十堰市南部堆积层滑坡分布特征及变形破坏模式浅析

李丽华，李 彬，于义军，张维江，马春燕，许程程

(湖北省地质局 第八地质大队，湖北 襄阳 441000)

鄂西北是湖北省遭受地质灾害危害最严重的地区之一。据县域地质灾害详细调查成果，十堰市境内常发生滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷等各类地质灾害，其中滑坡4 591处，占地质灾害总数的90.5%；而堆积层滑坡有4 136处，占滑坡总数的90.1%[1-4]。由此可见，堆积层滑坡是十堰市发育数量最多、发生频率最高的地质灾害类型。十堰市每年都因堆积层滑坡的发生带来一系列损失，例如2017年秋汛期间，其境内发生因降雨诱发的堆积层滑坡1 163处，威胁群众34 447人，带来直接经济损失约2.2亿元，其危害之广、影响之大为历史罕见。加强堆积层滑坡调查研究，查明其数量、规模、产状、物质组成及其时空分布特征等，对地质灾害监测预警和防治具有重要的基础支撑作用。前人围绕堆积层滑坡开展了大量研究工作，例如Campbell[5]提出暴雨引起的浅层滑坡应具备松散堆积物、陡倾斜坡、土体含水量达到或超过堆积土液限等三个基本条件；汤罗圣[6]总结了三峡库区堆积层滑坡的结构、形态、坡度、物质等分布规律，构建了堆积层滑坡位移破坏模型；陈善雄等[7]研究发现地下水位变动或降雨是堆积层滑坡滑动的主要诱因，渗透力对堆积层滑坡失稳起关键作用；李志刚[8]专门研究了堵河流域变质岩工程地质特性与堆积层滑坡的成生关系。上述研究提升了堆积层滑坡的研究程度，但对变质岩区堆积层滑坡的研究还不够。

十堰市南部的竹溪县、竹山县和房县(后文简称“南三县”)地形地貌及地质条件十分复杂，是地质灾害高发区，发育堆积层滑坡2 220处，占十堰市堆积层滑坡总数的53.7%[1-4]，是开展堆积层滑坡研究的理想区域。本文以“南三县”为研究区，选取变质岩区发育的1 479处堆积层滑坡，基于堆积层滑坡详细调查成果资料，总结其空间、时间分布特征；基于监测数据，建立典型堆积层滑坡降雨入渗作用下的变形破坏模式，以期为十堰地区地质灾害监测预警及防灾减灾工作提供帮助。

1 研究区概况

“南三县”地处秦巴山区(图1)，县域总面积11 998.6 km2，其中变质岩分布区面积6 387.9 km2，占县域总面积的53.2%。研究区属高—低山地貌，地势总体呈西高东低、南高北低的特征，平均海拔约1 300 m，最高点为竹溪县向坝乡葱坪，海拔2 740 m；最低点为房县大木厂镇姜家坡，海拔180 m。以城口—青峰断裂弧形构造带为界，占研究区小部分面积的南部为扬子地台台缘褶皱带，主要分布震旦系—二叠系沉积岩系；北部为秦岭造山带武当—随州陆内裂谷，主要分布南华系—震旦系变质岩系。

图1 研究区堆积层滑坡分布图

2 堆积层滑坡分布特征

2.1 滑坡类型划分

研究区变质岩区发育1 479处堆积层滑坡，其空间分布情况如图1所示。按滑坡规模(滑体体积)划分(图2)，小型、中型、大型、特大型滑坡分别有846、554、75、4处，占比分别为57.2%、37.4%、5.1%、0.3%，表明研究区以中—小型堆积层滑坡为主，合计占比94.6%；小型堆积层滑坡中，体积为1×104～5×104m3的占优势，其占比为28.5%；中型堆积层滑坡中，体积为10×104～50×104m3的占优势，其占比为29.9%。按滑体厚度划分，浅层、中层、深层滑坡分别有1 366、103、10处，占比分别为92.3%、7.0%、0.7%，表明研究区以浅层堆积层滑坡为主，而其中又以滑体厚度为5～10 m的堆积层滑坡占优势，占浅层堆积层滑坡总数的42.5%。

