滑坡灾害特征及其治理技术研究——以驻马店市乐山林场为例

吴祖成,田 飞,李茂军

(河南省地质矿产勘查开发局 第五地质勘查院,河南 郑州 450001)

2022年3月下旬降雨后,确山县森林公安分局新建办公楼后边坡出现裂缝,4月初裂缝增多,后缘坡体下挫达2.5 m,坡体中下部出现小范围滑塌,堆积于坡脚,直接威胁森林公安分局办公楼安全。

本文研究了滑坡灾害特征及其治理技术,对确山森林公安分局办公楼后滑坡地质灾害隐患进行整治,增强边坡的稳定性,使治理区生态环境得以恢复,保障下方办公区人员生命财产安全,同时改善其生态环境效果。

1 研究区地质环境条件

1.1 研究区地貌特征

研究区位于侵蚀剥蚀丘陵区,山体海拔+396 m,坡脚海拔+130 m,高差266 m。植被覆盖率一般在80%以上,植被多以油桐、木梓树、栎树、刺槐等,山体呈上陡下缓状,冲沟较为发育。研究区内最高点海拔+164 m,位于滑坡后缘坡顶,办公楼坡脚处海拔+143.2 m,高差约20 m,坡面呈台阶状,坡度约40°,滑坡两侧20 m处各发育一条冲沟,呈宽U形,较浅,深约0.5 m,宽3～4 m,延伸至坡脚。

1.2 研究区地层

研究区表层为第四系中更新(Q2)统残坡积黏土,灰黑、棕褐色,垂向节理、裂隙发育,含0～5%砾、卵石,厚度1～10 m。底部局部可见棕红色硬黏土,半胶结岩质状态,厚度0～3 m,为第四系下更新统(Q1)残留物,治理区内未自然出露。下伏基岩为中元古界汝阳群北大尖组(Pt2bd),主要为灰白色石英砂岩、石英岩,薄层状结构,块状、整体块状。表层强风化,内部中等—微风化。

1.3 研究区地质构造

研究区位于普会寺断裂北侧,一组南西—北东向断层东部。普会寺断裂(F2)属于伏牛—大别弧形构造体系中的栾川—确山—固始深断裂的组成部分,走向290°～300°,倾向南西,倾角约50°,力学性质为压扭性,具有多期活动的特点。南西—北东向断层(F20、F23)属于新华夏系构造形迹,成生于中生代末期,展布方向为20°左右,是在区域南北向反扭应力作用下成生和发展起来的。该形迹是由一系列北东—北北东向压扭性断裂和坳陷组成,与纬向构造体系反接复合,与经向构造体系斜接复合,它明显切割了北西向构造的断裂、褶皱变质地层及燕山晚期侵入体。自中生代晚期开始,区域应力场由南北向反扭转变为南北向顺扭,力学性质由压扭性转变为张扭性。北东向构造在成生发育过程中,迁就、利用、改造了北西向构造中各断裂构造形迹,随北东向构造应力场的转变力学性质也发生多次转化。

1.4 研究区水文地质条件

(1)地下水类型。研究区位于确山县城西北的丘陵基岩区,地下水类型有表层第四系(Q)残坡积黏土在雨季存留的潜水,以及下伏中元古界汝阳群(Pt2ry)变质岩层状岩类裂隙水,具承压性质。表层为第四系(Q)残坡积黏土,无砂层,仅在雨季有地表渗入的滞留水,富水性弱,雨后即逐渐干涸。下伏中元古界汝阳群(Pt2ry)变质石英岩,属于层状岩类裂隙水含水岩组,枯水季节泉流量0.018～0.500 L/s,地下水径流模数0.11～3.17 L/(s·km2)。水化学类型为重碳酸钙镁型,矿化度为0.21～0.30 g/L。

(2)地下水补给、径流、排泄。研究区属于侵蚀、剥蚀丘陵区,其补给 、径流、排泄条件较为简单。主要是接受大气降水入渗补给,沿裂隙或溶隙向下游平原区的松散岩类孔隙水及深部岩溶裂隙水径流排泄,或直接以泉形式出露排泄于沟谷。

