桂東南容縣平梨滑坡的成因機制及穩定性評價

黃希明， 江思義， 李海良

(廣西壯族自治區地質環境監測總站，廣西 南寧 530029)

0 引言

我國地質災害頻發，其中滑坡每年均造成大量人員傷亡與財產損失[1]。滑坡的發生受暴雨影響顯著，其甚至成為誘發滑坡的最主要因素[2]，主要是由于降雨引起滑坡體內孔隙水壓力升高、巖土體有效應力減低[3-4]。

關于滑坡失穩機理、穩定性分析方法，國內外學者開展了大量的研究。殷躍平等[5]研究了庫區水位變化及降雨對千將坪特大型滑坡穩定性變化特征，并指出了滑坡的形成機理。羅先啟等[6]根據誘發黃臘石滑坡的典型降雨過程給出了設計降雨過程和入滲曲線，分析了降雨條件下滑坡的非飽和非穩定滲流，研究了黃臘石滑坡群失穩后所造成的災害及滑坡排水效果評價。殷躍平等[7]以四川省丹巴縣城古滑坡為案例，因開挖未合理支護而形成的二次滑坡，通過強度折減法分析了邊坡的穩定性，并提出了施加預應力錨固結構治理滑坡的方案。周建[8]采用自主研發的可視化試驗裝置，參照某泥石流現場試驗進行了離心機模型試驗，指出滑坡型泥石流形成的原因是坡體中細顆粒隨孔隙水遷移，引起孔隙水壓力升高并形成底部滲流，造成坡體發生抗剪強度破壞。李向紅[9]對造成2011年5月9日廣西桂林咸水鄉山體滑坡的暴雨成因進行了分析，結果表明，滑坡是由于暴雨因素誘發的地質災害，短時強暴雨是造成山體滑坡的直接原因。鄭穎人[10]、劉紅帥[11]等在傳統極限平衡法基礎上，提出了有限元強度折減法運用于邊坡穩定性分析，研究表明具有良好的適用性。

本文依托容縣平梨滑坡為案例，通過規范理論分析和有限元強度折減法分析了礫巖高邊坡的穩定性。在此基礎上，考慮滑坡變形演化過程，以期為指導工程實踐提供依據。

1 滑坡區地質背景

1.1 地形地貌

容縣地處廣西東南部，玉林市最東部，北流江(容縣稱之為繡江)中游。災害點位于容縣石寨鎮下煙村平梨組，地理坐標為X：2519847；Y：19459708(東經110°36′28″北緯22°46′34″)，滑坡交通條件相對較好，滑坡離主要公路約1 km，離容縣縣城約13 km。目前滑坡西側平臺上居住有平梨組23戶居民，常住人口約120人。

區域上，滑坡處于容縣紅層盆地南東邊緣，屬低丘盆地地貌區，區域上山體標高一般100～250 m，切深一般50～200 m，地勢較緩，坡角10°～30°，山頂渾圓，似饅頭狀，溝谷寬闊多呈“U”型。在地貌上為盆地地形，盆地內又由丘陵組成。

滑坡所在山丘丘頂標高150 m，山坡自然坡度約25°，斜坡西側溝谷剖面形態呈“U”型，溝底標高約75 m，山頂與溝底高差80 m。滑坡所處斜坡微地貌上地形呈較為明顯的三級斜坡狀，其中一級斜坡高約7 m，斜坡東側為寬20～25 m的平臺，二級斜坡高4～5 m，下側為人工開挖的平臺，三級斜坡高約50 m。斜坡表層植被發育中等，坡面多松樹及雜草，植被覆蓋率約70%。滑坡區出露的主要地層巖性表層為第四系全新統殘坡積、滑坡堆積形成的黏土，中部為厚約20余米的第三紀邕寧群半成巖狀紅色砂礫巖，下伏紅色的砂礫巖。滑坡前緣(標高85.5～86.5 m)為一寬度為25～35 m的寬闊平臺，平臺上為平梨組居民建筑。經訪問，20世紀60年代初在修建民房前此處為一階梯狀平臺，修建民房時小規模開挖、填方形成現有的平臺地形；在民房后側因修建房屋的需要開挖了大量邊坡，邊坡高度一般為1.5～2 m，坡度近直立。斜坡地貌景觀見圖1。

