李瑞園　鄭博　梁軍林　容洪流

摘 要：為研究上部覆蓋層下伏頁(yè)巖這一類(lèi)型的滑坡失穩(wěn)變形，需要確定其變形的潛在影響因素，從定量角度上分析這一類(lèi)型滑坡災(zāi)害的變形演化問(wèn)題。以容縣六王鎮(zhèn)西流河潛在滑坡為研究對(duì)象，借助鉆孔勘探、室內(nèi)試驗(yàn)和地質(zhì)調(diào)繪，詳細(xì)分析了西流河滑坡的工程地質(zhì)概況，并推測(cè)其可能的變形演化機(jī)制，然后利用Geostudio數(shù)值軟件建立西流河滑坡的滲流模型，模擬其在不同降雨工況下的滲流規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)：西流河滑坡在持續(xù)降雨過(guò)程中穩(wěn)定性系數(shù)從1.224逐步降低至1.09，穩(wěn)定性系數(shù)不斷下降，滑坡體內(nèi)由垂直入滲逐步轉(zhuǎn)化沿滑動(dòng)帶穩(wěn)定滲流;當(dāng)遭遇極端暴雨情況（50年重現(xiàn)期）時(shí)，滑坡體內(nèi)穩(wěn)定滲流場(chǎng)顯著增厚，飽和滑帶土增多，滑坡安全儲(chǔ)備達(dá)到極限。由此可以得出：上部覆蓋層下伏頁(yè)巖一類(lèi)滑坡變形演化過(guò)程主要分滑坡體上部覆蓋層堆積階段，垂直入滲至頁(yè)巖富水軟化階段和穩(wěn)定滲流至潛在滑動(dòng)帶軟化蠕變這3個(gè)階段;其中上部覆蓋層的高滲透性和下伏頁(yè)巖的隔水特征是導(dǎo)致頁(yè)巖風(fēng)化帶軟化蠕變和穩(wěn)定滲流場(chǎng)形成的關(guān)鍵因素。研究結(jié)果為上部覆蓋層下伏頁(yè)巖這一類(lèi)滑坡影響因素的研究提供了一些證據(jù)，對(duì)研究滑坡演化變形機(jī)制具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：巖土力學(xué);滑坡;廣西容縣;頁(yè)巖;滲流模擬;失穩(wěn)機(jī)制

中圖分類(lèi)號(hào)：P642.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： In order to study the landslide instability deformation of the shale under the upper overburden， it is necessary to determine the potential influencing factors of the deformation and analyze the deformation evolution of this type of landslide disaster from a quantitative perspective.Taking the potential landslide of Xiliu River in Liuwang Town， Rongxian County as the research object， ?with the aid of drilling exploration， indoor test， geological annotation， the general situation of engineering geology of Xiliu River landslide was analyzed in detail， and the possible mechanism of deformation evolution was speculated. Then， the seepage model was established by using Geostudio numerical software to simulate its seepage law under different rainfall conditions. The results show that the stability coefficient of Xiliu River landslide gradually decreases from 1.224 to 1.09 in the process of continuous rainfall and the landslide body gradually changes from vertical infiltration to the stable seepage flow along the slip zone; When extreme rainstorm is encountered （50year recurrence period）， the stable seepage field in the landslide body thickens significantly， the saturated slide zone soil increases， and the landslide safety reserve reaches the limit. It can be concluded that the evolution process of the landslide deformation of the underlying shale in the upper overburden is mainly divided into three stages： The accumulation stage of the overburden of the landslide body， the vertical infiltration stage to the waterrich softening stage of the shale， and the stable seepage stage to the softening creep stage of the potential sliding zone. The high permeability of the upper overburden and the waterproof characteristics of the underlying shale are the key factors leading to the formation of in the shale weathering zone. The results of this study provide some evidence for influencing factors and evolutionary deformation mechanism of the landslide such as the underlying shale in the upper overburden.

