余 波 鄧茂林 黃正文
(1四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院 2成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 3成都大學(xué)城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院)
茂縣位于四川省中北部,阿壩藏族羌族自治州東南部,地處青藏高原向川西平原過渡地帶,地理坐標(biāo)為北緯31°24'-32°17',東經(jīng)102°56'-104°10'。該區(qū)屬地質(zhì)構(gòu)造抬升區(qū),區(qū)內(nèi)巖體破碎,地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育,一直都是地質(zhì)學(xué)者關(guān)注研究的重點(diǎn)區(qū)域。近年來,也取得了一些地質(zhì)工作成果,主要反映了區(qū)內(nèi)地層時(shí)代、巖性、構(gòu)造、礦產(chǎn)、地震活動等區(qū)域地質(zhì)及區(qū)域水文地質(zhì)條件[1-3]。但是,以上研究受研究對象及工作深度的限制,不能滿足茂縣仁村組不穩(wěn)定斜坡防治工作的需要,因此,非常有必要專門開展仁村組不穩(wěn)定斜坡勘查工作。2008年5.12特大地震后,為了確實(shí)做好全省重大地質(zhì)災(zāi)害防治工作,確保人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全,省國土資源廳第三批啟動實(shí)施了511處重大地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的應(yīng)急勘查、設(shè)計(jì)工作。根據(jù)2009年4月24日四川省國土資源廳下發(fā)的川國土資函[2009]519號《關(guān)于請組織支援開展我省地震災(zāi)區(qū)第三批重大地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急勘查、設(shè)計(jì)工作函》,受省國土資源廳委派,四川省煤田地質(zhì)局等單位組織專家開展了茂縣富順鄉(xiāng)團(tuán)結(jié)村仁村組不穩(wěn)定斜坡的勘查和防治可研工作。本文多名作者作為勘查組主要成員,全程參與了茂縣仁村組不穩(wěn)定斜坡的勘查工作。通過此次調(diào)查研究,獲得了一些關(guān)于該不穩(wěn)定斜坡的初步認(rèn)識。
研究區(qū)地處川西北高原東北部的高山峽谷地帶,受第三紀(jì)末喜山運(yùn)動以來區(qū)域整體間歇性抬升和河流強(qiáng)烈下切侵蝕作用的影響,區(qū)內(nèi)山勢巍峨,溝谷深切,山嶺海拔高程一般3500-4500 m,嶺谷高差1000 m左右,呈現(xiàn)出強(qiáng)烈隆升深切割的高山—中高山地貌景觀。勘查區(qū)為中山—中高山地貌,較高點(diǎn)為不穩(wěn)定斜坡北側(cè)山脊一帶,標(biāo)高約2400 m,較低處為團(tuán)結(jié)河河谷一帶,標(biāo)高約1150 m,相對高差約1250 m。
不穩(wěn)定斜坡位于團(tuán)結(jié)河左岸斜坡地帶,斜坡區(qū)地形變化較大,整體坡度約24.5°,呈東高西低之勢,為折線坡形。斜坡上部較平緩,坡度15°-20°;中部一帶地形相對較順直,呈斜坡地形,坡度一般20°-30°;斜坡下部至團(tuán)結(jié)河河岸地形較為復(fù)雜,局部為陡坡,局部為團(tuán)結(jié)河殘留高階地,坡度15°-40°,局部達(dá)60°,坡面起伏不大,多滑塌形成的高陡弧形臺坎,斜坡南邊發(fā)育一條季節(jié)性深切沖溝。斜坡坡腳處為團(tuán)結(jié)河,河道蜿蜒,小塊階地漫灘發(fā)育,兩岸有大量季節(jié)性深切沖溝(見圖1)。
