永登县苦水镇大路村滑坡发育特征及稳定性评价

2023-04-08许泰鄂崇毅蒋兴波郜云峰付利钊

科学技术与工程 2023年6期

许泰, 鄂崇毅, 蒋兴波, 郜云峰, 付利钊

(1.陇东学院新能源学院, 庆阳 745000; 2.青海师范大学青藏高原地表过程与生态保育教育部重点实验室, 西宁 810008;3.青海师范大学地理科学学院青海省自然地理与环境过程重点实验室, 西宁 810008; 4.高原科学与可持续发展研究院, 西宁 810008;5.甘肃省地质环境监测院, 兰州 730050; 6.河北省第一测绘院, 石家庄 050031)

黄土滑坡是西北地区常见的地质灾害,中国30%的滑坡灾害发生在黄土地区,由于其隐蔽深、分布广、危害大,造成大量的人员伤亡和财产损失,已经严重影响到人民群众的正常生活与地方的经济建设。中国学者在认识黄土滑坡的发育特征与形成机理,开展滑坡稳定性评价工作等方面一直处于领先地位,取得了一系列丰硕的成果。谷天峰等[1]早在2013年就提出一种耦合二维力学分析模型的区域斜坡评价方法,该方法可同时获得区域二维安全系数分布图和最危险滑动面的位置和规模,为区域尺度下斜坡的稳定性有效定量评价提供了新思路,具有广泛的应用价值。白朝能等[2]、吕文斌等[3]几乎在同一时间对湟水河南岸张家湾特大型滑坡的发展过程、形成机理等进行了分析,均将该滑坡划分为两区四期,分别采用有限元软件数值模拟和数值计算软件与极限平衡法和Midas/GTS有限元数值模拟评价了不同期次滑坡在不同工况条件下的稳定状态。刘利星等[4]引入约束锥对黄土滑坡稳定性影响因素进行约束,利用锥比率数据包络模型(C2WH)对黄土滑坡稳定性进行评价,得到了各评价单元的相对稳定性,并对其稳定性进行了全排序。李泊良等[5]选择TRIGRS模型和Scoops3D模型评价浅层黄土滑坡在降雨、地震以及两者耦合下的稳定状态,并通过混淆矩阵法和受试者工作特征曲线法对预测结果进行评价,验证了降雨、地震及其耦合效应下黄土滑坡稳定性评价结果的适用性。刘畅等[6]采用电法探测和数值模拟方式对税湾黄土滑坡在不同工况下的稳定性进行评价与分析。易志强等[7]采用数值分析方法研究了含有水平软弱夹层黄土滑坡的变形破坏特征、形成机制及失稳破坏启动角度。孔庆等[8]采用野外勘查和室内分析手段对练家沟黄土斜坡的成因、失稳范围及形成机制进行分析,在此基础上采用不平衡推力传递法与连续介质快速拉格朗日差分(fast Lagrangian analysis of continua,FLAC)强度折减法对其稳定性进行评价。永登县处于中国黄土高原西部与青藏高原东北部的过渡地带,同时也属于陇西沉降盆地与祁连山支脉东延间交错的过渡区域[9]。境内地貌环境较为复杂,地质灾害分布广泛、发生频繁,尤其是滑坡在境内发育严重[10]。虽然有学者系统研究了永登县苦水镇潜在地质灾害的分布特征,以斜坡作为基本评价单元,通过遴选各类指标对风险性进行分区评价[11-13],却鲜有针对某一具体滑坡的发育特征及稳定性开展深入研究。

大路村滑坡位于永登县苦水镇大路村1社东侧,其地理坐标为103°34′40″E～103°59′20″E,35°49′30″N～36°06′40″N。大路村滑坡作为现代滑坡(1996年夏)的典型代表,发生时向前滑动了3 m,是苦水镇区内唯一发育的一处滑坡灾害,认识该滑坡发育特征及开展稳定性评价工作极为重要。现将永登县大路村1社滑坡作为典型地质灾害勘查点,通过详细的实地调查,重点分析和研究该滑坡发育特征和形成机制,并评价其稳定性和圈定危险覆盖范围。这对进一步完善永登县境内黄土滑坡的形成机制,隐患早期识别和风险防控具有一定的指导意义,同时也可为境内其他斜坡体的潜在破坏形式研究和综合治理提供科学依据。