圖1 滑坡全貌照片

1.2 地層巖性

經野外調查，平梨滑坡所處地層巖性單一，上部為第三系邕寧群半成巖狀(Ey)礫巖；下伏完整的厚層狀微風化狀礫巖，巖層產狀140°～170°∠12°～15°，節理裂隙發育，完整的礫巖僅在滑坡前側水田附近局部可見出露；滑坡所處斜坡腳處可見膠結較差、風化強烈的紅色、磚紅色半成巖狀礫巖層，未見微風化狀礫巖出露。斜坡表層為第四系全新統殘坡積層，巖性為棕黃、黃褐色花斑狀的黏土，含有風化極其劇烈的碎石和角礫，含量約占10%，礫徑多在1～3 cm之間，成分以砂巖和粉砂巖為主，土體結構松散，黏性土多呈可塑狀～硬塑狀。

經工程地質測繪和鉆探揭露，勘查區地層巖性主要由第四系滑坡堆積(Q4del)、殘坡積(Q4el+dl)黏土層、第三系邕寧群(Ey)全風化～微風化狀礫巖層。

2 滑坡發育基本特征

平梨滑坡發育于居民區背后斜坡上，平梨滑坡整體呈半圓狀。滑坡區地形整體坡度約20°，主滑方向220°。平梨滑坡分級滑動跡象較為明顯，滑坡總體呈兩級滑動。

平梨滑坡沿深層滑動面(沿Ⅱ級滑帶)滑動的剪出口位于居民區背后，高程為85～86 m，現狀變形特征為發育帶狀滑塌及擋墻變形和破壞；滑坡后緣位于高程110～116 m處，以滑坡滑動形成的貫通性裂縫和下錯陡坎為界，前后緣高差30 m左右；左側以后緣裂縫延伸終止處和陡坎為界；右側以后緣裂縫延伸終止處和植被變形特征來判斷。滑坡總體寬約70 m，長約70 m，平均厚度約4 m，體積約為20 000 m3。

平梨滑坡區Ⅰ級滑坡(①#滑坡區)位于平梨滑坡的中上部(二級平臺以上，高程93.6～95 m)，此區為強變形區，該滑坡于1994年暴雨期間發生變形，并在2002年8月發生大規模滑動，并形成錯落陡坎和后緣，①#滑坡區滑坡后緣位于后側錯落陡坎處，剪出口位置位于二級平臺上的村道附近，剪出口附近的主要特征為小垮塌。該滑坡平均厚度約為2 m，寬約60 m，長約50 m，滑體體積約為4 500 m3。滑坡分級滑動各滑帶位置具體見滑坡工程平面圖(如圖2)。

2.1 形態特征

根據調查，目前平梨滑坡地表變形特征主要表現為：前緣形成垮塌帶，滑坡體中、前部表層出現多條橫、縱向拉張裂縫及錯落小坎，后緣形成貫通性的拉張裂縫和滑壁。

平梨滑坡后緣特征：①該滑坡后緣由一系列的下陷平臺和拉裂縫組成，下陷平臺寬度2～3 m，地表坡度10°～15°，下陷平臺上植被傾倒嚴重。②主斷壁和拉張裂縫較發育，地表上多表現為一系列殘存的坡度在60°～70°的小陡坎，陡坎一般高在0.8～1.5 m，大部分保留斷壁特征，局部因地表雨水沖刷和耕作而不明顯。③沿后緣有一條長約100 m的滑坡陡坎，坎高0.5～1.5 m，該拉張裂縫由滑坡逐年滑動拉裂而成，形成時間較長，且多發生在雨季，大部分已被雨水沖刷物所充填，充填物主要為表層淺褐色的耕表土。④淺層滑坡滑動后緣滑壁形成臨空面，在強降雨等不利條件下臨空面表層土體發生小規模垮塌，形成逐年向后緣發展現象。

