靜寧縣田堡調蓄水池滑坡成因及穩定性分析

韓朝君，李國營，吳瑋江，張立軍，韓海龍

（1.甘肅省地質礦產勘查開發局第二地質礦產勘查院，甘肅 蘭州 730020；2.甘肅省科學院地質自然災害防治研究所，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

黃土是第四紀以來形成的一種多孔隙弱膠結構的特殊沉積物，具有大孔隙、水敏性、力學性質差和節理裂隙發育的特點[1]。由于黃土的特殊性質，黃土滑坡是我國發生數量最多、危害最嚴重的突發性地質災害之一。

甘肅省是我國黃土滑坡地質災害發生頻繁的省份之一[2]，黃土滑坡常造成群死群傷和重大財產損失并影響社會安全穩定。1983年3 月7 日，甘肅省東鄉縣灑勒山高速滑坡，造成220 人死亡，成為我國最嚴重的災難性黃土滑坡之一。黃土滑坡研究一直是國內外的熱點，EDWARD 等[3]對中國西北部黃土滑坡進行了初步研究和部分模型構建；彭建兵院士等[4-6]對黃土高原滑坡的空間分布發育特征、形成機制等進行了全面系統的研究，同時總結了區域構造及典型人類工程活動對黃土滑坡的影響；吳瑋江等[7-8]、冉林等[9]通過對甘肅黃土滑坡研究，總結了黃土地區滑坡的分布規律，主要的四種類型及各類滑坡的活動特征；張茂省等[10-11]對黃土滑坡誘發因素及其形成機理開展了相關研究，得出降水和人類工程活動是最積極的誘發因素；劉琨[12]、李同錄等[13]、王民蘭等[14]對降雨及地震引發滑坡進行了專門研究，得出了降雨及地震情況下黃土滑坡的形成機制。

由于人類工程活動的強度和規模的不斷增加，由其引發的滑坡災害也不斷增多，常造成嚴重的經濟損失和人員傷亡，增大工程投資，拖延工期，嚴重影響工程建設的順利進行。本文以甘肅平涼地區靜寧縣田堡調蓄水池滑坡為研究對象，在現場調查、勘探、無人機測量及滑坡滑動前勘查資料的基礎上，對滑坡成因及穩定性進行了系統研究，以期對同類滑坡的研究提供參考。

1 工程地質環境概況

1.1 滑坡區位置及概況

研究區位于甘肅省平涼市靜寧縣四河鎮席家河左岸斜坡地帶，為引洮供水二期工程覆蓋地區（圖1）。

圖1 研究區平面圖Fig.1 Study area plan

區內工程建設主要為田堡30×104m3調蓄水池，主要功能是解決引洮供水工程檢修期間靜寧縣西部10 個鄉鎮人民的生活用水問題。工程于2020年3 月20 日開工建設，工程建設主要內容有壩基和北岸邊坡開挖、臨河側填筑等，2020年9 月18 日，調蓄水池左岸發生滑坡，滑坡破壞已開挖的邊坡和公路路基，嚴重威脅田堡調蓄水池的正常建設。

1.2 地形地貌

靜寧縣地處隴西黃土高原東部，屬黃土低中山梁峁地貌區?；聟^地貌主要是厚黃土覆蓋于波狀起伏的新近系紅層上的黃土丘陵。由于強烈侵蝕、切割，區內溝壑縱橫、地形起伏。海拔在1 600～2 245 m，相對高差一般為200～300 m，平均坡度15°～30°。在溝底和部分谷坡可見新近系地層出露，溝岸滑坡、崩塌較為發育。

1.3 地層巖性

本區地層結構較為簡單，基底地層主要是巨厚的新近系磚紅色泥巖夾灰白色砂巖（N），產狀近于水平，巖性軟弱，分布廣泛，在部分沖溝中下部有出露。黃土梁區廣泛披覆馬蘭黃土（Qp3eol），巖性為淺黃色粉土，質地疏松，具有濕陷性。一般厚度3～8 m，最厚達15 m左右。河谷區發育上更新統、全新統沖洪積物（Qp3apl、Qhapl），巖性以黃土狀粉質黏土為主，底部為礫石層。另外席家河北岸和沖溝內還發育全新統滑坡堆積物（Qhdel），主要為擾動的馬蘭黃土和泥巖，結構破碎，成分混雜。

