鄭 恒,潘雪瑛,沙楨暉,曾召田,肖 鋒,陳鏈鑫

(1.桂林理工大學 廣西建筑新能源與節(jié)能重點實驗室,廣西 桂林 541004;2.國網(wǎng)湖北省電力有限公司隨州供電公司,湖北 隨州 441300)

0 引 言

我國幅員遼闊,地形地質(zhì)條件復雜,天氣復雜多變,在強降雨等條件下經(jīng)常會誘發(fā)滑坡等自然地質(zhì)災(zāi)害,給當?shù)氐慕?jīng)濟和人民的生活帶來了嚴重的影響。例如,2010年9月1日云南保山市隆陽區(qū)瓦馬鄉(xiāng)由于強降雨誘發(fā)特大型山體滑坡,造成29人死亡,19人失蹤;2013年7月10日四川都江堰市中興鎮(zhèn)三溪村,由于持續(xù)的降雨,誘發(fā)特大型山體滑坡,造成52人死亡,109人失蹤;2014年8月27日貴州省黔南州福泉市因暴雨誘發(fā)山體滑坡,造成2個村民小組房屋被掩埋,28人死傷, 21人失蹤。此類情況不勝枚舉,一旦發(fā)生滑坡等自然地質(zhì)災(zāi)害，往往是災(zāi)難性的,滑坡以其強大的破壞力,破壞人們的生產(chǎn)生活設(shè)施,摧毀人們的家園。因此,為了預(yù)警地質(zhì)災(zāi)害，達到降低損失的目的,就必須對滑坡的變形進行監(jiān)測預(yù)報,以此正確識別滑坡內(nèi)部變形階段,并及時采取處置措施,預(yù)防滑坡的發(fā)生。

滑坡變形是地質(zhì)結(jié)構(gòu)及內(nèi)、外影響因素的綜合反映,監(jiān)測滑坡變形是分析滑坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)、變形動態(tài)特征的依據(jù)[1],其中深部位移監(jiān)測是滑坡變形監(jiān)測的重要手段。何滿潮[2]指出,通過監(jiān)測滑坡的深部位移能夠識別滑動面的具體位置而且具有較好的預(yù)測預(yù)報準確度,可以為研究滑坡運動規(guī)律提供可靠的分析依據(jù)。目前深部位移的監(jiān)測方法主要有:拉線式深部位移計、多點位移計、 TDR技術(shù)及固定式測斜儀等, 雖然這些方法都能夠根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取滑動面位置, 分析滑坡變形階段, 但是都或多或少地存在人為因素大, 難以預(yù)測坡的變形方向、測點密度小等問題,而滑動式測斜儀因具有對全孔進行監(jiān)測、精度高、受外界滑干擾因素少且能準確地監(jiān)測滑坡變形方向的特點而廣泛應(yīng)用于滑坡監(jiān)測。

