黃岡地區地質災害特征及滑坡孕災機理研究

王 超,鄒 浩*,毛 帥,陳慧娟,朱文慧,蔡恒昊

(1.資源與生態環境地質湖北省重點實驗室,湖北 武漢 430034; 2.湖北省地質局 第三地質大隊,湖北 黃岡 438000;3.鄂東北區域性地質災害防治研究中心,湖北 黃岡 438000)

黃岡市地處湖北省東部大別山南麓、長江中游北岸、京九鐵路中段。區內人類工程活動日益加劇,尤為突出是居民切坡建房、公路建設、礦山開采等,由此引發的地質災害日漸增多,尤其是汛期地質災害頻發,造成了人員傷亡和財產損失。

目前很多學者對該地區地質災害進行了研究[1-11],例如鄒浩等[1]對黃岡市在2016年多輪強降雨影響下的地質災害發育規律進行淺析,得出了滑坡數量與降雨量的相關性;朱文慧等[6]基于滑坡特征統計研究黃岡市2016年汛期滑坡成因機理,表明該區滑坡以平緩淺層小型或中型堆積層滑坡為主,且主要沿基覆界面滑動;陳前等[10]采用信息量法和優化的樣本與評價因子,評價了黃岡市地質災害易發性,較準確地劃分了地質災害易發性分區。上述研究多是對單點或某類型地質災害的研究,而對黃岡全域地質災害特征研究仍顯不足。

鑒于此,本文在充分收集已有資料的基礎上,查明黃岡市地質環境條件、地質災害發育特征及分布規律,根據滑動面所處巖土體類型分析滑坡孕災機理,采用GeoStudio軟件的SLOPE/W模塊模擬在不同降雨條件下降雨入滲對邊坡穩定性的影響。開展黃岡市全域地質災害類型及其特征研究,有助于加深認識該地區的地質災害特點,對于指導該地區科學防災、精準預警和工程設計有著重要意義。

1 研究區概況

1.1 地形地貌

黃岡市地勢北高南低,形成自北向南逐漸傾斜的梯級地形結構。東北部由于大別山的隆起,自然構成了長江、淮河兩大水系的分水嶺,海拔多在1 000 m以上;北部和東部為大別山低山丘陵,海拔多在500～800 m;中部為丘陵區,海拔多在300 m以下,谷寬丘廣,沖、垅、塝、畈交錯;南部為長江沖積平原,海拔在10～30 m。

1.2 地層巖性

黃岡市位于秦嶺地層區的東延部分,地層出露較為齊全,自太古界至新生界均有分布。區內主要出露太古代—元古代大別雜巖,總體無序。大別雜巖主體為變形變質侵入巖類,主要由灰色和淺色片麻巖組成,前者主要為片麻狀輝長巖、片麻狀閃長巖等,后者主要為花崗閃長質片麻巖、二長花崗質片麻巖等[12]。其次是表殼巖,主要以大小不一的包體或捕虜體形式出現,主要巖石類型有斜長角閃巖、大理巖、石英片巖等,屬于一套沉積變質巖系。除此以外區內還零星出露有中生代花崗巖。

1.3 工程地質

根據區內巖土體類型、結構及巖性組合,可將巖土體劃分為4類(圖1)。

圖1 黃岡市工程地質圖

(1) 軟弱松散巖類。該類巖性主要為第四系沖洪積、殘坡積及崩積的黏土、粉質黏土、碎石土、砂礫(卵)石、泥礫。厚度一般在1～10 m,土體松散,力學強度低。黏土、粉質黏土具有塑性,遇水易軟化,局部地段分布的黏土具有脹縮性。

(2) 軟弱—較堅硬變質巖類。該類巖性主要為元古界、太古界深變質的片巖、白云鈉長片麻巖、斜長片麻巖等。巖性軟弱—較堅硬,抗風化能力弱,力學強度較低。

(3) 較軟弱—堅硬沉積巖類。該類巖性主要為白堊系紫紅色石英砂巖、粉砂巖及細砂巖等碎屑巖以及少量三疊系碳酸鹽巖。巖性較軟弱—堅硬且易風化,力學強度低。

(4) 堅硬巖漿巖類。該類巖性為大別—呂梁期侵入巖,巖性由二長花崗巖、斑狀二長花崗巖、混合花崗巖及基性巖組成。巖性堅硬,抗風化能力較強,力學強度較高。

1.4 水文地質

根據含水介質特征、地下水賦存條件和水動力特征,區內地下水分為3種類型。

(1) 松散巖類孔隙水。主要分布于沖溝地帶、長江等河流兩岸的漫灘和一級階地中,松散巖類孔隙水自上而下由第四系全新統沖洪積砂、砂礫石和亞砂土、砂、砂礫石層組成,厚度一般在0～27 m,地下水位埋深為0.6～6 m。

