陕西省南秦岭典型土质滑坡形成机制及风险评价——以商洛市山阳中学滑坡为例

高 波, 张茂省, 贾 俊, 张成航

(1.国土资源部 黄土地质灾害重点实验室, 陕西 西安710054; 2.中国地质调查局 西安地质调查中心, 陕西 西安 710054)

陕西省南秦岭典型土质滑坡形成机制及风险评价
——以商洛市山阳中学滑坡为例

高 波1,2, 张茂省1,2, 贾 俊1,2, 张成航1,2

(1.国土资源部 黄土地质灾害重点实验室, 陕西 西安710054; 2.中国地质调查局 西安地质调查中心, 陕西 西安 710054)

[目的] 对陕西省南秦岭典型土质滑坡形成机制及风险进行研究和评价，为该区地质灾害的防治提供支持。 [方法] 以陕西省商洛市山阳县山阳中学滑坡为研究对象，通过现场调查、勘察及室内试验开展研究。 [结果] 山阳中学滑坡现处于基本稳定状态，但不排除遭遇极端气候下复活的可能，滑坡复活概率为7.45%。 [结论] 区域地壳差异性运动是山阳中学滑坡形成的内动力因素；降雨是该滑坡启动的主要外在诱因；滑坡威胁范围内人员在最大风险中丧命的年概率为：1.70×10-3。

山阳中学; 滑坡; 形成机制; 风险分析

陕西省南秦岭是我国地质灾害的重灾区之一，历年来滑坡灾害严重[1-3]，其中山间断凹盆地内由地壳差异性运动及岩体风化等原因形成的土质滑坡分布广泛，人民群众生命财产安全受到严重威胁。为此，开展该区域内土质滑坡的形成机制及风险评价研究可为此类滑坡灾害防治及风险减缓提供依据。山阳中学滑坡位于陕西省山阳盆地北侧，山阳县城关镇山阳中学后，为典型土质滑坡。20世纪80年代遭受多次连续强降雨，加之坡体前缘砖厂开挖取土导致滑坡局部发生滑移。近两年每逢雨季滑坡体均有不同程度的变形，给滑体周围居民生产和生活带来危害，严重威胁滑坡前缘山阳中学本部教学楼及在校师生的生命财产安全。本文通过现场调查、钻探及室内试验，查明了山阳中学滑坡岩土体结构特征及物理力学性质，在分析滑坡形成条件和发育特征基础上，结合滑坡区域地质演化背景及降雨资料，研究了该滑坡形成机制，并初步分析了山阳中学滑坡的风险性。

1 滑坡区地质环境概况

山阳中学滑坡属南秦岭东西向流岭山脉南侧低山斜坡及县河阶地地貌，属山阳断凹盆地北缘。物质组成以黏土为主，局部为山间坡积物、残积物及河谷冲积物。滑坡区南侧为EW向山阳深断裂，陡倾N，为一多期活动的逆断层。北侧为NW向商南深断裂，陡倾NE，为逆断层。南北两条断裂构造之间即为秦岭褶皱系礼县—柞水华力西褶皱带。滑坡就处于该褶皱带上，属山阳断凹盆地。盆地内有厚度较大的白垩系红色碎屑岩沉积。受构造作用影响白垩系岩层产状与地形斜坡同向南倾，构成不稳定斜坡。第四纪以来，区域内间歇性脉动上升，不利于山体稳定[4]。据《中国地震烈度区划图》，滑坡区属远震区，基本烈度为Ⅵ。整个山阳县境内未发生过破坏性地震。自明代以来，研究区内共发生<5级的小震及微震19次。据《陕西省一般建设工程地震动参数表》，滑坡区地震峰值加速度微0.05 g。滑坡区地层岩性主要有白垩系碎屑岩和第四系碎石土和黏土。两者不整合接触。白垩系分布于滑坡区北部低山斜坡区。岩性主要红褐色砾岩、砂砾岩为主，钙质胶结，胶结程度较高，较坚硬。该套地层厚度较厚，大于200 m。第四系不整合于白垩系砾岩、砂砾岩之上，以粉质黏土、黏土为主，局部夹砂砾石薄层。厚度约为5～15 m。

2 山阳中学滑坡发育特征

2.1 滑坡形态特征

山阳中学滑坡位于山阳县城关镇山阳中学北侧，地处县河(丰阳河)北侧三级阶地上。滑坡后缘高程754 m，前缘高程718 m，高差36 m，斜坡总体坡形为凹形，上陡下缓，坡度20°～25°，坡向186°，坡面中部下凹两侧高，为土质斜坡，坡体上覆黄褐色、褐红色第四系粉质黏土、含砂砾黏性土，下伏基岩为第三系砖红色砂砾岩，产状210°∠25°。坡面植被较差，为荒草地(图1)