準確找出滑坡的發(fā)生成因,發(fā)現(xiàn)導致滑坡發(fā)生的內(nèi)外因素,可拓深對滑坡發(fā)生規(guī)律的認知,以及時有效地預(yù)防滑坡的發(fā)生。目前,國內(nèi)外學者從導致滑坡發(fā)生的外在因素(降雨、 地震、 人類工程活動等)、 內(nèi)在因素(地形地貌、 地質(zhì)地層結(jié)構(gòu))等方面出發(fā)作了大量的研究：張均鋒等[3]對四川奉節(jié)白衣庵老蒼屋新滑坡進行了研究,提出了新滑坡發(fā)生的主要原因是降雨產(chǎn)流匯聚形成沖溝及降雨對坡面的入滲,對滑后坡體的治理方案進行了初步地探討;張茂省等[4]對西北黃土高原地質(zhì)災(zāi)害進行了詳細調(diào)查,發(fā)現(xiàn)誘發(fā)黃土滑坡的因素有自然和人為兩類因素,其中降雨和人類工程活動是最積極的誘發(fā)因素;溫智熊等[5]對廣西龍勝縣滑坡、崩塌發(fā)生的數(shù)量與降雨量進行統(tǒng)計，當日降雨量或3日降雨量達到臨界值時，易誘發(fā)滑坡、崩塌地質(zhì)災(zāi)害；Hasegawa等[6]通過對喜馬拉雅山脈地區(qū)滑坡的地質(zhì)和構(gòu)造活動進行分析,認為喜馬拉雅山脈在斷層的推進過程中發(fā)生了大量的熱液蝕變,從而導致了大規(guī)?；碌陌l(fā)生;Wang等[7]對大型黃土覆蓋區(qū)滑坡進行了鉆探和物探試驗,分析滑坡地區(qū)的工程地質(zhì)條件和活動斷裂性質(zhì)研究,提出地下水位的侵蝕和上升導致了山體滑坡的發(fā)生;廖秋林等[8]基于對三峽庫區(qū)千將坪滑坡發(fā)生后的跟蹤考察,結(jié)合資料,運用地貌學與工程地質(zhì)力學等理論分析了千將坪滑坡的成因,認為滑體脆弱地質(zhì)結(jié)構(gòu)和集中降雨是滑坡的主要成因;邱海軍等[9]采用關(guān)聯(lián)維數(shù)等方法對黃土滑坡空間分布結(jié)構(gòu)進行分析,發(fā)現(xiàn)地形地貌是影響黃土滑坡發(fā)育最大因素,次要因素是地形起伏度。從目前的研究來看,針對導致黃土、粉土滑坡成因的研究較多,但對泥巖邊坡致災(zāi)成因的研究相對較少。

我國西南地區(qū)泥巖邊坡分布廣泛,由于雨量充沛,極易發(fā)生滑坡,并造成大量的人員傷亡與經(jīng)濟損失,而對于泥巖滑坡的現(xiàn)場監(jiān)測研究卻很少。岑溪大業(yè)公田滑坡屬于典型的泥巖滑坡,利用滑動式測斜儀及農(nóng)田氣象監(jiān)測儀對泥巖滑坡進行深部位移及氣象監(jiān)測,探討了泥巖滑坡的形成模式,分析了其成因,可為預(yù)防泥巖滑坡的發(fā)生提供一定的借鑒與參考。

1 滑坡概況

廣西岑溪—羅定的岑羅高速公路是國家規(guī)劃的“五縱七橫”高速公路網(wǎng)的重要組成部分,也是廣西連接廣東、香港和澳門的黃金大通道。路線處于云開山脈之中,境內(nèi)山嶺延綿、河流縱橫,地形條件極其復雜,雨季長,降雨強度大,是廣西境內(nèi)暴雨誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的高危區(qū)。岑羅高速公路K398+562—883路段的右側(cè)即為岑溪大業(yè)公田挖方路塹邊坡。

1.1 滑坡工程地質(zhì)條件

滑坡坡頂標高230 m,坡腳標高140 m,邊坡高度90 m,東西向長320 m,南北寬約100 m,斜坡地表自然坡角為15°～25°,變形體方量約2.9×105 m3。根據(jù)地質(zhì)勘探資料,選取了最復雜的地質(zhì)斷面段作為滑坡的地質(zhì)剖面,圖1是岑溪大業(yè)公田滑坡平面圖,圖2為對應(yīng)的Ⅰ—Ⅰ′、Ⅱ—Ⅱ′、Ⅲ—Ⅲ′斷面處的剖面圖。滑坡滑床位于弱風化泥巖中,深約15～20 m,滑床底面有地下水流出,滑帶發(fā)生在約5 m厚的強風化泥巖中,滑帶在滑坡中后部西邊界上有明顯出露,滑帶厚度變化較小,滑坡滑體主要為強風化和全風化泥巖?；w厚2.5～6 m不等,前、后部薄,中部厚,滑坡后壁陡坎高約3 m。影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素有:節(jié)理裂隙發(fā)育的含薄夾層,軟弱低強度的巖碎屑夾層，含高嶺石的親水性礦物及含鉀、鈉的易溶性碳酸鹽礦物。

