鴨塘水庫紅層順層緩傾滑坡形成機制分析與穩定性評價

朱鵬程，徐昊，李中明，吳少飛

摘 要 紅層在我國分布廣泛，其邊坡穩定性是工程建設中經常面臨的問題。紅層通常孕育順層緩傾滑坡地質災害，具有規模大、隱蔽性強、成災機理多樣等特點。本文以醴陵市鴨塘水庫滑坡為例，對其形成機制進行了分析，對其穩定性進行了評價。評價結果表明水庫長期滲水是該滑坡發展的一個重要因素，其穩定性與后緣裂隙貫通率、滑帶泥化率及后緣裂隙充水高度密切相關，超過臨界值，坡體將會失穩。對以后紅層區庫區選址、設計蓄水位確定、防滲處理工作具有一定指導意義。

關鍵詞 水庫;緩傾滑坡;紅層;形成機制;穩定性評價

中圖分類號：P644.22 文獻標識碼：A

Formation Mechanism Analysis and Stability Evaluation of Slow-inclination-bedding Landslide in Red-beds of Yatang Reservoir

Zhu Pengcheng， Xu Hao， Li Zhongming， Wu Shaofei

（Team 214 of Hunan Nonferrous Metals Geological Exploration Bureau， Zhuzhou Hunan 412007）

Abstract： Red beds are widely distributed in China， and slope stability is often faced in engineering construction. The red beds usually leads to geological disasters of bedding gentle slope landslide， with the characteristics of large scale， high concealment and various disaster mechanisms. Yatang reservoir landslide in Liling City was taken as an example， formation mechanism was analyzed and its stability was evaluated. The results show that the long-term water seepage of the reservoir is an important factor in the development of landslide. The stability is closely related to penetration rate of trailing edge cracks， argillization rate of sliding zone and water filling height of the trailing edge cracks. When the parameter exceeds the critical value， the slope will lose stability.

Keywords： reservoir; slow-inclination landslide; red beds; formation mechanism; stability evaluation

紅層是指中生代以來的湖相、河流相、河湖交替相或是山麓洪積相等陸相碎屑沉積地層，多以軟硬巖互層出現，以砂巖、泥巖、粉砂巖以及泥質巖、砂質巖為主[1]。由于其地質年齡較短，歷經的構造運動較弱，巖層產狀平緩，在工程建設中常被誤認為穩定性良好，未及時處置。但紅層巖體強度低、親水性強、軟硬互層、差異風化、易崩解的特性，反而造成地質災害頻發，常發生規模較大的順層巖質滑坡。

針對紅層滑坡，前人進行了廣泛深入的研究。根據巖層傾向與坡向之間的夾角大小將緩傾紅層邊坡分為三類：順層坡、順層斜向坡、反向坡[2-3]，對其破壞模式及失穩機理進行了較為翔實的總結，但鮮有涉及庫區紅層邊坡。本文在總結鴨塘水庫滑坡地質環境條件、基本特征的基礎上，對其形成機制及穩定性進行了分析和評價，以期為紅層區類似水利工程規劃建設及除險加固提供參考。

1 滑坡區地質環境條件

鴨塘水庫滑坡位于醴陵紅色盆地西側，構造剝蝕丘陵地貌，丘頂渾圓，整體坡度10°～15°，地形北高南低，滑坡體所在山頂標高約82.0 m，下方水渠標高約46.4 m。滑坡體上部有一條廢棄多年的土渠（原酒埠江水庫北干渠支渠），滑坡體下方為灌溉水渠和農田。滑坡區坡體除僅表層有較薄的第四紀殘坡積層外，主要由白堊紀上統戴家坪組（K2d）的紅色泥巖、粉砂巖軟硬相間互層組成，風化程度中等，巖層產狀165°∠7°～10°，巖體中存在兩組優勢結構面：節理①;產狀N80°～85°E·SE∠85°～86°;節理②;產狀N10°～15°E·NW∠72°～74°，節理延長10～15m，寬0.2～0.5cm。

