皖南山區典型順層古滑坡形成機制研究

潘國林, 潘 茜, 洪天求

(1.安徽省公益性地質調查管理中心,安徽 合肥 230001; 2.合肥工業大學 資源與環境工程學院,安徽 合肥 230009)

皖南山區典型順層古滑坡形成機制研究

潘國林1,2, 潘 茜1, 洪天求2

(1.安徽省公益性地質調查管理中心,安徽 合肥 230001; 2.合肥工業大學 資源與環境工程學院,安徽 合肥 230009)

鳥雀坪古滑坡位于皖南山區歙縣岔口鎮,近年來,由于人類工程活動的加劇及受極端強降雨天氣影響,古滑坡堆積體出現局部復活的跡象。文章從地形地貌特征、坡體物質組成、構造形態和坡體前緣河谷岸坡的演化趨勢等4個方面對鳥雀坪古滑坡進行了分析研究,采用離散元法對鳥雀坪古滑坡形成過程進行了反演模擬。結果表明,鳥雀坪古滑坡從坡體形成到破壞共經歷斜坡表面卸荷回彈、塑性彎曲段形成、潛在滑移面形成和滑坡破壞失穩4個階段,滑坡形成機制為滑移-彎曲式。

滑坡;形成機制;數值模擬;皖南山區

皖南山區位于安徽省南部,處于東經116.5°～119.5°、北緯29.5°～31.2°之間。地貌以中低山為主,地形起伏大,區內構造發育,巖石風化破碎嚴重,降雨量大且集中,每年均產生一定數量的滑坡,是安徽省地質災害主要發育區[1-2]。在這些災害點中,有很大一部分為古滑坡體復活,因此,對該區古滑坡體的形成機制及穩定性進行研究有助于地質災害防治。

目前,國內外研究者主要從滑坡形成的內外部條件及相互作用因素角度考慮,通過現場監測、室內物理模擬實驗和數值模擬等方法研究滑坡的形成機制與變化規律,對滑坡進行定量的分析研究已成為主流[3-13]。但皖南山區滑坡以往的研究成果多見于定性評價,定量分析很少,對古滑坡體的形成及演化研究更少[14-20]。因此,本文選擇區內鳥雀坪古滑坡體作為研究對象,用定量分析的方法對其形成機制進行了探討。

1 滑坡區基本概況

鳥雀坪滑坡位于歙縣岔口鎮周家村,其遙感影像圖如圖1所示,古滑坡體邊界呈圈椅狀、特征明顯,后緣可見滑坡壁,前緣伸入大源河,兩側以沖溝為界。滑坡體縱向上呈“陡—緩—陡”階梯狀形態,平面上下寬上窄呈舌狀形態,坡度一般在15°～45°之間,坡向353°。按微地貌形態,可將斜坡體分為3個區:Ⅰ區,高程440～645 m,坡度約為33°;Ⅱ區,為平均坡度15°的緩坡平臺,平臺寬度130 m,為居民主要居住地;Ⅲ區,為40°～45°堆積體斜坡,高約200 m。現今滑坡體復活跡象主要出現在Ⅱ區和Ⅲ區。古滑坡為中傾順層邊坡;巖層面走向與坡面近一致;傾角部分與坡面平行,部分大于坡角;在滑坡體后緣部位基巖整體產狀為NE40°/NW∠40°,滑坡體前緣側溝處基巖整體產狀為NE50°～65°/NW∠40°～60°。

圖1 鳥雀坪滑坡遙感影像圖

2 古滑坡判別依據

古滑坡的演化過程與其地貌特征和坡體結構等密切相關,均是內、外地質營力綜合作用的結果。本文主要利用地質地貌分析方法,根據滑坡前、后緣分布高程、被覆蓋的堆積物分布情況、地形地貌及坡體結構特征等來判定是否為古滑坡。

(1) 地形地貌。鳥雀坪滑坡具有典型的古滑坡地貌特征,例如,后緣存在弧形陡壁,陡壁下部存在一級或多級緩坡或平臺,平臺下方為斜坡且多朝大源河的方向凸出,致使大源河在此處形成一個大的拐彎,推測為曾經發生的滑坡災害造成堵河,潰壩后形成現在的河流形態。

