基于深部位移及气象监测的泥岩滑坡特征及成因分析——以岑溪大业公田滑坡为例

郑 恒,潘雪瑛,沙桢晖,曾召田,肖 锋,陈链鑫

(1.桂林理工大学 广西建筑新能源与节能重点实验室,广西 桂林 541004;2.国网湖北省电力有限公司随州供电公司,湖北 随州 441300)

0 引 言

我国幅员辽阔,地形地质条件复杂,天气复杂多变,在强降雨等条件下经常会诱发滑坡等自然地质灾害,给当地的经济和人民的生活带来了严重的影响。例如,2010年9月1日云南保山市隆阳区瓦马乡由于强降雨诱发特大型山体滑坡,造成29人死亡,19人失踪;2013年7月10日四川都江堰市中兴镇三溪村,由于持续的降雨,诱发特大型山体滑坡,造成52人死亡,109人失踪;2014年8月27日贵州省黔南州福泉市因暴雨诱发山体滑坡,造成2个村民小组房屋被掩埋,28人死伤, 21人失踪。此类情况不胜枚举,一旦发生滑坡等自然地质灾害，往往是灾难性的,滑坡以其强大的破坏力,破坏人们的生产生活设施,摧毁人们的家园。因此,为了预警地质灾害，达到降低损失的目的,就必须对滑坡的变形进行监测预报,以此正确识别滑坡内部变形阶段,并及时采取处置措施,预防滑坡的发生。

滑坡变形是地质结构及内、外影响因素的综合反映,监测滑坡变形是分析滑坡地质结构、变形动态特征的依据[1],其中深部位移监测是滑坡变形监测的重要手段。何满潮[2]指出,通过监测滑坡的深部位移能够识别滑动面的具体位置而且具有较好的预测预报准确度,可以为研究滑坡运动规律提供可靠的分析依据。目前深部位移的监测方法主要有:拉线式深部位移计、多点位移计、 TDR技术及固定式测斜仪等, 虽然这些方法都能够根据监测数据获取滑动面位置, 分析滑坡变形阶段, 但是都或多或少地存在人为因素大, 难以预测坡的变形方向、测点密度小等问题,而滑动式测斜仪因具有对全孔进行监测、精度高、受外界滑干扰因素少且能准确地监测滑坡变形方向的特点而广泛应用于滑坡监测。

准确找出滑坡的发生成因,发现导致滑坡发生的内外因素,可拓深对滑坡发生规律的认知,以及时有效地预防滑坡的发生。目前,国内外学者从导致滑坡发生的外在因素(降雨、 地震、 人类工程活动等)、 内在因素(地形地貌、 地质地层结构)等方面出发作了大量的研究：张均锋等[3]对四川奉节白衣庵老苍屋新滑坡进行了研究,提出了新滑坡发生的主要原因是降雨产流汇聚形成冲沟及降雨对坡面的入渗,对滑后坡体的治理方案进行了初步地探讨;张茂省等[4]对西北黄土高原地质灾害进行了详细调查,发现诱发黄土滑坡的因素有自然和人为两类因素,其中降雨和人类工程活动是最积极的诱发因素;温智熊等[5]对广西龙胜县滑坡、崩塌发生的数量与降雨量进行统计，当日降雨量或3日降雨量达到临界值时，易诱发滑坡、崩塌地质灾害；Hasegawa等[6]通过对喜马拉雅山脉地区滑坡的地质和构造活动进行分析,认为喜马拉雅山脉在断层的推进过程中发生了大量的热液蚀变,从而导致了大规模滑坡的发生;Wang等[7]对大型黄土覆盖区滑坡进行了钻探和物探试验,分析滑坡地区的工程地质条件和活动断裂性质研究,提出地下水位的侵蚀和上升导致了山体滑坡的发生;廖秋林等[8]基于对三峡库区千将坪滑坡发生后的跟踪考察,结合资料,运用地貌学与工程地质力学等理论分析了千将坪滑坡的成因,认为滑体脆弱地质结构和集中降雨是滑坡的主要成因;邱海军等[9]采用关联维数等方法对黄土滑坡空间分布结构进行分析,发现地形地貌是影响黄土滑坡发育最大因素,次要因素是地形起伏度。从目前的研究来看,针对导致黄土、粉土滑坡成因的研究较多,但对泥岩边坡致灾成因的研究相对较少。

