季凍區(qū)凍融型黃土滑坡特征及成災(zāi)模式分析
——以伊犁喀拉吐木蘇克滑坡為例

2022-03-04 14:26:36曹小紅吳彬尚彥軍許濤艾比拜爾買買提

新疆地質(zhì) 2022年4期

曹小紅，吳彬，尚彥軍，許濤，艾比拜爾買買提

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，新疆烏魯木齊 830000；2.新疆地質(zhì)災(zāi)害防治重點實驗室（新疆工程學(xué)院），新疆烏魯木齊 830000；3.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029）

黃土為一個特殊地質(zhì)體，是記錄新近紀晚期以來全球自然環(huán)境和氣候變化及地表災(zāi)害演化的最好載體[1]。黃土厚度大、結(jié)構(gòu)疏松、溝壑縱橫、地表土體破碎、氣候干燥且降雨集中、水土流失嚴重，為我國地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育地區(qū)之一[2]。凍土是全球高緯地區(qū)和高山垂直帶上普遍存在的自然現(xiàn)象，為溫度低于0℃，且含有冰的土巖，是一種特殊類型的土。按凍結(jié)狀態(tài)持續(xù)時間，分為多年凍土和季節(jié)性凍土。溫度連續(xù)3 年或3 年以上、在0℃以下的土體為多年凍土，冬季凍結(jié)、夏季融化的土層為季節(jié)性凍土[3]。凍融滑坡是指在負溫度作用下，斜坡土層凍結(jié)時，上層濕度顯著增加，正融期融凍層含水量超過液限，過剩水分不能及時滲透或排出，呈流體狀沿尚未融化的下伏冰凍層滑下，土體強度和斜坡穩(wěn)定性急劇降低，是寒冷地區(qū)一種特殊的滑坡類型[4-5]。中國西北部黃土地區(qū)，季節(jié)性凍融滑坡的發(fā)生率很高。伊犁谷地地處天山山脈西段，屬典型季節(jié)性凍土區(qū)。季節(jié)性凍融作用對斜坡穩(wěn)定性影響強烈[6]，黃土滑坡發(fā)生時間多集中在初春溫度變化劇烈的凍融季節(jié)，廣布頻發(fā)的黃土滑坡嚴重影響伊犁地區(qū)人民的生產(chǎn)生活安全。伊犁谷地是季節(jié)性凍土重要分布區(qū)之一，也是新疆凍融型滑坡頻發(fā)地區(qū)之一。伊犁谷地黃土滑坡災(zāi)害嚴重復(fù)雜，受反復(fù)凍融循環(huán)作用致災(zāi)的嚴重性在當(dāng)今快速施工過程中還未引起足夠重視。有時間記載的伊犁谷地380 處滑坡中，發(fā)生于凍融期內(nèi)的有152 處，占滑坡總數(shù)的40%。凍融循環(huán)作用使土體強度降低，在降雨、地震條件下誘發(fā)滑動。2017年3 月24 日皮里青河堵潰型滑坡-泥石流災(zāi)害鏈就是典型的凍融型黃土滑坡[6]。

季節(jié)性凍融型黃土滑坡為一種特殊的黃土滑坡類型，該類滑坡具隱蔽性、復(fù)發(fā)性、區(qū)域差異性和不可預(yù)測性，目前對其特征及成災(zāi)模式認識尚不清楚。因此，開展季節(jié)性凍融型黃土滑坡形成機理具重要理論和實踐意義[7]。筆者在前人研究與地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查基礎(chǔ)上，結(jié)合近年研究成果，以喀拉吐木蘇克滑坡為例，分析伊犁地區(qū)季節(jié)性凍融型黃土滑坡分布特征及致災(zāi)機理，為防災(zāi)減災(zāi)提供參考。