1.4 水文地質條件

靜寧縣屬于溫帶干旱、半干旱氣候區，多年平均降水量453.3 mm，多年平均蒸發量1 512 mm，為降水量的3.37 倍。由于降水稀少蒸發強烈，再加上地形起伏，地下水補給條件差，斜坡區地下水總體貧乏，只在匯水條件較好的地勢低洼部位有少量黃土潛水。

2 滑坡特征

2.1 形態特征

滑坡位于席家河北岸斜坡地帶，平面形態呈不規則四邊形（圖2），南北平均長180 m，東西寬240 m，面積4.32×104m2，滑體厚3.0～18.0 m，平均11.2 m，體積48.5×104m3，滑坡主滑方向191°（圖3）?；潞缶壐叱? 900～1 908 m，東側前緣高程1 842 m，西側高程1 850 m左右，前后緣高差約58 m，平均坡度15.8°。

圖2 田堡調蓄水池滑坡照片Fig.2 Photo of the landslide at Tianbao Reservoir

圖3 滑坡勘查平面圖Fig.3 Plan view of the landslide investigation

受南北向分布的小沖溝等地形影響，滑坡后壁形態很不規則。實際上，該滑坡后壁是由4～5 個相對獨立的次級滑坡的后壁組合而成，高度3～6 m，坡度50°～60°，其上擦痕較為清晰。

剖面上滑坡總體呈多級臺階狀（圖4）。最上部為后壁滑落形成的高度12 m 左右、坡度約25°的堆積坡體，其下部為寬20～40 m 的平臺，東西兩側較寬，中間窄，分布高程1 882～1 888 m。中部為寬大的滑坡主平臺，寬40～75 m，分布高程1 866～1 878 m，整體略為反坡，中部發育長100 m、寬15～30 m、深約3 m 的洼地。主平臺前部為人工開挖形成的高10～15 m、坡度35°～45°的陡坡?；虑熬墫|側為長約100 m、寬30～40 m、坡度16°左右的滑舌，已伸入擬建庫區，分布高程1 842～1 854 m。

圖4 滑坡地質剖面圖Fig.4 Geological cross-section of the landslide

滑坡西側前部發育H1 次級滑坡，平面形態呈簸箕狀，南北長75 m、東西寬50～80 m，體積約5×104m3，主滑方向200°。H1 次級滑坡實際上是2020年5 月中旬已滑動的部分，9 月整體滑坡時為相對獨立且滑動劇烈的塊體，地勢相對低洼，其后部范圍有所擴大。

2.2 結構特征

蓄水池滑坡的滑體主要為原老滑坡體物質，巖性為滑動后的紅層和黃土，結構相對完整，層序擾動輕微，滑體表部主要為黃土，厚3.0～6.7 m，中部主平臺一帶厚度較大且連續分布；以下滑體主要為紅層（圖5）?；潞蟊谥饕杉t層組成。前緣滑體巖土成分與結構相對混雜，夾有較多席家河沖洪積形成的青灰色粉質黏土。

圖5 鉆孔揭示的下部紅層Fig.5 Lower red layer revealed by borehole drilling

該滑坡是老滑坡的大規模復活滑動，滑動面基本繼承了老動滑面（圖6），后部滑動面傾角45°、中部20°～11°、前部6°左右，滑帶土主要是棕紅色粉質黏土，稍濕-濕，可塑-軟塑狀，局部可見滑動擦痕和光亮面，滑床為新近系紅層。后部滑體厚度3～9 m，中部8～18 m，前部厚度3～12 m，平均厚度11.2 m，屬于中層中型滑坡。

