宝兴县陇东镇初旭山滑坡形成机制及稳定性分析

杨 敏，胡 伟，杨栓成（成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都 610059）



宝兴县陇东镇初旭山滑坡形成机制及稳定性分析

杨 敏，胡 伟，杨栓成
（成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都 610059）

摘 要：以宝兴县陇东镇老场村初旭山滑坡为例，通过分析地质条件、滑坡组成及结构特征，运用geo-studio软件对该滑坡在地震工况、暴雨工况稳定性进行分析。认为滑坡体三面山脊环绕，堆积体结构松散、强度低，为滑坡形成提供了有利的地形条件；在“4. 20”芦山地震作用下，滑坡前缘垮塌，坡体内部形成拉张裂缝，为降雨入渗提供了良好的通道；在暴雨作用下，降雨沿裂缝入渗，在土岩接触面形成滞水，致使接触面力学参数降低，同时雨水在坡体流动形成顺坡下的渗透力加剧了滑坡的变形。数值分析表明，天然状况下坡体稳定；在峰值加速度为0. 2g的地震情况下，坡体前缘垮塌，整体处于基本稳定状态；持续暴雨状态下坡体失稳；地震之后暴雨作用对滑坡的稳定性影响不利。

关键词：地震；降雨；滑坡；稳定性；形成机制

0 引言

2013年4月20日，四川雅安市芦山县发生MS7. 0地震，震源深度13km，主震持续时间约30s，震中距成都约100km［1］。这次地震震源浅、震中烈度高（IX度），发震断裂为龙门山构造带南段前山断裂带［2］。据相关文献，芦山地震次生灾害以崩塌落石为主，滑坡灾害不发育，但是处于地震影响区的宝兴县例外。宝兴县周边地形陡峻，崩塌、滑坡灾害特别发育，地震造成的地质灾害主要发育在单薄山脊及地形坡度陡峭处，松散层边坡以滑坡为特征，松散堆积层整体复活少，但局部地方存在坍滑和大量的震动拉裂缝［3-6］。众所周知，裂缝纵横的松散堆积层往往强度更低、透水性更强、结构更松散，为次生山地灾害崩塌、滑坡、泥石流等提供了良好的地质基础。芦山地震灾区降雨充沛，震后处于雨季，降雨使脆弱的地质环境更加恶化［7］，暴雨或高强度降雨常常成为灾害的主要诱发因素，一般大于55mm/次降雨都会诱发灾害［8］。宝兴地区降雨充沛且高强度降雨也非常集中，年降雨量为1101. 5mm，70%以上降雨集中在6—9月，丰富的降雨条件为宝兴地区的山地灾害爆发提供了有利条件。

宝兴县陇东镇老场村初旭山滑坡位于陇东镇老场村初旭山（图1），处于两永路与陇东水电站水库之上。受2013年“4·20”芦山地震作用，坡体内形成大量的拉裂缝，经同年6月暴雨的影响，该滑坡出现明显的变形，坡脚部分已发生滑动，造成两永路交通中断，并威胁到两永路100m范围内的通行安全与村民的生命财产安全。若滑坡发生大规模的滑动，将造成巨大的经济损失。

本文在对初旭山滑坡现场考察的基础上，较为具体地描述了该滑坡的基本特征。同时，结合滑坡表现的现象，运用Geo-studio软件，分析了该滑坡的形成机制，为灾后重建及类似滑坡分析提供依据。

1 环境地质条件

宝兴县地处山区，地形切割作用强烈，相对高差大。斜坡自然坡度一般在30°以上，坡长一般为800～1500m，且地形复杂。位于该县的陇东镇初旭山，属构造侵蚀低山地貌，相对高差为600m。滑坡发育于中低山斜坡上，整个滑坡体为第四系松散堆积层覆盖，平面上呈折线形的条带状，总体沿南西-北东向展布，北西、南西、南东三面为山脊环绕，滑坡位于山间凹形谷中，具有良好的汇水条件。滑坡上部高程1270～1290m，坡面顺直，地形坡度为30°，坡体出现多处拉裂缝；下部高程1130～1270m，坡度为28°～35°；坡体中部发生坍滑，现已形成凹槽。