滑坡体长约150 m，宽约200 m，厚约5 m，面积3×104m2，体积1.5×105m3，滑向186°，平面形态为矩形，剖面为凹形，属于中型粘性土滑坡，滑坡体为第四系冲洪积粉质黏土、含砂砾黏土，主滑面为上部堆积层与基岩接触面，次级滑面为层内土体分界面和剪切破坏面，目前滑动变形主要位于上部浅层滑面上，滑坡体上主要建筑为砖厂，前缘即为山阳中学教学楼，公寓楼(图2)。

图1 山阳中学三维地形地貌和滑坡全貌图

图2 山阳中学滑坡中部平台开挖出露次级滑带

2.2 滑坡变形特征

根据调查访问，滑坡体初次滑动时间为1971年山阳中学建校后；1984年7月连阴雨、暴雨后，在滑坡后缘形成3条弧形拉张裂缝，主裂缝长120 m，宽0.6～0.8 m，错坎高1～1.5 m，滑动距离2～3 m，损坏校舍6间；1987,1988年雨季，坡体西侧下滑明显，附近水塔变形漏水。目前由于砖厂下部切坡挖方，坡体产生多级横向陡坎，高0.5～1 m，可见滑痕，滑体中部下滑明显，形成洼地，土体较湿，含水量高。滑体上部树木歪斜，坟墓变形。现今，由于砖厂取土烧砖，坡体左侧出现数条长大拉张裂缝，裂缝上宽下窄，最大宽度15 cm(图3)。

图3 山阳中学滑坡左翼长大拉张裂缝

2.3 滑面及滑带土特征

根据现场工程地质钻探、随钻监测结果分析可知，该滑坡为浅层土质滑坡，钻探揭露该滑坡滑带出露深度约5～7 m(图4)。滑面为为红色黏土，滑面以上红色黏土，潮湿，硬塑状态，裂隙发育；画面以下红色黏土，结构致密，硬塑状态，可见擦痕。滑带土岩性为黏土，黄褐色，可塑—软塑状态，搓条而不断裂，土质细腻均匀，厚度1～5 cm。

图4 山阳中学ZK2钻孔岩芯编录

随钻监测数据亦能验证上述判断，如图5所示，为随钻监测ZK1，ZK3,ZK4,ZK5,钻头钻入全过程(剔除提钻及其它非钻进时间)，表征钻头在地层中的深度随时间的变化，其中纵坐标为钻进深度(m)，横坐标为钻进时间(min)。图5中曲线的梯度表示钻头在此孔中的钻入速度。通过分析曲线，钻头钻速的变化，表征地层钻进的难易程度，曲线斜率变化处表征地层岩性变化，通过如下4个钻孔的曲线分析，可知，山阳中学滑坡软弱带(滑带)深度分布在5～7 m处。与钻孔岩芯编录实际情况基本吻合。

图5 山阳中学滑坡随钻监测全过程曲线

3 滑坡成因分析

3.1 滑坡形成的地形地貌条件

山阳中学所在城关镇南北侧均有深断裂通过，南侧2 km为东西向山阳深断裂，北倾，倾角60～80°，为一多期活动的逆断层。北侧则有NW-SW向商南深断裂，倾向NE，倾向NE，倾角60°～80°，为逆断层。2条断裂多次活动，造成地形高差增大。第四纪以来，该区间歇性脉冲上升，时而河流下切侵蚀，造成陡岸，岸边地层失水，时而又形成河流堆积[4]。总的趋势是河流下切幅度大，两岸形成向河倾斜的阶梯状抬升地形，尤其县河3级阶地，其阶面向南倾斜坡度很大，约15°～25°。这种地形为滑坡的形成提供了有利的地形地貌条件。

3.2 滑坡物质来源与结构成因

山阳中学所在三级阶地上部为粘性土，透水能力差，具有膨胀性，浸水后膨胀，失水后产生许多干缩裂缝及微细裂隙，为雨水下渗准备了通道。据野外观察，土体涨缩裂缝集中发育深度2～5 m，集中降雨时，雨水沿裂缝下渗至2～5 m，因下部黏土已无涨缩裂缝，水分无法继续下渗，聚集在2～5 m范围内，由于水的润滑和软化作用，在此形成软弱带，在其他因素配合下，上部土体沿此软弱带下滑。

