青海化隆群科新區紅層大型滑坡群成因機制研究

范曉嶺

(北京交科公路勘察設計研究院有限公司,北京 100191)

0 引言

青海化隆地處青海東部青藏高原與黃土高原的過渡地帶,地形地貌主要受北西向構造所控制,黃河、隆務河縱貫全境南北,形成東西部山區和中部的河谷地區[1-2]。區域地質特征為第三紀紅層出露,更新世黃土覆蓋,自第四紀以來受外營力作用,本地區溝系發育,深切入第三紀紅色巖層中,溝道短促,坡降大,常見溯源侵蝕,多至卯頂,橫斷面多呈“V”形,坡度多在45°以上,其上新生懸溝林立,滑坡崩塌等塊體運動極為活躍。其中第三紀高原紅層成巖時間距今較近,成巖作用差,膠結固結程度低,巖體結構相對松疏,強度較低,在地下水下滲、坡腳沖刷作用下,對自然坡體穩定性極為不利,是滑坡滑動結構面的主要巖性。紅層具有成巖歷史短、膠結差、強度低、抗風化能力差、親水性強、透水性差,具遇水軟化、崩解等特點,為滑坡的發展提供了基礎的物質條件[2-6]。根據西部地區滑坡統計,紅層滑坡占滑坡總數約為1/4,且紅層滑坡往往成群分布,規模較大,滑坡類型主要為順層滑動[7-8]。

在青海省化隆群科新區公路地質災害調查評價工作中,重點針對化隆新城至沙連堡鄉段開展現場調查。共計發現滑坡12處,且多為大型或巨型滑坡,滑坡呈多級滑動特征。其發育地層主要為第三系貴德組的泥巖、粉砂質泥巖,上覆有厚度不均的更新世風成黃土,滑坡后緣多位于現狀山脊處,其主滑方向主要以北東向,受坡腳水流不斷沖刷掏蝕作用,滑坡多處于蠕滑狀態,多為大型、特大型滑坡,見表1。

表1 研究區滑坡概況Table 1 Survey results of landslides in the study area

現場工作在搜集資料和野外地質調查分析的基礎上,采用鉆探、取樣、原位測試、室內試驗和數值模擬計算的手段方法,對該段滑坡群進行了滑坡成因和機理研究,提出了該段滑坡群的防治原則,對該地區的地質災害預警和防治規劃工作具有一定的指導意義。

1 地質背景

研究區位于祁連地槽褶皺系的東南部,松潘甘孜地槽褶皺系的東北緣,包括祁連山中間隆起帶、拉脊山加里東地向斜褶皺帶、日月山晚元隆起帶、青海南山印支地向斜褶皺帶等二級單元的一部分。區內主要斷裂構造有:與古北西向構造帶有關的壓扭性斷裂;與祁呂山字形構造有關的向斜軸、背斜軸、壓扭性斷裂;與河西構造體系有關的壓扭性斷裂;祁呂系與古北西系疊合斷裂及性質不明斷裂等,見圖1。其中拉脊山南坡的壓扭性深大斷裂為拉脊山與化隆盆地的分界,該斷裂延長100 km,走向280°,傾向北、傾角40°～60°,斷層帶西段的下元古界沖覆與古近系、新近系之上,現該斷裂仍在活動,該斷裂北距研究區25～30 km。

圖1 調查區周邊斷裂構造發育情況Fig. 1 Fault structure distribution around the survey area

2 青海化隆群科新區滑坡群特征

2.1 滑坡的巖土體特征

研究區地表普遍分布有單層結構黃土,具大孔隙,結構松散,可見垂直節理,土質均勻,厚度普遍在2～5 m,局部厚度達10 m,多為風成黃土,地表多見土洞裂縫等,是地表水的主要下滲通道。下覆基巖主要第三系棕紅色泥巖、粉砂質泥巖為主,固結程度較差,浸水后極易軟化崩解,巖體整體力學強度較低,抗風化能力很差。抗壓強度多在5～15 MPa,軟化系數0.50,黏聚力在0.03～0.1 MPa,內摩擦角在17°～30°之間。巖層呈厚層-巨厚層近水平狀分布,略向北北東傾斜。

