三峡库区大坡滑坡成因机制分析及稳定性评价

2022-10-13李厚芝叶霄朱鸿鹄李长明

科学技术与工程 2022年25期

李厚芝，叶霄，朱鸿鹄,3*，李长明

(1.中国地质调查局探矿工艺研究所，成都 611734； 2.南京大学地球科学与工程学院，南京 210023； 3.南京大学(苏州)高新技术研究院，苏州 215123)

近年来，全球高温、干旱、暴雨等极端气候事件频发，地质灾害监测预警及应急防治的形势非常严峻。自1963年意大利Vajont水库滑坡之后，库岸滑坡的防治引起了全世界工程地质领域的高度重视[1-4]。长江三峡库区是中国地质灾害最为严重的地区之一，一旦发生大规模的崩塌滑坡灾害事件，不仅会造成巨大的直接经济损失和人员伤亡，还可能引发涌浪、堰塞湖等级联灾害问题[5-6]。因此，针对三峡库区典型滑坡开展地质勘察与现场监测，进而掌握其成因机理对于确保三峡工程安全运营、提高滑坡防治水平具有重要的意义[7-8]。

三峡库区地质灾害的分布具有明显的地域性，受地形地貌、地层岩性、地质构造和岸坡结构的综合控制[9-12]。自2003年三峡库区首次蓄水以来，已构建了一套较为完备的滑坡监测预警体系，在滑坡变形机制和应急处置方面也取得了一系列科研进展[13]。Song等[14]以三峡库区树坪滑坡为研究对象，分析了地表位移、日降雨量、地下水位等指标的关联性，确定库水位下降是加速滑坡变形的主控因素。Wang等[15]通过野外调查、现场钻孔和摄影测量等方法，研究了万州孙家滑坡的变形破坏机制，为判识该类滑坡的演化过程提供了参考。胡新丽等[16]、Liu等[17]分别通过数值模拟和模型试验，研究了抗滑桩对库区滑坡的支护作用，揭示了长期水库运行条件下桩土的相互作用，为抗滑桩设计优化提供了参考。近年来，人工智能、机器学习等技术相继被引入滑坡预测预报，取得了良好的应用效果[18-21]。

尽管过去几十年在滑坡监测预警方面取得了较大的进展，大多数滑坡却发生在没有探明的区域[22-23]。2017年6月17日，三峡库区奉节段的大坡滑坡发生了大变形滑移，对邻近区域的生活区安全构成威胁。现通过大量的野外调查和钻孔勘察，结合地表位移、降雨和库水位数据，分析大坡滑坡的变形发展过程及成因机制；采用基于刚体极限平衡理论的传递系数法，评估滑坡的稳定性，并给出应急处置方案。旨在认清该类非涉水覆盖层滑坡的孕灾机理与变形特征，为指导治理工程设计提供参考依据。

1 滑坡区概况

大坡滑坡位于重庆市奉节县安坪乡境内，地处长江南岸。该地属中纬度亚热带暖湿东南季风气候区，气候温和湿润，具有夏秋多雨、冬春多雾的特点。该地多年平均降雨量为1 147.9 mm，年最大降雨量为1 636.3 mm，日最大降雨量达141.3 mm。降雨多集中于5—9月，12月至翌年2月降雨较少。

1.1 地质条件

研究区总体地貌类型为构造侵蚀剥蚀低中山河谷地貌，属于大斜坡地貌，斜坡前缘为台地平坦区域，后缘接自然斜坡。在地质构造上位于四川台坳之川东褶皱带展布区，构造上以东西向-北东向的褶皱为主，断裂不发育。

滑坡区出露的主要地层有三叠系上统须家河组(T3xj)、侏罗系下统珍珠冲组(J1z)和第四系松散堆积物(Q4)。其中J1z组薄至中厚层黄褐色细粒岩屑石英砂岩和黑色页岩、青灰色砂质页岩、杂色泥质粉砂岩，为大坡滑坡勘查区内主要地层，岩层产状为 345∠24°。Q4组地层主要为崩坡积物(Q4col+dl)，在滑坡范围内周边分布较多，为滑坡活动后的残留物质。根据钻孔调查结果，区内大面积被土体覆盖，基岩仅局部出露，主要出露于滑坡边界地区、冲沟沟尾处。

区内地下水类型为松散岩类孔隙水和基岩风化裂隙水。前者主要分布于滑坡堆积物中，分布零星，主要受大气降水补给，地下水埋深一般5～7 m；后者基岩裂隙水主要赋存于三叠系和侏罗系砂岩风化裂隙中。

