断裂构造对滑坡的水力补给类型及作用机理分析*

2021-07-19赵甫丁栋

工程地质学报 2021年3期

赵甫丁栋

(中煤科工集团西安研究院有限公司，西安 710077，中国)

0 引言

众所周知，滑坡的发生大多与地下水的活动有关，尤其是断裂构造发育的大型复杂滑坡，受断裂构造的水力补给作用，往往发育丰富的地下水，对滑坡稳定性影响巨大。然而，由于以往对断裂构造水力补给作用的认识不足或误判，导致工程事故多有发生。如京珠高速公路K108滑坡，因断裂构造发育，地下水异常丰富，施工中多次发生较大滑动变形，造成工程进度滞后，成为“卡脖子”工程(马惠民等， 2006)；又如福建永武高速公路箭丰尾滑坡，断裂构造发育，坡体内赋存有大量地下水，导致滑坡复活，对高速公路路面及抗滑工程结构等造成了严重破坏(王恭先等， 2016)；再如深圳市水贝松泉滑坡位于具有水力补给作用的南北向张拉断裂带上，地下水活动导致滑坡前级下滑，严重威胁华艳化工楼及凯利大厦的安全(郑静， 1998)。

综上可知，查明断裂构造对滑坡的水力补给类型及作用机理，是正确评价滑坡稳定性和合理确定地下截排水设计的关键。然而，确定滑坡内地下水分布特征与断裂带产状与分布至今仍是国内外滑坡防治中的难题之一(徐邦栋， 2001；王恭先等， 2008)。

目前，有关断裂构造对滑坡的影响和作用的研究，主要涉及断裂构造对滑坡分布及边界条件的控制方面(陈明等， 2018；冯文凯等， 2018；魏昌利等， 2019)，而有关断裂构造对滑坡水力补给作用方面的研究成果较少且不系统，多以单个典型滑坡工点为研究对象，或分析研究其作用机理及对滑坡稳定性的影响(金培杰， 1994；金培杰等， 1994；曹玉立等， 1999；郑静， 1998；阎长虹等， 2019)，或分析总结国内外土质滑坡和岩质滑坡的水文地质结构类型及对滑坡的影响(周平根， 1998；周家文等， 2019)，但已有研究尚未对断裂构造对滑坡的水力补给类型、形成条件等共性规律进行归纳总结。

针对上述问题，本文通过归纳总结国内典型滑坡实例中的水力补给断裂的发育部位、地下水赋存规律等，划分了断裂构造对滑坡的水力补给类型，进而分析了地下水对滑坡的作用机理，对今后揭示滑坡地下水运移规律、定量评价地下水对滑坡的作用及确定合理的地下截排水设计等具有重要指导价值。

1 断裂构造对滑坡的水力补给类型

不同力学性质的富水性断裂一般呈张(张扭)性断裂>扭性断裂>压(压扭)性断裂的特点，其作用于滑坡将产生不同程度的影响。实践中作者发现，断裂构造水的作用部位不同，滑坡的滑动力学特征亦有较大不同，如滑坡前部抗滑段受滑床断裂承压水的顶托及对滑带持续软化作用，滑坡前部先失稳下滑，产生牵引式的多级滑坡，而作用于滑坡后部边界，则可能产生推动式滑坡。

发育多层软弱夹层的斜坡，受断裂构造水补给水头及越流补给的影响，可能发育出滑床承压水、滑体潜水或承压水的多层复杂地下水类型。

基于以上因素，根据水力补给断裂与滑坡边界的关系、力学性质及地下水类型等，将断裂构造对滑坡的水力补给类型划分为边界补给型、滑床补给型和复合型等3种类型。

1.1 边界补给型(Ⅰ型)

构成滑坡边界的断裂中，有的富水性较差，仅起切割边界降低坡体完整性的作用；有的具有较强的富水性，起连通边界外含水系统向滑坡水力补给的作用。研究发现，具有水力补给作用的断裂，因其位于后缘或侧缘的不同，对于滑坡的影响存在明显差异，基于此将本类型进一步划分为后缘补给型及侧缘补给型两个亚类。

1.1.1 后缘补给型(Ⅰ1型)

