永登縣苦水鎮大路村滑坡發育特征及穩定性評價

許泰, 鄂崇毅, 蔣興波, 郜云峰, 付利釗

(1.隴東學院新能源學院, 慶陽 745000; 2.青海師范大學青藏高原地表過程與生態保育教育部重點實驗室, 西寧 810008;3.青海師范大學地理科學學院青海省自然地理與環境過程重點實驗室, 西寧 810008; 4.高原科學與可持續發展研究院, 西寧 810008;5.甘肅省地質環境監測院, 蘭州 730050; 6.河北省第一測繪院, 石家莊 050031)

黃土滑坡是西北地區常見的地質災害,中國30%的滑坡災害發生在黃土地區,由于其隱蔽深、分布廣、危害大,造成大量的人員傷亡和財產損失,已經嚴重影響到人民群眾的正常生活與地方的經濟建設。中國學者在認識黃土滑坡的發育特征與形成機理,開展滑坡穩定性評價工作等方面一直處于領先地位,取得了一系列豐碩的成果。谷天峰等[1]早在2013年就提出一種耦合二維力學分析模型的區域斜坡評價方法,該方法可同時獲得區域二維安全系數分布圖和最危險滑動面的位置和規模,為區域尺度下斜坡的穩定性有效定量評價提供了新思路,具有廣泛的應用價值。白朝能等[2]、呂文斌等[3]幾乎在同一時間對湟水河南岸張家灣特大型滑坡的發展過程、形成機理等進行了分析,均將該滑坡劃分為兩區四期,分別采用有限元軟件數值模擬和數值計算軟件與極限平衡法和Midas/GTS有限元數值模擬評價了不同期次滑坡在不同工況條件下的穩定狀態。劉利星等[4]引入約束錐對黃土滑坡穩定性影響因素進行約束,利用錐比率數據包絡模型(C2WH)對黃土滑坡穩定性進行評價,得到了各評價單元的相對穩定性,并對其穩定性進行了全排序。李泊良等[5]選擇TRIGRS模型和Scoops3D模型評價淺層黃土滑坡在降雨、地震以及兩者耦合下的穩定狀態,并通過混淆矩陣法和受試者工作特征曲線法對預測結果進行評價,驗證了降雨、地震及其耦合效應下黃土滑坡穩定性評價結果的適用性。劉暢等[6]采用電法探測和數值模擬方式對稅灣黃土滑坡在不同工況下的穩定性進行評價與分析。易志強等[7]采用數值分析方法研究了含有水平軟弱夾層黃土滑坡的變形破壞特征、形成機制及失穩破壞啟動角度。孔慶等[8]采用野外勘查和室內分析手段對練家溝黃土斜坡的成因、失穩范圍及形成機制進行分析,在此基礎上采用不平衡推力傳遞法與連續介質快速拉格朗日差分(fast Lagrangian analysis of continua,FLAC)強度折減法對其穩定性進行評價。永登縣處于中國黃土高原西部與青藏高原東北部的過渡地帶,同時也屬于隴西沉降盆地與祁連山支脈東延間交錯的過渡區域[9]。境內地貌環境較為復雜,地質災害分布廣泛、發生頻繁,尤其是滑坡在境內發育嚴重[10]。雖然有學者系統研究了永登縣苦水鎮潛在地質災害的分布特征,以斜坡作為基本評價單元,通過遴選各類指標對風險性進行分區評價[11-13],卻鮮有針對某一具體滑坡的發育特征及穩定性開展深入研究。

大路村滑坡位于永登縣苦水鎮大路村1社東側,其地理坐標為103°34′40″E～103°59′20″E,35°49′30″N～36°06′40″N。大路村滑坡作為現代滑坡(1996年夏)的典型代表,發生時向前滑動了3 m,是苦水鎮區內唯一發育的一處滑坡災害,認識該滑坡發育特征及開展穩定性評價工作極為重要。現將永登縣大路村1社滑坡作為典型地質災害勘查點,通過詳細的實地調查,重點分析和研究該滑坡發育特征和形成機制,并評價其穩定性和圈定危險覆蓋范圍。這對進一步完善永登縣境內黃土滑坡的形成機制,隱患早期識別和風險防控具有一定的指導意義,同時也可為境內其他斜坡體的潛在破壞形式研究和綜合治理提供科學依據。