圖6 滑坡后部滑面Fig.6 Rear sliding surface of the landslide

2.3 變形滑移特征

滑坡體上各種裂縫非常發育，滑坡后部對應各次級滑坡后壁發育拉張裂縫、側緣剪切裂縫和鼓脹裂縫?；轮胁恐髌脚_區東側前部發育鼓脹裂縫，走向與滑動方向垂直，規模較大，裂縫前部滑體普遍鼓起2 m 左右，表現出前部滑體受后部滑體的強烈推擠而鼓起?；聳|側剪張裂縫發育，道路、護坡被剪斷；H1 次級滑坡東側邊界一帶剪張裂縫及后部拉張裂縫較為發育?；聳|側前緣剪出口向南突出，伸入河谷區已開挖的場地內，較西側剪出口前移30 m 左右，滑坡剪出口一帶連續鼓起1 m 左右，鼓脹裂縫和放射狀裂縫普遍發育（圖7）。

圖7 滑坡東側前緣鼓脹裂縫Fig.7 Front shear outlet and bulging cracks on the east side of landslide

通過現場調查和正射影像分析，蓄水池滑坡的滑動具有一定差異性，后緣部位的滑距較大，一般水平滑距為6～9 m，下錯3～5 m；前緣水平滑距多為1～3 m，東側大部分拱起1～2 m。H1 滑坡是前緣滑動相對劇烈的部位。

3 滑坡成因分析

靜寧縣田堡調蓄水池滑坡的成因包括內在的地質環境條件和外部引發因素兩方面。老滑坡的存在是地質基礎，大規模的前緣開挖和大量而集中的降水共同引發了復活滑動。

3.1 老滑坡是本次滑坡的地質基礎

靜寧縣是我省滑坡發育的縣份之一，據調查，近東西向展布的席家河河谷北岸斜坡較陡，坡度20°～25°，老滑坡較為發育。田堡調蓄水池北側老滑坡發育，其主要證據有斜坡區圈椅狀滑坡地形明顯、地形零亂（圖8），前緣發育混雜的滑坡堆積體和滑動面，并根據水庫下游200 m 席家河北岸15 m 高的Ⅱ級階地前緣堆積物中夾有混雜滑體（圖9），可以確定老滑坡形成時代為早全新世?？梢?，老滑坡三方面的特征要素齊全。老滑坡破壞了斜坡地質結構和穩定性，其滑動面是后期進一步復活滑動的有利結構面。

圖8 蓄水池北側老滑坡影像圖Fig.8 Aerial view of the old landslide on the north side of the reservoir

圖9 老滑坡前緣滑體與Ⅱ階地關系圖Fig.9 Relationship between the front sliding body of the old landslide and the second terrace

3.2 前緣工程開挖

由于席家河河谷狹窄，調蓄水池建設場地空間有限，因此，工程建設主要對北側老滑坡前部進行了大量開挖（圖10）。開挖寬度50～60 m，平均深度8 m 左右，即老滑坡前部每延米的平均開挖量約450 m3/m，總開挖量1.08×105m3，占老滑坡總體積的15%左右（圖11），大幅降低了老滑坡前部的抗滑能力和穩定性。就斜坡區坡腳開挖和坡頂加載相對而言，坡腳開挖更容易改變斜坡應力分布，降低斜坡穩定性和引發滑坡。因此，前部工程開挖是引發本次老滑坡復活滑動的主要原因。

圖10 蓄水池工程開挖老滑坡前緣Fig.10 Excavation of the front edge of the old landslide in the reservoir project

圖11 蓄水池工程開挖斷面圖Fig.11 Cross-sectional view of the excavation at reservoir project

3.3 降水的不利影響

根據氣象資料，靜寧縣2018—2020年連續三年為豐水年，降水量分別達518.9 mm、578.9 mm 和647 mm，為多年平均降水量的114.5%～142.7%。降水集中且多為暴雨形式，2018年7—9 月降水量占全年的58.5%，每月的降水量均在100 mm 以上。特別是2020年的降水更加集中在5、6、8 三個月內，均在月平均降水量的一倍以上（圖12）。6 月份降水166.5 mm，其中6 月25—26日降水達142.2 mm；8 月份降水達188.8 mm。大量降水沿落水洞、裂縫下滲至坡體內，軟化土體，導致調蓄水池工程施工過程中于9 月18 日老滑坡發生復活滑動。

圖12 靜寧縣2020年與多年平均逐月降水量曲線圖Fig.12 Curves of 2020 and multi-year average monthly precipitation in Jingning County