图2 堆积层滑坡规模分布图

2.2 空间分布特征

2.2.1按基岩岩性分布特征

区内堆积层滑坡组成物质的原生基岩包括板岩类(炭质板岩、硅质板岩、泥质板岩、粉砂质板岩、砂质板岩)、千枚岩类(石英千枚岩)、片岩类(钠长石英片岩、绿泥片岩、绢云片岩、白云钠长片岩)和其他岩类(变粒岩、变辉岩、变质砂岩)，上述岩性分布区分别发育350、187、575和367处堆积层滑坡(图3)。堆积层滑坡在钠长石英片岩区(312处)和变质砂岩区(226处)最为发育，合计占比达36.4%；石英千枚岩区(187处)、绢云片岩区(179处)、泥质板岩区(133处)和炭质板岩区(130处)中发育的堆积层滑坡也均超过100处。

图3 堆积层滑坡基岩岩性分布图

2.2.2按高程分布特征

研究区地势总体特点为西部和南部高、东部和北部低，中部为河谷坪坝。受青峰断裂及竹山断裂构造作用影响，研究区中部一带形成宝丰—竹山城关盆地和房县盆地，是区内平均海拔最低的区域；高程超过1 000 m的区域占研究区总面积的35.0%，主要分布在青峰断裂以南地区；高程为400～700 m的区域占研究区总面积的28.6%，主要分布在青峰断裂以北地区(图4)。统计堆积层滑坡的高程数据发现，以每100 m高程间断点划分，堆积层滑坡数量具正态分布特征(图5)；堆积层滑坡主要分布在400～700 m高程范围内，其数量占堆积层滑坡总数的61.5%，意味着研究区内28.6%的面积内即分布有61.5%的堆积层滑坡，表明400～700 m高程范围是堆积层滑坡易发区域。

图4 高程对应面积分布图

图5 堆积层滑坡高程分布图

2.2.3沿水系分布特征

研究区经强烈的地质构造运动和风化作用的改造，水系密布、河谷深切，其中汉江支流堵河和马栏河以及汇湾河、官渡河、县河等是区内主要水系。上述主要河流及其支流两岸坡度相对较陡，两岸一、二级阶地及山麓地带广泛分布第四系残坡积层、冲积层和冲洪积层，岩性为粉质黏土、粉细砂、砂质黏土夹砾石等松散堆积物。由滑坡与水系分布关系可知，堆积层滑坡主要集中分布在官渡河、县河、堵河、万峪河沿岸阶地及山麓地带(图6)。究其原因，河流沿线广泛分布松散堆积层并发育基覆界面，为滑坡形成提供了有利的地质条件；同时河流沿线是水文交互作用强烈区，为滑坡形成提供了有利的水文地质条件；此外，河流沿线人类工程活动强烈，易于诱发滑坡发生。

图6 堆积层滑坡与水系分布图

2.3 时间分布特征

2.3.1年际发育特征

对研究区1919—2016年期间有时间记录的滑坡活动情况进行统计分析，发现自1998年以来发生堆积层滑坡的数量显著增多，并呈现一定的周期性群发态势(图7)，2～3年为一个小周期，6～8年为一个大周期，其中1998、2000、2005、2008、2012、2014年发生的堆积层滑坡相对较多，具明显的峰值；尤其是2005年，发生堆积层滑坡多达306处。堆积层滑坡的年际高发性与当年发生强降雨有关，例如1998年8月9—15日期间，总降雨量达到106.5 mm，当月新增堆积层滑坡16处；2005年8月15—29日期间，总降雨量超过284.2 mm,诱发区内老滑坡复活并产生新的堆积层滑坡；2014年9月23—29日期间，总降雨量超过104.4 mm，使大量老堆积层滑坡变形加剧。

