湖北崇阳县大药菇山区降雨型滑坡成因机理分析

2021-08-30梅红专

资源环境与工程 2021年4期

杨潇，梅红专

(湖北省地质局第八地质大队，湖北襄阳 441000)

大药菇山区位于湖北省崇阳县西部陆水河左岸，涉及桂花泉镇、石城镇、沙坪镇、肖岭乡和天城镇中北部地区(陆水河以西)，面积约612.82 km2，占全县国土面积的31.14%。该区为崇阳县县城所在地，也是崇阳县经济发达区。近年来区内极端天气频发，其中2015—2017年汛期均发生大范围强降雨，引发群发性地质灾害，给当地群众的生命和财产安全造成极大威害。因此，研究区内降雨与滑坡灾害发生的关系，分析区内滑坡诱发因素和形成机理，对认识崇阳县滑坡灾害特征并有效开展地质灾害监测、预警预报与防治工作具有重要的现实意义。

1 地质环境概况

大药菇山属幕阜山主支，为崇阳县之西屏。大药菇山区地貌单元自西向东分属低山丘陵地貌、丘陵谷地地貌和河谷盆地(平畈)地貌，区内地势整体西高东低。区内出露地层较为齐全，主要以冷家溪群变质岩、寒武系碳酸盐岩、第三系—白垩系碎屑岩以及第四系残坡积物、洪冲积物为主。大药菇山区大地构造位置属下扬子陆块幕阜山被动边缘褶冲带之咸宁台坪褶皱，经历多次构造运动与变形，形成了较为复杂的构造形迹。受构造作用影响，岩石抗风化能力较差，泥质成分高，易滑地层分布广泛。

2 滑坡特征概述

大药菇山区地质环境条件复杂，经长期风化作用影响山体表层结构已趋松散，地质灾害发育趋于成熟，受雨水、人类工程活动等外部因素的影响，各类地质灾害特别是滑坡灾害极易发生。截至2018年底，区内发现地质灾害点88处[1]，发育滑坡(58处)和潜在滑坡(8处)共计66处，两者占区内地质灾害点总数的75%，其中土质滑坡60处，占区内滑坡总数的90.91%；岩质滑坡仅发育6处，占区内滑坡总数的9.09%；按规模分均为小型，其中滑体体积<3.0×104m3的达61处，占比92.42%；滑坡主要以浅层破坏为主，发育滑体厚度为2～8 m，其中滑体厚度<5 m的滑坡共有58处，占滑坡总数的87.88%。

区内滑坡在空间分布上具有明显区域性，受地形地貌控制作用明显。66处滑坡(含潜在滑坡)中，分布于东部河谷盆地区的有5处，分布于中部、西部侵蚀中低丘陵宽谷区的有61处，而西南部低山区未发现滑坡。整体而言，研究区中部和西部丘陵区滑坡相对发育，东部地势宽缓的平畈区和西南部人工活动较弱的低山地貌区滑坡相对不发育。同时，该区滑坡分布具有明显分带性，滑坡多沿人类工程活动带及沟谷走向发育。

3 降雨特征

据崇阳县气象局资料，境内降雨有明显的季节性和区域性。年平均降雨量为1 508 mm，24 h最大降雨量为203.5 mm(1981年7月12日)，60 min最大降雨量为77.9 mm(1981年7月12日5：00)，10 min最大降雨量为26.7 mm(1994年6月17日17：49)。县境东南部、中部偏南和西北部一带年降雨量为1 500～1 570 mm，属多雨区；西南隅和东北部年降雨量为1 460～1 500 mm，属少雨区，其余地区介于两者之间。境内降雨年际变化较大，根据气象资料统计，1963—2012年崇阳县年降雨量偏多的年份有36年,年降雨量最多为1998年的2 114.9 mm,比历年平均值偏多810.6 mm；年降雨量偏少的年份有14年，年降雨量最少为1968年的961.7 mm，比历年平均值少342.6 mm。降雨量累积距平曲线为多峰多谷型。

