文縣郭家坡滑坡形成機理與穩定性研究

田運濤,景 博,王高峰,郭 寧,楊 強

(1. 中國地質調查局 水文地質環境地質調查中心，河北 保定 071051；2.西安市勘察測繪院，陜西 西安 710054； 3.長安大學 地質工程與測繪學院，陜西 西安 710054)

隴南文縣是汶川地震重災區，也是全國地質災害高易發區和重點防治區。汶川地震過后，文縣地質災害頻發，尤其滑坡危害加重，嚴重威脅人民生命財產和公共設施安全。許多學者對地震滑坡進行了研究：KEEFER[1]認為，地震震級(ML)大于4.0時便可能觸發滑坡災害；張鐸等[2]認為，強震(ML≥6.0)尤其是大地震(ML≥7.0)誘發的滑坡災害更為突出和顯著；黃潤秋等[3]通過對大光包滑坡的多次調查研究，認為基巖滑床表面在強震作用下震動松弛并碎裂化、角礫化，“鎖固段”也在強震作用的拉-剪應力下突然斷裂，從而引起滑動面摩阻力急劇降低并高速滑動；孔紀名等[4]通過對汶川地震的研究，指出地震碎裂型滑坡是指斜坡上部的巖土體在地震中產生滑動后，在地震波動震蕩作用力的持續作用下發生震裂、松弛、碎裂，其碎裂巖體沿坡面或溝道發生碎裂滑動的一種滑坡類型；還有研究人員通過對汶川地震災區大量崩滑體的調查研究，從地震動力學和斜坡變形破壞成因機理的角度分析了汶川地震誘發崩滑災害的3個典型特征，即震裂潰屈、臨空拋物、碎屑流化。本研究以隴南市文縣郭家坡地震滑坡為例，在查明滑坡的工程地質特征及孕災背景條件的基礎上，總結了滑坡形成機理，采用Janbu法分析了滑坡在天然狀態、降雨飽水狀態、地震狀態3種工況下的穩定性，研究結果不僅對該地區地質災害危險性評價和防治規劃具有參考價值，而且對保障生活在滑坡體上的郭家坡村村民的人身財產安全具有極其重要的現實意義。

1 滑坡概況

1.1 基本情況

郭家坡滑坡位于甘肅隴南市文縣石雞壩鄉郭家坡村(圖1)，白水江左岸，距文縣縣城23 km，地理坐標為104°28′32.1″E、33°02′7.7″N。郭家坡滑坡為一深層、特大型堆積體老滑坡，平面形態呈舌形，主滑方向為194°，堆積體長950～1 100 m，平均寬750 m左右，體積約3 750萬m3。

圖1 郭家坡滑坡全貌

1.2 工程地質特征

(1)地形地貌。滑坡區位于侵蝕構造中山區地貌與侵蝕堆積河谷地貌交界處，更傾向于構造中山區地貌。區內北高南低，最高點在剪子坪村，海拔1 510 m，最低點為白水江江岸，海拔1 030 m，相對高差480 m。白水江呈外弧形流經滑坡區西南邊，河谷狹窄，河水流速快，河床縱比降大。河谷兩側坡體陡峻，侵蝕切割強烈，坡體平均坡度22°，從上至下呈陡—緩—陡特征。山體溝壑縱橫，山頂呈梁脊形，梁上比較平緩。

(2)地層巖性。滑坡區內普遍出露二疊系下統變質砂巖、灰巖、砂質板巖、炭質板巖等，表層普遍風化強烈，裂隙發育，力學強度總體較低，遇水易軟化、泥化，構成易滑地層。碎石土粒徑差異大，透水性強，磨圓度差，尤其是位于堆積體前緣和坡面沖溝溝岸臨空面的碎石土，在長期水流沖蝕和卸荷作用下已較為松散破碎，物理力學性能極不穩定。

(3)地質構造。滑坡區位于文康斷裂帶文縣弧頂部位，附近發育近乎平行的3條NEE向斷裂，即哈南—青山灣—磨壩斷裂、堡子壩—高樓山—稻畦子斷裂、范家壩—臨江斷裂。前兩個斷裂自全新世以來活動性較強，為武都南大地震的主要發震斷裂，沿斷裂走向多處可見到地震陡坎、地震裂縫、地震崩滑體、堰塞湖等地質災害現象。滑坡區與哈南—青山灣—磨壩斷裂關系最為緊密，該條斷裂的存在，導致區內基巖結構不完整，空氣與雨水容易進入山體，基巖風化層較厚，在山坡上逐漸形成殘坡積物。

1.3 滑坡變形特征

郭家坡滑坡體上陡中緩，表面發育眾多縱向沖溝，后緣剪切裂縫大量發育，這是差異剪切作用的構造表現。滑坡前緣鉆孔顯示底部有河流相泥沙沉積，可以判定在滑坡發生后有大量土石涌入白水江，將河道推向對面山腳，從而形成現在的河道。