鴨塘水庫于1958年建成并投入運行，設計蓄水位70m，庫容2.4×106 m?，屬無設計和未按規范要求施工的工程。水庫壩體及接觸帶、山體上部土渠等未采取防滲處理措施或防滲處理質量差，運行過程中散浸、沖刷、滲漏問題嚴重，多年來險情不斷，汛期表現尤為突出，針對該問題采取過多種處理措施，但處理效果不佳[4]。近年來，根據庫水位監測資料，庫水位超過65m標高后，多處出現異常滲漏。

2 滑坡基本特征

2.1 滑坡形態與規模

該滑坡發生于2019年7月9日主汛期，位于水庫主壩體東北側山體。滑坡后緣以廢棄的土渠為界，后緣下挫形成約1 m高的滑坎，裂縫寬度0.1～0.4m;通過淺井、探槽等手段揭露，裂縫近乎豎直，向下不收斂，形成豎向空洞。滑坡前緣以下方灌溉渠道為界，滑塌物導致渠道被掩埋。滑坡兩側有明顯的剪切裂縫，水泥路被剪斷。滑坡前緣高程46～48 m，寬約160 m，后緣高程68～70 m，寬約100 m，滑坡縱向長110m，主滑方向約170°。滑體厚度約5～8 m，滑坡面積約0.013 km2，滑體方量約1×105 m?，達到中型規模（圖1）。

滑坡造成村民養豬場房屋、水泥公路等多處開裂，前緣土石方掩埋灌溉渠道約30 m，影響2個行政村農業灌溉。如任由其發展，極大可能會繼續滑動，威脅水庫運行安全，一旦造成潰決，后果嚴重，對水庫下游居民的生命財產安全造成威脅[5]。

2.2 滑帶特征

滑坡后緣位置通過探井已經揭露滑帶，為泥化夾層，飽水，軟塑至流塑狀，產狀受巖層面控制，厚度只有2～3 cm。滑體中部鉆孔巖芯受多種因素擾動，很難發現滑帶。滑體前緣沿滑動帶可見明顯的滲漏、管涌現象。下部滑床為細砂巖，飽和單軸抗壓強度約20 Mpa[5]，強度相對較高。

2.3 滑坡變形及演化

根據資料、訪問及調查，水庫在1958年建成并投入運行后，壩體與壩基接觸帶散浸、滲漏嚴重，不能達正常蓄水位運行，影響工程經濟效益與社會效益的正常發揮。1974年對壩體采用了培厚加高及在內坡腳用水泥砂漿護面，外坡壩腳壓浸與開排水溝的處理措施;1975年對壩體進行了劈裂灌漿處理，但處理效果均不佳;1999年6月汛期，現滑坡前緣位置產生崩塌，體積約900 m3，沿上部土渠產生張拉裂縫，土渠隨之廢棄。

2005年2月庫水位67m時，閉閘密實，下方灌溉水渠實測滲漏量0.3 L/s;2008年4月，距外坡壩腳20 m范圍內山體（現鴨塘水庫滑坡位置）集中滲漏點4處，單處滲漏量0.01～0.03 L/s，下方3畝（1畝=666.7m2）農田常年浸沒。2017年巡查制度建立以來，發現汛期庫水位超過65 m后，下方灌溉水渠滲漏嚴重，單處滲漏量達2.0～2.5 L/s。

2019年7月上旬，醴陵市累計降雨量達288.3 mm，庫水位最高達到67 m，下方灌溉水渠實測滲漏量達到10 L/s，6月9日，滑坡發生。

3 滑坡形成機制分析

3.1 誘發因素

滑坡的誘發因素眾多。內因主要有地質構造、地層巖性、地形地貌等;外因主要有地震、凍融、降雨、滲流、差異風化及人類工程活動等。造成本滑坡產生的原因主要有以下幾個因素：

