皖南山區(qū)典型順層古滑坡形成機(jī)制研究

潘國(guó)林, 潘 茜, 洪天求

(1.安徽省公益性地質(zhì)調(diào)查管理中心,安徽 合肥 230001; 2.合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

皖南山區(qū)典型順層古滑坡形成機(jī)制研究

潘國(guó)林1,2, 潘 茜1, 洪天求2

(1.安徽省公益性地質(zhì)調(diào)查管理中心,安徽 合肥 230001; 2.合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

鳥(niǎo)雀坪古滑坡位于皖南山區(qū)歙縣岔口鎮(zhèn),近年來(lái),由于人類(lèi)工程活動(dòng)的加劇及受極端強(qiáng)降雨天氣影響,古滑坡堆積體出現(xiàn)局部復(fù)活的跡象。文章從地形地貌特征、坡體物質(zhì)組成、構(gòu)造形態(tài)和坡體前緣河谷岸坡的演化趨勢(shì)等4個(gè)方面對(duì)鳥(niǎo)雀坪古滑坡進(jìn)行了分析研究,采用離散元法對(duì)鳥(niǎo)雀坪古滑坡形成過(guò)程進(jìn)行了反演模擬。結(jié)果表明,鳥(niǎo)雀坪古滑坡從坡體形成到破壞共經(jīng)歷斜坡表面卸荷回彈、塑性彎曲段形成、潛在滑移面形成和滑坡破壞失穩(wěn)4個(gè)階段,滑坡形成機(jī)制為滑移-彎曲式。

滑坡;形成機(jī)制;數(shù)值模擬;皖南山區(qū)

皖南山區(qū)位于安徽省南部,處于東經(jīng)116.5°～119.5°、北緯29.5°～31.2°之間。地貌以中低山為主,地形起伏大,區(qū)內(nèi)構(gòu)造發(fā)育,巖石風(fēng)化破碎嚴(yán)重,降雨量大且集中,每年均產(chǎn)生一定數(shù)量的滑坡,是安徽省地質(zhì)災(zāi)害主要發(fā)育區(qū)[1-2]。在這些災(zāi)害點(diǎn)中,有很大一部分為古滑坡體復(fù)活,因此,對(duì)該區(qū)古滑坡體的形成機(jī)制及穩(wěn)定性進(jìn)行研究有助于地質(zhì)災(zāi)害防治。

目前,國(guó)內(nèi)外研究者主要從滑坡形成的內(nèi)外部條件及相互作用因素角度考慮,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、室內(nèi)物理模擬實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬等方法研究滑坡的形成機(jī)制與變化規(guī)律,對(duì)滑坡進(jìn)行定量的分析研究已成為主流[3-13]。但皖南山區(qū)滑坡以往的研究成果多見(jiàn)于定性評(píng)價(jià),定量分析很少,對(duì)古滑坡體的形成及演化研究更少[14-20]。因此,本文選擇區(qū)內(nèi)鳥(niǎo)雀坪古滑坡體作為研究對(duì)象,用定量分析的方法對(duì)其形成機(jī)制進(jìn)行了探討。

1 滑坡區(qū)基本概況

鳥(niǎo)雀坪滑坡位于歙縣岔口鎮(zhèn)周家村,其遙感影像圖如圖1所示,古滑坡體邊界呈圈椅狀、特征明顯,后緣可見(jiàn)滑坡壁,前緣伸入大源河,兩側(cè)以沖溝為界。滑坡體縱向上呈“陡—緩—陡”階梯狀形態(tài),平面上下寬上窄呈舌狀形態(tài),坡度一般在15°～45°之間,坡向353°。按微地貌形態(tài),可將斜坡體分為3個(gè)區(qū):Ⅰ區(qū),高程440～645 m,坡度約為33°;Ⅱ區(qū),為平均坡度15°的緩坡平臺(tái),平臺(tái)寬度130 m,為居民主要居住地;Ⅲ區(qū),為40°～45°堆積體斜坡,高約200 m?，F(xiàn)今滑坡體復(fù)活跡象主要出現(xiàn)在Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)。古滑坡為中傾順層邊坡;巖層面走向與坡面近一致;傾角部分與坡面平行,部分大于坡角;在滑坡體后緣部位基巖整體產(chǎn)狀為NE40°/NW∠40°,滑坡體前緣側(cè)溝處基巖整體產(chǎn)狀為NE50°～65°/NW∠40°～60°。