我国西南地区泥岩边坡分布广泛,由于雨量充沛,极易发生滑坡,并造成大量的人员伤亡与经济损失,而对于泥岩滑坡的现场监测研究却很少。岑溪大业公田滑坡属于典型的泥岩滑坡,利用滑动式测斜仪及农田气象监测仪对泥岩滑坡进行深部位移及气象监测,探讨了泥岩滑坡的形成模式,分析了其成因,可为预防泥岩滑坡的发生提供一定的借鉴与参考。

1 滑坡概况

广西岑溪—罗定的岑罗高速公路是国家规划的“五纵七横”高速公路网的重要组成部分,也是广西连接广东、香港和澳门的黄金大通道。路线处于云开山脉之中,境内山岭延绵、河流纵横,地形条件极其复杂,雨季长,降雨强度大,是广西境内暴雨诱发地质灾害的高危区。岑罗高速公路K398+562—883路段的右侧即为岑溪大业公田挖方路堑边坡。

1.1 滑坡工程地质条件

滑坡坡顶标高230 m,坡脚标高140 m,边坡高度90 m,东西向长320 m,南北宽约100 m,斜坡地表自然坡角为15°～25°,变形体方量约2.9×105 m3。根据地质勘探资料,选取了最复杂的地质断面段作为滑坡的地质剖面,图1是岑溪大业公田滑坡平面图,图2为对应的Ⅰ—Ⅰ′、Ⅱ—Ⅱ′、Ⅲ—Ⅲ′断面处的剖面图。滑坡滑床位于弱风化泥岩中,深约15～20 m,滑床底面有地下水流出,滑带发生在约5 m厚的强风化泥岩中,滑带在滑坡中后部西边界上有明显出露,滑带厚度变化较小,滑坡滑体主要为强风化和全风化泥岩。滑体厚2.5～6 m不等,前、后部薄,中部厚,滑坡后壁陡坎高约3 m。影响边坡稳定性的主要因素有:节理裂隙发育的含薄夹层,软弱低强度的岩碎屑夹层，含高岭石的亲水性矿物及含钾、钠的易溶性碳酸盐矿物。

钻孔揭露地层岩性自上而下为:

①粉质黏土层,黄褐色,可塑,稍湿,含碎石,成分主要为全、强风化泥岩,局部段手捏有滑感；

②全风化泥岩, 紫红色, 硬塑, 节理裂隙发育, 岩体破碎, 裂面多见铁质浸染, 岩心呈破碎状；

③强风化泥岩,紫红色,硬塑,节理裂隙较发育,岩体较破碎,岩心以碎块状、柱状为主；

④弱风化泥岩,紫红色,硬塑,节理不发育,岩体较完整,岩心以柱状、长柱状为主,裂面偶见铁质浸染,岩层倾角为20°～25°。

2 深部位移监测及气象监测

2.1 滑动式测斜仪深部位移监测原理

滑动式测斜仪是一种高精度仪器,使用3D-MEMS硅电容原理测斜仪探头、 控制电缆、 导轮装置、 显示仪来量测测管的变形[10]。测斜管在安装时将测斜管钻孔下入并通过滑带以下至稳定段,建立起测斜管的初始位移位置,在测量时向上逐段测量测斜管与铅垂线的夹角,而后运用几何关系换算出测斜管的水平倾斜量。