（1）地層巖性。

坡體主要由白堊紀戴家坪組（K2d）的紅色泥巖、粉砂巖軟硬相間互層組成，中等風化，存在兩組近垂直的豎向張性節理面，巖層順層傾角7°～10°。泥巖滲透性較小，為相對隔水層，遇水易軟化，長期浸泡可泥化，物理力學性能顯著降低，形成潛在滑動面。

（2）坡腳開挖。

山體原始地形平緩，發生滑坡的可能性小，在坡體前緣修建灌溉水渠，開挖坡腳，形成較陡的臨空面，為滑坡產生提供了空間條件。

（3）長期滲流。

鴨塘水庫壩體及接觸帶、山體上部水渠等未采取防滲處理措施或防滲處理質量差，巖層透水率q=12.0～16.7 Lu，屬中等透水巖層。建庫以來，滲漏問題嚴重，幾十年的散浸滲流導致坡體出現管涌、潛蝕。另外，長期滲流導致泥巖層易溶鹽或膠結物溶解，巖層軟化。

（4）持續性強降雨。

歷史罕見的持續性強降雨導致庫區水位超高，巖土體重度增加，裂隙充水，在裂縫中形成較大的水壓力，造成下滑力增大。而滲流形成浮托力，并不斷浸泡軟化或泥化泥巖，抗滑力減小。

3.2 滑坡形成機制

滑坡所在坡體巖層中等風化，豎向節理較發育，巖層產狀平緩，為7°～10°，砂、泥巖互層結構。坡體前緣修建水渠形成較陡的臨空面，改變了坡體應力狀態，使坡體后方沿節理面形成豎向張拉裂縫。水庫蓄水運行后，整個滑坡區域坡體普遍存在散浸與滲漏，近年來，隨庫水位升高滲漏量增大并呈現異常滲漏，說明長期滲流造成下部泥巖軟化、泥化，并帶走其中細粒組分，造成管涌、潛蝕現象，日積月累，下部巖層面逐漸貫通轉化為軟弱夾層，形成潛在的滑動面。在罕見連續強降雨作用下，庫水位超高運行，后緣張拉裂縫充水形成較大的水壓力，最終，坡體沿該軟弱夾層產生滑動（圖2）。

4 穩定性評價

4.1 評價方法

根據上述滑坡特征，該滑坡為緩傾的平面巖質滑坡，采用極限平衡分析法，本文對其穩定性評價采用《建筑邊坡工程技術規范GB50330—2013》推薦的平面滑動面邊坡穩定性評價方法，其計算模型如圖3所示：

式中：Fs—滑坡穩定性系數;

T—滑體單位寬度重力及其他外力引起的下滑力;

R—滑體單位寬度重力及其他外力引起的抗滑力;

c—滑面的黏聚力（kPa）;

—滑面的內摩擦角;

L—畫面長度（m）;

G—滑體單位寬度自重（kN/m）;

Gb—滑體單位寬度豎向附加荷載（kN/m）;

θ—滑面傾角（°）;

U—滑面單位寬度總水壓力（kN/m）;

V—后緣陡傾裂隙面上的單位寬度總水壓力（kN/m）;

Q—滑體單位寬度水平荷載（kN/m），方向指向坡外時取正值，指向坡內時取負值;

hw—后緣陡傾裂隙充水高度（m），根據裂隙情況及匯水條件確定。

4.2 穩定性評價

根據滑坡的形成機制，將后緣陡傾裂隙貫通率k1（d/D）、滑帶泥化率k2（l/L）、后緣陡傾裂隙充水高度hw及滑帶強度（c、j）等作為變量進行分析，分別評價其對穩定性的影響。

