三峡库区柏堡滑坡变形失稳机制分析

易庆林 周 宝 刘 平 左清军 覃世磊 曾怀恩 张明玉

(1.三峡大学 三峡库区地质灾害教育部重点实验室,湖北 宜昌 443002;2.三峡大学 地质灾害防治研究院,湖北 宜昌 443002;3.武汉地质工程勘察院,武汉 430051;4.三峡大学 湖北省水电工程施工与管理重点实验室,湖北 宜昌 443002;5.三峡大学 水电工程智能视觉监测湖北省重点实验室,湖北 宜昌 443002;6.湖北中烟工业有限责任公司 广水卷烟厂,湖北 广水 423700)

三峡库区由于其脆弱的地质环境,易导致滑坡灾害的发生,并带来了巨大的经济损失[1-3].滑坡是一个复杂的地质体,影响滑坡稳定性的因素多种多样,对滑坡的影响程度各异,且各因素随滑坡的变形而动态变化,在各因素综合作用下滑坡的变形机制变得十分复杂,因此,滑坡的变形演化过程和变形机理成为国内外学者重点研究内容[4-6].前人针对水库型滑坡的成因机制及诱发因素做了大量的研究,主要从滑坡地质结构和外部影响因素两个方面研究滑坡的变形机制,提供了丰富的理论和大量的研究成果,为本文研究柏堡滑坡的变形失稳机制提供了重要的理论依据.代贞伟等[7-8]基于地质调查和地质勘探等资料,运用地貌学和工程地质力学理论方法从滑坡地质结构特征研究藕塘滑坡的变形失稳机制;赵能浩等[9]对泥儿湾滑坡渗流场进行分析,研究发现库水位变动改变滑坡内部渗流场,从而影响滑坡的稳定性,确定了库水位变动为泥儿湾滑坡重要的诱发因素;彭令等[10]从白家包滑坡监测数据入手,经过深入剖析得出滑坡变形具有牵引式特点,且研究表明降雨与库水位变动是引起滑坡变形的主要因素.柏堡滑坡成因机制目前尚未查明,且比较复杂,本文结合现有的地质调查与地质勘察资料[11],依托三峡库区专业监测项目,运用系统性的理论方法,研究三峡库区秭归县柏堡滑坡的变形失稳机制及影响因素.

1 柏堡滑坡概况

柏堡滑坡位于宜昌市秭归县郭家坝镇王家岭村1组,童庄河右岸、桐树湾大桥桥头,地理坐标东经：110°40'42″,北纬：30°55'01″,其全貌如图1所示.

图1 柏堡滑坡全貌图

滑坡所在斜坡顶部高程430 m,坡脚童庄河河床高程150 m,相对高差约280 m.柏堡滑坡后缘高程320 m,前缘直抵童庄河河床,高程150 m,相对高差170 m左右,滑坡区后缘地形较陡峭,自然地形坡度30～40°,滑体中部坡度15～25°,前缘坡度较陡,局部因建房、修路切坡形成高约2～10 m陡坎.滑体中前部有S334省道和村道通过.滑坡平面形态呈舌形,剖面形态呈折线型.滑坡左侧以山脊为界,右侧以罗家沟为界,后缘以高程320 m处的岩质陡坎为界,前缘位于175m淹没线以下(如图2所示).该滑坡纵长约300 m,后缘宽约80 m,前缘宽约120 m,面积约3×104m2,平均厚度约20 m,体积约60×104m3,主滑方向25°,为一中型岩土混合型滑坡.

图2 柏堡滑坡平面图

滑坡区处于由三叠系和侏罗系地层构成秭归向斜东翼南端.滑坡体表层分布第四系残坡积粉质粘土夹碎石,土为粉质粘土,紫红色,可塑状,碎、块石母岩成份为粉砂质泥岩、细粒石英砂岩,粒径2～10 cm,大者2 m以上,棱角状,土石比7∶3～6∶4,结构松散,有架空现象,该层分布厚度0.5～2m不等.下伏岩层为侏罗系聂家山组(J2n),岩性为中厚层状紫红色粉砂质泥岩、中厚层～厚层状灰黄色泥质粉砂岩,岩层产状340°∠45°,坡体结构类型为斜顺向坡(如图3所示).

图3 柏堡滑坡工程地质剖面图

秭归县属于亚热带季风侯区,气候温暖湿润,光照充足,雨量充沛,四季分明,多年平均降雨量1 439.2 mm,年最大降雨量1 590 mm,日最大降水量358 mm.区域水文地质条件中等,地下水较丰富、地下水位随降雨和三峡库区库水位变化而变化幅度较大,泉、地表水出露较少,多见果农修葺水泥混凝土水池蓄水,雨季可见两边冲沟内汇水.

