贵州黔西市仓堡田滑坡变形特征及成因分析

2022-02-03党杰范宣梅田维勇

科学技术与工程 2022年33期

党杰，范宣梅，田维勇

(1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059；2.贵州省地质环境监测院，贵阳 550081； 3. 中化地质矿山总局贵州地质勘查院，贵阳 550003)

红层滑坡在中国西南地区四川盆地及盆地边缘地区发育较多，如2004年9月5日四川省达州市宣汉县天台乡发生天台乡滑坡，规模约2 500万m3；同日宣汉县君塘镇团山村发生兴浪坡滑坡，规模约209万m3；2011年9月16日强降雨导致巴中市南江县发生1 860处红层地质灾害；2012年8月31日四川省凉山州喜德县热克依达乡发生采书组滑坡，规模约550万m3；2015年8月31日四川省南充市仪陇县紫井乡发生大山梁滑坡，规模约30万m3；其他地区规模较大的红层滑坡还有2003年7月13日湖北省秭归县沙镇溪千将坪村发生的千将坪滑坡，规模约1 500万m3；2013年8月云南省昭通市彝良县角奎镇花生地社区发生的花生地滑坡，规模约1 920万m3等。这些体量巨大的红层滑坡地质灾害给当地带来了巨大的人员伤亡或财产损失。

鉴于红层滑坡的特殊岩土体物理力学性质及变形破坏机制，部分学者针对不同的灾害做了许多研究工作：范宣梅等[1-2]深入分析了四川省宣汉县天台乡特大型滑坡的成因机理，提出了近水平岩层特大型滑坡多级平推式滑动的模式，并以该滑坡为地质原型，采用物理模拟再现了滑坡的变形破坏过程，验证了平推式滑坡的启动机制；张涛等[3]通过对典型案例的调查研究，总结提出了川东缓倾顺层岩质滑坡的变形演化阶段划分理论，并提出不同演化阶段识别标志特征；苗朝等[4]通过基于时间序列的InSAR技术分析了川东红层滑坡的识别方法及变形规律；唐然等[5]通过模拟推导了平推式滑坡运动距离的理论计算公式，并通过狮子山滑坡进行实例验证；王家柱等[6]对川南黄子树滑坡开展二维离散元数值模拟，将滑坡变形划分为前缘蠕滑阶段、整体滑移阶段和碰撞破坏堆积阶段；此外，杨旭等[7]对华南地区典型巨厚层红层软岩边坡开展了降雨失稳模型试验研究；徐伟等[8]对云南彝良县红层地质灾害的发育规律及成灾特征进行了研究；朱权威等[9]对三峡库区旧县坪滑坡变形机理和成因进行了研究；杨晓龙等[10]对三峡库区9个县(区)30个缓倾红层滑坡开展库区滑坡成因机理研究。

降雨是诱发红层滑坡发生的重要因素，李江等[11-12]对川东红层滑坡开展现场降雨入渗观测，发现裂缝为降雨入渗提供途经，室内试验发现原状滑带土饱水软化后黏聚力和内摩擦角分别衰减至天然时的54.8%和18.9%；张群等[13]、王森等[14]对南江县红层浅层土质滑坡降雨入渗规律及成因机理进行了研究；钟传贵等[15]通过对南充市仪陇县大山梁平推式滑坡进行模拟分析，指出该滑坡变形是随着降雨入渗量与坡体排泄量之间相互关系而转化的；张志敏等[16]通过荷载-水化耦合作用下红层泥岩变形试验，指出荷载作用下的干燥红层泥岩水化破坏应力水平远低于饱和单轴抗压强度；黄海峰等[17]通过土体三轴流变试验开展红层滑坡滑带土蠕变特性研究，建立了一种新的经验型蠕变模型；杨玲等[18]以贵州习水县某红层滑坡为例，通过数值模拟分析了降雨条件下滑坡的形成机理；胡涛等[19]研究了不同降雨概率及雨型条件下滑坡渗流场及稳定性变化特征。

贵州省境内出露的地层主要以碳酸盐岩为主，面积占全省面积的61.9%，是“中国南方喀斯特”世界自然遗产的重要组成部分。中生代侏罗系形成的陆相红色岩系，包含自流井组、沙溪庙组、遂宁组、蓬莱镇组等地层，零星分布于黔西北地区，主要为河流相及湖泊相沉积形成的红色碎屑岩，分布总面积约4 478 km2，仅占贵州省面积的2.54%。

