湖北省宜昌市猇亭區人類工程活動與城市地質災害

王孔偉, 李春波, 胡志宇, 胡安龍, 魏 東, 常德龍

(三峽大學 三峽庫區地質災害教育部重點實驗室 土木與建筑學院, 湖北 宜昌 443002)

湖北省宜昌市猇亭區人類工程活動與城市地質災害

王孔偉, 李春波, 胡志宇, 胡安龍, 魏 東, 常德龍

(三峽大學 三峽庫區地質災害教育部重點實驗室 土木與建筑學院, 湖北 宜昌 443002)

[目的] 探討人類工程活動與城市地質災害之間的因果關系，為城市規劃以及城市建設提供理論依據。[方法] 采用現場地質環境調查方法(地質勘查、地質測繪)，對湖北省宜昌市猇亭區人類工程活動形成的地質災害進行調查研究，探討城市建設過程中地質災害形成的主要內、外在因素。[結果] 人工填土是猇亭區滑坡地質災害形成的主要原因，且后期都具有轉變成坡面泥石流的可能性；人工開挖是猇亭區潛在滑坡型不穩定斜坡地質災害形成的主要原因；猇亭區區內與膨脹性黏土巖有關的地質災害同樣與人類工程活動密切相關，按照出露地表淺埋藏以及深埋藏形成不同的變形破壞類型；路面開挖以及路塹開挖造成膨脹性黏土巖大面積臨空，在水的作用下形成塑性變形膨脹，引起路面和陡傾坡面變形破壞。[結論] 人類工程活動是城市地質災害形成發展主要外在因素，同時宜昌市猇亭區所具有的水平(平緩)—層狀—松散的巖土體結構類型是造成城市地質災害的主要內部原因，膨脹性黏土巖的分布進一步加劇了地質災害形成。

城市地質災害; 工程填方; 工程開挖; 膨脹性黏土巖

文獻參數： 王孔偉, 李春波, 胡志宇, 等.湖北省宜昌市猇亭區人類工程活動與城市地質災害[J].水土保持通報，2017,37(1)：297-303.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.052; Wang Kongwei, Li Chunbo, Hu Zhiyu, et al. Engineering activities and urban geological disasters at Xiaoting District in Yichang City， Hubei Province[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(1)：297-303.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.052

近年來，隨著城市基礎建設的進行和人類工程活動的加劇，城區也漸漸成為地質災害的高發地。根據前人研究成果資料顯示[1-3]，發生在城區的地質災害大部分與人類的挖、填等工程活動相關，同時也與特殊巖土體的自身性質相關。該類地質災害的發育特征和破壞機理與自然狀態下的滑坡失穩破壞存在較大差異。

本文擬結合宜昌市猇亭區城區建設過程中最常見的挖、填工程造成對地質環境的影響，對此類工程活動以及特殊巖土體性質所形成的地質災害類型、特征以及形成機理進行研究，以期掌握城市建設過程中地質災害成因、特征以及破壞機理，指導今后城市規劃以及城市建設工作。

1 宜昌市城區地質背景

宜昌市城區位于江漢盆地與鄂西山區的交界部位，江漢盆地是一個白堊—第三紀裂陷型沉積盆地，面積360 km2。

在構造單元上，該盆地位于揚子準地臺上，被秦嶺褶皺系和江南臺隆帶所夾持。在江漢盆地內部，包括12個次級凹陷，其中宜昌主城區就位于枝江凹陷斜坡構造部位，俗稱宜昌斜坡[4]。

宜昌斜坡上出露的地層主要為白堊系和老第三系，其中白堊系與前白堊系之間為超覆角度不整合接觸，呈北東走向、傾向南東的單斜層，成帶狀展布；老第三系與白堊系也為超覆角度不整合接觸，主要分布于龍蟠河以東地區，其內部缺失晚始新世—中新世地層。研究區分布的特殊巖體為具有一定膨脹性的黏土巖巖層，主要分布于老第三系中。整體上宜昌斜坡上老第三紀到第四紀地層系統劃分如下[5]：

