1、岩溶山区浅层基岩滑坡失稳机理研究以大方县金星组滑坡为例 张楠 徐永强 闫慧 中国地质大学(武汉)工程学院 中国地质环境监测院 重庆市地质矿产勘查开发局 107 地质队 摘 要： 岩溶山区浅层滑坡具有发育规律性差、前期变形迹象小、面小点多等特征, 早期识别难度大, 难以实现全面调查与监测, 因此, 对典型案例的成因机理进行研究具有重要意义。2016 年 7 月 1 日贵州省大方县金星组发生滑坡, 共造成 23人死亡。金星组滑坡滑体厚度平均仅为 4 m, 总方量约 9.5104m3, 属于典型的岩溶山区浅层基岩滑坡。研究认为, 坡角大于岩层倾角的顺层坡体结构是滑坡发生的主要内在因素, 而滑坡发生前
2、的降雨入渗且无有效的排泄途径, 导致坡体中的薄层泥岩发生泥化是金星组滑坡发生的直接触发因素。关键词： 岩溶山区; 浅层基岩滑坡; 金星组滑坡; 强降雨; 排泄途径; 作者简介：张楠 (1986-) , 男, 工程师, 主要从事地质灾害防治工作。E-mail:收稿日期：2017-06-10基金：基金项目 国家级地质灾害应急防治 2017 (121201014000150005) A study of the instability mechanism and investigation methods of shallow bedrock landslides in karst mountain
3、 areas: taking the Jinxing landslide in Dafang County as an exampleZHANG Nan XU Yongqiang YAN Hui Faculty of Engineering, China University of Geosciences; China Institute of Geo-Environment Monitoring; Geological Survey Team 107, Chongqing Bureau of Geology and minerals exploration; Abstract： Shallo
4、w landslides in karst mountain areas are characterized by the poor development rule, small early signs, and small deformation, etc. Early identification for this kind of landslides is difficult and it is also difficult to achieve a comprehensive survey and monitoring. Examination of the formation me
5、chanism is of important significance and can provide theoretical support for the early identification and prevention of landslides. On July 1, 2016, a landslide occurred in the Jinxing Group in Dafang County of Guizhou Province, killing 23 people. The average thickness of the landslide mass is only
6、4 m, and the total amount is about 9. 5 104 m3. The landslide belongs to a typical bedrock landslide in karst mountain areas. The research results show that the slope angle larger than the dip angle of the bedding slope structure is the main internal factors of the landslide. The landslide occurred
7、before the rainfall infiltration and there was no effective excretion pathway, resulting in thin layers of mudstone in slope, which directly triggered the occurrence of the landslide.Keyword： karst mountain areas; shallow bedrock landslide; landslide in Jinxing Group; heavy rainfall; excretory pathw