宝兴县城位于龙门山断裂带南段，宝兴背斜核部；茂汶断裂、映秀断裂下盘的南东侧，双石—大川断裂上盘的北西侧。宝兴背斜和五龙—盐井断裂、双石—大川断裂对县城影响较大［4］。滑坡位于茂汶断裂附近，该断裂是龙门山构造带中韧性特征最显著的一条大断裂带，变形程度较高，走向北东45°，倾向北西，倾角60°～70°，主要切割奥陶系与泥盆系地层，破碎带宽约50m。受此断裂的影响，勘查区岩体完整性较差。

根据四川地震局的地震监测资料，宝兴县境内历史上共发生地震11次，最大震级4. 5级。2008年汶川地震发生时，宝兴震感强烈，在部分地段形成次生山地灾害。2013年芦山地震，宝兴县距震中仅30km，房屋发生大量倒塌、拉裂，省道210发生多处塌方。滑坡位于发震断裂上盘，距断裂约10km。滑坡区受地震放大效应，坡体内形成较多拉裂缝。据2008年实施的《中国地震动参数区划图》取值，地震动峰值加速度为0. 20g，地震动反映谱特征周期修改为0. 35s，该处场地地震烈度为Ⅶ度。

宝兴县地质灾害受气象影响较大，所处的自然地理及气候带位置决定了该县降雨丰富，且具有时空分布不均、变化较大的特征。该区降雨量充沛、暴雨强度大，据宝兴气象站资料多年平均降雨量为1101. 5mm，最大日降雨强度为123. 5mm，最大小时降雨强度为23. 0mm。如图2所示，降水分布很不均匀，主要分布在6—9月。丰富而集中的降水可为山地灾害的爆发提供了充足的水源。滑坡上地表水丰富，发育两条冲沟，右侧边界发育一条大冲沟，起源于滑坡后部斜坡带，水量丰富，调查时上游干流具有固定流路，流量约40L/ s，流经高程1270m处发生变化，一部分沿着滑坡右侧边界下泄，另一部分流经滑坡区，加上降雨汇流的影响，逐步引发坡表发生土体坍塌，形成凹形槽，水体进入松散堆积层，无固定流路，滑坡中上部多处出水，最后在滑坡中下部汇集形成滑坡中下部小沟。滑坡地下水补给方式主要为降雨入渗，排泄方式主要为地下径流。地下水类型为孔隙水与基岩裂隙水，钻孔资料表明，未见基岩含水层。

2 滑坡特征及影响因素

2. 1 形态特征

据调查，滑坡发育于第四纪松散层内，为土质滑坡。滑坡边界主要依据滑坡变形特征及地形地貌特征圈定，边界清楚。后缘以高程1290m坍塌变形处为界，左侧以稳定山脊为界，右侧以大冲沟为界，前缘以坡脚两永路为界，整体地势南西高，北东低。勘查区上部高程1270～1290m范围内为滑坡后缘部分，此段坡面顺直，坡度30°，坡体植被差，坡体出现多处拉裂缝；其下部高程1130 ～1270m范围内，坡度约28°～35°，坡体中部因流水冲蚀逐渐发生坍塌，现形成凹槽，凹槽侧壁高约1～3m，具有明显擦痕，凹槽两侧为原坡体残留的暂未滑移部分。滑坡前缘已发生垮塌，曾造成两永路交通中断。