1.5 研究区地质条件

1.5.1 拟治理区地质岩组

(1)黏性土单层土体岩组(Q2)。分布于研究区地表,由第四系中更新统残坡积粉质黏土、黏土组成,含0～5%砾卵石,土体结构均一,密实、硬塑,发育垂向网状裂隙。该层土体具有吸水膨胀、失水收缩的特点,具中等压缩性,遇水土体结构遭破坏后,抗压抗剪强度急剧降低,整体技术地质条件较差。

(2)厚层稀裂状硬石英砂岩岩组(Pt)。研究区下伏地层为中元古界汝阳群北大尖组(Pt2bd),属于厚层稀裂状硬石英砂岩岩组(Pt),其岩性主要为石英砂岩、石英斑岩、石英片岩等。岩石强度大,技术力学性质较好。

1.5.2 研究区土体物理力学性质

研究区表层主要分布第四系中更新统(Q2)残坡积黏土、粉质黏土,灰黑、棕褐色,垂向节理、裂隙发育,含0～5%砾卵石。均为中等压缩性黏性土体,密度1.93 g/cm3,含水率18.4%,压缩模量为11.17 MPa,孔隙比0.675,液限范围37.7%,塑限范围21.1%,快剪黏聚力93.1 kPa,快剪内摩擦角22.8°,残余剪黏聚力22.5 kPa,残余剪内摩擦角14.5°。

2 滑坡灾害特征及危害

2.1 滑坡类型

依据国土资源部《滑坡崩塌泥石流灾害调查规范》(DZ/T 0261—2014),森林公安分局办公楼后滑坡要素清晰,特征明显。根据物质组成、滑体厚度、运动形式、发生原因、稳定程度、发生年代、滑坡体积等因素进行类型划分[1-4]。该滑坡属于浅层、土质、小型新滑坡,运动形式为牵引式,现状处于已变形状态,属活动性滑坡。

2.2 滑坡平面特征

滑坡体平面呈不规则圆锥形(图1),纵向长33 m,横向宽40 m,中部顺坡呈阶梯状,前缘以森林公安分局办公楼切坡为界线呈折线状,投影面积1 084 m2。东北后缘裂缝与北侧侧面裂缝(①)完全贯通,另外坡面上分布有断断续续的拉张裂缝,多达15条(②～),裂缝均呈张开状,一般宽0.05～1.00 m。

图1 滑坡正摄Fig.1 Landslide orthography

滑坡体西侧、北侧、西南侧均为原始山体,表层全部被乔灌植被覆盖。东北侧为原切坡建房及清理前缘滑动土堆积区,呈不规则椭圆形,表层植被遭破坏。东南侧为森林公安分局新建办公楼,近似为矩形,北东—南西向长约101.5 m,宽约52 m。

2.3 滑坡空间特征

滑坡边坡中下部呈阶梯状(图2(a)),中部及上部呈不规则瓢形,横向中间低,两侧略高。滑坡分布高程+143.2～+164.0 m。底部由于切坡建房,形成高3～5 m的陡坎,坡度一般为50°～65°,局部切坡为80°～90°。东北段(北部房屋侧面)6～8 m为土坡(图2(b)),上部为棕褐色、灰黑色粉质黏土,下部为棕红色黏土,致密坚硬,可见厚度0～3 m;东南段为土岩结合坡,上部为棕褐色、灰黑色粉质黏土,可见厚度0～3.5 m,由南西向北东逐步增厚,下部可见变质石英岩,呈白色、灰白色,层状结构,除靠近土坡段(约7 m)逐步变薄外,其他段可见厚度大于3 m。

图2 滑坡体形态Fig.2 Landslide morphology

边坡切坡往上是阶梯状斜坡,后缘较陡,中部及前缘相对较缓,坡度一般25°～40°。其中较长的原人工清坡台阶宽1～2 m,分布高程+150～+152 m。台阶以下(图3(a)),东北段由于土体滑动形成锥形凹面,凹面上土体呈松散状,大量密集小裂缝呈羽状张开。台阶下方其他区域相对较平整,坡度约25°。台阶上方除后缘陡坎外,一般坡度约30°(图3(b))。坡面上分布有参差不齐的滑移陡坎,一般垂向位移0.1～1.0 m,分布有10余条拉张裂缝,后缘及两侧面基本贯通。后缘形成不规则折线形陡坎,坡度35°～60°,垂向最大位移约2.5 m,水平位移0.5～1.0 m。

