静宁县田堡调蓄水池滑坡成因及稳定性分析

2024-01-18韩朝君李国营吴玮江张立军韩海龙

中国地质灾害与防治学报 2023年6期

韩朝君，李国营，吴玮江，张立军，韩海龙

（1.甘肃省地质矿产勘查开发局第二地质矿产勘查院，甘肃兰州 730020；2.甘肃省科学院地质自然灾害防治研究所，甘肃兰州 730000）

0 引言

黄土是第四纪以来形成的一种多孔隙弱胶结构的特殊沉积物，具有大孔隙、水敏性、力学性质差和节理裂隙发育的特点[1]。由于黄土的特殊性质，黄土滑坡是我国发生数量最多、危害最严重的突发性地质灾害之一。

甘肃省是我国黄土滑坡地质灾害发生频繁的省份之一[2]，黄土滑坡常造成群死群伤和重大财产损失并影响社会安全稳定。1983年3 月7 日，甘肃省东乡县洒勒山高速滑坡，造成220 人死亡，成为我国最严重的灾难性黄土滑坡之一。黄土滑坡研究一直是国内外的热点，EDWARD 等[3]对中国西北部黄土滑坡进行了初步研究和部分模型构建；彭建兵院士等[4-6]对黄土高原滑坡的空间分布发育特征、形成机制等进行了全面系统的研究，同时总结了区域构造及典型人类工程活动对黄土滑坡的影响；吴玮江等[7-8]、冉林等[9]通过对甘肃黄土滑坡研究，总结了黄土地区滑坡的分布规律，主要的四种类型及各类滑坡的活动特征；张茂省等[10-11]对黄土滑坡诱发因素及其形成机理开展了相关研究，得出降水和人类工程活动是最积极的诱发因素；刘琨[12]、李同录等[13]、王民兰等[14]对降雨及地震引发滑坡进行了专门研究，得出了降雨及地震情况下黄土滑坡的形成机制。

由于人类工程活动的强度和规模的不断增加，由其引发的滑坡灾害也不断增多，常造成严重的经济损失和人员伤亡，增大工程投资，拖延工期，严重影响工程建设的顺利进行。本文以甘肃平凉地区静宁县田堡调蓄水池滑坡为研究对象，在现场调查、勘探、无人机测量及滑坡滑动前勘查资料的基础上，对滑坡成因及稳定性进行了系统研究，以期对同类滑坡的研究提供参考。

1 工程地质环境概况

1.1 滑坡区位置及概况

研究区位于甘肃省平凉市静宁县四河镇席家河左岸斜坡地带，为引洮供水二期工程覆盖地区（图1）。

图1 研究区平面图Fig.1 Study area plan

区内工程建设主要为田堡30×104m3调蓄水池，主要功能是解决引洮供水工程检修期间静宁县西部10 个乡镇人民的生活用水问题。工程于2020年3 月20 日开工建设，工程建设主要内容有坝基和北岸边坡开挖、临河侧填筑等，2020年9 月18 日，调蓄水池左岸发生滑坡，滑坡破坏已开挖的边坡和公路路基，严重威胁田堡调蓄水池的正常建设。

1.2 地形地貌

静宁县地处陇西黄土高原东部，属黄土低中山梁峁地貌区。滑坡区地貌主要是厚黄土覆盖于波状起伏的新近系红层上的黄土丘陵。由于强烈侵蚀、切割，区内沟壑纵横、地形起伏。海拔在1 600～2 245 m，相对高差一般为200～300 m，平均坡度15°～30°。在沟底和部分谷坡可见新近系地层出露，沟岸滑坡、崩塌较为发育。

1.3 地层岩性

本区地层结构较为简单，基底地层主要是巨厚的新近系砖红色泥岩夹灰白色砂岩（N），产状近于水平，岩性软弱，分布广泛，在部分冲沟中下部有出露。黄土梁区广泛披覆马兰黄土（Qp3eol），岩性为浅黄色粉土，质地疏松，具有湿陷性。一般厚度3～8 m，最厚达15 m左右。河谷区发育上更新统、全新统冲洪积物（Qp3apl、Qhapl），岩性以黄土状粉质黏土为主，底部为砾石层。另外席家河北岸和冲沟内还发育全新统滑坡堆积物（Qhdel），主要为扰动的马兰黄土和泥岩，结构破碎，成分混杂。

1.4 水文地质条件

静宁县属于温带干旱、半干旱气候区，多年平均降水量453.3 mm，多年平均蒸发量1 512 mm，为降水量的3.37 倍。由于降水稀少蒸发强烈，再加上地形起伏，地下水补给条件差，斜坡区地下水总体贫乏，只在汇水条件较好的地势低洼部位有少量黄土潜水。