鉆孔揭露地層巖性自上而下為:

①粉質(zhì)黏土層,黃褐色,可塑,稍濕,含碎石,成分主要為全、強風化泥巖,局部段手捏有滑感；

②全風化泥巖, 紫紅色, 硬塑, 節(jié)理裂隙發(fā)育, 巖體破碎, 裂面多見鐵質(zhì)浸染, 巖心呈破碎狀；

③強風化泥巖,紫紅色,硬塑,節(jié)理裂隙較發(fā)育,巖體較破碎,巖心以碎塊狀、柱狀為主；

④弱風化泥巖,紫紅色,硬塑,節(jié)理不發(fā)育,巖體較完整,巖心以柱狀、長柱狀為主,裂面偶見鐵質(zhì)浸染,巖層傾角為20°～25°。

2 深部位移監(jiān)測及氣象監(jiān)測

2.1 滑動式測斜儀深部位移監(jiān)測原理

滑動式測斜儀是一種高精度儀器,使用3D-MEMS硅電容原理測斜儀探頭、 控制電纜、 導輪裝置、 顯示儀來量測測管的變形[10]。測斜管在安裝時將測斜管鉆孔下入并通過滑帶以下至穩(wěn)定段,建立起測斜管的初始位移位置,在測量時向上逐段測量測斜管與鉛垂線的夾角,而后運用幾何關(guān)系換算出測斜管的水平傾斜量。

圖1 岑溪大業(yè)公田滑坡地質(zhì)平面圖Fig.1 Geological plane map of Gongtian landslide in Daye, Cenxi

圖2 Ⅰ—Ⅰ′(a)、Ⅱ—Ⅱ′(b)與Ⅲ—Ⅲ′(c)剖面圖Fig.2 Section of Ⅰ-Ⅰ′(a),Ⅱ-Ⅱ′(b) and Ⅲ-Ⅲ′(c)① —粉質(zhì)黏土;② —全風化泥巖;③ —強風化泥巖;④ —弱風化泥巖

某一深度處側(cè)向位移大小的計算公式為

(1)

式中:d為某一深度處測斜管軸線與鉛垂線之間的偏移量, mm;l為測頭的導輪標準間距, 為500 mm;αi為第i測量段測斜管與鉛垂線之間的夾角, °。 計算原理簡圖見圖3。

根據(jù)式(1)計算得到測斜管沿深度方向的測量結(jié)果, 然后繪制側(cè)向位移隨時間和深度變化的各種關(guān)系曲線, 進而可確定滑坡深部土體位移量的大小、 方向、變化速率及變化加速率等具體數(shù)值。

圖3 滑動式測斜儀工作原理Fig.3 Composition and calculating principle of slide inclinometer

2.2 氣象監(jiān)測原理

本次試驗使用的是TRM-ZS2型數(shù)字高精度自動氣象監(jiān)測系統(tǒng), 利用陽光氣象系列傳感器、 自動氣象站記錄儀、 監(jiān)測系統(tǒng)分析軟件、 FS-1U盤存儲控制器及太陽能電池板供電設(shè)備實現(xiàn)實時、 全天候監(jiān)測收集環(huán)境和氣象數(shù)據(jù), 可以觀測降雨量、 土壤濕度、 土壤水勢、 環(huán)境溫度、 環(huán)境濕度、 露點溫度、 風速、 風向、 氣壓等數(shù)據(jù)指標(表1)。 該氣象站可與GPS定位系統(tǒng)、 GPRS、 GSM通信和Modem等設(shè)備連接, 具有性能穩(wěn)定、 檢測精度高、 無人值守的特點, 可滿足專業(yè)氣象觀測的業(yè)務(wù)要求[11]。