8、ay; Received： 2017-06-10浅层滑坡在我国虽分布广泛, 但其分布规律性差、前期变形迹象小、面小点多, 难以做到全面调查与监测。国内外众多学者都对浅层滑坡进行了大量研究。在成因方面, Montgomery 和 Dietrich 建立了降雨强度与地下水位高度的关系, 进而建立浅层滑坡稳定性计算模型, 以研究降雨对浅层滑坡稳定性的影响1;Rosso 建立了包含多种土体特性的浅层降雨滑坡稳定性计算模型, 研究降雨强度和历时的浅层滑坡稳定性2;罗渝基于 Rosso 提出的降雨强度与地下水关系模型, 构建考虑不同降雨类型对浅层滑坡地下水位变化的影响, 并结合无限边坡理论, 建立浅层滑坡
9、的稳定性计算模型, 研究不同降雨类型对浅层滑坡稳定性的影响3。在识别方面, 李铁锋利用发灾前、灾后两期 SPOT-5 影像 (包括全色和多光谱) , 结合野外调查, 建立浅层滑坡解译标志, 解析出区域浅层滑坡点4;庄建琦利用 GIS 等技术, 构建了不同降雨条件下黄土地区浅层滑坡发育危险性评价模型5。但是到目前为止, 对于浅层滑坡尤其是在岩溶区浅层滑坡的成因机理仍需进一步研究。2016 年 7 月 1 日凌晨 5 时 30 分, 贵州省毕节市大方县理化乡偏坡村金星组发生山体滑坡, 掩埋金星组居民 11 户 30 人, 共造成 23 人死亡, 7 人受伤。经调查, 本次滑坡为典型的岩溶山区浅层基
10、岩滑坡。本文以该滑坡为例, 在灾害特征调查分析的基础上, 对滑坡的形成机制进行了研究, 认为区域性的补给-径流-排泄系统是岩溶山区浅层滑坡形成的重要原因, 为今后同类型滑坡的研究提供了参考。1 区域地质概况大方县位于贵州省的西北部, 大娄山西端, 处在黔西高原向黔中山原丘陵过渡的斜坡上, 地形地貌和地质环境条件较为复杂。区域最大相对高差 1 605 m, 具有地势高、起伏大、山高坡陡、沟多谷深的高原山地特征。地貌类型以岩溶地貌为主, 仅少数为侵蚀型地貌。滑源区坡度 1822, 属低中山侵蚀剥蚀斜坡沟谷地貌, 微地貌类型为洼地、斜坡、槽谷, 山体发育呈北东-南西向, 地形坡度 1022, 局部因
11、村民修建房屋切坡形成陡坎。斜坡部分地段受耕种及建房条件影响, 整体形成台阶状, 台阶宽度一般 2.54.5 m。区域出露地层为第四系残坡积层 (Q 4) 与三叠系下统夜郎组一段 (T 1y) 。其中, 第四系残坡积层厚度 01.5 m, 局部地段厚度超过 3 m。三叠系下统夜郎组一段主要是薄层粉砂质泥岩以及薄层泥灰岩的互层, 其中薄层粉砂质泥岩厚度为01.2 m, 薄层泥灰岩厚度为 0.20.5 m, 产状 15018, 表层强风化。金星组滑坡附近存在一近北东南西向发育的正断层, 南东盘出露地层为永宁镇组灰岩, 北西盘出露地层为夜郎组紫红色粉砂质泥岩、泥灰岩, 断层带在滑坡北东角洼地处出露,
12、在滑坡区未明显出露。因该断层切割地层为三叠系及更老地层, 而滑坡区地层连续, 故推测该断层对坡体的稳定性影响较小。大方县境内的地表水缺乏, 地下水十分丰富, 但埋深较大。地下水的主要类型是岩溶水和基岩裂隙水, 也有极零星的松散层孔隙水。滑坡区地下水主要为第四系孔隙水、岩溶溶洞水。2 滑坡基本特征2.1 滑坡源区金星组滑坡滑源区平面呈舌型 (图 1) , 后缘高程约 1 440 m, 剪出口高程约 1 390 m。滑坡体纵长约 200 m, 横宽约 6080 m, 最大厚度约 6 m, 平均厚度 4 m, 滑坡区面积 1.910m, 共约 9.610m 物质发生滑动, 滑动方向 155。滑坡体物
13、质主要为广泛分布的第四系残坡积粉质黏土夹碎石以及下伏的三叠系夜郎组一段薄层粉砂质泥岩及泥灰岩互层, 其中第四系残坡积物推测厚度约 03 m, 结构松散 (图 2) 。通过现场调查, 可以将金星组滑坡分为两个区域, 分别为东侧的-1 和西侧的-2 部分。两个部分的滑体物质均相同, 但-2 部分的滑体较-1 部分多出一套粉砂质泥岩和泥灰岩回旋, 因此前者滑面较后者深约0.41.0 m (图 3) 。作为滑体的灰岩层 (与泥岩的岩性分界面处) 发育有小溶孔, 小溶孔连通性较差, 灰岩层整体溶蚀率较低 (图 4) 。图 1 金星组滑坡平面分区图 Fig.1 Plane zoning map of th
14、e Jinxing Group landslide 下载原图图 2 滑坡纵剖面图 Fig.2 Longitudinal profile of the landslide 下载原图图 3 滑坡横剖面图 Fig.3 Transverse profile of the landslide 下载原图滑带为遇水软化后的薄层粉砂质泥岩, 发生滑动时被软化的泥岩含水率几乎达到液限。滑床为三叠系下统夜郎组一段薄层灰岩, 表面光滑, 风化程度低, 岩体偶见贯通性较差的结构面, 且结构面闭合程度好, 无充填, 地层产状为15018, 与坡向近乎一致 (图 5) 。因此, 该滑坡为典型的浅层顺层基岩滑坡。图 4 泥