1 滑坡区地质环境概况

1.1 地貌特征

侵蚀堆积黄土丘陵和侵蚀堆积河谷是大路村滑坡所在区域的主要地貌类型。勘查区东侧是由黄土梁峁组成的侵蚀堆积黄土丘陵[图1(a)],黄土覆盖于白垩系、第三系地层之上。海拔在1 850～1 900 m,山坡坡度小于20°,地形切割较弱,沟谷多呈较开阔的U字形,谷宽300～450 m,峁圆呈群状,梁直且宽圆,沟谷平均切割深度达到100～200 m,切割密度为0.1～0.7 km/km2。侵蚀堆积河谷分布于勘查区西侧[图1(b)],呈南北向平行展布,地形开阔平坦,由北向南倾斜。其中Ⅰ、Ⅱ级阶地保存完好,Ⅲ级阶地多有破坏。Ⅰ级阶地高出河水面1～5m,阶地阶面宽0.2 km。Ⅱ级阶地在现代河床两侧均匀分布,高出河水面5～20 m,阶地阶面宽0.2～0.7 km。Ⅲ级阶地高出河水面20～40 m,阶地阶面宽0.1～0.5 km。

图1 勘查区地貌Fig.1 Geomorphology of prospecting area

1.2 地层岩性、新构造运动

沿古构造体系局部地段继承性复合是区内新构造运动的具体体现,受河西系控制,庄浪河河谷阶地发育,这充分揭示了河西系在古近纪至今仍在活动。庄浪河谷发育五级阶地,其中Ⅰ、Ⅱ级形成于全新世,Ⅲ～Ⅴ级形成于上更新世。高出河床依次为:Ⅰ级2 m、Ⅱ级19 m、Ⅲ级27 m、Ⅳ级42 m、Ⅴ级57 m,反映了上更新世以来多次的地壳抬升运动河流侵蚀切割作用。庄浪河河谷西侧阶地较东侧发育,说明西侧上升幅度比东侧大,继承了河西系的活动特征。

1.3 岩土体类型

1.3.1 岩体类型

中厚层-薄层较软至软弱砂岩夹黏土岩岩组在滑坡区东侧呈片状分布,由白垩系河口群紫红色的砂岩、泥岩互层夹透镜状砂岩组成。此岩组中泥岩较为软弱,砂岩质地坚硬。干重度一般介于23.1～24.0 kN/m3,干抗压强度80～470 kPa,软化系数0.3～0.6,内聚力11～46 kPa,内摩擦角36°～38.2°。

层状软弱-较硬砂岩、泥岩岩组分布于滑坡区山前斜坡地带,由白垩系河口群和古近系紫红色砂岩、泥岩互层夹透镜状砂岩组成,中厚-薄层状结构。该岩组中砂岩质地坚硬,而泥岩较软弱,抗压强度介于11～50 MPa,属于不良工程地质岩组。

1.3.2 土体类型

粉土-砂砾土双层土体分布于河谷Ⅰ～Ⅲ级阶地、一级支沟沟谷及盆地底部,具有二元结构,上部为粉土,下部为砂砾土。

粉质黏土-粉土互层土体分布于滑坡区东侧丘陵区,随原始地形起伏厚度的变化而发生变化。土体结构疏松,成分以石英和长石为主,大孔隙,无层理,垂直节理发育,处于软塑-可塑状态。

1.4 水文地质条件

基岩裂隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水和松散岩类孔隙水是滑坡区内的3种地下水类型。武胜驿西北部的基岩裂隙水,分布不均、埋藏浅,地下水接受降水补给后,散布于基岩内的网状裂隙通道,富水性弱,地下径流模数小于1.0 L/(s·km2),以潜流或泉的形式在地势低洼处排泄。雷坛河一带的白垩系、第三系红色砂岩、砂砾岩地层中分布碎屑岩类孔隙裂隙水,并形成层间孔隙裂隙潜水或承压水,补给源有降水、裂隙水和地表水,富水性非常弱,地下径流模数均小于0.1 L/(s·km2),以泉的形式排泄。松散岩类孔隙水主要分布在庄浪河谷地及区内各大型沟谷中的砂砾卵石、碎石中,接受大气降水、农田灌溉及西北部基岩裂隙水或碎屑岩类孔隙裂隙水补给,以潜流或人工开采往外排泄。