3.3 滑坡诱发因素分析

山阳中学1972年在滑坡前缘开挖坡脚，修建学生宿舍，是滑坡前缘临空，为滑坡形成创造了有利的空间条件。当地居民利用滑坡后部弧形后壁和后缘开挖墓穴，增加了降雨入渗的机会。

滑坡区属多雨湿润气候，雨水沿干缩裂缝下渗，一则增大了土体容重，加大坡体的势能，二则雨水下渗改变土体塑形状态，形成软弱带，降低土体的摩擦力和黏聚力，最终失稳下滑。山阳中学滑坡1984年及以后几年雨季所出现的变形破坏迹象，即因此形成。

综上所述，山阳中学滑坡的形成是多因素综合作用的结果。滑坡体上覆第四系黏性土与下伏白垩系碎屑岩体不整合接触，两者工程、水文性质差异巨大，因而在两者之间易形成滑动面。滑坡土体黏性土，渗透性差，致使坡体在持续降雨条件下易饱和，提高了滑体容重，增加下滑力，孔隙水压力增高导致有效应力降低，降低滑坡稳定性。降雨是该滑坡发生的主要诱发因素。

4 滑坡风险分析

根据滑坡现场调查并结合滑坡勘察分析，近几年滑坡体上裂缝数量与宽度均有所增长，滑坡中部平台砖厂持续多年的开挖取土烧砖，导致滑坡后缘不断溯源侵蚀，早期滑坡后缘修筑的截水沟已被损毁，现今滑坡体土质疏松，坡面地表水极易下渗，在雨季滑坡有大规模在此滑动的可能，因此开展危险性分析和风险评价对坡体前缘山阳中学师生的生命财产安全具有重要的实际意义。

山阳中学滑坡风险分析主要包括滑坡危险性评价、承灾体易损性评价、滑坡风险评价3个方面。其中，滑坡危险性评价包括：滑坡稳定性分析、滑坡影响范围分析、滑坡失稳概率计算；承灾体易损性评价包括承灾概率计算和承灾体价值损失率计算；承灾体价值损失计算是对各类承灾体在遭受灾害前可能产生的价值损失进行计算。最后，用总风险值来量化滑坡灾害的潜在损失程度[5-8]。计算公式为：

R=PF·PL·RL·C

(1)

式中:R——滑坡总风险值；PF——滑坡失稳概率；PL——承灾概率；RL——价值损失率;C——价值。

4.1 山阳中学滑坡危险性评价

单体滑坡危险性评价过程主要包含:(1) 滑坡稳定性分析；(2) 滑坡影响范围分析；(3) 失稳概率分析。

4.1.1 滑坡稳定性分析 山阳中学滑坡稳定性分析采用定性分析与定量评价相结合。定性分析基于野外调查资料的综合判断；定量计算根据钻探，槽探取样分析资料及实测计算剖面的有关资料，选取有代表性的计算参数，采用极限平衡法进行稳定性计算。

(1) 定性分析。坡体组成物质为黏土和粉质黏土，具有膨胀性，膨胀土胀缩裂隙发育深度2～5 m，与钻探揭露滑面埋藏深度基本一致，集中降雨时，雨水沿裂缝下渗至2～5 m，因下部黏土已无涨缩裂缝，水分无法继续下渗，聚集在2～5 m范围内，由于水的润滑和软化作用，在此形成软弱带，滑坡土体性质是有利于滑坡的形成。根据钻孔揭露，坡体上没有连续的地下水。因此，可判断集中降雨后，降水极易变成地表径流排除滑坡区外。地下水对滑坡发生不起主导作用。现场调查，坡体上存在多级人工修整的平台，斜坡坡度放缓，坡体表部植被较少，滑体中间的局部地带及左侧边界有少量拉张裂缝，系砖厂开挖取土所致，其余大部地区未见拉张裂缝，滑坡体后部修筑3条排水沟，现已损毁。滑坡现今整体变形破坏迹象不明显。综合分析，认为该滑坡体一般情况下处于稳定状态，但在持续强降雨条件下，滑坡可能发生。