15、灰岩层下部小溶孔 Fig.4 Small dissolved pore at the lower part of marl 下载原图2.2 滑动堆积特征滑坡体剪出后, 沿 155方向发生滑动, 直接冲入位于剪出口下方约 70 m 处的理化乡偏坡村金星组 (图 1) 。由于受到建筑物阻挡, 最远滑动距离仅约 200 m, 最大堆积厚度约 10 m。图 5 滑床与少量残留滑带土 Fig.5 The sliding bed and the residual sliding soil 下载原图3 滑坡成因分析3.1 易滑的地质结构易滑的坡体结构和地层是金星组滑坡发生的主要内在因素。原始斜坡为顺向坡,
16、坡体倾向 155, 坡角约为 1822, 而发生滑动的三叠系下统夜郎组地层产状为 15018, 与坡体走向近一致。且由于坡角大于岩层的倾角, 坡体前缘形成了天然的临空面, 这是天然状态下稳定性最差的坡体结构之一。滑坡区出露地层为三叠系夜郎组粉砂质泥岩与泥灰岩互层, 以-1 为例自地表至滑床依次为第四系堆积物以及两个回旋的强风化粉砂质泥岩和泥灰岩。其中, 粉砂质泥岩层厚度为 0.51 m, 泥灰岩层厚度约为 0.4 m, 层厚均较薄。现场调查结果显示, 泥灰岩风化程度低, 溶蚀性较差, 只是在岩层下部偶见小型溶孔, 岩体结构完整, 偶见贯通性不强的结构面, 且结构面闭合程度高 (图 4、5) 。
17、因此, 在其上覆岩层的自重压力作用下, 作为含水层的泥灰岩中的岩溶水会与粉砂质泥岩发生强烈的水岩作用, 加速泥岩的风化, 即发生泥化而成为软弱面, 导致坡体的稳定性大大减弱。3.2 降雨对坡体稳定性的影响降雨通常是触发滑坡等突发地质灾害的直接诱因, 金星组滑坡便发生在贵州省的汛期。大方县在 2016 年 6 月份遭遇了 7 次强降水 (图 6) , 总降雨量达310.5 mm, 其中仅 6 月 15 日降雨量达 71.6 mm, 而 6 月 2630 日, 累计降雨量已达 95.3 mm, 其中滑坡发生前 12 小时累计降雨量 40.7 mm。前期多次集中降雨不仅导致作为滑体的第四系堆积物以及
18、强风化泥岩层处于饱和状态, 增加了坡体自重, 增大了坡体的下滑力;同时也导致滑床上的薄层泥灰岩处于饱水状态, 加速了与薄层粉砂质泥岩的水岩相互作用, 大大减小了坡体的抗滑力。图 6 大方县 6 月份降雨量 Fig.6 Rainfall in June in Dafang County 下载原图4 滑坡形成机制探讨4.1 坡体临界稳定下的极限深度计算根据孙广忠7提出的顺层边坡滑动深度计算公式, 本次研究对金星组滑坡原始斜坡在临界稳定状态下的最大滑体厚度进行计算。设滑动深度为 h, 对滑坡 A-A计算单宽剩余下滑力 s:式中:l 0滑体长度/m, 金星组滑坡长度为 200 m;滑体平均重度/ (t
19、m) , 本次滑坡滑体为第四系残坡积物、粉砂质泥岩以及泥灰岩, 按照各层厚度以及重度, 本次计算取 2.4t/m;滑面倾角/ () , 本计算取岩层倾角 18;软弱夹层内摩擦角/ () ;c软弱夹层内聚力/MPa。为了快速对粉砂质泥岩的 c、 值进行确定, 对现场粉砂质泥岩取样后并进行了粒度分析试验。本次共取两个试样, 试验结果见图 7。试验结构表明, 作为软弱夹层的粉砂质泥岩其黏粒含量远大于 30%, 最高接近60%, 同时粉粒含量也在 40%以上。另外, 现场调查显示, 金星组滑坡中粉砂质泥岩的含水量远高于塑限, 接近液限, 调查时无法在残留有泥化物质的滑床上站立, 说明泥岩在遇水软化后强
20、度降低非常明显。根据泥岩软化后的经验公式保守取值, 取 c 为 0.2 MPa, 为 15。计算结果显示, 当 h1.54 m 时会产生剩余下滑力, 即由于降雨入渗当粉砂质泥岩剪切强度下降至本文保守取值时 (c 取 0.2 MPa, 取 15) , 金星组滑坡保持稳定的最大滑体厚度只有 1.54 m。而金星组滑坡发生前软弱夹层上部覆盖的平均厚度达 4 m, 显然, 原始斜坡由于降雨入渗变得极为不稳定。图 7 粒度含量曲线 Fig.7 Grain size curve 下载原图4.2 滑坡形成机制分析由式 (1) 可知, 顺层斜坡中软弱夹层的含水量以及剪切强度对其稳定性具有控制性作用。在软弱夹层
21、遇水剪切强度降低时坡体极易发生滑动。通过对大方县区域内的坡体现场调查发现, 该县分布大面积的三叠系夜郎组粉砂质泥岩与泥灰岩互层地层, 且大部分斜坡均为顺向坡, 但在此轮强降雨中, 仅金星组发生了滑坡。通过分析, 主要原因为:(1) 贵州省出露大片碳酸盐, 部分地区灰岩溶蚀率高, 发育岩溶管道, 在区域内形成了一套完整的补给、径流、排泄系统。例如, 金星组滑坡西侧 1 km 处, 在一顺向坡中发育大型岩溶管道, 在强降雨条件下将坡体内的地下水快速汇集及排泄, 减小降雨入渗对斜坡稳定性的影响。而金星组滑坡以及周边却无有效的岩溶通道, 导致地下水极易在坡体内聚集。(2) 滑坡体右侧发现古滑坡, 平面
