哈南村滑坡形成机理及其稳定性评价

赵文辉 王军伟 闫晓龙 许业德

(陕西铁道工程勘察有限公司 ，陕西西安 710043)

1 概述

中国是世界上黄土分布最广的国家，总面积约63×104km2，占中国陆地面积的6.6%。黄土滑坡是黄土地区最为严重的地质灾害，严重制约居民的日常生产、生活，以及区域经济的发展[1]。另一方面，我国西部黄土地区是地震频发的几大区域之一，而且大部分处于高烈度的地震区[2]。该区的地质构造也非常特殊，大部分处于地质构造带内，易由地震引发地质灾害[3]。以甘肃陇南为例，根据有关部门统计，该区共有4 576处不同类型的滑坡[4]。因此，开展黄土滑坡的机制研究，并在此基础上对黄土滑坡地质灾害的防治提供理论依据，具有重要的理论及实际意义。

国内外学者对黄土滑坡开展了大量研究，吴玮江等[5]认为，表层黄土与底部地层存在着不同的结构特性和物理力学性质，是造成我国西部黄土地区滑坡灾害频发的主要原因。吴玮江等[6-7]认为，黄土-泥岩顺层滑坡一般有低滑速、短滑距等特点，其滑体的滑动势能未完全释放，在外力因素的左右下，易再次复活滑动。陈永明等[8-9]认为，黄土有较高的地震易损性，在地震烈度达到Ⅵ度时就可发生崩塌和滑坡。

以下以甘肃文县哈南村滑坡为研究对象，通过调绘、勘探、室内试验、稳定性计算、应力-应变计算等技术手段，系统地分析该滑坡的形成条件、影响因素和稳定性情况，为该地区黄土滑坡地质灾害的治理提供理论依据。

2 哈南村滑坡的特征

2.1 滑坡概况

哈南村滑坡位于甘肃文县石鸡坝乡哈南村，地处秦巴山区。哈南村滑坡整体形态呈舌形，坡体水平长约2 100 m，宽约350 m，高程为1 097～1 771 m，垂直高差为674 m，滑坡体平均厚度约52 m，滑坡面积为4.2×104m2，体积约为1.89×107m3，属于特大型滑坡。滑坡平均坡度为18°，地形变化较大，中部较为平缓，为台阶状，上部、下部较陡，坡脚处近于直立(见图 1)。

图1 哈南村滑坡全貌

2.2 地层分布特征

① 滑坡体：全新世黄土，土质均匀，稍湿，结构疏松，强度差。

② 滑带：全-强风化泥岩、板岩，层理清晰，含水量较大，接触面光滑，遇水易软化，强度差。

③ 滑床：二叠系强风化板岩，强度偏低，强风化板岩下层为二叠系钙质板岩，强度较高。

2.3 滑坡体特征

① 前缘：位于白水江河漫滩之上，陡坎处有滑带出露(见图2)。

图2 哈南村滑坡滑带出露

②两翼：坡体两翼现存在规模较大的深V形冲沟(见图3)，贯通至滑坡后壁，并时常有坍塌及错落发生。其右翼有规模较大的取土场，常年有重型机械作业。

图3 哈南村滑坡侧翼

③ 滑坡后壁：地势陡峭，黄土与基岩形成清晰的圈状交界痕迹，有泉水出露(见图4)。后缘基岩坡度约52°，局部风化程度较大，其表层已成碎屑状、片状。

④ 坡体表面：坡面被雨水冲蚀，小冲沟、落水洞、暗洞非常发育。冲沟最宽处约80 cm，切割深120 cm(见图5)，落水洞最大直径为2.5 m，深约3 m。

图6 Geo-slope地质模型

图4 哈南村滑坡后缘

图5 哈南村滑坡体表面

3 坡体稳定性分析

3.1 各工况下的坡体稳定性

根据现场勘察及岩土的物理力学参数(见表1)，初步定性判断可能的破坏模式，建立地质研究模型(见图6)。利用Geo-studio软件对滑坡在天然状态、降雨饱和、地震(Ⅶ度和Ⅷ度)、降雨和地震耦合作用工况下的稳定性分别进行计算，得出其稳定系数(见表2)。

