伊犁苏阿苏沟东岸黄土滑坡群发育特征及成因分析

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  摘  要:黄土滑坡及次生灾害是新疆伊犁谷地最普遍和典型的灾害类型,具分布最广、发生频率最高、危害性最大的特点。以伊犁苏阿苏沟东岸黄土滑坡群为研究对象,通过现场勘察获取岩土体形态特征和力学参数,确定岩土体结构和发育特征,并对成因进行分析。研究表明:该滑坡群为“黄土+砂砾石+软岩(泥岩)”结构模式,滑体由第四系黏砂土和卵石夹黏土组成,滑床为中侏罗统西山窑组泥岩,二者接触带为滑动面,属层内错动,呈多级或局部滑动。滑体上部裂缝以横向裂缝为主,下部以放射状裂缝为主,于滑坡前缘形成鼓丘。该滑坡成因类型为浅层牵引式滑坡,季节性降水和冰雪融水为发生滑坡的主导因素。
  关键词:岩土体结构;黄土滑坡群;季节性降水;致灾机理
  黄土是第四纪以来形成的多空隙、弱膠结的区域性特殊沉积物[1]。黄土分布地区广泛,发育崩塌、滑坡、泥石流及地裂缝等灾害,是我国地质灾害最发育地区之一,其中黄土滑坡分布最广、发生频率最高、危害性最大[2-3]。新疆伊犁谷地为新疆地质灾害易发区,黄土滑坡及次生灾害是该区最普遍和典型的灾害类型,主要分布于黄土发育、水流切割强烈的中低山区[4-5]。本次研究以伊犁坎乡苏阿苏沟东岸滑坡为研究对象,确定该区黄土滑坡岩土体结构,获取岩土体基本力学参数,分析致灾机理,进行稳定性评价,以期为工程建设及防灾减灾提供参考。
  1  研究区地质环境条件
  1.1   地形地貌
  滑坡区位于伊犁察布察尔县南东苏阿苏沟内,所处地貌单元属剥蚀堆积块状隆起的山前丘陵区(图1-a),海拔750~1 580 m,最大高差100 m左右,沟谷两侧山体遭新构造运动被抬升。苏阿苏沟东侧滑坡区微地貌属谷坡地带,总体呈南高北低的斜坡,坡形为凹型坡,平面形态呈典型“舌形”,总体坡度较缓,为15°~25°。2处滑坡间发育1条切割较缓的冲沟,坡体植被发育,覆盖率大于60%?。新构造运动是形成本区地形地貌的主要原因。
  1.2  地层岩性
  滑坡区大面积被第四系覆盖,沟内水流切割,侵蚀坡脚处见泥岩出露,主要为侏罗系(图1-b,f)。第四系按成因类型可划分为全新统冲洪积层和全新统残坡积层。全新统残坡积层广泛分布于斜坡坡面上,勘察资料显示该层厚1~2 m?。岩性主要由砾石、砂、黏性土组成,表层为30~60 cm的腐殖土。残坡积层主要由砾石、砂、黏性土组成,砾石主要以角砾岩为主,胶结较差。砂层主要以砾砂、粗砂为主,厚1~2 m。黏性土为浅黄-灰黄色粉质黏土,稍密-中密,稍湿-湿,干强度及韧性低,摇振反应中等,无光泽,上部含有较少量植物根茎,部分含有砾岩,厚1~2 m。全新统冲积层主要分布于苏阿苏沟河床及阶地上,层厚1~3 m。岩性主要为浅灰色砾石、卵砾石、砂等,分选性较差。
  1.3  工程地质条件
  据滑坡区地层分布特征,按岩石强度、结构、建造类型、土体粒度成分和结构,滑坡区岩土体划分为3类工程地质岩组(图1-c):①中厚层泥岩、砂岩、煤层互层强风化岩组;②粉土、砂砾石双层土体;③单层结构砾质土体。
  中厚层泥岩、砂岩、煤层互层强风化岩组  泥岩、砂岩、煤层软硬相间形成互层状,煤层、碳质页岩、泥岩强度低,易风化,抗水性能低。由于泥岩为泥质胶结,岩体松软,力学强度低,抗压强度及软化系数很低,失水坚硬,遇水易软化崩解,透水性极弱,为上部黄土层的相对隔水层,构成易滑结构面,为黄土滑坡的发生创造了地质条件。
  粉土、砂砾石双层土体  以第四系更新统风积为主,多为冲洪积砾石、砂土,结构较疏松,具大孔隙、均质性和直立性,垂直节理较发育,多直接覆盖于中更新世冰水砂砾石或覆盖于前第四系古老基岩上,厚度一般数米至近百米,抗剪强度在非饱和状态下相对较高,遇水饱和后,抗剪强度迅速降低。在水流作用下软化崩解和湿陷,常形成陡壁、崩塌和大面积水土流失。
  单层结构砾质土体  岩性以冲洪积砂砾石为主,结构较密实,为建筑物持力层,工程地质条件良好。