滑坡滑面多位于第三系(N)泥巖中,表現為順層或切層,現狀多處于蠕滑狀態。雨季受地表水下滲和坡腳沖刷影響,活動相對頻繁。

2.2 滑坡的水文地質特征

研究區屬干旱-半干旱大陸性氣候,以多風、少雨為特征。據化隆縣氣象站資料,多年平均降水量421.7 mm,多集中在7—9月份,占全年降水量的60%,且降水量隨地勢增高而增大,具有明顯的垂直分帶性,見圖2。區內小氣候特征明顯,暴雨頻次多、強度大、歷時短。暴雨多發生在7—8月。

圖2 化隆縣降水量與地勢相關曲線圖Fig. 2 Correlation curve between precipitation and terrain in Hualong County

滑坡體多在滑坡中部或坡腳見地下水滲出,主要為碎屑巖類裂隙孔隙水,主要接受基巖裂隙水和大氣降水補給,作短途逕流后,以泉的形式排泄。水量大小受地形、地貌、匯水條件的控制,流量約為0.05～0.5l/s。受泥巖的不透水影響,區域內局部還形成風化裂隙潛水含水層,對坡體穩定性不利。

2.3 滑坡平面分布及形態特征

研究區在直線距離約6 km,地形高差約800 m,地形由沙連堡鄉向化隆新城陡降,地表高程在2 150～2 950 m之間,滑坡集中發育,見圖3,滑坡多垂直山脊沿溝谷成群成帶分布,滑坡呈多級多層性,主要以大型或巨型滑坡為主。局部受地形影響,伴有大型崩塌。滑坡形成條件復雜,成因多樣,在坡腳沖刷、雨水下滲及順層作用下,沿第三系泥巖、粉砂質泥巖界面失穩。在地震、暴雨等自然災害及人類活動的影響下,滑坡現狀處于蠕滑狀態。滑坡群的主滑方向主要受坡腳位置的沖溝和山脊線控制,多以北北東、北東向為主,自然坡度多在15°～25°之間。滑坡形狀多以簸箕狀和舌狀為主。現狀道路在穿越滑坡時,在滑坡兩側邊界位置見明顯道路損毀,且多呈臺階狀。坡體多見滑坡裂縫,在后緣的滑體與滑壁間,多存在一條弧形裂縫,寬0.05～0.4 m,深度不一,見串珠狀落水洞。

圖3 滑坡分布圖Fig. 3 Landslide distribution map

2.4 滑坡剖面特征

研究區滑坡堆積體的坡面形態,受滑坡滑動影響,多呈緩臺階,部分見陡坎,坡度由滑坡后緣至坡腳呈現逐漸增大的特點,至滑坡中下部,多見滑坡平臺和陡坎。滑坡滑面多位于第三系泥巖風化帶中,滑動面傾角多為10°～15°,同巖層傾角近似一致,多為蠕滑形成的淺層-中層滑坡。滑坡剖面受坡體運動影響,呈折線型,在分級位置多見滑坡裂縫,裂縫由坡頂至坡腳分布密度不一,靠近臺階位置相對較多,多為拉伸裂縫,見圖4。

圖4 滑坡剖面示意圖Fig. 4 Schematic diagram of landslide section

3 滑坡形成機制

3.1 滑坡坡腳沖刷引起坡體溯源破壞

滑坡群坡腳位置為一沖溝,為季節性流水,特別是在雨季,在強降雨過程中,坡腳沖刷嚴重,坡腳沖刷后多形成高陡邊坡,臨空面增大,無阻滑塊體,抗滑力減小。滑坡破壞自前緣開始,后緣持續向坡頂擴展,在坡體形成裂縫和陡坎,漸成牽引式破壞[9]。在地表水沿裂縫下滲過程中,泥巖遇水軟化,進一步降低滑面巖土體的抗剪強度,進一步降低滑坡的穩定性。

3.2 紅層緩傾角順層滑動

滑坡發育的地層巖性主要為第三系的泥巖、粉砂質泥巖,巖體為泥質結構,層狀構造,遇水易軟化崩解,滑坡滑帶多位于該層中。研究區巖層傾角相對較小,多呈近水平狀(3°～15°),巖層傾角同滑面傾角近乎一致,或略小于滑面,屬于易滑傾角范圍[10-11]。根據研究區滑坡滑動帶特征,滑坡滑動帶傾角近似同紅層傾角,表現為順層滑動或小角度交叉,見表2。

表2 滑動帶傾角同巖層傾角對比Table 2 Comparison between dip angle of sliding zone and dip angle of rock stratum