Keywords：geomechanics;landslide; Rongxian county， Guangxi; shale; seepage simulation; instability mechanism

廣西壯族自治區(qū)容縣近年來(lái)由于礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)和過(guò)度資源開(kāi)發(fā)導(dǎo)致滑坡、崩塌地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。據(jù)廣西地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，容縣地區(qū)20年來(lái)共發(fā)生了180余次規(guī)模大小不一的滑坡、崩塌地質(zhì)災(zāi)害，在廣西省各縣市地質(zhì)災(zāi)害中排名靠前，滑坡等地質(zhì)災(zāi)害造成的直接經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)0.5億元。容縣滑坡地質(zhì)災(zāi)害缺乏系統(tǒng)性分區(qū)評(píng)價(jià)和預(yù)警系統(tǒng)，滑坡的防災(zāi)減災(zāi)工作依然面臨較為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

滲透破壞作用是滑坡滲流穩(wěn)定性分析的重要研究方向，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)降雨入滲所誘發(fā)的滑坡滲透破壞研究成果較多。LUMB[1]研究了香港地區(qū)的氣象資料，建立了滑坡與降雨的耦合關(guān)系，提出了一種簡(jiǎn)化的降雨垂直入滲模型;安關(guān)峰等[2]引入了有限元分析和有限差分法模擬非飽和土在不同降雨條件下的穩(wěn)定性分析規(guī)律;嚴(yán)紹軍等[3]結(jié)合室內(nèi)模擬試驗(yàn)，模擬了滑坡體在降雨滲流場(chǎng)中隨時(shí)間變化的規(guī)律，認(rèn)為水在滑坡體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)分為入滲、水力重分布和排水3個(gè)階段。

涉及廣西地區(qū)滑坡災(zāi)害的研究成果主要包括：廖麗萍等[4]搜集了廣西壯族自治區(qū)容縣2004-2015年的滑坡崩塌調(diào)查圖及崩滑統(tǒng)計(jì)資料，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)僅容縣地區(qū)現(xiàn)有滑坡總數(shù)為772個(gè)，其中高發(fā)密度區(qū)（六王鎮(zhèn)）滑坡約占總數(shù)的73.3%，同時(shí)建立了容縣崩塌滑坡地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性評(píng)價(jià)指標(biāo);黃希明等[5]以容縣平梨滑坡為研究對(duì)象，分析了降雨和天然工況下該類(lèi)型滑坡的穩(wěn)定性問(wèn)題，認(rèn)為該滑坡前緣存在應(yīng)力集中和小規(guī)模崩塌的可能;文海濤等[6]和邱恩露等[7]從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度分析了容縣滑坡的空間分布特征和時(shí)間分布特征，認(rèn)為強(qiáng)降雨周期和泥頁(yè)巖地層地區(qū)是滑坡高發(fā)頻率地區(qū)。

分析現(xiàn)有研究資料發(fā)現(xiàn)，容縣地區(qū)滑坡分析研究主要集中在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、定性分析和現(xiàn)象描述階段[812]，對(duì)于特定成因類(lèi)型的滑坡尤其是高發(fā)密度區(qū)滑坡類(lèi)型的定量化分析評(píng)價(jià)成果較少。同時(shí)大多數(shù)研究成果是基于土質(zhì)滑坡體的研究，關(guān)于土頁(yè)巖復(fù)合地層滑坡的研究相對(duì)較少。針對(duì)這一問(wèn)題，筆者以容縣六王鎮(zhèn)典型滑坡體西流河滑坡（上部覆蓋層、下伏頁(yè)巖地層）為研究對(duì)象，結(jié)合現(xiàn)有的地質(zhì)勘探資料，建立該滑坡的地層結(jié)構(gòu)模型，從地層地質(zhì)、降雨和水文等方面重點(diǎn)剖析了該潛在滑坡的演化變形機(jī)制;同時(shí)，結(jié)合試驗(yàn)獲取滑帶土的非飽和土水特性參數(shù)，開(kāi)展西流河滑坡的滲流穩(wěn)定性計(jì)算，分析這類(lèi)型滑坡在水巖相互作用下的變形劣化過(guò)程，從而驗(yàn)證其演化變形機(jī)制，最后提出對(duì)這類(lèi)型滑坡的預(yù)防加固措施建議。

1 西流河滑坡概況

西流河滑坡位于廣西壯族自治區(qū)容縣大王鎮(zhèn)，東經(jīng)：112°58′46″，北緯：25°30′37″，滑坡總體形態(tài)呈寬“U”字型，近東西向分布，面積約為2.11萬(wàn)m2，滑動(dòng)體厚度為12～15 m，體積為2.4～3.0萬(wàn)m3，滑坡體滑動(dòng)方式以推移式為主。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)測(cè)繪，滑坡體現(xiàn)狀條件下存在較為明顯的滑動(dòng)傾向，所在區(qū)域存在3處較為明顯的陡坎，滑體后緣公路出現(xiàn)較多微裂縫，滑體前緣部分土體堆積隆起，樹(shù)木向河道傾斜。依據(jù)目前的調(diào)查結(jié)果推斷滑坡體規(guī)模如下：滑體橫向?qū)挾?62～370 m，縱向長(zhǎng)度610～619 m，厚度12～15 m，兩側(cè)地形較為陡峭，后緣以繞山公路為界，前緣為水稻田，潛在滑動(dòng)方向?yàn)镾E83°，其全貌如圖1所示。