图1 岑溪大业公田滑坡地质平面图Fig.1 Geological plane map of Gongtian landslide in Daye, Cenxi

图2 Ⅰ—Ⅰ′(a)、Ⅱ—Ⅱ′(b)与Ⅲ—Ⅲ′(c)剖面图Fig.2 Section of Ⅰ-Ⅰ′(a),Ⅱ-Ⅱ′(b) and Ⅲ-Ⅲ′(c)① —粉质黏土;② —全风化泥岩;③ —强风化泥岩;④ —弱风化泥岩

某一深度处侧向位移大小的计算公式为

(1)

式中:d为某一深度处测斜管轴线与铅垂线之间的偏移量, mm;l为测头的导轮标准间距, 为500 mm;αi为第i测量段测斜管与铅垂线之间的夹角, °。 计算原理简图见图3。

根据式(1)计算得到测斜管沿深度方向的测量结果, 然后绘制侧向位移随时间和深度变化的各种关系曲线, 进而可确定滑坡深部土体位移量的大小、 方向、变化速率及变化加速率等具体数值。

图3 滑动式测斜仪工作原理Fig.3 Composition and calculating principle of slide inclinometer

2.2 气象监测原理

本次试验使用的是TRM-ZS2型数字高精度自动气象监测系统, 利用阳光气象系列传感器、 自动气象站记录仪、 监测系统分析软件、 FS-1U盘存储控制器及太阳能电池板供电设备实现实时、 全天候监测收集环境和气象数据, 可以观测降雨量、 土壤湿度、 土壤水势、 环境温度、 环境湿度、 露点温度、 风速、 风向、 气压等数据指标(表1)。 该气象站可与GPS定位系统、 GPRS、 GSM通信和Modem等设备连接, 具有性能稳定、 检测精度高、 无人值守的特点, 可满足专业气象观测的业务要求[11]。

表1 TRM-ZS2型自动气象站观测技术指标

2.3 深部位移监测及气象监测系统的仪器布设

2014年7月25日完成了监测设备的安装与调试工作,7月28日开始专业监测。本监测系统共布置1个小型农田气象监测站、8个测斜管(滑坡前缘3个、滑坡中部2个、滑坡后缘3个)。在监测过程中,需要定期人工监测,因交通不便共仅收集了10次监测数据。2015年10月25日再次进行量测时,发现测管因变形过大而被剪坏,致使无法继续监测。

2.4 深部位移监测数据及气象成果分析

从整个滑坡地形考虑,由于测孔较多,分别选取前缘测孔ZK3、中部测孔ZK4、后缘测孔ZK5进行深部位移数据分析(图4)。这3个深部位移监测点兼顾了滑坡发育的影响范围,能提供滑坡的滑动面、位移量、位移速率等代表性参数。

从前缘监测孔ZK3的曲线图4a可以看出,位移几乎完全是由2～7 m孔段产生,孔口处最大滑动位移38 mm,曲线存在2个明显的滑面；孔口至孔深2.5～3 m段,曲线拐点位置明显,存在一个活跃的滑动带；在孔深5 m处有一峰值为40 mm的波峰,波形形状明显,在5 m处形成了二级滑坡面,滑坡体前缘沿多层面滑动,且以5 m处的滑动面为主。从中部监测孔ZK4的曲线图4b可以看出,位移基本上是由2.5～7 m孔段产生,孔口处最大滑动位移140 mm,曲线在5.5 m处形成了较明显的滑动面, 滑动面以上滑动位移较大, 而下部位移较小, 滑坡以浅层整体滑移为主。 从后缘监测孔ZK5的曲线图4c可以看出, 位移基本上是由1.5～8.5 m孔段产生, 孔口处最大滑动位移60 mm； 孔口至孔深3.5 m段, 曲线拐点位置明显, 存在一个活跃的滑动带；在孔深5 m处存在一峰值为57 mm的波峰, 波形形状较明显, 在此处形成了二级滑动面， 且以此处的滑动为主。 可知, 岑溪大业公田组滑坡以浅层多层滑动面为主, 反映了浅层多层面滑动的滑坡特点。 综上, 在2～3 m深度处,滑坡前缘和滑坡后缘的土体变形特征较为一致,而在中部有所不同。根据现场实地调查和地质勘探资料, 当地大量民房、 民宅修建在滑坡中部地区, 使得滑坡中部浅层土体内部应力状态发生改变, 导致滑坡中部的浅层土体变形特征与滑坡前缘和滑坡后缘变形特征有所不同。 滑坡体在前缘、 中部、 后缘深部累计位移变化较大, 中部孔口处深部累计位移甚至达到140 mm, 表明滑坡体内部已经出现较明显的滑动迹象, 应及时采取防护措施,避免滑坡体进一步发育。

