清江水布垭库岸木竹坪滑坡失稳探讨

张丽芬，魏贵春，曾夏生，廖武林

清江水布垭库岸木竹坪滑坡失稳探讨

张丽芬1，魏贵春1，曾夏生2，廖武林1

（1.中国地震局 地震研究所，武汉 430071；2.湖北中南勘察基础工程有限公司，武汉 430081）

木竹坪滑坡发生于2007年5月10日，总方量约800万m3，是水布垭库岸的重大滑坡灾害之一。根据实地调查资料，阐述了滑坡区基本地质条件及滑坡基本地质地貌特征。结合滑坡稳定性计算分析了滑坡的成因机制，认为木竹坪滑坡的发生是内外因共同作用的结果。坡体前缘受清江支流的弧形切割，为滑坡提供了临空条件，而薄层灰岩及第四系坡积物又为易发生滑坡的地层岩性条件。在内部条件具备的前提下，滑坡发生前的连续降雨及水库蓄水均使得坡体物质的力学强度降低，故引发了大规模的滑坡失稳。

滑坡；地质特征；滑坡成因；水布垭水库蓄水

据统计，我国已发现新老滑坡近30万处，其中灾害性滑坡1.5万处。每年因滑坡灾害造成的经济损失在10亿元以上［1］。

2007年5月10日凌晨2点，巴东县清太平镇水布垭库岸发生了大型山体滑坡，滑坡体急剧下滑，将总量约800万m3的山体和木竹坪村二组16栋民房推入清江支流中，致使清江一级支流磨刀河出口地段近400 m河道被滑坡堆积物堵塞，形成堰塞湖，并激起10 m多高的涌浪，还造成清金线交通中断，大小船舶停航，直接经济损失达4 000多万元，所幸未造成人员伤亡。此次滑坡影响范围较大，给人民的财产安全带来了较大的危害，引起了社会各界的高度关注。本文在深入调查滑坡赋存的地质环境条件、地貌特征和变形破坏迹象的基础上，对滑坡的成因机制进行了初步的分析与探讨，能为以后深入研究类似滑坡成因等提供一定的参考。

1 滑坡区基本地质条件

木竹坪滑坡体位于湖北省巴东县清太坪镇木竹坪村辖区内，位于清江北岸，近东西流向清江与南北流向磨刀河交汇处西侧的山岬处，距水布垭大坝约25 km，距清太坪镇约20 km（如图1所示），地理坐标东经110°12.948′，北纬30°23.993′。滑坡区内夏季湿热多雨，冬季寒冷而多雾。年平均气温14～15℃，相对湿度70%～80%，降水丰沛。

1.1 地形地貌

图1 木竹坪滑坡地理位置示意图Fig.1 Location of the Muzhuping landslide

木竹坪滑坡体所在的区域地貌为二、三级剥夷面的交界部位。地貌形态主要为峰丛槽谷及溶丘洼地。二级剥夷面高程1 250～1 550 m，主要分布在野三关以南磨刀河两侧山体部分。三级剥夷面高程950～1 200 m，以溶丘洼地为其特征。区内碳酸盐岩广为分布，天坑、溶蚀洼地、溶洞及石芽、溶沟、溶槽岩溶地貌较为发育。

1.2 地层岩性

滑坡区内及附近出露地层主要有二叠系、三叠系及第四系，其中三叠系下统大冶组碳酸盐岩出露面积最大，岩溶较为强烈；岩性主要为灰白色-深灰色薄层至中厚层石灰岩，层理清晰，夹黄绿、土黄色页岩，下部为二者互层；二叠系分布于清太坪镇双社坪村一带，主要为龙潭组灰色页岩、泥灰岩互层，顶部为炭质页岩，含少量燧石结核，夹含煤层；第四系零星发育。