  1.4  水文地质条件
  第四系松散岩类孔隙水主要分布于苏阿苏沟沟谷地带(图1-d),含水层岩性为砂、卵砾石层,粒径变化大,一般10~30 cm,最大超100 cm。H1滑坡体中下部,水位埋深2 m左右,单井涌水量100~1 000 m3/d,水量中等,水质较好,除接受地表河流渗漏补给外,还接受大气降水渗入补给和上游基岩裂隙水侧向补给。碎屑岩类孔隙裂隙水主要赋存于侏罗系泥岩、砂岩裂隙、孔隙中,基岩被第四系沉积物不同程度覆盖,裸露较少。受季节影响,加之地形较陡,地表径流条件好,利于地表水排泄,侏罗系泥岩透水性较差,故碎屑岩类孔隙裂隙水水量欠丰。以山区大气降水和冰雪融水入渗补给为主。
  1.5  植被覆盖条件及人类活动
  研究区位于伊犁谷地西部,属北温带大陆性气候,气候较湿润,植被生长较好。滑坡区植被覆盖类型为低覆盖草地和旱地(图1-e)。
  2   滑坡灾害发育特征
  苏阿苏沟黄土滑坡群位于苏阿苏沟东岸山坡,由2个滑坡组成,编号分别为H1、H2,其中H1滑坡位于南侧,H2滑坡位于北侧,在2处滑坡中部有一条冲沟,该冲沟方位143°,倾斜34°,冲沟深0.5~2 m,宽1~3 m(图2-a)。
  2.1  形态特征
  H1、H2滑坡整体形态呈“舌形”,斜坡呈顶部为平台、上部稍陡、中部及下部较平缓的复合形斜坡坡面,滑坡体表面凹凸不平,滑体滑动方向散乱、变形破坏严重,坡面经再次滑动、翻转、流水冲蚀等作用,形态变得较复杂。斜坡顶部及上部生长有少量灌木,中部及下部地表植被较发育。滑坡后壁呈十分清晰的圈椅状(图2-b),H1后壁陡坎落差2~4 m,H2后壁陡坎落差1~2.5 m,表层为松散碎石土,滑坡独有的微地貌特征较明显,可辨清滑坡鼓包及台坎(图2-d),H1滑体上部和下部能观测到50余条裂缝(图2-c),上部裂缝长10~50 m,宽20~50 cm。下部裂缝受滑动挤压变形强烈,裂缝长短不一,长5~30 m,宽10~30 cm。H2滑体上部和下部能观测到的裂缝达30条,有竖条,上部裂缝长10~50 m,宽10~40 cm,下部受滑动挤压、翻转,形成几十条长5~20 m,宽10~25 cm的裂缝,整个滑坡下部呈鼓丘状地形(图2-e),滑坡前缘为堆积物覆盖,滑动带与剪出口在地面上不可见。   为确定滑坡体形态,在滑坡群布设2个主勘探线地质剖面(PM1、PM2),并沿线布设5个钻孔(ZK1~ZK3,ZK4~ZK5)和6个浅井(J1~J3,J8~J10)(图2-a),获得滑坡体形态数据(表1),得到PM1和PM2滑坡体实测地质剖面(图3,4)。滑坡上部为粉质黏土层,厚2~5 m,中部为黏土夹卵石层,厚30 m,底部为泥岩层,未见底。结合浅井数据,确定该滑坡为浅层滑坡。
  为进一步确定滑坡体结构组成,沿滑坡体方向垂直于等高线布设高密度激电剖面(WPM1、WPM2)。结果显示:滑坡纵向上,岩层电阻率值变化趋势基本为高→低,横向上,电阻率值变化较小,剖面40~80 m,表层电阻率值较低,为30~40 Ω·m。结合浅井资料,将其定义为粉质黏土,最厚达5 m左右,剖面80 m至末段,表层电阻率值基本处在 70~140 Ω·m。结合钻井资料,将其定义为黏土夹卵石,推测其电阻率值变化范围较大是由于该层泥质含量不均匀所致,泥质含量越高,电阻率值越小。黏土夹卵石层以下,电阻率值基本处在10~15 Ω·m,说明该层岩性较均匀,将其定义为泥岩。
  2.2  滑体特征
  综合地质和物探剖面,认为2个滑坡体均为“黄土+砂砾石+软岩(泥岩)”结构模式[6]。上部粉质黏土层和中部卵石夹黏土层组成滑体,结构较松散,不含水,有利于降水入渗。滑体呈舌状延伸,表面凹凸不平,扇状分布,方向散乱,变形破坏作用较明显。滑坡体以草本植物为主,发育一般。滑体上部和下部裂缝较发育,上部裂缝规模相对较大,常形成陡坎,以横向裂缝为主。下部裂缝规模相对较少,以放射状裂缝为主,滑坡前缘形成鼓丘。下部裂缝受变形破坏作用严重,断续延伸特征较明显。
