自1999年黄河小浪底水库蓄水以来,在该地区发现了十几处软硬交互地层顺层斜坡中的滑坡,其中以东苗家滑坡较为典型,由于其靠近大坝,滑坡性质及稳定性对小浪底水利枢纽工程及其上4号公路安全运行有重要意义,吸引了众多滑坡工作者的关注。

多年来国内多个学者在东苗家滑坡及周围做了大量调查勘察和试验研究工作。具有代表性的工作有: 李清波等^[1]基于地表测绘、力学试验及钻探工程等多种调查手段查明了东苗家滑坡的变形破坏特征和成因机制,并对其稳定性进行了分析评价,认为该滑坡目前处于基本稳定状态; 王小波等^[2]基于不连续变形分析(discontinuous deformation analysis,DDA)方法以及强度折减法研究,提出了DDA强度折减法,应用于东苗家滑坡稳定性及破坏模式分析中,分析结果表明东苗家滑坡体的稳定系数为1.07,其可能的破坏模式为中部推移式滑动和后缘牵引式滑动的复合破坏模式,前缘滑塌体对其整体稳定性起支撑作用。这2篇文章的主要不同之处是认为滑坡变形方式以及前缘滑塌体所起作用不同。此外,Xu等^[3]同样通过DDA强度折减法对东苗家滑坡机理进行了分析,在滑坡破坏模式以及成因机制方面与上文中认识基本一致。

本文以9景不同时相的高空间分辨率遥感影像及先进星载热发射与反射辐射仪全球数字高程模型(advanced spaceborne thermal emission and reflection radiometer global digital elevation model,ASTER GDEM)数据和相关地质环境资料为信息源,采用数字滑坡技术^[4,5,6,7]研究分析东苗家滑坡的活动性质和活动过程,以期对该滑坡的滑动面以及前缘滑塌体性质与作用等方面获得新的认识,并对滑坡的稳定性进行更深入的分析评价。

2001年底竣工的小浪底水利工程位于河南省洛阳市孟津县与济源市之间,其坝址所在地为孟津县小浪底村,黄河中游最后一段峡谷的出口处(图1)。坝顶高程为281 m,正常蓄水位275 m,总库容126.5亿m³,总装机容量180万kW。东苗家滑坡位于大坝下游仅2 km处的黄河右岸。水库正常蓄水位时,坝前的落水差达140 m,可能会对相隔2 km的东苗家滑坡产生一定影响。

东苗家滑坡区域构造属华北地台,燕山和喜山运动对本区影响明显,形成了一系列褶皱和断层。区域新构造运动主要表现为大面积间歇性升降与继承性活动。

与东苗家滑坡相关的区内最重要的构造为狂口背斜。该背斜轴部沿黄河右岸近EW向延伸,轴向为280°~290°,向SE倾伏。北翼倾向NNE,倾角为10°~15°; 南翼倾向SE,倾角8°~10°^[1,8]。东苗家滑坡处于狂口背斜东北翼,临近背斜轴部(图1),滑床下正常岩体倾向NE,倾角为6°~10°。

区内与滑坡关系密切的断层主要为F₁断层,切过滑坡后部,构成滑坡后部的切割分离面。F₁倾向NE,倾角为85°,垂直断距200 m,断层带宽1.5~2.0 m,影响带宽10~30 m^[2]。由于处于背斜近轴部,地层产状变化大,断层带北侧地层倾角达45°,南侧地层倾角为15°~20°(图1)。

构成东苗家斜坡的基岩,主要为三叠系下统T17,T15,T14和T13岩组,滑体前部有三叠系中统T21分布。主要岩类为砂岩、粉砂岩、及粘土岩。其中T17-4为粘土岩夹砂岩,T15为砂岩夹粘土岩。

在滑坡体块石上部,广泛分布有厚5~20 m的黄土,黄土中含较多钙质结构,底部为砂砾石层。滑坡体前部主要为土与碎石混合、包含许多空隙的约20~40 m厚的滑坡和崩塌堆积物。滑坡堆积下面是厚度超过40 m的古黄河冲积砂砾层。

