李家峽水電站右岸黃土滑坡的特征、成因及變形機(jī)制

2022-12-20 10:34:12羅延婷白振嶺

人民黃河 2022年12期

羅延婷，徐峰，白振嶺

（黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南鄭州 450003）

黃土覆蓋著約10%的地球陸地表面，主要集中在北半球的溫帶和沙漠前緣的半干旱地帶［1-7］。中國(guó)黃土主要分布于陜西、寧夏、甘肅、青海和山西等?。▍^(qū)）［8-13］，在這些地方，每年發(fā)生大量的黃土滑坡，其中李家峽水電站右岸黃土滑坡就是黃土高原滑坡地質(zhì)災(zāi)害的縮影［13-21］。李家峽水電站右岸的滑坡距離大壩約1.2 km，在電站的勘察期和建設(shè)期間（1988—1996年），該滑坡并未產(chǎn)生。 2002年在右岸邊坡上修建李坎公路，開挖了坡腳，前緣黃土邊坡開始出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，有關(guān)部門在李坎公路樁號(hào)K7＋980—K8＋360 段修建了抗滑設(shè)施，有效阻止了滑坡的變形，2004—2013年期間在黃土邊坡上并沒有產(chǎn)生明顯的變形。但在2014年之后，滑坡體上產(chǎn)生的變形裂縫越來越多、縫寬越來越大，右側(cè)前部還產(chǎn)生了小規(guī)模（約5 萬m3）的次級(jí)滑坡。為此，有必要對(duì)李家峽水電站右岸黃土滑坡的特征、成因及變形機(jī)制進(jìn)行研究，為李家峽水電站開展下一步滑坡防治提供技術(shù)支撐，為黃河兩岸高位黃土滑坡的研究提供重要參考。

為研究李家峽水電站右岸黃土滑坡的特征、成因和變形機(jī)制，采用地質(zhì)測(cè)繪、鉆探、豎井、試驗(yàn)等手段進(jìn)行勘察，使用無人機(jī)高清攝影揭露變形裂縫和落水洞，利用三維地質(zhì)建模揭示滑坡體的空間特征，對(duì)滑坡的地質(zhì)特征、形成歷史、成因及變形機(jī)制進(jìn)行分析研究。

1 滑坡工程地質(zhì)特征

滑坡體高程2 485 ～2 716 m，黃土自然邊坡坡向30°～40°，坡度5°～18°；滑坡下部基巖邊坡的坡度一般為35°～45°。東向和北向臨空，東側(cè)為一深切大溝，常年有細(xì)流，北向?yàn)辄S河（李家峽水庫），西側(cè)邊界的下部發(fā)育一小型切溝。

滑坡周界基本清晰，黃土滑坡地質(zhì)平面及典型斷面見圖1、圖2，后緣陡坎的高差為3 ～6 m。右側(cè)受抗滑樁的阻擋，之上的地表裂縫不發(fā)育，但抗滑樁之間的擋墻發(fā)生斷裂（見圖3）。左邊界縱向的變形裂縫發(fā)育，左側(cè)前緣已發(fā)生次級(jí)黃土滑坡，滑動(dòng)面為上覆黃土與下伏泥巖的分界面，擦痕清晰。

圖1 黃土滑坡地質(zhì)平面

圖2 黃土滑坡典型斷面1—1′

圖3 右側(cè)前緣的抗滑樁與擋墻

在黃土與泥巖的接觸部位，地表水沿黃土孔隙下滲至相對(duì)隔水的泥巖層頂面時(shí)富集，接觸帶土的含水率一般較高，可達(dá)飽和狀態(tài)，易形成軟弱的潛在滑動(dòng)面，上覆黃土最可能沿著潛在滑動(dòng)面變形失穩(wěn)。地表調(diào)查也證明了這一點(diǎn)：滑坡的左側(cè)前緣已產(chǎn)生上覆黃土沿下伏泥巖面的次級(jí)滑坡，滑體物質(zhì)為黃土，泥巖保持穩(wěn)定，滑動(dòng)面為黃土與泥巖的分界面，存在擦痕。

勘探揭露的最軟弱界面為上覆黃土與下伏泥巖界面，由于僅在滑坡前緣出現(xiàn)了塌滑，并沒有出現(xiàn)整體滑動(dòng)的跡象，滑動(dòng)面并未貫通，因此泥巖頂面即黃土與泥巖界面為潛在滑動(dòng)面。通過三維地質(zhì)建模分析，潛在滑動(dòng)面產(chǎn)狀總體為 30°～40°∠10°～20°。潛在滑動(dòng)面和上部黃土自然邊坡的產(chǎn)狀組合為順向坡，屬不利于邊坡穩(wěn)定的組合。

通過計(jì)算和分析得出，滑坡體長(zhǎng)495 ～795 m，寬230～710 m，面積約 23 萬 m2，滑坡體厚度 0 ～32 m，平均厚度約26 m，滑坡體總方量601 萬m3，為巖土混合邊坡上的黃土滑坡，滑床為泥巖，潛在滑動(dòng)面為黃土與泥巖接觸面，主滑方向?yàn)镹E35°。