2 滑坡变形特征

2.1 地表变形特征

柏堡滑坡于2017年10月3日开始发生变形.滑坡前缘居住6户居民,每户房屋均有不同程度的变形破坏,部分房屋主体结构开裂,承重结构断裂.其后缘产生3条弧形拉裂缝,长30～50 m,张开宽约10～50 cm不等,最宽处可达80 cm,局部下座30～60 cm.

2017年10月5日晚,滑坡两侧边界公路发生变形破坏,右侧公路变形长度约15 m,内侧排水沟阻塞,挡墙垮塌近8 m,左侧公路变形约20 m,挡墙垮塌近5 m.滑坡前缘与桐树湾大桥桥头接触部分挤压形成上鼓裂缝,缝宽2～5cm,由于鼓胀桥面与支路路面接触处形成小台坎,台坎高度约5 cm.2017年10月15日晚,滑坡右侧冲沟上坡体发生较大变形,右侧边界处公路路面错断破坏(如图4所示).

图4 滑坡右侧边界错段破坏公路

2.2 GPS监测数据分析

在抢险救灾期间,柏堡滑坡体上总共装设了6个GPS地表位移监测点(图1).2017年10月8日,BB1、BB2、BB3开始采集监测数据,BB4、BB5于10日开始采集数据(监测点BB4截止10月17日,累积位移为35.7mm,之后该点移至滑坡前部山梁,点号改为BB4-1),BB6于2017年10月19日起采集数据.柏堡滑坡于10月25日终止应急响应,考虑其变形的突发性,在10月31日后转入专业监测阶段,改为5个GPS监测点,详细布置图如图2所示.

自仪器安装开始,各监测点累计位移如图5所示.从图中可以看出,2017年10月8日至2017年10月12日累积位移曲线相对平缓,滑坡位移增量较小,处于缓慢变形阶段;从10月12日至10月19日,滑坡累积位移曲线急剧上升,处于加速变形阶段,于15日晚,滑坡右侧冲沟上坡体发生较大变形,坍滑形成次级滑体,导致右侧边界处公路错断破坏,此次坍滑相当于起到了削坡减载的作用,减小了下滑力;10月19日至10月25日,累积位移曲线处于相对平缓状态,滑坡经历急剧变形之后,进入缓慢变形阶段.图6为抢险救灾期间地表自动GPS监测点位移速率-时间曲线图,可以看出在10月12日至10月19日速率-时间曲线波动较大,同样说明滑坡正处于加速变形阶段.

图5 滑坡各监测点累计位移-库水位-降雨-时间关系图(应急期间)

图6 柏堡滑坡地表自动GPS监测点位移速率-时间曲线图(应急期间)

在专业监测期间,滑坡各监测点累计位移变化不大,监测曲线平稳,说明滑坡处于一个基本稳定状态,具体情况如图7所示,其中,数据上下波动为系统误差所致.

图7 滑坡各监测点累计位移-库水位-降雨-时间关系图

2.3 地表裂缝位移监测

柏堡滑坡体共布置2个地表裂缝位移监测点,分别布置于滑坡左侧边界和后缘,点号分别为BBLF1、BBLF2.BBLF1初测时间2017年10月16日,BBLF2为2017年10月15日,在10月24日,测点BBLF1的位移值为7 mm;测点BBLF2裂缝位移值为0 mm,截至2018年11月30日,2个地表裂缝位移监测点位移没有变化.

3 滑坡影响因素分析

通过相关研究资料表明,影响滑坡的形成因素可以分为内因和外因,内因为地质因素,包括地形地貌、地层岩性、地质构造等;外因为外界影响,包括大气降雨、库水位变动、人类工程活动等[12-13].

柏堡滑坡整体坡度较陡,其后缘坡度30～40°,中部相对平缓,前缘因切坡修路形成约10 m高的临空面,滑坡右侧边界紧邻一条冲沟,受流水冲刷也形成较陡的临空面,滑坡较陡坡度与前缘临空面为滑坡提供了孕育条件,且坡体为斜顺向坡,为易滑坡体结构.滑坡区位于由三叠系和侏罗系地层构成秭归向斜东翼南端,距离仙女山断裂和九畹溪断裂较近,受活断裂引发构造地震的影响,滑坡体内节理裂隙发育,在内外应力的作用下易沿着优势结构面形成拉裂缝,使原岩的完整性被破坏,加速岩体的风化作用,促进雨水的入渗,降低了岩体的稳定性.