滑坡穩定性分析所需巖土力學參數來源于勘查、設計報告[5-6]，總結如表1：

（1）假定滑帶已全部泥化，后緣裂縫在坡體土渠滲漏、下滑拉力等作用下形成，以后緣裂隙貫通率k1（后緣裂縫貫通深度/滑動時后緣裂縫深度，d/D）為變量進行分析，后緣裂隙處巖體飽和抗拉強度取飽和抗壓強度的1/20，裂隙深度d全部充水，可得圖4關系曲線：當后緣裂隙貫通率達到0.75時，該滑坡達到臨界狀態，裂隙繼續發展，將發生滑坡。因此，對后緣裂縫進行封填，避免后緣充水，對該滑坡穩定有利。

（2）假定后緣裂縫已完全貫通，滑帶在地下水長期滲流（庫水位持續高位）或持續強降雨作用下發生軟化，然后泥化，以滑帶泥化率k2（泥化帶長度/滑帶總長度，l/L）為變量進行分析，可得圖5關系曲線：即以后緣長期充水高度hw=5 m為例分析，當泥化率接近0.57時，該滑坡達到臨界狀態，若繼續浸水，將發生滑坡。因此，庫水位長期高位運行及持續性降雨不利于滑坡穩定。

（3）假定后緣裂縫全部貫通及滑帶軟化均已完成，在短期暴雨或庫水位超高因素作用下，后緣裂隙短時間充水高度hw作為變量進行分析，可得圖6關系曲線：當后緣裂隙短時間充水高度接近7.4 m時（若不考慮降雨，只考慮蓄水導致庫水位升高，此時庫水位接近設計蓄水位70 m），該滑坡達到臨界狀態，若庫水位繼續上升或降雨強度更大，則該滑坡產生。因此，庫水位短期超高運行及特強暴雨均會導致滑坡產生。

5 結論及建議

通過野外勘查，室內綜合分析，得出如下結論與認識：

（1）鴨塘水庫紅層順層滑坡受后緣陡傾裂隙貫通率、滑帶泥化率影響明顯，其臨界值分別為0.75、0.57（hw=5 m時）;為阻止滑坡繼續發展，建議對后緣裂縫用灰土進行夯填。

（2）水庫長期帶病運行，坡體長期滲流是造成該滑坡發生的主要誘發因素，建議對水庫壩體、山體后方水位消落帶進行防滲處理。

（3）該滑坡在治理及水庫防滲處理前，建議水庫蓄水水位不超過65 m（滲水嚴重），達到設計蓄水位70 m時，極易使該滑坡繼續發展，導致潰決，造成重大損失。

（4）該滑坡從建庫到發生滑動經歷了60多年演化，時間漫長，本文對其形成機制及穩定性進行了分析，對今后紅層區庫區選址、設計蓄水位確定、防滲處理工作具有一定指導意義。

參考文獻/References

[1]李暢，任光明，韓愛果，等.第三系緩傾角紅層滑坡基本特征及形成機制研究[J].水利與建筑工程學報，2017，15（4）：112-116.

[2]胡厚田，趙曉彥.中國紅層邊坡巖體結構類型的研究[J].巖土工程學報，2006，28（6）：689-694.

[3]蔣正，倪化勇，宋志.重慶豐都縣城區紅層邊坡變形破壞模式與穩定性評價[J].中國地質災害與防治學報，2018，29（6）：23-32.

[4]王漢君，青志斌，余克毅，等.鴨塘水庫除險加固初步設計階段工程地質勘察報告[R].湖南省水利水電勘測設計研究院，2008.

[5]談治林，朱鵬程等.醴陵市泗汾鎮鴨塘水庫滑坡地質災害治理工程詳細勘查報告[R]. 湖南省有色地質勘查局二一四隊，2019.

[6] 朱鵬程，孟明超，覃東樂等.醴陵市泗汾鎮雙塘社區鴨塘水庫滑坡地質災害治理工程施工圖設計[R].湖南省有色地質勘查局二一四隊，2019.