浅析山西地区半成岩地层滑坡的发育特征

摘 要：本文对山西武乡某滑坡进行现场勘察，综合分析滑坡的基本特征、岩土体结构特征和变形破坏特征。分析勘察资料可知，半成岩地层在降雨作用和地表水入渗条件下，抗剪强度指标会加速降低，导致产生滑面，进而形成目前的滑坡体。坡体内部形成贯通的滑动面，发生整体失稳。本文采用有限元数值模拟对其成因机制进行研究，所得结果与现场实际变形特征基本吻合，表明发生在第三系半成岩地层中的滑坡，在坡度较缓的前提下，由于半成岩具有易软化的特性，抗剪强度指标大幅度降低，因此发生滑坡变形。本文揭示的滑坡的变形破坏过程和诱发机制对类似半成岩滑坡研究具有一定参考价值。

关键词：滑坡；半成岩地层；数值模拟

中图分类号：P 642" " " " " " 文献标志码：A

地层岩性是坡体的主要物质组成，是滑坡产生的主要地质条件。山西省的滑坡主要发育在第四系黄土、上新统至下更新统的杂色黏土岩、上新统红色黏土和三叠系泥岩、砂页岩地层之内，也分布于二叠系煤系地层中[1]。山西省东南部广泛分布一套沉积相对连续的上第三系上新统地层榆社群，前人在此进行了大量的地质调查和研究。钱程[2]对山西榆社盆地新近纪沉积演化和古环境进行了分析，将本地区地层沉积环境进行了分类。相兴华[3]简要叙述了榆社群地层的工程特性。郑仲[4]以实际地质灾害调查项目揭示了榆社群楼则峪组地层与滑坡地质灾害的关系。胡杰[5]对晋中市榆社群地层滑坡形成机理进行了分析，并就风险防控提出建议。张寿钊[6]对榆社群的灰绿色黏土进行了较详细的研究，研究干湿循环对灰绿色黏土的抗剪强度影响规律和土体的微观结构特征，同时研究榆社群地层中滑坡形成机理和边坡稳定性评价。前人研究虽然涉及榆社群上覆第四系地层的滑坡研究，但是多以综述的形式简单叙述，本文结合武乡地区某滑坡实例，采用现场勘察与数值模拟深入研究具体实例，浅析半成岩地层滑坡的发育特征。

1 地层描述

榆社群[7]多分布于榆社、武乡、沁县和襄垣等境内，包括任家垴组、张村组和楼则峪组。榆社群是一套河湖相沉积物，其中任家垴组为一套湿热气候条件下的河流相粗碎屑堆积，以灰黄、浅紫色半固结状态的细砂、卵石和砾石层为主，夹粉土、紫红色黏土和粉质黏土。张村组连续沉积于任家垴组地层之上，是一套湿热气候条件下的湖相沉积，间夹河流相沉积物，岩性主要为半固结状态的灰绿、黄绿、灰白和灰黑色黏土，夹薄层泥灰岩、灰黄色粉砂层、浅紫色黏土、粉质黏土和少量砾石透镜体。下更新统下段楼则峪组连续沉积于张村组之上，是一套湿热气候条件下的河流相沉积物，该组岩性主要是呈半固结状态的黄、锈黄和浅紫色砂层，夹紫色河漫滩相的黏土与粉质黏土。

2 滑坡变形特征

滑坡位于武乡，地形地貌为黄土丘陵，地势东高西低，北高南低，最高处为北端，四周为沟，边坡的形成除天然原因外，还包括修路等人类工程活动。滑坡区现地形起伏如图1所示。

利用野外钻探和井探工程获得滑坡区地层分布特征，表层为第四系全新统人工填土、中更新世冲洪积层粉质黏土、中更新世冲洪积层粉砂和下更新世冲洪积层粉质黏土，下伏地层为上第三系上新统榆社群张村组黏土。

2.1 滑坡基本特征和变形迹象

滑坡位于南侧，斜坡坡度一般约16°，局部50°，其间有7m陡坎，滑坡区范围斜坡宽约186m，标高为1018m～995m。坡面主要为荒地，在野外勘查期间，斜坡中部有地下水渗出。