1.3 地质构造

木竹坪滑坡体位于清太坪复向斜内，该复向斜位于长阳背斜和野三关背斜之间，走向北东15°，由于长阳背斜的抑制作用，其北段在靠近弧形转弯部位，产生了同步的弧形拐曲。由三叠系地层组成的清太坪向斜、双社坪背斜、大路坡向斜等，在空间上呈右行雁列分布，两翼地层倾角30～60°，于转折部位，地层平缓，倾角10°左右，或近于水平。由于常顺轴向波状起伏，在双社坪背斜的高点上有二叠系出露。双社坪背斜和清太坪向斜因受到同期纵断裂的切错而形态不甚完整。区域附近断裂较少，多为北北东向，如位于滑坡区西侧的白果园断裂、桃李溪断裂以及位于滑坡区东侧的桥河断裂等。这些断裂规模均较小，且第四纪以来无活动记录。滑坡体区域地质构造见图2。

图2 滑坡体区域地质构造图Fig.2 Geological map around Muzhuping landslide

1.4 水文地质条件

滑坡区补给区为河间地块的各级剥夷面，接受大气降水补给，由于剥夷面上的峰丛槽谷、溶丘洼地在大面积内没有与地表水系相连的溪沟，故降水连同剥夷面上的溶隙泉，除蒸发、植物吸收、人畜饮用外，全部转入地下补给地下水，其中降水沿溶隙下渗为本区的主要形式。

2 木竹坪滑坡结构特征

2.1 滑坡体空间形态及规模

木竹坪滑坡体地表总体形态呈圈椅状，上窄下宽。后缘呈弧形，侧缘呈扇形展开，前缘呈弧形，高程230～280 m。前缘临近清江支流磨刀河河床最宽约600 m，后缘高程800～860 m，宽约200 m。滑坡体顺主滑方向纵向长约400 m，按平均厚度20 m计算，面积约36万m2，体积约700万m3。主滑方向SE100°。木竹坪滑坡全貌如图3所示。

2.2 滑坡物质组成

按照边坡的物质种类划分，木竹坪滑坡为一土质边坡，上部为黄褐色碎石土偶夹大块石，土体为黄褐色粉质粘土，粘性不好，碎石粒径1～4 cm，呈次棱角状-次圆状。下部基岩为三叠系下统大冶组（T1d）灰色、灰白色灰岩。按滑体各个部位的不同堆积特征，大致可分为2个部分：①后缘，为滑体向下滑动后遗留在后壁的滑带物质，以泥土堆积为主，夹小块石沿斜坡分布约数米；②中部及前缘有灰岩出露，前缘仍有部分粘土和碎石土。

图3 木竹坪滑坡全貌Fig.3 General view of Muzhuping landslide

2.3 滑坡体边界特征及典型地貌

木竹坪滑坡剖面如图4所示。滑坡周界明显，滑坡体后缘稍低于山顶，高程约800～860 m；前缘直抵清江支流磨刀河的东岸，高程在230 m左右，滑坡体前后缘高差在600 m左右。滑坡的后壁形成一上陡下缓的滑床光面，坡角约50°，滑床光面上可见多处滑痕，清晰且擦痕方向基本一致，约100°。光面上主要是黄褐色的覆盖层碎石土，有些部位出露灰岩。滑坡侧壁与后壁连在一起，呈弧形。滑坡上主要残留有向江面缓倾的一级台面，坡度5～15°。

滑坡除了边界特征明显外，滑动中往往在滑体内形成许多特殊地貌。木竹坪滑坡体上鼻状鼓丘、马刀树和地表裂缝等滑坡地貌十分显著。由于滑坡体上下各段各块的滑动时间、滑动速度常常不一致，在滑坡体表面还形成了一些错台、陡壁，即滑坡台阶。

图4 木竹坪滑坡剖面示意图（滑动前、滑动后）Fig.4 Profile map of Muzhuping landslide（before sliding and after sliding）

2.4 变形破坏情况

该滑坡于2007年5月5日地面开始出现局部裂缝现象，8日裂缝不断加剧，9日局部开始出现崩塌，10日凌晨便出现了第一次大规模滑坡，滑坡体变形破坏现象非常明显。

滑坡体后部变形较强烈，中后部坡体发生垮塌，滑体后缘产生较大拉裂缝，呈弧形展布。在滑坡体中部亦有鼓胀变形现象。

滑坡体后缘右侧，地面明显下沉形成面积较大的塌陷，深度约30 cm。靠近坡体右缘边界的土坯房已经垮塌，附近的砖混房屋破坏严重但未垮塌，后墙出现明显的空心砖错位约5 cm，墙体及地面出现多处较大的拉裂缝，房屋外墙基处裂缝长约3 m，最宽处约2 cm。正房地面裂缝长约3 m，最宽处约5 cm。土坯房墙体脱落。