图7 堆积层滑坡数量年际分布图(1919—2016年)

本文还统计了1998年以来不同年份发生的不同规模的堆积层滑坡数量(图8)，发现小型、中型、大型堆积层滑坡数量的年际变化特征是一致的。因小型和中型堆积层滑坡数量较多，其变化曲线跳动更明显，在1998、2000、2005、2008、2012、2014年具有明显的峰值，尤其是在2005年，小型与中型堆积层滑坡数量相当，是其他高发年份的3倍以上。

图8 不同规模的堆积层滑坡数量年际分布图(1998—2015年)

2.3.2月际发育特征

由堆积层滑坡数量月际分布图(图9)可知，7—8月发生的堆积层滑坡占堆积层滑坡总数的68.7%,6—9月发生的堆积层滑坡占比85.8%，表明堆积层滑坡主要发生在雨季(6—9月)，尤其是7—8月，堆积层滑坡更为高发。以上说明堆积层滑坡发生频率的高低与降雨量多寡密切相关，表明降雨是滑坡发生的关键诱发因素。

图9 堆积层滑坡数量月际分布图

2.4 体积和面积频率分布特征

研究表明滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害的发生频率与其体积、面积等参数之间存在幂律关系[10-12]，认为随着地质灾害体积、面积等增大，其发生的数量急剧减少，这种变化过程符合幂律，这对地质灾害预测具有重要意义。本次研究收集到“南三县”1 479处堆积层滑坡的相关数据，具备开展滑坡幂律关系研究的数据基础。统计了区内堆积层滑坡的体积V、面积S以及超过某一体积V或面积S的累计频率NV或NS，绘制相关关系图(图10)；然后采用最小二乘法进行曲线拟合，得到堆积层滑坡累计频率与其体积的最佳拟合函数为：lnNV=-0.422 57lnV+0.009 14，相关度R2=0.926 01；堆积层滑坡累计频率与其面积的最佳拟合函数为：lnNS=-0.650 25lnS+0.006 54，相关度R2=0.953 96。

图10 堆积层滑坡发生的累计频率与体积、面积关系图

3 典型堆积层滑坡变形破坏模式

前文分析表明，区内堆积层滑坡主要由降雨诱发产生，其类型主要为降雨型滑坡。降雨会导致滑坡内部的地下水渗流场发生变化，进而产生浮托力、动水压力、静水压力及滑带土饱水软化效应[13-17]，促使滑坡变形和破坏。基于堆积层滑坡地质特征及其地下水渗流场特征，将研究区降雨型堆积层滑坡分为水平径流滞水型和垂直径流滞水型两类。

3.1 水平径流滞水型堆积层滑坡

水平径流滞水型堆积层滑坡一般位于河谷岸坡与阶地过渡地带，滑坡处地势较缓，地形坡度一般为16°～25°；岩土体具典型的二元结构，上部为冲洪积、坡洪积粉质黏土层或粉质黏土夹碎石层，下部为冲洪积砂砾石层，下伏强—中风化变质岩层。岩土体渗透性自上而下呈弱—强—弱变化特征，致使在持续性强降雨作用下，地表径流垂直入渗深度和入渗量均有限；而滑体所处的中—低山汇水单元为地下水的侧向补给提供了途径。竹山县窑沟滑坡[18]地下水位监测数据(图11、表1)显示，地下水位明显受降雨历时及降雨量的影响，常态下地下水位位于滑带以下，降雨后因坡体后部的承压含水层接受降雨侧向补给，水位抬升明显，最大抬升高度达到13.82 m。