22、呈圈椅状地形, 有利于降雨的汇集, 周边却由于周边没有良好的排泄通道, 导致降水短时间内可在负地形内汇集并进一步向金星组滑坡渗流, 为金星组滑坡中粉砂质泥岩的泥化提供了充足的地下水。金星组滑坡的成因机制为:降雨入渗没有通畅的排泄途径, 只能通过泥灰岩下部的溶孔向粉砂质泥岩中渗流, 使其发生泥化, 剪切强度降低, 坡体的抗滑力也随之减小并失稳。5 结论与建议(1) 贵州省大方县金星组滑坡属于典型的浅层顺层滑坡。原始斜坡的坡角大于岩层的倾角, 属于最不稳定的坡体结构, 为滑坡的发生提供了有利条件。(2) 强降雨在有利地形条件下入渗是金星组滑坡发生的直接触发因素。金星组滑坡的坡体为顺向斜坡, 发育有
23、易于软化的薄层泥岩。滑坡发生前滑坡区发生了 6 次强降雨且无明显地下水排泄通道, 降雨入渗不仅增加滑体的自重, 还促使泥岩层发生软化, 最终导致滑坡的发生。(3) 基于大方县金星组滑坡的失稳机理, 建议在今后岩溶山区地质灾害调查过程中, 以承载体为核心, 加强区域径流特征以及岩溶特征的调查, 以求对浅层基岩滑坡进行早期识别, 防止类似灾害再次发生。参考文献1Montgomery D R, Dietrich W E.A physically based model for topographic control on shallow landslidingJ.Water Resources Re
24、search, 1994, 30 (4) :1153-1171. 2Rosso R, Rulli M C, Vannucchi G.A physically based model for the hydrologic control on shallow landslidingJ.Water Resources Research, 2006, 42 (6) :w06410-1-16. 3罗渝, 何思明, 何尽川.降雨类型对浅层滑坡稳定性的影响J.地球科学, 2014, 39 (9) :1357-1363.LUO Y, HE S M, HE J C.Effect of rainfall pat
25、terns on stability of shallow landslideJ.Earth Science, 2014, 39 (9) :1357-1363. (in Chinese) 4李铁峰, 徐岳仁, 潘懋, 等.基于多期 SPOT-5 影像的降雨型浅层滑坡遥感解译研究J.北京大学学报 (自然科学版) , 2007, 43 (2) :204-210.LI T F, XU Y R, PAN M, et al.Study on interpretation of rain-induced group shallow landslides based on multiperiod SPOT-
26、5 remote sensing imagesJ.Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis, 2007, 43 (2) :204-210. (in Chinese) 5庄建琦, 彭建兵, 张利勇.不同降雨条件下黄土高原浅层滑坡危险性预测评价J.吉林大学学报 (地球科学版) , 2013, 43 (3) :863-874.ZHUANG J Q, PENG J B, ZHANG L Y.Risk assessment and prediction of the shallow landslide at difference preci
27、pitation in loess plateauJ.Journal of Jilin University (Earth Science Edition) , 2013, 43 (3) :863-874. (in Chinese) 6黄继.黔西北夜郎组分层特征与岩相古地理分析J.西部探矿工程, 2011 (3) :101-103.HUANG J.Analysis of Northwest Guizhou Yelang group layered characteristics and lithofacies palaeogeographyJ.West-china Exploration En
28、gineering, 2011 (3) :101-103. (in Chinese) 7孙广忠.岩体结构力学M.北京:科学出版社, 1988:357-358.SUN G Z.Rock mass structure mechanicsM.Beijing:Science Press, 1988:357-358. 8唐良琴, 聂德新, 任光明.软弱结构面粒度成分与抗剪强度参数的关系探讨J.工程地质学报, 2003, 11 (2) :143-147.TANG L Q, NEI D X, REN G M et al.Discussion on the relational between granulo
