皖南山区典型顺层古滑坡形成机制研究

潘国林, 潘 茜, 洪天求

(1.安徽省公益性地质调查管理中心,安徽 合肥 230001; 2.合肥工业大学 资源与环境工程学院,安徽 合肥 230009)

皖南山区典型顺层古滑坡形成机制研究

潘国林1,2, 潘 茜1, 洪天求2

(1.安徽省公益性地质调查管理中心,安徽 合肥 230001; 2.合肥工业大学 资源与环境工程学院,安徽 合肥 230009)

鸟雀坪古滑坡位于皖南山区歙县岔口镇,近年来,由于人类工程活动的加剧及受极端强降雨天气影响,古滑坡堆积体出现局部复活的迹象。文章从地形地貌特征、坡体物质组成、构造形态和坡体前缘河谷岸坡的演化趋势等4个方面对鸟雀坪古滑坡进行了分析研究,采用离散元法对鸟雀坪古滑坡形成过程进行了反演模拟。结果表明,鸟雀坪古滑坡从坡体形成到破坏共经历斜坡表面卸荷回弹、塑性弯曲段形成、潜在滑移面形成和滑坡破坏失稳4个阶段,滑坡形成机制为滑移-弯曲式。

滑坡;形成机制;数值模拟;皖南山区

皖南山区位于安徽省南部,处于东经116.5°～119.5°、北纬29.5°～31.2°之间。地貌以中低山为主,地形起伏大,区内构造发育,岩石风化破碎严重,降雨量大且集中,每年均产生一定数量的滑坡,是安徽省地质灾害主要发育区[1-2]。在这些灾害点中,有很大一部分为古滑坡体复活,因此,对该区古滑坡体的形成机制及稳定性进行研究有助于地质灾害防治。

目前,国内外研究者主要从滑坡形成的内外部条件及相互作用因素角度考虑,通过现场监测、室内物理模拟实验和数值模拟等方法研究滑坡的形成机制与变化规律,对滑坡进行定量的分析研究已成为主流[3-13]。但皖南山区滑坡以往的研究成果多见于定性评价,定量分析很少,对古滑坡体的形成及演化研究更少[14-20]。因此,本文选择区内鸟雀坪古滑坡体作为研究对象,用定量分析的方法对其形成机制进行了探讨。

1 滑坡区基本概况

鸟雀坪滑坡位于歙县岔口镇周家村,其遥感影像图如图1所示,古滑坡体边界呈圈椅状、特征明显,后缘可见滑坡壁,前缘伸入大源河,两侧以冲沟为界。滑坡体纵向上呈“陡—缓—陡”阶梯状形态,平面上下宽上窄呈舌状形态,坡度一般在15°～45°之间,坡向353°。按微地貌形态,可将斜坡体分为3个区:Ⅰ区,高程440～645 m,坡度约为33°;Ⅱ区,为平均坡度15°的缓坡平台,平台宽度130 m,为居民主要居住地;Ⅲ区,为40°～45°堆积体斜坡,高约200 m。现今滑坡体复活迹象主要出现在Ⅱ区和Ⅲ区。古滑坡为中倾顺层边坡;岩层面走向与坡面近一致;倾角部分与坡面平行,部分大于坡角;在滑坡体后缘部位基岩整体产状为NE40°/NW∠40°,滑坡体前缘侧沟处基岩整体产状为NE50°～65°/NW∠40°～60°。

图1 鸟雀坪滑坡遥感影像图

2 古滑坡判别依据

古滑坡的演化过程与其地貌特征和坡体结构等密切相关,均是内、外地质营力综合作用的结果。本文主要利用地质地貌分析方法,根据滑坡前、后缘分布高程、被覆盖的堆积物分布情况、地形地貌及坡体结构特征等来判定是否为古滑坡。

(1) 地形地貌。鸟雀坪滑坡具有典型的古滑坡地貌特征,例如,后缘存在弧形陡壁,陡壁下部存在一级或多级缓坡或平台,平台下方为斜坡且多朝大源河的方向凸出,致使大源河在此处形成一个大的拐弯,推测为曾经发生的滑坡灾害造成堵河,溃坝后形成现在的河流形态。