1 地質(zhì)環(huán)境特征

1.1 地形地貌

喀拉吐木蘇克滑坡位于鞏留縣小吉爾尕郎河谷東岸，西側(cè)為小吉爾尕郎河及河谷沖積平原，東側(cè)為冰磧冰水臺地山區(qū)。區(qū)內(nèi)地形起伏較大，總體東高西低、南高北低，海拔1 148～1 639 m，最低處為小吉爾尕郎河床（圖1-b）。受新構(gòu)造運動影響，河流兩岸階地呈不對稱發(fā)育，西岸一、二級階地發(fā)育且階面較寬。東岸一、二、三級階地發(fā)育，階面較窄。喀拉吐木蘇克滑坡位于小吉爾尕郎河上游山口西岸坡體上，溝谷東西兩側(cè)斜坡較陡，坡度30°～35°，坡體寬130～300 m，高約250 m，斜坡形成變形裂縫。

1.2 氣象和地震

滑坡所在區(qū)域年降水量為300～450 mm，年內(nèi)降水集中于春末夏初的4～6 月，3～5月為融雪季節(jié)，大量雪水滲入地下，土層飽水程度增高。春季融雪期溫差從-10℃～0℃～10℃波動近一個月。2000—2014 年郝建盛等研究發(fā)現(xiàn)，伊犁地區(qū)凍土分布廣，受氣溫、積雪影響，積雪覆蓋歷時越長，土壤凍結(jié)天數(shù)就越長。積雪最大雪深越深，土壤最大凍結(jié)深度越淺[8]。鞏留縣最大凍結(jié)深度約98.96 cm[7-8]。在降雨和凍融循環(huán)作用下，土體抗剪強度累積性疲勞損傷、劣化，導(dǎo)致斜坡蠕變、失穩(wěn)、破壞，可能誘發(fā)滑坡。研究區(qū)地震動峰值加速度0.20 g，基本烈度為Ⅷ度。2003年12月1日昭蘇發(fā)生里氏6.1級地震，主震位于特克斯河斷裂西端，震源深度21 km，震中距勘察區(qū)200 余千米，余震分布與特克斯河斷裂走向一致。特克斯河斷裂呈NNE 向，從滑坡區(qū)東部恰甫其海通過，斷層面傾向南。受6.1 級地震影響，斷裂以南及周邊地區(qū)山體頂部產(chǎn)生大量裂縫。在降雨、地震等因素影響下，凍融期坡體地表水不能及時排出，破壞坡體穩(wěn)定性，易誘發(fā)滑坡。

1.3 地層巖性

喀拉吐木蘇克滑坡周邊出露地層主要為第四系，從上到下為全新統(tǒng)沖積堆積層，為松散礫石及亞砂土堆積、全新統(tǒng)風(fēng)積黃土；上更新統(tǒng)沖積堆積層為松散礫石及亞砂土堆積。中更新統(tǒng)沖洪積和沖積堆積，為礫石亞砂土（圖1-a）。滑坡山體斜坡頂部和坡面覆蓋厚20～50 m 全新統(tǒng)黃土，構(gòu)成滑坡的物質(zhì)來源，是滑坡發(fā)生與發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。土樣分析結(jié)果表明，黃土為低液塑限粉土，成份以粉粒為主，粒度0.005～0.05 mm 的含量為54.0%～76.8%。上部發(fā)育土壤，由于土壤層透水性強，黃土持水性好，在長期春季融雪水和雨水作用下，黃土抗剪強度隨含水量的增加迅速降低，形成易滑地層，因山坡較陡導(dǎo)致滑坡。

圖1 喀拉吐木蘇克滑坡及鄰區(qū)遙感影像圖及地質(zhì)簡圖Fig.1 Remote sensing image map and geological map of Kalatumusuke landslide and adjacent areas

1.4 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

滑坡所在區(qū)內(nèi)構(gòu)造活動較微弱，地質(zhì)構(gòu)造條件對區(qū)內(nèi)滑坡災(zāi)害的形成誘發(fā)影響微弱，主要表現(xiàn)在新構(gòu)造運動強烈上升使第四系、新近系分布在較高位置，易滑地層具較高勢能，易發(fā)生滑坡。滑坡點及周邊巖土體可劃分為互層狀、較堅硬-軟弱以砂巖、礫巖、泥巖為主的碎屑巖巖組、單層結(jié)構(gòu)黃土類土體及單層結(jié)構(gòu)礫質(zhì)土體3類工程地質(zhì)巖組。