图4 ZK3(a)、 ZK4(b)与ZK5(c)测孔沿Y方向累计位移-深度变化曲线Fig.4 Cumulative displacement curves of ZK3(a), ZK4(b) and ZK5(c) hole varying along Y direction with depth

分析图5～6知, 受2015年6月17—21日, 8月8—12日, 8月29—9月4日, 9月26—29日强降雨影响, 地表位移速率陡增至最大, 而滑带处位移速率分别在滞后不同天数后才增至最大, 其中3号前缘监测孔滞后16～18天，4号中部监测孔滞后8～10天, 5号后缘监测孔滞后24～26天。 由此可知，岑溪大业公田组滑坡的地表位移速率与降雨量具有很好的相关性, 而滑坡的深部位移速率与降雨量具有一定的滞后性， 且表现出对后缘滑带土的变形影响大, 平均日变形量为0.43 mm/d, 滞后时间长,达16～18天; 对中部滑带土的变形影响最大, 平均日变形量达2.12 mm/d, 滞后时间较长, 达8～10天; 对前缘滑带土的影响较大,平均日变形量为0.15 mm/d, 滞后时间最长, 达24～26天,体现了渐进推移式滑坡的变形特点。

图5 地表下1 m处位移速率与时间的关系曲线Fig.5 Displacement rate and rainfall at 1 m below the earth surface

图6 滑带处位移速率与时间的关系曲线Fig.6 Displacement rate and rainfall at slip band

从力学机制上看,岑溪大业公田组滑坡后部滑带较陡峭(坡度约为25°～30°),在强降雨作用下,滑坡的重度增加,下滑力迅速增大,滑坡后缘滑带土产生的位移变化逐渐向前缘和中部传递,在较平缓的滑坡中部及滑坡前缘,由于坡度较平缓,对于滑坡后缘传来的能量具有有效的缓冲作用；当降雨停止,滑坡土体恢复至天然状态,滑坡后缘的位移变化逐渐稳定,而中部及前缘仍有一个位移变化的阶段,反映了降雨量对滑坡中部及前缘位移变化具有较大滞后性。

3 滑坡发生的成因分析

3.1 滑坡的地质成因

岩体破碎、节理裂隙发育、强度低,含有大量亲水性及易溶性矿物的风化泥岩结构是岑溪大业公田组滑坡发生的决定因素:现场地质勘查探明,斜坡上部覆盖层主要为残坡积物、崩坡积物,夹少量全风化泥岩屑,斜坡中部和下部分别为不同风化程度的泥岩,斜坡自上而下出现不同破碎程度的泥岩屑体,岩体破碎,节理裂隙发育,这种地层结构极利于雨水自上而下持续补充地下水,并入渗到下部泥岩中,岩层中的泥质碎屑、软弱夹层长期浸泡在水中,促使土体的强度降低。据岩矿分析报告中风化泥岩中高岭石含量10%～15%,含钾、钠等碳酸盐矿物15%～20%,高岭石等亲水性矿物成分遇水膨胀、脱水收缩[12],对含水量的变化极其敏感,在雨季前后土体会发生相应的胀缩效应,对边坡的稳定十分不利。含钾等碳酸盐矿物具有可溶性,极易在水溶液中发生电离,致使土体组成成分被破坏,从而使边坡的强度降低,诱发地质灾害。

