孙家庄滑坡失稳机制分析

熊扬福, 吴娟娟, 王亚男

(1.湖北省地质局 第六地质大队，湖北 孝感 432000; 2.湖北省地质局 第一地质大队，湖北 大冶 435100)

长江三峡库区自然地质条件复杂，地质灾害频繁发生，目前据统计有3 864处滑坡[1]。2003年7月13日湖北省秭归县沙镇溪镇由于库水位的升降及降雨诱发千将坪滑坡[2]，引发了众多学者对库区滑坡的关注[3-8]。孙家庄滑坡位于三峡库区白沙河左岸，为典型的中层土质岩床滑坡。基于大量的地质资料，从滑坡基本特征入手，分析其形成条件，探讨该滑坡变形的主要影响因素及变形机制，并基于传递系数法对滑坡处于不同工况下的稳定性进行计算，综合评价孙家庄滑坡的发展趋势。

1 滑坡概况

孙家庄滑坡位于三峡库区香溪河上游支流白沙河左岸，距三峡大坝70 km，距香溪河41 km。滑坡区位于秭归向斜北边缘，滑坡所在区出露的地层由新至老依次为第四系崩坡积物、三叠系中统巴东组中厚层泥质粉砂岩与泥岩互层、夹薄层页岩以及下统嘉陵江组白云岩，岩层产状为220°∠30°，呈单斜构造。地形上，滑坡所在斜坡走向近东西，倾向南，坡度15°～80°，坡脚至白沙河，高程170 m，斜坡类型为顺向坡。

2 滑坡特征

2.1 滑坡空间形态及边界特征

滑坡体位于白沙河左岸，滑坡体呈锥形堆积于凹沟中，分布高程170～320 m，前沿至白沙河，其他三面陡壁近直立围绕滑坡体，平面呈箕形，剖面呈阶梯形，滑坡上、下部平台坡度较缓(坡度为22°左右)，中部和前缘坡度较陡为30°～40°，两侧向凹部倾斜，坡度10°～15°，坡体向白沙河延伸，河流将岸边冲刷切割为高10 m、局部坡角为40°～50°的临空面。前缘宽400 m、长370 m，厚度约10～37 m，均厚20 m，面积8.8×104m2，体积约180×104m3。滑坡主滑方向198°。孙家庄滑坡属大型中层土质岩床滑坡，其全貌如图1所示。

图1 孙家庄滑坡全貌(拍摄镜头方向67°)Fig.1 Panorama of Sunjiazhuang landslide

2.2 滑坡物质组成及结构特征

2.2.1滑体

孙家庄滑坡为一堆积层土质滑坡。滑坡体物质为残坡积和崩坡积物组成的碎石土，表层可见1 m左右的白云质灰岩块石，其后缘大而多，前缘相对少而小，其他则为砂、页岩组成的碎块石，块石大小在3～10 cm，土石比约为6∶4。土体结构松散，据物探资料分析表明，滑坡东部前缘滑坡体厚度较薄，滑床基岩埋深较浅。滑坡体厚度约10～37 m，平均厚约20 m。

2.2.2滑带

滑带为堆积层与基岩的接触带，以碎石土为主，碎石母岩成分为泥质粉砂岩，粒径2～4 cm，受挤压碾磨，结构较密实，局部夹杂有粉质粘土，呈可塑状。

2.2.3滑床

滑床上部为三叠系中统巴东组黄绿色泥质粉砂岩，岩层产状为220°∠30°。滑坡工程地质平面图见图2，剖面图见图3。

图2 孙家庄滑坡工程地质平面图Fig.2 Planar graph of engineering geology of Sunjiazhuang landslide1.滑坡边界;2.滑坡堆积物;3.三叠系中统巴东组;4.地层产状;5.剖面线及编号。

图3 孙家庄滑坡I-I′工程地质剖面图Fig.3 I-I′ engineering geological profile of Sunjiazhuang landslide1.滑坡堆积;2.三叠系中统巴东组;3.三叠系下统嘉陵江组;4.碎块石上;5.白云岩;6.泥质粉砂岩;7.推测滑动面。

2.3 滑坡变形破坏特征

2008年7月27日出现强降雨，在滑坡体西侧外山体陡崖上及后部山体陡崖上，由于强降雨的影响而出现了较大规模的坍塌，方量50～100 m3。

同时滑坡中下部和西侧出现了较大的变形，在滑坡中部出现了几条规模较大的贯穿性裂缝。其中在滑坡中前部村民孙成先家房屋前的地坪上(图4)，原有裂缝扩张。据调查裂缝宽约2～5 mm，且断续分布；长约5～8 m，呈近东西向分布，裂缝宽约1～3 cm，下错1～4 cm。