圖2 滑坡工程地質平面圖

平梨滑坡前緣特征：①2010年6月連續暴雨期間，滑坡前緣形成長約65 m的滑塌帶，目前的破壞模式主要為淺層垮塌，且2010年暴雨期間在坡腳處形成泉點。②前緣伴隨的主要地物破壞現象為擋墻垮塌和變形，斜坡上的民房也有沉降破壞現象。③滑坡前側磚房未見變形破壞現象，地表也無明顯的隆起等現象，故可判斷滑坡剪出口位置應位于民房后側。具體描述如下：

剪出口北西側部分形成的帶狀垮塌長約37 m，該段形成于2010年6月強降雨期間，垮塌帶高約3 m，斜長4 m，后緣陡坎下挫0.5～1 m(見圖3)。經訪問， 2010年6月強降雨期間在坡腳處有一處集中滲水點；2011年7月降雨期間未見泉點；該段部分簡易擋墻發生垮塌(見圖4)。

剪出口南東側部分主要變形特征為擋墻變形；部分擋墻上側土體發生了“越頂”現象。擋墻中部產生15 cm左右的鼓脹，中間段發生明顯下沉，下沉量達15 cm，墻體裂縫寬度為5～10 cm。擋墻后側斜坡表層目前有明顯的拉張裂縫，裂縫最寬達到15 cm，呈近垂直向發育，延伸入全風化層。由于表層土充填，探槽揭露裂縫延伸方向和滑帶都不甚清晰。二級平臺上的便道在強降雨期間也發生了下沉。

圖3 后緣滑壁

圖4 擋墻垮塌

2.2 滑帶物質組成與結構特征

據鉆探、槽探及地面調繪可知，平梨滑坡體的物質組成以黏土和全風化狀半成巖狀礫巖為主，空間分布上各土層呈層狀分布，土性變化不大。滑體物質分述如下：

黏土：棕黃色，稍濕，硬塑～可塑，手捻有輕微砂感，含少量強風化～全風化狀砂巖和粉砂巖角礫和碎石；黏土層厚為1.0～2.3 m；該層表層0.2～0.6 m含有較多的植物根系和有機物，多呈淺褐色。

全風化狀礫巖：巖石整體風化呈土狀，黏性較強。呈棕黃色，風化呈花斑狀，泥質膠結為主，無明顯的層理構造。礫巖膠結物多風化為黏土狀；巖屑風化嚴重，多為風化劇烈的砂巖和粉砂巖，夾有石英碎屑，鐵質銹染現象嚴重。

2.3 滑帶與滑床特征

根據勘探資料，Ⅰ級滑坡滑帶土在ZK3-1鉆孔1.55～1.90 m、ZK3-2鉆孔1.7～2.0 m、ZK2-1鉆孔1.3～1.5 m范圍內有揭露。淺層滑帶物質為黏土，呈淺黃色，潮濕，局部高嶺土化，現場判斷主要呈可塑狀，質軟，手捻滑膩感較強(見圖5)。

圖5 ZK3-2中揭示滑帶土

Ⅱ級滑坡滑帶土在ZK2-3鉆孔2.8～3.2 m、ZK3-1鉆孔2.8～3.0 m、ZK3-2鉆孔3.2～3.4 m范圍內有揭露。全風化狀礫巖層中揭露的軟弱層風化極其嚴重，多呈棕黃色和淺紅色，膠結物已呈黏土狀(圖6)。根據地面調查、鉆探及探槽揭露，推測其沿著鉆孔中揭露的相對軟弱層和全風化層與強風化礫巖接觸帶附近為可能形成滑坡的滑帶，故在其臨近土層內取樣做室內土工試驗。最終確定Ⅱ級滑坡滑面傾角為10°～35°，呈后部略薄、中前部厚的特點，整體略呈弧形。