滑坡纵向长270m，横向平均宽约80m，面积约2. 16×104m2，滑体平均厚度5m，总体积约10. 8×104m3，属中型规模滑坡。

2. 2 组成特征

通过野外调查结合钻探，确定了滑坡的典型地质剖面，如图3所示。该坡体物质组成由上至下为第四纪碎石土和泥盆系下统灰岩。滑体组成物质主要为碎石土，呈灰色～灰黑色，结构松散、透水性好，碎石平均厚度为5m，碎石含量约50%～60%，粒径为2～20cm，母岩成分主要为灰岩。滑床为泥盆系下统（D1）灰黑色弱风化薄层状灰岩。

根据钻探及野外调查分析，滑动面为基覆界面，呈折线形，平均埋深约5m。

2. 3 变形特征

根据滑坡的变形破坏特征，可将整个滑坡分为变形Ⅰ区和变形Ⅱ区。滑坡Ⅰ区为滑坡下部，处于高程1130～1180m范围；Ⅱ区位于Ⅰ区上部，为滑坡的上部，高程范围约1180～1290m。它们具有明显的区别，Ⅰ区作为局部整体先滑动，Ⅱ区随后受牵引变形的特点，二者具有明显的陡坎状分界。

2. 3. 1 滑坡Ⅰ区变形特征

Ⅰ区变形迹象主要体现在为坡体上的马刀树、醉汉林及坡脚处的垮塌。滑坡Ⅰ区为滑坡前部率先滑移的部分，因2008年老场村某村民试图在坡脚修建房屋对坡脚进行开挖，形成3～4m的高陡坎，之后遇地震、降雨，坡体前缘发生垮塌。

2. 3. 2 滑坡Ⅱ区变形特征

滑坡Ⅱ区位于Ⅰ区上方，与Ⅰ区界限明显。因Ⅰ区作为局部整体逐步下滑，引起Ⅱ区失去支撑发生牵引式破坏。目前Ⅱ区的变形主要体现在中部的凹槽部分以及南西侧后缘坡向为20°坡体裂缝。

凹槽部分坡体裸露基本无植被覆盖，纵向长约150m，横向宽约30m，凹槽两侧宽缓（左侧）或窄条状（右侧）山脊地形，侧壁具有明显的滑坡遗留的擦痕。凹槽形成原因为暴雨工况下，三面环山的地形利于雨水汇集，冲刷坡体并将松散物质带走，当遇到下部茂密的植被，松散物质堆积在滑坡Ⅰ区后方。凹槽后部发生垮塌，两侧总体变形迹象并不明显，仅在边界部分发生局部坍塌。

滑坡Ⅱ区南西侧后缘，此段斜坡为勘查区上部高程1270～1290m之间，位于冲沟右侧，纵向长35m，横向宽15m，变形迹象明显，坡体产生多道纵横拉裂缝，遍布于坡体。

2. 4 变形破坏机制分析

地震、降雨是陇东镇老场村初旭山滑坡发生的主要诱发因素。坡体第四纪堆积体结构松散、强度较低，在地震作用下，坡体前缘垮塌，且在坡体后部形成大大小小的拉张裂缝。这些拉裂缝以及三面环山的地形与坡体中部的凹槽都为雨水入渗提供了有利条件。

地震作用致使坡脚垮塌，牵引上部坡体变形；在坡体内形成纵横的拉张裂缝。

降雨沿着裂缝渗入，浸泡第四系松散层，使坡体力学参数降低；使坡体重度增加，而造成滑坡下滑力加大；使上覆土层与下伏稳定土层或基岩之间的滑带土力学参数急剧下降，减小滑体的抗滑力［9］；随着降雨入渗，在土岩接触面，由于灰岩的渗透性低，降雨累计量超过上层碎石土体的渗透能力，在坡体内形成渗流，渗透力进一步促使滑坡变形。