图3 台阶下方边坡形态Fig.3 Slope morphology below the steps

2.4 滑坡周界及滑坡后壁

滑坡四周边界清晰,具体边界情况如下。

(1)西南侧界线在植被界线附近,可见清晰的锯齿状剪切裂缝()(图4(a))。往西北地势升高,锯齿状剪切裂缝(①、④)垂向位移增大(图4(b)),在明显的陡坎后方,仍可见1～2条拉张裂缝(③),呈张开状。根据拉张裂缝分布位置判断,滑坡界线沿植被边界后移约5 m。北侧为滑坡后缘滑壁主要分布段,呈锯齿状陡坎(①)(图4(c)),垂向位移达2.5 m,坡度35～60°,与陡坎近平行方向距离0.5～1.0 m分布一条拉张裂缝(②)。根据拉张裂缝位置及上部土体状态判断,滑坡界线沿植被边界后移4～5 m。

图4 滑坡周界及滑坡后壁Fig.4 Landslide perimeter and back wall

(2)东北侧可见一条近直线状剪切裂缝(①)(图4(d)),陡壁垂向直立,垂向位移为1～2 m,水平位移0.5～1.0 m。剪切裂缝外侧,由于人工清坡等造成植被完全破坏。根据外侧土体形态及细微剪切裂缝判断,滑坡界线沿剪切裂缝外扩2.2～3.0 m。东南部为滑坡前缘,边界基本为森林公安分局建房切坡边界。探槽揭露的中部剪出口位于下方土岩结合面。南端的界点位于现有挡土墙东北第2根柱起点处。

2.5 滑坡体裂缝

滑坡体拉张和剪切裂缝分布较多,较为明显的多达17条,其他微型裂缝多达近百条。按裂缝整体走向,大致可分为3组,具体如下。

(1)北西—南东走向拉张、剪切裂缝。主要为分布于滑坡体北部、东北部的①、②号裂缝,以及东北部堆积土区号裂缝。裂缝单段呈直线状,张开状,有明显的水平位移和垂向位移。其中,①号裂缝延伸长度达29 m,垂向位移0.5～2.5 m,水平位移0.05～1.00 m,在北部段走向偏转至东西向、北西南东向,水平位移和垂向位移均增大。②号裂缝位于①号裂缝上方,与①号裂缝近平行状态,延伸长度为5～6 m,水平位移0.05 m,垂向位移0.05～0.08 m。号裂缝位于堆积土靠近房屋侧3～5 m,垂向位移不明显,水平位移0.05 m。

(2)北东—南西走向(近南北向)剪切、拉张裂缝。该组裂缝主要分布于滑坡体西侧边界内,分布③—⑦号、—号裂缝。裂缝多呈锯齿状,有明显的水平位移和垂直位移,水平位移一般0.05～0.50 m,垂直位移一般0.1～1.5 m。裂缝带下方可见多组羽状平行的微型裂缝,呈张开状,与土体本身垂向网状裂隙构成了纵横交错的裂隙网。

(3)北东—南西走向(近东西向)拉张裂缝。该组裂缝分布于滑坡中部及前缘,主要分布⑧—号裂缝。近平行排列,呈张开状,具有明显的水平位移和垂直位移,一般不超过0.5 m,与主滑动方向垂直或斜交,延伸长度2～9 m,沿裂缝上下附近多产生不规则的条状楔形土体。

2.6 滑动面位置及现状特征

依据野外调查滑坡体现状四周裂缝特征,结合本次技术地质应急勘查成果,初步判定滑坡体滑动面位于第四系残坡积物与下伏中元古界汝阳群北大尖组变质石英岩分界面上。沿坡面走向往东北,下伏基岩埋深变大,滑动面深度达不到土岩结合面,但由于下伏黏土层与上部粉质黏土层的物理力学性质和透水性的差异,导致上覆土层沿粉质黏土、黏土分界面滑移,形成滑动面。由于基岩和基岩面上的硬黏土夹层沿边坡纵向上前缘埋深较浅,后缘较深,滑动面沿边坡纵向上前缘较浅(1～3 m)、后缘较深(8～10 m)。由于表层残坡积粉质黏土厚度分布不均,导致滑坡体沿边坡横向上,两侧偏薄(2～5 m),中部及后缘较厚(8～10 m)的情况。在已经出现明显滑动面的后方及两侧上方,分布有1～2条由于前部滑动而产生的卸荷拉张裂缝,距离前方位移陡坎1～3 m,深度接近下部土岩结合面,为2～10 m。该裂缝多与前方滑面形成1组或多组不规则的楔形体,处于欠稳定状态,在前部滑体滑移后,会受到牵引滑动。