1 滑坡區地質環境概況

1.1 地貌特征

侵蝕堆積黃土丘陵和侵蝕堆積河谷是大路村滑坡所在區域的主要地貌類型。勘查區東側是由黃土梁峁組成的侵蝕堆積黃土丘陵[圖1(a)],黃土覆蓋于白堊系、第三系地層之上。海拔在1 850～1 900 m,山坡坡度小于20°,地形切割較弱,溝谷多呈較開闊的U字形,谷寬300～450 m,峁圓呈群狀,梁直且寬圓,溝谷平均切割深度達到100～200 m,切割密度為0.1～0.7 km/km2。侵蝕堆積河谷分布于勘查區西側[圖1(b)],呈南北向平行展布,地形開闊平坦,由北向南傾斜。其中Ⅰ、Ⅱ級階地保存完好,Ⅲ級階地多有破壞。Ⅰ級階地高出河水面1～5m,階地階面寬0.2 km。Ⅱ級階地在現代河床兩側均勻分布,高出河水面5～20 m,階地階面寬0.2～0.7 km。Ⅲ級階地高出河水面20～40 m,階地階面寬0.1～0.5 km。

圖1 勘查區地貌Fig.1 Geomorphology of prospecting area

1.2 地層巖性、新構造運動

沿古構造體系局部地段繼承性復合是區內新構造運動的具體體現,受河西系控制,莊浪河河谷階地發育,這充分揭示了河西系在古近紀至今仍在活動。莊浪河谷發育五級階地,其中Ⅰ、Ⅱ級形成于全新世,Ⅲ～Ⅴ級形成于上更新世。高出河床依次為:Ⅰ級2 m、Ⅱ級19 m、Ⅲ級27 m、Ⅳ級42 m、Ⅴ級57 m,反映了上更新世以來多次的地殼抬升運動河流侵蝕切割作用。莊浪河河谷西側階地較東側發育,說明西側上升幅度比東側大,繼承了河西系的活動特征。

1.3 巖土體類型

1.3.1 巖體類型

中厚層-薄層較軟至軟弱砂巖夾黏土巖巖組在滑坡區東側呈片狀分布,由白堊系河口群紫紅色的砂巖、泥巖互層夾透鏡狀砂巖組成。此巖組中泥巖較為軟弱,砂巖質地堅硬。干重度一般介于23.1～24.0 kN/m3,干抗壓強度80～470 kPa,軟化系數0.3～0.6,內聚力11～46 kPa,內摩擦角36°～38.2°。

層狀軟弱-較硬砂巖、泥巖巖組分布于滑坡區山前斜坡地帶,由白堊系河口群和古近系紫紅色砂巖、泥巖互層夾透鏡狀砂巖組成,中厚-薄層狀結構。該巖組中砂巖質地堅硬,而泥巖較軟弱,抗壓強度介于11～50 MPa,屬于不良工程地質巖組。

1.3.2 土體類型

粉土-砂礫土雙層土體分布于河谷Ⅰ～Ⅲ級階地、一級支溝溝谷及盆地底部,具有二元結構,上部為粉土,下部為砂礫土。

粉質黏土-粉土互層土體分布于滑坡區東側丘陵區,隨原始地形起伏厚度的變化而發生變化。土體結構疏松,成分以石英和長石為主,大孔隙,無層理,垂直節理發育,處于軟塑-可塑狀態。

1.4 水文地質條件

基巖裂隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水和松散巖類孔隙水是滑坡區內的3種地下水類型。武勝驛西北部的基巖裂隙水,分布不均、埋藏淺,地下水接受降水補給后,散布于基巖內的網狀裂隙通道,富水性弱,地下徑流模數小于1.0 L/(s·km2),以潛流或泉的形式在地勢低洼處排泄。雷壇河一帶的白堊系、第三系紅色砂巖、砂礫巖地層中分布碎屑巖類孔隙裂隙水,并形成層間孔隙裂隙潛水或承壓水,補給源有降水、裂隙水和地表水,富水性非常弱,地下徑流模數均小于0.1 L/(s·km2),以泉的形式排泄。松散巖類孔隙水主要分布在莊浪河谷地及區內各大型溝谷中的砂礫卵石、碎石中,接受大氣降水、農田灌溉及西北部基巖裂隙水或碎屑巖類孔隙裂隙水補給,以潛流或人工開采往外排泄。