1.1 地 層

根據(jù)西流河滑坡鉆孔勘探資料，該滑坡體主要地層分布情況如圖2所示。

從圖2可以看出，地層分為4層：第1層為耕植土，灰黑色、黃褐色，主要由粉土、砂巖碎塊石構(gòu)成，潮濕，稍密松散，夾雜大量植物根系，厚1.00～1.50 m;第2層粉質(zhì)黏土（Qel+dl3），黃褐色，中密，稍濕，主要由粉土及少量細(xì)砂構(gòu)成，厚約8.60 m;第3層為頁(yè)巖風(fēng)化帶，青黑色、青褐色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，可塑狀態(tài)，含有較多的粗顆粒，為頁(yè)巖風(fēng)化而成，厚0.20～3.00 m，厚度變化不均勻;第4層為頁(yè)巖，青黑色、黃褐色，薄層狀結(jié)構(gòu)，大部分呈碎塊狀及薄片狀，其遇水很短時(shí)間內(nèi)發(fā)生崩解，耐久性很差，揭露厚度12.70 m，未揭穿。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)內(nèi)斷裂以繼承性跳躍式運(yùn)動(dòng)為特點(diǎn)，斷裂延續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，斷流形成時(shí)代劃分為中生代末至新生代初較合適，同時(shí)期在第三紀(jì)末至第四紀(jì)初普遍復(fù)活。其中，褶皺、斷裂較為發(fā)育，多數(shù)褶皺構(gòu)造以向斜為主，區(qū)內(nèi)巖體破碎，有助于水的滲透侵蝕，從而劣化巖體。第四紀(jì)以來(lái)本區(qū)域斷裂無(wú)活動(dòng)跡象，區(qū)域穩(wěn)定性較好。西流河滑坡位于一個(gè)向斜東南角方向，受構(gòu)造裂隙切割導(dǎo)致頁(yè)巖整體產(chǎn)狀不均勻，完整性較差，在降雨入滲過(guò)程中容易受雨水侵蝕形成軟弱滑動(dòng)面。

1.3 氣象與水文

研究區(qū)屬于溫帶大陸性氣候，多年平均年降水量為1 329.8 mm，降水量年內(nèi)分配極不均勻，降水主要集中在6—9月份，汛期降水量可占年降水量的75%，是形成本區(qū)雨洪、內(nèi)澇的主要原因。最大年降水量發(fā)生在7月，占全年降水量的23.7%，3—5月的降水量?jī)H占年降水量的14.8%，容易出現(xiàn)春旱。11月至次年3月降水量?jī)H占年降水量的7.6%。降水量年際變化比較明顯，有明顯的豐枯交替性。歷年最大降水量2 124.7 mm（1984年）。50年內(nèi)極端暴雨記錄境內(nèi)24 h最大降雨量為699 mm。

勘察場(chǎng)區(qū)地下水類(lèi)型為第四系松散巖類(lèi)孔隙潛水及基巖風(fēng)化帶網(wǎng)狀孔隙裂隙水，補(bǔ)給方式受大氣降水補(bǔ)給，勘察時(shí)為豐水期，初見(jiàn)水位埋深2.10～3.60 m，靜止水位埋深3.20～4.10 m，靜止水位標(biāo)高494.92～517.20 m，水位年變幅1.50 m左右。

西流河滑坡所在區(qū)域雨季漫長(zhǎng)，巖土體長(zhǎng)期飽和，上部覆蓋層與頁(yè)巖交界處容易產(chǎn)生地下水富集。旱季高溫導(dǎo)致水體蒸發(fā)，地層變得干燥而脆裂，頁(yè)巖具有較強(qiáng)的崩解性，季節(jié)反復(fù)交替作用下滑帶土的力學(xué)性質(zhì)不斷劣化可能形成貫通的滑帶。

1.4 人類(lèi)活動(dòng)

