青海化隆群科新区红层大型滑坡群成因机制研究

范晓岭

(北京交科公路勘察设计研究院有限公司,北京 100191)

0 引言

青海化隆地处青海东部青藏高原与黄土高原的过渡地带,地形地貌主要受北西向构造所控制,黄河、隆务河纵贯全境南北,形成东西部山区和中部的河谷地区[1-2]。区域地质特征为第三纪红层出露,更新世黄土覆盖,自第四纪以来受外营力作用,本地区沟系发育,深切入第三纪红色岩层中,沟道短促,坡降大,常见溯源侵蚀,多至卯顶,横断面多呈“V”形,坡度多在45°以上,其上新生悬沟林立,滑坡崩塌等块体运动极为活跃。其中第三纪高原红层成岩时间距今较近,成岩作用差,胶结固结程度低,岩体结构相对松疏,强度较低,在地下水下渗、坡脚冲刷作用下,对自然坡体稳定性极为不利,是滑坡滑动结构面的主要岩性。红层具有成岩历史短、胶结差、强度低、抗风化能力差、亲水性强、透水性差,具遇水软化、崩解等特点,为滑坡的发展提供了基础的物质条件[2-6]。根据西部地区滑坡统计,红层滑坡占滑坡总数约为1/4,且红层滑坡往往成群分布,规模较大,滑坡类型主要为顺层滑动[7-8]。

在青海省化隆群科新区公路地质灾害调查评价工作中,重点针对化隆新城至沙连堡乡段开展现场调查。共计发现滑坡12处,且多为大型或巨型滑坡,滑坡呈多级滑动特征。其发育地层主要为第三系贵德组的泥岩、粉砂质泥岩,上覆有厚度不均的更新世风成黄土,滑坡后缘多位于现状山脊处,其主滑方向主要以北东向,受坡脚水流不断冲刷掏蚀作用,滑坡多处于蠕滑状态,多为大型、特大型滑坡,见表1。

表1 研究区滑坡概况Table 1 Survey results of landslides in the study area

现场工作在搜集资料和野外地质调查分析的基础上,采用钻探、取样、原位测试、室内试验和数值模拟计算的手段方法,对该段滑坡群进行了滑坡成因和机理研究,提出了该段滑坡群的防治原则,对该地区的地质灾害预警和防治规划工作具有一定的指导意义。

1 地质背景

研究区位于祁连地槽褶皱系的东南部,松潘甘孜地槽褶皱系的东北缘,包括祁连山中间隆起带、拉脊山加里东地向斜褶皱带、日月山晚元隆起带、青海南山印支地向斜褶皱带等二级单元的一部分。区内主要断裂构造有:与古北西向构造带有关的压扭性断裂;与祁吕山字形构造有关的向斜轴、背斜轴、压扭性断裂;与河西构造体系有关的压扭性断裂;祁吕系与古北西系叠合断裂及性质不明断裂等,见图1。其中拉脊山南坡的压扭性深大断裂为拉脊山与化隆盆地的分界,该断裂延长100 km,走向280°,倾向北、倾角40°～60°,断层带西段的下元古界冲覆与古近系、新近系之上,现该断裂仍在活动,该断裂北距研究区25～30 km。

图1 调查区周边断裂构造发育情况Fig. 1 Fault structure distribution around the survey area

2 青海化隆群科新区滑坡群特征

2.1 滑坡的岩土体特征

研究区地表普遍分布有单层结构黄土,具大孔隙,结构松散,可见垂直节理,土质均匀,厚度普遍在2～5 m,局部厚度达10 m,多为风成黄土,地表多见土洞裂缝等,是地表水的主要下渗通道。下覆基岩主要第三系棕红色泥岩、粉砂质泥岩为主,固结程度较差,浸水后极易软化崩解,岩体整体力学强度较低,抗风化能力很差。抗压强度多在5～15 MPa,软化系数0.50,黏聚力在0.03～0.1 MPa,内摩擦角在17°～30°之间。岩层呈厚层-巨厚层近水平状分布,略向北北东倾斜。