(2) 碳酸鹽巖裂隙水。主要分布在武穴、黃梅和蘄春一帶。巖溶一般較發育,以三疊系中、下統最為發育,巖溶形態多為溶蝕洼地、漏斗、溶洞,地下水賦存于-100 m標高以下。

(3) 基巖裂隙水。該類裂隙水包括碎屑巖裂隙水、巖漿巖風化裂隙水和變質巖風化裂隙水。其運移受地質構造影響,徑流于巖石風化殼及斷裂構造帶、裂隙密集帶的孔隙、裂隙中。

1.5 新構造運動和地震

區內挽近活動強烈,主要表現為巖漿巖活動,產生褶皺、斷裂等構造[13]。第四系以來,地殼運動仍以升降運動為主,地殼抬升,遭受侵蝕;平原區下降,接受沉積。黃岡市構造綱要圖見圖2。

圖2 黃岡市構造綱要圖

黃岡市境內有感地震稀少,1840—2006年共發生有感地震14次,均在6級以下,震中最高烈度為Ⅵ度,最大震源深度為20～25 km,最小震源深度<5 km,均屬淺源地震。根據《中國地震動參數區劃圖》(GB 18306—2015),黃岡市地震動峰值水平加速度為0.05g,對應的地震基本烈度值為Ⅵ度[14]。

2 地質災害特征

2.1 地質災害類型

統計了黃岡市1955—2021年記錄的地質災害情況,可知該地區共調查各類地質災害1 828處。地質災害以滑坡為主,其次為崩塌、泥石流、地面塌陷,其中滑坡1 464處、崩塌295處、泥石流57處、地面塌陷12處,分別占地質災害總數的80.1%、16.1%、3.1%、0.7%(表1)。根據滑坡規模等級劃分標準,地質災害以小型為主,共1 788處,其中滑坡1 447處、崩塌276處、泥石流54處、地面塌陷11處;中型地質災害有37處,其中滑坡17處、崩塌17處、泥石流3處;大型地質災害僅3處,其中崩塌2處、地面塌陷1處。

表1 黃岡市地質災害分類統計表

2.2 地質災害分布特征

2.2.1空間特征

黃岡市地質災害點遍及境內10個縣(市、區)(圖3)。其中英山縣分布地質災害點最多,有495處,占地質災害總數的27.1%;其次為羅田縣和蘄春縣,分布地質災害點324、293處,分別占地質災害總數的17.7%和16.0%(圖4)。

圖3 黃岡市地質災害分布圖

圖4 黃岡市各縣(市、區)地質災害數量統計圖

英山縣、羅田縣和蘄春縣位于黃岡市東部,而東部地區多發育堅硬花崗巖類和沉積巖類;北部、中部與南部多發育軟弱—較堅硬變質巖類和軟弱松散巖類,地質災害點較為稀疏。因此,本地區巖性越堅硬,地質災害點分布越密集(圖5)。

圖5 地質災害與巖性關系圖

2.2.2時間特征

(1) 年際分布特征。地質災害在年際分布上差異性明顯。黃岡市1 828處地質災害分布于41個年份,其中2016年發生頻率最高,發育了921處,占地質災害總數的50.4%;其次是2020、2015、2017、2018、2014年,分別發育了242、118、80、69、47處地質災害,分別占地質災害總數的13.2%、6.5%、4.4%、3.8%、2.6%;而1955—2013年間地質災害發生較少,共398處,占地質災害總數的21.8%。自2010年以來,黃岡市地質災害呈多發易發態勢,2016、2020年為高發期,這兩年恰恰是降雨量最高的兩個年份?？傮w上,強降雨氣候與地質災害發生頻率呈正相關關系[15-16](圖6)。

圖6 2010—2021年地質災害數量與年降雨量關系圖

(2) 年內分布特征。黃岡市地質災害一般集中發生在6—7月,共發生地質災害1 562處,占地質災害總數的85.4%,其中7月發生數量最高,占地質災害總數的44.8%;6月發生數量也較高,占地質災害總數的40.6%(圖7)。其他10個月份發生的地質災害合計占總數的14.6%,除了5月和8月發生數量相對較高外,其他月份發生數量均未超過30處。由此可見,地質災害在月份上分布極不均勻,多分布于汛期5—8月,尤其是強陣雨、暴雨頻發的6—7月。地質災害的發生往往具有與大雨、暴雨同期或略為滯后的特點[17],降雨是引發地質災害的重要因素之一。