滑坡前缘部分在村民修建房屋时开挖削坡，形成临空面，造成坡脚失去支撑。在地震作用下，前缘垮塌。由于前缘失去支撑，逢降雨作用，继而引起后方坡体在雨水作用下滑动。

3 形成分析

3. 1 模型、边界条件及初始条件

3. 1. 1 模型建立

根据现场调查和钻探结果显示，滑面位置推测为土岩接触的界面，选取典型剖面概化为计算剖面，底边长340m，左边界相对高差为188m，右边界相对高差为30m。碎石土结构松散，计算中将其看做均质体［10-11］。为了满足计算精准和真实再现滑坡发展变化，有限元区域采用三角形单元进行划分，其中第四纪碎石土、灰岩区域单元大小分别为7m和4m。概化的模型有限元划分如图4所示，剖分为单元3068，节点1062。

式中:y i，n为样品气中碳数n(6≤n≤16)的i组分摩尔分数，%;y C5为由GB/T 13610-2014测定的样品气中正戊烷的摩尔分数，%;A i，n为样品气中i组分的峰面积，p A·s;A C5为样品气中正戊烷的峰面积，p A·s。

3. 1. 2 参数及荷载

模型的岩土力学物参数选择正确与否直接关系到是否能真实对滑坡的内力、位移及稳定性的计算。本文滑坡渗透计算的渗透性函数、土—水特征曲线根据同类土的类比得到，采用强度及变形参数的选择根据室内土工试验结合工程地质类比方法及经验方法，并充分考虑到模型本身得到的滑坡的岩土力学参数如表1所示。计算采用的理想弹塑性模型、莫尔库伦准则。

据2008年实施的《中国地震动参数区划图》地震烈度分布图，该处场地地震烈度为Ⅶ度。在计算加载时，因垂直加速度影响较小，计算时不考虑；根据“4·20”芦山地震石棉地震监测数据，水平加速度时程曲线采用下图5作为地震计算的水平动荷载。

表1　岩体力学参数Tab. 1 The physical and mechanical parameters of soil strata and rock

滑坡的发生与其自身的地质作用相关，其对应的最危险降雨强度也不相同。根据本滑坡的发生特征与当地的降雨强度等，采用的降雨强度为当时降雨强度55mm/ d进行分析，水土特征曲线根据同类土类比得到，如图6、7所示。

3. 1. 3 边界条件

1.地震工况

用quake/ w模块进行地震模拟时，为了准确地反应地震力的影响，其有限元边界约束选择位移约束。初始状态边界条件设置为：底部边界（X、Y）固定，左右两侧X方向固定，Y方向自由；地震状态时边界条件为：底部边界（X、Y）固定，左右两侧X方向自由，Y方向固定。

2.降雨工况

利用seep/ w模拟渗流时，根据三个钻孔地下水位知，滑坡的地下水位在灰岩下，对堆积层的影响非常小，因此计算时可忽略初始地下水位的影响。坡体左右两侧及底部均视为不透水边界，表部采用降雨为流量边界。同时，假设坡面孔隙气压力为大气压，这样基质吸力在数值上等于孔隙水压力，可以用孔隙水压力头表示［12］。

3. 2 结果分析

3. 2. 1 天然工况

通过slope/ w模块Ordinary法、Janbu法及Morgenstern-Price法，计算沿土岩接触面滑坡在天然工况下稳定性系数分别为1. 165、1. 168、1. 160。由此可以看出天然工况下滑坡处于稳定状态，如图8所示。

3. 2. 2 地震及降雨工况

1.地震工况

应用土质边坡的计算方法，对不同工况下坡体稳定性进行计算。该滑坡体主要沿土岩接触面滑动，运用slope/ w对其进行稳定性计算，计算参数见表1。将图5所示地震波荷载导入quake/ w模块中计算，将结果导入到slope/ w模块计算滑坡地震时的稳定性，计算结果如图9所示。

2.暴雨工况

基于quake/ w的地震计算结果，将降雨荷载导入seep/ w模块中进行非饱和非稳定渗流计算，将结果导入slope/ w模块计算滑坡暴雨状态的稳定性，计算结果如图10所示。此时零降雨的稳定性系数为1. 05，原因是地震时已经使边坡产生部分变形，其稳定性已经降低。