29、metric composition and shear strength parameter of weak structural planeJ.Journal of Engineering Geology, 2003, 11 (2) :143-147. (in Chinese) 9项伟.软弱夹层粘粒含量与抗剪强度参数之间的经验公式J.水文地质工程地质, 1989 (5) :45-46.XIANG W.Empirical formula between clay content and shear strength parameter in weak interlayerJ.Hydrogeo
30、logy&Engineering Geology, 1989 (5) :45-46. (in Chinese) 10项伟.粘粒含量对泥化夹层抗剪强度的影响J.兰州大学学报 (自科版) , 1984 (3) :124-128.XIANG W.Effect of clay content on shear strength of intercalated interlayerJ.Journal of Lanzhou University (natural sciences) , 1984 (3) :124-128. (in Chinese) 11李龙起, 罗书学, 魏文凯, 等.降雨入渗对含软弱夹
31、层顺层岩质边坡性状影响的模型试验研究J.岩石力学与工程学报, 2013, 32 (9) :1772-1778.LI L Q, LUO S X, WEI W K, et al.Model tests of rainfall infiltration effect on bedding rock slope weak interlayerJ.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2013, 32 (9) :1772-1778. (in Chinese) 12代贞伟, 殷跃平, 魏云杰, 等.三峡库区藕塘滑坡特征、成因及形成机制研究J.
32、水文地质工程地质, 2015, 42 (6) :145-153.DAI Z W, YIN Y P, WEI Y J, et al.Characteristics, origin and formation mechanism of the Outang landslide in the Three Gorges Reservoir areaJ.Hydrogeology&Engineering Geology, 2015, 42 (6) :145-153. (in Chinese) 13殷跃平, 彭轩明.三峡库区千将坪滑坡失稳探讨J.水文地质工程地质, 2007, 34 (3) :51-54.Y
33、IN Y P, PENG X M.Failure mechanism on Qianjiangping landslide in the Three Gorges Reservoir regionJ.Hydrogeology&Engineering Geology, 2007, 34 (3) :51-54. (in Chinese) 14殷跃平, 刘传正, 陈红旗, 等.2013 年 1 月 11 日云南镇雄赵家沟特大滑坡灾害研究J.工程地质学报, 2013, 21 (1) :6-15.YIN Y P, LIU C Z, CHEN H Q, et al.Investigation on cat
34、astrophic landslide of January 11, 2013 at Zhaojiagou, Zhenxiong Country, Yunnan ProvinceJ.Journal of Engineering Geology, 2013, 21 (1) :6-15. (in Chinese) 15蔡瑞卿.降雨条件下浅层边坡稳定性分析J.铁道勘察, 2016 (5) :56-60.CAI R Q.Shallow slope stability analysis under the condition of rainfallJ.Railway Investigation and
35、Surveying, 2016 (5) :56-60. (in Chinese) 16常金源, 包含, 伍法权, 等.降雨条件下浅层滑坡稳定性探讨J.岩土力学, 2015, 36 (4) :995-1001CHANG J Y, BAO H, WU F Q, et al.Discussion on stability of shallow landslide under rainfallJ.Rock and Soil Mechanics, 2015, 36 (4) :995-1001. (in Chinese) 17李德心, 何思明.降雨型浅层滑坡的变形预测模型J.山地学报, 2012, 30 (3) :342-346.LI D X, HE S M.The deformation prediction model on rainfall-triggered shallow landslideJ.Journal of Mountain Science, 2012, 30 (3) :342-346. (in Chinese)
