, 張茂省, 賈俊, 等.陜西省南秦嶺典型土質滑坡形成機制及風險評價[J].水土保持通報，2016,36(6)：097-101.