表1 TRM-ZS2型自動氣象站觀測技術(shù)指標

2.3 深部位移監(jiān)測及氣象監(jiān)測系統(tǒng)的儀器布設(shè)

2014年7月25日完成了監(jiān)測設(shè)備的安裝與調(diào)試工作,7月28日開始專業(yè)監(jiān)測。本監(jiān)測系統(tǒng)共布置1個小型農(nóng)田氣象監(jiān)測站、8個測斜管(滑坡前緣3個、滑坡中部2個、滑坡后緣3個)。在監(jiān)測過程中,需要定期人工監(jiān)測,因交通不便共僅收集了10次監(jiān)測數(shù)據(jù)。2015年10月25日再次進行量測時,發(fā)現(xiàn)測管因變形過大而被剪壞,致使無法繼續(xù)監(jiān)測。

2.4 深部位移監(jiān)測數(shù)據(jù)及氣象成果分析

從整個滑坡地形考慮,由于測孔較多,分別選取前緣測孔ZK3、中部測孔ZK4、后緣測孔ZK5進行深部位移數(shù)據(jù)分析(圖4)。這3個深部位移監(jiān)測點兼顧了滑坡發(fā)育的影響范圍,能提供滑坡的滑動面、位移量、位移速率等代表性參數(shù)。

從前緣監(jiān)測孔ZK3的曲線圖4a可以看出,位移幾乎完全是由2～7 m孔段產(chǎn)生,孔口處最大滑動位移38 mm,曲線存在2個明顯的滑面；孔口至孔深2.5～3 m段,曲線拐點位置明顯,存在一個活躍的滑動帶；在孔深5 m處有一峰值為40 mm的波峰,波形形狀明顯,在5 m處形成了二級滑坡面,滑坡體前緣沿多層面滑動,且以5 m處的滑動面為主。從中部監(jiān)測孔ZK4的曲線圖4b可以看出,位移基本上是由2.5～7 m孔段產(chǎn)生,孔口處最大滑動位移140 mm,曲線在5.5 m處形成了較明顯的滑動面, 滑動面以上滑動位移較大, 而下部位移較小, 滑坡以淺層整體滑移為主。 從后緣監(jiān)測孔ZK5的曲線圖4c可以看出, 位移基本上是由1.5～8.5 m孔段產(chǎn)生, 孔口處最大滑動位移60 mm； 孔口至孔深3.5 m段, 曲線拐點位置明顯, 存在一個活躍的滑動帶；在孔深5 m處存在一峰值為57 mm的波峰, 波形形狀較明顯, 在此處形成了二級滑動面， 且以此處的滑動為主。 可知, 岑溪大業(yè)公田組滑坡以淺層多層滑動面為主, 反映了淺層多層面滑動的滑坡特點。 綜上, 在2～3 m深度處,滑坡前緣和滑坡后緣的土體變形特征較為一致,而在中部有所不同。根據(jù)現(xiàn)場實地調(diào)查和地質(zhì)勘探資料, 當?shù)卮罅棵穹俊?民宅修建在滑坡中部地區(qū), 使得滑坡中部淺層土體內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變, 導致滑坡中部的淺層土體變形特征與滑坡前緣和滑坡后緣變形特征有所不同。 滑坡體在前緣、 中部、 后緣深部累計位移變化較大, 中部孔口處深部累計位移甚至達到140 mm, 表明滑坡體內(nèi)部已經(jīng)出現(xiàn)較明顯的滑動跡象, 應(yīng)及時采取防護措施,避免滑坡體進一步發(fā)育。

圖4 ZK3(a)、 ZK4(b)與ZK5(c)測孔沿Y方向累計位移-深度變化曲線Fig.4 Cumulative displacement curves of ZK3(a), ZK4(b) and ZK5(c) hole varying along Y direction with depth