研究区降雨空间分布差异也较大，年度降雨量在崇阳县属中等区，降雨量基本为西北部大于东南部，山区多于河谷，降雨量随着地形海拔的升高亦增大。另据咸宁市水资源公报(2011—2016年)显示，研究区降雨量北部大于南部，西部山地丘陵区大于东部岗地平畈区。

总之，由于研究区内降雨量的时空分布不均，降雨的直接利用率不高，加之地形复杂，河水暴涨暴落，造成区内水旱及地质灾害频发。

4 滑坡与降雨关系

降雨是滑体中水的主要来源，是形成和影响滑坡的主要因素[2-4]。根据调查统计，区内已发生的58处滑坡都是在降雨期间发生的，降雨无疑是影响滑坡稳定的最重要的因素。

4.1 滑坡与降雨量的关系

大药菇山区是崇阳县雨量最充沛的地区之一，区内降雨的时空分布不均匀，主要集中在4—7月，降雨量约占全年的61%。如图1所示，滑坡主要发生于5—7月，而6月是区内降雨量最多的月份，也是滑坡发生最多的月份，可见区内滑坡的发生受降雨影响较为敏感。

图1 大药菇山区滑坡与月平均降雨量分布图

根据调查资料，2015年大药菇山区降雨量较县境其它区域明显偏多，降雨量主要集中在2015年6月初，其中桂花泉镇仅在2015年6月2日当天降雨量就达247.2 mm，从而引发多处群发性降雨型滑坡。根据统计，仅6月2—4日3天全县发生滑坡就有近40余处，其中大药菇山区发生滑坡达27处(见图2和表1)。

图2 崇阳县2015年降雨量分区与群发性滑坡分布图

表1 大药菇山区2015年各降雨量分区内滑坡情况统计表

从图2和表1可以看出，区内滑坡发生频次与降雨量分布规律基本一致，滑坡变形活动受降雨控制明显，滑坡的发生和复活与降雨强度之间存在着显著的因果关系，降雨量越大的区域越是滑坡发生的高发区。

为进一步分析降雨量与区内滑坡之间的分布关系，选取降雨强度大、历时相对较长且滑坡灾害发育集中的2015年5月31日—6月4日时间段进行统计分析(图3)。5月31日—6月1日降雨较少，无地质灾害发生；6月2日出现大暴雨，局地降雨量达到247.2 mm,共诱发20处滑坡；6月3日为暴雨，局地降雨量达到51.9 mm，共诱发6处滑坡；6月4日为大雨，降雨量为28.4 mm，诱发滑坡仅有1处，说明滑坡灾害集中发生在出现局地暴雨型降雨的当日当地，即当降雨达到暴雨以上等级(降雨量>50 mm)时滑坡活动明显加强，且常常引起群发性滑坡。

图3 局地暴雨型降雨诱发滑坡灾害分析图

4.2 滑坡与降雨类型的关系

滑坡与降雨类型有密切关系，对于降雨诱发型滑坡来说，不同的降雨类型对滑坡的诱发过程不一样[5]。根据中国气象局雨量等级划分标准，降雨量<10 mm/d为小雨，10～25 mm/d为中雨，25～50 mm/d为大雨，50～100 mm/d为暴雨，100～250 mm/d为大暴雨。选取区内滑坡发生最多的2015—2017年统计不同降雨类型所触发的滑坡数量(表2)，统计结果表明，26.19%的滑坡是由暴雨诱发的，57.14%的滑坡是由大暴雨诱发的，两者合计占比达83.33%。由此可见，当降雨量达到暴雨级别时，滑坡会大量发生，因此大药菇山区滑坡发生数量与暴雨有很强的相关性。