(2) 坡体覆盖堆积物分布。坡体堆积物分布整体存在分区性,与地貌分区相吻合,鸟雀坪滑坡典型工程地质剖面图如图2所示。

滑坡后缘下第1级平台(Ⅰ区)上覆的堆积体较薄,物质组成主要为碎块石及粉土,碎块石块径1～5 cm,物质颗粒细、分布均匀、块径小,推断可能为滑坡发生时后缘崩落的崩坡积块碎石及岩屑颗粒就地堆积;Ⅱ区和Ⅲ区分布较多大的块石,块径一般在5～10 cm,最大块石可达0.8 m左右,尤其是Ⅲ区,堆积物最厚,含较大块石最多,推断可能由于较大的块石具有较大动能,滚动最远,因而在坡体前缘呈杂乱排列,形成鼓胀的“舌部”。

图2 鸟雀坪滑坡典型工程地质剖面图

(3) 坡体构造特征。滑坡后壁基岩裸露,岩壁表面光滑,可见擦痕及拉断破坏;后壁下方堆积了大量的碎块石,推断可能由崩滑形成;在滑坡后缘下侧可见沿层面形成的阶梯状拉张裂缝,张开5～8 cm,裂缝中有岩块及岩屑充填,由此判断基岩中存在顺层滑动的迹象;在由冲沟揭露的滑坡前缘部位岩体弯曲破碎,岩体层面产状由NW25°/SW∠50°逐渐变为NE5°/NW∠55°,揉皱现象明显,如图3所示。现场调查时其他地方并没有如此变形现象,因此推断该现象不应为构造作用所致,而是由于滑坡作用的结果。

图3 滑坡体前缘岩体产状

由以上特征判定鸟雀坪滑坡前期曾经发生过滑动,且为一个岩质古滑坡,现今堆积体的滑塌为古滑坡堆积体的局部复活。

3 古滑坡破坏机制

鸟雀坪古滑坡是在相当长的地质历史时期中形成的,坡向为顺向坡,岩层倾角大于坡度,基岩岩性为薄—中厚层状千枚岩,岩性较软,工程地质性质较差。在漫长的自然历史演化过程中,抬升的坡面在自重应力作用下产生卸荷回弹,同时坡脚受河流下切冲蚀作用,最终在坡肩部位产生岩层拉裂。在强降雨或地震等作用下,岩体沿着其软弱结构面发生滑移-弯曲变形,形成滑坡。本文根据鸟雀坪滑坡的特征和工程地质条件,选用UDEC离散元程序软件对鸟雀坪古滑坡的形成过程进行如下反演模拟。

3.1 计算模型

以位于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分区中轴线的工程地质剖面图为蓝本,对鸟雀坪滑坡原始地形进行还原,如图4所示。

按岩体受风化程度和软弱程度将坡体划分为以下4个区:①区,为风化最强的坡表层,属散体-碎裂结构带;②区,为风化较弱的区域,属块裂结构带;③区,为受河流水入渗的岩体软化区域;④区,为基岩区。

图4 鸟雀坪滑坡离散元计算模型

3.2 计算参数选取

选取弹塑性力学模型,根据工程地质类比进行岩体及结构面物理力学参数的确定,结果见表1、表2所列。

表1 鸟雀屏滑坡4个分区岩体力学参数取值

表2 鸟雀屏滑坡结构面力学参数取值

3.3 离散元结果分析

离散元模拟结果如图5所示。当模型计算到3×104步时,在重力作用下,由于潜在滑面的存在,坡体有下滑的趋势,而坡脚处岩体由于受河水侵蚀等作用,物理力学性质较差,从而为坡体变形提供了可能,坡体后缘的岩体在下滑力作用下形成拉裂缝。随着计算时步的增加,坡体的变形程度不断增大,当计算到5×104步时,坡脚岩体开始出现较为明显的弯曲,而坡体后缘岩体的拉裂缝则进一步增大。

当计算到8×104步时,坡顶有少量岩体滚落,拉裂缝持续增大,坡体轻微滑移,导致坡底岩体受压弯曲,岩体局部产生与岩层斜交的破裂面。当计算到10×104步时,坡表累进性破坏明显,坡表裂缝数量增多,坡体后缘裂缝完全贯通至滑移面,同时,坡底岩体由于弯曲而导致地表轻微隆起,河道受到弯曲岩层的影响而有明显的变形。