贵州省红层地区有限的面积占比，使得前期对该类岩组关注较少，然而2020年在黔西市相距不远的地方却相继发生了2起大型及特大型滑坡地质灾害，造成巨大的财产损失。其中之一的仓堡田滑坡，其变形破坏特征与前述众人研究的四川盆地缓倾顺向的红层滑坡具有差异性，不能完全按照平推式滑坡的机制来解释。该滑坡地质灾害整体变形破坏过程持续数天，整体变形的同时又发育左右两个变形速率不同、位移量不同的次级滑体，给部分学者造成“同时发生两个滑坡”的错觉，其变形破坏特征及形成因素，值得深入研究。

为此，现通过野外地质环境调查、钻探取样、变形时序分析、位移监测分析等手段，研究仓堡田滑坡的变形特征，分析其形成因素，摸清该滑坡发生的模式和机理，为此类大型滑坡的防治工作提供参考。

1 滑坡概况

1.1 仓堡田滑坡地理位置

贵州省黔西市中坪镇区域出露地层为侏罗系自流井组，是贵州出露范围较少的红层碎屑岩地区之一(图1)，在2020年7月相继发生2起规模巨大的滑坡地质灾害，其中之一为规模约800万m3的仓堡田滑坡，该滑坡位于黔西市中坪镇黄泥坡社区集镇南西侧仓堡田(图2)，坐标为东经106°16′34″,北纬27°12′00″，距黔西县城51 km。

图1 贵州省红层分布及研究区位置Fig.1 Distribution of red beds in Guizhou Province and the location of study area

图2 研究区交通位置及地势Fig.2 Traffic location and topography in the study area

仓堡田滑坡发生于2020年7月8日，整体呈“簸箕”形，主滑方向12°，滑体发育在948～1 055 m高程范围内，平均坡度18°，斜长约600 m，横宽约900 m，厚10～30 m，规模约800万m3，为大型滑坡。滑坡的发生，造成坡体上63栋房屋及前缘中坪小学教学楼倒塌或严重受损，威胁住户134户484人，中坪小学及中坪幼儿园师生1 062人，镇政府工作人员68人。直接经济损失达7 100万元，间接经济损失数亿元。由于预警及时，处置妥当，未造成人员伤亡。

1.2 仓堡田滑坡地质环境条件

滑坡区域属湿润气候，近20年降雨统计数据显示区域年降雨量在545.1 mm(2011年)～1 294.6 mm(2012年)，年平均降雨量约947 mm。常年降雨主要集中在5月中旬至10月底，6、7、8、9月这4个月集中强降雨约占全年降雨的50%。滑坡东侧为化陇河，流经滑坡前缘坡脚(由西向东)的河流为小冲湾河(流量18 m3/s )，河流受大气降雨补给，水位变幅较大。

地貌类型为中低山侵蚀剥蚀沟谷斜坡地貌，总体地势南高北低。滑坡区出露的地层主要有：第四系素填土(Qml)，成分为粉质黏土及砂岩、泥岩碎块石，回填时间约3年，未完成自重固结，厚度0.5～12 m，主要分布于滑坡上部；第四系残坡积粉质黏土夹碎石(Qel+dl)，分布于整个滑坡体斜坡上，主要呈棕红色，含碎石，呈可塑-软塑状、厚薄不均，碎石含量大于50%，钻探揭露厚度为0～16.5 m；侏罗系自流井组(J1z)，紫红色薄至中厚层泥岩及砂岩互层，地层产状为165°∠21°，钻孔岩芯较破碎，呈碎块状、短柱状。

滑坡位于上扬子地块黔北隆起织金穹盆构造变形区革木向斜的核部位置，滑坡西侧冲沟内有一产状为N70°E/80°SE的正断层穿过，滑坡位于断层的上盘，岩体较为破碎，主要发育两组节理：第一组(L1)产状50°∠50°，延伸长度1.0 m，线密度5条/m，平均间距0.2～0.3 m，张开度1～2 mm，结构面平直，稍有起伏，为泥质胶结，贯通性一般，结合程度差；第二组(L2)产状 270°∠30°，延伸长度大于2.0 m，线密度4条/m，平均间距0.3～0.5 m，张开度1～2 mm，结构面平直，稍有起伏，为泥质胶结，贯通性一般，结合程度差。

2 仓堡田滑坡变形破坏特征

2.1 仓堡田滑坡破坏特征

滑坡整体呈“簸箕”形，通过钻探得知，滑体厚度一般在10～25 m，平均厚度约15 m，为中层推移式滑坡，滑面为岩土分界接触面(带)，呈现为折线滑动。受地形地貌、物质组成、含水特征的不同，滑坡变形破坏后，形成左右两个变形速率和位移量不同的次级滑体(图3)。

图3 仓堡田滑坡变形特征图Fig.3 Deformation distribution characteristics of Cangbaotian landslide