滑坡區附近有金礦開采、排渣等人類活動，導致滑坡體上堆積物不斷增加，滑坡體厚度增加，前緣坡腳不斷增大。同時，采礦廢水的大量滲入，導致坡體含水量大大增加，容重增加，土體抗剪強度降低，滑坡可能再度復活。現場調查及鉆孔資料分析得出郭家坡滑坡歷史上經歷了4次變形破壞過程。①整體(H1)滑動。是現今看到的最大的整體滑動，在滑坡后壁處可見到基巖斷裂面，可以判斷滑坡為堆積層與基巖混合滑動。但是根據現狀滑坡的工程地質鉆探，滑坡堆積體底部主要為灰巖、板巖等碎石、塊石，基巖并不完整，呈破裂狀，因此猜測是強震造成風化基巖破裂成碎石，導致抗剪力突然下降，引起失穩。②滑坡中后部(H2)滑動。滑坡后緣局部淺層碎石滑動。風化產生了潛在滑體，在降雨和重力的作用下發生滾落滑動。③滑坡后緣(H3)滑動。2008年汶川地震時滑坡后壁松散黃土因為張拉裂縫的擴張而失穩下滑，淺層黃土滑落至坡體中部，但未對當地居民造成人身財產損失。④滑坡前緣(H4)滑動。位于滑坡坡腳處，2015年6月發生滑動。修路開挖使本就松散的碎石土體前緣產生牽引力，雖然在坡腳修建了擋土墻，但降雨時雨水很快滲入土體使土體接近飽和，土體自身質量增大而抗剪強度降低，最終推倒擋土墻滑至公路中央，阻礙道路通暢，路面也出現了裂縫。

2 滑坡成因分析

2.1 外部因素

地震是滑坡發生的根本原因。滑坡區屬于地震易發區，在短時強地震力的作用下，震蕩破壞了風化基巖層的強度結構，改變了原本的膠結狀態，使巖體松動破碎，碎石土顆粒之間的咬合程度降低，導致黏聚力和內摩擦角減小。汶川地震波向NE方向傳播，與滑坡運動方向(NNE)基本一致，在地震波的作用下坡體受力巨大，原始平衡狀態被打破，從而導致斜坡結構遭到破壞，在重力的作用下滑動形成滑坡。“5·12”汶川地震導致滑坡后緣(H3)發生變形，局部滑動。通過走訪調查得知，后緣(H3)滑動時巖土體在滑動過程中瞬間碎裂滑移至坡體中部，在滑坡頂部黃土堆積層產生了大量橫向平行裂縫。

滑坡變形與降雨有著較明顯的相關關系。滑坡剪出口附近出現拉張裂縫，降雨滲入坡體既增加了坡體自身質量，降低了巖土體力學強度，又容易在滑帶附近聚集，軟化滑帶，降低土體抗剪強度，從而誘發滑坡。滑坡前緣(H4)發生滑動的主要誘因就是降雨，同時降雨會導致滑坡后緣頂部的裂縫貫通并進一步加大，從而再次發生滑坡。

2.2 內部因素

地形地貌特征決定了地震滑坡坡度的發育特征。滑坡區屬于侵蝕構造中山區，為高山峽谷地貌，斜坡平均坡度為30°，整體呈上陡—中緩—下陡狀況。上部斜坡坡度范圍為45°～79°，越靠近頂部坡度越陡，為后緣滑坡的發生提供了有利的地形條件；中部在原有斜坡地形基礎上，被人類改造成住房、公路、耕地等，坡度較緩，約20°，地質災害不發育；下部坡體坡度范圍為35°～70°，靠近底部被人工改造成近垂直的斜坡，存在安全隱患。滑坡前緣沖溝發育，切割深度幾米至幾十米不等，部分沖溝在長期的風化侵蝕下形成小型泥石流溝。滑坡分布高程為1 030～1 450 m，高差400 m以上。地形整體較為陡峭，北高南低，整體傾向白水江，坡體高差大、斜坡陡峭為滑坡運動提供了勢能。滑坡處于哈南—青山灣—磨壩斷裂帶，巖土體力學強度不高，巖體結構不緊密，易受雨水、空氣侵蝕，出現厚層風化基巖。

有利的坡體結構是該滑坡產生的內在因素。滑坡下覆巖層產狀為210°∠75°，坡向194°，滑坡體為順向結構類型，有利于滑坡的發生。對滑坡形成的影響表現在：巖層中發育兩組節理，230°∠10°和50°∠10°(臨空面)，與層面形成巖體破壞模式，其中一組節理傾向與巖層傾向基本一致，但較為平緩，切割巖層與層面相交，易造成基巖軟弱帶破碎形成滑動面，影響坡體穩定性。