地下水主要有第四系松散巖類孔隙水和新近系碎屑巖類孔隙裂隙水。第四系松散巖類孔隙水分布于小吉爾尕郎河谷平原內(nèi)和冰水礫質(zhì)臺地中，具承壓性、水量貧乏特點。新近系碎屑巖類孔隙裂隙水分布于小吉爾尕郎河谷東部山區(qū)新近系中，補給以山區(qū)大氣降水和冰雪融水為主。

1.5 人類工程活動

研究區(qū)內(nèi)人類工程活動一般，主要為山區(qū)濫挖草藥、過度放牧。甘草根系發(fā)達深入地下且連片生長范圍較大，掘地式亂采亂挖對坡體植被及地表土層結(jié)構(gòu)破壞較嚴重。近年來，隨著人口增長和牲畜數(shù)量增大，忽視草場的承載能力過度放牧，使草場載畜量超標，山坡土體踩踏嚴重，植被覆蓋率降低。使本身不足的草場嚴重退化，地表水土流失嚴重，自然生態(tài)環(huán)境遭受嚴重破壞。

2 滑坡基本特征

喀拉吐木蘇克滑坡位于伊犁鞏留縣小吉爾尕郎河谷西岸，坡面草、灌植被生長較好，坡體寬130～300 m，長約500 m，高約250 m，坡向35°，坡度30°～35°。近山頂處裂縫帶沿SW向分布，長約100 m、寬約60 m，裂縫帶由4～5 條近平行的裂縫組成（圖2-a，b），裂縫寬0.2～1.5 m。受凍融作用影響，坡面土體向下蠕動變形凸起形成塔式構(gòu)造（圖2-b），具推移式滑坡特征。滑坡西側(cè)為已發(fā)生滑坡（圖2-c），在降雨季節(jié)發(fā)生溯源侵蝕，形成泥流或泥石流，影響過境主干道和居民區(qū)安全。

以往勘察工作在該滑坡體上布設(shè)4個鉆孔（圖2），5 個探井。從高到低依次為ZK15、ZK6、ZK7、ZK18（圖3），深度分別為50.81 m、23.62 m、59.59 m、50.46 m。其中僅ZK6、ZK7 鉆孔揭露黃土厚22.32 m、45.5 m，斜坡探井揭示15 m之內(nèi)均為黃色粉土，坡體中上部鉆孔61.05 m 以上均為黃土，土質(zhì)疏松，上部略干燥，2～10 m范圍較潮濕①新疆伊犁地區(qū)鞏留縣地質(zhì)災(zāi)害詳細調(diào)查報告（1:5萬）.新疆地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，2011。

圖2 喀拉吐木蘇克滑坡區(qū)地質(zhì)勘察工作平面圖及照片F(xiàn)ig.2 Plan and photos of geological survey work in Kalatumusuke landslide area

圖3 喀拉吐木蘇克滑坡坡面形態(tài)及推測滑動面示意圖Fig.3 Schematic diagram of the slope shape and estimated slip surface of the Kalatumusuke landslide