2 裂縫及落水洞發(fā)育分布狀態(tài)

在滑坡體上共發(fā)現(xiàn)地表裂縫265 條，分析各變形裂縫的形態(tài)、延伸方向、長(zhǎng)度、變形方向、力學(xué)特性及形成原因，對(duì)關(guān)聯(lián)緊密、有共同成因的地表裂縫進(jìn)行分區(qū)。根據(jù)地表裂縫的特征、成因及其相關(guān)性，共劃分14 個(gè)裂縫發(fā)育區(qū)。研究結(jié)果表明，滑坡上的裂縫以牽引性張拉裂縫為主，分布在前緣已發(fā)生的塌滑和次級(jí)滑坡的頂部以上區(qū)域。變形裂縫自下向上逐級(jí)發(fā)展，下部發(fā)生變形破壞的規(guī)模大，向上牽引產(chǎn)生的裂縫多。右側(cè)前部受兩排抗滑樁的支護(hù)，黃土體未見變形裂縫，當(dāng)上排抗滑樁之間的擋土墻斷裂后，則在其上部出現(xiàn)了一條牽引性張拉裂縫。

發(fā)現(xiàn)黃土落水洞41 個(gè)，落水洞為橢圓形或圓形，洞壁直立，直徑 0.5 ～8.0 m，深度 1 ～6 m，大小不一。受排水渠集中排泄地表水及人工澆灌樹木的影響，大量落水洞沿排水渠各排泄口之下的排泄路徑發(fā)育，少量沿著滑坡的左右邊界（地形上的分水嶺）發(fā)育，個(gè)別落水洞由植樹的樹坑發(fā)展形成。

3 邊坡滑動(dòng)的驅(qū)動(dòng)因素及演化過程

根據(jù)前期勘察資料，李家峽水電站建設(shè)前，該邊坡未見異常；李家峽水電站建設(shè)期間以及運(yùn)行期未對(duì)該邊坡進(jìn)行工程活動(dòng)，對(duì)邊坡沒有擾動(dòng)，2002年李坎公路的建設(shè)對(duì)邊坡擾動(dòng)較大，黃土邊坡的變形也是從2002年開始的。

2002年修建李坎公路，開挖坡腳導(dǎo)致出現(xiàn)局部滑坡，有關(guān)部門修建了抗滑樁，阻止了滑坡的進(jìn)一步發(fā)展，在修建后一段時(shí)期內(nèi)滑坡穩(wěn)定。

2014年之后，滑坡的不穩(wěn)定現(xiàn)象主要受上林場(chǎng)植樹及澆灌、公路排水渠的集中排水、降雨等影響，地表水沿坡面排泄不暢，向下入滲，降低了土體強(qiáng)度。目前，不穩(wěn)定狀態(tài)的主要誘導(dǎo)因素是地表水的集中沖刷與入滲，即水是產(chǎn)生滑坡不穩(wěn)定的主導(dǎo)因素。

滑坡從自然穩(wěn)定邊坡發(fā)展為不穩(wěn)定邊坡，演化過程可分為3 個(gè)階段：①歷史上該區(qū)可能產(chǎn)生過變形或滑動(dòng)，但規(guī)模不大，為淺層黃土滑坡或表層塌滑。至少在李家峽水電站修建期內(nèi)，黃土邊坡處于自然穩(wěn)定狀態(tài)。 ②2002年李坎公路修建，開挖導(dǎo)致黃土滑坡自然穩(wěn)定狀態(tài)遭到破壞，其右側(cè)前緣出現(xiàn)不穩(wěn)定，相關(guān)部門于2003年及時(shí)修建了兩排抗滑樁阻止了邊坡的進(jìn)一步變形，之后10 a 沒有出現(xiàn)大的變形。 ③2014年以后隨著長(zhǎng)期地表降雨沿排水渠集中排泄到黃土體上，由此產(chǎn)生的沖刷、滲透作用破壞了黃土體的結(jié)構(gòu)，降低了潛在滑動(dòng)面的抗剪強(qiáng)度，導(dǎo)致抗滑樁西側(cè)滑坡的前緣產(chǎn)生了塌滑和次級(jí)滑坡，并牽引上部黃土體產(chǎn)生大量變形裂縫，滑坡的前緣再次出現(xiàn)不穩(wěn)定。

4 滑坡變形機(jī)制及失穩(wěn)模式

早更新世黃土層形成之前，新近紀(jì)泥巖、泥質(zhì)砂礫巖地層面在風(fēng)化卸荷等作用下略有起伏，在此期間強(qiáng)烈的構(gòu)造作用造成泥巖、泥質(zhì)砂巖的巖層向北東向（黃河方向）緩傾斜（產(chǎn)狀變?yōu)?35°～40°∠15°～16°）。在較長(zhǎng)的一段地質(zhì)歷史時(shí)期，地殼抬升、黃河形成過程中發(fā)生侵蝕切割，在風(fēng)化卸荷等作用下形成了目前的黃河河道。后期黃土覆蓋在新近紀(jì)泥巖之上，前緣的黃土層在前緣崩塌及小型滑坡的作用下形成了現(xiàn)今的地貌狀態(tài)。滑坡是在現(xiàn)有特定地形地貌及地質(zhì)環(huán)境中形成與發(fā)展的。