滑坡体右侧外部，房屋多处开裂产生破坏，且产生多处较大地裂缝。屋内地基下陷，最大沉降处约7 cm。墙体倾斜，墙面脱落，门无法开合。房屋后墙窗口出现明显裂缝，最大宽约3 cm。在某户村民房屋的外墙基出现一条长约10 m、宽约5 cm的地裂缝，走向190°。据居民反映，房屋是在滑坡后5～6 d后才出现的裂缝。墙体原来有轻微裂缝，但也是在滑坡发生后，房屋裂缝明显拉大。

3 滑坡稳定性计算

3.1 计算方法选取

在边坡稳定性计算中应用的评价方法较多，针对滑裂面的形态特征以及满足的力学条件选用不同的极限平衡方法。针对木竹坪滑坡圆弧状滑裂面的形态特征，又考虑到瑞典圆弧法不满足每一土条力的平衡条件，一般计算出的安全系数偏低［2］，故本文选用简化毕肖普方法进行稳定性计算。

基于刚性极限平衡的简化Bishop法［2，3］满足整体力矩平衡条件，满足各条块力的多边形闭合条件，近似考虑了土条间相互作用力的影响，其计算简图如图5所示。

图5 木竹坪滑坡条分模型及简化毕肖普法受力示意图Fig.5 Slice model of Muzhuping landslide and the stressing diagram of Bishop's simplified method

图中，Ei和Xi分别表示土条间的法向力和切向力，毕肖普假设Xi=Xi+1，即略去土条间的切向力；Wi为土条自重，在浸润线上、下分别按湿重度和饱和重度计算；Qi为水平力；Ni和Ti分别为土条底部的总法向力（包括有效法向力及孔隙水压力）和总切向力；βi为第i条块滑面处倾角；bi为第i土条宽度；xi为第i土条对圆心的力臂长度；R为圆弧半径；ei为土条水平作用力到圆心的力矩。

选取主滑方向剖面进行稳定性计算，对滑坡体中取任意条块i进行垂直方向的静力分析，得

根据满足土坡稳定安全系数Fs的极限平衡条件，有

式中ci，φi为有效抗剪强度指标。

考虑整个滑动坡体的整体力矩平衡条件，各个土条的作用力对圆心的力矩之和为零，滑动面的正压力Ni通过圆心，也不产生力矩，只有重力Wi和切向力Ti对圆心产生力矩，即

整理后得

其中,

由于其他参数均已知，但Fs出现在等式两边，故采用试算-迭代法求算即可。

3.2 工况选取及计算结果

滑坡区附近的水布垭水库2007年4月21日二期蓄水，水位从259 m高程上升到290 m，5月上旬该区持续降雨，9 d总降雨量超过100 mm，而整个5月份降雨量仅约130 mm。考虑到影响木竹坪滑坡稳定性的主要因素，拟采用天然状况、降雨、蓄水以及组合条件下的4种工况进行滑坡稳定性分析。根据现场调查，采用地质类比和反演分析，选取相应的物理参数（表1），利用简化Bishop法进行计算。

表1 木竹坪滑坡稳定性计算参数Table 1 Main parameters in Muzhuping landslide stabilitycalculation

（1）天然状态，仅考虑自重；

（2）自重+降雨；

（3）自重+290 m水库蓄水；

（4）自重+降雨+290 m水库蓄水；

计算结果显示，木竹坪滑坡在水布垭水库未蓄水、滑体前缘未浸泡的天然状态下，滑坡体的稳定系数F=1.53，整体稳定性很好；在连续降雨和自重共同影响的情况下，F=1.39，与蓄水前天然状态相比，降低了9.2%，但整体稳定性仍较好，主要原因是滑体自重远大于降雨的作用。水布垭水库从4月21日正式进行二期蓄水，按计划坝前水位将达347 m，实际上5月10日滑坡滑动时，该处的实际水位为290 m。仅考虑水库蓄水未降雨时，滑坡的稳定系数F=1.06，比蓄水前降低30.7%；第4种工况则与滑坡滑动时的实际情况吻合，由于库区从未发生过水位从259 m上升到290 m的情况，因此，滑坡对这种工况的抗扰动可能较低，当叠加上降雨时，抗扰动能力更低。计算得出F=0.99，与蓄水前天然状态下比较，明显降低35.3%。

