王 超,鄒 浩*,毛 帥,陳慧娟,朱文慧,蔡恒昊

(1.資源與生態(tài)環(huán)境地質(zhì)湖北省重點實驗室,湖北 武漢 430034; 2.湖北省地質(zhì)局 第三地質(zhì)大隊,湖北 黃岡 438000;3.鄂東北區(qū)域性地質(zhì)災(zāi)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(qū)內(nèi)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(shè)、礦山開采等,由此引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害日漸增多,尤其是汛期地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā),造成了人員傷亡和財產(chǎn)損失。

目前很多學(xué)者對該地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了研究[1-11],例如鄒浩等[1]對黃岡市在2016年多輪強(qiáng)降雨影響下的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育規(guī)律進(jìn)行淺析,得出了滑坡數(shù)量與降雨量的相關(guān)性;朱文慧等[6]基于滑坡特征統(tǒng)計研究黃岡市2016年汛期滑坡成因機(jī)理,表明該區(qū)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(yōu)化的樣本與評價因子,評價了黃岡市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性,較準(zhǔn)確地劃分了地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)。上述研究多是對單點或某類型地質(zhì)災(zāi)害的研究,而對黃岡全域地質(zhì)災(zāi)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(chǔ)上,查明黃岡市地質(zhì)環(huán)境條件、地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征及分布規(guī)律,根據(jù)滑動面所處巖土體類型分析滑坡孕災(zāi)機(jī)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(wěn)定性的影響。開展黃岡市全域地質(zhì)災(zāi)害類型及其特征研究,有助于加深認(rèn)識該地區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害特點,對于指導(dǎo)該地區(qū)科學(xué)防災(zāi)、精準(zhǔn)預(yù)警和工程設(shè)計有著重要意義。

1 研究區(qū)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(jié)構(gòu)。東北部由于大別山的隆起,自然構(gòu)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(qū),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(qū)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(qū)內(nèi)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(zhì)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(zhì)片麻巖、二長花崗質(zhì)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(xiàn),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(zhì)巖系。除此以外區(qū)內(nèi)還零星出露有中生代花崗巖。

1.3 工程地質(zhì)

根據(jù)區(qū)內(nèi)巖土體類型、結(jié)構(gòu)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(zhì)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(zhì)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(xué)強(qiáng)度低。黏土、粉質(zhì)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(zhì)巖類。該類巖性主要為元古界、太古界深變質(zhì)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(fēng)化能力弱,力學(xué)強(qiáng)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(xì)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(fēng)化,力學(xué)強(qiáng)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(fēng)化能力較強(qiáng),力學(xué)強(qiáng)度較高。

1.4 水文地質(zhì)

根據(jù)含水介質(zhì)特征、地下水賦存條件和水動力特征,區(qū)內(nèi)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(tǒng)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(fā)育,以三疊系中、下統(tǒng)最為發(fā)育,巖溶形態(tài)多為溶蝕洼地、漏斗、溶洞,地下水賦存于-100 m標(biāo)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(fēng)化裂隙水和變質(zhì)巖風(fēng)化裂隙水。其運移受地質(zhì)構(gòu)造影響,徑流于巖石風(fēng)化殼及斷裂構(gòu)造帶、裂隙密集帶的孔隙、裂隙中。

1.5 新構(gòu)造運動和地震

區(qū)內(nèi)挽近活動強(qiáng)烈,主要表現(xiàn)為巖漿巖活動,產(chǎn)生褶皺、斷裂等構(gòu)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(qū)下降,接受沉積。黃岡市構(gòu)造綱要圖見圖2。

圖2 黃岡市構(gòu)造綱要圖

黃岡市境內(nèi)有感地震稀少,1840—2006年共發(fā)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(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2015),黃岡市地震動峰值水平加速度為0.05g,對應(yīng)的地震基本烈度值為Ⅵ度[14]。

2 地質(zhì)災(zāi)害特征

2.1 地質(zhì)災(zāi)害類型

統(tǒng)計了黃岡市1955—2021年記錄的地質(zhì)災(zāi)害情況,可知該地區(qū)共調(diào)查各類地質(zhì)災(zāi)害1 828處。地質(zhì)災(zāi)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(zhì)災(zāi)害總數(shù)的80.1%、16.1%、3.1%、0.7%(表1)。根據(jù)滑坡規(guī)模等級劃分標(biāo)準(zhǔn),地質(zhì)災(zāi)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(zhì)災(zāi)害有37處,其中滑坡17處、崩塌17處、泥石流3處;大型地質(zhì)災(zāi)害僅3處,其中崩塌2處、地面塌陷1處。