多发育在倾向坡外断层的上盘岩体内，断层为张(张扭)性或前期为压(压扭)性后期改造为张(张扭)性，构成滑坡后缘；主滑带依附于坡体内正断层伴生的次级或后期生成的顺坡缓倾断层，由于张性断层破碎带透水性较好，下盘岩体内储存的地下水透过断层破碎带向上盘补给，由于顺坡缓倾断层多由断层泥、糜棱岩等隔水物质组成，使得上盘由后缘张性断层补给而来的地下水沿顺坡缓断层带流动并使之软化，产生滑坡，该类滑坡滑面多呈平面状(图1、图2)。如顺坡缓倾断层呈多层发育，接受后缘正断层的水力补给可形成浅层潜水、中层潜水或承压水、深层承压水的复杂地下水类型。

图1 南同蒲铁路冷泉滑坡示意图(据仇祥凯， 1996)

图2 太焦铁路牛晶坪滑坡示意图(据王松岭， 1986)

根据倾向坡外张性断裂的次级断裂及顺坡缓断层发育情况，在地下水作用下可发育成单层滑动或多层、多级滑动(表1)。

表1 断层发育与滑坡分层、分级关系

1.1.2 侧向补给型(Ⅰ2型)

常见于侧向边界由水力补给断裂控制的滑坡，其力学性质多为张性、张扭性或扭性，与斜坡走向垂直或大角度相交，后山储存的地下水以其为通道向滑坡补给。该水文地质类型主要发育在岩质滑坡及堆积层滑坡中，其地下水类型一般较为简单，多为潜水，若地下水较丰富溢出地表，可形成串珠状、带状水泉或湿地。

有时受与滑坡侧向边界导水断裂构造交叉的其他断裂构造导水性质差异的影响，沿侧向导水断裂呈现出局部导水能力增强或起阻隔滞流的现象，使得坡体水文地质条件变得复杂。如斜坡发育多条平行于侧向边界的次级断裂，受断裂水力补给能力及地下水扩散范围的影响，滑坡横向上地下水的作用存在一定程度的差异，导致横向上的各部分稳定程度不同而形成多条滑坡(图3)。

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图3 宝成铁路塔坝滑坡示意图(据周平根， 1998)

1.2 滑床补给型(Ⅱ型)

针对大型复杂滑坡的调研发现，部分滑坡后缘或侧缘边界断裂虽无导水能力，但其滑床发育的断裂却对滑体具有水力补给作用或承压顶托及持续软化滑带的作用，可对滑坡稳定性产生较大影响。其中：又因滑床断裂横穿或纵贯滑坡的不同，其地下水分布及特征存在较大差异，而将本类型划分为横向补给型及纵向补给型两个亚类。

1.2.1 横向补给型(Ⅱ1型)

该类型的水力补给断裂常横穿滑床，断裂为张(张扭)性，多倾向坡外。受滑带的隔水作用，滑带以上主要为潜水，接受大气降水补给；滑面以下接受断裂构造水力补给，呈承压状态。

该水文地质类型在破碎岩石滑坡和大型堆积层滑坡中较为普遍。如宝成铁路西坡Ⅳ号堆积层滑坡，中部滑床发育一正断层，现场水文试验证实其对滑坡有承压水力补给作用，承压水头高出地面十余米，受其影响滑坡长期处于蠕动变形当中(图4)。

图4 宝成铁路西坡Ⅳ号滑坡示意图(据徐邦栋， 2001)

以往工作中，由于该类断裂不构成滑坡边界而易被忽视，但鉴于其对滑坡特殊的水文地质作用，今后应加强这方面的调查研究工作。

1.2.2 纵向补给型(Ⅱ2型)

在区域性断裂带内发育的滑坡常见该水文地质类型，断裂带力学性质多为张性、张扭性或前期为压性断裂后期改造为张扭性，该断裂一般规模较大，且带内岩体破碎，由于断裂带多具有导水和储水的双重功能，使得坡体内地下水十分丰富；受次级断裂性质及发育情况影响，其地下水空间分布均匀性较差且性质较为复杂，坡体内常出现片状、股状、脉状等不同分布形态地下水，其地下水类型多呈现出潜水、承压水等不同类型的多层地下水发育特点。