经野外现场勘查,本次钻孔及探井均未揭露地下水,不稳定斜坡区内水文地质条件总体上较为简单,地表水补给来源主要为大气降水,此外由于坡体坡度较陡,大气降水能够沿着坡体快速排出,地下水总体相对较为贫乏。

2 大路村1社滑坡发育特征及成因分析

2.1 滑坡形态特征

滑坡地形总体东高西低,呈倾斜状。以黄土体是否发生变形破碎作为圈定滑坡边界的依据,其沿滑坡体边界分布,如图2(a)与图2(b)所示。平面上呈“圈椅”状,该滑坡长约90 m,宽约90 m,主滑方向265°,覆盖层厚度约5.0 m,滑体体积约为40 500 m3,属小型浅层黄土滑坡(表1)。滑坡体前缘高程约为1 693 m处,后缘高程在1 743 m左右,相对高差约50 m;滑坡后缘陡坎高7.0～8.0 m,坡度约38°,侧壁高2～3 m,坡度约63°,出露马兰黄土,如图2(c)所示。北侧见滑动面产状265°∠63°,滑体错落4～5 m,形成两级后缘平台,南侧后缘平台宽10 m,发育拉张裂缝形成宽0.5～1 m的凹槽,北侧后缘平台宽2 m,拉张裂缝形成错落小坎,发育落水洞。底部白垩系砂岩中发育两组剪切节理,一组产状258°∠63°,宽1.25 m,长1.90 m,开口约2 mm,一组产状280°∠68°,宽1.38 m,长0.76 m,开口约1 mm。

表1 大路村1社滑坡基本特征表Table 1 Basic characteristics of landslide in Dalu Village 1

图2 大路村1社滑坡形态Fig.2 Form of landslide in Dalu Village 1

2.2 滑坡要素及变形特征

钻孔资料显示大路村1社滑坡滑体以黄土与粉土混杂堆积物为主,局部夹有杂填土,厚度5～10 m,如图3(a)所示。据已有勘查资料及现场勘查结果,滑坡滑面呈凹面,总体呈上陡下缓,滑面总体坡度较陡,如图3(b)所示。滑面后部较陡,前缘坡度较缓,滑体运动形式为前部先滑,引起后部滑动的牵引式滑坡。经钻探证实与滑床界面较清晰,滑带厚度0.5～0.8 m,多为粉土充填,暗黄色,结构松散。滑床均为黄土,滑体下部覆盖于庄浪河四级阶地冲积二元结构地层之上,局部段粉土层由于失稳下滑,使得滑体局部夹杂粉土。

图3 大路村1社滑坡滑体特征Fig.3 Characteristics of the landslide in Dalu Village 1

大路村1社滑坡体坡度较陡,高差较大,为滑坡滑动形成了动力势能和移动空间,其后滑坡壁拉张裂缝、节理裂隙发育,表明滑坡体的变形加剧,滑坡体中上段发育大量落水洞,导致前缘剪出口隆起现象的产生。

2.3 岩土体物理力学性质

滑体岩性以黄土与粉土混杂堆积物为主,局部夹有杂填土。在室内对滑坡土体物理力学指标进行了测试(表2),发现滑坡土体的天然重度ρ=14.7～15.1 kN/m3,滑坡土体抗剪强度的内聚力C=11.5～13.6 kPa,内摩擦角φ=21.76°～22.97°。

表2 大路村1社滑坡滑体土物理力学性质指标Table 2 Indexes of physical and mechanical properties of landslide soil in Dalu Village 1