滑坡滑面多位于第三系(N)泥岩中,表现为顺层或切层,现状多处于蠕滑状态。雨季受地表水下渗和坡脚冲刷影响,活动相对频繁。

2.2 滑坡的水文地质特征

研究区属干旱-半干旱大陆性气候,以多风、少雨为特征。据化隆县气象站资料,多年平均降水量421.7 mm,多集中在7—9月份,占全年降水量的60%,且降水量随地势增高而增大,具有明显的垂直分带性,见图2。区内小气候特征明显,暴雨频次多、强度大、历时短。暴雨多发生在7—8月。

图2 化隆县降水量与地势相关曲线图Fig. 2 Correlation curve between precipitation and terrain in Hualong County

滑坡体多在滑坡中部或坡脚见地下水渗出,主要为碎屑岩类裂隙孔隙水,主要接受基岩裂隙水和大气降水补给,作短途迳流后,以泉的形式排泄。水量大小受地形、地貌、汇水条件的控制,流量约为0.05～0.5l/s。受泥岩的不透水影响,区域内局部还形成风化裂隙潜水含水层,对坡体稳定性不利。

2.3 滑坡平面分布及形态特征

研究区在直线距离约6 km,地形高差约800 m,地形由沙连堡乡向化隆新城陡降,地表高程在2 150～2 950 m之间,滑坡集中发育,见图3,滑坡多垂直山脊沿沟谷成群成带分布,滑坡呈多级多层性,主要以大型或巨型滑坡为主。局部受地形影响,伴有大型崩塌。滑坡形成条件复杂,成因多样,在坡脚冲刷、雨水下渗及顺层作用下,沿第三系泥岩、粉砂质泥岩界面失稳。在地震、暴雨等自然灾害及人类活动的影响下,滑坡现状处于蠕滑状态。滑坡群的主滑方向主要受坡脚位置的冲沟和山脊线控制,多以北北东、北东向为主,自然坡度多在15°～25°之间。滑坡形状多以簸箕状和舌状为主。现状道路在穿越滑坡时,在滑坡两侧边界位置见明显道路损毁,且多呈台阶状。坡体多见滑坡裂缝,在后缘的滑体与滑壁间,多存在一条弧形裂缝,宽0.05～0.4 m,深度不一,见串珠状落水洞。

图3 滑坡分布图Fig. 3 Landslide distribution map

2.4 滑坡剖面特征

研究区滑坡堆积体的坡面形态,受滑坡滑动影响,多呈缓台阶,部分见陡坎,坡度由滑坡后缘至坡脚呈现逐渐增大的特点,至滑坡中下部,多见滑坡平台和陡坎。滑坡滑面多位于第三系泥岩风化带中,滑动面倾角多为10°～15°,同岩层倾角近似一致,多为蠕滑形成的浅层-中层滑坡。滑坡剖面受坡体运动影响,呈折线型,在分级位置多见滑坡裂缝,裂缝由坡顶至坡脚分布密度不一,靠近台阶位置相对较多,多为拉伸裂缝,见图4。

图4 滑坡剖面示意图Fig. 4 Schematic diagram of landslide section

3 滑坡形成机制

3.1 滑坡坡脚冲刷引起坡体溯源破坏

滑坡群坡脚位置为一冲沟,为季节性流水,特别是在雨季,在强降雨过程中,坡脚冲刷严重,坡脚冲刷后多形成高陡边坡,临空面增大,无阻滑块体,抗滑力减小。滑坡破坏自前缘开始,后缘持续向坡顶扩展,在坡体形成裂缝和陡坎,渐成牵引式破坏[9]。在地表水沿裂缝下渗过程中,泥岩遇水软化,进一步降低滑面岩土体的抗剪强度,进一步降低滑坡的稳定性。

3.2 红层缓倾角顺层滑动

滑坡发育的地层岩性主要为第三系的泥岩、粉砂质泥岩,岩体为泥质结构,层状构造,遇水易软化崩解,滑坡滑带多位于该层中。研究区岩层倾角相对较小,多呈近水平状(3°～15°),岩层倾角同滑面倾角近乎一致,或略小于滑面,属于易滑倾角范围[10-11]。根据研究区滑坡滑动带特征,滑坡滑动带倾角近似同红层倾角,表现为顺层滑动或小角度交叉,见表2。

表2 滑动带倾角同岩层倾角对比Table 2 Comparison between dip angle of sliding zone and dip angle of rock stratum