人類(lèi)活動(dòng)對(duì)西流河滑坡的影響主要體現(xiàn)在如下3個(gè)方面。

1）植被開(kāi)采導(dǎo)致的水土流失破壞，植被對(duì)于上部覆蓋層下伏頁(yè)巖類(lèi)型滑坡的保護(hù)作用十分明顯。

2）工程改造活動(dòng)，西流河滑坡體后緣的公路開(kāi)挖邊坡以及前緣的開(kāi)荒種地對(duì)于滑坡體的穩(wěn)定性均是不利因素。

3）生活用水不合理排放，附近居民用水不規(guī)范排放改變滑坡體原有的水文條件，為地下水增加了來(lái)源，將會(huì)加速軟化滑帶土。

2 上部覆蓋層下伏頁(yè)巖滑坡建模分析

由于西流河滑坡這一類(lèi)型滑坡體受滲透破壞影響明顯，筆者采用具有成熟的滲流模擬能力的Geostudio軟件建立有限元模型[1314]，用以模擬西流河滑坡在不同降雨工況所引發(fā)的滲流場(chǎng)分布和穩(wěn)定性問(wèn)題。

2.1 網(wǎng)格劃分及建模參數(shù)

1）建模網(wǎng)格

根據(jù)西流河滑坡實(shí)測(cè)斷面CAD圖，利用插值法生成模型尺寸，網(wǎng)格劃分精度為1 m，整個(gè)模型網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)為1 211個(gè)，模型網(wǎng)格數(shù)為1 986個(gè)，如圖3所示。

2）地層劃分

滑坡體主要分為3層，第1層為粉質(zhì)黏土及耕植土層，由于耕植土性狀不均一且厚度較薄，筆者考慮將其作為粉質(zhì)黏土層考慮;第2層為頁(yè)巖風(fēng)化帶;第3層為基巖頁(yè)巖層。

3）降雨滲流場(chǎng)

采用軟件中的Seep/W，Sigma/W，Slope/W模塊進(jìn)行耦合分析，其中降雨工況依據(jù)容縣當(dāng)?shù)氐臍庀筚Y料，筆者將西流河滑坡體受降雨條件影響的強(qiáng)度值做如下規(guī)定。

降雨條件選取年平均降雨量為1 329.8 mm，根據(jù)年平均降雨日為164 d，得出降雨強(qiáng)度平均值為0.39 mm/h。極端暴雨條件，根據(jù)24 h極端降雨量（考慮50年內(nèi)記錄的極端值699 mm），得出極端暴雨條件下降雨強(qiáng)度平均值為29.12 mm/h。降雨過(guò)程采用振幅函數(shù)來(lái)進(jìn)行循環(huán)定義，其中降雨強(qiáng)度隨時(shí)間的變化周期設(shè)定為72 h，在0～24 h內(nèi)從0線性增大至最高平均值，24～48 h內(nèi)保持平均降雨強(qiáng)度，48～72 h內(nèi)降雨強(qiáng)度線性減小至0。

地下水位根據(jù)鉆孔揭露實(shí)際地下水位考慮。

4）物理力學(xué)參數(shù)

模型中各土層計(jì)算參數(shù)考慮室內(nèi)土工試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)綜合確定，如表1所示。

2.2 滲流分析成果

模擬結(jié)果如圖5所示。

未發(fā)生降雨條件時(shí)，如圖5 a）所示，滑坡體內(nèi)沒(méi)有滲流發(fā)生，其穩(wěn)定性系數(shù)為1.224，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

當(dāng)降雨發(fā)生35 d后，如圖5 b）所示，坡體內(nèi)處于降雨垂直入滲過(guò)程，當(dāng)遇水滲透至頁(yè)巖層時(shí)滲透能力減弱，其上部土體逐漸進(jìn)入飽和狀態(tài)，此時(shí)滑坡穩(wěn)定性系數(shù)1.194，穩(wěn)定性有所降低。

降雨發(fā)生90 d后，如圖5 c）所示，降雨入滲過(guò)程由坡體垂直入滲轉(zhuǎn)變?yōu)檠仫L(fēng)化帶向下游入滲，形成穩(wěn)定的滲流面，穩(wěn)定性系數(shù)在這一階段大幅度降低至1.09，這一變化過(guò)程符合滲流模擬分析。

當(dāng)給予模型施加極端降雨工況后，滑坡體內(nèi)的飽和土層厚度加大，穩(wěn)定的滲流場(chǎng)變厚，這些變化均增加了滑坡的下滑力，根據(jù)自動(dòng)搜索的滑動(dòng)面計(jì)算出來(lái)此時(shí)滑坡體的穩(wěn)定性系數(shù)為1.078，處于極限平衡狀態(tài)，隨時(shí)有發(fā)生整體滑動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。