除层面外(NE∠6°~10°)滑坡体周围岩层中主要发育有4组陡倾角构造节理,分别为: ①走向280°~290°,倾向NE或SW,倾角84°~87°; ②走向75°~87°,倾向SE或NW,倾角62°~83°; ③走向157°~167°,倾向NE或SW,倾角83°~87°; ④走向6°~22°,倾向SE,倾角80°~82°。

东苗家滑坡位于我国第二、三地貌阶梯陡缓突变带,太行山脉南麓的王屋山、崤山中山山地向黄土丘陵平原过渡地带。区域地形西陡东缓,地貌特征表现为侵蚀堆积,经过第三纪早期的准平原化阶段,堆积了中更新世(距今12.6~78.1万a)冲积洪积层,接着受大面积升降运动影响,形成一级台塬和数级阶地。

研究区位于亚热带和温带的过渡地带,受季风环流影响明显,春季多风干旱,夏季炎热多雨,年平均降水量为616 mm,主要集中在夏、秋2季。研究表明^[9],黄河小浪底水库蓄水后,库区及周边环境气候发生了变化,年降水量及暴雨日数呈明显增加趋势。

据勘探钻孔揭露^[1],滑坡体部位地下水位一般变化在135~180 m间,高于同期黄河水位(135 m左右)而低于相应部位滑面高程,表明现状条件下滑体位于地下水位以上,地下水向黄河排泄。由于滑体上部岩体破碎,降水入渗条件好,而滑体下部T₁₇岩组透水性相对较差,且滑体内存在多层泥化层,因而降水入渗过程中滑体内易形成局部岩层上滞水,对滑坡稳定造成了不利影响。

获取遥感和地理信息源,采用数字滑坡技术,研究东苗家滑坡及其发育环境特征,基于滑坡地学原理分析滑坡活动特征,并推断其发生年代,根据多时相遥感数据监测分析滑坡稳定现状^[6,10]。

1)高空间分辨率遥感影像。使用2002—2016年间不同季节的9个时相Google Earth高空间分辨影像,并在ArcGIS平台进行几何纠正,统一到相同坐标系统下作为遥感信息源。

2)数字高程模型。以ASTER GDEM数据高程数据产品为滑坡高程信息源,空间分辨率为30 m。数据格式为GeoTIFF格式,WGS-84坐标系,在全球范围内的平均垂直精度为20 m,水平精度为30 m,置信度为95%。

在ArcGIS平台下,对研究区范围ASTER GDEM数据进行重新投影,并加密到5 m空间分辨率作为解译的数字高程模型。

3)地质环境信息源。包括1:20万洛阳市幅,图幅号为I-49-(11)的区域地质图及文献^[1,8,11-12]资料。

本研究解译基础由研究区高空间分辨率滑坡影像,数字高程模型及其衍生产品组成。

2.2.1 高分辨率滑坡影像及处理

下载表1所示的Google Earth高分辨率遥感影像,然后在ArcGIS平台下,将GoogleEarth影像由经纬度坐标转换为投影坐标,以使解译基础统一为相同的横轴墨卡托投影方式,中央经线为E111°。分析其影像特征,具体如表1所示。

2.2.2 数字高程模型及其衍生产品

1)数字高程模型。由于30 m空间分辨率为的ASTER GDEM数据不能满足研究滑坡细节的需要,因此,在数字高程模型上加密提取间隔5 m的高程等值线,并叠加投影处理后的高空间分辨率影像与文献中的现场采集高程数据^[2,3]对地形高程细节进行修正,使其符合更为精细的高程变化特征,形成新的高程等值线数据,以此生成不规则三角网(triangulated irregular network,TIN)文件,生成数字高程模型数据(digital elevation model, DEM)。参考实测数据与Google Earth高程数据,判断所生成DEM的最大高程误差约为5 m。将影像图与高程等值线叠加,生成东苗家滑坡影像与地形叠加图(图2)。

2)地形平面和剖面。基于所获DEM数据,在ArcGIS平台生成平面和剖面地形图,如图3所示。该图反映了滑坡地形地势。

3)滑坡坡度图。为了更直观地反映滑坡地形,由DEM生成坡度图(图4)。校正后的高分辨率滑坡影像,数字高程模型及其衍生产品组成东苗家滑坡解译基础,基于该基础,进行滑坡特征解译。