研究區(qū)出露地層為新生界第四系全新統(tǒng)(Q4)及古生界志留系茂縣群第四組地層(Smx4)。
1.2.1 第四系(Q4)
圖1 仁村組不穩(wěn)定斜坡地形地貌全圖
廣泛分布于團(tuán)結(jié)河兩岸及整個斜坡地帶,其成因類型主要為沖洪積層(Q4al+pl)、崩坡積層(Q4c+dl)、老滑坡堆積層(Q4del)及殘坡積層(Q4dl+el)。
(1)沖洪積層(Q4al+pl)。沖洪積層主要分布在團(tuán)結(jié)河兩岸及階地,勘查區(qū)位于階地的后緣,僅坡腳有分布。以塊、卵石土為主,次為圓礫類土,石質(zhì)巖性主要為砂質(zhì)千枚巖,粒徑8-20 cm,含量50% -70%。常夾透鏡狀砂層及粉土層,在小范圍內(nèi)具有一定的沉積韻律性,厚約5-10 m。
(2)崩坡積層(Q4c+dl)。分布于斜坡周邊及上部坡體淺部,主要由碎石土和部分塊石土組成,土質(zhì)松散—稍密,塊碎石石質(zhì)成分為千枚巖,粒徑5-20 cm,含量45% -60%,多呈棱角狀,系上部陡崖崩塌堆積和基巖風(fēng)化形成,厚度2-10 m不等。
(3)老滑坡堆積層(Q4del)。廣泛分布于斜坡體內(nèi),一般為碎石土、塊石土、角礫土及少量含角礫粉質(zhì)黏土組成,石質(zhì)粒徑2-25 cm,含量40% -60%。所有鉆孔皆有揭露,此層平均總厚度達(dá)21.5 m。其中,粉質(zhì)黏土在坡體中大部分沿基巖面呈面狀分布,少量呈透鏡狀分布,鉆探揭露厚1.2-5.5 m。
(4)殘坡積層(Q4dl+el)。分布于不穩(wěn)定斜坡兩側(cè)緩坡處,主要由中—粗角礫土及碎石土組成,土質(zhì)松散—稍密,粗粒、巨粒顆粒多呈棱角狀,石質(zhì)粒徑3-10 cm,含量30% -45%,系近源千枚巖風(fēng)化堆積形成,厚度約1-5 m。
1.2.2 古生界志留系茂縣群第四組(Smx4)
區(qū)內(nèi)出露基巖地層為志留系茂縣群第四組,地層巖性以深灰、黑灰色絹云千枚巖為主,夾薄層石英巖和泥質(zhì)灰?guī)r,全組厚度100-1148 m。受構(gòu)造影響,節(jié)理裂隙和層理極發(fā)育,巖體被切割成塊狀,風(fēng)化層厚,巖質(zhì)軟,強(qiáng)風(fēng)化層極破碎。地表廣泛出露于不穩(wěn)定斜坡區(qū)外山脊和陡坡處。
據(jù)《1∶20萬茂汶幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報(bào)告》(四川省地質(zhì)局,1975),測區(qū)位于九頂山華夏系構(gòu)造九頂山復(fù)向斜(Ⅰ26)北翼多個次級同斜倒轉(zhuǎn)褶皺曲之甘溝倒轉(zhuǎn)背斜(Ⅰ23)南東翼,該Ⅰ26復(fù)向斜由志留系茂縣群及泥盆系月里寨群組成,核部為泥盆系月里寨群,軸線走向北東40°-45°,南、北翼地層均傾向北西 310°-315°,傾角南翼 40°-48°,北翼 42°-78°,軸面傾向約315°,傾角約 70°,為一同斜倒轉(zhuǎn)復(fù)向斜。該復(fù)向斜延長50 km,寬約12 km。調(diào)查區(qū)出露地層為古生界志留系茂縣群第四組地層(Smx4),巖性為黑灰色絹云千枚巖,局部次生褶皺較發(fā)育(見圖2)。