根据实地调查和访问，滑坡具体变形迹象如下所示。1） 原有浆砌石挡土墙坍塌变形。该滑坡后缘原建有浆砌石挡墙发生滑塌，下沉高度为2m～3m。2） 原有道路断裂，塌落高度约为2m。3） 原有排水沟断裂长度约为50m。

2.2 滑坡成因分析

自然与人为的双重驱动作用是导致滑坡区内地质灾害发生的根本原因，该滑坡区的发育与脆弱的地质环境条件、人类工程活动以及降雨等密切相关。

2.2.1 水文地质条件

根据调查，场地周围无河流。根据勘察结果，在钻孔BK6、ZK2、ZK3、ZK12、ZK13、ZK18、ZK20和TJ9中有地下水，类型主要为松散层孔隙水。该地下水主要有2个来源，一是季节性大气降雨补给，受季节影响显著；二是各种管道的破裂渗漏。

地下水主要赋存于第四系地层中。根据现场钻孔资料，提取第四系地层与下伏新近系地层分界面标高，绘制工程所在地古剥蚀面的起伏情况，如图2所示。

比较图1和图2可知，古剥蚀面即下伏新近系地层顶面为洼地，形似一个“水盆”，周围高而中间低，而现状地面则是中间高而周围低。盆状的古剥蚀面为地下水的汇集提供了条件，剥蚀面上沉积第四系松散地层，是较好的含水层，地下水可以在其中流动。当降雨强度较大时，地下水位会上升，沿着“水盆”的“盆边沿”向外溢出。下伏新近系的半固结泥岩透水性较差，是隔水层，地下水沿着古剥蚀面与上覆第四系地层分界面流动和富集，软化泥岩，形成软弱带。

2.2.2 工程地质条件

岩土体是孕育滑坡的物质基础。榆社群地层岩性为半成岩，钻探取样后，在室内进行浸水饱和剪切试验，抗剪强度指标大幅下降。根据现场实测坡体剖面可以看到，发生滑坡的坡度较缓。通常情况下，土层不会在平缓的坡度下发生滑动，但是当下伏土层比较特殊时（例如半成岩地层），在干燥状态下十分坚硬，抗剪强度较高，浸水以后岩石会很快崩解，成泥状，抗剪强度所剩无几。

2.2.3 降雨因素

根据当地气象站观测资料，2021年10月当地降水达到新高度，降雨量陡增。膨胀率试验表明，覆盖土层具有弱膨胀性，在干旱季节土层失水收缩形成裂缝。裂缝贯通，会形成下渗通道。降雨形成的地表水在松散的土体内入渗、浸泡并产生地下径流。由于坡体坡度较缓，因此地表径流较慢，增加了雨水的下渗量。由于剥蚀风化，因此砂岩上层覆盖泥岩已消失，裸露的砂岩固结成岩时间短，暴露后很快就会成为散体状，砂岩本身孔隙较大，是较好的透水层。地表水渗透表层土层，沿软弱结构面相对富集与运移，浸润软化了潜在滑动面（带），使岩土体强度急剧降低，破坏了斜坡体处于平衡状态的内应力，自重加大，导致斜坡体变形和下滑力增大，不利于边坡的稳定。

2.2.4 人类工程活动因素

滑坡体前缘为新建G519连接线，道路的修建、开挖使坡体前缘出现临空面。由于坡体下部卸荷、土体原始应力平衡破坏等，因此土体中发育较多裂隙，形成浅层应力释放区。而下伏泥岩变化不明显，坡上土体崩裂松散，破坏了斜坡的完整性及其原始应力平衡。同时开挖坡体导致坡脚失去支撑点，在外动力（雨水和地表水）作用下，不利于边坡的稳定，为坡体物质的重力变形创造了条件，有利于滑坡的孕育形成。