3.3 土洞及滑坡裂缝为地表水的主要下渗通道

区内地下水主要赋存于基岩裂隙中,其埋藏、补给、运移和排泄主要受地表裂缝、滑带分布影响,主要以大气降水下渗补给,以泉水形式在剪出带或坡脚处排泄。

研究区地表普遍分布有单层结构黄土,可见垂直节理,具自重湿陷性,地表多见土洞。同时坡体滑动后在滑坡后缘、两侧边界、坡体中出现较多的裂缝,为地表水的下渗提供了有利条件。雨水下渗导致滑坡滑动带抗剪强度降低、增加坡体自重,同时受隔水岩体的阻隔,水体在坡体内聚集,动水压力和净水压力增大,有效应力减小[12],对滑坡稳定性不利。

3.4 特殊的岩土体结构和性质

研究区地层岩性为上部普遍分布有2～5 m厚的风成黄土,下部为第三系泥岩、粉砂质泥岩等,岩层沉积年代较新,结构松散,强度较低,具有透水性弱,亲水性强,浸水后岩体强度软化,失水后易崩解等特点。在雨水下渗后,滑带位置的泥岩抗剪强度大幅降低,对滑坡稳定性不利,且经过多次滑动后滑带岩土体力学性质同泥岩差距较大,多为类土质岩土体。本次在滑坡中采集滑坡滑带典型土样开展土样天然状态和饱水状态剪切试验,试验结果见表3。滑动带土样在饱水状态下,抗剪强度明显降低,对滑坡稳定性影响较大。因滑动带土体受地下水影响相对较复杂,常态下滑动带土体含水率多小于饱水状态。受降雨特征影响,地表水下渗对滑动带土体含水率影响表现为多期性,引起滑带土体抗剪强度的变化,造成滑坡多期的活动性。其多期活动性的证据除了岩土体抗剪强度的变化,最直接的就是公路垂直穿越滑坡,在滑坡边界位置路面的多期损毁。

表3 滑动带典型土体不同状态的抗剪强度Table 3 Shear strength of typical soil in different states of sliding zone

3.5 地形坡度不是滑坡形成的主控因素

研究区山脊整体走向为北西向,坡脚发育有季节性冲沟,受雨季强降雨冲刷作用,冲沟下切较深,最深处10～15 m。根据研究区滑坡不稳定区和现状自然边坡稳定区坡度分析,整体自然坡度相差不大,多在20°～35°范围,见图5～图6,但滑坡位置坡度变化相对较大,主要发生在坡脚、滑坡两侧边界和滑坡后缘,其中由坡脚引起的牵引式滑动在坡脚位置多见陡坎,对滑坡稳定性影响较大。随着滑坡的进一步发展,在滑坡体中多形成裂缝和陡坎,引起滑坡体局部地形坡度变化较大。

图5 滑坡群坡脚冲刷Fig. 5 Slope toe scouring in landslide group

图6 滑坡群自然坡度占比Fig. 6 Proportion of natural slope for landslide group

4 典型滑坡稳定性评价

4.1 滑坡体特征

选取群科滑坡群中的滑坡H11做典型滑坡稳定性评价。滑坡H11位于群科新区至沙连堡乡中段,发育在山体阴坡,滑坡纵剖面呈直线形,滑体表面坡度15°～20°,平面形态呈舌形,两侧有冲沟,具双沟同源性质,冲沟下游因地下水泄出补给,形成溪流。后缘滑壁高6 m左右、坡度28°左右,滑坡后缘的滑体与滑壁之间,有一条弧形裂缝,断续长近300 m,宽0.05～0.4 m,深度大于1 m,其中西段裂缝已发展成串珠状落水洞,洞径小于0.5～1 m。在滑体与滑壁过渡部位的混凝土路面破损碎裂。

该滑坡后缘高程2 600 m,前缘高程2 325 m,相对高差275 m,滑面位于第三系泥岩内,滑面形态近上陡下缓的凹形,滑体厚度在空间上分布不均,纵向上滑坡体中部厚度最大,中、后部厚度较小,滑体平均厚度约8 m。滑体长1 680 m,平均宽220 m,滑动体积约443×104m3,主滑动方向为230°。

