三峽庫區(qū)大坡滑坡成因機制分析及穩(wěn)定性評價

李厚芝， 葉霄， 朱鴻鵠,3*， 李長明

(1.中國地質調查局探礦工藝研究所， 成都 611734； 2.南京大學地球科學與工程學院， 南京 210023； 3.南京大學(蘇州)高新技術研究院， 蘇州 215123)

近年來，全球高溫、干旱、暴雨等極端氣候事件頻發(fā)，地質災害監(jiān)測預警及應急防治的形勢非常嚴峻。自1963年意大利Vajont水庫滑坡之后，庫岸滑坡的防治引起了全世界工程地質領域的高度重視[1-4]。長江三峽庫區(qū)是中國地質災害最為嚴重的地區(qū)之一，一旦發(fā)生大規(guī)模的崩塌滑坡災害事件，不僅會造成巨大的直接經濟損失和人員傷亡，還可能引發(fā)涌浪、堰塞湖等級聯災害問題[5-6]。因此，針對三峽庫區(qū)典型滑坡開展地質勘察與現場監(jiān)測，進而掌握其成因機理對于確保三峽工程安全運營、提高滑坡防治水平具有重要的意義[7-8]。

三峽庫區(qū)地質災害的分布具有明顯的地域性，受地形地貌、地層巖性、地質構造和岸坡結構的綜合控制[9-12]。自2003年三峽庫區(qū)首次蓄水以來，已構建了一套較為完備的滑坡監(jiān)測預警體系，在滑坡變形機制和應急處置方面也取得了一系列科研進展[13]。Song等[14]以三峽庫區(qū)樹坪滑坡為研究對象，分析了地表位移、日降雨量、地下水位等指標的關聯性，確定庫水位下降是加速滑坡變形的主控因素。Wang等[15]通過野外調查、現場鉆孔和攝影測量等方法，研究了萬州孫家滑坡的變形破壞機制，為判識該類滑坡的演化過程提供了參考。胡新麗等[16]、Liu等[17]分別通過數值模擬和模型試驗，研究了抗滑樁對庫區(qū)滑坡的支護作用，揭示了長期水庫運行條件下樁土的相互作用，為抗滑樁設計優(yōu)化提供了參考。近年來，人工智能、機器學習等技術相繼被引入滑坡預測預報，取得了良好的應用效果[18-21]。

盡管過去幾十年在滑坡監(jiān)測預警方面取得了較大的進展，大多數滑坡卻發(fā)生在沒有探明的區(qū)域[22-23]。2017年6月17日，三峽庫區(qū)奉節(jié)段的大坡滑坡發(fā)生了大變形滑移，對鄰近區(qū)域的生活區(qū)安全構成威脅。現通過大量的野外調查和鉆孔勘察，結合地表位移、降雨和庫水位數據，分析大坡滑坡的變形發(fā)展過程及成因機制；采用基于剛體極限平衡理論的傳遞系數法，評估滑坡的穩(wěn)定性，并給出應急處置方案。旨在認清該類非涉水覆蓋層滑坡的孕災機理與變形特征，為指導治理工程設計提供參考依據。

1 滑坡區(qū)概況

大坡滑坡位于重慶市奉節(jié)縣安坪鄉(xiāng)境內，地處長江南岸。該地屬中緯度亞熱帶暖濕東南季風氣候區(qū)，氣候溫和濕潤，具有夏秋多雨、冬春多霧的特點。該地多年平均降雨量為1 147.9 mm，年最大降雨量為1 636.3 mm，日最大降雨量達141.3 mm。降雨多集中于5—9月，12月至翌年2月降雨較少。

1.1 地質條件

研究區(qū)總體地貌類型為構造侵蝕剝蝕低中山河谷地貌，屬于大斜坡地貌，斜坡前緣為臺地平坦區(qū)域，后緣接自然斜坡。在地質構造上位于四川臺坳之川東褶皺帶展布區(qū)，構造上以東西向-北東向的褶皺為主，斷裂不發(fā)育。