測區(qū)內(nèi),地表出露的Smx4千枚巖片理及揉皺發(fā)育,巖層總體呈單斜產(chǎn)出,傾向一般介于290°-330°之間,巖層傾角一般為45°-55°,主要發(fā)育有2組節(jié)理裂隙,發(fā)育密度為2-6條/m3不等。
J1 組:產(chǎn)狀 180°∠60°,發(fā)育間距 0.1 -0.6 m,可見延伸長度一般0.2-1.3 m;微張—閉合,裂面較平直,大致順層。區(qū)內(nèi)該組節(jié)理尤為發(fā)育,為控制性結(jié)構(gòu)面。
J2 組:產(chǎn)狀 218°∠70°,發(fā)育間距 0.3 -1.6 m不等,延伸長度0.3-0.8 m不等;微張—閉合,淺表見泥質(zhì)充填,裂面較平直。區(qū)內(nèi)該組節(jié)理與J1組節(jié)理同為共軛“X”節(jié)理。
仁村組不穩(wěn)定斜坡位于茂縣富順鄉(xiāng)團(tuán)結(jié)村,經(jīng)過實(shí)地調(diào)查,該斜坡堆積物原始成因?yàn)橐焕匣露逊e物,即斜坡體北側(cè)山體滑坡堆積形成,其主滑方向247°,下部由于受到南部山脊的阻擋,堆積體略向西北方向轉(zhuǎn)移。坡體內(nèi)大部分為千枚巖風(fēng)化形成的碎石土、塊石土、角礫土及部分粉質(zhì)黏土組成。坡形整體順直,平面形態(tài)上表現(xiàn)為雙溝同源的圈椅狀(詳見圖1)。
圖2 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造簡圖
據(jù)調(diào)查,近30 a來該斜坡中上部局部有蠕動變形和滑塌現(xiàn)象。該不穩(wěn)定斜坡“5.12”地震前整體處于穩(wěn)定狀態(tài),只在局部出現(xiàn)了蠕滑變形和滑塌現(xiàn)象;“5.12”地震時(shí),因地震作用發(fā)生局部較變形,表現(xiàn)為后緣拉張裂縫,最寬處達(dá)0.3 m,高差錯落最大處達(dá)0.4 m,延伸約300 m(L1),中前部發(fā)生局部拉裂變形裂縫(L3~L7)(詳見圖3)。
圖3 地震時(shí)仁村組不穩(wěn)定斜坡裂縫分布特征
不穩(wěn)定斜坡規(guī)模較大。據(jù)實(shí)地勘查調(diào)查,變形區(qū)后緣較高,標(biāo)高1602 m,前緣至團(tuán)結(jié)河,標(biāo)高約1150 m,前后緣高差 452 m;該變形區(qū)橫向長630 m,縱向長1360 m,面積約 85.68 ×104m2??碧浇衣缎逼露逊e體平均厚度21.50 m,體積為1842×104m3,屬特大型老滑坡堆積體。
該斜坡堆積體物質(zhì)組成為:上部大部分為含大量千枚巖碎、塊石的碎石土,中部夾薄層含角礫粉質(zhì)黏土和角礫土,下部為千枚巖。
變形破壞特性為:由于整體坡度較平緩,通過穩(wěn)定性計(jì)算,斜坡不會整體沿基巖面滑動,主要變形破壞形式為局部沿土層間軟弱層面和搜索剪出口滑動以及局部滑塌為主,可能造成剪出口以上居民及滑塌處附近居民生命財(cái)產(chǎn)損失。
根據(jù)地面調(diào)查不穩(wěn)定斜坡地形地貌特征和勘探鉆孔揭露地層分析,斜坡堆積體特征:一般為碎石土、部分塊石土、角礫土、含角礫粉土和薄層粉質(zhì)黏土,在不穩(wěn)定斜坡中后部、中上部的局部地方還見相對較完整的巨塊石。土層平均厚度21.50 m,最厚達(dá)26 m(堆積體物質(zhì)組成詳見圖4、圖5)。在坡底局部出露沖洪積砂卵石覆蓋于粉質(zhì)黏土和碎石土之上。由此可見,堆積體成因類型為老滑坡堆積物。
2.2.1 巖土力學(xué)特性和指標(biāo)