(2) 坡體覆蓋堆積物分布。坡體堆積物分布整體存在分區性,與地貌分區相吻合,鳥雀坪滑坡典型工程地質剖面圖如圖2所示。

滑坡后緣下第1級平臺(Ⅰ區)上覆的堆積體較薄,物質組成主要為碎塊石及粉土,碎塊石塊徑1～5 cm,物質顆粒細、分布均勻、塊徑小,推斷可能為滑坡發生時后緣崩落的崩坡積塊碎石及巖屑顆粒就地堆積;Ⅱ區和Ⅲ區分布較多大的塊石,塊徑一般在5～10 cm,最大塊石可達0.8 m左右,尤其是Ⅲ區,堆積物最厚,含較大塊石最多,推斷可能由于較大的塊石具有較大動能,滾動最遠,因而在坡體前緣呈雜亂排列,形成鼓脹的“舌部”。

圖2 鳥雀坪滑坡典型工程地質剖面圖

(3) 坡體構造特征。滑坡后壁基巖裸露,巖壁表面光滑,可見擦痕及拉斷破壞;后壁下方堆積了大量的碎塊石,推斷可能由崩滑形成;在滑坡后緣下側可見沿層面形成的階梯狀拉張裂縫,張開5～8 cm,裂縫中有巖塊及巖屑充填,由此判斷基巖中存在順層滑動的跡象;在由沖溝揭露的滑坡前緣部位巖體彎曲破碎,巖體層面產狀由NW25°/SW∠50°逐漸變為NE5°/NW∠55°,揉皺現象明顯,如圖3所示。現場調查時其他地方并沒有如此變形現象,因此推斷該現象不應為構造作用所致,而是由于滑坡作用的結果。

圖3 滑坡體前緣巖體產狀

由以上特征判定鳥雀坪滑坡前期曾經發生過滑動,且為一個巖質古滑坡,現今堆積體的滑塌為古滑坡堆積體的局部復活。

3 古滑坡破壞機制

鳥雀坪古滑坡是在相當長的地質歷史時期中形成的,坡向為順向坡,巖層傾角大于坡度,基巖巖性為薄—中厚層狀千枚巖,巖性較軟,工程地質性質較差。在漫長的自然歷史演化過程中,抬升的坡面在自重應力作用下產生卸荷回彈,同時坡腳受河流下切沖蝕作用,最終在坡肩部位產生巖層拉裂。在強降雨或地震等作用下,巖體沿著其軟弱結構面發生滑移-彎曲變形,形成滑坡。本文根據鳥雀坪滑坡的特征和工程地質條件,選用UDEC離散元程序軟件對鳥雀坪古滑坡的形成過程進行如下反演模擬。

3.1 計算模型

以位于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分區中軸線的工程地質剖面圖為藍本,對鳥雀坪滑坡原始地形進行還原,如圖4所示。

按巖體受風化程度和軟弱程度將坡體劃分為以下4個區:①區,為風化最強的坡表層,屬散體-碎裂結構帶;②區,為風化較弱的區域,屬塊裂結構帶;③區,為受河流水入滲的巖體軟化區域;④區,為基巖區。

圖4 鳥雀坪滑坡離散元計算模型

3.2 計算參數選取

選取彈塑性力學模型,根據工程地質類比進行巖體及結構面物理力學參數的確定,結果見表1、表2所列。

表1 鳥雀屏滑坡4個分區巖體力學參數取值

表2 鳥雀屏滑坡結構面力學參數取值

3.3 離散元結果分析

離散元模擬結果如圖5所示。當模型計算到3×104步時,在重力作用下,由于潛在滑面的存在,坡體有下滑的趨勢,而坡腳處巖體由于受河水侵蝕等作用,物理力學性質較差,從而為坡體變形提供了可能,坡體后緣的巖體在下滑力作用下形成拉裂縫。隨著計算時步的增加,坡體的變形程度不斷增大,當計算到5×104步時,坡腳巖體開始出現較為明顯的彎曲,而坡體后緣巖體的拉裂縫則進一步增大。

當計算到8×104步時,坡頂有少量巖體滾落,拉裂縫持續增大,坡體輕微滑移,導致坡底巖體受壓彎曲,巖體局部產生與巖層斜交的破裂面。當計算到10×104步時,坡表累進性破壞明顯,坡表裂縫數量增多,坡體后緣裂縫完全貫通至滑移面,同時,坡底巖體由于彎曲而導致地表輕微隆起,河道受到彎曲巖層的影響而有明顯的變形。

由于坡底巖體塑性彎曲,鎖固段應力進一步集中,當迭代進行到15×104步時,坡表產生明顯滑移,同時坡底巖體彎曲程度加大,隆起進一步增大,開始有崩落體落入河中,河道局部被堵塞。當迭代進行到20×104步時,坡體嚴重滑移,坡底巖體被強烈擠壓而彎曲直至斷裂,河道被坡表滑落和滾落的巖塊完全堵塞。