  2.3  滑面特征
  以往研究显示:伊犁黄土滑坡的滑动面(带)为层内错动,呈多级或局部滑动,部分滑坡具崩滑性。该滑坡群斜坡中上部出现的陡坎、裂缝及前缘蠕动迹象,初步确定滑动位置主要位于斜坡中上部至坡脚一带,结合岩土体强度变化特征及滑坡前缘陡坎处滑动面(图5),确定滑动面位于第四系黏土夹卵石层与中侏罗统西山窑组泥岩接触带上,滑带土成分主要为全-强风化泥岩,厚度较大,23~33 m。滑带土岩心强度远低于上下岩层,为可塑泥状物,含水量较大。
  2.4  滑床特征
  滑床岩性为中侏罗系西山窑组(图3),主要岩性为泥岩、砂质砾岩、泥质石英岩屑砂岩、含铁粉砂岩夹煤线、薄煤层。岩石风化破坏作用中等,强度远大于上部第四系冲洪积层。
  3  诱发机理
  3.1  影响因素
  岩土体性质与结构 岩土体性质与结构特征为滑坡的形成提供了地质条件。滑坡所在区域基岩为中侏罗统西山窑组泥岩、砂岩互层的地层。受构造作用影响,岩体裂隙较发育,泥岩遇水易软化,岩石属软岩-较软岩,抗风化、剥蚀能力弱,上部泥岩全风化为土状物,浸水后呈泥状、流塑,形成滑带土。相对结构较松散的含砾粉质黏土和砂、砾层直接覆盖于侏罗系泥岩、砂岩之上,构成滑坡物质来源,是滑坡发生与发展的物质基础。岩土测试分析表明,滑坡区粉质黏土为含砾土,大孔隙构造和垂直节理较发育,砂、砾层结构松散,透水性强,在长期春季融雪水和雨水及地下水共同作用下,上部土层抗剪强度随含水量的增加迅速下降,为易滑地层。
  地形条件 斜坡及凹形宽缓微冲沟地形为滑坡产生提供了地形条件。在上述松散物質基础上,在降水汇集坡面流、坡面冲沟水及地下水长期入渗软化、冲刷及潜蚀作用下,由松散物质组成的坡面内形成凹陷地形,为水体聚集提供了有利地形条件。
  地下水 地下水在滑坡形成过程中主要起促使滑移面发育作用。当地下水长期作用于一个面,滞水软化、潜蚀岩土体,从而形成连续软弱带。第四系粉质黏土、砂砾层及侏罗系泥岩、砂岩在地下水长期作用下饱水程度增高,使斜坡体大部分土体处于饱和状态,土体增重,增大滑坡下滑力,抗剪强度降低,促使斜坡下滑。降雨和融雪过程中,水入渗土体不仅为地下水提供了补给来源,还在隔水层上形成局部上层滞水。地下水活动不仅降低了土体的抗剪强度,还使土体增重、增大滑坡下滑力,改变了坡体应力状态,触发斜坡变形失稳。
  大气降水 大气降水在滑坡区主要表现为降雨及融雪,降雨及融雪水的入渗使坡体土层含水量增加,不仅增大了斜坡土体的自重,破坏斜坡平衡稳定状态,增加下滑力,还能促使滑移面的形成及软化滑动面,在多次重复剪切作用下,使土体抗剪强度急剧降低,诱发滑坡形成。
  气象资料表明,研究区降水多集中于5—7月份,8月相对减少,9—10月份又有所增大。3—5月又是融雪季节,大量雪水渗入地下,土层饱水程度增高,土体抗剪强度遇累积性破坏,可能诱发滑坡。
  人类工程活动 人类工程活动增加并加剧了上述条件。滑坡体上有降雨时,坡面流水以面流形式沿两侧周界及后缘带状山脊向坡内集中汇聚后,水体沿松散土体和基岩裂隙垂直入渗降低了滑体土和基岩接触面的抗剪强度,加速了坡体的滑动。坡面上过度放牧,植被稀少,使土体表层稳定性变差,加之无专用排水设施,使地表水直接排入滑坡体。
  滑坡体的形成与上述5个因素相关。其中最主要原因为两点:一是场地环境工程地质条件。基底岩层属软岩类,抗风化能力低,裂隙发育,导致风化松散物质积累及覆盖于基岩之上的由残坡积形成的第四系松散物质为滑坡的形成提供了物质条件;二是场地环境水文地质条件。低凹且汇水面积较大的地形及松散层利于各类地表水汇集、下渗,为滑坡提供了地形条件。降雨、融雪水及地下水长期下渗、潜蚀和冲刷软化、人类工程活动(矿山开采)是滑坡产生和发生的诱导因素。
  3.2  形成机理与破坏模式