經野外現場勘查,本次鉆孔及探井均未揭露地下水,不穩定斜坡區內水文地質條件總體上較為簡單,地表水補給來源主要為大氣降水,此外由于坡體坡度較陡,大氣降水能夠沿著坡體快速排出,地下水總體相對較為貧乏。

2 大路村1社滑坡發育特征及成因分析

2.1 滑坡形態特征

滑坡地形總體東高西低,呈傾斜狀。以黃土體是否發生變形破碎作為圈定滑坡邊界的依據,其沿滑坡體邊界分布,如圖2(a)與圖2(b)所示。平面上呈“圈椅”狀,該滑坡長約90 m,寬約90 m,主滑方向265°,覆蓋層厚度約5.0 m,滑體體積約為40 500 m3,屬小型淺層黃土滑坡(表1)。滑坡體前緣高程約為1 693 m處,后緣高程在1 743 m左右,相對高差約50 m;滑坡后緣陡坎高7.0～8.0 m,坡度約38°,側壁高2～3 m,坡度約63°,出露馬蘭黃土,如圖2(c)所示。北側見滑動面產狀265°∠63°,滑體錯落4～5 m,形成兩級后緣平臺,南側后緣平臺寬10 m,發育拉張裂縫形成寬0.5～1 m的凹槽,北側后緣平臺寬2 m,拉張裂縫形成錯落小坎,發育落水洞。底部白堊系砂巖中發育兩組剪切節理,一組產狀258°∠63°,寬1.25 m,長1.90 m,開口約2 mm,一組產狀280°∠68°,寬1.38 m,長0.76 m,開口約1 mm。

表1 大路村1社滑坡基本特征表Table 1 Basic characteristics of landslide in Dalu Village 1

圖2 大路村1社滑坡形態Fig.2 Form of landslide in Dalu Village 1

2.2 滑坡要素及變形特征

鉆孔資料顯示大路村1社滑坡滑體以黃土與粉土混雜堆積物為主,局部夾有雜填土,厚度5～10 m,如圖3(a)所示。據已有勘查資料及現場勘查結果,滑坡滑面呈凹面,總體呈上陡下緩,滑面總體坡度較陡,如圖3(b)所示。滑面后部較陡,前緣坡度較緩,滑體運動形式為前部先滑,引起后部滑動的牽引式滑坡。經鉆探證實與滑床界面較清晰,滑帶厚度0.5～0.8 m,多為粉土充填,暗黃色,結構松散。滑床均為黃土,滑體下部覆蓋于莊浪河四級階地沖積二元結構地層之上,局部段粉土層由于失穩下滑,使得滑體局部夾雜粉土。

圖3 大路村1社滑坡滑體特征Fig.3 Characteristics of the landslide in Dalu Village 1

大路村1社滑坡體坡度較陡,高差較大,為滑坡滑動形成了動力勢能和移動空間,其后滑坡壁拉張裂縫、節理裂隙發育,表明滑坡體的變形加劇,滑坡體中上段發育大量落水洞,導致前緣剪出口隆起現象的產生。

2.3 巖土體物理力學性質

滑體巖性以黃土與粉土混雜堆積物為主,局部夾有雜填土。在室內對滑坡土體物理力學指標進行了測試(表2),發現滑坡土體的天然重度ρ=14.7～15.1 kN/m3,滑坡土體抗剪強度的內聚力C=11.5～13.6 kPa,內摩擦角φ=21.76°～22.97°。

表2 大路村1社滑坡滑體土物理力學性質指標Table 2 Indexes of physical and mechanical properties of landslide soil in Dalu Village 1

2.4 滑坡成因分析

大路村1社滑坡位于莊浪河Ⅳ級階地前緣,坡腳臨空,坡度陡,具備了發生滑動的地形條件。斜坡地層上部為黃土、下部為沖積二元結構,黃土結構松散,垂直節理發育,具有濕陷性,遇水軟化、崩解,屬于易崩易滑地層。

強降雨及坡頂灌溉使坡體局部大量充水,形成一定厚度具有動水壓力的臨時性含水層。旱季時臨時性含水層的厚度發生變薄甚至消失現象,原先被浸泡軟化的土體動水壓力降低或消減,使滑帶土失水硬化。常年季節性的干濕交替作用,導致巖土體的性狀發生劇烈變化,極大的減弱了滑帶土抗剪強度,這會對斜坡的穩定性產生不利影響。不合理的人為開挖坡腳,破壞了坡體原有的應力分布,使得坡體臨空,易引發滑坡地質災害發生。此外,地震對斜坡的誘發也極為重要,雖然該斜坡目前處于基本穩定狀態,但遇地震也極易失穩。