表1 黃岡市地質(zhì)災(zāi)害分類統(tǒng)計表

2.2 地質(zhì)災(zāi)害分布特征

2.2.1空間特征

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

圖3 黃岡市地質(zhì)災(zāi)害分布圖

圖4 黃岡市各縣(市、區(qū))地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量統(tǒng)計圖

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

圖5 地質(zhì)災(zāi)害與巖性關(guān)系圖

2.2.2時間特征

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

圖6 2010—2021年地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量與年降雨量關(guān)系圖

(2) 年內(nèi)分布特征。黃岡市地質(zhì)災(zāi)害一般集中發(fā)生在6—7月,共發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害1 562處,占地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的85.4%,其中7月發(fā)生數(shù)量最高,占地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的44.8%;6月發(fā)生數(shù)量也較高,占地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的40.6%(圖7)。其他10個月份發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害合計占總數(shù)的14.6%,除了5月和8月發(fā)生數(shù)量相對較高外,其他月份發(fā)生數(shù)量均未超過30處。由此可見,地質(zhì)災(zāi)害在月份上分布極不均勻,多分布于汛期5—8月,尤其是強(qiáng)陣雨、暴雨頻發(fā)的6—7月。地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)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(fā)地質(zhì)災(zāi)害的重要因素之一。

圖7 1955—2021年地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量按月統(tǒng)計圖

2.3 地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征

2.3.1滑坡發(fā)育特征

根據(jù)規(guī)模、物質(zhì)成分、運動形式、誘發(fā)因素可將區(qū)內(nèi)滑坡分為各種類型(表2)。

表2 黃岡市滑坡分類統(tǒng)計表

(1) 規(guī)模以小型為主。依據(jù)滑坡規(guī)模等級劃分標(biāo)準(zhǔn),區(qū)內(nèi)無特大型和大型滑坡,中型滑坡有17處,占滑坡總數(shù)的1.2%;其余滑坡均為小型,占比98.8%。

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

(3) 運動形式以牽引式為主。牽引式滑坡產(chǎn)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(qiáng)降雨等不利因素,破壞了斜坡的整體穩(wěn)定性,進(jìn)而引發(fā)牽引式滑坡。

(4) 該發(fā)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(fā)因素為持續(xù)強(qiáng)降雨等自然因素。

2.3.2崩塌發(fā)育特征

黃岡市有崩塌295處,占地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的16.1%。

(1) 按規(guī)模分類。依據(jù)崩塌規(guī)模等級劃分標(biāo)準(zhǔn),區(qū)內(nèi)無特大型崩塌;有大型崩塌2處,占崩塌總數(shù)的0.7%;有中型崩塌17處,占崩塌總數(shù)的5.8%;其余均為小型,占崩塌總數(shù)的93.5%。

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

(3) 按誘發(fā)因素分類。區(qū)內(nèi)由自然因素引起的崩塌有171處,占崩塌總數(shù)的58.0%;人為因素引起的有124處,占崩塌總數(shù)的42.0%。

(4) 按穩(wěn)定性現(xiàn)狀分類。本區(qū)處于穩(wěn)定狀態(tài)的崩塌有49處,占崩塌總數(shù)的16.6%;處于基本穩(wěn)定狀態(tài)的崩塌有182處,占崩塌總數(shù)的61.0%;處于不穩(wěn)定狀態(tài)的崩塌有66處,占崩塌總數(shù)的22.4%。

(5) 按形成機(jī)理分類。區(qū)內(nèi)傾倒式崩塌有89處,占崩塌總數(shù)的30.2%;滑移式有158處,占崩塌總數(shù)的53.5%;拉裂式有23處,占崩塌總數(shù)的7.8%;錯斷式有5處,占崩塌總數(shù)的1.7%;墜落式有20處,占崩塌總數(shù)的6.8%。

2.3.3泥石流發(fā)育特征

黃岡市發(fā)育泥石流57處,占地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的3.1%。

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

(2) 按流體性質(zhì)劃分。泥流有2處,占泥石流總數(shù)的3.5%;泥石流有50處,占泥石流總數(shù)的87.7%;水石流有5處,占泥石流總數(shù)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(fù)式斷面等4類,分別有17、21、4、15處,分別占泥石流總數(shù)的29.8%、36.9%、7.0%和26.3%。

2.3.4地面塌陷發(fā)育特征

黃岡市地面塌陷發(fā)育較少,僅有12處。按規(guī)模劃分,僅1處為大型,占地面塌陷總數(shù)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(shù)的91.7%,剩余1處為巖溶塌陷。