3.3 土洞及滑坡裂縫為地表水的主要下滲通道

區內地下水主要賦存于基巖裂隙中,其埋藏、補給、運移和排泄主要受地表裂縫、滑帶分布影響,主要以大氣降水下滲補給,以泉水形式在剪出帶或坡腳處排泄。

研究區地表普遍分布有單層結構黃土,可見垂直節理,具自重濕陷性,地表多見土洞。同時坡體滑動后在滑坡后緣、兩側邊界、坡體中出現較多的裂縫,為地表水的下滲提供了有利條件。雨水下滲導致滑坡滑動帶抗剪強度降低、增加坡體自重,同時受隔水巖體的阻隔,水體在坡體內聚集,動水壓力和凈水壓力增大,有效應力減小[12],對滑坡穩定性不利。

3.4 特殊的巖土體結構和性質

研究區地層巖性為上部普遍分布有2～5 m厚的風成黃土,下部為第三系泥巖、粉砂質泥巖等,巖層沉積年代較新,結構松散,強度較低,具有透水性弱,親水性強,浸水后巖體強度軟化,失水后易崩解等特點。在雨水下滲后,滑帶位置的泥巖抗剪強度大幅降低,對滑坡穩定性不利,且經過多次滑動后滑帶巖土體力學性質同泥巖差距較大,多為類土質巖土體。本次在滑坡中采集滑坡滑帶典型土樣開展土樣天然狀態和飽水狀態剪切試驗,試驗結果見表3。滑動帶土樣在飽水狀態下,抗剪強度明顯降低,對滑坡穩定性影響較大。因滑動帶土體受地下水影響相對較復雜,常態下滑動帶土體含水率多小于飽水狀態。受降雨特征影響,地表水下滲對滑動帶土體含水率影響表現為多期性,引起滑帶土體抗剪強度的變化,造成滑坡多期的活動性。其多期活動性的證據除了巖土體抗剪強度的變化,最直接的就是公路垂直穿越滑坡,在滑坡邊界位置路面的多期損毀。

表3 滑動帶典型土體不同狀態的抗剪強度Table 3 Shear strength of typical soil in different states of sliding zone

3.5 地形坡度不是滑坡形成的主控因素

研究區山脊整體走向為北西向,坡腳發育有季節性沖溝,受雨季強降雨沖刷作用,沖溝下切較深,最深處10～15 m。根據研究區滑坡不穩定區和現狀自然邊坡穩定區坡度分析,整體自然坡度相差不大,多在20°～35°范圍,見圖5～圖6,但滑坡位置坡度變化相對較大,主要發生在坡腳、滑坡兩側邊界和滑坡后緣,其中由坡腳引起的牽引式滑動在坡腳位置多見陡坎,對滑坡穩定性影響較大。隨著滑坡的進一步發展,在滑坡體中多形成裂縫和陡坎,引起滑坡體局部地形坡度變化較大。

圖5 滑坡群坡腳沖刷Fig. 5 Slope toe scouring in landslide group

圖6 滑坡群自然坡度占比Fig. 6 Proportion of natural slope for landslide group

4 典型滑坡穩定性評價

4.1 滑坡體特征

選取群科滑坡群中的滑坡H11做典型滑坡穩定性評價。滑坡H11位于群科新區至沙連堡鄉中段,發育在山體陰坡,滑坡縱剖面呈直線形,滑體表面坡度15°～20°,平面形態呈舌形,兩側有沖溝,具雙溝同源性質,沖溝下游因地下水泄出補給,形成溪流。后緣滑壁高6 m左右、坡度28°左右,滑坡后緣的滑體與滑壁之間,有一條弧形裂縫,斷續長近300 m,寬0.05～0.4 m,深度大于1 m,其中西段裂縫已發展成串珠狀落水洞,洞徑小于0.5～1 m。在滑體與滑壁過渡部位的混凝土路面破損碎裂。

該滑坡后緣高程2 600 m,前緣高程2 325 m,相對高差275 m,滑面位于第三系泥巖內,滑面形態近上陡下緩的凹形,滑體厚度在空間上分布不均,縱向上滑坡體中部厚度最大,中、后部厚度較小,滑體平均厚度約8 m。滑體長1 680 m,平均寬220 m,滑動體積約443×104m3,主滑動方向為230°。