2.1.1 左侧次级滑体

呈“撮箕”形，横宽480 m，长度约500 m，平面面积约22.5万m2，滑体厚度10～30 m，滑体方量约450万m3。滑动方向347°，前后缘相对高差116.66 m。

左侧滑体发生后，后缘形成斜长约22 m、高差达8 m的滑坡后壁，呈“弧”形分布，长度约355 m；坡体上高速公路匝道呈梯级破坏，倒坎最大高差约4.8 m；除坡体中部两栋砖混结构房屋发生地基及墙体破损、整体未倒塌外，中前缘区域房屋普遍发生倒塌破坏；滑坡前缘冲入左前侧冲沟并将冲沟掩埋改道(图4)。

图4 仓堡田滑坡左侧滑体剖面图Fig.4 Section of the slide body on the left side of Cangbaotian landslide

2.1.2 右侧次级滑体

呈“长舌”形，横宽150 m，长度约460 m，平面面积约6.5万m2，滑体厚度10～25 m，滑体方量约170万m3。滑动方向在滑坡中部受到阻拦发生转向，滑动方向为13°～35°，前后缘相对高差106.94 m。

右侧滑体发生后，后缘形成斜长约17 m、高差约11 m的滑坡后壁，近似呈直线形，西侧高差较大、向东高差逐渐减小；滑体下滑后后缘应力调整造成收费站场地拉张开裂、围墙倒塌，滑坡后壁之上、拉张裂缝之下的应力调整区内的一栋民房出现向后倾斜的现象；坡体中部110 kV高压电塔因滑动发生扭转、倒塌，坡体中部形成多级反向滑坡台坎，在降雨后形成水塘；滑体前缘摧毁、掩埋中坪小学教学楼及几栋民房，掩埋、阻塞小冲湾河道约175 m(图3)。

2.2 仓堡田滑坡变形时序

滑坡于2020年7月6—7日开始发生蠕滑变形，整体迹象不明显，仅在前缘高速公路匝道路堤出现小规模滑塌[图5(a)]，此时当地村民并没意识到这是大滑坡发生的前兆变形。7月8日上午，滑坡体变形加剧，坡体上村民房屋开始出现变形迹象，公路出现明显开裂，当地村民8日上午9：00左右上报灾害变形情况[图5(b)]。7月9日凌晨3：00左右，滑坡产生剧烈滑动，其中以滑坡左侧部分变形最为剧烈，下滑距离达到35 m，并持续缓慢变形[图5(c)]。7月10日凌晨，滑坡体右侧部分也加速下滑，至上午8：00下滑距离达到了55 m，并持续缓慢变形[图5(d)]。7月12日10：45变形结束。

图5 仓堡田滑坡变形时序Fig.5 Deformation time sequence of Cangbaotian landslide

2.3 位移监测变化特征

滑坡滑动后，当地政府立即对滑坡后缘(中坪收费站围墙处)及右侧前缘(小学处)各设立3个简易观测点，位置见图3。其中，滑坡右侧后缘收费站处的监测设备从2020年7月9日上午11:00开始监测，观测数据整理至7月29日上午8:00，该3处设备监测记录了JC1、JC2监测点处的水平位移量和垂直位移量，JC3监测点处的水平位移量，监测曲线见图6。

图6 滑坡后缘3处临时变形监测点位移曲线Fig.6 Displacement curves of three temporary deformation monitoring points at the back edge of landslide

前缘快速变形趋稳后，右侧前缘小学处监测设备从2020年7月11日上午5:00开始观测，数据观测整理至7月18日上午5:00截止，该3处设备均监测记录了JC4、JC5、JC6监测点处的总位移量，监测曲线见图7。滑坡右侧前缘小学处设置的应急监测点数据显示，滑坡右侧滑体变形在7月12日中午左右结束。滑坡后缘收费站围墙处设置的应急监测点数据显示滑坡体后缘持续缓慢变形，直至撤销应急监测。

图7 滑坡右前缘3处临时变形监测点位移曲线Fig.7 Displacement curves of three temporary deformation monitoring points on the right front edge of landslide

滑坡发生后，省自然资源厅组织安装了7个CNSS自动化监测设备，数据记录开始时间为7月30日中午12:00。GNSS04与GNSS07位于滑坡左侧次级滑体，位移量均较小，除GNSS04在8月23日有一次Y方向的77 mm突增外，其余时间变形较小；GNSS07整体变形仅仅4 mm，受噪声影响存在较多数据起伏。

GNSS03与GNSS06位于滑坡中部变形较小的中间区域，GNSS03位于前部，位移量较小，表明坡体前缘已经趋于稳定；GNSS06位于坡体后缘部位，监测表明该部位仍在持续的缓慢变形，主要由于该位置前缘滑体下滑后形成临空条件，坡体应力持续调整造成持续变形。