4 滑坡成因讨论

边坡失稳是多种因子耦合的变形，最终被外界诱发因子激发的一种地质现象。内因是变化的基础，外因是变化的条件，边坡失稳的根本原因取决于组成斜坡的岩土体性质和结构，但外界因子如水的作用可改变斜坡岩土体的性质、强度、结构和状态，有时还可改变斜坡的外形，成为诱发边坡失稳的重要因子［4］。本文立足于对滑坡的实地考察，通过对掌握的相关资料综合分析，来进行该滑坡成因的初步探讨。

4.1 内因

4.1.1 地貌条件

有一定高差和坡度的地形地貌是形成滑坡、崩塌所必需的临空条件［5］。木竹坪滑坡体规模较大，为一上陡下缓的坡体，后缘陡倾角约50°左右，前缘平台坡度较缓，约5～15°，前后缘高差约600 m。前缘直抵清江支流磨刀河河床，河流的长期侵蚀与弧形切割，为滑坡提供了临空条件。

4.1.2 地层岩性组合

实践证明［6］，在我国，凡是下述地层分布的地区，都是容易发生滑坡的地区：黏性土、黄土、类黄土和各种成因的松散、松软沉积物；砂岩、页岩和泥岩的互层地层；煤系地层；灰岩、页岩或泥灰岩的互层地层等。木竹坪滑坡体表层主要是较厚层的黏土和碎石土等松散坡积物，容易在水的作用下发生饱水变形等复杂的物理和化学变化，使得土体抗剪强度下降，且下伏滑床基岩为三叠系下统大冶组薄层灰岩，这种特征的岩土结构，在外界因素的触发下，堆积物易沿下伏灰岩接触带失稳下滑。由此可见，该滑坡体具备了产生滑坡的基本条件。

4.2 外因

影响木竹坪滑坡稳定性的因素中，除地层岩性、地形地貌外，水文地质条件对滑坡稳定性影响也很大。统计发现［7］，90%以上的边坡失稳与水有关，在边坡失稳的发生过程中，水的作用是一个至关重要的外在因素。无论是库水还是降水等其它各种水，其引起斜坡体内部的结构及物理化学等因素均是向不利于稳定的方向变化的。

4.2.1 水布垭水库蓄水对坡体的影响

库岸边坡的失稳与库水位的变化有着密切的关系，主要表现在岩土体及结构面的遇水软化、库水对岩土体静水压力作用、岩土体含水量和容重的增加、水-岩物理化学作用等几个方面［8］。

据了解，水布垭水库于2007年4月21日21时开始下闸进行二期蓄水，截至5月10日，水布垭坝前水位海拔高程由259 m升至290 m。木竹坪滑坡发生在水布垭水库二期蓄水开始后20 d，其水位上升与滑坡发生有密切关系。库水对滑坡的作用首先使得涉水区的岩土体出现局部破坏，木竹坪滑坡体涉水区处于滑坡的前缘。前缘高程230～280 m，水布垭蓄水至290 m后，滑坡体剪出口及前缘10～60 m的部分浸没在水位线以下。在水位上升过程中，滑坡前缘土体的力学状态发生改变，在库水作用下，土体中细颗粒被带走，土体结构重新调整。由于库水的浸泡作用使得土体软化造成内摩擦角降低，同时c值由于土体中胶结物质的减少而降低，从而使得滑坡前缘土体在库水作用下抗剪强度降低，滑体前缘出现破坏现象。