  该滑坡群滑坡发生于2003年以后,H1滑坡具体时间不详,H2滑坡发生在2003年5月5日。H1、H2滑坡所处斜坡地处察布查尔县坎乡苏阿苏沟东岸,斜坡为侏罗系发育区,地层岩性主要为风化强烈的泥岩、砂岩。风化且软弱的侏罗系泥岩、砂岩与上层第四系厚度不一的粉质黏土及砂砾层构成区内滑坡体软弱结构面,该结构面具一定坡度,倾向临空面,下伏泥岩具较好隔水性(图1-b,c,f,图3)。气象资料显示,滑坡区降水集中于4—6月,降水以春季略占优势,3—5月正值融雪季节,降水量300~500 mm,大量冰雪融水和大气降水入渗地下,遇泥岩被隔挡,形成地下水富集带,使土体结构面饱和程度增高,抗剪强度降低,如此反复作用,使土体结构面抗剪强度遭累积性破坏,斜坡稳定性大幅度降低,并达极限状态。其次,滑坡区为低植被覆盖区(图1-e),对降水截流能力减弱,降水和融雪水汇成洪流,既可侵蚀下切,割裂坡体,又可冲刷、掏蚀坡脚,浸泡土体,使斜坡下部支撑力减小,力学强度大大降低,导致斜坡变形,失稳破坏,当下滑力大于抗滑力时,形成蠕动-滑动现象。滑坡区潜水埋深在10 m左右(图1-d),调查显示,H1滑坡体中部2 m深可见地下水,滑坡体长期受地下水浸泡、浸润,处于饱水状态,增大了自身容重,易沿软弱结构面向下蠕滑。在降雨或冰雪融水作用下,诱发滑坡。H1滑坡体坡脚有简易道路通过(图1-a), 对滑坡影响较小,季节性降水和冰雪融水为该滑坡群的发生起主导因素。   按受力运动形式,滑坡可划分为牵引式和推移式[7]。牵引式滑坡变形特征一般为土体向临空方向的剪切蠕动,坡体上产生自地表向深部的拉裂,进一步变形产生贯通良好的拉裂缝,然后剪切进一步贯通,地表裂缝增多,伴有局部崩滑、掉块的产生,最终使滑动面产生坍塌。重力推移式滑坡变形特征一般表现为土体向临空方向迅速剪切滑动,剪切面由软弱结构面控制,变形由深部潜在剪切面逐步向地表发展,滑坡体后缘与剪切口位于地形变化转折部位。据上述划分标准,结合滑坡体发育滑坡鼓包、台坎、横向裂缝及放射状裂缝等变形特征,确定该黄土滑坡群成因类型属牵引式滑坡,破坏模式见图6。
  4  结论
  (1) 苏阿苏沟东岸黄土滑坡群滑坡整体形态呈“舌形”,滑体滑动方向散乱,变形破坏严重。滑坡后壁呈圈椅状,滑体上部台坎较发育,以横向裂缝为主,整个滑坡下部呈鼓丘状,放射状裂缝较发育。
  (2) 苏阿苏沟东岸黄土滑坡群为“黄土+砂砾石+软岩(泥岩)”的结构模式。
  (3) 苏阿苏沟东岸黄土滑坡群为浅层牵引式滑坡,季节性降水和冰雪融水是滑坡发生发展的主导因素。
  参考文献
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  [2]    徐张建,林在贯,张茂省.中国黄土与黄土滑坡[J].岩石力学与工程学报,2007,26(7):1297-1312.
  [3]    王念秦,汤廉超.黄土崩塌灾害运动机理及离散元数值模式研究[J].水利与建筑工程学报,2016,14(2):152-156.
  [4]    安海棠,刘平.新疆伊犁地区黄土滑坡成因及影响因素分析[J].地质灾害与环境保护,2010,21(3):22-25.
  [5]    刘祥,弓小平,李晓光,等.新疆伊犁谷底典型黄土滑坡灾害发育特征与形成机理[J].西部探矿工程,2012,(4):23-24.
  [6]    曹小紅,尚彦军,弓小平, 等.特克斯达坂滑坡灾害发育特征、成因机制及防治措施[J]. 新疆地质,2019,37(2) :260-265.
  [7]    张成文.新疆新源县地质灾害发育特征与评价研究[D].新疆农业大学,2014.
  Development Characteristics and Genesis of Loess Landslides on the East Bank of Asuligou, Yili
  Cao Xiaohong1,2,Meng He1,2,Shang Yanjun1,3,Gong Xiaoping4,Xu Fengjuan1,Aibibaier·Maimaiti1,2