圖1 鳥(niǎo)雀坪滑坡遙感影像圖

2 古滑坡判別依據(jù)

古滑坡的演化過(guò)程與其地貌特征和坡體結(jié)構(gòu)等密切相關(guān),均是內(nèi)、外地質(zhì)營(yíng)力綜合作用的結(jié)果。本文主要利用地質(zhì)地貌分析方法,根據(jù)滑坡前、后緣分布高程、被覆蓋的堆積物分布情況、地形地貌及坡體結(jié)構(gòu)特征等來(lái)判定是否為古滑坡。

(1) 地形地貌。鳥(niǎo)雀坪滑坡具有典型的古滑坡地貌特征,例如,后緣存在弧形陡壁,陡壁下部存在一級(jí)或多級(jí)緩坡或平臺(tái),平臺(tái)下方為斜坡且多朝大源河的方向凸出,致使大源河在此處形成一個(gè)大的拐彎,推測(cè)為曾經(jīng)發(fā)生的滑坡災(zāi)害造成堵河,潰壩后形成現(xiàn)在的河流形態(tài)。

(2) 坡體覆蓋堆積物分布。坡體堆積物分布整體存在分區(qū)性,與地貌分區(qū)相吻合,鳥(niǎo)雀坪滑坡典型工程地質(zhì)剖面圖如圖2所示。

滑坡后緣下第1級(jí)平臺(tái)(Ⅰ區(qū))上覆的堆積體較薄,物質(zhì)組成主要為碎塊石及粉土,碎塊石塊徑1～5 cm,物質(zhì)顆粒細(xì)、分布均勻、塊徑小,推斷可能為滑坡發(fā)生時(shí)后緣崩落的崩坡積塊碎石及巖屑顆粒就地堆積;Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)分布較多大的塊石,塊徑一般在5～10 cm,最大塊石可達(dá)0.8 m左右,尤其是Ⅲ區(qū),堆積物最厚,含較大塊石最多,推斷可能由于較大的塊石具有較大動(dòng)能,滾動(dòng)最遠(yuǎn),因而在坡體前緣呈雜亂排列,形成鼓脹的“舌部”。

圖2 鳥(niǎo)雀坪滑坡典型工程地質(zhì)剖面圖

(3) 坡體構(gòu)造特征?；潞蟊诨鶐r裸露,巖壁表面光滑,可見(jiàn)擦痕及拉斷破壞;后壁下方堆積了大量的碎塊石,推斷可能由崩滑形成;在滑坡后緣下側(cè)可見(jiàn)沿層面形成的階梯狀拉張裂縫,張開(kāi)5～8 cm,裂縫中有巖塊及巖屑充填,由此判斷基巖中存在順層滑動(dòng)的跡象;在由沖溝揭露的滑坡前緣部位巖體彎曲破碎,巖體層面產(chǎn)狀由NW25°/SW∠50°逐漸變?yōu)镹E5°/NW∠55°,揉皺現(xiàn)象明顯,如圖3所示。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查時(shí)其他地方并沒(méi)有如此變形現(xiàn)象,因此推斷該現(xiàn)象不應(yīng)為構(gòu)造作用所致,而是由于滑坡作用的結(jié)果。

圖3 滑坡體前緣巖體產(chǎn)狀

由以上特征判定鳥(niǎo)雀坪滑坡前期曾經(jīng)發(fā)生過(guò)滑動(dòng),且為一個(gè)巖質(zhì)古滑坡,現(xiàn)今堆積體的滑塌為古滑坡堆積體的局部復(fù)活。

3 古滑坡破壞機(jī)制

鳥(niǎo)雀坪古滑坡是在相當(dāng)長(zhǎng)的地質(zhì)歷史時(shí)期中形成的,坡向?yàn)轫樝蚱?巖層傾角大于坡度,基巖巖性為薄—中厚層狀千枚巖,巖性較軟,工程地質(zhì)性質(zhì)較差。在漫長(zhǎng)的自然歷史演化過(guò)程中,抬升的坡面在自重應(yīng)力作用下產(chǎn)生卸荷回彈,同時(shí)坡腳受河流下切沖蝕作用,最終在坡肩部位產(chǎn)生巖層拉裂。在強(qiáng)降雨或地震等作用下,巖體沿著其軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑移-彎曲變形,形成滑坡。本文根據(jù)鳥(niǎo)雀坪滑坡的特征和工程地質(zhì)條件,選用UDEC離散元程序軟件對(duì)鳥(niǎo)雀坪古滑坡的形成過(guò)程進(jìn)行如下反演模擬。

