鸭塘水库红层顺层缓倾滑坡形成机制分析与稳定性评价

2021-10-22朱鹏程，徐昊，李中明，吴少飞

国土资源导刊 2021年3期

朱鹏程，徐昊，李中明，吴少飞

摘要红层在我国分布广泛，其边坡稳定性是工程建设中经常面临的问题。红层通常孕育顺层缓倾滑坡地质灾害，具有规模大、隐蔽性强、成灾机理多样等特点。本文以醴陵市鸭塘水库滑坡为例，对其形成机制进行了分析，对其稳定性进行了评价。评价结果表明水库长期渗水是该滑坡发展的一个重要因素，其稳定性与后缘裂隙贯通率、滑带泥化率及后缘裂隙充水高度密切相关，超过临界值，坡体将会失稳。对以后红层区库区选址、设计蓄水位确定、防渗处理工作具有一定指导意义。

关键词水库;缓倾滑坡;红层;形成机制;稳定性评价

中图分类号：P644.22 文献标识码：A

Formation Mechanism Analysis and Stability Evaluation of Slow-inclination-bedding Landslide in Red-beds of Yatang Reservoir

Zhu Pengcheng， Xu Hao， Li Zhongming， Wu Shaofei

（Team 214 of Hunan Nonferrous Metals Geological Exploration Bureau， Zhuzhou Hunan 412007）

Abstract： Red beds are widely distributed in China， and slope stability is often faced in engineering construction. The red beds usually leads to geological disasters of bedding gentle slope landslide， with the characteristics of large scale， high concealment and various disaster mechanisms. Yatang reservoir landslide in Liling City was taken as an example， formation mechanism was analyzed and its stability was evaluated. The results show that the long-term water seepage of the reservoir is an important factor in the development of landslide. The stability is closely related to penetration rate of trailing edge cracks， argillization rate of sliding zone and water filling height of the trailing edge cracks. When the parameter exceeds the critical value， the slope will lose stability.

Keywords： reservoir; slow-inclination landslide; red beds; formation mechanism; stability evaluation

紅层是指中生代以来的湖相、河流相、河湖交替相或是山麓洪积相等陆相碎屑沉积地层，多以软硬岩互层出现，以砂岩、泥岩、粉砂岩以及泥质岩、砂质岩为主[1]。由于其地质年龄较短，历经的构造运动较弱，岩层产状平缓，在工程建设中常被误认为稳定性良好，未及时处置。但红层岩体强度低、亲水性强、软硬互层、差异风化、易崩解的特性，反而造成地质灾害频发，常发生规模较大的顺层岩质滑坡。

针对红层滑坡，前人进行了广泛深入的研究。根据岩层倾向与坡向之间的夹角大小将缓倾红层边坡分为三类：顺层坡、顺层斜向坡、反向坡[2-3]，对其破坏模式及失稳机理进行了较为翔实的总结，但鲜有涉及库区红层边坡。本文在总结鸭塘水库滑坡地质环境条件、基本特征的基础上，对其形成机制及稳定性进行了分析和评价，以期为红层区类似水利工程规划建设及除险加固提供参考。

1 滑坡区地质环境条件

鸭塘水库滑坡位于醴陵红色盆地西侧，构造剥蚀丘陵地貌，丘顶浑圆，整体坡度10°～15°，地形北高南低，滑坡体所在山顶标高约82.0 m，下方水渠标高约46.4 m。滑坡体上部有一条废弃多年的土渠（原酒埠江水库北干渠支渠），滑坡体下方为灌溉水渠和农田。滑坡区坡体除仅表层有较薄的第四纪残坡积层外，主要由白垩纪上统戴家坪组（K2d）的红色泥岩、粉砂岩软硬相间互层组成，风化程度中等，岩层产状165°∠7°～10°，岩体中存在两组优势结构面：节理①;产状N80°～85°E·SE∠85°～86°;节理②;产状N10°～15°E·NW∠72°～74°，节理延长10～15m，宽0.2～0.5cm。

鸭塘水库于1958年建成并投入运行，设计蓄水位70m，库容2.4×106 m?，属无设计和未按规范要求施工的工程。水库坝体及接触带、山体上部土渠等未采取防渗处理措施或防渗处理质量差，运行过程中散浸、冲刷、渗漏问题严重，多年来险情不断，汛期表现尤为突出，针对该问题采取过多种处理措施，但处理效果不佳[4]。近年来，根据库水位监测资料，库水位超过65m标高后，多处出现异常渗漏。

2 滑坡基本特征

2.1 滑坡形态与规模

该滑坡发生于2019年7月9日主汛期，位于水库主坝体东北侧山体。滑坡后缘以废弃的土渠为界，后缘下挫形成约1 m高的滑坎，裂缝宽度0.1～0.4m;通过浅井、探槽等手段揭露，裂缝近乎竖直，向下不收敛，形成竖向空洞。滑坡前缘以下方灌溉渠道为界，滑塌物导致渠道被掩埋。滑坡两侧有明显的剪切裂缝，水泥路被剪断。滑坡前缘高程46～48 m，宽约160 m，后缘高程68～70 m，宽约100 m，滑坡纵向长110m，主滑方向约170°。滑体厚度约5～8 m，滑坡面积约0.013 km2，滑体方量约1×105 m?，达到中型规模（图1）。