圖5 鳥雀坪滑坡變形破壞過程離散元模擬結果

綜上可知,鳥雀屏滑坡是由于順層傾坡外的巖層在重力作用下產生滑移,并對坡底塑性區造成擠壓,使得坡底表層巖體隆起,進一步為上部巖體的滑移創造條件,導致滑移-彎曲的循環作用,由此而至破壞。

離散元模擬計算反映了鳥雀坪滑坡從緩慢變形—啟動—滑動和停止堆積的全過程。鳥雀坪滑坡變形破壞過程大致可以分為4個階段,每個階段的變化特征如下:

(1) 斜坡初始形成,表面卸荷回彈階段。這一時期河流強烈下切,鳥雀坪斜坡體岸坡不斷被加高、坡度變陡。抬升的岸坡水平應力相對降低,重力作用凸顯,巖體發生卸荷作用,造成坡體局部應力集中,使巖體整體向臨空面方向回彈。斜坡的巖性為千枚巖、千枚質變質砂巖,工程地質條件較差,由于差異卸荷回彈的作用,巖體開始沿千枚理、構造節理、裂隙形成一定的軟弱面。這是產生順層滑移的初步階段。

(2) 坡體繼續回彈,塑性彎曲形成階段。滑坡體繼續卸荷回彈,坡體上部沿著軟弱結構面發生滑動,使坡肩拉裂縫寬度增大,數量增多。由于下部巖體受到上部巖體的擠壓而發生塑性彎曲,坡體下部向外鼓出。

(3) 滑坡下部巖體鼓出隆起,彎曲折斷,形成潛在滑移面階段。滑坡體后緣拉裂縫寬度進一步增大,數量進一步增加。由于河流的切割作用,使下部彎曲巖體暴露在較陡的臨空面中,巖體進一步彎曲,最后發生強烈的變形,向臨空方向鼓出、隆起,并伴隨巖體的折斷。折斷的巖體與軟弱結構面連通,形成了潛在的危險滑移面。

(4) 滑面貫通,滑坡整體發生失穩破壞階段。軟弱結構面與彎曲折斷面進一步貫通,滑移面形成,推測在某次暴雨工況下,滑帶抗剪強度降低,滑坡發生。滑坡發生后,坡體滑移而下,堵塞了前緣的大源河,致其發生河流改道。

4 結 論

本文對鳥雀坪滑坡堆積體進行了詳細的野外調查和分析,從地形地貌形態、坡體物質組成、地層巖性、構造形跡以及河流演化過程等方面確認該滑坡為古滑坡;利用UDEC離散元軟件對鳥雀坪古滑坡進行坡體結構分析和地形反演,并對計算結果進行分析,認為鳥雀坪滑坡為古滑坡堆積體局部復活形成的堆積層滑坡,由地層巖性、地質構造等內因和河流侵蝕等外因共同作用而形成,滑坡的形成過程經歷了斜坡表面卸荷回彈、塑性彎曲形成、潛在滑移面形成和滑面貫通4個階段。

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(責任編輯 張淑艷)

A study of formation mechanism of typical bedding ancient landslide in mountainous area of southern Anhui

PAN Guolin1,2, PAN Qian1, HONG Tianqiu2

(1.Public Geological Survey Management Center of Anhui Province, Hefei 230001, China; 2.School of Resources and Environmental Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Niaoqueping ancient landslide is located in the Chakou Town of Shexian County in mountainous area of southern Anhui. In recent years, local ancient landslide has revived because of the human engineering activities and heavy rainfall. In this paper, Niaoqueping ancient landslide is analyzed from the perspectives of the terrain characteristics, slope material composition, structure and morphology, and evolutionary trends of slope leading edge. The formation process of Niaoqueping ancient landslide is reappeared through the discrete element method. The results show that the deformation and failure process of Niaoqueping ancient landslide can be divided into four stages: rock mass unloading, plastic bending developing, sliding surface developing, and integral failure of the landslide. The formation mechanism of the landslide belongs to sliding-bending type.

landslide; formation mechanism; numerical simulation; mountainous area of southern Anhui

2016-01-11；

2016-04-05

安徽省國土資源廳公益性地質工作資助項目(2010-g-30)

潘國林(1980-),男,安徽南陵人,安徽省公益性地質調查管理中心高級工程師,合肥工業大學博士生; 洪天求(1953-),男,安徽懷寧人,博士,合肥工業大學教授,博士生導師,通訊作者,E-mail:hongtianqiu@sina.com.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.08.023

P642.22

A

1003-5060(2017)08-1128-05