2.4 滑坡成因分析

大路村1社滑坡位于庄浪河Ⅳ级阶地前缘,坡脚临空,坡度陡,具备了发生滑动的地形条件。斜坡地层上部为黄土、下部为冲积二元结构,黄土结构松散,垂直节理发育,具有湿陷性,遇水软化、崩解,属于易崩易滑地层。

强降雨及坡顶灌溉使坡体局部大量充水,形成一定厚度具有动水压力的临时性含水层。旱季时临时性含水层的厚度发生变薄甚至消失现象,原先被浸泡软化的土体动水压力降低或消减,使滑带土失水硬化。常年季节性的干湿交替作用,导致岩土体的性状发生剧烈变化,极大的减弱了滑带土抗剪强度,这会对斜坡的稳定性产生不利影响。不合理的人为开挖坡脚,破坏了坡体原有的应力分布,使得坡体临空,易引发滑坡地质灾害发生。此外,地震对斜坡的诱发也极为重要,虽然该斜坡目前处于基本稳定状态,但遇地震也极易失稳。

3 滑坡稳定性分析和评价

3.1 定性分析

现场调查分析发现大路村1社滑坡整体处于欠稳定状态。坡体宏观变形迹象明显,局部崩塌、坡脚开挖较为严重,坡顶长期灌溉,不利于滑坡的稳定。若遇强地震、暴雨,滑体滑动的可能性较大。

3.2 定量计算

根据坡体的力学运动平衡原理与土体莫尔强度理论,通过传递系数法可以定量验算滑坡体的稳定性[14-16]。按照主滑方向对按照滑动面起伏变化将滑体剖面分割为若干条块[17-19]。根据滑坡土体岩性以碎石土与粉土混杂堆积物为主,局部夹杂填土,可以认为滑体为均质土体,故采用折线型滑动法[20]对滑坡进行稳定性验算具有可行性。

3.2.1 计算稳定性系数

(1)

Rn={Wn[(1-rv)cosan-Asinan]-

RDn}tanφn+CnLn

(2)

Tn=Wn(sinan+Acosan)+TDn

(3)

(4)

ψj=cos(ai-ai+1)-sin(ai-ai+1)tanφi+1

(5)

式中:K为稳定性系数;Wi为第i条块的重量,kN/m;rv为孔隙水压力比(因为滑体是局部含水,没有形成统一的水位,故本次不计);ai为第i条块滑动面倾角,(°);A为地震加速度,g(g为重力加速度);RDi为渗透压力产生的垂直滑面分力;φi为第i条块的内摩擦角,(°);Ci为第i条块的内聚力,kPa;Li为第i条块的滑面长度,m;ψj为第i块段的剩余下滑力传递至第i+1段时的传递系数(j=i);Rn为第n(最后)条块的抗滑力,kN/m;TDi为渗透压力产生的平行滑面分力;Tn为第n(最后)条块的下滑力,kN/m。

3.2.2 计算工况

工况Ⅰ:自重;工况Ⅱ:自重+地震;工况Ⅲ:自重+暴雨。

暴雨标准:按照《滑坡防治工程设计与施工技术规范》(DZ/T0219—2006),暴雨强度按10 a,重现期按50 a[21]。

地震荷载标准:按照《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010),永登县设防烈度为8度,地震动峰值加速度按50～100 a超越概率为10%计算,取0.2g[22]。

计算过程中,滑坡体上方不考虑集中荷载。

3.2.3 确定参数

土体强度指标C和φ的干扰因素很多,其细微变化都会影响计算结果。为了减少各种因素干扰,统计分析土工试验数据各项参数,遴选出具有代表性的实验数据,充分考虑滑体、滑带土力学性质,结合区内地质环境条件、滑坡体结构变形破坏特征及空间变化状况,类比参考同类地区的相关参数和有关经验数值,再利用反算结果综合确定。

经过现场对大路村1社滑坡变形特征分析和当前稳定性状态的定性评价,研究滑坡区岩土体物理力学性质的变化,参数反演计算公式[21]为

(6)

(7)