根据勘查资料显示,滑坡体表层分布第四系残坡积粉质粘土夹碎石,土为粉质粘土,碎、块石母岩成份为粉砂质泥岩、细粒石英砂岩,结构较松散,透水性强,利于雨水入渗,增加土体自重,软化土体,促进变形.下伏岩层为侏罗系聂家山组(J2n),岩性为中厚层状紫红色粉砂质泥岩、中厚层-厚层状灰黄色泥质粉砂岩,其中泥质粉砂岩透水性较强,而粉砂质泥岩透水性较弱,在泥岩与砂岩的交界处,粉砂质泥岩遇水软化,在上部土体自重作用下变形产生裂隙,导致岩体强度降低,形成滑坡潜在滑动面.柏堡滑坡滑带土如图8所示,清晰可见上部为泥岩,下部为砂岩,两种岩体交界处形成潜在滑动面.

图8 滑坡滑带土

相关研究表明,水库型滑坡在库水位变动作用下呈现不同的变形特征,据此将水库滑坡分为了动水压力型滑坡、浮托减重型滑坡以及库水位变化弱敏感型滑坡[14-15].其中,动水压力型滑坡在库水位下降时会发生较大的变形,而浮托减重型滑坡相反,在库水位上升时发生明显变形,两种类型滑坡的变形特征与库水位变化密切相关.从图5可以看出,滑坡发生变形处于库区蓄水阶段,其变形模式可能为浮托减重型,但由图7发现,滑坡经历了一个完整水文年的库水位升降过程,柏堡滑坡变形并不明显,说明滑坡不属于两种典型的水库型滑坡变形模式,库水位升降对滑坡稳定性的影响比较小,那么柏堡滑坡属于库水位变化弱敏感型滑坡,但库水位上升抬升地下水位,改变滑坡的渗流场,地下水侵入滑坡体,软化泥岩,对滑坡稳定性存在不可忽略的影响,因此库水位变化为影响滑坡稳定性的次要因素.

2017年8月至10月,秭归县遭受长期连续阴雨天气,期间还出现过强降雨,具体情况见图5,雨水入渗一方面软化了软化岩层,降低其力学强度,二是岩土体内瞬间充水程度较高,增加了岩土体内的动静水压力,使岩土体的稳定性降低,三是降雨增加了土体的自重,滑坡体表层为粉质粘土夹碎石,易于雨水入渗,大气降雨是诱发滑坡变形的主要因素之一.

人类工程活动的影响对滑坡的稳定也有着一定的影响,滑坡区内主要的人类工程活动为耕种和修路、建房切坡等.滑坡体上种植了大量的柑橘树,坡体表层变得比较松散,利于大气降雨的入渗,也加剧了岩石的风化程度.每年柑橘成熟时,也增大了坡体的自重,对坡体稳定性也存在影响.前缘坡脚因修路、建房对坡体进行了切坡,形成高2～10 m的临空面,降低了坡体的整体稳定性.

4 滑坡变形机制分析

柏堡滑坡的变形破坏模式为蠕滑-拉裂型,其演化过程可以归纳为：坡体是由两种性质不同的岩石构成,砂岩相对于泥岩强度较高,且水稳定性较好,两种岩体形成软硬相间的结构,在两种岩体的接触面形成软弱面,自然和人为的坡体改造使得滑坡形成较陡的临空面,在坡体自重的作用下,坡体将沿着软弱结构面发生变形;滑坡沿着软弱面蠕滑,坡体表面形成拉裂缝,后缘拉裂下座,坡体内形成多个大致平行的剪短面;雨水通过后缘拉裂缝和松散的地表入渗,软化泥岩,增加坡体自重;库水位上升产生抬升地下水位,泥岩被软化,降低岩土体的抗剪强度.滑坡后缘裂缝和多个剪断面逐渐贯通,当抗滑段被完全剪断,滑坡将整体失稳下滑.

5 结 论

本文以三峡库区秭归县柏堡滑坡为例,结合相关资料,分析了滑坡的变形失稳机制及主要影响因素.

1)柏堡滑坡为岩土混合型滑坡,特殊的软硬相间岩层形成软弱面的抗剪强度控制着其稳定性,其变形破坏模式为蠕滑-拉裂型.

2)柏堡滑坡陡峭地形地貌提供了滑动空间.粉砂质泥岩与泥质粉砂岩形成特殊的岩体结构,泥质粉砂岩透水性较强,而粉砂质泥岩透水性较弱,在雨水入渗的情况下,粉砂质泥岩泥化力学强度降低,为滑坡的发育提供了便利条件.

3)受构造运动的影响,岩体节理裂隙发育,完整性较差,且风化较严重,对滑坡的形成起着控制性作用.

4)大气降雨是柏堡滑坡主要外界诱发因素,库水位为其变形的次要因素.

柏堡滑坡受三峡库区水位调度的影响,一旦失稳将危及附近居民的生命财产安全,以及中断S334省道、破坏桐树湾大桥,且产生的涌浪将影响河流下游的正常行驶的船只和航运的安全.因此,需要加强监测,一旦出现险情,及时预警预报,减少人员财产的损失.