由于坡底岩体塑性弯曲,锁固段应力进一步集中,当迭代进行到15×104步时,坡表产生明显滑移,同时坡底岩体弯曲程度加大,隆起进一步增大,开始有崩落体落入河中,河道局部被堵塞。当迭代进行到20×104步时,坡体严重滑移,坡底岩体被强烈挤压而弯曲直至断裂,河道被坡表滑落和滚落的岩块完全堵塞。

图5 鸟雀坪滑坡变形破坏过程离散元模拟结果

综上可知,鸟雀屏滑坡是由于顺层倾坡外的岩层在重力作用下产生滑移,并对坡底塑性区造成挤压,使得坡底表层岩体隆起,进一步为上部岩体的滑移创造条件,导致滑移-弯曲的循环作用,由此而至破坏。

离散元模拟计算反映了鸟雀坪滑坡从缓慢变形—启动—滑动和停止堆积的全过程。鸟雀坪滑坡变形破坏过程大致可以分为4个阶段,每个阶段的变化特征如下:

(1) 斜坡初始形成,表面卸荷回弹阶段。这一时期河流强烈下切,鸟雀坪斜坡体岸坡不断被加高、坡度变陡。抬升的岸坡水平应力相对降低,重力作用凸显,岩体发生卸荷作用,造成坡体局部应力集中,使岩体整体向临空面方向回弹。斜坡的岩性为千枚岩、千枚质变质砂岩,工程地质条件较差,由于差异卸荷回弹的作用,岩体开始沿千枚理、构造节理、裂隙形成一定的软弱面。这是产生顺层滑移的初步阶段。

(2) 坡体继续回弹,塑性弯曲形成阶段。滑坡体继续卸荷回弹,坡体上部沿着软弱结构面发生滑动,使坡肩拉裂缝宽度增大,数量增多。由于下部岩体受到上部岩体的挤压而发生塑性弯曲,坡体下部向外鼓出。

(3) 滑坡下部岩体鼓出隆起,弯曲折断,形成潜在滑移面阶段。滑坡体后缘拉裂缝宽度进一步增大,数量进一步增加。由于河流的切割作用,使下部弯曲岩体暴露在较陡的临空面中,岩体进一步弯曲,最后发生强烈的变形,向临空方向鼓出、隆起,并伴随岩体的折断。折断的岩体与软弱结构面连通,形成了潜在的危险滑移面。

(4) 滑面贯通,滑坡整体发生失稳破坏阶段。软弱结构面与弯曲折断面进一步贯通,滑移面形成,推测在某次暴雨工况下,滑带抗剪强度降低,滑坡发生。滑坡发生后,坡体滑移而下,堵塞了前缘的大源河,致其发生河流改道。

4 结 论

本文对鸟雀坪滑坡堆积体进行了详细的野外调查和分析,从地形地貌形态、坡体物质组成、地层岩性、构造形迹以及河流演化过程等方面确认该滑坡为古滑坡;利用UDEC离散元软件对鸟雀坪古滑坡进行坡体结构分析和地形反演,并对计算结果进行分析,认为鸟雀坪滑坡为古滑坡堆积体局部复活形成的堆积层滑坡,由地层岩性、地质构造等内因和河流侵蚀等外因共同作用而形成,滑坡的形成过程经历了斜坡表面卸荷回弹、塑性弯曲形成、潜在滑移面形成和滑面贯通4个阶段。

[1] 孙健,陶慧,杨世伟,等.皖南山区地质灾害发育规律与防治对策[J].水文地质工程地质,2011,38(5):98-101.

[2] 黄多成,杨世伟,魏永霞,等.安徽省1∶10万县(市)地质灾害调查与区划成果集成及数据库建设报告[R].合肥:安徽省地质环境监测总站,2011.

[3] DAI F C,LEE C F.Landslide characteristics and slope instability modelling using GIS,Lantau Island,Hong Kong[J].Geomorphology,2002,42(3/4):213-228.

[4] 高华喜,殷坤龙.降雨与滑坡灾害相关性分析及预警预报阀值之探讨[J].岩土力学,2007,28(5):1055-1060.

[5] GARLAND G G,OLIVIER M J.Predicting landslides from rainfall in a humid,subtropical region[J].Geomorphology,1993,8(2/3):165-173.