李坎公路開挖及排水渠排水在不同時(shí)期、不同部位造成滑坡前緣失穩(wěn)，產(chǎn)生了塌滑和次級(jí)滑坡，牽引上部黃土體出現(xiàn)變形裂縫，黃土結(jié)構(gòu)被破壞。每次降雨后，排水渠的集中排水會(huì)再次產(chǎn)生沖刷和滲透，降水沿坡面裂縫直接進(jìn)入黃土體中，本已變形的黃土體會(huì)加速擴(kuò)大變形，進(jìn)而牽引上部黃土體產(chǎn)生數(shù)量更多、范圍更廣的變形裂縫。當(dāng)變形區(qū)黃土體的下滑力大于潛在滑動(dòng)面的摩擦阻力時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)破壞。以上變形和滑動(dòng)破壞是逐級(jí)向上發(fā)展的。

滑坡前緣的變形比較明顯，變形裂縫較多，變形部位基本沿著上覆黃土與下部泥巖的分界線處分布，且均表現(xiàn)為黃土體的變形，下部出露的泥巖保持穩(wěn)定狀態(tài)，周圍出露的新近系泥巖及泥質(zhì)砂巖、前震旦系片麻巖邊坡整體均保持穩(wěn)定狀態(tài)。由此可見，滑坡具有黃土-泥巖的二元巖土體結(jié)構(gòu)特征，其變形破壞主要為上部黃土的變形破壞。

滑坡上的裂縫主要為牽引性拉張裂縫，分布在前緣已發(fā)生的塌滑和次級(jí)滑坡的頂部以上區(qū)域，前緣發(fā)生變形破壞的規(guī)模越大，牽引產(chǎn)生的裂縫則越多。因此，上部黃土的變形破壞主要為牽引式變形破壞。

李家峽水電站右岸黃土滑坡為巖土混合邊坡上的黃土滑坡，滑坡體為黃土，滑床為泥巖，潛在滑動(dòng)面為黃土與泥巖接觸帶，其失穩(wěn)破壞模式為黃土體沿潛在滑動(dòng)面滑動(dòng)，變形破壞類型屬牽引式滑坡，滑坡破壞模式為后退式分級(jí)滑動(dòng)。

5 結(jié) 語

（1）滑坡的變形以牽引性張拉裂縫為主，變形裂縫自下向上逐級(jí)發(fā)展，下部發(fā)生變形破壞的規(guī)模大，牽引產(chǎn)生的裂縫較多。如任這種變形自由發(fā)展，將造成滑坡上的李坎公路路面被拉裂、路基損壞，對(duì)李坎公路的通行安全造成影響。

（2）滑坡破壞模式屬于后退式分級(jí)滑動(dòng)，在不利因素影響下，滑動(dòng)后黃土滑坡體先堆積于斜坡上，并不是整體直接滑入水庫，另外受下部基巖斜坡面的阻擋，松散狀的黃土滑坡體下滑至水庫所需的時(shí)間歷程較長(zhǎng)，整體產(chǎn)生高速滑動(dòng)的可能性小。滑坡體屬高位、黃土松散體，分級(jí)滑體失穩(wěn)滑動(dòng)后會(huì)先伏在下部基巖岸坡上，在降雨的作用下，部分散體將以泥流的形式沿下部基巖岸坡滑入水庫，會(huì)造成一定的淤積，但不會(huì)產(chǎn)生大的涌浪災(zāi)害。

（3）集中排水對(duì)黃土邊坡穩(wěn)定的影響非常大，排水渠集中排水對(duì)排水口處前緣的黃土造成沖刷，產(chǎn)生了類似工程開挖的挖腳作用，使前緣黃土邊坡產(chǎn)生小規(guī)?；?。黃土邊坡上的排水渠設(shè)計(jì)需要特別重視排水渠出口的位置及黃土濕陷性導(dǎo)致的排水渠斷裂與排水失效問題。

（4）前緣小規(guī)?；拢ㄋ?huì)向上牽引產(chǎn)生更多的變形裂縫，進(jìn)而向上產(chǎn)生新的不同規(guī)模的次級(jí)滑坡；變形裂縫逐級(jí)向上發(fā)展，不同規(guī)模的滑坡也會(huì)逐級(jí)向上產(chǎn)生、逐級(jí)向上塌滑。因此，及時(shí)采用抗滑工程措施，阻止變形向上發(fā)展是非常必要的。

（5）在沒有采取抗滑工程措施的情況下，在黃土滑坡上植樹造林后高頻率人工澆灌樹木，會(huì)使得灌溉水向下入滲，在黃土與泥巖交界面富集，從而產(chǎn)生軟弱面，進(jìn)而易貫通形成滑動(dòng)面。這需要國(guó)土部門和林業(yè)部門在滑坡防治問題上達(dá)成共識(shí)、相互協(xié)作，以避免無良好造林效果的資源浪費(fèi)。