圖7 1955—2021年地質災害數量按月統計圖

2.3 地質災害發育特征

2.3.1滑坡發育特征

根據規模、物質成分、運動形式、誘發因素可將區內滑坡分為各種類型(表2)。

表2 黃岡市滑坡分類統計表

(1) 規模以小型為主。依據滑坡規模等級劃分標準,區內無特大型和大型滑坡,中型滑坡有17處,占滑坡總數的1.2%;其余滑坡均為小型,占比98.8%。

(2) 物質成分以土質為主。黃岡市斜坡多為殘坡積層,該類土體結構較為松散,透水性較好。在強降雨的作用下,土體飽和增重,黏聚力及內摩擦角下降,抗剪強度降低,最終導致滑坡變形。

(3) 運動形式以牽引式為主。牽引式滑坡產生的主要原因是人類工程活動,如建房修路、開挖坡腳,致使斜坡坡腳形成臨空面,再加上強降雨等不利因素,破壞了斜坡的整體穩定性,進而引發牽引式滑坡。

(4) 該發因素以自然因素和人為因素為主。造成滑坡的主要因素為早期的人類工程活動,直接誘發因素為持續強降雨等自然因素。

2.3.2崩塌發育特征

黃岡市有崩塌295處,占地質災害總數的16.1%。

(1) 按規模分類。依據崩塌規模等級劃分標準,區內無特大型崩塌;有大型崩塌2處,占崩塌總數的0.7%;有中型崩塌17處,占崩塌總數的5.8%;其余均為小型,占崩塌總數的93.5%。

(2) 按物質成分分類。本區崩塌有土質崩塌和巖質崩塌兩類,其中巖質崩塌287處,占崩塌總數的97.3%;土質崩塌8處,占崩塌總數的2.7%。土質崩塌坡面均零星分布有孤立的危石。

(3) 按誘發因素分類。區內由自然因素引起的崩塌有171處,占崩塌總數的58.0%;人為因素引起的有124處,占崩塌總數的42.0%。

(4) 按穩定性現狀分類。本區處于穩定狀態的崩塌有49處,占崩塌總數的16.6%;處于基本穩定狀態的崩塌有182處,占崩塌總數的61.0%;處于不穩定狀態的崩塌有66處,占崩塌總數的22.4%。

(5) 按形成機理分類。區內傾倒式崩塌有89處,占崩塌總數的30.2%;滑移式有158處,占崩塌總數的53.5%;拉裂式有23處,占崩塌總數的7.8%;錯斷式有5處,占崩塌總數的1.7%;墜落式有20處,占崩塌總數的6.8%。

2.3.3泥石流發育特征

黃岡市發育泥石流57處,占地質災害總數的3.1%。

(1) 按規模劃分。中型泥石流有3處,占泥石流總數的5.3%;小型泥石流有54處,占泥石流總數的94.7%。

(2) 按流體性質劃分。泥流有2處,占泥石流總數的3.5%;泥石流有50處,占泥石流總數的87.7%;水石流有5處,占泥石流總數的8.8%。

(3) 按流域地貌劃分。泥石流溝槽橫斷面可分為U型谷、V型谷、平坦型、復式斷面等4類,分別有17、21、4、15處,分別占泥石流總數的29.8%、36.9%、7.0%和26.3%。

2.3.4地面塌陷發育特征

黃岡市地面塌陷發育較少,僅有12處。按規模劃分,僅1處為大型,占地面塌陷總數的8.3%,其余11處均為小型。按成因類型劃分,11處為采空塌陷,占地面塌陷總數的91.7%,剩余1處為巖溶塌陷。

3 滑坡孕災機理

不同的斜坡結構發育的滑坡變形破壞模式不同[18-19]。通過總結歸納黃岡市滑坡發育特征,根據滑動面所處巖土體類型,可將滑坡孕災機理劃分為3類。

3.1 覆蓋層內局部剪切破壞

黃岡市覆蓋層中發育著大量滑坡,其中一部分滑坡沿著深厚第四系覆蓋層中最危險潛在滑動面產生滑動變形,該類滑坡主要有以下幾方面特點:①斜坡上發育較厚的第四系殘坡積碎塊石土、粉質黏土夾碎石等松散堆積物,其多為強度低的片巖風化崩解形成,遇水易軟化;②該類滑坡多發生于強降雨或連續降雨作用下,因土體飽和增重,黏聚力及內摩擦角下降,導致土體抗剪強度大幅降低;③該類滑坡多發生在局部陡坎地形部位。

如英山縣紅山鎮鴨掌樹村滑坡(圖8),其斜坡的基巖主要為二長花崗巖及片麻巖,裂隙發育,抗滲水能力弱,淺地表多發生強風化。斜坡坡體受風化作用影響,表層巖體松散,抗壓強度低,飽水后自重加大,抗剪強度降低,易發生變形滑動。

圖8 鴨掌樹村滑坡工程地質剖面圖

3.2 巖土分界面滑移破壞

沿巖土分界面滑移的滑坡主要有以下幾方面特點:①碎塊石土殘坡積層結構較為松散,透水性較好;②該滑坡類型多為牽引式滑坡,前緣具有較好的臨空面,土體易沿巖土接觸面滑動;③大氣降水對該類滑坡穩定性產生影響,具體表現為地表降雨入滲、地表水體滲漏,造成滑動面孔隙水壓力急劇升高,土體有效應力降低,最終導致滑坡變形。