表2 2015—2017年不同降雨类型触发滑坡数量统计表

进一步统计2015—2017年三年内5—7月的暴雨天数和滑坡发生数量的关系(图4)，发现暴雨天数越多的月份发生滑坡数量越多，而暴雨集中在每年的6月，正好与滑坡高发时间重合，说明6月暴雨频次高，降雨量大，容易诱发滑坡。

图4 2015—2017年5月、6月、7月滑坡数量与月内暴雨天数分布图

4.3 滑坡与降雨时间的关系

由于不同的地区地质条件不同，滑坡与降雨时间的相关关系各有不同，因此就崇阳县而言，滑坡与降雨天数的相关关系要结合本地区的实际情况来具体分析。本次将区内2015年“6·2”特大暴雨前后15 d内调查的滑坡数量和降雨量进行列表分析(表3)，由于缺乏日降雨详细数据，降雨量按中国天气网提供的崇阳历史降雨数据进行概略推算。

表3 降雨量与诱发滑坡情况统计表

结果表明，所统计的15 d时间内共发生滑坡27处，全部在降雨当天发生，其中大暴雨当天发生滑坡20处，占比74.08%；暴雨当天发生滑坡6处，占比22.22%；大雨当天发生1处，占比3.70%；小雨和无雨当天均未发生滑坡。5月26日—6月9日降雨基本连续发生，日降雨量达到大雨以上(日降雨量>25 mm)的有6 d，日雨量达到暴雨以上(日降雨量>50 mm)的有3 d；对应降雨过程，5月26—28日降雨较弱，日均降雨量<25 mm，无滑坡发生；5月31日—6月4日连续降雨，而6月2日为滑坡高发时间段，并未滞后于连续降雨过程；6月6—9日连续降雨，且6月7日为大暴雨，但并未发生滑坡。

由以上分析可知，本区降雨诱发滑坡的规律为：①在强降雨过程中(日降雨量>50 mm)，滑坡具有瞬时发灾的特点；②在降雨强度不大的连续降雨过程中，滑坡发生的滞后效应不明显；③在滑坡大规模发生以后，即使在连续降雨甚至短期强降雨条件下，在短期内诱发新的滑坡不甚明显。

综上所述，暴雨与滑坡的关系很密切，区内一两次暴雨就可以诱发滑坡发生，而大暴雨往往诱发群发性滑坡；滑坡大规模发生后，地质环境条件会发生改变而重新孕育滑坡。

5 降雨诱发滑坡成因分析

崇阳县年降雨量较大，常出现大雨、暴雨,而降雨转化的地下水与岩土体之间发生相互作用，常常诱发滑坡的发生。区内已发生的58处滑坡均在降雨期间发生，因此区内滑坡均属降雨型滑坡。区内降雨时段集中，暴雨强度大，持续时间为1天至几天的暴雨或大暴雨往往破坏了松散土体的临界状态，极易诱发滑坡甚至群发性滑坡发生，而出现这一特征的主要原因是：

(1)区内滑坡地形一般较陡峻，降雨易沿坡面流失，加之滑体厚度较薄且结构松散，一般强度的降雨入渗后易于排泄，当降雨补给量小于排泄量时，滑坡仅出现局部变形，因此降雨强度不大的连续降雨对滑坡孕育发生影响有限；当出现高强度降雨(暴雨)时，短时间内即可造成地下水补给量大于排泄量，这样会在坡体内形成稳定水位，从而大面积软化松散土层，同时产生静水压力启动斜坡滑动。

(2)区内斜坡覆盖层厚度较薄(一般<5 m)，而松散土层厚度越薄，可能滑动的滑体自重力越小，斜坡稳定性系数就越高，启动滑坡失稳所需降雨量就越大，因此短期强降雨是诱发区内滑坡发生的主导因素。

(3)根据调查统计，区内滑坡多与不合理建房、修路切坡等人工活动相关，不合理切坡往往形成高陡临空面，使坡面裸露、土体松散，加之人工活动强烈区恰恰是地表水集中排泄区，雨水冲刷坡面、侵蚀坡脚及地表水下渗极易形成滑坡灾害，因此不合理的人工活动是区内滑坡发生的先决条件。