表1 岩土物理力学参数

表2 各工况下稳定性系数

如表2所示，在天然、地震、降雨饱和各工况单独作用下，坡体的稳定性系数均大于1(处于稳定状态)。降雨入渗降低了滑带的黏聚力和内摩擦角，增大了坡体自重等，若无外力的作用，无法致使滑坡复活和诱发新的滑坡。但在降雨和地震耦合作用的条件下，坡体会处于失稳状态。降雨入渗降低了土体的力学参数，软化了滑带，增加了滑坡体的自重。在地震发生时，巨大的外力作用打破原有坡体的平衡，致使老滑坡的复活或者引发新的次生滑坡。

3.2 地震工况下位移分析

甘肃陇南、天水地区地震是诱发大型滑坡的主要因素之一[10]。因此，对地震工况下坡体的稳定性进行了模拟计算。岩土常规试验参数采用室内实验数据，动荷载则采用汶川地震时文县地区的地震波数据，取其中10 s的随机波(见图7)，在坡体最为不稳定的地方设置5个分析点，研究在10 s内的地震作用下，5个点的相对位移随时间的变化(如图8所示)。

图7 文县地震波

表3 滑坡体各点位移 cm

由图8可知，在地震作用下，坡体不同部位波形差异较大(见表3)，可知地震发生后，坡体的最大正向相对位移均在3～4 cm之间，且均出现在第1 s左右，即坡体整体向后发生微小移动；随着地震的持续，坡体开始向前(-X方向)移动；在2.2 s，前缘出现水平位移峰值(7.8 cm)，之后，最大负向位移由前缘依次传递至后缘；在8.3 s时，坡体的后缘部分出现约13.4 cm的负向位移。分析可得，在地震力的作用下，坡体后缘相对较为“活跃”，率先产生裂纹，随着地震力的持续，滑裂面贯通，丧失抗滑力，对坡体前部造成挤压，有力地证明了老滑坡为推移式滑坡，坡体的位移介于7～14 cm之间，幅度小，不会再次发生滑坡，这也与目前的现状吻合。

图8 滑坡体各点位移

3.3 滑坡体的应力-应变

为了研究滑坡体目前的应力-应变状态，采用Sigma模块，对坡体在地震条件下坡体的应力-应变关系加以分析。通过室内试验和计算分析，得到滑坡体各部分的参数(见表4)，地震工况下的总应力、最大剪应力、X位移(见图9和图10)。

图9 坡体总应力

图10 坡体剪应力

序号名称弹性模量/MPa泊松比天然重度/(kN/m3)黏聚力/kPa内摩擦角/(°)1基岩50000.4224.21200482滑床10700.2223.4320383滑带层1200.2819.213.624.24卵砾石层1000.3219.51834.35滑坡体900.3516.213.333.56黄土900.3416.216.525.3

4 滑坡形成机理分析及治理建议

4.1 形成机理分析

结合滑坡的地形地貌条件、地质条件、自然因素、人为因素等，以及稳定性分析及应力-应变分析，得出哈南村滑坡具体的形成机理。

(1)有利滑动的地层岩性和坡体结构

滑带以全风化板岩和黄土胶结所形成的薄层泥岩为主，均属软弱易滑地层，其风化程度高，具软化性和膨胀性，同时又是良好的隔水层，遇水强度迅速降低。此外，坡体为倾向坡外的黄土-基岩缓倾结构，垂直节理裂隙、冲沟及落水洞发育，雨水极易渗入坡体。这些是滑坡产生的内在因素。