圖6 ZK2-1全風化層中揭露的軟弱層

根據地面調查和鉆孔揭露，滑坡主要沿兩級滑帶滑動，不同的滑帶位置分別描述如下。

沿Ⅱ級滑帶土滑動的滑坡滑床地層巖性為第三系邕寧群半成巖狀強風化礫巖。具體特征如下：巖石整體呈半成巖狀；紅色，泥質膠結為主，無明顯的層理構造；礫石含量65%～80%，粒徑為0.5～2 cm，多呈次棱角狀；巖屑風化較嚴重，多為強風化狀的砂巖和粉砂巖，偶夾有石英顆粒；局部巖屑為灰白色的粉砂質泥巖，親水性極強；巖石整體強度低，膠結差，用手能掰裂；組成巖石的礦物成分有較強的親水性，巖石遇水迅速發生軟化和崩解。鉆孔揭露該層厚度13 m左右，下伏微風化狀塊狀礫巖。

沿Ⅰ級滑帶土滑動的滑坡滑床地層巖性為第三系邕寧群半成巖狀全風化狀礫巖。全風化狀礫巖整體風化呈黏土狀，黏性較強；呈棕黃色，風化呈花斑狀；巖屑風化嚴重，多為風化劇烈的砂巖和粉砂巖，夾有石英碎屑，鐵質銹染現象嚴重；巖石強度低，用手能掰裂，遇水迅速軟化。該層厚度變化幅度較大。

3 滑坡變形破壞模式分析

根據現場勘查及容縣石寨鎮平梨滑坡的物質組成及結構特征分析，該滑坡目前已經整體發生滑動，而出露地表的變形跡象主要以局部滑移變形為主。斜坡體后緣拉裂縫為滑坡變形的后緣邊界，前緣剪出口位于平梨組居民區背后斜坡坡腳。隨著滑坡后部滑體推擠，在其推力作用下，最終在前緣剪出口附近形成帶狀滑塌；滑坡滑動后在后緩出現下錯陡壁。若在連續降雨等影響下，滑坡可能再次失穩滑動。

從平梨滑坡的地貌特征和各階段變形情況來看，該滑坡應為牽引式滑坡。

4 滑坡成因機制分析

4.1 地層巖性

平梨滑坡體發育于第三系邕寧群(Ey)半成巖狀礫巖中，巖體風化程度高，遇水極易軟化。地層是易變形巖層，在水的作用下，半成巖狀礫巖力學強度指標大幅度降低。全風化狀礫巖及其上覆的坡、殘坡積物組成的松散地層，這些堆積物保水性較好，為地表水的長期富集提供了條件。

4.2 降雨

該滑坡的活動與降雨關系密切，是導致滑坡活動的主要激發因素。在工作區降雨集中，尤其是雨季，極端降雨天氣時有發生，短時強降雨量和連續強多日降雨量大等降雨特點降低了風化層的抗剪強度，不利于巖土體的穩定。一方面飽水加載，另一方面軟化斜坡巖土體，強降雨導致斜坡特別是局部坡體穩定性下降，從而觸發斜坡巖土體失穩滑動而形成滑坡。據調查訪問，平梨滑坡表層發生的滑動都發生于雨季時強降雨期間。

4.3 斜坡

由于滑坡區出露巖層為斜向坡，加之巖層傾角(21°～15°)小于地形坡度(20°～30°)，且順坡向傾斜，順傾向巖層為地下水入滲提供了良好的條件，加劇了上部分巖體的泥化。

4.4 人類工程活動

坡腳開挖造成斜坡前緣臨空面加大，破壞了斜坡本身的力學平衡，加劇了斜坡失穩。二級斜坡坡腳處發生垮塌的重要原因為修建民房開挖坡腳卸荷引發的。

5 滑坡穩定性分析評價

根據地面調查、鉆探及探槽揭露，推測其沿著鉆孔中揭露的軟弱層和全風化層與強風化礫巖接觸帶附近為可能形成滑坡的滑面，故在其臨近土層內取樣進行室內土工試驗。

根據室內土工試驗，分析斜坡堆積體中軟弱層土樣和全風化礫巖層中發育的軟弱層主要物理力學性質指標結果。室內分析結果顯示：鉆孔中揭露的相對軟弱黏土層，平均天然強度：黏聚力27.16 kPa，內摩擦角12.90°；平均飽水強度：黏聚力14.73 kPa，內摩擦角12.72°。全風狀礫巖層中揭露的軟弱層平均天然強度：黏聚力18.10 kPa，內摩擦角17.18°；平均飽水強度：黏聚力13.4 kPa，內摩擦角16.7°。強風化狀半成巖礫巖層平均天然峰值強度：黏聚力31.9 kPa，內摩擦角20.20°；平均飽水峰值強度：黏聚力8.15 kPa，內摩擦角22.23°，見表1。