滑坡造成村民养猪场房屋、水泥公路等多处开裂，前缘土石方掩埋灌溉渠道约30 m，影响2个行政村农业灌溉。如任由其发展，极大可能会继续滑动，威胁水库运行安全，一旦造成溃决，后果严重，对水库下游居民的生命财产安全造成威胁[5]。

2.2 滑带特征

滑坡后缘位置通过探井已经揭露滑带，为泥化夹层，饱水，软塑至流塑状，产状受岩层面控制，厚度只有2～3 cm。滑体中部钻孔岩芯受多种因素扰动，很难发现滑带。滑体前缘沿滑动带可见明显的渗漏、管涌现象。下部滑床为细砂岩，饱和单轴抗压强度约20 Mpa[5]，强度相对较高。

2.3 滑坡变形及演化

根据资料、访问及调查，水库在1958年建成并投入运行后，坝体与坝基接触带散浸、渗漏严重，不能达正常蓄水位运行，影响工程经济效益与社会效益的正常发挥。1974年对坝体采用了培厚加高及在内坡脚用水泥砂浆护面，外坡坝脚压浸与开排水沟的处理措施;1975年对坝体进行了劈裂灌浆处理，但处理效果均不佳;1999年6月汛期，现滑坡前缘位置产生崩塌，体积约900 m3，沿上部土渠产生张拉裂缝，土渠随之废弃。

2005年2月库水位67m时，闭闸密实，下方灌溉水渠实测渗漏量0.3 L/s;2008年4月，距外坡坝脚20 m范围内山体（现鸭塘水库滑坡位置）集中渗漏点4处，单处渗漏量0.01～0.03 L/s，下方3亩（1亩=666.7m2）农田常年浸没。2017年巡查制度建立以来，发现汛期库水位超过65 m后，下方灌溉水渠渗漏严重，单处渗漏量达2.0～2.5 L/s。

2019年7月上旬，醴陵市累计降雨量达288.3 mm，库水位最高达到67 m，下方灌溉水渠实测渗漏量达到10 L/s，6月9日，滑坡发生。

3 滑坡形成机制分析

3.1 诱发因素

滑坡的诱发因素众多。内因主要有地质构造、地层岩性、地形地貌等;外因主要有地震、冻融、降雨、渗流、差异风化及人类工程活动等。造成本滑坡产生的原因主要有以下几个因素：

（1）地层岩性。

坡体主要由白垩纪戴家坪组（K2d）的红色泥岩、粉砂岩软硬相间互层组成，中等风化，存在两组近垂直的竖向张性节理面，岩层顺层倾角7°～10°。泥岩渗透性较小，为相对隔水层，遇水易软化，长期浸泡可泥化，物理力学性能显著降低，形成潜在滑动面。

（2）坡脚开挖。

山体原始地形平缓，发生滑坡的可能性小，在坡体前缘修建灌溉水渠，开挖坡脚，形成较陡的临空面，为滑坡产生提供了空间条件。

（3）长期渗流。

鸭塘水库坝体及接触带、山体上部水渠等未采取防渗处理措施或防渗处理质量差，岩层透水率q=12.0～16.7 Lu，屬中等透水岩层。建库以来，渗漏问题严重，几十年的散浸渗流导致坡体出现管涌、潜蚀。另外，长期渗流导致泥岩层易溶盐或胶结物溶解，岩层软化。

（4）持续性强降雨。

历史罕见的持续性强降雨导致库区水位超高，岩土体重度增加，裂隙充水，在裂缝中形成较大的水压力，造成下滑力增大。而渗流形成浮托力，并不断浸泡软化或泥化泥岩，抗滑力减小。

3.2 滑坡形成机制

滑坡所在坡体岩层中等风化，竖向节理较发育，岩层产状平缓，为7°～10°，砂、泥岩互层结构。坡体前缘修建水渠形成较陡的临空面，改变了坡体应力状态，使坡体后方沿节理面形成竖向张拉裂缝。水库蓄水运行后，整个滑坡区域坡体普遍存在散浸与渗漏，近年来，随库水位升高渗漏量增大并呈现异常渗漏，说明长期渗流造成下部泥岩软化、泥化，并带走其中细粒组分，造成管涌、潜蚀现象，日积月累，下部岩层面逐渐贯通转化为软弱夹层，形成潜在的滑动面。在罕见连续强降雨作用下，库水位超高运行，后缘张拉裂缝充水形成较大的水压力，最终，坡体沿该软弱夹层产生滑动（图2）。