(2)复杂的构造环境

地应力资料表明，区域内主应力方向呈北东-南西向，与秦岭构造带相垂直， 区内活动断裂发育(各构造形迹的复合部位有温泉出露，说明该地区现今仍有强烈的构造活动)，属于较不稳定工程地质区。此外，滑坡为第四系黄土沉积于二叠系板岩之上，与板岩接触的接触面为软弱面[12]，在地震诱发作用下，滑坡稳定性会迅速降低。

(3)降雨

研究区内降雨强度大且时间相对集中，雨水入渗不仅增大了土体自重，还使泥岩迅速软化，滑带强度降低。此外，在暴雨作用下，坡面形成多条冲沟及落水洞，且规模不断增大，加速了雨水的下渗，冲蚀下切坡体的两翼，减小了侧翼抗滑力。

(4)江水、沟谷水流的侵蚀冲刷

白水江常年侵蚀滑坡前缘，使得前缘出现近于垂直的陡坎至基岩面，基本丧失抗滑力。此外，泥流下蚀、侧蚀和前蚀侧翼，降低了抗滑基准面[13]，为滑坡形成创造了有利的条件。

(5)人类活动

取土使得坡体中下部近于直立，导致坡体前缘的抗力减小。另一方面，附近居民在坡体上种田、灌溉，加剧了裂缝变形和水体下渗，造成大面积水土流失，为滑坡形成创造了有利的条件。

(6)地震

研究区地震烈度为Ⅶ～Ⅷ度[14]。根据稳定性分析结果可得知，在地震的作用下，坡体的稳定性骤然下降，随着地震烈度的增加，坡体的稳定性也会越来越差。在降雨和地震的共同作用条件下，坡体的稳定性系数小于1，处于失稳状态。

综上所述，哈南村滑坡是在特定的地质构造背景和地层岩性等内在条件基础上，在降雨、江水冲刷、人类活动等多种外部因素共同作用下，由地震诱发的巨型黄土-基岩推移式滑坡。

4.2 治理建议

(1)当地的降雨常以暴雨和连阴雨的形式出现，可采取坡面整治、夯填裂缝、平整坡面、坡面绿化，设置环形截水沟、树枝状排水系统[15]、落水洞填埋夯实等排水工程。

(2)目前，滑坡体及其周界是祁连山取土场的取土基地。因此，可制定取土规则，合理安排取土，对坡体后缘部分进行削方，以减少下滑力；同时对滑坡体前缘进行回填，以增大抗滑力。

(3)要求附近的村民停止对前缘的开挖，对坡体两翼的冲沟进行综合治理，设置排导槽以及拦挡坝，以减少泥石流对坡体的下切、冲刷。

5 结论

(1)哈南村滑坡是在有利滑动的地层岩性和坡体结构、复杂的构造环境、降雨、江水泥石流冲刷侵蚀、人类活动等各种因素综合作用下，由地震诱发的特大型黄土—基岩推移式滑坡。

(2)由稳定性计算可知，在天然状态下，坡体稳定性最好；在降雨饱和工况下或地震工况下，坡体的稳定性系数有所降低，但仍处于稳定状态。

(3)坡体在地震和降雨共同作用下，会诱发老滑坡复活或者引发次生滑坡。因此，在防治时应注重对雨水的防治，避免降雨作用与地震作用的叠加。

(4)在地震作用下，坡脚处的应力、应变相对较小，坡体后缘的应力、应变相对较大。因此，后缘容易发生结构变形破坏，产生裂缝、滑面贯通，对坡体前部进行挤压推移，造成推移式滑坡。

(5)根据研究区的工程地质条件，结合经济指标、技术指标、环境影响等，对哈南村滑坡提出了治理意见：坡面整平、夯填裂缝、周围设置截水沟、坡面设置树枝状支沟、坡面禁止开垦种田而换成固坡植被、合理开挖坡体、前缘反压、对两侧大冲沟设置拦挡坝、安装检测系统等治理检测措施。