总体而言，大药菇山区滑坡规模较小，多为小型堆积层滑坡；滑坡地形坡度一般为25°～45°，滑体平均厚度一般<5 m，属浅层陡倾角滑坡。区内滑坡的滑体物质结构松散，易于地表降水的排泄，因此降雨强度不大的连续降雨造成滑坡变形失稳不明显，而短期强降雨往往诱发瞬时、群发性滑坡且变形剧烈。同时，区内人工活动强烈，不合理的人工活动对地质环境改造较大，近90%的滑坡与其相关。

综上所述，强降雨(可变自然因素)和不合理的人类工程活动(人为因素)是区内地质灾害的主要诱发因素，其中人类工程活动是群发性滑坡灾害孕育形成的先决条件，而极端强降雨(暴雨)往往最终导致群发性滑坡瞬时成灾，是滑坡发生的主导因素。

6 降雨型滑坡成灾机理分析

大药菇山区滑坡规模小，滑体松散软弱、厚度薄且地形陡峻，在强降雨条件下变形剧烈。这类滑坡的运动破坏特征主要为水的软化和水压力推动，一旦剧烈滑动后，坡体内的水得以排出，其坡度变缓又不受其它外力影响，滑坡体很快止动。根据区内降雨型滑坡变形剧烈且变形后出现暂时休止稳定这一特性，按照滑坡的破坏模式、岩土组合类型和变形运动特征，将降雨型滑坡划分为块状解体滑动—降雨型滑坡(照片1)和碎屑流滑—降雨型滑坡(照片2)两类。这两种类型的滑坡均具有瞬时成灾、群发的特点[6]。

照片1 坍塌解体破坏(肉拱桥滑坡)

照片2 碎屑流滑型破坏(白鹭冲滑坡)

块状解体滑动—降雨型滑坡主要以斜坡自前缘向后缘逐级呈块状坍塌解体破坏变形为主[7]。这类滑坡前缘一般存在人工切坡形成的高陡临空面，在短时强降雨条件下滑坡前缘临空面受降水冲刷、流蚀而促发应力释放，使斜坡前部临空面沿着剪变带或岩土接触面发生顺坡滑移、下挫、座塌等塌滑变形。随后在滑坡前缘上部产生拉张裂缝，裂缝迅速开裂贯通，在降雨作用下脱离滑体发生滑移破坏，滑移的滑块在降雨作用下解体并堆积于坡脚，从而使滑坡前缘先期发生解体破坏。这一塌滑变形的过程造成斜坡前部改造后退而使临空面坡高变大，滑坡前缘应力进一步集中，当降雨不断加强后，滑坡上部裂缝继续加深加宽，促使滑坡再次产生块体滑动。如此过程反复累积发生，并逐渐扩展至滑坡后缘，最终促使滑坡解体下滑。

碎屑流滑—降雨型滑坡主要以滑坡表层土体饱和碎屑流或粘滞流体滑动方式变形破坏[8]。这类滑坡因人工切坡一般地形陡倾，坡面植被覆盖较差且汇水条件较好，在强降雨条件下，一部分雨水在滑坡中后缘垂直入渗至坡体内部，当入渗补给量大于排泄量时会在坡体内形成稳定水位，长时间、大面积软化松散土层。另一方面，雨水产生的高速径流冲刷剥蚀坡体地表，同时水流入渗由浅及深侵蚀坡体，破坏坡体结构，进一步增强坡体的储水、导水能力[9]。当降雨强度持续增强时，降雨入渗使土体迅速饱和，在滑坡表层一定深度形成暂态饱和区；而高强度的降雨和滑坡前缘土体的低孔隙度致使滑坡体排水条件受到限制，此时若土体因重力或其它外界作用扰动产生较大的应变，将使得土体激发较大的超静孔隙水压力，进而产生流滑型破坏。