  (1.Xinjiang Institute of Engineering, Urumqi,Xinjiang,830091,China;2.Key Laboratory of Geological Hazard Prevention of Xinjiang,,Urumqi,Xinjiang,830000,China;3.Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences,Beijing,100029,China;4.Xinjiang University,Urumqi,Xinjiang,830000,China)
  Abstract:The loess landslide and its secondary disasters are the most common and typical disaster types in the Yili Valley of Xinjiang, with the characteristics of the widest distribution, the highest frequency and the most harmful. In this paper, the loess landslide group on the east bank of Asuligou in Ili is taken as the research object. The morphological characteristics and mechanical parameters of the rock and soil mass are obtained through site survey, and the structure and development characteristics of the rock and soil mass are determined. Studies have shown that the landslide group is a structure model of "loess +gravel+soft rock (mudstone)". The landslide is composed of Quaternary subsand soil and pebble with clay. The sliding bed is mudstone of the Middle Jurassic Xishanyao Formation. The contact surface of the two has sliding surfaces, which are distorted within the layer and slide in multiple stages or parts. The cracks in the upper part of the landslide are mainly transverse cracks, and the lower part is mainly radial cracks. Drum mounds are formed at the leading edge of the landslide. The cause of the landslide is a shallow traction landslide. Seasonal precipitation and melting snow and ice are the dominant factors in the occurrence of landslides.
  Key words: Geotechnical structure; Loess landslide group; Seasonal precipitation; Disaster Mechanism
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