图4 滑坡中前部村民房前地坪裂缝Fig.4 Cracks in the front floor of villagers’ houses in the middle of landslide

在孙成先家房后平距约20 m，高差约10 m处的李兵芳家门前，也出现1条近东西向，长约30～40 m的贯穿性裂缝，宽约1～2 cm，下错1～3 cm，可见深度5～15 cm(图5)。在其房屋东侧墙体出现3条规模较大的裂缝(图6)，宽一般1～3 mm，并且与顶部、地面裂缝贯通，地面处裂缝下错1～2 cm。

图5 李兵芳家门前裂缝Fig.5 A crack in front of Li Bingfang’s house

图6 房屋东侧墙体裂缝Fig.6 Cracks in the eastern wall of buildings

3 滑坡形成机制分析

3.1 滑坡形成条件

对于孙家庄滑坡，其地形地貌、地层岩性及岩土体结构为滑坡的产生提供了条件。

(1) 地形地貌。由图3可知，滑坡剖面呈阶梯形，滑坡上、下部平台坡度较缓(22°左右)，中部和前缘坡度较陡为30°～40°，两侧向凹部倾斜，坡度10°～15°，坡体向白沙河延伸，河流将岸边冲刷切割为高10 m、局部坡角为40°～50°的临空面，使滑坡体有了变形的空间，特定的地形地貌为滑坡提供了空间条件。

(2) 地层岩性。滑坡体物质为结构松散的崩坡积物组成的碎块石土，在外力作用下易于变形。滑带物质主要为堆积层与下伏基岩接触带的碎石土，滑床为三叠系中统巴东组紫红色，上部为黄绿色泥质粉砂岩，后部山体出露三叠系下统嘉陵江组白云质灰岩，顺坡向产出，灰岩体崩塌加载有利于滑坡体顺向滑动。

(3) 岩土体结构。岩土体发育的各类结构面控制滑面的空间位置及滑坡范围，同时决定滑坡地下水分布和运动规律。滑床上部为三叠系中统巴东组黄绿色泥质粉砂岩，层理面发育，也是地下水的富集位置，对结构面的强度会有劣化作用，且斜坡为顺向坡。因此，结构面的存在为孙家庄滑坡滑带的形成提供了条件。

3.2 影响因素及变形机制分析

(1) 库水的软化和浮托作用启动滑坡的变形。首先，自2008年三峡水库开始172 m试验性蓄水，库水位由145 m升至175 m，而白水河作为支流，其水位的变化与三峡库区水位同步。而孙家庄滑坡为古崩滑堆积体，下覆基岩为泥质粉砂岩，透水性较差，在库水骤升30 m的情况下，必然对滑体产生较大的浮托作用。且滑带以碎石土为主，碎石母岩成分为泥质粉砂岩，泥质含量较高，在库水的浸泡和软化作用下，其抗剪强度必然降低。在软化和浮托的协同作用下，滑坡阻滑段阻滑力减小，致使滑坡出现变形，使得滑坡中下部出现东西向裂缝，前缘出现隆起，后部出现拉裂缝，继而牵引上部牵引区出现拉裂位移。其次，滑坡前缘为白沙河，对斜坡坡脚进行冲刷掏蚀，使斜坡前缘局部被掏空，致使出现塌岸现象；其东部前缘的阻滑体在水流的作用下，其岩体强度会降低，进而使得前缘阻滑段抗滑力减小，加剧滑坡的变形。

(2) 降雨是滑坡变形的主要影响因素。根据多年的野外巡查资料，在连续长时间降雨尤其是暴雨后。滑坡体浅表松散，降雨极易入渗，而深部滑体物质为弱透水性，降雨使地下水位抬高，使滑坡地下水力坡度增大。一方面是地下水静水压力效应，增加了滑坡体的重量；另一方面就是地下水的动水压力效应，增加了沿渗流方向的滑动力。同时，大量降水沿滑体表面入渗，对滑体物质和滑带土产生了软化效应，直接降低了滑带土的抗剪强度，失去部分力学性能；滑体动、静水压力增加以及地下水饱和软化滑带土使滑体易于变形失稳。

2006年，滑坡体上布置了XS112-XS118等7个GPS监测点，据2006—2009年的监测数据(图7)和降雨量(图8)分析可知，孙家庄滑坡在2007年6—8月和2008年8—9月分别发生了较为明显的变形，水平位移分别在22.5～40.5 mm和68.0～119.1 mm，位移方向指向白沙河。在图8中，可发现在2007年6月、7月和2008年8月份出现高强度降雨，且降雨强度在200 mm/月以上，与滑坡的两次变形对应；而在图9中，明显可见此时库水位处于145 m水位，库水的影响较小。因此，降雨对滑坡稳定性影响较大，而库水位变化对滑坡有一定影响，该滑坡可归为水库—降雨型滑坡。