沿该类断裂带易发育大型破碎岩石滑坡(图5，图6)；若断裂带通过处与两侧地貌差异较大，崩坡积作用较为强烈，在低洼地带或断裂凹槽内易堆积大量的崩坡积物质，受断裂凹槽内丰富地下水的影响，则易于生成沟槽状破碎岩石或大型堆积层滑坡(图7)。

图5 京珠高速K108滑坡示意图(据王恭先等， 2008)

图6 水贝松泉滑坡示意图(据郑静， 1998)

图7 刘家台滑坡示意图(据王恭先等， 2008)

1.3 复合型(Ⅲ)

在不同规模、性质、方向的断裂交汇带或区域断裂带与次级断裂交汇带，常见该水文地质类型的滑坡。由于坡体内发育多个方向的不同力学性质和不同规模的导(富)水断裂，而形成复杂的水力补给网络，地下水类型均匀性较差，常发育多层地下水，且潜水、承压水共同发育的特点，在此基础上发育的滑坡呈现出分级、分层、分块的特征，其各条块多具有相对独立的水文地质类型(图8)。

图8 东荣河1#隧道滑坡群示意图(据徐邦栋， 2001)

2 断裂构造水对滑坡的作用机理

2.1 滑带孔隙水压力增高

该作用仅限于受断裂构造水力补给作用形成的潜水，常存在于多层破碎岩石滑坡的中浅层滑坡、部分堆积层滑坡及顺层滑坡中，坡体的失稳主要受滑带孔隙水压力增高的影响。由于坡体内地下水位的升高，滑带土孔隙水压力增大，导致滑坡稳定性下降。关于潜水对滑坡稳定性影响的评价，研究成果较多，这里不再赘述。

2.2 滑床承压水顶托

由滑床断裂水力补给而发育的地下水，如果其补给水头高于滑带，受滑带隔水作用则使滑床内地下水具有承压性，对滑体产生顶托作用，顶托力大小受断裂构造水力补给的水头高度及承压补给面积控制。滑床各部位承压水头随岩体透水性的差异及距离水力补给断裂远近而呈现出一定变化，其长期作用于滑体，对滑坡稳定极为不利，在后缘补给型的中、深层滑坡及滑床承压补给型滑坡中较为常见(图9，图10)。如深汕高速K101滑坡，其中部滑床内承压水通过断裂向上补给滑体，造成断裂以下坡体内地下水大幅度垄高，滑坡稳定性明显下降。

图9 Ⅰ1型滑坡地下水水力模式示意图

图10 Ⅱ1型滑坡地下水水力模式示意图

纵向廊道补给型滑坡的地下水在纵向水力补给断裂部位呈现出明显高于两侧的高水位或高承压水头特征；侧向补给型滑坡地下水水力模式与纵向廊道补给型滑坡的中部至左(右)部分模式类似(图11)。

图11 Ⅱ2型滑坡地下水水力模式示意图

复合型地下水类型较为复杂，其地下水水力模式为以上两种或两种以上的组合。

2.3 滑带黏土矿物遇水膨胀

大多数滑坡滑动面(带)是依附于坡体内先期存在的软弱结构面，尤其是泥质含量较高的泥化夹层，其内含有大量黏土矿物，其类型以蒙脱石、伊利石和高岭石最为常见。其中：高岭石亲水性较弱，浸水时膨胀量不大；蒙脱石因极高的比表面积和离子交换量，具有极强的亲水性，其含量大于5%时，便具有明显的膨胀性；伊利石性质介于高岭石与蒙脱石之间(钱家欢等， 1996；冷挺等， 2018；张莉萍等， 2018；谢小帅等， 2019)。泥化夹层中膨胀黏土矿物的形成与其所在环境中特定的岩石类型关系密切(表2)。