(1) 老第三系：從下至上為分水嶺組(Efn)或洋溪組，方家河組(Ef)或梅子溪組。

(2) 新第三系：與下伏地層為角度不整合接觸,稱為掇刀石組(Nd)。

(3) 第四系：呈角度不整合接觸關系覆蓋在以前的地層之上。

在研究區的魏家灣村和七里沖地區通過布置鉆孔，以及新修公路開挖剖面沿線調查，揭露研究區老第三系到第四系特征如下： ① 第四系粉質黏土層，厚度2～10 m； ② 第四系卵石層，厚度5～12 m； ③ 老第三系細砂巖層，厚度2～4 m，局部缺失； ④ 老第三系黏土巖層(具膨脹性)，厚度1～9 m，局部存在剝蝕現象； ⑤ 老第三系砂泥巖互層，厚度3～20 m； ⑥ 老第三系砂礫巖層，未鉆底，揭示厚度最厚20 m左右。

研究區老第三系巖層成巖程度表現為弱固結狀態，產狀近水平，大部分地區與第四系地層呈平行不整合接觸，局部地區呈現微角度不整合接觸，巖層傾角在10°以內，巖土體整體表現為水平(平緩)—層狀—松散的結構特征。

2 工程填方造成的地質災害

宜昌市猇亭區位于山區向平原的過渡地段，地貌組合表現為低山丘陵—寬谷，相對高差為20～50 m，地勢較為平緩，是宜昌城區建設主要規劃區。近幾年隨著城區擴建，也帶來了人為地質災害問題，其中與人工填土相關的地質災害目前存在4處，主要表現為人工填土形成的滑坡災害，其中魏家灣滑坡規模最大，危害最嚴重。

2.1 魏家灣滑坡概況

該滑坡位于長江支流龍盤湖河流的左岸，北緯30°34′39.97″，東經111°26′28.35″，所處區域屬于宜昌斜坡老第三系、第四系分布區，位于長江河谷4級階地之上，地形平緩，相對高差在20～50 m。原始特征為溝谷縱橫的侵蝕丘陵地貌。自2010年以來，該地塊作為工業廠區用地，進行了大量土方回填，回填厚度最大達30 m，并形成兩級平臺結構，分別為162 m平臺和142 m平臺，回填區域邊部形成兩個陡傾人工邊坡，魏家灣滑坡就是142 m平臺邊部陡傾人工邊坡局部大面積下座形成的滑坡。為了查明滑體整體情況，分析評價魏家灣滑坡穩定性，在魏家灣滑坡布設了5個鉆孔，進尺179.1 m，取4組土樣進行室內物理力學試驗。

該滑坡目前狀態表現為平面上呈舌形，剖面上呈凹形(圖1)，后緣高程148 m，前緣高程120 m，坡高28 m，地形坡度6°～13°，滑坡坡向292°。滑坡順坡向長319 m，寬165 m，滑坡平均厚度9.3 m，面積5.30×104m2，總體積5.03×105m3?；挛镔|主要由第四系人工填土所構成，物質成分為黏土和卵石，具有雜亂—松散結構特征。

從魏家灣滑坡橫剖面可以看出，2號鉆孔(WZK02)原始地形為一溝谷，地表出露老第三系砂泥巖互層，缺失老第三系黏土巖，黏土巖被剝蝕，表明魏家灣滑坡的主體物質就是回填于2號鉆孔(WZK02)溝谷處的人工填土堆積層(圖2)，滑坡兩側邊界為原始地形沖溝兩側局部山梁。

2.2 魏家灣滑坡形成機理

魏家灣滑坡的形成受人類工程活動影響和控制，主要表現在： ① 大規模無序人工填土形成高陡臨空面，發生破壞的高陡臨空面主要位于142 m平臺前緣，現已形成緩傾斜坡； ② 人工填土過程沒有碾壓，土體結構松散，地表水滲流強烈； ③ 場地在堆填過程中未修建相應的排水系統，造成原有溝谷雖被后期人工填土所掩埋，但地下仍然是匯水區域，造成該處水動力強度增大，在降雨作用下，回填土方發生下座滑移形成滑坡。④ 魏家灣滑坡下部地層巖性特點也有一定的影響，從滑坡的橫剖面圖中可以看到4，5號鉆孔(WZK4，5)，Q2下面存在有老第三系黏土巖，中間2號鉆孔(WZK2)人工填土下面的黏土層已被剝蝕。上部人工填土層透水性較強，降雨時，雨水將直接通過該層達到下部黏土層。由于黏土層作為隔水層，地下水橫向運動匯聚于原始沖溝2號鉆孔(WZK2)部位，導致人工填土部位土體迅速飽和，土體強度降低，水壓力增大，進而發生下座—滑移破壞。