滑坡區(qū)出露的主要地層有三疊系上統須家河組(T3xj)、侏羅系下統珍珠沖組(J1z)和第四系松散堆積物(Q4)。其中J1z組薄至中厚層黃褐色細粒巖屑石英砂巖和黑色頁巖、青灰色砂質頁巖、雜色泥質粉砂巖，為大坡滑坡勘查區(qū)內主要地層，巖層產狀為 345∠24°。Q4組地層主要為崩坡積物(Q4col+dl)，在滑坡范圍內周邊分布較多，為滑坡活動后的殘留物質。根據鉆孔調查結果，區(qū)內大面積被土體覆蓋，基巖僅局部出露，主要出露于滑坡邊界地區(qū)、沖溝溝尾處。

區(qū)內地下水類型為松散巖類孔隙水和基巖風化裂隙水。前者主要分布于滑坡堆積物中，分布零星，主要受大氣降水補給，地下水埋深一般5～7 m；后者基巖裂隙水主要賦存于三疊系和侏羅系砂巖風化裂隙中。

根據調查，區(qū)內的人類工程活動以農業(yè)經濟活動和工程建設活動為主。農業(yè)經濟活動以種植臍橙等對坡表的微修整，對地質環(huán)境的影響較小。工程建設活動主要表現為住房修筑、堰塘和排水溝等水利設施、道路交通建設，近年來呈逐漸增多趨勢。

1.2 滑坡概況

如圖1所示，滑坡區(qū)平面形態(tài)呈類矩形狀，后緣呈弧形；剖面形態(tài)呈順向自然斜坡，主滑動方向為342°，斜坡沿北北西向展布。滑坡邊界前、后部及左側均發(fā)育有復活跡象的滑坡群。由圖2可知，滑坡前后緣相對高差105～160 m，為不涉水滑坡。滑坡長約310 m，寬約280 m，自然坡度為20°～30°，平均坡度為25°左右，與巖層傾角基本一致。滑體為砂質頁巖及其上覆塊石土，土體厚0.5～1.8 m，巖體厚度2.0～13.2 m，平均厚度約7 m，總方量約6.1×105m3。

滑體物質組成主要包括人工堆積、崩坡積塊石土及下伏基巖。人工堆積層成分混雜，主要分布于滑坡表層，分布厚度多小于1.5 m，對滑坡有加載、破壞作用。崩坡積物為碎塊石夾少量的粉質黏土，厚0.5～3.1 m。據鉆孔揭露，塊石土在空間上無序排列，碎塊石含量為70%～80%，塊徑以30～60 cm居多，大塊石可見斜層理發(fā)育。

滑帶物質主要為松散堆積、崩坡積物與下伏基巖接觸面形成的基覆接觸面含泥化物質，屬于軟弱結構面，結構面產狀為345°∠22°～24°。巖層層面分離平直光滑，由于基覆界面上下巖土體物理力學性質差異易發(fā)生滑移變形。滑床主要為下伏砂巖、薄層狀炭質頁巖、砂質頁巖組成。滑床傾向與坡向相同，砂巖與炭質頁巖呈互層的軟硬相間地層，物理力學性質較差，不利于上覆堆積層的穩(wěn)定。

圖2 滑坡2-2′剖面示意圖Fig.2 Profile (section line 2-2′) of the landslide

根據滑坡區(qū)現場鉆孔地質調查及監(jiān)測數據分析，判定該滑坡為三級多層軟弱面順層巖質滑坡。大坡滑坡于2017年6月17日發(fā)生大變形滑移，此前尚無布設專業(yè)監(jiān)測設備。滑坡前緣及后緣威脅到30多家住戶的生命財產安全。由于滑坡本身土體較薄，厚度0.2～3.5 m，且由于巖土界面基本與產狀一致，為20°～26°，滑坡出現大面積的表層溜坍變形。如圖2所示，自上而下I級滑坡潛在滑面位于1.7～4.5 m深的表層崩坡積物與下伏砂巖或砂質、炭質頁巖接觸面，剪出口位于滑坡中部水池后緣，高程395.86 m；Ⅱ級滑坡潛在滑動面位于4.2～8.5 m深的砂巖、砂質頁巖接觸面，剪出口位于滑坡前部較陡的臨空區(qū)，高程362.73 m；Ⅲ級滑坡潛在滑動面位于5.7～13.2 m深的砂質頁巖、炭質頁巖接觸面，剪出口位于滑坡前緣居民區(qū)內，高程358.78 m。