(1)碎石(塊石、角礫)土:分布于整個坡體內(nèi),稍密—密實(shí),石質(zhì)成分為千枚巖,呈強(qiáng)風(fēng)化狀,石質(zhì)粒徑0.5-30 cm,含量50% -75%,多呈菱角和次菱角狀,碎(塊)石混雜,無分選性,鉆探期間易出現(xiàn)卡鉆、掉塊、護(hù)壁液漏失等現(xiàn)象,鉆探極其困難。鉆探揭露該層最厚達(dá)18.5 m。經(jīng)勘查時(shí)現(xiàn)場大重度試驗(yàn)得其天然重度為20.6 kN/m3,飽和重度為21.8 kN/m3。
(2)粉質(zhì)黏土:分布于土層與基巖面接觸帶和部分夾于碎石土與角礫土之間,呈可塑—硬塑狀,含少量角礫,粒徑0.5-4 cm,含量8% -25%,鉆孔揭露厚1.2-5.5 m。根據(jù)勘查取樣試驗(yàn),其物理力學(xué)指標(biāo)為:天然含水率18.97%,飽和含水率25.36%,天然密度1.94 g/cm3,飽和密度 2.02 g/cm3,天然抗剪強(qiáng)度 c值 17.53 kPa,φ值 19.50°,飽和抗剪強(qiáng)度 c 值16.08 kPa,φ值 17.80°,滲透系數(shù)6.70 ×10-4cm/s。
2.2.2 地下水活動狀態(tài)
“5.12”地震前,坡體上部仁村組有一水井,據(jù)訪問水量大約為:1-3 L/s;“5.12”地震后,地下水隨裂縫漏失,井泉水量僅為0.1 L/s左右,造成居民飲水困難。地下水幾乎全部進(jìn)入地下排泄。由于勘查時(shí)值雨季,勘查測得所有鉆孔地下水位均較淺,為5.10 -10.30 m。
巖土滲透特性:本斜坡堆積體內(nèi)大部分為碎(塊)石土,滲透性較好,基巖風(fēng)化裂隙和構(gòu)造裂隙均較發(fā)育,有利于地下水的排泄。
據(jù)鉆探揭露,滑床形態(tài)為折線形,巖性為Smx4絹云千枚巖基巖面(見圖6、圖7),呈薄層狀,風(fēng)化裂隙和構(gòu)造裂隙相當(dāng)發(fā)育,抗風(fēng)化能力弱,強(qiáng)風(fēng)化厚度大(大部分鉆孔揭露強(qiáng)風(fēng)化層大于5 m),巖芯大部分呈破碎狀、餅狀,物理力學(xué)性能差。
圖4 堆積體物質(zhì)成分
圖5 堆積體中的碎石土
圖6 潛在滑床巖石
經(jīng)勘查取樣試驗(yàn),天然塊體密度為2.72 g/cm3,飽和塊體密度為 2.77 g/cm3,飽和抗壓強(qiáng)度7.568 mPa,天然抗壓強(qiáng)度 14.295 mPa,飽和抗剪強(qiáng)度 c:0.17 mPa,φ值 26.88°,天然抗剪強(qiáng)度 c 值0.31 mPa,φ值 32.83°?;鶐r裂隙發(fā)育,滲透性較強(qiáng)。
根據(jù)鉆探揭露和目前宏觀變形現(xiàn)象,主要為局部的開裂及滑塌,仁村組不穩(wěn)定斜坡尚未形成統(tǒng)一的滑帶。根據(jù)滑面搜索,尋找最佳剪出口,滑帶土主要為接近基巖面的含角礫粉質(zhì)黏土或角礫土,其特征為硬塑—可塑狀,部分鉆孔(ZK2、ZK3)揭露所含碎石為磨圓和次磨圓狀,局部見擦痕。
據(jù)取樣試驗(yàn),天然含水率18.97%,飽和含水率25.36%,天然密度1.94 g/cm3,飽和密度2.02 g/cm3,天然抗剪強(qiáng)度 c 值 17.53 kPa,φ值19.5°,飽和抗剪強(qiáng)度 c 值 16.08 kPa,φ值 17.80°,滲透系數(shù)6.70×10-4cm/s。具薄層狀夾層結(jié)構(gòu),為堆積體中的軟弱夾層。
分布形態(tài)為大部分分布于土層與基巖面接觸帶(ZK2、ZK3、ZK7),呈面狀分布;局部分布于土層間(ZK1、ZK5、ZK6),呈透鏡狀分布。
埋深一般在 12.53-19.85 m 之間,厚度約0.1 -1.2 m。
2.5.1 震前變形破壞特征