3 滑坡穩定性分析和評價

3.1 定性分析

現場調查分析發現大路村1社滑坡整體處于欠穩定狀態。坡體宏觀變形跡象明顯,局部崩塌、坡腳開挖較為嚴重,坡頂長期灌溉,不利于滑坡的穩定。若遇強地震、暴雨,滑體滑動的可能性較大。

3.2 定量計算

根據坡體的力學運動平衡原理與土體莫爾強度理論,通過傳遞系數法可以定量驗算滑坡體的穩定性[14-16]。按照主滑方向對按照滑動面起伏變化將滑體剖面分割為若干條塊[17-19]。根據滑坡土體巖性以碎石土與粉土混雜堆積物為主,局部夾雜填土,可以認為滑體為均質土體,故采用折線型滑動法[20]對滑坡進行穩定性驗算具有可行性。

3.2.1 計算穩定性系數

(1)

Rn={Wn[(1-rv)cosan-Asinan]-

RDn}tanφn+CnLn

(2)

Tn=Wn(sinan+Acosan)+TDn

(3)

(4)

ψj=cos(ai-ai+1)-sin(ai-ai+1)tanφi+1

(5)

式中:K為穩定性系數;Wi為第i條塊的重量,kN/m;rv為孔隙水壓力比(因為滑體是局部含水,沒有形成統一的水位,故本次不計);ai為第i條塊滑動面傾角,(°);A為地震加速度,g(g為重力加速度);RDi為滲透壓力產生的垂直滑面分力;φi為第i條塊的內摩擦角,(°);Ci為第i條塊的內聚力,kPa;Li為第i條塊的滑面長度,m;ψj為第i塊段的剩余下滑力傳遞至第i+1段時的傳遞系數(j=i);Rn為第n(最后)條塊的抗滑力,kN/m;TDi為滲透壓力產生的平行滑面分力;Tn為第n(最后)條塊的下滑力,kN/m。

3.2.2 計算工況

工況Ⅰ:自重;工況Ⅱ:自重+地震;工況Ⅲ:自重+暴雨。

暴雨標準:按照《滑坡防治工程設計與施工技術規范》(DZ/T0219—2006),暴雨強度按10 a,重現期按50 a[21]。

地震荷載標準:按照《建筑抗震設計規范》(GB50011—2010),永登縣設防烈度為8度,地震動峰值加速度按50～100 a超越概率為10%計算,取0.2g[22]。

計算過程中,滑坡體上方不考慮集中荷載。

3.2.3 確定參數

土體強度指標C和φ的干擾因素很多,其細微變化都會影響計算結果。為了減少各種因素干擾,統計分析土工試驗數據各項參數,遴選出具有代表性的實驗數據,充分考慮滑體、滑帶土力學性質,結合區內地質環境條件、滑坡體結構變形破壞特征及空間變化狀況,類比參考同類地區的相關參數和有關經驗數值,再利用反算結果綜合確定。

經過現場對大路村1社滑坡變形特征分析和當前穩定性狀態的定性評價,研究滑坡區巖土體物理力學性質的變化,參數反演計算公式[21]為

(6)

(7)

式中:φ為滑帶土的內摩擦角,(°);c為滑帶土的內聚力,kPa;F為根據工況計算給定的穩定系數;L為滑帶的總長度,m。

由于大路村1社滑坡目前處于基本穩定狀態,反算滑坡穩定系數Fs=1.05～1.15,在此基礎上結合臨近地區滑帶土物理力學指標,綜合確定大路村1社滑坡計算參數如表3所示。

表3 大路村1社滑坡綜合取值Table 3 Comprehensive value of landslide in Dalu Village 1 Society

3.2.4 計算結果

針對大路村滑坡的滑面位置、滑體物理力學參數以及土體特征等,確定滑面形態為折線形,而傳遞系數法是一種適用于折線形態并考慮土條間作用力的定量評價方法,其評價結果與現場試驗情況接近,因此通過采用《滑坡防治工程勘查規范》(GB/T 32864—2016)[23]中推薦的不平衡推力傳遞系數法求解該滑坡在不同工況下的穩定系數,明確滑坡穩定狀態。參考該標準將滑坡的穩定狀態劃分為4級,綜合認為穩定安全系數取1.15比較適合,即:當Fs≥1.15時,滑坡處于安全,為穩定狀態;當1.05≤Fs<1.15,滑坡為基本穩定狀態;當1.00≤Fs<1.05,滑坡處于暫時穩定-變形,為欠穩定狀態;當Fs<1.00,滑坡處于整體變形-滑動,為不穩定狀態。