如羅田縣大崎鎮平頭嶺村滑坡(圖9),其前緣地面高程為501 m,后緣地面高程為565 m,高差64 m,主滑方向為55°,縱向長約60 m,寬約280 m,平面形態呈半橢圓形,剖面形態呈階梯狀,平均坡度約30°?；w厚約5 m,面積約16 800 m2,體積約84 000 m3,運動形式為牽引式。

圖9 平頭嶺村滑坡工程地質剖面圖

3.3 基巖中軟弱結構面滑移破壞

該類斜坡主要由相對軟硬巖體互層組成。地下水以多層層間水或承壓水賦存于坡體之中,產生泥化、軟化和膨脹等現象。該類斜坡通常為單斜坡,人為建房切坡為滑坡滑動提供了良好的臨空條件,且接近30°的平均坡度為滑坡滑動提供了足夠的重力勢能,變形方式多為滑移—彎曲—剪斷。

如羅田縣匡河鎮分水嶺七組滑坡(圖10),位于羅田縣東南側構造侵蝕、剝蝕低山丘陵區,地面高程一般為110～660 m,相對高差一般為20～550 m,自然坡度多在15°～40°,地勢總體北高南低,坡體植被較發育,地形相對較陡。該滑坡前緣分布人為切坡形成的高陡臨空面,坡體表層結構松散,巖體風化程度較強,雨水進入地表后繼續下滲,增大坡體自重及下滑力,從而發生滑移變形。

圖10 分水嶺七組滑坡工程地質剖面圖

4 典型案例分析

4.1 滑坡概況

滑坡位于羅田縣大崎鎮平頭嶺村,地理坐標:東經115°15′41.46″,北緯30°54′40.22″?；聟^地面高程一般在350～650 m,相對高差為20～300 m,自然坡度多為25°～40°。地勢上西南高東北低,坡體植被較發育,主要為松樹、灌木及雜草(照片1)?；聟^巖土體主要為第四系粉質黏土類碎石和大別群花崗質片麻巖(圖11)?；孪路綖榇寮壒?、平頭嶺水庫和溢洪道出口,村級公路寬約4 m,溢洪道出口寬約6 m、深約4 m?；戮唧w特征另見3.2節。

照片1 滑坡全貌

圖11 平頭嶺村滑坡地質平面圖

4.2 計算參數

根據勘察資料和其他研究資料,滑坡各巖土體的物理力學參數見表3。

表3 巖土體物理力學參數

4.3 數值分析模型建立

4.3.1模型尺寸及網格劃分

本次研究采用GeoStudio軟件SLOPE/W模塊模擬邊坡穩定性,基于滑坡的3-3′剖面,邊坡計算模型選取高70 m、長120 m的剖面(圖12),將滑坡劃分為粉質黏土夾碎石(黃色區域)、強風化花崗巖片麻巖(綠色區域)和基巖(灰色區域)。假定邊坡巖土體應力、應變之間的本構關系為彈塑性,巖土體的破壞服從摩爾—庫侖準則[20-21],共劃分為3 802個單元、3 911個節點。

圖12 邊坡計算模型圖

4.3.2工況模擬

根據滑坡變形的特點以及相關文件的要求,選擇以下2種工況進行計算:

工況一:滑體自重;

工況二:滑體自重+暴雨(20年一遇)。

其中工況一采用天然重度、天然內摩擦角和天然黏聚力;工況二采用飽和重度、飽和內摩擦角和飽和黏聚力。

4.4 計算結果與分析

計算結果(表4)顯示,在天然工況條件下,滑坡的穩定性系數為1.024(圖13),此時滑坡處于欠穩定狀態;在暴雨工況條件下,滑坡的穩定性系數為0.914(圖14),此時滑坡處于不穩定狀態。

表4 滑坡穩定性計算結果

圖13 天然工況條件下滑坡穩定性系數

圖14 暴雨工況下滑坡穩定性系數

5 結論

(1) 根據黃岡市1955—2021年地質災害情況統計,黃岡市共發生地質災害1 828處,其中滑坡1 464處,占地質災害總數的80.1%,是黃岡地區最主要的地質災害類型。

(2) 黃岡市地質災害以小型規模為主,物質組成包括土質、巖質和混合質,運動形式以牽引式為主,造成滑坡的主因為早期的人類工程活動,直接誘因為持續強降雨。

(3) 依據滑動面所處巖土體類型,可將黃岡市滑坡機理劃分為三大類:覆蓋層內局部剪切破壞、巖土分界面滑移破壞、基巖中軟弱結構面滑移破壞。