3 滑坡孕災(zāi)機(jī)理

不同的斜坡結(jié)構(gòu)發(fā)育的滑坡變形破壞模式不同[18-19]。通過總結(jié)歸納黃岡市滑坡發(fā)育特征,根據(jù)滑動面所處巖土體類型,可將滑坡孕災(zāi)機(jī)理劃分為3類。

3.1 覆蓋層內(nèi)局部剪切破壞

黃岡市覆蓋層中發(fā)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(chǎn)生滑動變形,該類滑坡主要有以下幾方面特點:①斜坡上發(fā)育較厚的第四系殘坡積碎塊石土、粉質(zhì)黏土夾碎石等松散堆積物,其多為強(qiáng)度低的片巖風(fēng)化崩解形成,遇水易軟化;②該類滑坡多發(fā)生于強(qiáng)降雨或連續(xù)降雨作用下,因土體飽和增重,黏聚力及內(nèi)摩擦角下降,導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度大幅降低;③該類滑坡多發(fā)生在局部陡坎地形部位。

如英山縣紅山鎮(zhèn)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(fā)育,抗?jié)B水能力弱,淺地表多發(fā)生強(qiáng)風(fēng)化。斜坡坡體受風(fēng)化作用影響,表層巖體松散,抗壓強(qiáng)度低,飽水后自重加大,抗剪強(qiáng)度降低,易發(fā)生變形滑動。

圖8 鴨掌樹村滑坡工程地質(zhì)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(jié)構(gòu)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(wěn)定性產(chǎn)生影響,具體表現(xiàn)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(yīng)力降低,最終導(dǎo)致滑坡變形。

如羅田縣大崎鎮(zhèn)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(tài)呈半橢圓形,剖面形態(tài)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(zhì)剖面圖

3.3 基巖中軟弱結(jié)構(gòu)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(chǎn)生泥化、軟化和膨脹等現(xiàn)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(zhèn)分水嶺七組滑坡(圖10),位于羅田縣東南側(cè)構(gòu)造侵蝕、剝蝕低山丘陵區(qū),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(fā)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(jié)構(gòu)松散,巖體風(fēng)化程度較強(qiáng),雨水進(jìn)入地表后繼續(xù)下滲,增大坡體自重及下滑力,從而發(fā)生滑移變形。

圖10 分水嶺七組滑坡工程地質(zhì)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(zhèn)平頭嶺村,地理坐標(biāo):東經(jīng)115°15′41.46″,北緯30°54′40.22″?；聟^(qū)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(fā)育,主要為松樹、灌木及雜草(照片1)?；聟^(qū)巖土體主要為第四系粉質(zhì)黏土類碎石和大別群花崗質(zhì)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(jié)。

照片1 滑坡全貌

圖11 平頭嶺村滑坡地質(zhì)平面圖

4.2 計算參數(shù)

根據(jù)勘察資料和其他研究資料,滑坡各巖土體的物理力學(xué)參數(shù)見表3。

表3 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

4.3 數(shù)值分析模型建立

4.3.1模型尺寸及網(wǎng)格劃分

本次研究采用GeoStudio軟件SLOPE/W模塊模擬邊坡穩(wěn)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(zhì)黏土夾碎石(黃色區(qū)域)、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖片麻巖(綠色區(qū)域)和基巖(灰色區(qū)域)。假定邊坡巖土體應(yīng)力、應(yīng)變之間的本構(gòu)關(guān)系為彈塑性,巖土體的破壞服從摩爾—庫侖準(zhǔn)則[20-21],共劃分為3 802個單元、3 911個節(jié)點。

圖12 邊坡計算模型圖

4.3.2工況模擬

根據(jù)滑坡變形的特點以及相關(guān)文件的要求,選擇以下2種工況進(jìn)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(nèi)摩擦角和天然黏聚力;工況二采用飽和重度、飽和內(nèi)摩擦角和飽和黏聚力。

4.4 計算結(jié)果與分析

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

表4 滑坡穩(wěn)定性計算結(jié)果

圖13 天然工況條件下滑坡穩(wěn)定性系數(shù)

圖14 暴雨工況下滑坡穩(wěn)定性系數(shù)

5 結(jié)論

(1) 根據(jù)黃岡市1955—2021年地質(zhì)災(zāi)害情況統(tǒng)計,黃岡市共發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害1 828處,其中滑坡1 464處,占地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的80.1%,是黃岡地區(qū)最主要的地質(zhì)災(zāi)害類型。

(2) 黃岡市地質(zhì)災(zāi)害以小型規(guī)模為主,物質(zhì)組成包括土質(zhì)、巖質(zhì)和混合質(zhì),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(xù)強(qiáng)降雨。

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