郭家坡滑坡堆積體主要物質為碎石土，磨圓度差，孔隙大，透水性強，而滑床為易風化的軟弱千枚狀板巖，透水性較差。在長期降雨條件下，地表水大量滲入碎石土體，易使土體飽和，在軟弱巖層處地下水富集，軟化基巖，使土體力學強度降低，形成潛在滑動帶，增加了滑坡發生的風險。滑落下來的滑體破碎松散，土體磨圓度差、棱角分明，在滑體底部碎石中常可見到板巖塊石等現象也說明風化基巖層的存在。

3 滑坡穩定性分析與評價

通過觀察滑坡的堆積形態，研究認為滑坡整體處于穩定狀態，復活的可能性小，但受降雨和地震的影響，局部處于不穩定狀態。本研究采用極限平衡法，利用GeoStudio中GEO-SLOPE模塊嵌套的Janbu法建立地質模型，選取合理的地層物理力學參數計算邊坡穩定性。

3.1 建立地質模型

選取滑坡縱剖面建立郭家坡滑坡縱剖面模型，見圖2。

圖2 郭家坡滑坡縱剖面模型

3.2 計算剖面及工況

滑坡前緣為白水江，剪出口位于水位最大漲幅之上，故此次計算對水位的變化不予考慮。根據滑坡的受力特征、可能出現的荷載情況及其組合，計算中主要考慮降雨因素影響，選定天然狀態、降雨飽水狀態、地震狀態3種工況計算滑坡穩定性。

3.3 計算參數選取

滑帶土的黏聚力和內摩擦角是滑坡穩定性定量評價和推力計算的重要參數，其值變化對計算結果有很大影響。根據室內大剪試驗、三軸試驗所獲數據，結合臨近工作區工程地質類比數據，最終確定滑坡穩定性計算的巖土物理力學參數，見表1。

表1 郭家坡滑坡穩定性計算參數

3.4 計算結果及評價

利用GEO-SLOPE模塊中的Janbu法對處于3種工況下的滑坡整體穩定性進行計算，結果見表2。在天然狀態下，郭家坡滑坡整體(H1)穩定性系數為1.927，處于穩定狀態；降雨飽水狀態下，雖然整體(H1)穩定性有所下降，但仍處于穩定狀態，滑坡后緣(H3)也處于穩定狀態，但滑坡中后部(H2)穩定性系數為0.939，處于不穩定狀態；地震條件下，H1、H3處于穩定狀態，滑坡中后部(H2)在Ⅶ級地震烈度下穩定性系數為1.100，處于欠穩定狀態，在Ⅷ級地震烈度下為0.917，處于不穩定狀態。通過設置系統自動搜索最危險滑面，得出地震條件下斜坡最不穩定、最易失穩下滑的區域是滑坡頂部的淺層黃土與碎石土(圖3)。

表2 不同工況下滑坡穩定性計算結果

圖3 郭家坡滑坡后緣變形區示意

綜上，目前郭家坡滑坡整體處于較穩定狀態，發生整體滑動的可能性較小，但滑坡體后部變形明顯，若在土體飽和或地震條件下，滑坡后部發生失穩、滑移的可能性較大。若后部發生滑移，則可能進一步推動前部老滑體變形，降低滑坡體整體穩定性，對生活在滑坡體上的居民的生命財產安全構成嚴重威脅。

4 結 論

(1)郭家坡滑坡屬于特大型牽引式老滑坡，滑坡共發生過4次滑動，第一次為斜坡整體性滑動，第二次為滑坡中后部局部滑動，第三次為汶川地震時滑坡后壁的淺層滑動，第四次為滑坡前緣人工削坡和降雨造成的滑動。

(2)滑坡發生的外因：地震是滑坡發生最主要的誘因，震蕩破壞了風化基巖層的強度結構；滑坡頂部黃土堆積層產生了大面積的橫向平行裂縫，處于不穩定狀態，降雨條件下容易向下發生局部滑動。

(3)滑坡發生的內因：順向斜坡結構在兩組節理的共同作用下，易形成破碎滑帶；陡峭地形為滑坡的形成提供了強大的勢能條件；以碎石土為主的滑坡體和易風化的軟弱基巖力學強度較低，形成了潛在滑面。

(4)目前該滑坡體整體穩定性較好， 發生整體滑動的可能性較小。通過GEO-SLOPE軟件對滑坡進行了穩定性計算，結果顯示在地震或降雨飽水狀態下邊坡處于不穩定狀態。

(5)通過危險滑面搜索得到的后緣變形區范圍，與現場實際調查中圈定的變形范圍基本一致。本研究得到的滑坡穩定性計算結果符合實際情況，具有較高的可信度。