文县郭家坡滑坡形成机理与稳定性研究

田运涛,景 博,王高峰,郭 宁,杨 强

(1. 中国地质调查局 水文地质环境地质调查中心，河北 保定 071051；2.西安市勘察测绘院，陕西 西安 710054； 3.长安大学 地质工程与测绘学院，陕西 西安 710054)

陇南文县是汶川地震重灾区，也是全国地质灾害高易发区和重点防治区。汶川地震过后，文县地质灾害频发，尤其滑坡危害加重，严重威胁人民生命财产和公共设施安全。许多学者对地震滑坡进行了研究：KEEFER[1]认为，地震震级(ML)大于4.0时便可能触发滑坡灾害；张铎等[2]认为，强震(ML≥6.0)尤其是大地震(ML≥7.0)诱发的滑坡灾害更为突出和显著；黄润秋等[3]通过对大光包滑坡的多次调查研究，认为基岩滑床表面在强震作用下震动松弛并碎裂化、角砾化，“锁固段”也在强震作用的拉-剪应力下突然断裂，从而引起滑动面摩阻力急剧降低并高速滑动；孔纪名等[4]通过对汶川地震的研究，指出地震碎裂型滑坡是指斜坡上部的岩土体在地震中产生滑动后，在地震波动震荡作用力的持续作用下发生震裂、松弛、碎裂，其碎裂岩体沿坡面或沟道发生碎裂滑动的一种滑坡类型；还有研究人员通过对汶川地震灾区大量崩滑体的调查研究，从地震动力学和斜坡变形破坏成因机理的角度分析了汶川地震诱发崩滑灾害的3个典型特征，即震裂溃屈、临空抛物、碎屑流化。本研究以陇南市文县郭家坡地震滑坡为例，在查明滑坡的工程地质特征及孕灾背景条件的基础上，总结了滑坡形成机理，采用Janbu法分析了滑坡在天然状态、降雨饱水状态、地震状态3种工况下的稳定性，研究结果不仅对该地区地质灾害危险性评价和防治规划具有参考价值，而且对保障生活在滑坡体上的郭家坡村村民的人身财产安全具有极其重要的现实意义。

1 滑坡概况

1.1 基本情况

郭家坡滑坡位于甘肃陇南市文县石鸡坝乡郭家坡村(图1)，白水江左岸，距文县县城23 km，地理坐标为104°28′32.1″E、33°02′7.7″N。郭家坡滑坡为一深层、特大型堆积体老滑坡，平面形态呈舌形，主滑方向为194°，堆积体长950～1 100 m，平均宽750 m左右，体积约3 750万m3。

图1 郭家坡滑坡全貌

1.2 工程地质特征

(1)地形地貌。滑坡区位于侵蚀构造中山区地貌与侵蚀堆积河谷地貌交界处，更倾向于构造中山区地貌。区内北高南低，最高点在剪子坪村，海拔1 510 m，最低点为白水江江岸，海拔1 030 m，相对高差480 m。白水江呈外弧形流经滑坡区西南边，河谷狭窄，河水流速快，河床纵比降大。河谷两侧坡体陡峻，侵蚀切割强烈，坡体平均坡度22°，从上至下呈陡—缓—陡特征。山体沟壑纵横，山顶呈梁脊形，梁上比较平缓。

(2)地层岩性。滑坡区内普遍出露二叠系下统变质砂岩、灰岩、砂质板岩、炭质板岩等，表层普遍风化强烈，裂隙发育，力学强度总体较低，遇水易软化、泥化，构成易滑地层。碎石土粒径差异大，透水性强，磨圆度差，尤其是位于堆积体前缘和坡面冲沟沟岸临空面的碎石土，在长期水流冲蚀和卸荷作用下已较为松散破碎，物理力学性能极不稳定。

(3)地质构造。滑坡区位于文康断裂带文县弧顶部位，附近发育近乎平行的3条NEE向断裂，即哈南—青山湾—磨坝断裂、堡子坝—高楼山—稻畦子断裂、范家坝—临江断裂。前两个断裂自全新世以来活动性较强，为武都南大地震的主要发震断裂，沿断裂走向多处可见到地震陡坎、地震裂缝、地震崩滑体、堰塞湖等地质灾害现象。滑坡区与哈南—青山湾—磨坝断裂关系最为紧密，该条断裂的存在，导致区内基岩结构不完整，空气与雨水容易进入山体，基岩风化层较厚，在山坡上逐渐形成残坡积物。

1.3 滑坡变形特征

郭家坡滑坡体上陡中缓，表面发育众多纵向冲沟，后缘剪切裂缝大量发育，这是差异剪切作用的构造表现。滑坡前缘钻孔显示底部有河流相泥沙沉积，可以判定在滑坡发生后有大量土石涌入白水江，将河道推向对面山脚，从而形成现在的河道。