分析圖5～6知, 受2015年6月17—21日, 8月8—12日, 8月29—9月4日, 9月26—29日強降雨影響, 地表位移速率陡增至最大, 而滑帶處位移速率分別在滯后不同天數(shù)后才增至最大, 其中3號前緣監(jiān)測孔滯后16～18天，4號中部監(jiān)測孔滯后8～10天, 5號后緣監(jiān)測孔滯后24～26天。 由此可知，岑溪大業(yè)公田組滑坡的地表位移速率與降雨量具有很好的相關(guān)性, 而滑坡的深部位移速率與降雨量具有一定的滯后性， 且表現(xiàn)出對后緣滑帶土的變形影響大, 平均日變形量為0.43 mm/d, 滯后時間長,達16～18天; 對中部滑帶土的變形影響最大, 平均日變形量達2.12 mm/d, 滯后時間較長, 達8～10天; 對前緣滑帶土的影響較大,平均日變形量為0.15 mm/d, 滯后時間最長, 達24～26天,體現(xiàn)了漸進推移式滑坡的變形特點。

圖5 地表下1 m處位移速率與時間的關(guān)系曲線Fig.5 Displacement rate and rainfall at 1 m below the earth surface

圖6 滑帶處位移速率與時間的關(guān)系曲線Fig.6 Displacement rate and rainfall at slip band

從力學機制上看,岑溪大業(yè)公田組滑坡后部滑帶較陡峭(坡度約為25°～30°),在強降雨作用下,滑坡的重度增加,下滑力迅速增大,滑坡后緣滑帶土產(chǎn)生的位移變化逐漸向前緣和中部傳遞,在較平緩的滑坡中部及滑坡前緣,由于坡度較平緩,對于滑坡后緣傳來的能量具有有效的緩沖作用；當降雨停止,滑坡土體恢復至天然狀態(tài),滑坡后緣的位移變化逐漸穩(wěn)定,而中部及前緣仍有一個位移變化的階段,反映了降雨量對滑坡中部及前緣位移變化具有較大滯后性。

3 滑坡發(fā)生的成因分析

3.1 滑坡的地質(zhì)成因

巖體破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育、強度低,含有大量親水性及易溶性礦物的風化泥巖結(jié)構(gòu)是岑溪大業(yè)公田組滑坡發(fā)生的決定因素:現(xiàn)場地質(zhì)勘查探明,斜坡上部覆蓋層主要為殘坡積物、崩坡積物,夾少量全風化泥巖屑,斜坡中部和下部分別為不同風化程度的泥巖,斜坡自上而下出現(xiàn)不同破碎程度的泥巖屑體,巖體破碎,節(jié)理裂隙發(fā)育,這種地層結(jié)構(gòu)極利于雨水自上而下持續(xù)補充地下水,并入滲到下部泥巖中,巖層中的泥質(zhì)碎屑、軟弱夾層長期浸泡在水中,促使土體的強度降低。據(jù)巖礦分析報告中風化泥巖中高嶺石含量10%～15%,含鉀、鈉等碳酸鹽礦物15%～20%,高嶺石等親水性礦物成分遇水膨脹、脫水收縮[12],對含水量的變化極其敏感,在雨季前后土體會發(fā)生相應(yīng)的脹縮效應(yīng),對邊坡的穩(wěn)定十分不利。含鉀等碳酸鹽礦物具有可溶性,極易在水溶液中發(fā)生電離,致使土體組成成分被破壞,從而使邊坡的強度降低,誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。

3.2 滑坡的環(huán)境成因

高強度、持續(xù)的降雨是岑溪大業(yè)公田組滑坡發(fā)生的主要誘發(fā)因素:根據(jù)岑溪大業(yè)公田組滑坡監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示,受2015年6月17—21日、 8月8—12日、 8月29—9月4日、 9月26—29日持續(xù)強降雨影響下,滑坡位移速率明顯增至最大,表明在降雨的作用下,加速了滑坡的發(fā)生。持續(xù)、高強度降雨作用下,水大量進入斜坡內(nèi),使?jié)撍嫔仙?極易出現(xiàn)孔隙水壓力短時間內(nèi)瞬時增大,孔隙水壓力對潛在破裂面上的巖土體起著浮托作用,降低了破裂面上的正應(yīng)力,持續(xù)性降雨使地表水滲入坡體,軟化了土壤及其中的軟弱面,消弱了阻滑力,又附加了坡體的自重，因而使土的強度降低,最終導致滑坡的發(fā)生。