2.7 滑坡规模及类型

滑坡体呈不规则锥形,纵向长33 m,横向宽40 m,投影面积1 084 m2,平均厚度为7.5 m,估算滑动规模约8 130 m3。坡面呈阶梯状,前缘有高差3～5 m切坡,中间段有明显的剪出口,后缘存在垂向达2.5 m的滑移陡坎,两侧边缘裂缝基本贯通。根据已滑动土体规模及空间特征、变形特征和力学性质,按《滑坡防治技术勘查规范》(GB/T 32864—2016)判断,该滑坡属于浅层、小型牵引式滑坡。

2.8 滑坡危害对象

森林公安分局办公楼后滑坡位于乐山林场境内,威胁整幢办公楼,以及西北端的单层房屋(图5)。根据滑坡的范围边界及威胁对象的范围,确定滑坡的危险区范围,森林公安分局办公楼后滑坡危险区范围包括整个滑坡范围和受威胁范围,危险区面积约4 357 m2。据现场调查统计,森林公安分局办公楼后滑坡威胁3层房屋面积317.2 m2,威胁单层房屋面积179.7 m2,威胁办公区外乐山林场林地3 507 m2,威胁人数大于100人,潜在经济损失大于500万元。滑坡现状稳定性差,危害程度中型,危险性大。

图5 滑坡威胁Fig.5 Landslide threatens

3 地质灾害治理技术设计

3.1 边坡削方减载技术

滑坡体上方为黏性土,滑体完全遭到剪切破坏,堆积于坡面上。为减小坡面荷载,设计将结构完全遭破坏的土体部分清除,同时将坡面中部及上部按1∶2(高差与水平宽度比)进行放坡和挖填整理,以增强坡面稳定性,减小对下方拟建挡土墙的推力。以1∶500测绘的地形为顶面,同时以设计整治后的地形线为底面,使用南方CASS进行方格网剖分,网格大小为0.5 m×0.5 m,以计算削方减载技术量。经计算,拟建挡土墙上游边坡区累计挖方5 458.88 m3,累计填方333.62 m3。1-1＇设计开挖剖面如图6所示。

图6 1-1＇设计开挖剖面Fig.6 1-1＇ design excavation profile

3.2 挡土墙、浆砌石护坡技术

(1)浆砌石挡土墙技术[5-8]。在森林公安办公楼后边坡东北段原挡土墙损毁区,重新构筑挡土墙,总长度45 m。首先对设计部位进行挡土墙基础开挖,主要技术包括拆除拟建挡墙西南端部分段失效的原挡墙(按挖石方计),清除设计部位堆积土,开挖底部设计挡土墙基槽(部分按挖石方计)。基槽底部形成倒坡,与设计拓展基础相匹配。挡土墙设计标准参照建设部2017年发布的《挡土墙图集》(GJBT—1425/17J008)重力式挡土墙相关设计参数为依据,设计挡土墙高7.5 m,采用仰斜式YQ7.5型路堑墙(图7),抗震设防烈度为Ⅶ度,设计填料内摩擦角为30°,顶部边坡坡度1∶2.00。由于东北段(约10 m)底部基础为Q2黏土,根据以往经验值,设计基底摩擦系数取0.3;中部及东南段下部为变质石英岩,为提高挡土墙的抗倾、抗滑移性能,设计基底摩擦系数仍取0.3。每延米体积21.09 m3,基础埋深埋深约1.3 m,上部有效高度6.2 m。挡土墙墙体采用M20浆砌石结构,石材首选新鲜未风化的优质灰岩,砌石缝隙全部使用M20砂浆填满挤实。墙体顶部及前缘表面采用M20砂浆抹面,二毡三油沉伸缝分别设置在距离东北端的9.8、15、25、35 m处,挡土墙每延米M20浆砌石用量21.09 m3。在挡土墙中部设置4排泄水孔,分别位于挡土墙地面以上0.2、1.7、3.2、4.7 m位置,同一排间距1.5 m,呈梅花桩型布置,考虑到挡土墙的稳定性及施工的方便,使用直径10 cm的PVC管,直接浇筑于挡土墙中。PVC管进口与出口形成5%的顺向坡,砌筑时PVC管中部不宜上下弯折,导致堵水或淤塞,同时排水管后端设置砂砾石反滤包,相邻砾径比为1∶4,规格不小于0.5 m×0.5 m×0.5 m,使用400 g/m2土工布包裹。挡土墙每隔10 m设置1道二毡三油沉伸缝,使用沥青、亚麻、木片等填实。