[6] 张珍,李世海,马力.重庆地区滑坡与降雨关系的概率分析[J].岩石力学与工程学报,2005,24(17):3185-3191.

[7] KWONG A K L,WANG M,LEE C F,et al.A review of landslide problems and mitigation measures in Chongqing and Hong Kong:similarities and differences[J].Engineering Geology,2004,76(1/2):27-39.

[8] MANSOUR M F,MORGENSTERN N R,MARTIN C D.Expected damage from displacement of slow-moving slides[J].Landslides,2011,8(1):117-131.

[9] DYMOND J R,JESSEN M R,LOVELL L R.Computer simulation of shallow landsliding in New Zealand hill country[J].International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation,1999,1(2):122-131.

[10] 黄润秋,赵松江,宋肖冰,等.四川省宣汉县天台乡滑坡形成过程和机理分析[J].水文地质工程地质,2005,32(1):13-15.

[11] FERRARI A,LEDESMA A,GONZALEZ D A,et al.Effects of the foot evolution on the behaviour of slow-moving landslides[J].Engineering Geology,2011,117(3/4):217-228.

[12] 赵小平,李渝生,陈孝兵,等.澜沧江某水电站右坝肩工程边坡倾倒变形问题的数值模拟研究[J].工程地质学报,2008,16(3):298-303.

[13] 赵尚毅,郑颍人,时卫民,等.用有限元强度折减法求边坡稳定安全系数[J].岩土工程学报,2002,24(3):343-346.

[14] 王旭东,刘海.皖南山区地质灾害气象预警预报典型案例研究[J].长春工程学院学报(自然科学版),2011,12(4):84-88.

[15] 杨则东,李良军,鹿献章,等.徽(州)-杭(州)高速公路(安徽段)地质灾害遥感调查与评价[J].中国地质灾害与防治学报,2001,12(1):86-93.

[16] 王国强,徐威,吴道祥,等.安徽省环境地质特征与地质灾害[J].岩石力学与工程学报,2004,23(1):164-169.

[17] 郑建中,邹正明.皖南山区环境地质特征与滑坡地质灾害防治[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2006,29(1):102-105.

[18] 徐静,巨能攀,吴泊人,等.皖南山区滑坡主要类型及分布规律研究[J].安徽地质,2012(增刊2):130-136.

[19] 吴泊人,游昆骏,潘国林,等.皖南山区阳台古滑坡形成机制研究[J].工程地质学报,2013,21(2):304-310.

[20] 游昆骏,巨能攀,赵建军,等.皖南山区阳台古滑坡稳定性数值模拟研究[J].水文地质工程地质,2014,41(3):111-114.

(责任编辑 张淑艳)

A study of formation mechanism of typical bedding ancient landslide in mountainous area of southern Anhui

PAN Guolin1,2, PAN Qian1, HONG Tianqiu2

(1.Public Geological Survey Management Center of Anhui Province, Hefei 230001, China; 2.School of Resources and Environmental Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Niaoqueping ancient landslide is located in the Chakou Town of Shexian County in mountainous area of southern Anhui. In recent years, local ancient landslide has revived because of the human engineering activities and heavy rainfall. In this paper, Niaoqueping ancient landslide is analyzed from the perspectives of the terrain characteristics, slope material composition, structure and morphology, and evolutionary trends of slope leading edge. The formation process of Niaoqueping ancient landslide is reappeared through the discrete element method. The results show that the deformation and failure process of Niaoqueping ancient landslide can be divided into four stages: rock mass unloading, plastic bending developing, sliding surface developing, and integral failure of the landslide. The formation mechanism of the landslide belongs to sliding-bending type.

landslide; formation mechanism; numerical simulation; mountainous area of southern Anhui

2016-01-11；

2016-04-05

安徽省国土资源厅公益性地质工作资助项目(2010-g-30)

潘国林(1980-),男,安徽南陵人,安徽省公益性地质调查管理中心高级工程师,合肥工业大学博士生; 洪天求(1953-),男,安徽怀宁人,博士,合肥工业大学教授,博士生导师,通讯作者,E-mail:hongtianqiu@sina.com.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.08.023

P642.22

A

1003-5060(2017)08-1128-05