滑坡区附近有金矿开采、排渣等人类活动，导致滑坡体上堆积物不断增加，滑坡体厚度增加，前缘坡脚不断增大。同时，采矿废水的大量渗入，导致坡体含水量大大增加，容重增加，土体抗剪强度降低，滑坡可能再度复活。现场调查及钻孔资料分析得出郭家坡滑坡历史上经历了4次变形破坏过程。①整体(H1)滑动。是现今看到的最大的整体滑动，在滑坡后壁处可见到基岩断裂面，可以判断滑坡为堆积层与基岩混合滑动。但是根据现状滑坡的工程地质钻探，滑坡堆积体底部主要为灰岩、板岩等碎石、块石，基岩并不完整，呈破裂状，因此猜测是强震造成风化基岩破裂成碎石，导致抗剪力突然下降，引起失稳。②滑坡中后部(H2)滑动。滑坡后缘局部浅层碎石滑动。风化产生了潜在滑体，在降雨和重力的作用下发生滚落滑动。③滑坡后缘(H3)滑动。2008年汶川地震时滑坡后壁松散黄土因为张拉裂缝的扩张而失稳下滑，浅层黄土滑落至坡体中部，但未对当地居民造成人身财产损失。④滑坡前缘(H4)滑动。位于滑坡坡脚处，2015年6月发生滑动。修路开挖使本就松散的碎石土体前缘产生牵引力，虽然在坡脚修建了挡土墙，但降雨时雨水很快渗入土体使土体接近饱和，土体自身质量增大而抗剪强度降低，最终推倒挡土墙滑至公路中央，阻碍道路通畅，路面也出现了裂缝。

2 滑坡成因分析

2.1 外部因素

地震是滑坡发生的根本原因。滑坡区属于地震易发区，在短时强地震力的作用下，震荡破坏了风化基岩层的强度结构，改变了原本的胶结状态，使岩体松动破碎，碎石土颗粒之间的咬合程度降低，导致黏聚力和内摩擦角减小。汶川地震波向NE方向传播，与滑坡运动方向(NNE)基本一致，在地震波的作用下坡体受力巨大，原始平衡状态被打破，从而导致斜坡结构遭到破坏，在重力的作用下滑动形成滑坡。“5·12”汶川地震导致滑坡后缘(H3)发生变形，局部滑动。通过走访调查得知，后缘(H3)滑动时岩土体在滑动过程中瞬间碎裂滑移至坡体中部，在滑坡顶部黄土堆积层产生了大量横向平行裂缝。

滑坡变形与降雨有着较明显的相关关系。滑坡剪出口附近出现拉张裂缝，降雨渗入坡体既增加了坡体自身质量，降低了岩土体力学强度，又容易在滑带附近聚集，软化滑带，降低土体抗剪强度，从而诱发滑坡。滑坡前缘(H4)发生滑动的主要诱因就是降雨，同时降雨会导致滑坡后缘顶部的裂缝贯通并进一步加大，从而再次发生滑坡。

2.2 内部因素

地形地貌特征决定了地震滑坡坡度的发育特征。滑坡区属于侵蚀构造中山区，为高山峡谷地貌，斜坡平均坡度为30°，整体呈上陡—中缓—下陡状况。上部斜坡坡度范围为45°～79°，越靠近顶部坡度越陡，为后缘滑坡的发生提供了有利的地形条件；中部在原有斜坡地形基础上，被人类改造成住房、公路、耕地等，坡度较缓，约20°，地质灾害不发育；下部坡体坡度范围为35°～70°，靠近底部被人工改造成近垂直的斜坡，存在安全隐患。滑坡前缘冲沟发育，切割深度几米至几十米不等，部分冲沟在长期的风化侵蚀下形成小型泥石流沟。滑坡分布高程为1 030～1 450 m，高差400 m以上。地形整体较为陡峭，北高南低，整体倾向白水江，坡体高差大、斜坡陡峭为滑坡运动提供了势能。滑坡处于哈南—青山湾—磨坝断裂带，岩土体力学强度不高，岩体结构不紧密，易受雨水、空气侵蚀，出现厚层风化基岩。

有利的坡体结构是该滑坡产生的内在因素。滑坡下覆岩层产状为210°∠75°，坡向194°，滑坡体为顺向结构类型，有利于滑坡的发生。对滑坡形成的影响表现在：岩层中发育两组节理，230°∠10°和50°∠10°(临空面)，与层面形成岩体破坏模式，其中一组节理倾向与岩层倾向基本一致，但较为平缓，切割岩层与层面相交，易造成基岩软弱带破碎形成滑动面，影响坡体稳定性。