GNSS02、GNSS05与GNSS08位于滑坡右侧次级滑动体上，GNSS02位于前部，位移量较小(12 mm)，表明坡体前缘已经趋于稳定；GNSS05位于坡体中部，前期变形较小，仅在8月23日有一次X方向(42 mm)的突增；GNSS08位于坡体有缘裂缝处，监测表明该部位仍在持续的缓慢变形，最大变形量达到420 mm。前部滑动后造成临空，应力调整造成持续变形。其中7个GNSS监测点的合位移曲线如图8所示。应急监测与自动化监测结果统计见表1。需要说明的是，GNSS自动化监测设备是在滑坡发生后紧急安装部署的，滑坡的整体变形破坏过程并未在监测数据中体现。

图8 GNSS监测曲线Fig.8 Monitoring curve of the global navigation satellite system

表1 仓堡田滑坡监测结果统计Table 1 Statistics of landslide monitoring results

3 仓堡田滑坡成因分析

3.1 长期坡脚冲刷

滑坡地貌为低中山侵蚀沟谷地貌，滑坡体所处斜坡斜长超过600 m，高差106 m，整体较为平缓，平均坡度约18°，坡体表面为阶梯状分布的旱地，除前缘外，坡体无较大规模的陡坎分布。滑坡前缘受小冲湾长期的冲刷影响，坡度较陡，为35°～50°，加上风化形成的岩土界面坡度较陡，滑体前缘存在临空面(图9)，巨大的高差、陡倾的岩土界面及前缘临空面为滑坡变形产生提供了有利的地形条件，最终形成沿岩土接触面产生折线滑动的滑坡地质灾害。

图9 仓堡田滑坡冲沟分布Fig.9 Gully distribution of Cangbaotian landslide

3.2 松散破碎的岩土体组合

红层黏土中含有较多的黏土矿物，包含伊利石、蒙脱石等，黏土矿物将土体中的其他颗粒包裹，使得石英、方解石等碎屑颗粒不能直接接触，黏土成为控制土体物理力学性质的主要成分。伊利石属于膨胀性矿物，而碎屑矿物膨胀性较低甚至不膨胀，红层黏土中不同矿物的膨胀性差异，使得土体具有较强的崩解性[20-24]。且红层软岩水敏性较强，遇水后内摩擦角急剧降低、坡体荷载增加，加速了坡体的变形破坏。

仓堡田滑坡变形破坏不同于其他平推式滑坡的变形破坏机制，由于坡向与岩层倾向并不一致，为接近反向的坡体，在持续降雨作用下，滑坡体内未形成稳定的静水压力及层面浮托力，岩土体的变形破坏主要是强风化红层软岩切层变形破坏的结果。根据对现场采取的滑带软塑状粉质黏土进行物理力学试验(参数见表2)，可以看出滑带土物理力学性质较差，在降雨饱和情况下其力学性质进一步降低，导致滑坡岩土体累进性变形最终失稳破坏。

表2 仓堡田滑坡地层基本参数Table 2 Strata parameters of Cangbaotian landslide

3.3 极端强降雨

通过对仓堡田滑坡临近的飞蛾村小冲湾不稳定斜坡雨量监测数据分析，2020年5月中旬至7月中旬，中坪镇存在持续近两个月的连阴多雨天气。滑坡发生前1个月的累计降雨量有393 mm；前3 d单日降雨量：7月7日为86.2 mm，7月8日为48 mm，7月9日为20.6 mm。前3 d累计降雨量达到154.8 mm(图10)。

图10 仓堡田滑坡降雨统计Fig.10 Rainfall statistics of Cangbaotian landslide

滑坡体上有两条自然浅冲沟，在降雨时排导坡体表面的降水及高速公路收费站处汇集的地表水。但冲沟未进行有效治理，部分降水会渗入坡体内部。其中滑坡体右侧的排水沟在调查期间流量约为10 L/s，滑坡体左侧排水沟调查期间流量约为8 L/s。滑坡中部后缘有一泉点，勘查期流量约为2 L/s，汇入现有滑坡体右侧的排水沟内，最终汇入小冲湾河。

据村民介绍，现中坪收费站站址的下方，曾经是一处冲沟，冲沟内发育有2处季节性泉点，收费站建设时进行掩埋。滑坡发生下滑后，滑坡后缘滑坡后壁上有多处溢水点，将坡体内的地下水排泄出来(图11)。持续强降雨作用下坡体内地下水饱和赋存是滑坡发生的最主要影响因素。