表2 易发育含膨胀黏土矿物滑带的岩石种类

上述岩体内地下水多呈弱碱性，受母岩物质组成影响，岩体内发育的软弱夹层普遍含有大量铝硅酸盐矿物，且一旦进水便不易排出，形成有利于蒙脱石形成的弱碱、排水不良的环境，在经过一系列的风化作用后，在堆积层下伏基岩顶面或岩体内的断裂构造处形成富含蒙脱石的黏性土层或泥化夹层。在少量地下水作用下，滑带即可产生极大的体积膨胀，使得滑带强度急剧下降，造成坡体失稳滑动。这与褚宏亮(2017)和曾召田等(2012)关于富含蒙脱石滑带的工程地质特性和膨胀土的研究结论是一致的。

2.4 滑带化学溶蚀

地下水在滑带附近活动可造成滑带内起盐分胶结作用的易溶盐类溶解，含量减少，造成滑带抗剪强度下降。通常，滑带的化学溶蚀现象需要较丰富的地下水或一定时效的地下水径流作用(Anson et al.， 2002；黄润秋等， 2005；姚晓阳等， 2012；朱赛楠等， 2018；周家文等， 2019)。如贵州某岩质滑坡，由于断裂构造向滑带水力补给，滑带附近地下水活动强烈，沿软弱夹层形成的滑带内碳酸钙含量急剧减少，沿之形成滑坡(表3)。

表3 同一类型泥化夹层形成滑带前后碳酸钙含量变化

3 断裂构造水力补给滑坡的防治方法

由于断裂构造水力补给具有补给水量相对稳定及作用长期性的特点，加之断裂构造水力补给位置一般较深，多位于地表以下十余米或几十米，一般的地表截排水工程无法排除该类地下水，因此，对于该类滑坡应优先考虑“治滑先治水”的深层截排水方案，但需有详细的水文地质条件及隧洞围岩级别等定量评价资料。

地下截排水工程不仅能将作用于滑带的潜水排出，而且对于滑带以下的承压水也具有良好的截排效果，这将从根本上提高滑坡的自稳能力、有效减少支挡工程量，降低滑坡治理费用而且对滑坡的长久稳定有利。

3.1 截水隧洞

采用截水隧洞可对滑坡地下水进行有效的疏排，有效地控制地下水水位，显著提高滑坡的稳定性，且便于后期维护管理(孙红月等， 2006)。结合滑坡的具体情况，可设计成“直线”形、“折线”形、“Y”形或几种形式的组合。当断裂构造向滑坡体水力补给范围较大、滑坡两侧或一侧冲沟发育时，按照“就近截排”的原则，在靠近水力补给断裂构造部位的滑带以下2～3m滑床中，平行水力补给断裂布置；沿截水隧洞轴线间隔一定距离设置检查井；洞内向上及两侧布置穿过滑带的渗井或仰斜排水孔，形成截水帷幕排出断裂构造补给的地下水，将水引入两侧或一侧的自然冲沟内排走(图12)。

图12 截水隧洞截排滑坡体断裂水力补给示意图

如深汕高速K101滑坡，滑床中部存在一承压补给的正断层，滑坡治理未布置深层排水工程，工程竣工后，一直处于蠕动变形中，10年后滑坡复活。后在水力补给断层上盘布置两条地下截水隧洞，滑坡变形呈迅速收敛趋势，多年监测表明滑坡处于稳定状态，排水效果良好(图13、图14)。

图13 深汕高速K101滑坡ZK4-3滑面处位移监测曲线图(据高和斌等， 2016)

图14 深汕高速K101滑坡示意图(据丁孝勇， 2016)

又如某滑坡采用截水隧洞方案后，在截水隧洞附近滑坡的稳定性可提高11.2%，距排水隧洞20余米处，可提高6%(严绍军等， 2008)。

3.2 井-孔联合排水

当滑坡两侧冲沟不发育，尤其是滑坡地下水呈不连续的片状分布时，可采用井-孔联合排水工程，截排坡体内深层地下水，并可在平面上分散灵活布置，不存在像截水隧洞排水模式受廊道走向的约束(陈崇希等， 1998)。坡体内布置一定数量的集水井，间距30～40m，井底位于滑带以下一定深度，沿井壁呈放射状布置仰斜排水孔，可根据地下水分布情况，在不同高度设置多层仰斜排水孔，井间以排水钻孔连接(图15)。