圖1 魏家灣滑坡縱剖面

圖2 魏家灣滑坡橫剖面

在142 m平臺處的陡坎下座—滑移破壞過程中，滑體不斷向西推移，沿途房屋及各類基礎設施、擋墻、公路路面均遭到破壞，滑坡堆積物前移并覆蓋Q2地層之上，整體形態出現輕微反翹，初步判斷，滑坡前緣再次發生破壞以及發生整體破壞的概率較低，但位于滑坡中后部168 m平臺與142 m平臺陡坎處發生局部破壞的可能性較大。

2.3 魏家灣滑坡穩定性及今后發展趨勢

根據實測縱剖面圖作為穩定性計算剖面，采用傳遞系數法[6-7]和搜索最危險滑動面法[8-9]，運用Slope軟件對魏家灣滑坡穩定性進行模擬計算。

計算過程中的參數選取依據實地勘察、室內試驗和反演綜合取值[10]進行確定，計算參數見表1，計算結果見表2。

計算結果表明魏家灣滑坡基本上不會發生整體性破壞，前緣再次發生局部破壞的可能性也不存在，后援162 m平臺發生局部破壞可能性較大?？紤]到該滑坡實際地形地貌條件、特殊巖土體結構特征以及地下水徑流條件，2號鉆孔(WZK02)原始沖溝上覆人工填土極有可能在暴雨條件下形成坡面泥石流，魏家灣滑坡后期轉變成坡面泥石流可能性是存在的。

表1 滑坡穩定性計算參數選取

采用單溝泥石流危險度評價模型，對魏家灣滑坡后期發展趨勢進行分析。單溝泥石流危險度評價模型是由劉希林[11-13]提出，該模型主要考慮泥石流規模(m)、泥石流頻率(f)、泥石流面積(S1)，主溝長度(S2)，流域相對高差(S3)，流域切割密度(S6)，不穩定溝床比(S9)，共7個評價因子，其中前2個為主要因子，其他5個為環境因子，5個環境因子的值可從流域地形圖上查到。單溝泥石流危險度評價模型的計算公式為：

H=0.29M+0.29F+0.14S1+0.09S2+ 0.06S3+0.11S6+0.03S9

(1) 式中：H——單溝泥石流危險度; M,F,S1,S2,S3,S6,S9——m,f,s1,s2,s3,s6,s9的轉換值，轉換函數見表3。

表3 單溝泥石流危險度評價因子轉換函數

泥石流物源總量確定是泥石流危險性評價的關鍵問題,由于該區域地形坡度在6°～13°，且沖溝內的物質較為單一，均為人工填土，可直接按照人工填土體積進行計算。評價因子轉換值分別為：M=0.901，F=0，S1=0.911，S2=0.266，S3=0.1，S6=0.05，S9=0.3。代入公式(1)計算，坡體所在沖溝內發生泥石流的危險度為0.434。單溝泥石流危險度按布拉德福定律中分為5個等級(表4)，該區域屬于中度危險，具有較大概率發生泥石流災害。

表4 單溝泥石流危險度評價標準

魏家灣滑坡是宜昌市猇亭區典型因人類工程活動誘發的地質災害，初次破壞主要表現為人工填土形成局部下座破壞造成的土質滑坡，目前整體及前緣穩定性較好，162平臺邊緣處于不穩定狀態，在暴雨條件下可能失穩。

針對該滑坡后期演化趨勢研究表明，該滑坡后期轉化成坡面泥石流可能性較大，具有較大概率發生泥石流災害。

3 工程開挖造成的地質災害

宜昌市猇亭區在近幾年的城市建設中，大量開挖土石方，形成眾多人類工程開挖陡傾邊坡，由于這些邊坡的開挖造成自然狀態下平衡體系失穩，衍生出大量與人類工程活動相關的地質災害。猇亭區共計60處地質災害點，其中46處與人類工程開挖活動密切相關。