3 地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育類型與成災(zāi)模式

與其它土體相比，黃土垂直節(jié)理較發(fā)育，結(jié)構(gòu)疏松多孔，為一種易發(fā)生災(zāi)害的特殊土。黃土遇水強烈濕陷、軟化和變形，水環(huán)境變化極易誘發(fā)滑坡災(zāi)害。黃土結(jié)構(gòu)具疏松、大孔隙性，對人類工程擾動作用十分敏感，極易激增黃土災(zāi)害。黃土的濕陷性、大孔隙性、垂直節(jié)理發(fā)育的特性，決定了黃土災(zāi)害的孕災(zāi)機制、成災(zāi)模式、成因機理、演化過程、鏈生規(guī)律等明顯有別與其它地區(qū)和土體的災(zāi)害[9-10]。喀拉吐木蘇克滑坡上覆全新統(tǒng)風(fēng)積黃土，具大孔隙性、垂直節(jié)理發(fā)育、濕陷性較強特性，力學(xué)性質(zhì)相對較差。新疆伊犁谷地黃土與黃土高原的黃土顆粒組成、分布不同。伊犁地區(qū)黃土以粉粒為主，次為砂粒，黏粒含量最少，總體顆粒較內(nèi)陸地區(qū)黃土粗。新疆伊犁谷地黃土由西向東呈條帶狀分布，且越來越厚。新源縣境內(nèi)最厚（平均厚60 m，則克臺鎮(zhèn)達80 m），往東黃土層厚減小、變薄，甚至消失[11]。黃土具特殊結(jié)構(gòu)和水敏性，當(dāng)天然含水率未經(jīng)凍融作用，可長期保持較高強度。隨著含水率的增加或經(jīng)凍融循環(huán)作用，其強度則大幅度降低。季節(jié)性凍土區(qū)上部土層在周期性波動和水分變化影響下，凍結(jié)和融化后土體內(nèi)部力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，直接影響黃土斜坡的穩(wěn)定性[12]。

3.1 形成過程

凍結(jié)階段始于每年11 月底至次年3 月初，期間地表溫度為-6℃～-2℃，土層淺表凍結(jié)約30 cm，從地表向下凍結(jié)減弱。隨氣溫降低，地表水排泄通道凍結(jié)，逐漸受阻，排泄量減弱或停滯。凍結(jié)滯水效應(yīng)使地下水位從排泄口向坡體內(nèi)部不斷壅高（圖4-a）。孔隙水壓力減小，使土體軟化范圍擴大，強度弱化，降低了斜坡整體穩(wěn)定性[13]。

融化階段始于3月上旬至4月上旬，該時期晝夜溫差較大，長期高頻觀測結(jié)果為，隨日出氣溫從-6℃左右升至0℃以上。至上午12∶00 左右氣溫平均達5℃，土體由凍結(jié)逐漸消融，黃土中的冰粒開始融化。地下水排泄仍受阻，地下水位呈穩(wěn)定上升趨勢。水位上升高度受凍土深度影響，如此反復(fù)，使土體強度進一步弱化。一天中午14∶00左右氣溫最高，消融最顯著。水在黃土孔隙中遷移，黃土濕陷性和垂直節(jié)理發(fā)育使土體結(jié)構(gòu)迅速改變，斜坡開始變形，后緣出現(xiàn)拉裂縫。之后氣溫逐漸降低，日落后地溫逐漸降至0℃以下，土體開始凍結(jié)，出現(xiàn)晝夜反復(fù)凍結(jié)融化的交替現(xiàn)象。從4 月上旬至月底，排泄通道及土體內(nèi)凍層消失，水流恢復(fù)正常排泄。地下水位首先出現(xiàn)持續(xù)上升階段，隨排泄趨于正常，地下水位呈下降趨勢，逐漸處于正常（圖4-b）。此過程中，融化作用導(dǎo)致地下水突然釋放，產(chǎn)生很高的水力梯度，從而降低斜坡的穩(wěn)定性[14]。

圖4 喀拉吐木蘇克滑坡體變形演化示意圖Fig.4 Schematic diagram of the deformation and evolution of the Kalatumusuke landslide