郭家坡滑坡堆积体主要物质为碎石土，磨圆度差，孔隙大，透水性强，而滑床为易风化的软弱千枚状板岩，透水性较差。在长期降雨条件下，地表水大量渗入碎石土体，易使土体饱和，在软弱岩层处地下水富集，软化基岩，使土体力学强度降低，形成潜在滑动带，增加了滑坡发生的风险。滑落下来的滑体破碎松散，土体磨圆度差、棱角分明，在滑体底部碎石中常可见到板岩块石等现象也说明风化基岩层的存在。

3 滑坡稳定性分析与评价

通过观察滑坡的堆积形态，研究认为滑坡整体处于稳定状态，复活的可能性小，但受降雨和地震的影响，局部处于不稳定状态。本研究采用极限平衡法，利用GeoStudio中GEO-SLOPE模块嵌套的Janbu法建立地质模型，选取合理的地层物理力学参数计算边坡稳定性。

3.1 建立地质模型

选取滑坡纵剖面建立郭家坡滑坡纵剖面模型，见图2。

图2 郭家坡滑坡纵剖面模型

3.2 计算剖面及工况

滑坡前缘为白水江，剪出口位于水位最大涨幅之上，故此次计算对水位的变化不予考虑。根据滑坡的受力特征、可能出现的荷载情况及其组合，计算中主要考虑降雨因素影响，选定天然状态、降雨饱水状态、地震状态3种工况计算滑坡稳定性。

3.3 计算参数选取

滑带土的黏聚力和内摩擦角是滑坡稳定性定量评价和推力计算的重要参数，其值变化对计算结果有很大影响。根据室内大剪试验、三轴试验所获数据，结合临近工作区工程地质类比数据，最终确定滑坡稳定性计算的岩土物理力学参数，见表1。

表1 郭家坡滑坡稳定性计算参数

3.4 计算结果及评价

利用GEO-SLOPE模块中的Janbu法对处于3种工况下的滑坡整体稳定性进行计算，结果见表2。在天然状态下，郭家坡滑坡整体(H1)稳定性系数为1.927，处于稳定状态；降雨饱水状态下，虽然整体(H1)稳定性有所下降，但仍处于稳定状态，滑坡后缘(H3)也处于稳定状态，但滑坡中后部(H2)稳定性系数为0.939，处于不稳定状态；地震条件下，H1、H3处于稳定状态，滑坡中后部(H2)在Ⅶ级地震烈度下稳定性系数为1.100，处于欠稳定状态，在Ⅷ级地震烈度下为0.917，处于不稳定状态。通过设置系统自动搜索最危险滑面，得出地震条件下斜坡最不稳定、最易失稳下滑的区域是滑坡顶部的浅层黄土与碎石土(图3)。

表2 不同工况下滑坡稳定性计算结果

图3 郭家坡滑坡后缘变形区示意

综上，目前郭家坡滑坡整体处于较稳定状态，发生整体滑动的可能性较小，但滑坡体后部变形明显，若在土体饱和或地震条件下，滑坡后部发生失稳、滑移的可能性较大。若后部发生滑移，则可能进一步推动前部老滑体变形，降低滑坡体整体稳定性，对生活在滑坡体上的居民的生命财产安全构成严重威胁。

4 结 论

(1)郭家坡滑坡属于特大型牵引式老滑坡，滑坡共发生过4次滑动，第一次为斜坡整体性滑动，第二次为滑坡中后部局部滑动，第三次为汶川地震时滑坡后壁的浅层滑动，第四次为滑坡前缘人工削坡和降雨造成的滑动。

(2)滑坡发生的外因：地震是滑坡发生最主要的诱因，震荡破坏了风化基岩层的强度结构；滑坡顶部黄土堆积层产生了大面积的横向平行裂缝，处于不稳定状态，降雨条件下容易向下发生局部滑动。

(3)滑坡发生的内因：顺向斜坡结构在两组节理的共同作用下，易形成破碎滑带；陡峭地形为滑坡的形成提供了强大的势能条件；以碎石土为主的滑坡体和易风化的软弱基岩力学强度较低，形成了潜在滑面。

(4)目前该滑坡体整体稳定性较好， 发生整体滑动的可能性较小。通过GEO-SLOPE软件对滑坡进行了稳定性计算，结果显示在地震或降雨饱水状态下边坡处于不稳定状态。

(5)通过危险滑面搜索得到的后缘变形区范围，与现场实际调查中圈定的变形范围基本一致。本研究得到的滑坡稳定性计算结果符合实际情况，具有较高的可信度。