4 稳定性评价

4.1 评价方法

根据上述滑坡特征，该滑坡为缓倾的平面岩质滑坡，采用极限平衡分析法，本文对其稳定性评价采用《建筑边坡工程技术规范GB50330—2013》推荐的平面滑动面边坡稳定性评价方法，其计算模型如图3所示：

式中：Fs—滑坡稳定性系数;

T—滑体单位宽度重力及其他外力引起的下滑力;

R—滑体单位宽度重力及其他外力引起的抗滑力;

c—滑面的黏聚力（kPa）;

—滑面的内摩擦角;

L—画面长度（m）;

G—滑体单位宽度自重（kN/m）;

Gb—滑体单位宽度竖向附加荷载（kN/m）;

θ—滑面倾角（°）;

U—滑面单位宽度总水压力（kN/m）;

V—后缘陡倾裂隙面上的单位宽度总水压力（kN/m）;

Q—滑体单位宽度水平荷载（kN/m），方向指向坡外时取正值，指向坡内时取负值;

hw—后缘陡倾裂隙充水高度（m），根据裂隙情况及汇水条件确定。

4.2 稳定性评价

根据滑坡的形成机制，将后缘陡倾裂隙贯通率k1（d/D）、滑带泥化率k2（l/L）、后缘陡倾裂隙充水高度hw及滑带强度（c、j）等作为变量进行分析，分别评价其对稳定性的影响。

滑坡稳定性分析所需岩土力学参数来源于勘查、设计报告[5-6]，总结如表1：

（1）假定滑带已全部泥化，后缘裂缝在坡体土渠渗漏、下滑拉力等作用下形成，以后缘裂隙贯通率k1（后缘裂缝贯通深度/滑动时后缘裂缝深度，d/D）为变量进行分析，后缘裂隙处岩体饱和抗拉强度取饱和抗压强度的1/20，裂隙深度d全部充水，可得图4关系曲线：当后缘裂隙贯通率达到0.75时，该滑坡达到临界状态，裂隙继续发展，将发生滑坡。因此，对后缘裂缝进行封填，避免后缘充水，对该滑坡稳定有利。

（2）假定后缘裂缝已完全贯通，滑带在地下水长期渗流（库水位持续高位）或持续强降雨作用下发生软化，然后泥化，以滑带泥化率k2（泥化带长度/滑带总长度，l/L）为变量进行分析，可得图5关系曲线：即以后缘长期充水高度hw=5 m为例分析，当泥化率接近0.57时，该滑坡达到临界状态，若继续浸水，将发生滑坡。因此，库水位长期高位运行及持续性降雨不利于滑坡稳定。

（3）假定后缘裂缝全部贯通及滑带软化均已完成，在短期暴雨或库水位超高因素作用下，后缘裂隙短时间充水高度hw作为变量进行分析，可得图6关系曲线：当后缘裂隙短时间充水高度接近7.4 m时（若不考虑降雨，只考虑蓄水导致库水位升高，此时库水位接近设计蓄水位70 m），该滑坡达到临界状态，若库水位继续上升或降雨强度更大，则该滑坡产生。因此，库水位短期超高运行及特强暴雨均会导致滑坡产生。

5 结论及建议

通过野外勘查，室内综合分析，得出如下结论与认识：

（1）鸭塘水库红层顺层滑坡受后缘陡倾裂隙贯通率、滑带泥化率影响明显，其临界值分别为0.75、0.57（hw=5 m时）;为阻止滑坡继续发展，建议对后缘裂缝用灰土进行夯填。

（2）水库长期带病运行，坡体长期渗流是造成该滑坡发生的主要诱发因素，建议对水库坝体、山体后方水位消落带进行防渗处理。

（3）该滑坡在治理及水库防渗处理前，建议水库蓄水水位不超过65 m（渗水严重），达到设计蓄水位70 m时，极易使该滑坡继续发展，导致溃决，造成重大损失。

（4）该滑坡从建库到发生滑动经历了60多年演化，时间漫长，本文对其形成机制及稳定性进行了分析，对今后红层区库区选址、设计蓄水位确定、防渗处理工作具有一定指导意义。

参考文献/References

[1]李畅，任光明，韩爱果，等.第三系缓倾角红层滑坡基本特征及形成机制研究[J].水利与建筑工程学报，2017，15（4）：112-116.

[2]胡厚田，赵晓彦.中国红层边坡岩体结构类型的研究[J].岩土工程学报，2006，28（6）：689-694.

[3]蒋正，倪化勇，宋志.重庆丰都县城区红层边坡变形破坏模式与稳定性评价[J].中国地质灾害与防治学报，2018，29（6）：23-32.

[4]王汉君，青志斌，余克毅，等.鴨塘水库除险加固初步设计阶段工程地质勘察报告[R].湖南省水利水电勘测设计研究院，2008.

[5]谈治林，朱鹏程等.醴陵市泗汾镇鸭塘水库滑坡地质灾害治理工程详细勘查报告[R]. 湖南省有色地质勘查局二一四队，2019.