從表4計算結果可知滑坡各剖面在3種工況條件下的穩定性系數及下滑堆積穩定狀態。在自重工況下,滑坡各剖面穩定系數在1.105～1.144,穩定系數接近但小于1.15,處于基本穩定狀態,但穩定安全儲備較低。在自重+地震工況和自重+暴雨兩種工況下,滑坡各剖面穩定系數分別在0.941～0.982和0.867～0.936,滑坡整體將超過臨界欠穩定狀態而處于變形滑動的不穩定狀態,若遇此工況,滑坡發生失穩滑動破壞的概率會持續增大,將引發人員傷亡和經濟損失。

表4 滑坡穩定系數及穩定狀態Table 4 Stability coefficient and stability state of landslide

3.3 滑坡穩定性綜合評價

定性和定量評價結果可以看出,滑坡的穩定性計算結果與綜合觀測分析保持一致。大路村1社滑坡在自重工況下處于基本穩定狀態;在自重和地震疊加工況下,滑坡處于不穩定狀態,易產生失穩下滑;在自重和暴雨飽和疊加工況下,滑坡亦處于不穩定狀態。

4 滑坡危險覆蓋范圍確定

滑坡災害的可能危害范圍是指滑坡失穩后可能造成破壞的范圍。大路村1社滑坡主要影響因素有地震、降雨及人類工程活動,可能剪出口位于坡腳處,推測主滑面平均坡度約為35°,由于斜坡前緣建筑較密集,計算結果應考慮建筑物對滑坡的阻攔作用。覆蓋范圍計算方法如下。

(1)運動距離-公式估算法。滑體前緣滑移面滑動的最遠距離是滑體所能影響的最遠范圍,滑移距離的遠近主要受坡高、滑速和滑移面摩擦系數的影響,計算公式為

(8)

(9)

式中:Lmax為滑體重心滑移的最遠距離,m;Vmax為滑體重心滑移至剪出口處的最大滑速,m/s;g為重力加速度,m/s2;f為主滑面摩擦系數;α為主滑面傾角,(°);H為滑體重心與剪出口的落差,m。

(2)滑坡橫向散開的范圍。滑坡橫向散開的范圍與地形有關,一般取前緣寬的1～2倍。大路村1社滑坡最大威脅范圍計算結果如表5所示。橫向威脅范圍為坡體前緣寬度90 m,橫向擴散最大范圍140 m。

滑體前緣建筑物較為密集,對滑坡滑動時具有一定的阻滯作用。降雨工況下,覆蓋范圍為滑坡本身的區域,即0.004 km2,主要威脅滑坡體前緣房屋和廠房,危害程度較大,如圖4(a)所示。地震工況下,覆蓋范圍為因滑坡造成大量人員傷亡和財產損失的區域,滑動后最大覆蓋范圍可達0.008 km2,危害程度嚴重,如圖4(b)所示。根據《滑坡防治工程勘查規范》的規定[23],滑坡危害等級屬于三級。

表5 大路村1社滑坡最大威脅范圍Table 5 The largest threat area of the landslide in Dalu Village 1 Society

圖4 大路村1社滑坡威脅覆蓋范圍Fig.4 Threat Area of Landslide in Dalu Village 1

5 結論

(1)大路村1社滑坡為現代滑坡,平面上呈“圈椅”狀,滑體主要由黃土組成,屬小型淺層黃土滑坡,滑坡運動形式為前部先滑,引起后部滑動的牽引式滑坡。

(2)地形和軟弱的巖土體組合,水文地質條件對滑坡極為不利,降雨和坡腳開挖是大路村1社滑坡發生失穩的直接誘發因素。

(3)在自然狀態下大路村1社滑坡處于欠穩定狀態;在自重+地震工況和自重+暴雨飽和工況下,滑坡處于不穩定狀態,易發生失穩下滑。

(4)滑坡危害等級為三級,災源區面積0.004 km2,一旦失穩,其災害危險區面積將達到災源區面積的2倍,約為0.008 km2,可能造成大量人員傷亡和財產損失,危害程度較大。