2 滑坡特征

2.1 形态特征

滑坡位于席家河北岸斜坡地带，平面形态呈不规则四边形（图2），南北平均长180 m，东西宽240 m，面积4.32×104m2，滑体厚3.0～18.0 m，平均11.2 m，体积48.5×104m3，滑坡主滑方向191°（图3）。滑坡后缘高程1 900～1 908 m，东侧前缘高程1 842 m，西侧高程1 850 m左右，前后缘高差约58 m，平均坡度15.8°。

图2 田堡调蓄水池滑坡照片Fig.2 Photo of the landslide at Tianbao Reservoir

图3 滑坡勘查平面图Fig.3 Plan view of the landslide investigation

受南北向分布的小冲沟等地形影响，滑坡后壁形态很不规则。实际上，该滑坡后壁是由4～5 个相对独立的次级滑坡的后壁组合而成，高度3～6 m，坡度50°～60°，其上擦痕较为清晰。

剖面上滑坡总体呈多级台阶状（图4）。最上部为后壁滑落形成的高度12 m 左右、坡度约25°的堆积坡体，其下部为宽20～40 m 的平台，东西两侧较宽，中间窄，分布高程1 882～1 888 m。中部为宽大的滑坡主平台，宽40～75 m，分布高程1 866～1 878 m，整体略为反坡，中部发育长100 m、宽15～30 m、深约3 m 的洼地。主平台前部为人工开挖形成的高10～15 m、坡度35°～45°的陡坡。滑坡前缘东侧为长约100 m、宽30～40 m、坡度16°左右的滑舌，已伸入拟建库区，分布高程1 842～1 854 m。

图4 滑坡地质剖面图Fig.4 Geological cross-section of the landslide

滑坡西侧前部发育H1 次级滑坡，平面形态呈簸箕状，南北长75 m、东西宽50～80 m，体积约5×104m3，主滑方向200°。H1 次级滑坡实际上是2020年5 月中旬已滑动的部分，9 月整体滑坡时为相对独立且滑动剧烈的块体，地势相对低洼，其后部范围有所扩大。

2.2 结构特征

蓄水池滑坡的滑体主要为原老滑坡体物质，岩性为滑动后的红层和黄土，结构相对完整，层序扰动轻微，滑体表部主要为黄土，厚3.0～6.7 m，中部主平台一带厚度较大且连续分布；以下滑体主要为红层（图5）。滑坡后壁主要由红层组成。前缘滑体岩土成分与结构相对混杂，夹有较多席家河冲洪积形成的青灰色粉质黏土。

图5 钻孔揭示的下部红层Fig.5 Lower red layer revealed by borehole drilling

该滑坡是老滑坡的大规模复活滑动，滑动面基本继承了老动滑面（图6），后部滑动面倾角45°、中部20°～11°、前部6°左右，滑带土主要是棕红色粉质黏土，稍湿-湿，可塑-软塑状，局部可见滑动擦痕和光亮面，滑床为新近系红层。后部滑体厚度3～9 m，中部8～18 m，前部厚度3～12 m，平均厚度11.2 m，属于中层中型滑坡。

图6 滑坡后部滑面Fig.6 Rear sliding surface of the landslide

2.3 变形滑移特征

滑坡体上各种裂缝非常发育，滑坡后部对应各次级滑坡后壁发育拉张裂缝、侧缘剪切裂缝和鼓胀裂缝。滑坡中部主平台区东侧前部发育鼓胀裂缝，走向与滑动方向垂直，规模较大，裂缝前部滑体普遍鼓起2 m 左右，表现出前部滑体受后部滑体的强烈推挤而鼓起。滑坡东侧剪张裂缝发育，道路、护坡被剪断；H1 次级滑坡东侧边界一带剪张裂缝及后部拉张裂缝较为发育。滑坡东侧前缘剪出口向南突出，伸入河谷区已开挖的场地内，较西侧剪出口前移30 m 左右，滑坡剪出口一带连续鼓起1 m 左右，鼓胀裂缝和放射状裂缝普遍发育（图7）。

图7 滑坡东侧前缘鼓胀裂缝Fig.7 Front shear outlet and bulging cracks on the east side of landslide

通过现场调查和正射影像分析，蓄水池滑坡的滑动具有一定差异性，后缘部位的滑距较大，一般水平滑距为6～9 m，下错3～5 m；前缘水平滑距多为1～3 m，东侧大部分拱起1～2 m。H1 滑坡是前缘滑动相对剧烈的部位。