图7 YQ7.5型浆砌石挡土墙剖面Fig.7 Profile of YQ7.5 type masonry retaining wall

依据《挡土墙图集》(GJBT—1425/17J008)给定的参数为依据,则挡土墙建成后,地震主动动土压力设计值为181.9 kN/m,抗滑移稳定性系数为1.54,抗倾覆稳定性系数为3.28,由于治理区处于地震烈度Ⅵ度,治理后边坡处于稳定状态,因此设计选用的挡土墙满足要求。

(2)浆砌石截排水沟技术[9-11]。在坡面整理后顶部及两侧周围,构筑截水沟,总长约122.88 m。截水沟采用梯形断面(图8),开挖沟道上部宽0.8 m,底部宽0.6 m,深0.5 m,侧壁与底部均采用厚0.2 m的M20浆砌石砌筑而成。水沟砌筑完成后,顶部宽0.4 m,底部宽0.2 m,深0.3 m。底部水平段保持坡度3%～5%,下坡段砌筑成跌水台阶,台阶高0.2 m,宽约0.4 m,底部与侧壁使用厚2 cm的M20砂浆抹面。截水沟每隔10 m设置1道二毡三油沉伸缝。

图8 M20浆砌石梯形排水沟剖面Fig.8 M20 masonry trapezoidal drainage ditch profile

在坡面下部挡土墙以上坡脚构筑横向排水沟,两端与上部截水沟出口相连。排水沟南端沿原挡土墙上部缓坡往西南延伸至挡土墙范围外,北端往东北延伸至低缓沟谷处。排水沟总长约154.75 m,采用梯形断面,开挖沟道上部宽0.8 m,底部宽0.6 m,深0.5 m,侧壁与底部均采用厚0.2 m的M20浆砌石砌筑而成。水沟砌筑完成后,顶部宽0.4 m,底部宽0.2 m,深0.3 m。下坡段砌筑成跌水台阶,台阶高0.2 m,宽约0.4 m,底部与侧壁使用厚2 cm的M20砂浆抹面。截水沟每隔10 m设置1道二毡三油沉伸缝。

(3)消力池技术。在边坡纵向截水沟与底部横向排水沟交叉的2处部位设置消力池,开挖基槽长1.9 m、宽1.9 m、深0.9 m,侧壁使用厚0.2 m的M20浆砌石砌筑,底部浆砌石厚0.3 m,一次性砌筑成型。砌筑完成后,消力池长1.5 m、宽1.5 m、深0.6 m,表层使用M20砂浆抹面。消力池2个进水口距底部高差均为0.3 m,出水口距底部高差为0.15 m。

3.3 植树造林技术

在滑坡削坡减载后的东部平台上植树造林,为防止平台区中央暴雨时积水,应高出边缘约5%。种植的乔木选择当地易生长的刺槐,行距与株距均为5 m,直接在土质平台上开挖树槽,长0.6 m、宽0.6 m、深0.6 m。种植的刺槐胸径3～5 cm,带土球。回填土时应沿树苗四周分层人工压实,保持树苗直立,压实松紧适度,严禁破坏树苗土球[12-13]。