圖1 大坡滑坡平面示意圖Fig.1 Sketch map of the Dapo landslide

2 滑坡變形規(guī)律及成因機理

2.1 滑坡宏觀變形特征

根據現場調查，滑坡現場范圍內變形主要為兩種，一種為巖質順向滑動變形，另一種為表層土體溜坍變形，如圖3所示。

圖3 滑坡現場宏觀變形特征Fig.3 Deformation characteristics of the landslide

巖質順向滑動變形主要出現在2-2′剖面水池臨空處及7-7′剖面房屋后側臨空處。在前一位置表現為基巖出露出現擠壓錯動變形，向前錯動約15 cm。在后一位置表現為臨空巖體已滑動造成已有堡坎垮塌變形，暴雨情況引起前緣臨空處巖質滑坡順巖層層面滑動。

表層土體溜坍變形主要分布于大坡滑坡中后緣。由于后緣較陡，土體易受微地貌控制，在暴雨情況下較可能發(fā)生局部土體溜坍。經探槽揭露后緣裂隙均為土體裂隙巖體內未見裂隙，滑坡范圍內村道、水池外側公路也出現多條長達數米的拉張裂縫，裂縫寬度3～5 cm。

2.2 滑坡監(jiān)測數據分析

目前滑坡體上共布設4個GPS自動監(jiān)測點和1個雨量監(jiān)測站，監(jiān)測儀器布置如圖1所示。圖4展示了地表位移與庫水位升降及大氣降水的關系曲線。根據長期監(jiān)測結果，發(fā)現區(qū)內地表變形均經歷了一段時期內(2017年6月20日—10月31日)隨降雨的快速響應，地表位移迅速增大，最大達到約700 mm，其后表現出地表變形與降雨量、庫水位升降弱相關的特征。綜合分析可知，該段時間內，豐富的降雨是誘發(fā)滑坡加速變形的主要因素；大坡滑坡自2017年6月初開始進入加速變形階段，盡管已采取了應急處治措施，滑坡在降雨入滲條件下仍尚未穩(wěn)定且進一步變形加劇。

圖4 滑坡位移與庫水位、降雨時間關系曲線Fig.4 Relationship between surface displacement, reservoir water level and rainfall

2017年7月大坡滑坡月變形量最大的點為23#測點(水池附近)，該點月變形量為145 mm；同期位于滑坡西側22#(滑坡西側溜坍區(qū))監(jiān)測點，該點月變形量為136 mm。各點的變形規(guī)律與降雨高度相關，至10月初隨著降雨減少、設置截排水系統等應急處治措施下，變形逐漸趨于穩(wěn)定。當雨季結束后，由于降雨對巖土體的水力損傷移除，變形的巖土體在抗滑樁的支擋作用下重新趨于平衡，因此后期的降雨作用下，降雨條件下變形響應變得不敏感。另一方面，由于滑坡前緣距長江水位線高差達約170 m，為三峽庫區(qū)典型的非涉水滑坡，滑坡變形演化與庫水位升降沒有表現出明顯的相關性。

為進一步揭示滑坡變形的動態(tài)演化規(guī)律，選取滑坡西側邊界最近的GPS20所記錄的位移與降雨及庫水位升降進行相關性分析。從圖5可以明顯看出，變形的發(fā)展與降雨事件高度相關，降雨事件觸發(fā)，變形增加立即表現出來，降雨間歇期則變形微渺，從而形成了明顯的“臺階狀”曲線。值得注意的是，20#測點的位移也沒有表現出與庫水位升降的明顯關系。因此，總體上看大坡滑坡22#、23#測點附近受微地貌控制，局部變形強烈，變形主要受降雨影響。

圖5 GPS 20#位移與庫水位、降雨時間關系曲線Fig.5 Relationship between displacement of GPS 20#, reservoir water level and rainfall

2.3 滑坡變形成因機制

從地形地貌看，滑坡區(qū)整體為斜坡地帶，坡度角20°～26°，局部陡坎。滑坡前緣切坡、臨空，為滑坡形成提供了一定的條件。從地質構造來看，滑坡區(qū)內巖層產狀為320°∠22°～26°，滑坡為順向坡，巖土界面傾角為20°～26°，基本與地面坡度一致。

滑床巖層以砂質頁巖、薄層狀炭質頁巖為主，透水性較差，為相對隔水層。滑坡物質為滑塌體堆積的塊石土、砂巖及砂質頁巖等，總體結構稍密，弱-強滲透性，地層結構及巖性對滑坡坡體形成沿滑床的地下水水流有利，易形成地下水。