高速公路的修建導致坡腳不合理的開挖及對坡面植被的破壞等其他人類活動是大業(yè)滑坡發(fā)生的影響因素。2010年4月岑羅高速公路建成通車,由于高速公路的開工建設(shè)，不合理的開挖坡腳致使斜坡坡度過大,土體的穩(wěn)定性變差。2010年5月30日,當?shù)貒临Y源部門便在地質(zhì)巡查中發(fā)現(xiàn),岑溪大業(yè)鎮(zhèn)公田組山體出現(xiàn)了最大約13 cm的裂縫,雨水沿裂縫滲出,致使依山而建的房屋傾斜、墻體斷裂、地面下陷、樓房樓體斷裂,可見岑羅高速高路在修建后對岑溪大業(yè)公田組滑坡存在一定的影響。加之當?shù)鼐用袢斯ら_挖坡面,致使坡面的植被被砍伐,邊坡植被具有很好的錨固作用和加筋作用,增強土體的強度和穩(wěn)定性。一旦破壞邊坡的植被,使斜坡完全暴露在雨水之下,在雨滴的濺蝕作用下,土壤的結(jié)構(gòu)極易遭受破壞,發(fā)生分離、破裂、位移。

綜上所述,巖體破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育、強度低,含有大量親水性及易溶性礦物的風化泥巖結(jié)構(gòu)是岑溪大業(yè)公田組滑坡發(fā)生的決定因素;高強度、持續(xù)的降雨作用是岑溪大業(yè)公田組滑坡發(fā)生的主要誘發(fā)因素;高速公路修建導致的坡腳不合理的開挖及對坡面植被的破壞等其他人類活動是大業(yè)滑坡發(fā)生的影響因素。

4 結(jié) 論

基于岑溪大業(yè)公田滑坡的深部位移及氣象監(jiān)測過程,對泥巖滑坡從變形整個過程中的累計位移隨時間、位移速率隨降雨量的變化規(guī)律進行了系統(tǒng)地分析,分析了其發(fā)生的成因,得到了以下主要結(jié)論和認識:

(1)通過對岑溪大業(yè)公田滑坡深部位移數(shù)據(jù)分析可知,滑坡以淺層多層滑動面為主,反映了淺層多層滑動面滑動的特點。

(2)通過對岑溪大業(yè)公田滑坡地下1 m處及滑坡深部滑帶位移速率與降雨之間的圖形規(guī)律分析, 得出滑坡地表下1 m處的位移速率與降雨量具有一定的相關(guān)性, 而滑坡深部滑帶處的位移速率與降雨量之間具有一定的滯后性, 滑坡后緣、 中部及前緣滑帶變形分別為滯后約16～18天、 8～10天與24～26天, 體現(xiàn)了漸進推移式滑坡的特點。

(3)通過對岑溪大業(yè)公田滑坡地質(zhì)及環(huán)境成因分析,結(jié)果表明巖體破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育、強度低,含有大量親水性及易溶性礦物的風化泥巖結(jié)構(gòu)是岑溪大業(yè)公田組滑坡發(fā)生的決定因素;高強度、持續(xù)的降雨作用是岑溪大業(yè)公田組滑坡發(fā)生的主要誘發(fā)因素;高速公路的建設(shè)對岑溪大業(yè)公田滑坡坡腳不合理的開削挖及坡面植被的破壞等其他人類活動是大業(yè)滑坡發(fā)生的影響因素。