根据调查，区内的人类工程活动以农业经济活动和工程建设活动为主。农业经济活动以种植脐橙等对坡表的微修整，对地质环境的影响较小。工程建设活动主要表现为住房修筑、堰塘和排水沟等水利设施、道路交通建设，近年来呈逐渐增多趋势。

1.2 滑坡概况

如图1所示，滑坡区平面形态呈类矩形状，后缘呈弧形；剖面形态呈顺向自然斜坡，主滑动方向为342°，斜坡沿北北西向展布。滑坡边界前、后部及左侧均发育有复活迹象的滑坡群。由图2可知，滑坡前后缘相对高差105～160 m，为不涉水滑坡。滑坡长约310 m，宽约280 m，自然坡度为20°～30°，平均坡度为25°左右，与岩层倾角基本一致。滑体为砂质页岩及其上覆块石土，土体厚0.5～1.8 m，岩体厚度2.0～13.2 m，平均厚度约7 m，总方量约6.1×105m3。

滑体物质组成主要包括人工堆积、崩坡积块石土及下伏基岩。人工堆积层成分混杂，主要分布于滑坡表层，分布厚度多小于1.5 m，对滑坡有加载、破坏作用。崩坡积物为碎块石夹少量的粉质黏土，厚0.5～3.1 m。据钻孔揭露，块石土在空间上无序排列，碎块石含量为70%～80%，块径以30～60 cm居多，大块石可见斜层理发育。

滑带物质主要为松散堆积、崩坡积物与下伏基岩接触面形成的基覆接触面含泥化物质，属于软弱结构面，结构面产状为345°∠22°～24°。岩层层面分离平直光滑，由于基覆界面上下岩土体物理力学性质差异易发生滑移变形。滑床主要为下伏砂岩、薄层状炭质页岩、砂质页岩组成。滑床倾向与坡向相同，砂岩与炭质页岩呈互层的软硬相间地层，物理力学性质较差，不利于上覆堆积层的稳定。

图2 滑坡2-2′剖面示意图Fig.2 Profile (section line 2-2′) of the landslide

根据滑坡区现场钻孔地质调查及监测数据分析，判定该滑坡为三级多层软弱面顺层岩质滑坡。大坡滑坡于2017年6月17日发生大变形滑移，此前尚无布设专业监测设备。滑坡前缘及后缘威胁到30多家住户的生命财产安全。由于滑坡本身土体较薄，厚度0.2～3.5 m，且由于岩土界面基本与产状一致，为20°～26°，滑坡出现大面积的表层溜坍变形。如图2所示，自上而下I级滑坡潜在滑面位于1.7～4.5 m深的表层崩坡积物与下伏砂岩或砂质、炭质页岩接触面，剪出口位于滑坡中部水池后缘，高程395.86 m；Ⅱ级滑坡潜在滑动面位于4.2～8.5 m深的砂岩、砂质页岩接触面，剪出口位于滑坡前部较陡的临空区，高程362.73 m；Ⅲ级滑坡潜在滑动面位于5.7～13.2 m深的砂质页岩、炭质页岩接触面，剪出口位于滑坡前缘居民区内，高程358.78 m。

图1 大坡滑坡平面示意图Fig.1 Sketch map of the Dapo landslide

2 滑坡变形规律及成因机理

2.1 滑坡宏观变形特征

根据现场调查，滑坡现场范围内变形主要为两种，一种为岩质顺向滑动变形，另一种为表层土体溜坍变形，如图3所示。

图3 滑坡现场宏观变形特征Fig.3 Deformation characteristics of the landslide

岩质顺向滑动变形主要出现在2-2′剖面水池临空处及7-7′剖面房屋后侧临空处。在前一位置表现为基岩出露出现挤压错动变形，向前错动约15 cm。在后一位置表现为临空岩体已滑动造成已有堡坎垮塌变形，暴雨情况引起前缘临空处岩质滑坡顺岩层层面滑动。

表层土体溜坍变形主要分布于大坡滑坡中后缘。由于后缘较陡，土体易受微地貌控制，在暴雨情况下较可能发生局部土体溜坍。经探槽揭露后缘裂隙均为土体裂隙岩体内未见裂隙，滑坡范围内村道、水池外侧公路也出现多条长达数米的拉张裂缝，裂缝宽度3～5 cm。

2.2 滑坡监测数据分析

目前滑坡体上共布设4个GPS自动监测点和1个雨量监测站，监测仪器布置如图1所示。图4展示了地表位移与库水位升降及大气降水的关系曲线。根据长期监测结果，发现区内地表变形均经历了一段时期内(2017年6月20日—10月31日)随降雨的快速响应，地表位移迅速增大，最大达到约700 mm，其后表现出地表变形与降雨量、库水位升降弱相关的特征。综合分析可知，该段时间内，丰富的降雨是诱发滑坡加速变形的主要因素；大坡滑坡自2017年6月初开始进入加速变形阶段，尽管已采取了应急处治措施，滑坡在降雨入渗条件下仍尚未稳定且进一步变形加剧。