由于滑體主要由碎、塊石土及砂巖組成，滑床基巖巖性大部分為砂巖及頁巖，為相對透水層，頁巖為相對隔水層。因此，在巖層層面接觸部經雨水的長期水蝕易形成軟弱帶。

該地常年雨量充沛，不斷補給地表水，在雨季流量較大部分下滲形成地下水。區(qū)內已有公路及沖溝截排，地表水對地表土體的沖刷、掏蝕、侵蝕、軟化作用不大。但降雨下滲將抬高地下水水位，增大水壓力，土體被侵蝕、軟化。從空間上看，滑坡處于山體的斜坡中前部位，地下水排泄區(qū)較多，暴雨時大量雨水下滲，增加滑體土質量，同時使巖層層面親水礦物產生溶解、軟化，進而促使坡體變形不斷發(fā)展。

在人類活動方面，前緣高切坡為滑坡的生成提供了剪出條件；居民區(qū)的修建和人類活動增加了滑體的荷載，在適宜時足以造成推移下滑；地表裂縫加快了地表水的下滲，進一步促進了滑坡的形成和發(fā)育。

3 滑坡穩(wěn)定性評價

根據滑坡的成因分析，滑坡滑動主要沿巖層層面滑移，其滑面形態(tài)為近似于平面滑動型，但由于滑面傾角還是有一定變化，故按折線型滑動法分析。滑體厚度小，易受地下水、地表水影響，巖層層面與地形坡度基本一致，易產生下滑。滑坡前緣臨空，且前緣變形明顯，前緣已明顯滑動錯動，故滑坡屬于牽引式滑動坡壞，為典型的順向巖質滑坡。

3.1 計算模型及計算方法

滑面形態(tài)為平面滑動型，故采用基于剛體極限平衡理論的折線型滑動(傳遞系數法)計算滑坡的穩(wěn)定性及推力，計算模型如圖6所示[24]。安全系數計算公式為

(1)

式(1)中：Fst為滑坡安全系數；Ri為作用于第i塊的抗滑力；Ti為作用于第i條塊滑動面上的下滑分力；Ψj為傳遞系數，第i條塊的剩余下滑力傳遞至第i+1塊時的傳遞系數(j=i)，其表達式為

ψj=cos(θi-θi+1)-sin(θi-θi+1)tanφi+1

(2)

式(2)中：θi為第i條塊底面傾角；φi為第i條塊滑動面上的內摩擦角。

抗滑力Ri的計算公式為

Ri=Nitanφi+cili

(3)

式(3)中：Ni為第i條塊滑動面的法向分力；ci為第i條塊滑動面上的黏聚力；li為第i條塊滑動面的長度。

Ni=Wicosθi+PWisin(αi-θi)

(4)

式(4)中：Wi為第i條塊自重與建筑等地面荷載之和；PWi為第i條塊單位寬度的靜水壓力；αi為作用方向的傾角。

Wi=Viuγ+Vidγ′+Fi

(5)

式(5)中：γ和γ′分別為巖土體的天然容重和浮容重；Fi為第i條塊所受地面荷載。

下滑分力Ti的計算公式為

Ti=Wisinθi+PWicos(αi-θi)

(6)

靜水壓力PWi的表達式為

PWi=γwiVid

(7)

圖6 傳遞系數法計算模型示意圖Fig.6 Sketch of computation model of safety factor using transfer coefficient method

式(7)中：i為水力梯度；γw為水的容重；Vid為第i條塊單位寬度巖土體的浸潤線以上體積。

下滑推力計算公式為

Pi=Pi-1φi+FstTi-Ri

(8)

式(8)中：Pi、Pi-1分別為第i塊、第i-1塊滑體的剩余下滑力。

3.2 計算參數取值

根據研究區(qū)的受荷及環(huán)境特點，考慮兩種工況(工況Ⅰ：自重+地表荷載；工況Ⅱ：自重+地表荷載+20年一遇暴雨)，對滑坡體穩(wěn)定性進行計算。