3.4 滑坡破壞變形機制分析

由上述可知，蓄水池北側老滑坡復活滑動的主要原因是工程開挖降低滑體前部的抗滑力，很自然的認為該滑坡屬于前部首先失穩滑動，再牽引后部滑動的牽引式滑坡。但從滑坡后部的滑距明顯較前部大、前緣拱起，且主平臺區東側前部鼓脹裂縫側前部滑體普遍鼓起2m 左右的實際情況，該滑坡表現出前部滑體受后部滑體的強烈推擠而鼓起的推移式滑動的性質和特點。

實際上，滑坡的滑動形式往往存在牽引式與推移式之間的相互轉化。大規模工程開挖降低蓄水池北側老滑坡前部的抗滑力，老滑坡前部產生蠕動變形，在后部滑體較薄和滑動面較陡的部位可能產生拉張裂縫和應力松弛，大量降水沿落水洞、裂縫滲入滑體，降低抗剪強度，由于后部滑動面較陡，后部滑體首先發生大規?；瑒?，又推擠前部滑體整體失穩。

4 滑坡穩定性分析

4.1 計算模型及計算方法

滑坡滑面形態屬折線型，采用折線滑動法（簡化Janbu 法）計算滑坡復活滑動后的穩定系數，計算軟件為理正巖土工程計算分析軟件。穩定性計算的工況條件分為3 種：即：①一般條件（自重狀態下）；②降雨條件（滑體處于飽和狀態下）；③地震條件，本區地震動峰值加速度為0.20g。選擇滑動后滑坡中部主剖面進行穩定性計算。

4.2 滑坡計算參數的選取

滑坡穩定性計算參數主要為滑體重度和滑動帶（面）抗剪強度指標，采用土常規試驗數據結合經驗值反算取值，各參數取值見表1。

表1 巖土力學參數取值表Table 1 Value table of geotechnical mechanical parameters

根據鉆探資料，滑帶黏土長期為飽和狀態（軟塑狀態），地下水已浸沒部分滑體，降雨工況下滑體重度采用飽和重度（極端狀態下的全部飽和），抗剪強度指標與一般工況一致。

滑面抗剪強度參數的反算對滑坡穩定性分析具有直接的影響，根據調蓄水池前期勘查資料，選取坡腳開挖后滑坡滑動前的坡體斷面，結合同類滑坡的勘查經驗，給定穩定系數為1.02，c為10.4 kPa，計算φ值，計算公式如下：

經計算，φ值為11.25o。

4.3 滑坡穩定系數計算結果

采用理正巖土工程計算分析軟件，添加有關計算參數（表1），得出了滑坡復活滑動后，滑體在一般、降雨、地震3 種不同工況條件下的穩定系數（表2）。

表2 穩定性計算結果一覽表Table 2 Summary of stability calculation results

從計算結果可以看出，現狀滑體在一般條件下處于欠穩定狀態，在降雨條件下處于欠穩定狀態，在地震條件下處于不穩定狀態。

4.4 計算參數驗算

根據滑坡的變形發育過程可知，坡體在開挖坡腳之后，經過強降雨發生滑動，故在降雨條件下，開挖坡腳后的坡體為失穩狀態，選取坡腳開挖后滑坡滑動前的坡體斷面，將本次計算參數代入理正巖土工程計算分析軟件計算坡體的穩定系數，便可驗算參數的準確性。

經過計算，坡體坡腳開挖后，滑動前，在暴雨工況下，穩定系數為0.975。符合失穩滑動的實際情況，計算參數選取合理，為后續防治工程設計提供了基礎。

5 結論

（1）滑坡形成條件主要為老滑坡地質基礎、坡體前緣開挖、持續性強降雨三個方面，即老滑坡在坡腳開挖后經過強降雨從而發生復活滑動。

（2）使用折線滑動法計算了一般、暴雨、地震三種工況滑坡的安全系數。得出滑體在一般條件下處于欠穩定狀態，在暴雨條件下處于欠穩定狀態，在地震條件下處于不穩定狀態。

（3）田堡調蓄水池老滑坡復活滑動造成嚴重損失的經驗教訓說明，山區工程場地選址和勘查要重視老滑坡等地質災害的調查判別，深入分析研究工程活動可能引起的復活滑動和對工程的危害，以保證工程的順利建設和安全運營。