猇亭區主要城區皆位于老第三系和第四系分布區，區內地層近水平，老第三系巖石成巖程度較低，大多處于弱固結狀態，第四系土體主要為Q2的亞黏土層和卵石層，具有水平結構。巖土體整體上表現為水平(平緩)—層狀—松散結構特點。在自然狀態下經歷長期演化過程，坡體整體表現為平緩(坡角一般小于20°)、相對高差不大的特征，處于一種平衡狀態，地質災害少見。隨著人類工程活動的加劇，工程建設開挖坡腳(如圖3所示)，這種平衡被打破，地質災害數量呈快速增長趨勢。

發育于水平(平緩)—層狀—松散結構巖土體中地質災害其形成機理類似于西北地區的土崩，破壞形式表現為逐級下座，其形成過程與開挖形成的陡傾臨空面密切相關，同時也與大氣降雨關系密切，其崩滑面主要為松散巖土體的飽水界面或者為局部上層滯水的頂界面(如圖4所示)。直至形成與原始斜坡坡角相近的緩坡結構。破壞類型主要表現為滑坡和潛在滑坡型不穩定斜坡為主。其擴展方式表現為以破壞點為基礎逐漸向兩側擴展，在不及時治理的情況下將引起更大范圍的破壞。

圖3 松散巖土體層狀斜坡滑坡人工開挖破壞機理示意圖

圖4 松散巖土體層狀斜坡滑坡地下水位抬升破壞機理示意圖

3.1 對坡頂或坡角建筑物造成危害的潛在滑坡型不穩定斜坡

水平(平緩)—層狀—松散結構巖土體在人工開挖過程中，由于存在層狀水平結構，伴隨開挖過程立刻形成大規模破壞可能性較小，這也是人們長期忽視坡面保護的原因之一。隨著時間的推移，破壞首先從一點或多點開始，逐漸擴展，坡頂破壞寬度隨之不斷加大，最終形成整體坡面破壞，對坡頂或坡角建筑物造成危害。

3.2 對公路鐵路造成潛在危害的不穩定斜坡

在宜昌市猇亭區，正在修建的紫云鐵路以及城區公路開挖路塹，形成眾多高陡邊坡，這些高陡邊坡多為潛在滑坡型不穩定斜坡，局部已經發生破壞，對公路以及鐵路運行安全構成威脅。

總之，宜昌市猇亭區在城市擴建過程中形成了大量人工開挖高陡邊坡，已經采取坡面防護工程的邊坡不足20%，松散巖土體下座滑移引起的地質災害現象普遍存在。

4 特殊巖土體性質造成的地質災害

宜昌市猇亭區特殊的巖土體類型主要指分布于老第三系內部的黏土巖層，具有一定的膨脹性。在自然條件下坡體經過長期演化形成了一種自然平衡狀態，膨脹性黏土巖所引起地質災害并不多見，一旦這種平衡被打破，特別是人類工程活動的加劇，黏土巖膨脹性特點所引起的地質災害呈現多發的特征。

宜昌市猇亭區現有地質災害60處，其中與膨脹性黏土巖相關的地質災害22處，占地質災害總數的36.7%，全部與人類的工程活動相關，地質災害類型表現為潛在滑坡型不穩定斜坡。

4.1 宜昌市猇亭區黏土巖分布范圍

本次研究以調查膨脹性黏土巖分布范圍為首要目標，以地質點調查為主要技術手段，輔助人工開挖地質剖面，建立老第三系具有膨脹性黏土巖剖面特征，確定分布層位，建立橫向對比標準。通過鉆井勘察，進一步查實老第三系黏土巖整體分布特征，建立黏土巖垂向上與其他巖性的過渡關系，并與地表開挖剖面進行對比，形成膨脹性黏土巖空間分布特征和平面相變特征的認識。鉆孔勘察揭露黏土巖主要分布于老第三系的頂部層位，厚度變化較大，最厚位于魏家灣3號鉆井(WZK3)，厚9 m；魏家灣4號鉆井(WZK4)鉆遇黏土巖厚度為5.9 m；5號鉆孔(WZK5)鉆遇黏土巖厚度為3.8 m；魏家灣1號(WZK1)和2號鉆井(WZK2)由于剝蝕造成黏土巖缺失。