3.1 計(jì)算模型

以位于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分區(qū)中軸線的工程地質(zhì)剖面圖為藍(lán)本,對(duì)鳥(niǎo)雀坪滑坡原始地形進(jìn)行還原,如圖4所示。

按巖體受風(fēng)化程度和軟弱程度將坡體劃分為以下4個(gè)區(qū):①區(qū),為風(fēng)化最強(qiáng)的坡表層,屬散體-碎裂結(jié)構(gòu)帶;②區(qū),為風(fēng)化較弱的區(qū)域,屬塊裂結(jié)構(gòu)帶;③區(qū),為受河流水入滲的巖體軟化區(qū)域;④區(qū),為基巖區(qū)。

圖4 鳥(niǎo)雀坪滑坡離散元計(jì)算模型

3.2 計(jì)算參數(shù)選取

選取彈塑性力學(xué)模型,根據(jù)工程地質(zhì)類(lèi)比進(jìn)行巖體及結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)的確定,結(jié)果見(jiàn)表1、表2所列。

表1 鳥(niǎo)雀屏滑坡4個(gè)分區(qū)巖體力學(xué)參數(shù)取值

表2 鳥(niǎo)雀屏滑坡結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)取值

3.3 離散元結(jié)果分析

離散元模擬結(jié)果如圖5所示。當(dāng)模型計(jì)算到3×104步時(shí),在重力作用下,由于潛在滑面的存在,坡體有下滑的趨勢(shì),而坡腳處巖體由于受河水侵蝕等作用,物理力學(xué)性質(zhì)較差,從而為坡體變形提供了可能,坡體后緣的巖體在下滑力作用下形成拉裂縫。隨著計(jì)算時(shí)步的增加,坡體的變形程度不斷增大,當(dāng)計(jì)算到5×104步時(shí),坡腳巖體開(kāi)始出現(xiàn)較為明顯的彎曲,而坡體后緣巖體的拉裂縫則進(jìn)一步增大。

當(dāng)計(jì)算到8×104步時(shí),坡頂有少量巖體滾落,拉裂縫持續(xù)增大,坡體輕微滑移,導(dǎo)致坡底巖體受壓彎曲,巖體局部產(chǎn)生與巖層斜交的破裂面。當(dāng)計(jì)算到10×104步時(shí),坡表累進(jìn)性破壞明顯,坡表裂縫數(shù)量增多,坡體后緣裂縫完全貫通至滑移面,同時(shí),坡底巖體由于彎曲而導(dǎo)致地表輕微隆起,河道受到彎曲巖層的影響而有明顯的變形。

由于坡底巖體塑性彎曲,鎖固段應(yīng)力進(jìn)一步集中,當(dāng)?shù)M(jìn)行到15×104步時(shí),坡表產(chǎn)生明顯滑移,同時(shí)坡底巖體彎曲程度加大,隆起進(jìn)一步增大,開(kāi)始有崩落體落入河中,河道局部被堵塞。當(dāng)?shù)M(jìn)行到20×104步時(shí),坡體嚴(yán)重滑移,坡底巖體被強(qiáng)烈擠壓而彎曲直至斷裂,河道被坡表滑落和滾落的巖塊完全堵塞。

圖5 鳥(niǎo)雀坪滑坡變形破壞過(guò)程離散元模擬結(jié)果

綜上可知,鳥(niǎo)雀屏滑坡是由于順層傾坡外的巖層在重力作用下產(chǎn)生滑移,并對(duì)坡底塑性區(qū)造成擠壓,使得坡底表層巖體隆起,進(jìn)一步為上部巖體的滑移創(chuàng)造條件,導(dǎo)致滑移-彎曲的循環(huán)作用,由此而至破壞。

離散元模擬計(jì)算反映了鳥(niǎo)雀坪滑坡從緩慢變形—啟動(dòng)—滑動(dòng)和停止堆積的全過(guò)程。鳥(niǎo)雀坪滑坡變形破壞過(guò)程大致可以分為4個(gè)階段,每個(gè)階段的變化特征如下:

(1) 斜坡初始形成,表面卸荷回彈階段。這一時(shí)期河流強(qiáng)烈下切,鳥(niǎo)雀坪斜坡體岸坡不斷被加高、坡度變陡。抬升的岸坡水平應(yīng)力相對(duì)降低,重力作用凸顯,巖體發(fā)生卸荷作用,造成坡體局部應(yīng)力集中,使巖體整體向臨空面方向回彈。斜坡的巖性為千枚巖、千枚質(zhì)變質(zhì)砂巖,工程地質(zhì)條件較差,由于差異卸荷回彈的作用,巖體開(kāi)始沿千枚理、構(gòu)造節(jié)理、裂隙形成一定的軟弱面。這是產(chǎn)生順層滑移的初步階段。

(2) 坡體繼續(xù)回彈,塑性彎曲形成階段?；麦w繼續(xù)卸荷回彈,坡體上部沿著軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑動(dòng),使坡肩拉裂縫寬度增大,數(shù)量增多。由于下部巖體受到上部巖體的擠壓而發(fā)生塑性彎曲,坡體下部向外鼓出。

(3) 滑坡下部巖體鼓出隆起,彎曲折斷,形成潛在滑移面階段?；麦w后緣拉裂縫寬度進(jìn)一步增大,數(shù)量進(jìn)一步增加。由于河流的切割作用,使下部彎曲巖體暴露在較陡的臨空面中,巖體進(jìn)一步彎曲,最后發(fā)生強(qiáng)烈的變形,向臨空方向鼓出、隆起,并伴隨巖體的折斷。折斷的巖體與軟弱結(jié)構(gòu)面連通,形成了潛在的危險(xiǎn)滑移面。

(4) 滑面貫通,滑坡整體發(fā)生失穩(wěn)破壞階段。軟弱結(jié)構(gòu)面與彎曲折斷面進(jìn)一步貫通,滑移面形成,推測(cè)在某次暴雨工況下,滑帶抗剪強(qiáng)度降低,滑坡發(fā)生。滑坡發(fā)生后,坡體滑移而下,堵塞了前緣的大源河,致其發(fā)生河流改道。

4 結(jié) 論

本文對(duì)鳥(niǎo)雀坪滑坡堆積體進(jìn)行了詳細(xì)的野外調(diào)查和分析,從地形地貌形態(tài)、坡體物質(zhì)組成、地層巖性、構(gòu)造形跡以及河流演化過(guò)程等方面確認(rèn)該滑坡為古滑坡;利用UDEC離散元軟件對(duì)鳥(niǎo)雀坪古滑坡進(jìn)行坡體結(jié)構(gòu)分析和地形反演,并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析,認(rèn)為鳥(niǎo)雀坪滑坡為古滑坡堆積體局部復(fù)活形成的堆積層滑坡,由地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等內(nèi)因和河流侵蝕等外因共同作用而形成,滑坡的形成過(guò)程經(jīng)歷了斜坡表面卸荷回彈、塑性彎曲形成、潛在滑移面形成和滑面貫通4個(gè)階段。

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(責(zé)任編輯 張淑艷)

A study of formation mechanism of typical bedding ancient landslide in mountainous area of southern Anhui

PAN Guolin1,2, PAN Qian1, HONG Tianqiu2

(1.Public Geological Survey Management Center of Anhui Province, Hefei 230001, China; 2.School of Resources and Environmental Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Niaoqueping ancient landslide is located in the Chakou Town of Shexian County in mountainous area of southern Anhui. In recent years, local ancient landslide has revived because of the human engineering activities and heavy rainfall. In this paper, Niaoqueping ancient landslide is analyzed from the perspectives of the terrain characteristics, slope material composition, structure and morphology, and evolutionary trends of slope leading edge. The formation process of Niaoqueping ancient landslide is reappeared through the discrete element method. The results show that the deformation and failure process of Niaoqueping ancient landslide can be divided into four stages: rock mass unloading, plastic bending developing, sliding surface developing, and integral failure of the landslide. The formation mechanism of the landslide belongs to sliding-bending type.

landslide; formation mechanism; numerical simulation; mountainous area of southern Anhui

2016-01-11；

2016-04-05

安徽省國(guó)土資源廳公益性地質(zhì)工作資助項(xiàng)目(2010-g-30)

潘國(guó)林(1980-),男,安徽南陵人,安徽省公益性地質(zhì)調(diào)查管理中心高級(jí)工程師,合肥工業(yè)大學(xué)博士生; 洪天求(1953-),男,安徽懷寧人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師,通訊作者,E-mail:hongtianqiu@sina.com.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.08.023

P642.22

A

1003-5060(2017)08-1128-05