據(jù)調(diào)查訪問,近30 a來斜坡主要以局部蠕變變形和滑塌為主,坡體上部和中下部房屋有部分開裂現(xiàn)象,裂縫張開度為3-5 mm。
2.5.2 震后變形破壞特征
“5.12”汶川大地震時(shí),勘查區(qū)上部出現(xiàn)了地面開裂寬度達(dá)0.3 m、錯落達(dá)0.4 m(L1)的橫向裂縫以及局部滑塌、房屋建筑開裂導(dǎo)致部分倒塌等變形加劇跡象(裂縫統(tǒng)計(jì)詳見表1),由于大部分地表和房屋裂縫已封填或修補(bǔ),僅在部分地面可見。
根據(jù)震后裂縫調(diào)查統(tǒng)計(jì),已發(fā)現(xiàn)的7條裂縫走向介于125°-150°之間,加上地形、臨空面、堆積體特征等多種因素判斷,該不穩(wěn)定斜坡發(fā)生變形可能的主滑方向?yàn)?47°左右。
表1 “5.12”地震后不穩(wěn)定斜坡變形破壞跡象特征統(tǒng)計(jì)表
不穩(wěn)定斜坡的發(fā)生、發(fā)展過程與地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造及地層巖性等內(nèi)部因素密切相關(guān);而氣象、水文、地震等內(nèi)外動力條件則是致使該不穩(wěn)定斜坡形成和發(fā)展的主要誘發(fā)因素。
不穩(wěn)定斜坡坡向245°,巖性以千枚巖為主,巖質(zhì)較軟、易風(fēng)化,且為順層斜交坡,產(chǎn)狀310°∠48°,巖體破碎且發(fā)育有一組外傾節(jié)理180°∠60°,故極易形成大量的松散堆積物源;加之本區(qū)地處川西北強(qiáng)烈抬升區(qū),區(qū)內(nèi)地震活動頻繁,河流下切作用劇烈,在地震或河水等內(nèi)外動力作用下極易引起不穩(wěn)定斜坡的發(fā)生。場地地形坡度較陡,易誘發(fā)牽引滑塌。
由于團(tuán)結(jié)河在仁村組不穩(wěn)定斜坡前緣通過,測時(shí)水涯線距不穩(wěn)定斜坡前緣5-20 m,洪水期間可淹至不穩(wěn)定斜坡前緣。在長期的河流和南側(cè)季節(jié)性沖溝側(cè)蝕作用下,對不穩(wěn)定斜坡前緣和南側(cè)坡腳有一定的影響。在降水浸潤或河水漲跌產(chǎn)生動水壓力作用下,斜坡土體抗剪強(qiáng)度降低,故易產(chǎn)生新的次級牽引滑塌。
據(jù)勘查調(diào)查和鉆探揭露,由于勘查季節(jié)為雨季,坡體內(nèi)地下水埋藏較淺,一般深6.80-9.10 m,最淺5.10 m(ZK5),最深 10.30 m(ZK8)。上部山體匯水面積較大,原來坡體上部井泉水能滿足整個仁村組和半坡組88戶402口人以及大量牲畜的日用水量?!?.12”地震后井泉水接近枯竭,幾乎全部隨地震裂縫漏失進(jìn)入坡體內(nèi),坡體上部居民只能靠到遠(yuǎn)處背水飲用,目前村上正在組織到遠(yuǎn)處安裝水管引水。地下水較豐富加之雨季降水的入滲,將大大增加土體的重度,降低土體物理力學(xué)指標(biāo),造成局部邊坡失穩(wěn)。
目前在坡體內(nèi)大量修建房屋和簡易公路,盲目開挖,形成大量土質(zhì)陡立邊坡和坡面松散堆積物,在不利工況下將形成局部滑塌,若繼續(xù)發(fā)展將對整個邊坡穩(wěn)定性不利。
在“5.12”地震以前,不穩(wěn)定斜坡基本穩(wěn)定,地震時(shí)斜坡后緣和中部多處出現(xiàn)拉張裂隙。但震后采用及時(shí)封閉裂隙后,不穩(wěn)定斜坡變形變緩,據(jù)當(dāng)?shù)卮迕窈喴子^測基本處于停止階段。充分說明了地震力破壞了坡體結(jié)構(gòu)的完整性及穩(wěn)定性,加速了不穩(wěn)定斜坡變形發(fā)展的進(jìn)程。