七里沖地區的1，2和5號鉆井沒有鉆遇黏土巖層，為其下伏砂泥巖互層和礫巖層，層位局部存在剝蝕現象；3和4號鉆井鉆遇黏土巖層，厚度分別為3.8和5.0 m。

通過老第三系黏土巖垂向以及橫向分布的特征，運用地質填圖工作方法繪制出老第三系膨脹性黏土巖在區內的平面分布。區內膨脹性黏土巖平面分布特征具有北寬南窄的特點，最寬處位于宜昌市猇亭區雞山村9組處；老第三系膨脹性黏土巖最南端分布范圍已經超越宜昌市猇亭區進入到宜昌市高新區白洋鎮善溪沖村，該處老第三系黏土巖厚度在0.8～1 m，相比北部宜昌市猇亭區六眼沖村和黃龍寺村所見此層厚度明顯減薄。

4.2 黏土巖物質成分及膨脹性分析

現場采取樣品送中國地質大學國家重點實驗室進行了X-射線衍射分析和自由膨脹率檢測，X-射線衍射分析表明老第三系膨脹性黏土巖的礦物質成分以蒙脫石為主(70%)，其次是伊利石(10%)和綠泥石(2%)，同時含有一定量的礦物碎屑成分，分別為石英(15%)和長石(2%)。

根據自由膨脹率評價標準[14](表5)和研究區野外露頭及鉆孔取樣自由膨脹率分析結果(表6)，表明老第三系黏土巖膨脹性表現并不一致，主要表現為弱膨脹性，局部試樣表現為中高膨脹性，其中膨脹性最高的黏土巖分布于猇亭區高家村到宜昌三峽機場一帶。自由膨脹率由高家村到三峽機場沿線的84%～128%(中高膨脹性)降低為張家灣路附近的55.5%～64.5%(低膨脹性)。黏土巖上下層位的粉砂質黏土巖自由膨脹率明顯下降僅為17.0%～44.5%。

表5 自由膨脹率劃分標準

4.3 宜昌市猇亭區膨脹性黏土巖與地質災害關系

宜昌城區老第三系膨脹性黏土巖中的黏土礦物成份以蒙脫石為主，水穩性極差，當巖體中含水量增加時，強度明顯下降，粘聚力下降比摩擦角下降更明顯，同時，膨脹性黏土巖中裂隙發育，水進入膨脹性黏土巖層中，不僅增加了重量，使支撐面荷載加大，引起巖層軟化，力學強度迅速降低，導致干縮巖體體積增大，堆擠力提高，促進了蠕動速度的加快，一旦形成臨空面，變形迅速，引起建筑物變形甚至破壞。

表6 宜昌猇亭區老第三系黏土巖自由膨脹率檢測結果統計

宜昌城區猇亭區高家村到黃龍寺村沿線人類工程活動強烈，主要為坡腳開挖建房或者坡頂加載，開挖坡腳改變了原有的地形地貌，使得坡腳臨空，從而最終導致該膨脹巖沿臨空面變形產生局部破壞形成不穩定斜坡。坡頂加載，在膨脹巖地基沒有處理好的情況下，可使建筑地基發生位移,因此導致房屋開裂，公路變形形成地質災害。

4.3.1 膨脹性黏土巖分布區加載引起建筑物變形 根據黏土巖埋藏深度分兩類： ① 出露地表或淺埋藏，根據對當地居民點的調查顯示，當膨脹性黏土巖埋藏深度小于5 m的情況下，上覆建筑物將發生程度不同的變形破壞； ② 深埋藏，當膨脹性黏土巖埋藏深度大于5 m的情況下，上覆建筑物一般不發生變形破壞。

黏土巖出露地表或埋藏較淺，不規范建筑修建，將黏土巖作為了地基持力層，黏土巖膨脹變形導致上覆建筑物開裂。如地基開挖較深，將膨脹性黏土巖挖除，黏土巖下層砂巖或砂礫巖作為地基持力層，未出現房屋開裂現象。