表1 平梨滑坡體土層物理力學參數

從平梨滑坡的微地貌形態和地表變形特征來看，平梨滑坡以2級滑坡的形式發生破壞。其穩定性定性評價具體見表2。

表2 滑坡穩定性計算成果匯總表

通過定性評價和定量計算可知，平梨滑坡在暴雨飽和條件下整體處于不穩定狀態，淺層滑坡處于欠穩定～不穩定狀態；在天然自重工況下滑坡整體應處于基本穩定狀態，淺層滑坡應處于基本穩定～穩定狀態。因此，為保證滑坡具有足夠的安全儲備，保證滑坡前側平梨組居民區的安全，建議盡快采取應急治理措施。

6 邊坡穩定性有限元分析

6.1 模型建立和參數選取

據地形地質條件，選取最典型的最不利邊坡穩定的地段作為計算研究剖面，上部土層為黏土，往下依次是全風化泥巖、強風化泥巖、中風化泥巖。計算模型如圖7所示。土體采用M-C本構模型，模型左右側約束，底部施加約束，上部自由。土層物理力學參數如表1所示。

圖7 滑坡計算模型

6.2 邊坡穩定性成果分析

分原始狀態(工況1)、暴雨工況(工況2)兩種工況對高邊坡典型斷面3-3穩定性進行有限元分析，提取兩種工況下的塑性云圖如圖8所示。

圖8 3-3斷面滑動面云圖

3-3斷面兩種工況下的坡體安全系數計算成果見表3及圖9所示。

表3 滑坡穩定性數值分析計算成果匯總表

圖9 典型斷面不同狀態及工況下安全系數對比

由圖9可知，在天然工況下，3-3剖面安全系數為1.1，處于基本穩定狀態，在暴雨工況下，強風化礫巖遇水軟化，邊坡的安全系數由1.12降為1.04，小于規范的1.05，處于欠穩定狀態。且通過塑性云圖可知，兩種工況下均在坡腳應力集中，在暴雨工況下坡腳的危險區域有進一步擴大擴展趨勢。

由圖9可知，通過有限元分析得到3-3剖面的安全系數與規范計算值偏差不大，較為接近，說明強度折減法能較好地運用于邊坡工程穩定性分析。

7 結論

(1)平梨滑坡體發育于第三系邕寧群(Ey)半成巖狀礫巖中，巖體風化程度高，遇水極易軟化。是易變形巖層，在水的作用下，半成巖狀礫巖力學強度指標大幅度降低。全風化狀礫巖及其上覆的坡、殘坡積物組成的松散地層，這些堆積物保水性較好，為地表水的長期富集提供了條件。

(2)據本次調查和勘察并結合穩定性計算表明，平梨滑坡暴雨時整體處于不穩定狀態，淺層滑坡處于欠穩定～不穩定狀態。其發展趨勢主要為：黏土層賦水性強，且風化層遇水極易軟化，滑坡區又處于極端降雨天氣多發區，地表水長期入滲極可能軟化滑帶，誘發滑坡整體或者局部變形甚至大規模滑動；斜坡坡腳陡坎存在繼續變形破壞的危險，而坡腳不斷的破壞導致斜坡坡腳卸荷，降低滑坡的整體抗滑力。

(3)根據滑動面塑性云圖可知，在滑坡前緣存在應力集中危險區域，滑坡有繼續滑動的可能性，后緣陡壁也可能逐漸發生小規模垮塌，建議盡快采取工程治理措施。