在滑坡治理区削坡减载后的斜坡段种植2年生紫穗槐,种植密度为6 000株/hm2,总种植面积约为2 441 m2,种植1 464株,地径0.8～1.0 cm,带土球,开挖树穴尺寸0.5 m×0.5 m×0.5 m。开挖的黏土直接用作植树回填土,回填时沿树苗四周分层人工压实,保持树苗直立,压实松紧适度,严禁破坏树苗土球。

为快速达到护坡及防止雨水冲蚀边坡,在种植紫穗槐时,可以同时撒播速生草籽,草种可选择护坡能力强的当地种子,播种密度以0.015 kg/m2为参考。撒播草籽后,及时施肥,并保持土壤适当适度,以利于种子发芽。

3.4 警示牌技术

在滑坡治理区的顶部及中下部平台内侧斜坡上,各树立警示牌1座,警示牌采用铁皮制作,长约1 m,长宽比例近似为4∶3,背面使用截面边长约3 cm的加厚镀锌方钢焊接支撑,使用醒目的蓝底白字,警示牌立杆采用直径约6 cm的加厚镀锌无缝钢管,长1.5～2.0 m,底部直接稳固在地下。底部警示牌上留醒目字体:“爱护治理技术 营造绿水青山”;上部警示牌上留醒目字体:“地质灾害危险区 静止攀爬、停留”。

3.5 标志碑技术

在治理区东部下方路边,设立标志碑1座。标志碑由碑体与基座组成,碑体使用济南青或青石,碑体规格为1.6 m×1.4 m,厚度为0.2～0.3 m,基部采用二级M10浆砌石,台阶自上至下高0.6 m、0.5 m,宽0.3 m,其中0.5 m埋入地下,上部0.6 m成杯形预留口与标志碑对接,标志碑内容包括地质灾害治理技术标志、技术名称、技术简介、项目建设单位、勘查设计单位、施工单位、建碑日期等。

3.6 排水系统的清淤、疏导与维护工作

排水系统的清淤、疏导与维护工作,从排水系统竣工之日开始,一直持续下去。施工期间及技术竣工交付建设方之前,由施工单位派专人负责;技术竣工交付建设方之后,由确山森林公安分局指定专人或机构负责。工作费用不在本次设计治理费用之内。排水系统的清淤维护,在技术监测期间,与治理技术的监测同步,雨季应加密和加强,定期检查疏通排水渠堵塞点,清理淤积渠段,对变形破损部位应立即修补。

4 社会经济效益

河南省确山县三里河确山县公安局森林公安分局办公楼后滑坡治理技术项目属公益性、社会性项目,其价值具有间接性、潜在性和长久性的特点,主要表现在减灾、防灾方面。该项目将确山森林公安分局办公楼后边坡存在的2处滑坡隐患实施技术治理,大大降低地质灾害的危害程度,避免了滑坡对确山森林公安分局办公区人员及财产造成损失。工作区种植刺槐、紫穗槐等,生态植被得到部分恢复,与乐山林场周围森林景观和谐交融,有效恢复了林区生态环境。项目实施后,通过削方减载技术、挡土墙技术、浆砌石截排水沟技术、植树造林等,有效地减少或避免地表汇水对治理区边坡的侵蚀破坏,边坡稳定性得到明显改善,有效保障确山森林公安分局办公区附近人员生命财产安全。治理区植树1 489株,为当地人民生产、生活创造良好的生态环境;结合项目区现状,恢复乔灌木林地3 062.00 m2,同时保障了治理区治理后下方确山森林公安分局办公用地的有效利用,社会经济效益明显。总之,河南省确山县三里河确山县公安局森林公安分局办公楼后滑坡治理技术项目的实施,对防治地质灾害隐患、促进当地经济发展有重要意义。

5 结语

驻马店市乐山林场是国家级林场,属于驻马店市周边重要森林资源区,对驻马店市生态环境、旅游以及经济发展起着重要的作用。河南省确山县公安局森林公安分局办公楼后滑坡治理技术项目,采用灌、乔木相结合,合理配比的方法,尽快恢复林区生态环境。生物技术绿化面积3 062.00 m2,恢复乔灌林地3 062.00 m2,有效改善了确山森林公安分局办公区人居环境和生态环境。研究所产生的社会效益与生态效益是明显的,达到了社会效益、经济效益、安全效益与生态效益的统一,符合地质灾害治理的目标。