黏土巖埋深在5 m以上，地表未出露情況下，黏土巖未能與水接觸，即使存在臨空面，上部房屋基本不存在變形破壞現象。

4.3.2 路面變形現象普遍 區內路面開挖不徹底，殘留部分膨脹性黏土層，引起混凝土路面變形破壞，特別是村級公路，資金投入不足，路面變形現象普遍。

路塹開挖形成陡傾人工臨空面，黏土巖存在變形空間，在降雨條件下，水體入滲作用情況下，產生臨空膨脹變形，造成上覆地層傾倒下座變形破壞。

總之，宜昌市猇亭區膨脹性黏土巖分布范圍具有北寬南窄的特點，整體走向近南北向；區內黏土巖礦物成分以蒙脫石為主，其中具有中高膨脹性的黏土巖主要分布于猇亭區高家村到宜昌三峽機場沿線；區內與膨脹性黏土巖有關的地質災害主要與人類工程活動密切相關，按照出露地表淺埋藏以及深埋藏形成不同的變形破壞類型；同時路面開挖以及路塹開挖造成膨脹性黏土巖大面積臨空，在水的作用下形成塑性變形膨脹，引起路面和陡傾坡面變形破壞。

5 結 論

(1) 魏家灣滑坡是研究區典型因人類工程活動造成的地質災害，初次破壞為人工填土形成的局部土體下座—滑移型滑坡，目前整體及前緣穩定性較好，162平臺邊緣處于不穩定狀態。該滑坡后期轉化成坡面泥石流的可能性較大。

(2) 宜昌市猇亭區在城市擴建過程中形成了大量人工開挖高陡邊坡，已經采取坡面防護工程的邊坡不足20%，松散巖土體下座—滑移引起的地質災害現象普遍。

(3) 宜昌市猇亭區膨脹性黏土巖分布范圍具有北寬南窄的特點，整體走向近南北向；黏土巖礦物成分以蒙脫石為主，其中具有中高膨脹性的黏土巖主要分布于猇亭區高家村到宜昌三峽機場沿線。

(4) 區內與膨脹性黏土巖有關的地質災害主要與人類工程活動密切相關，按照出露地表淺埋藏以及深埋藏形成不同的變形破壞類型；同時路面開挖以及路塹開挖造成膨脹性黏土巖大面積臨空，在水的作用下形成塑性變形膨脹，引起路面和陡傾坡面變形破壞。

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Engineering Activities and Urban Geological Disasters at Xiaoting District in Yichang City， Hubei Province

WANG Kongwei, LI Chunbo, HU Zhiyu, HU Anlong, WEI Dong, CHANG Delong

(KeyLaboratoryofGeologicalHazardsonThreeGorgesReservoirAreaofMinistryofEducation,CollegeofCivilEngineering&Architecture,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443002,China)

[Objective] The aim of the study is to investigate the relationships between engineering activities and urban geological disasters, and provide help for the urban planning and construction. [Methods] Based on the on-site geological environment survey(geological exploration, geological surveying and mapping), we studied the geological disasters caused by engineering activities at Xiaoting District in Yichang City， Hubei Province and probed into the internal and external factors causing these disasters. [Results] Artificial excavation was the main cause of potential landslides on unstable slopes. Artificial refilling is the main cause of landslides with a potential to develop into debris flow. Geological disaster related to the expansive clay soil are also closely related to engineering activities. The excavation in road construction leads expansive clay soil to be unstable and to swell under the impact of rainfall, thus causing the road and steep slope deformation and failure.[Conclusion] The engineering activities are the main external factors causing the geological disasters. The flat, laminated and loose structure of the rock and soil mass, and the distribution of expansive clay soil are the internal factors of geological disasters.

urban geological disasters; engineering filling; engineering excavation; expansive clay rock

2016-05-16

2016-06-13

水利部公益性行業科研專項經費項目“岸坡安全生命周期診斷評價與防護新技術示范”(201401029); 國家自然科學基金重點項目“復雜條件下庫岸邊坡變形破壞機理及其防護”(51439003); 三峽大學研究生科研創新資助項目(2015CX021)

王孔偉(1966—),男(漢族),山東省臨朐縣人，博士，副教授,主要從事地質災害成因機理研究。E-mail:wangkongwei@126.com。

胡志宇(1978—),男(漢族),湖北省宜都市人，碩士，講師,主要從事地質災害成因機理研究。E-mail:7588867@qq.com。

A

1000-288X(2017)01-0297-07

P694