(2) 定量计算。滑坡稳定性计算中，选取滑坡主滑方向实测纵剖面在Geo-Slope软件中进行运算，用Morgenstern-Price法计算。考虑到该滑坡体在持续强降雨情况下易发生滑动，故在计算时考虑天然状态及饱和状态分别进行。根据钻探取样土工试验资料，按不同地貌单元进行分层统计分析，得出滑坡区，滑带土，滑体土，滑床土中黏土，粉质黏土的物理力学性质指标参数。天然状态下滑坡稳定性计算时，选取天然土重度值为18.6 kN。天然土剪切残余强度值，黏聚力值为8.8 kPa，内摩擦角值为7.5°。雨季饱和状态下滑坡稳定性计算时，选取土的饱和重度值为19 kN，重塑土剪切强度，内聚力值5.5 kPa，内摩擦角值4.2°。该区地震烈度为6°，据现场勘查滑坡体处于潜水位以上，所以不考虑地震力和孔隙水压力。计算结果表明，天然状态下，K=1.99，说明天然状态下山阳中学滑坡是稳定的；饱和状态下，K=0.95。说明持续强降雨情况下，山阳中学滑坡整体处于不稳定状态。

4.1.2 滑坡影响范围分析 从山阳中学滑坡基本地质特征分析，滑坡前缘已位于山阳中学最北侧教学楼处，整体看，前缘剪出口较高，滑体中部次级滑带剪出口位于滑坡体中部平台，砖厂取土场。因此，从滑坡变形特征和发展趋势分析，正南方向为滑坡主要变形剪出方向，如果滑坡体大规模快速剪出，可能威胁前缘山阳中学教学区多栋教学楼的安全，因此，需要在滑坡变形特征定性分析的基础上，利用定量化模型估算滑体快速滑动的最大距离。

滑坡滑移距离预测，前人通过研究，提出了多种预测模型，包括利用滑坡后缘高程和前缘高程作为参数的经验公式；奥地利学者[9]通过统计的方法提出以滑坡垂直滑落高度，水平距离和滑坡体积为参数的预测模型；日本学者[10]通过分析不同体积的滑坡资料，依据滑坡垂直滑落高度，水平滑移距离与滑坡体积的关系，提出滑移距离预测模型；国内众多学者[11-13]也分别提出了相应的滑移距离预测模型。

根据山阳中学滑坡特殊的地形地貌特点，选取以下3个模型进行滑移距离预测，模型为：

模型1：基于前后缘高程的经验公式：

S=2(H1-H2)

式中：S——滑距(m)；H1——滑坡后缘高程(m)；H2——滑坡前缘高程(m)。

模型2：基础滑坡体积的模型：

lg(H/L)=-0.094 lgV+0.1

式中：H——滑体垂直滑落高度(滑坡前后缘高差)(m)；L——水平滑移距离(m)；V——滑动体的体积(m3)。

(3) 模型3：基于滑坡物理力学参数的模型

L=n·H/(0.5 tanΦ)

式中：L——滑坡体最大水平滑移距离(m)；H——滑坡前，后缘高差(m)；n——滑坡滑出条件系数，根据经验取0.2；Φ——土体的内摩擦角。

根据上述计算方法，计算结果详见表1。

表1 3种模型滑坡失稳漏移距离计算结果

根据滑坡水平位移理论计算结果并结合现场实际情况，修正滑坡影响范围，滑坡发生整体滑动最大影响范围约12 000 m2。

4.1.3 滑坡失稳概率分析 滑坡的失稳概率即滑坡发生的概率，是评价滑坡危险性的重要依据之一。滑坡破坏概率分析常用方法有:Monte Carlo模拟法、可靠指标法、统计矩近似法、随机有限元法等，本文分析主要采用Monte Carlo模拟法。Monte Carlo法基本思想如下：设状态函数为安全系数Z=G(X)=F，根据对稳定性的影响程度选取随机变量。影响滑坡稳定的因素较多，对滑坡稳定可靠度分析成果影响最大的主要是抗剪强度指标黏聚力C和内摩擦角φ。随机地从变量C,φ中分别抽取一个样本点，形成一组样本值(Cj，φj)，代入状态函数求得一个安全系数的随机样本F′，如此重复，直至达到预期精度的充分次数N，就可得到N个相对独立的安全系数样本值F1，F2，…，FN。安全系数所表征的极限状态为F=1，设在N次试验中出现F≤1的次数为M，则斜坡的破坏概率为[5-6,9-11]：

PF=P(FS≤1)=M/N

(2)

根据山阳中学滑坡实际情况，选取计算剖面在Geo-Slope软件中进行模拟运算，采用Morgenstern-Price法计算：滑坡平均稳定性系数为1.027 9，失稳概率为7.45%。