參數選取方面，按照《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)[25]，對原位樣進行室內物理力學試驗，得到土體(滑體土、滑帶土)的天然重度取19.30 kN/m3，飽和重度取19.58 kN/m3。由于研究滑坡屬于順向巖質滑坡，覆蓋層較薄，滑體主要由砂巖、砂質頁巖組成，故考慮滑坡厚度及巖土體性質，取1.3的儲備系數，得到滑體天然重度取25.10 kN/m3，飽和重度取25.45 kN/m3。

另一方面，通過開展現場大型剪切試驗、現場調查經驗法和基于極限平衡理論的反算法，綜合確定各巖層層面的強度參數。現場深挖探井SJ01、SJ02為關鍵巖層層面的大型剪切試驗提供了有利的條件，獲取了一手的巖土體物理力學試驗數據。對不考慮地下水影響且已經發(fā)生滑坡的邊坡，通常認為其暫時處于極限平衡狀態(tài)，安全系數為Fst=1，令Pi=0(圖6)，則可反算得到巖體滑帶抗剪強度參數[26]。砂巖巖層、砂質、炭質頁巖層面直接采用反算指標，其余層面采用經驗參數結合大剪試驗綜合取值確定，如表1所示。

3.3 穩(wěn)定性評價

選取1-1′、2-2′和7-7′三處臨空坡計算。對存在明顯淺層的順向巖質滑坡后緣采用直接拉通計算整體穩(wěn)定性，對較深層滑動順向巖質滑坡采用條塊搜索計算，牽引區(qū)后緣通過搜索后穩(wěn)定系數小于1.10處確定，同時剩余下滑力最大值處采用搜索穩(wěn)定系數為1.00處確定。計算結果見表2。

根據計算結果，1-1′和2-2′剖面順向臨空處暴雨狀態(tài)下整體穩(wěn)定系數大于1.15，為穩(wěn)定狀態(tài)，但滑坡為順向巖質牽引式滑坡，前緣存在拉開后滑動可能，該范圍內牽引區(qū)為基本-欠穩(wěn)定狀態(tài)；這與現場經過降雨影響后2-2′剖面順向臨空處巖體錯動 15 cm 的變形基本一致。工況Ⅱ下1-1′、2-2′和7-7′剖面在明顯臨空處處于欠穩(wěn)定～基本穩(wěn)定，表明 2-2′ 剖面順向臨空處穩(wěn)定性受降雨影響明顯，這與監(jiān)測情況基本一致。

表2 滑坡穩(wěn)定性計算結果

根據以上分析可以判斷，大坡滑坡整體處于基本穩(wěn)定-欠穩(wěn)定狀態(tài)，須對滑坡體實施治理。綜合考慮該滑坡的工程地質和水文地質條件，建議采用“抗滑樁板墻+截排水工程”方案。抗滑樁可布置于各剪出口范圍附近，起到支擋作用。另一方面，由于滑坡本身土層較薄，且后緣陡峭，在暴雨情況下可能發(fā)生局部溜坍，因此需修建完善的滑坡區(qū)截排水系統，同時在滑坡范圍內嚴格禁止開挖切坡等工程活動。建議的“抗滑樁板墻+截排水工程”治理措施于2017年10月底完成。根據現場監(jiān)測結果顯示(圖4)，在2018年整個水文年內區(qū)內地表位移均無明顯增長，表明治理措施有效，為相似的工程地質條件下淺層多級滑面順層巖質滑坡處置提供了重要的參考。

4 結論

在野外調查、鉆孔勘察、現場監(jiān)測、室內試驗和模型計算的基礎上，分析了大坡滑坡的變形特征、成因機制，并對人類工程活動和極端降雨兩種工況下進行了穩(wěn)定性評價，得到以下結論。

表1 各巖層層面抗剪參數取值

(1)大坡滑坡屬于多級滑面順層巖質滑坡，持續(xù)性降雨/強降雨和工程活動是滑坡變形的主要外因，庫水位升降的影響甚微。薄層堆積體下砂巖、砂質頁巖及炭質頁巖層面在水蝕作用下的強度弱化是該滑坡變形的內因。

(2)大坡滑坡在雨季持續(xù)強降雨條件下會有明顯的位移響應，經治理后變形隨降雨的敏感性顯著降低。

(3)滑坡穩(wěn)定性計算結果與現場宏觀變形特征、實測數據一致，說明人類工程活動會對滑坡形成和發(fā)育產生一定影響，極端降雨事件對滑坡穩(wěn)定性下降的影響十分顯著，因此必須加強群測群防。