图4 滑坡位移与库水位、降雨时间关系曲线Fig.4 Relationship between surface displacement, reservoir water level and rainfall

2017年7月大坡滑坡月变形量最大的点为23#测点(水池附近)，该点月变形量为145 mm；同期位于滑坡西侧22#(滑坡西侧溜坍区)监测点，该点月变形量为136 mm。各点的变形规律与降雨高度相关，至10月初随着降雨减少、设置截排水系统等应急处治措施下，变形逐渐趋于稳定。当雨季结束后，由于降雨对岩土体的水力损伤移除，变形的岩土体在抗滑桩的支挡作用下重新趋于平衡，因此后期的降雨作用下，降雨条件下变形响应变得不敏感。另一方面，由于滑坡前缘距长江水位线高差达约170 m，为三峡库区典型的非涉水滑坡，滑坡变形演化与库水位升降没有表现出明显的相关性。

为进一步揭示滑坡变形的动态演化规律，选取滑坡西侧边界最近的GPS20所记录的位移与降雨及库水位升降进行相关性分析。从图5可以明显看出，变形的发展与降雨事件高度相关，降雨事件触发，变形增加立即表现出来，降雨间歇期则变形微渺，从而形成了明显的“台阶状”曲线。值得注意的是，20#测点的位移也没有表现出与库水位升降的明显关系。因此，总体上看大坡滑坡22#、23#测点附近受微地貌控制，局部变形强烈，变形主要受降雨影响。

图5 GPS 20#位移与库水位、降雨时间关系曲线Fig.5 Relationship between displacement of GPS 20#, reservoir water level and rainfall

2.3 滑坡变形成因机制

从地形地貌看，滑坡区整体为斜坡地带，坡度角20°～26°，局部陡坎。滑坡前缘切坡、临空，为滑坡形成提供了一定的条件。从地质构造来看，滑坡区内岩层产状为320°∠22°～26°，滑坡为顺向坡，岩土界面倾角为20°～26°，基本与地面坡度一致。

滑床岩层以砂质页岩、薄层状炭质页岩为主，透水性较差，为相对隔水层。滑坡物质为滑塌体堆积的块石土、砂岩及砂质页岩等，总体结构稍密，弱-强渗透性，地层结构及岩性对滑坡坡体形成沿滑床的地下水水流有利，易形成地下水。

由于滑体主要由碎、块石土及砂岩组成，滑床基岩岩性大部分为砂岩及页岩，为相对透水层，页岩为相对隔水层。因此，在岩层层面接触部经雨水的长期水蚀易形成软弱带。

该地常年雨量充沛，不断补给地表水，在雨季流量较大部分下渗形成地下水。区内已有公路及冲沟截排，地表水对地表土体的冲刷、掏蚀、侵蚀、软化作用不大。但降雨下渗将抬高地下水水位，增大水压力，土体被侵蚀、软化。从空间上看，滑坡处于山体的斜坡中前部位，地下水排泄区较多，暴雨时大量雨水下渗，增加滑体土质量，同时使岩层层面亲水矿物产生溶解、软化，进而促使坡体变形不断发展。

在人类活动方面，前缘高切坡为滑坡的生成提供了剪出条件；居民区的修建和人类活动增加了滑体的荷载，在适宜时足以造成推移下滑；地表裂缝加快了地表水的下渗，进一步促进了滑坡的形成和发育。

3 滑坡稳定性评价

根据滑坡的成因分析，滑坡滑动主要沿岩层层面滑移，其滑面形态为近似于平面滑动型，但由于滑面倾角还是有一定变化，故按折线型滑动法分析。滑体厚度小，易受地下水、地表水影响，岩层层面与地形坡度基本一致，易产生下滑。滑坡前缘临空，且前缘变形明显，前缘已明显滑动错动，故滑坡属于牵引式滑动坡坏，为典型的顺向岩质滑坡。

3.1 计算模型及计算方法

滑面形态为平面滑动型，故采用基于刚体极限平衡理论的折线型滑动(传递系数法)计算滑坡的稳定性及推力，计算模型如图6所示[24]。安全系数计算公式为

(1)

式(1)中：Fst为滑坡安全系数；Ri为作用于第i块的抗滑力；Ti为作用于第i条块滑动面上的下滑分力；Ψj为传递系数，第i条块的剩余下滑力传递至第i+1块时的传递系数(j=i)，其表达式为

ψj=cos(θi-θi+1)-sin(θi-θi+1)tanφi+1

(2)