3 边坡变形机制数值模拟

3.1 有限元模型建立

根据边坡滑动前的地形、地貌特征，建立边坡有限元计算模型，结合边坡体的地层岩性对模型进行概化处理。地层主要为填土、黏土、砂土和半成岩，根据上述定性分析，滑坡发育于半成岩地层上覆地层中，在上覆地层与半成岩地层间形成一个滑动带，其主要组成为遇水软化的半成岩。

3.1.1 材料参数

根据室内土工试验、工程类比和经验相结合的方法，综合确定地层的物理力学参数，见表1。

3.1.2 边界条件的选取

分析边坡地质体的岩性和地层分布情况，并根据均质、各向同性的弹塑性体进行有限元分析和计算后，本文采用摩尔库伦本构模型。计算模型水平方向为88m，垂直方向为22m，边坡地层网格划分采用四面体网格单元。在建立模型过程中，底部施加垂直方向的约束，约束垂直位移为0；前、后边界两侧施加水平方向约束，控制水平位移为0。坡体表面采用自由边界，无约束条件，建立的有限元计算模型和网格划分如图3所示。

3.2 数值模拟结果分析

本文利用数值模拟分析，在边坡浸水饱和的情况下，上覆土层与下伏半成岩分界面的滑带位置，随着时间推移，坡体质量增加，滑带土的性质恶化，岩土体发生蠕变变形，坡体开始发生塑性变形，出现向坡体临空面运动的趋势，滑带土发生剪切破坏，最终在分界面形成剪切破坏带。由于滑带土抗剪强度指标衰减幅度较大，因此发生破坏以后，上覆土层滑出距离超过40m，最终停滞于坡底相对平坦的路面。根据分析和计算可知，变形最大的位置为现场护面墙。因为护面墙具有一定质量，所以在变形过程中起到轻质挡土墙的作用，使墙后的岩土体变形较小。但是该部分区域已经发生破坏，后续治理过程中应当予以考虑。滑面以上的岩土体位移量较大，已经滑离原来位置，由于在数值模拟过程中是连续介质，因此无法直观表现出现场坡体滑动的形态，数值模拟的总体计算结果与场变形特征、定性分析基本一致。

根据数值模拟可知，在坡体较缓、孕育滑带的分界面同样较缓的情况下，在得到充足水源的前提下，岩土体本身的易软化特性被激活，在重力和外部营力的共同作用下，就会发生滑坡。

4 结论

本文分析了现场实际案例，认识了晋东南地区发育于上第三系榆社群半成岩地层中的滑坡，结合野外钻探和室内试验结果，找到了滑坡发生的主要因素。1） 根据现场勘察和室内分析，本文从工程地质条件、水文地质条件和降雨因素入手，揭示半成岩滑坡的发育特征和变形规律，其中半成岩的物理力学性质为主导因素，降雨入渗和地下水变化是触发条件。2） 根据数值模拟分析，现场破坏道路落差测量与数值模拟结果竖向位移云图基本一致。从水平位移云图和最大剪应变云图中可以看出，滑面以上岩土体位移量较大，已经滑离原来位置，因为是连续介质，所以在数值模拟过程中无法直观表现出现场坡体滑动的形态，数值模拟的总体计算结果与现场变形特征、定性分析基本一致。3） 今后在该区域进行的工程活动应该重视榆社群地层的特殊性，在进行道路路堑开挖等改变坡体形态的工程中，应该加强安全监测，做好安全预案。

参考文献

[1]徐邦栋.滑坡分析与防治[M].北京：中国铁道出版社，2001.

[2]钱程.山西榆社盆地新近纪沉积演化及古环境分析[D].北京：中国地质科学院，2011.

[3]相兴华.榆社群地层的工程特性[J].山西交通科技，2011（4）：8-9.

[4]郑仲.榆社群楼则峪组地层与滑坡地质灾害的关系-以沁县地区为例[J].华北国土资源，2018（1）：33-34.

[5]胡杰.晋中市榆社群地层滑坡形成机理与风险防控建议[J].华北自然资源，2024（1）：137-141.

[6]张寿钊.灰绿色黏土滑坡形成机理及边坡稳定性评价[D].西安：西北大学，2020.

[7]武铁山.山西省岩石地层[M].武汉：中国地质大学出版社，1997.