4.2 山阳中学滑坡承灾体易损性评价

易损性是在滑坡影响地区，一个或多个对象受破坏或损害的程度，是承灾体属性的表现。承灾体易损性评价包括承灾概率计算和承灾体价值损失率计算[14]。 (1) 承灾概率。当特定风险的滑坡发生时，空间影响范围的概率，在定量分析中，如果滑坡将要达到或者影响到承灾体所在的位置，那么承灾概率是1。根据前述滑坡影响范围分析可知，考虑滑坡整体滑动最大影响范围，滑坡体整体滑动到达最远距离即到教学区最北侧教学楼处，对教学区内其他教学楼影响较小。因此承灾体承灾概率PL=1。 (2) 承灾体价值损失率。承灾体在遭受特定灾害后的破坏程度，用破坏损失的价值与承灾前原有价值之比表示。根据现场调查，山阳中学滑坡承灾体为学生，教师，教学楼及其他附属建筑。考虑到山阳中学教学楼为钢混结构，受滑坡冲击影响较弱，因此，本文承灾体主要考虑人员损失。参考前人研究已有成果[15]，对人员价值损失率进行赋值。据滑坡的体积，以及他撞击房屋的可能速率，估计滑坡体撞击后房屋内人员死亡的价值损失率为0.4。

4.3 滑坡风险评价

考虑学生一天在教室时间16 h，一周6 d，故学生的时空概率为：

P(S:T)=16/24×6/7=0.571 7

(3)

滑坡到达承灾体(学校教学楼)的概率为：

P(L)=1

(4)

根据滑坡的体积，以及他撞击房屋的可能速率，估计滑坡体撞击后房屋内人员死亡的易损性为：

V(D:T)=0.4

(5)

考虑公式(1)中RL×C表征为价值损失，体现到人员损失可体现为：P(S:T)·V(D:T)

故综合上述分析，人员在最大风险中丧命的年概率可：将式(2—5)带入(1)中，即得：

P(LOL)=P(F)·P(L)·P(S:T)·V(D:T)

=(0.007 45)×(1)×(0.571 7)×(0.4)

=1.703 6×10-3

5 结 论

(1) 综合分析滑坡类型、滑体结构、发育特征，山阳中学滑坡是陕西省南秦岭具有代表性的土质滑坡。

(2) 区域地壳差异性运动是滑坡形成的内动力因素，降雨则是导致滑坡发生的主要外在诱因。

(3) 根据现场调查及室内分析计算，该滑坡现处于基本稳定状态，但不排除遭遇极端气候下复活的可能，滑坡复活概率为7.45%，分析了该滑坡风险性，山阳中学滑坡灾害个体生命风险为每年1.703 6×10-3。

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Risk Assessment and Formation Mechanism for Typical Soil Landslide in South Qinling Mountains of Shaanxi Province —Taking Shanyang School Landslide as an Example

GAO Bo1,2, ZHANG Mɑoshenɡ1,2, JIA Jun1，2, ZHANG Chenɡhanɡ1,2

(1.KeyLaboratoryforGeo-hazardsinLoessArea,MLR,Xi’an，Shaanxi710054,China; 2.Xi’anCenterofGeologicalSurvey,ChinaGeologicalSurvey,Xi’an，Shaanxi710054,China)

[Objective] Studying on the formation mechanism and risk assessment of typical soil landslide in South Qinling Mountains can provide technical support for the prevention of geological disasters in the region. [Methods] The Shanyang School landslide in Shaanxi was selected as an example，the formation conditions and distribution characteristics were analyzed through in situ investigation, survey and laboratory test. [Results] The results show that Shanyang School landslide is in a stable state, the landslide may be revive suffered extreme climates, and resurrection probability is 7.45%.[Conclusion] Regional differences in the crustal movement are the inner dynamic factor of the landslide, and rainfall is the main induced factor of landslide. The maximum personnel risk probability is 1.70×10-3in the threats range.

Shanyang school； lanslide; formation mechanism； risk assessment

2016-07-04

2016-10-11

中国地质调查局地质调查项目“陕西省重要城镇地质灾害调查”(12120113008900)； 中国地质调查局地质调查项目“秦岭及宁东矿产资源集中开采区地质环境调查”(12120111000150022)

高波(1981—)，男(汉族)，山西省长治市人，硕士，工程师，主要从事地质灾害调查防治风险评估等方面的研究。E-mail:43617102@qq.com。

10.13961/j.cnki.stbctb.20160912.001

A

1000-288X(2016)06-0097-05

P642

文献参数： 高波, 张茂省, 贾俊, 等.陕西省南秦岭典型土质滑坡形成机制及风险评价[J].水土保持通报，2016,36(6)：097-101.