失穩(wěn)階段季節(jié)性凍融作用是斜坡變形破壞的重要外動力因素和觸發(fā)因素之一[15]。ZK6、ZK7內(nèi)水位出現(xiàn)上升波動，坡面局部可見塔式構(gòu)造，斜坡蠕動變形，坡面向下凸起或鼓包。受外荷載或踩踏有稀泥下陷現(xiàn)象，凍土消融，土中水富集，推測凍土結(jié)構(gòu)破壞強度降低。由于凍結(jié)期內(nèi)地下水排泄受阻，土體內(nèi)部自外向內(nèi)產(chǎn)生地下水壅高，飽和黃土范圍不斷擴大，越來越多的黃土受水浸泡后物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，強度降低，不斷降低斜坡的穩(wěn)定性。斜坡土體在反復(fù)凍融作用下，凍結(jié)期土體的凍脹作用和融化期土體的融沉作用（圖4-c），致其強度劣化，尤其是剪出口部位的飽和黃土凍結(jié)期強度略有提高。經(jīng)歷10～20 天的凍融循環(huán)作用后，強度喪失99%。相當(dāng)于凍結(jié)期在剪出口部位形成的天然擋土墻經(jīng)歷凍融循環(huán)后突然崩潰，易引起斜坡變形、失穩(wěn)[13]。

滑動階段在年復(fù)一年的凍融過程中，土體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，強度劣化累積，局部出現(xiàn)滑動。在降水量增加、融雪期晝夜溫差增大等自然因素發(fā)生突變或人為因素干擾下，斜坡土體強度降低，穩(wěn)定性急劇下降。在上部黃土和基巖分界面出現(xiàn)滑動面，誘發(fā)滑動（圖4-d）。滑動速度、距離與凍土消融速度、土中水的富集相關(guān)。凍土消融速度越快，土中富集水越多則滑動速度快，滑距大。滑體規(guī)模與地形、地表覆蓋物、坡度相關(guān)。地表覆蓋草本植物，其根系不發(fā)達則滑體規(guī)模大、滑速快、滑距大，地表覆蓋灌木植物多、根系相對發(fā)達時，滑動前期規(guī)模大、速度相對慢、滑距小，滑動后期大塊土體快速、大規(guī)模滑動，滑距受滑動面影響，凍土消融速度越快、地形越陡，滑速越快、滑距越大。

3.2 形成機理

凍融作用可能產(chǎn)生兩種效應(yīng)：一是凍融作用可引起斜坡地下水的分布發(fā)生變化，造成地下水富集和疏散。地下水富集造成土體軟化，地下水疏散帶來靜水壓力和動水壓力突變，影響邊坡的穩(wěn)定性；二是反復(fù)凍融改變黃土結(jié)構(gòu)，降低土體強度。凍結(jié)土的強度遠遠小于天然黃土，反復(fù)凍融作用導(dǎo)致黃土強度顯著降低[16-18]。在反復(fù)凍融循環(huán)作用下，斜坡極易失穩(wěn)，在某一內(nèi)因或幾個因素發(fā)生變化后，誘發(fā)滑坡。在外力作用下，如地震或工程施工等因素作用下，坡體失穩(wěn)滑動。

喀拉吐木蘇克滑坡成災(zāi)模式為凍結(jié)弱化→冰雪消融、土體蠕變→土體強度劣化、斜坡變形、失穩(wěn)→強度劣化累積、坡體滑動的過程。當(dāng)年11 月底至次年3月初地表溫度0℃以下，氣溫持續(xù)降低，地表水排泄通道凍結(jié)，孔隙水壓力減小、土體軟化、強度弱化，斜坡的整體穩(wěn)定性變差（凍結(jié)弱化）。次年3月上旬至4月上旬，晝夜溫差大、反復(fù)凍結(jié)融化的交替，使地下水排泄受阻，地下水位上升、水力梯度大，斜坡蠕變（冰雪消融、土體蠕變）。4月地表溫度在0℃以上、冰雪漸融，黃土大孔隙性、濕陷性和垂直節(jié)理發(fā)育，土中水富集、土體結(jié)構(gòu)改變、坡面出現(xiàn)塔式構(gòu)造。地下水排泄受阻、土體內(nèi)地下水壅高，飽和黃土范圍擴大、物理力學(xué)性質(zhì)變化、強度劣化、坡體變形失穩(wěn)（土體強度劣化、斜坡變形失穩(wěn)）。斜坡土體長期強度劣化累積，在誘發(fā)因素（降水、融雪、工程擾動）作用下，斜坡土體強度降低，誘發(fā)滑動（強度劣化累積、坡體滑動）。