表1 窑沟滑坡地下水位变化情况统计表

图11 窑沟滑坡地下水位变化图

水平径流滞水型堆积层滑坡的滑面倾角多与地形坡度相当(图12)，其变形破坏模式为：在持续性强降雨作用下，降雨通过侧向入渗补给地下含水通道，若含水通道因含水层厚度变化、渗透性强弱变化等因素影响而受阻，地下水位将在受阻区域大幅抬升，但不同的降雨历时及降雨量使得地下水位抬升幅度不同；地下水位抬升产生的浮托力及动水压力使滑体如同坐落在具有承压性质且倾向坡外的水垫上[19]，当产生的浮托力及动水压力超过滑体自重及滑带侧向摩阻力时，滑坡即发生整体变形破坏。

图12 水平径流滞水型堆积层滑坡降雨入渗模型

3.2 垂直径流滞水型堆积层滑坡

垂直径流滞水型堆积层滑坡主要分布于变质岩区斜坡中下段部位，斜坡上主要覆盖残坡积(坡洪积)碎石土、含碎石粉质黏土。因覆盖层的密实度、颗粒级配等存在差异性和不均匀性，导致岩土体渗透性亦存在差异性和不均匀性。遭受持续性强降雨后，滑体中地下水以垂直入渗补给为主，而排泄通道因变质岩基岩凸起或局部弱透水覆盖层的影响，易于在局部区域形成滞水区域[20]。

垂直径流滞水型堆积层滑坡的变形破坏模式为：地下水入渗补给后，地下水位抬升，滑体重度增加；不同类型岩土体的接触带因地下水的软化作用，抗剪强度降低，导致滑坡发生变形破坏(图13)。该类滑坡因岩土体物质成分的差异性，一般沿不同岩土体接触带发生滑移变形，故可能存在多个滑带。

图13 垂直径流滞水型堆积层滑坡降雨入渗模型

3.3 主要影响因素

(1)地层岩性。研究区堆积层滑坡的上覆堆积体主要为第四系残坡积、冲洪积或崩坡积的粉质黏土、粉质黏土夹碎块石、含碎石黏土、含碎石粉质黏土、含砾粉质黏土、碎块石土等，其结构松散、孔隙度大、透水性强；下伏基岩主要为南华系武当群及志留系变质岩，包括钠长石英片岩、绢云片岩、变质砂岩、石英千枚岩、泥质板岩、炭质板岩等，其结构相对紧密、透水性相对较弱，易于形成隔水层，导致在相对隔水界面上形成滑带或滑移面，影响滑体的稳定性。

(2)地形地貌。研究区地跨秦岭造山带与扬子地台，构造活动强烈，地形切割严重，广泛发育风化及构造侵蚀堆积地貌，沿河流两岸、河谷堆积形成大量第四系堆积层，有利于滑体的形成。

(3)降雨。降雨是研究区堆积层滑坡形成和发展的主要诱发因素。连续降雨入渗促使滑体内地下水位迅速抬升，导致滑体内孔隙水压力随之升高，地下水位的浮托效应和动水压力效应直接破坏了堆积层滑坡的稳定性。

(4)人类工程活动。人类大多沿河谷两岸定居，其建房、修路、耕种等工程活动强烈，往往产生切坡等行为，易于直接破坏滑体的稳定性。

4 结论

(1)统计了十堰市竹溪县、竹山县和房县境内1 479处堆积层滑坡的相关数据，发现堆积层滑坡以中—小型、浅层滑坡为主；变质岩(钠长石英片岩、变质砂岩、石英千枚岩、绢云片岩、泥质板岩、炭质板岩)分布区、400～700 m高程范围、河流两岸是堆积层滑坡易发区域；1998年以来堆积层滑坡数量显著增多，呈一定的周期性群发态势，1998、2000、2005、2008、2012和2014年为高发年份，每年的6—9月为高发月份。

(2)采用最小二乘法进行曲线拟合，得到堆积层滑坡发生的累计频率与其体积、面积的最佳幂律函数关系，对十堰地区堆积层滑坡的预测具有重要意义。

(3)将研究区典型降雨型堆积层滑坡分为水平径流滞水型和垂直径流滞水型两种类型，初步构建了两种类型堆积层滑坡在降雨作用下的变形破坏模式。