此外，库水位的逐渐抬升，使得滑坡地下水位上升，对前缘阻滑段滑体产生浮托作用［9］，导致岩土体自重减小，引起边坡前缘“阻滑段”正压力的“损失”及抗滑力的下降。破坏了坡体的平衡，当达到临界值时，滑坡开始大规模滑动。

4.2.2 集中降雨对坡体的影响

近年来，由于气候条件的变化，集中降雨诱发了大量的滑坡。尽管降雨诱发滑坡的力学作用非常复杂，从滑坡诱发机制上还是可以概括表现为促进滑移面剪应力增大及促使抗剪强度降低。降雨诱发滑坡，是通过促进滑移面剪应力增大、促使滑坡体抗剪强度降低来实现的［10］。

据当地居民反映，在木竹坪滑坡发生前，该地区5月初连续降雨，9 d总降雨量超过100 mm。在降雨入渗前，边坡土体尤其是上部土体处于非饱和状态。在降雨过程中，雨水从2个方面诱发滑坡：①对边坡土体，降雨入渗起加载作用，由于河水水位的上升降低了滑坡体内的水力梯度，减小了滑坡体内地下水的排泄量，使大量降雨滞留于滑坡体中，从而使土体的含水量增大；由于水的作用，滑动面上的有效正应力降低，抗剪强度减小，致使滑坡体的稳定性降低。②降雨改变边坡土体的力学性能，由于该滑坡体表层为黏土、碎石土等坡积物，集中降雨将大量的降水经地表渗透转入滑坡体中。雨水渗入滑体，使岩土软化，导致其内聚力下降，基质吸力减小，抗剪强度降低。边坡土体的自重增加和强度降低这两个不利因素在降雨过程中同时影响边坡的稳定性，达到一定程度就引发了滑坡。

综上所述，木竹坪滑坡体具备了滑动的基本物质条件和临空条件，滑坡发生前的连续降雨和库区蓄水均是滑坡体运动的诱发因素。

5 滑坡趋势分析

通过对滑坡的现场调查以及成因的初步讨论分析，认为该滑坡体是在降雨与水库蓄水耦合作用下，前缘失稳导致滑动的牵引式滑坡。在水布垭水库继续蓄水至400 m高程后将继续淹没滑坡体，加上该区降雨充沛，滑面在水的浸泡下软化，力学性质降低，黏聚力及摩擦系数减小，滑坡体将进一步滑移。建议尽快进行滑坡的治理，安排好当地居民的搬迁工作。

致谢：感谢姚运生老师和甘家思研究员给论文提出的宝贵修改意见和建议！

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［3］ SL274-2001.碾压式土石坝设计规范［S］.

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Failure Mechanism of Muzhuping Landslide in Shuibuya Reservoir Area，Qingjiang River

ZHANG Li-fen1，WEI Gui-chun1，ZENG Xia-sheng2，LIAO Wu-lin1
（1.Institute of Seismology，China Earthquake Administration，Wuhan 430071，China；2.Investigating and Foundation Engineering Co.Ltd in Middle South，Wuhan 430081，China）

Muzhuping landslide，700 million m3in volume，which occurred in the Shuibuya Reservoir area on May 10，2007，is one of the serious landslide disasters in this area after second stage impounding.And it caused a serious loss of property.According to the on-the-spot survey on this landslide，the paper introduces the geological background in landslide area and the geologic and geomorphic characteristics.By means of the landslide stability calculation，it is considered that the occurrence of Muzhuping landslide was the union action result of inner and outer causes.The front area of the landslide was cut by the branch of Qingjiang River，which offered a free face.And the thin-layer limestone and quaternary alluvial purple soil easily inclined to slide.The result shows that the vulnerably geological structure of landslide body，concentrated rainfall and reservoir impoundment caused this landslide.

landslide；geological characteristic；landslide cause；Shuibuya reservoir impoundment

TU457

A

1001-5485（2009）04-0013-05

2008-07-23；

2008-11-10

国家科技支撑项目（2006BAC01B04-02-02）；中国地震局地震研究所基金项目（IS200756052）

张丽芬（1981-），女，山东泰安人，研实员，从事水库诱发地震研究工作，（电话）027-87166247（电子信箱）zhanglf112＠163.com。

（编辑：刘运飞）