如前所述,在降雨、地震等工況下,坡體內(nèi)人工工程(修路、建房等)開挖所形成的部分高陡邊坡易產(chǎn)生局部滑塌,從而有可能誘發(fā)坡體局部失穩(wěn),將潛在威脅到周邊居民的生命財(cái)產(chǎn)安全。
據(jù)《滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》(DZT0219-2006)5.1條表3(詳見表2)判定,該滑坡工程防治等級為Ⅲ級。
茂縣仁村組不穩(wěn)定斜坡在各工況條件下整體穩(wěn)定,地震期間的淺層變形發(fā)生在斜坡區(qū)的中上部,震后封填后至今監(jiān)測未發(fā)生變形?,F(xiàn)狀穩(wěn)定,在暴雨、地震等工況條件下整體處于穩(wěn)定狀態(tài),但其局部土質(zhì)陡壁邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài),有可能產(chǎn)生滑塌,潛在威脅到部分機(jī)耕道和附近居民的安全。
表2 滑坡防治工程分級表
對該邊坡的治理,考慮采用“以防為主,局部治理”的方案進(jìn)行滑坡綜合防治。防治目標(biāo)與原則為:在經(jīng)濟(jì)合理、確保安全的基礎(chǔ)上,一方面重點(diǎn)治理對建構(gòu)筑物及人員安全有重大影響、會造成嚴(yán)重危害的部位,同時(shí)從影響滑坡穩(wěn)定性的因素著手,改善滑坡區(qū)外部環(huán)境,從而達(dá)到防災(zāi)、避災(zāi)的目的。
根據(jù)勘查結(jié)論,按既定防治目標(biāo)和原則,從經(jīng)濟(jì)合理、以人為本的角度出發(fā),建議仁村組不穩(wěn)定斜坡采取“地表截排水+裂縫回填+長期監(jiān)測”的防治措施體系。
(1)設(shè)置截、排水溝攔截上部山體地表水,并種植適宜當(dāng)?shù)厣L的林木綠化坡體,減少降雨匯水對坡面的沖刷,減弱水對邊坡穩(wěn)定性的不利影響。
(2)填塞斜坡區(qū)內(nèi)地震時(shí)發(fā)生的所有裂縫。
(3)設(shè)置監(jiān)測點(diǎn),專業(yè)的長效監(jiān)測與群測群防相結(jié)合。
[1]四川省地質(zhì)局.1∶20萬茂汶幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報(bào)告[R].1975.
[2]四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局,成都水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì).四川省茂縣地質(zhì)災(zāi)害(補(bǔ)充)調(diào)查與區(qū)劃報(bào)告[R].2007,12.
[3]中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心.四川省5.12地震災(zāi)區(qū)阿壩州茂縣地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急排查總結(jié)報(bào)告[R].2008,06.
[4]四川煤田地質(zhì)一三七總公司.阿壩州茂縣第三批地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急勘查項(xiàng)目:仁村組不穩(wěn)定斜坡勘查報(bào)告[R].2009,8.
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