3.2 滑坡的环境成因

高强度、持续的降雨是岑溪大业公田组滑坡发生的主要诱发因素:根据岑溪大业公田组滑坡监测数据显示,受2015年6月17—21日、 8月8—12日、 8月29—9月4日、 9月26—29日持续强降雨影响下,滑坡位移速率明显增至最大,表明在降雨的作用下,加速了滑坡的发生。持续、高强度降雨作用下,水大量进入斜坡内,使潜水面上升,极易出现孔隙水压力短时间内瞬时增大,孔隙水压力对潜在破裂面上的岩土体起着浮托作用,降低了破裂面上的正应力,持续性降雨使地表水渗入坡体,软化了土壤及其中的软弱面,消弱了阻滑力,又附加了坡体的自重，因而使土的强度降低,最终导致滑坡的发生。

高速公路的修建导致坡脚不合理的开挖及对坡面植被的破坏等其他人类活动是大业滑坡发生的影响因素。2010年4月岑罗高速公路建成通车,由于高速公路的开工建设，不合理的开挖坡脚致使斜坡坡度过大,土体的稳定性变差。2010年5月30日,当地国土资源部门便在地质巡查中发现,岑溪大业镇公田组山体出现了最大约13 cm的裂缝,雨水沿裂缝渗出,致使依山而建的房屋倾斜、墙体断裂、地面下陷、楼房楼体断裂,可见岑罗高速高路在修建后对岑溪大业公田组滑坡存在一定的影响。加之当地居民人工开挖坡面,致使坡面的植被被砍伐,边坡植被具有很好的锚固作用和加筋作用,增强土体的强度和稳定性。一旦破坏边坡的植被,使斜坡完全暴露在雨水之下,在雨滴的溅蚀作用下,土壤的结构极易遭受破坏,发生分离、破裂、位移。

综上所述,岩体破碎、节理裂隙发育、强度低,含有大量亲水性及易溶性矿物的风化泥岩结构是岑溪大业公田组滑坡发生的决定因素;高强度、持续的降雨作用是岑溪大业公田组滑坡发生的主要诱发因素;高速公路修建导致的坡脚不合理的开挖及对坡面植被的破坏等其他人类活动是大业滑坡发生的影响因素。

4 结 论

基于岑溪大业公田滑坡的深部位移及气象监测过程,对泥岩滑坡从变形整个过程中的累计位移随时间、位移速率随降雨量的变化规律进行了系统地分析,分析了其发生的成因,得到了以下主要结论和认识:

(1)通过对岑溪大业公田滑坡深部位移数据分析可知,滑坡以浅层多层滑动面为主,反映了浅层多层滑动面滑动的特点。

(2)通过对岑溪大业公田滑坡地下1 m处及滑坡深部滑带位移速率与降雨之间的图形规律分析, 得出滑坡地表下1 m处的位移速率与降雨量具有一定的相关性, 而滑坡深部滑带处的位移速率与降雨量之间具有一定的滞后性, 滑坡后缘、 中部及前缘滑带变形分别为滞后约16～18天、 8～10天与24～26天, 体现了渐进推移式滑坡的特点。

(3)通过对岑溪大业公田滑坡地质及环境成因分析,结果表明岩体破碎、节理裂隙发育、强度低,含有大量亲水性及易溶性矿物的风化泥岩结构是岑溪大业公田组滑坡发生的决定因素;高强度、持续的降雨作用是岑溪大业公田组滑坡发生的主要诱发因素;高速公路的建设对岑溪大业公田滑坡坡脚不合理的开削挖及坡面植被的破坏等其他人类活动是大业滑坡发生的影响因素。