式(2)中：θi为第i条块底面倾角；φi为第i条块滑动面上的内摩擦角。

抗滑力Ri的计算公式为

Ri=Nitanφi+cili

(3)

式(3)中：Ni为第i条块滑动面的法向分力；ci为第i条块滑动面上的黏聚力；li为第i条块滑动面的长度。

Ni=Wicosθi+PWisin(αi-θi)

(4)

式(4)中：Wi为第i条块自重与建筑等地面荷载之和；PWi为第i条块单位宽度的静水压力；αi为作用方向的倾角。

Wi=Viuγ+Vidγ′+Fi

(5)

式(5)中：γ和γ′分别为岩土体的天然容重和浮容重；Fi为第i条块所受地面荷载。

下滑分力Ti的计算公式为

Ti=Wisinθi+PWicos(αi-θi)

(6)

静水压力PWi的表达式为

PWi=γwiVid

(7)

图6 传递系数法计算模型示意图Fig.6 Sketch of computation model of safety factor using transfer coefficient method

式(7)中：i为水力梯度；γw为水的容重；Vid为第i条块单位宽度岩土体的浸润线以上体积。

下滑推力计算公式为

Pi=Pi-1φi+FstTi-Ri

(8)

式(8)中：Pi、Pi-1分别为第i块、第i-1块滑体的剩余下滑力。

3.2 计算参数取值

根据研究区的受荷及环境特点，考虑两种工况(工况Ⅰ：自重+地表荷载；工况Ⅱ：自重+地表荷载+20年一遇暴雨)，对滑坡体稳定性进行计算。

参数选取方面，按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)[25]，对原位样进行室内物理力学试验，得到土体(滑体土、滑带土)的天然重度取19.30 kN/m3，饱和重度取19.58 kN/m3。由于研究滑坡属于顺向岩质滑坡，覆盖层较薄，滑体主要由砂岩、砂质页岩组成，故考虑滑坡厚度及岩土体性质，取1.3的储备系数，得到滑体天然重度取25.10 kN/m3，饱和重度取25.45 kN/m3。

另一方面，通过开展现场大型剪切试验、现场调查经验法和基于极限平衡理论的反算法，综合确定各岩层层面的强度参数。现场深挖探井SJ01、SJ02为关键岩层层面的大型剪切试验提供了有利的条件，获取了一手的岩土体物理力学试验数据。对不考虑地下水影响且已经发生滑坡的边坡，通常认为其暂时处于极限平衡状态，安全系数为Fst=1，令Pi=0(图6)，则可反算得到岩体滑带抗剪强度参数[26]。砂岩岩层、砂质、炭质页岩层面直接采用反算指标，其余层面采用经验参数结合大剪试验综合取值确定，如表1所示。

3.3 稳定性评价

选取1-1′、2-2′和7-7′三处临空坡计算。对存在明显浅层的顺向岩质滑坡后缘采用直接拉通计算整体稳定性，对较深层滑动顺向岩质滑坡采用条块搜索计算，牵引区后缘通过搜索后稳定系数小于1.10处确定，同时剩余下滑力最大值处采用搜索稳定系数为1.00处确定。计算结果见表2。

根据计算结果，1-1′和2-2′剖面顺向临空处暴雨状态下整体稳定系数大于1.15，为稳定状态，但滑坡为顺向岩质牵引式滑坡，前缘存在拉开后滑动可能，该范围内牵引区为基本-欠稳定状态；这与现场经过降雨影响后2-2′剖面顺向临空处岩体错动 15 cm 的变形基本一致。工况Ⅱ下1-1′、2-2′和7-7′剖面在明显临空处处于欠稳定～基本稳定，表明 2-2′ 剖面顺向临空处稳定性受降雨影响明显，这与监测情况基本一致。

表2 滑坡稳定性计算结果

根据以上分析可以判断，大坡滑坡整体处于基本稳定-欠稳定状态，须对滑坡体实施治理。综合考虑该滑坡的工程地质和水文地质条件，建议采用“抗滑桩板墙+截排水工程”方案。抗滑桩可布置于各剪出口范围附近，起到支挡作用。另一方面，由于滑坡本身土层较薄，且后缘陡峭，在暴雨情况下可能发生局部溜坍，因此需修建完善的滑坡区截排水系统，同时在滑坡范围内严格禁止开挖切坡等工程活动。建议的“抗滑桩板墙+截排水工程”治理措施于2017年10月底完成。根据现场监测结果显示(图4)，在2018年整个水文年内区内地表位移均无明显增长，表明治理措施有效，为相似的工程地质条件下浅层多级滑面顺层岩质滑坡处置提供了重要的参考。