3. 3 计算结果

从表2可以看出，初旭山滑坡天然状态的稳定性较好，但在峰值加速度为0. 2g的地震作用下，采用动力有限元法计算的最低安全系数为1. 048，从稳定性划分区间来看，虽然安全系数在减小，但其仍处于基本稳定状态，滑面并未贯通。当逢连续降雨作用5h时，坡体处于极限平衡状态，随着降雨持续进行，坡体由极限平衡转到破坏。研究表明地震之后的降雨作用对滑坡的稳定性非常不利。

表2　各种工况下的稳定性系数Tab. 2 Stability coefficients under different conditions

从图10可以看出，暴雨初期，坡体的稳定性系数为1. 05，处于基本稳定状态；当暴雨的持时8h后，坡体的稳定系数大幅度降低，因为暴雨增加了坡体岩土体的重度以及软化滑带土使其抗剪强度参数降低；随着降雨持时进行，坡体的稳定系数继续减小，因为雨水在坡体流动形成顺坡下的渗透力加剧了滑坡的破坏。强降雨持时越久，滑坡发生破坏的几率越大。

4 结论

本文以宝兴县陇东镇老场村初旭山滑坡为例，对其本身特征、滑动机制及稳定性进行了分析，得到如下结论：

（1）滑坡发生的地形坡度较陡，且处于山间凹形谷中，具有良好的汇水条件。第四纪堆积体结构松散、强度较低，在地震作用下，坡体前缘垮塌，且坡体内部形成大大小小的拉张裂缝，为雨水入渗提供了良好的通道。

（2）初旭山滑坡产生变形破坏的模式为：坡体在外力（地震、暴雨）作用下，坡体前缘发生沿土岩界面的剪切滑动，中上部受下部牵引产生变形，该段产生较多的拉裂缝。

（3）数值分析表明，滑坡天然状态处于稳定状态；芦山地震作用后，滑坡处于基本稳定状态，但其坡脚与后缘发生应力集中；当持续暴雨5h后，边坡处于极限平衡状态，之后随着降雨继续，稳定性骤降，发生破坏。

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The Formation Mechanism and Stability Analysis of Chuxu Mountain Landslide in Baoxing County

Yang Min，Hu Wei，Yang Shuancheng
（State Key Laboratory of Geohazard Prevention and environment Protection，
Chengdu University of Technology，Chengdu，610059）

Abstract：This paper takes the example of Chuxu mountain landslide as the research object，and analyzes the geological conditions，landslide composition and the structure characteristics，uses Geo-Studio software to analyze the stability of the landslide under the earthquake and rainstorm condition. The cause of deformation and failure of the landslide is that the landslide is surrounded by three sides of the ridge，and the structure is loose and the strength is low，which provides favorable conditions for the formation of the landslide. In "4. 20" Lushan earthquake，the front of landslide collapsed，and the tensile cracks formed inside slope，providing a good channel for rainfall infiltration. Under the condition of rainstorm，the rainfall infiltrates the accumulation along the tensile cracks，and then there has formed perched water in the contact surfaces of soil and rock，which reduced the mechanical parameters of the contact surface，simultaneously，the infiltration of rain water intensified the deformation of the landslide. Numerical analysis indicates that the slope is stable under natural conditions；while at the peak acceleration of the 0. 2g earthquake，the front of the slope collapsed，and the slope keeps the basic stability；the slope would be unstable in the condition of continuous rainstorm；heavy rain after the earthquake has an adverse effect on the stability of the landslide.

Keywords：earthquake；rainfall；landslide；stability；formation mechanism

中图分类号：P642. 22

文献标识码：A

文章编号：1673-8047（2016）01-0025-08

收稿日期：2015-10-08

作者简介：杨敏（1991—），女，硕士研究生，主要从事地质灾害评价与预测方面研究。