4.2 穩定性評價

根據現場調查,滑坡坡腳受水流沖刷導致前緣失穩,并逐漸向上發展,坡體中部和后緣見陡坎和裂縫,目前處于蠕滑狀態。

根據滑坡地表形態調查,結合鉆探揭露情況,綜合確定滑坡的地質模型、破壞模式和滑動面位置,依滑體物質組成、坡體特征和滑動面位置,選取折線形滑面,采用傳遞系數法進行滑坡的穩定性評價。本次依據滑動帶取土樣采用重復剪切試驗和抗剪參數反演綜合確定滑坡的抗剪強度指標,滑坡模型及典型斷面見圖7～圖8。

圖7 滑坡傳遞系數采用的模型 圖8 滑坡穩定性計算采用的典型斷面Fig. 7 Model adopted for landslide transfer coefficient Fig. 8 Typical section used for landslide stability calculation

穩定性計算采用傳遞系數法,計算公式如式(1):

(1)

式中:

Ri=Nitanφi+ciLi=Qicosθitanφi+ciLi

(2)

Ti=Qsinαi

(3)

ψi=cos(αi-αi+1)-sin(αi-αi+1)tanψi+1

(4)

地震對滑坡穩定性的影響主要表現為水平地震力使法向壓力消減和下滑力增強,促使滑坡易于滑動[13-14],因此在考慮地震力時,單位條塊滑坡體下滑力應增加Pcosαi,同時抗滑力減少Psinαitanφi,如式(5)所示,地震附加力:

P=C1C2KhGs

(5)

式中:P為地震附加力;C1為地震力計算的綜合影響系數,一般取0.25;C2為地震力計算的重要性修正系數,在0.6～1.7間,取1.3;Kh為水平地震力系數,對7、8、9度地震分別為0.1、0.2、0.4;Gs為滑坡體重力(kN/m)。

滑坡抗剪參數反演計算采用公式如式(6):

(6)

(7)

式中:φ為內摩擦角(°);c為黏聚力(kPa);F為根據計算工況給定的穩定系數;L為滑帶的總長度(m);其余符號同前。

本次選取正常條件、降水條件和地震條件等3種工況計算滑坡的穩定性,計算結果見表4。

表4 不同工況下滑坡穩定性計算Table 4 Calculation of landslide stability under different working conditions

近似平行布置3個斷面,其中Ⅰ-Ⅰ斷面位于滑坡左側,Ⅱ-Ⅱ斷面位于滑坡右側,Ⅲ-Ⅲ斷面位于中間,根據鉆探揭露,滑坡滑動帶深度兩側略淺,中部相對較深,斷面呈“U”型。

根據計算結果,Ⅰ-Ⅰ斷面和Ⅱ-Ⅱ斷面位于滑坡靠近兩側位置,滑動帶深度略淺,穩定性計算結果略好于Ⅲ-Ⅲ斷面;當考慮地震力作用下,穩定系數降低;滑坡在天然狀態下處于欠穩定-基本穩定狀態;在暴雨狀態下,受雨水浸潤,滑動帶土體抗剪強度降低,滑坡處于不穩定狀態;在地震狀態下,受地震作用影響,滑坡處于不穩定狀態。結合計算結果,說明建立的滑坡穩定性計算模型和采用參數同實際情況基本相符。

5 結論及建議

1)群科新區滑坡群的分布特征主要受山脊走向及坡腳沖溝影響,主要發育的地層為第三系的泥巖和粉砂質泥巖,具有成巖歷史短、膠結差,遇水易軟化崩解、傾角較緩等特點。

2)滑坡滑動的主要原因為坡腳沖刷引起的溯源破壞,其滑動面受控巖層傾角,多順層滑動或與巖層傾角小角度交叉,地形坡度不是滑坡形成的主導因素。

3)受降雨特征影響,地表水下滲對滑動帶土體含水率影響表現為多期性,引起滑帶土體抗剪強度的變化,造成滑坡多期的活動性。

4)該類滑坡主要表現為蠕滑,活動性同降雨周期表現一致,規模相對較大,其防治措施應主要結合當地經濟條件和保護對象確定,并結合地質災害的簡易預警系統開展。

5)滑坡的主要啟動因素為坡腳沖刷引起的溯源破壞,受雨水下滲影響,滑動帶巖土層抗剪強度降低,在緩傾角的不利疊加作用下,滑坡主要表現為蠕滑,其活動性同降雨周期表現一致。其主要影響因素包括坡腳沖刷、基巖的緩傾角和第三系半成泥巖力學特點及降雨下滲等。