3 滑坡成因分析

静宁县田堡调蓄水池滑坡的成因包括内在的地质环境条件和外部引发因素两方面。老滑坡的存在是地质基础，大规模的前缘开挖和大量而集中的降水共同引发了复活滑动。

3.1 老滑坡是本次滑坡的地质基础

静宁县是我省滑坡发育的县份之一，据调查，近东西向展布的席家河河谷北岸斜坡较陡，坡度20°～25°，老滑坡较为发育。田堡调蓄水池北侧老滑坡发育，其主要证据有斜坡区圈椅状滑坡地形明显、地形零乱（图8），前缘发育混杂的滑坡堆积体和滑动面，并根据水库下游200 m 席家河北岸15 m 高的Ⅱ级阶地前缘堆积物中夹有混杂滑体（图9），可以确定老滑坡形成时代为早全新世。可见，老滑坡三方面的特征要素齐全。老滑坡破坏了斜坡地质结构和稳定性，其滑动面是后期进一步复活滑动的有利结构面。

图8 蓄水池北侧老滑坡影像图Fig.8 Aerial view of the old landslide on the north side of the reservoir

图9 老滑坡前缘滑体与Ⅱ阶地关系图Fig.9 Relationship between the front sliding body of the old landslide and the second terrace

3.2 前缘工程开挖

由于席家河河谷狭窄，调蓄水池建设场地空间有限，因此，工程建设主要对北侧老滑坡前部进行了大量开挖（图10）。开挖宽度50～60 m，平均深度8 m 左右，即老滑坡前部每延米的平均开挖量约450 m3/m，总开挖量1.08×105m3，占老滑坡总体积的15%左右（图11），大幅降低了老滑坡前部的抗滑能力和稳定性。就斜坡区坡脚开挖和坡顶加载相对而言，坡脚开挖更容易改变斜坡应力分布，降低斜坡稳定性和引发滑坡。因此，前部工程开挖是引发本次老滑坡复活滑动的主要原因。

图10 蓄水池工程开挖老滑坡前缘Fig.10 Excavation of the front edge of the old landslide in the reservoir project

图11 蓄水池工程开挖断面图Fig.11 Cross-sectional view of the excavation at reservoir project

3.3 降水的不利影响

根据气象资料，静宁县2018—2020年连续三年为丰水年，降水量分别达518.9 mm、578.9 mm 和647 mm，为多年平均降水量的114.5%～142.7%。降水集中且多为暴雨形式，2018年7—9 月降水量占全年的58.5%，每月的降水量均在100 mm 以上。特别是2020年的降水更加集中在5、6、8 三个月内，均在月平均降水量的一倍以上（图12）。6 月份降水166.5 mm，其中6 月25—26日降水达142.2 mm；8 月份降水达188.8 mm。大量降水沿落水洞、裂缝下渗至坡体内，软化土体，导致调蓄水池工程施工过程中于9 月18 日老滑坡发生复活滑动。

图12 静宁县2020年与多年平均逐月降水量曲线图Fig.12 Curves of 2020 and multi-year average monthly precipitation in Jingning County

3.4 滑坡破坏变形机制分析

由上述可知，蓄水池北侧老滑坡复活滑动的主要原因是工程开挖降低滑体前部的抗滑力，很自然的认为该滑坡属于前部首先失稳滑动，再牵引后部滑动的牵引式滑坡。但从滑坡后部的滑距明显较前部大、前缘拱起，且主平台区东侧前部鼓胀裂缝侧前部滑体普遍鼓起2m 左右的实际情况，该滑坡表现出前部滑体受后部滑体的强烈推挤而鼓起的推移式滑动的性质和特点。

实际上，滑坡的滑动形式往往存在牵引式与推移式之间的相互转化。大规模工程开挖降低蓄水池北侧老滑坡前部的抗滑力，老滑坡前部产生蠕动变形，在后部滑体较薄和滑动面较陡的部位可能产生拉张裂缝和应力松弛，大量降水沿落水洞、裂缝渗入滑体，降低抗剪强度，由于后部滑动面较陡，后部滑体首先发生大规模滑动，又推挤前部滑体整体失稳。

4 滑坡稳定性分析

4.1 计算模型及计算方法

滑坡滑面形态属折线型，采用折线滑动法（简化Janbu 法）计算滑坡复活滑动后的稳定系数，计算软件为理正岩土工程计算分析软件。稳定性计算的工况条件分为3 种：即：①一般条件（自重状态下）；②降雨条件（滑体处于饱和状态下）；③地震条件，本区地震动峰值加速度为0.20g。选择滑动后滑坡中部主剖面进行稳定性计算。