從模型的模擬結(jié)果來(lái)看，上覆第四系堆積物下伏頁(yè)巖類(lèi)型滑坡的變形破壞機(jī)制可以初步推斷為上部具有高滲透性的土體在充分吸收降雨或外部水源的垂直補(bǔ)給后，遇到透水性微弱的基巖頁(yè)巖層，逐漸在基覆界面富水飽和軟化，并形成穩(wěn)定滲流場(chǎng);持續(xù)降雨過(guò)程中滑體飽和土層增加，滲流場(chǎng)增厚，導(dǎo)致下滑力陡增，但是滑動(dòng)帶收到軟化蠕變導(dǎo)致抗滑力下降，當(dāng)總的下滑力大于抗滑力時(shí)，滑坡發(fā)生破壞。

3 上部覆蓋層下伏頁(yè)巖滑坡演化分析

通過(guò)對(duì)西流河滑坡地形地質(zhì)條件、氣象和水文以及人工活動(dòng)等因素分析，結(jié)合

數(shù)值模擬成果，認(rèn)為西流河滑坡作為上部覆蓋層下伏頁(yè)巖一類(lèi)滑坡的主要變形演化過(guò)程分為3個(gè)階段，如圖6所示。

1）上部覆蓋層堆積階段

如圖6 a）所示，該階段主要為滑坡形成過(guò)程，由于研究區(qū)地形剛剛形成，上部覆蓋層主要來(lái)源于殘坡積物堆積形成，同時(shí)頁(yè)巖作為基巖并未大規(guī)模風(fēng)化，該階段是滑坡形成的初始階段。

2）接觸帶富水軟化形成風(fēng)化帶

如圖6 b）所示，上部殘坡積物由于以粉質(zhì)黏土夾雜砂、碎塊石，其滲流系數(shù)較高，強(qiáng)降雨作用下地表水大規(guī)模下滲，再遇到滲透性很小的侏羅系頁(yè)巖層后下滲水在基覆界面富集，同時(shí)在坡內(nèi)形成向坡腳的穩(wěn)定滲流場(chǎng)。這一軟化過(guò)程使得頁(yè)巖逐步發(fā)生軟化泥化，風(fēng)化帶逐步形成。

3）風(fēng)化帶長(zhǎng)期飽水蠕變形成滑動(dòng)帶

如圖6 c）所示，隨著頁(yè)巖風(fēng)化帶內(nèi)土體長(zhǎng)期飽水軟化或者干濕循環(huán)交替，在基覆界面逐漸形成貫通的滑動(dòng)面，極端降雨條件下大流量地表水短時(shí)間進(jìn)入滑體并向下游滲流，增加滑體的下滑力;同時(shí)，地下水的滲入使得滑帶土飽水抗剪強(qiáng)度降低。當(dāng)滑體的下滑力增加到大于抗滑力時(shí)，將會(huì)在基巖與覆蓋層接觸面形成貫通的軟化滑動(dòng)帶，從而導(dǎo)致滑坡發(fā)生。

4 結(jié) 論

通過(guò)研究廣西容縣西流河潛在滑坡的變形演化機(jī)制并結(jié)合數(shù)值模擬軟件進(jìn)行驗(yàn)證，分析了上部覆蓋層下伏頁(yè)巖一類(lèi)滑坡的滲流變形和破壞機(jī)制，得出如下結(jié)論：

1）容縣較廣西其他地區(qū)滑坡發(fā)生頻率和規(guī)模均顯著偏大，這與該地區(qū)的強(qiáng)降雨條件和特殊的地層地質(zhì)條件密不可分。

2）西流河滑坡變形演化主要有3個(gè)階段：第1階段為覆蓋層堆積階段，是滑坡體形成初始階段;第2階段為降雨垂直入滲軟化基覆界線，形成頁(yè)巖風(fēng)化帶階段;第3階段為持續(xù)降雨在覆蓋層底部形成穩(wěn)定滲流場(chǎng)，導(dǎo)致風(fēng)化帶富水軟化形成滑動(dòng)帶，當(dāng)抗滑力小于總的下滑力時(shí)滑坡變形破壞發(fā)生。

3）數(shù)值模擬結(jié)果表明，在降雨持續(xù)過(guò)程中，西流河滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)從1.224逐步降低至1.090，滑坡體內(nèi)的滲流變化規(guī)律與推測(cè)基本一致，當(dāng)發(fā)生極端降雨條件時(shí)，滑坡體處于極限平衡狀態(tài)。

4）針對(duì)這一地層類(lèi)型滑坡體，建議在初期進(jìn)行干預(yù)，阻斷或降低地表垂直降水入滲路徑，做好排水截水措施，防止形成穩(wěn)定滲流場(chǎng)，加強(qiáng)植被保護(hù)，建立完善的滑坡活動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)。

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