4.2 稳定性评价

根据现场调查,滑坡坡脚受水流冲刷导致前缘失稳,并逐渐向上发展,坡体中部和后缘见陡坎和裂缝,目前处于蠕滑状态。

根据滑坡地表形态调查,结合钻探揭露情况,综合确定滑坡的地质模型、破坏模式和滑动面位置,依滑体物质组成、坡体特征和滑动面位置,选取折线形滑面,采用传递系数法进行滑坡的稳定性评价。本次依据滑动带取土样采用重复剪切试验和抗剪参数反演综合确定滑坡的抗剪强度指标,滑坡模型及典型断面见图7～图8。

图7 滑坡传递系数采用的模型 图8 滑坡稳定性计算采用的典型断面Fig. 7 Model adopted for landslide transfer coefficient Fig. 8 Typical section used for landslide stability calculation

稳定性计算采用传递系数法,计算公式如式(1):

(1)

式中:

Ri=Nitanφi+ciLi=Qicosθitanφi+ciLi

(2)

Ti=Qsinαi

(3)

ψi=cos(αi-αi+1)-sin(αi-αi+1)tanψi+1

(4)

地震对滑坡稳定性的影响主要表现为水平地震力使法向压力消减和下滑力增强,促使滑坡易于滑动[13-14],因此在考虑地震力时,单位条块滑坡体下滑力应增加Pcosαi,同时抗滑力减少Psinαitanφi,如式(5)所示,地震附加力:

P=C1C2KhGs

(5)

式中:P为地震附加力;C1为地震力计算的综合影响系数,一般取0.25;C2为地震力计算的重要性修正系数,在0.6～1.7间,取1.3;Kh为水平地震力系数,对7、8、9度地震分别为0.1、0.2、0.4;Gs为滑坡体重力(kN/m)。

滑坡抗剪参数反演计算采用公式如式(6):

(6)

(7)

式中:φ为内摩擦角(°);c为黏聚力(kPa);F为根据计算工况给定的稳定系数;L为滑带的总长度(m);其余符号同前。

本次选取正常条件、降水条件和地震条件等3种工况计算滑坡的稳定性,计算结果见表4。

表4 不同工况下滑坡稳定性计算Table 4 Calculation of landslide stability under different working conditions

近似平行布置3个断面,其中Ⅰ-Ⅰ断面位于滑坡左侧,Ⅱ-Ⅱ断面位于滑坡右侧,Ⅲ-Ⅲ断面位于中间,根据钻探揭露,滑坡滑动带深度两侧略浅,中部相对较深,断面呈“U”型。

根据计算结果,Ⅰ-Ⅰ断面和Ⅱ-Ⅱ断面位于滑坡靠近两侧位置,滑动带深度略浅,稳定性计算结果略好于Ⅲ-Ⅲ断面;当考虑地震力作用下,稳定系数降低;滑坡在天然状态下处于欠稳定-基本稳定状态;在暴雨状态下,受雨水浸润,滑动带土体抗剪强度降低,滑坡处于不稳定状态;在地震状态下,受地震作用影响,滑坡处于不稳定状态。结合计算结果,说明建立的滑坡稳定性计算模型和采用参数同实际情况基本相符。

5 结论及建议

1)群科新区滑坡群的分布特征主要受山脊走向及坡脚冲沟影响,主要发育的地层为第三系的泥岩和粉砂质泥岩,具有成岩历史短、胶结差,遇水易软化崩解、倾角较缓等特点。

2)滑坡滑动的主要原因为坡脚冲刷引起的溯源破坏,其滑动面受控岩层倾角,多顺层滑动或与岩层倾角小角度交叉,地形坡度不是滑坡形成的主导因素。

3)受降雨特征影响,地表水下渗对滑动带土体含水率影响表现为多期性,引起滑带土体抗剪强度的变化,造成滑坡多期的活动性。

4)该类滑坡主要表现为蠕滑,活动性同降雨周期表现一致,规模相对较大,其防治措施应主要结合当地经济条件和保护对象确定,并结合地质灾害的简易预警系统开展。

5)滑坡的主要启动因素为坡脚冲刷引起的溯源破坏,受雨水下渗影响,滑动带岩土层抗剪强度降低,在缓倾角的不利叠加作用下,滑坡主要表现为蠕滑,其活动性同降雨周期表现一致。其主要影响因素包括坡脚冲刷、基岩的缓倾角和第三系半成泥岩力学特点及降雨下渗等。