式中:φ为滑带土的内摩擦角,(°);c为滑带土的内聚力,kPa;F为根据工况计算给定的稳定系数;L为滑带的总长度,m。

由于大路村1社滑坡目前处于基本稳定状态,反算滑坡稳定系数Fs=1.05～1.15,在此基础上结合临近地区滑带土物理力学指标,综合确定大路村1社滑坡计算参数如表3所示。

表3 大路村1社滑坡综合取值Table 3 Comprehensive value of landslide in Dalu Village 1 Society

3.2.4 计算结果

针对大路村滑坡的滑面位置、滑体物理力学参数以及土体特征等,确定滑面形态为折线形,而传递系数法是一种适用于折线形态并考虑土条间作用力的定量评价方法,其评价结果与现场试验情况接近,因此通过采用《滑坡防治工程勘查规范》(GB/T 32864—2016)[23]中推荐的不平衡推力传递系数法求解该滑坡在不同工况下的稳定系数,明确滑坡稳定状态。参考该标准将滑坡的稳定状态划分为4级,综合认为稳定安全系数取1.15比较适合,即:当Fs≥1.15时,滑坡处于安全,为稳定状态;当1.05≤Fs<1.15,滑坡为基本稳定状态;当1.00≤Fs<1.05,滑坡处于暂时稳定-变形,为欠稳定状态;当Fs<1.00,滑坡处于整体变形-滑动,为不稳定状态。

从表4计算结果可知滑坡各剖面在3种工况条件下的稳定性系数及下滑堆积稳定状态。在自重工况下,滑坡各剖面稳定系数在1.105～1.144,稳定系数接近但小于1.15,处于基本稳定状态,但稳定安全储备较低。在自重+地震工况和自重+暴雨两种工况下,滑坡各剖面稳定系数分别在0.941～0.982和0.867～0.936,滑坡整体将超过临界欠稳定状态而处于变形滑动的不稳定状态,若遇此工况,滑坡发生失稳滑动破坏的概率会持续增大,将引发人员伤亡和经济损失。

表4 滑坡稳定系数及稳定状态Table 4 Stability coefficient and stability state of landslide

3.3 滑坡稳定性综合评价

定性和定量评价结果可以看出,滑坡的稳定性计算结果与综合观测分析保持一致。大路村1社滑坡在自重工况下处于基本稳定状态;在自重和地震叠加工况下,滑坡处于不稳定状态,易产生失稳下滑;在自重和暴雨饱和叠加工况下,滑坡亦处于不稳定状态。

4 滑坡危险覆盖范围确定

滑坡灾害的可能危害范围是指滑坡失稳后可能造成破坏的范围。大路村1社滑坡主要影响因素有地震、降雨及人类工程活动,可能剪出口位于坡脚处,推测主滑面平均坡度约为35°,由于斜坡前缘建筑较密集,计算结果应考虑建筑物对滑坡的阻拦作用。覆盖范围计算方法如下。

(1)运动距离-公式估算法。滑体前缘滑移面滑动的最远距离是滑体所能影响的最远范围,滑移距离的远近主要受坡高、滑速和滑移面摩擦系数的影响,计算公式为

(8)

(9)

式中:Lmax为滑体重心滑移的最远距离,m;Vmax为滑体重心滑移至剪出口处的最大滑速,m/s;g为重力加速度,m/s2;f为主滑面摩擦系数;α为主滑面倾角,(°);H为滑体重心与剪出口的落差,m。

(2)滑坡横向散开的范围。滑坡横向散开的范围与地形有关,一般取前缘宽的1～2倍。大路村1社滑坡最大威胁范围计算结果如表5所示。横向威胁范围为坡体前缘宽度90 m,横向扩散最大范围140 m。

滑体前缘建筑物较为密集,对滑坡滑动时具有一定的阻滞作用。降雨工况下,覆盖范围为滑坡本身的区域,即0.004 km2,主要威胁滑坡体前缘房屋和厂房,危害程度较大,如图4(a)所示。地震工况下,覆盖范围为因滑坡造成大量人员伤亡和财产损失的区域,滑动后最大覆盖范围可达0.008 km2,危害程度严重,如图4(b)所示。根据《滑坡防治工程勘查规范》的规定[23],滑坡危害等级属于三级。