图7 孙家庄滑坡累积位移变化曲线图Fig.7 Cumulative displacement curve of Sunjiazhuang landslide

图8 孙家庄滑坡区降雨量图Fig.8 Rainfall map of Sunjiazhuang landslide area

图9 三峡水库坝前水位实际曲线图Fig.9 Actual curve of water level in front of Three Gorges Reservoir Dam

4 滑坡稳定性分析

4.1 滑坡稳定性计算

选用图3剖面，采用传递系数法对滑坡的稳定性进行计算。由于该滑坡属于涉水滑坡，参照文献的规定，滑坡的计算工况及采用的安全系数如表1所示。

表1 计算工况及安全系数Table 1 Calculating working condition and safety factor

通过对滑坡岩土体的室内试验、与临近滑坡的类比及反算法综合分析确定滑坡岩土体的物理力学参数如表2所示，计算结果如表3所示。

表2 岩土体物理力学参数Table 2 Physical and mechanical parameters of geotechnical body

表3 孙家庄滑坡稳定性计算结果表Table 3 Table of calculation results for stability of Sunjiazhuang landslide

4.2 滑坡稳定性评价及预测

通过对比表3的计算结果，参照《滑坡防治工程勘察规范》(GB/T 32864—2016)可知，在工况1下，计算出的滑坡稳定系数为1.182，>1.15，说明该滑坡处于稳定状态；在工况2中，滑坡稳定系数处于1.05～1.15之间，处于基本稳定状态；在工况3、工况4和工况6下，计算出的稳定系数均<1，处于不稳定状态；在工况5下，稳定系数处于1.00～1.05，滑坡处于欠稳定状态。

另外，对比工况1和工况3或工况2和工况4，增加20年一遇降雨后，滑坡稳定性从稳定或基本稳定降为不稳定级别，可知降雨对滑坡影响较大，这也印证了上文对降雨的分析；对比工况1和工况5，可知在水位由145 m升至175 m过程中，滑坡由稳定状态变为欠稳定状态，说明了库水位上升会降低滑坡的稳定性，这也符合浮托减重型滑坡的特点；对比工况3和工况5，也可说明对于孙家庄滑坡的失稳，降雨的影响大于库水位的影响。

随着三峡水库的运行，库区水位停留在175 m的时间加长，水位淹没滑坡体前缘坡脚只有1～3 m，这与白沙河和汛期水位相差无几，只是在175 m水位保持时间较长，约3—5个月，在其长期浸泡作用下，土的粘聚力和内摩擦角相应的减小，土体的抗剪强度也相应的减小，滑坡的前缘松散土层进一步被扰动，前缘的陡坎进一步被侵蚀和侧蚀，形成角度更陡的岸坡。在强降雨的作用下，滑坡体地下水较为迅速地集中在滑坡体中下部，地下水位迅速抬高，与坡体外侧形成较高的水头差，使坡脚附近最大主应力集中，一旦坡脚(滑坡体前缘)最大主应力超过其抗剪强度，即没有相应的传递下滑力的支撑，滑坡前缘和中部将衍生出数条拉张裂隙。之后这些裂隙作为地表和滑带土之间的管道，并不断遭受冲蚀，导致裂隙扩张。发育到后期，滑坡前缘可能形成临空面，滑坡的后缘在自重的作用下，形成拉裂隙。在强降雨及河流汛雨期的洪水冲刷作用下，滑带还受到水动力和软化作用，同时上覆第四系堆积物的荷载增加，造成滑动面的扰动，当滑动面被剪断贯通时，就导致滑坡发生。因此，该滑坡发展趋势为不稳定。

5 结论

基于大量的地质调查资料，分析孙家庄滑坡的基本特征，对滑坡的主要影响因素和变形机制进行探讨，运用传递系数法计算滑坡处于不同工况下的稳定性，对该滑坡的发展趋势进行预测。主要结论如下：

(1) 通过对滑坡宏观变形情况分析，孙家庄滑坡所处斜坡的地形地貌、地层岩性及岩土体结构为滑坡的产生提供了条件，且该滑坡的主要影响因素为库水位和大气降雨，但降雨的影响远大于库水位的影响。

(2) 运用传递系数法计算，滑坡在施加20年一遇暴雨荷载后，均出现失稳，对比分析库水与降雨对滑坡稳定性的影响，发现降雨影响大于库水的影响，并综合评价了该滑坡未来变形趋势为不稳定。