1)滑坡形态和边界。图5为东苗家滑坡遥感解译图。由于进行遥感解译时,正面朝向滑坡更易于确定滑坡各处形态,因此以南方为上的方式进行滑坡解译及展示。由图5可以看出,东苗家滑坡总体呈簸箕向黄河突出。影像上东侧以一明显冲沟为界,西界下部为一冲沟,上部界限滑坡内外地物有明显差异,如图5黄色点线所示; 南(后缘)侧边界为一阶地平台下陡崖。滑坡高程范围为135~265 m,总体地形西高东低,平均宽度为350 m,平均坡长约为380 m,平面投影面积约为13.2万m²。

2)滑坡地形及地表覆盖。如图2和图5所示,滑坡可分为前缘陡坡及中后部缓坡平台2部分,有明显分界。

约135 ~210 m高程的黄河岸边为前缘陡坡堆积,平均坡度为27.3°。最前缘是挡土工程建筑,可见4条排水管,有3处浅层滑塌L₁,L₂和L₃,投影面积分别为8 186 m²,3 176 m²和1 216 m²。前缘陡坡地表覆盖有茂盛植被。

约210~265 m高程为平均坡度≤10°的缓坡,其中4号公路下凹,位于210~215 m高程; 除4号公路外,缓坡上约可分为四级平台夹陡坎的台阶,从下到上可划分出7个平台如表2和图5所示。平台上大部为农耕地,前期T₇和T₆平台上有居民住宅建筑分布,2012年后的影像上未见成片居民点,大部分已被植被覆盖。根据文献[1]可知,东苗家滑坡中上部分布有4条明显的弧形裂缝,I号裂缝展布于中部滑体前缘,219 m高程处,滑坡前缘黄土平台曾沿此缝发生过坐落位移; Ⅱ号裂缝位于4号公路北侧,沿缝可见黄土底部砂砾被错断2 m以上; Ⅲ号裂缝位于4号公路南侧,表现为多条拉裂所致黄土错动面,产状为15°∠53°; Ⅳ号裂缝基本沿250 m高程平台展布,表现为多条产状15°∠65°的拉裂所致的黄土错动面。据文献[1]所描述的位置,在高分辨率遥感影像上对附近位置的线性地物进行识别,标识出4条裂缝的位置,如图5中裂缝I、裂缝Ⅱ、裂缝Ⅲ、裂缝Ⅳ所示,图中裂缝Ⅴ为滑坡后壁。

结合前人研究成果^[1,2,3]与遥感解译,对东苗家滑坡的产生条件、活动特征和稳定性现状有如下认识。

产生滑坡的斜坡需满足3个基本条件: ①斜坡有可能发育滑动面的物质条件,②有使部分斜坡与原斜坡分割的结构条件,③有使被分割的部分斜坡向前(下)运动的临空面条件。再加上一定触发条件时,滑坡便会发生^[1,13]。

东苗家顺层斜坡位于狂口背斜东北翼近轴部,由三迭系下统、中统、砂岩、粉砂岩及粘土岩硬、软岩互层组成,满足了以上滑坡基本形成条件和触发条件。主要以高岭石族、伊利石族、蒙脱石族等粘土矿物组成的粘土岩处于软硬岩互层的顺层结构时,极易在水的作用下迅速弱化泥化,发育成滑动面(带),满足滑坡发生的物质条件; 其次,斜坡位于背斜近轴部,地层产状变化大,利于斜坡发育节理、裂隙等构造软弱结构面,位于斜坡中后部的高倾角F₁正断层,其垂向断层活动及破碎带利于斜坡横向整体变形破坏,并导致地表水进入,满足滑坡发生的结构条件; 再次,大面积间歇性升降与继承性运动的区域新构造运动特征,使黄河河谷急剧下切,形成了较陡的基岩岸坡,使东苗家顺层斜坡坡岸面临宽阔的临空空间,满足滑坡发生的临空面条件。

黄河下切侧蚀,夏秋暴雨集中,利于地表水向斜坡内渗入,使斜坡的粘土矿物层发生泥化,引发滑动,这是滑坡发生的主要触发条件。

由滑坡地表特征分析,东苗家滑坡的主要活动特征为不同阶段分级分块活动,其活动过程分析如下:

1)首次滑坡活动。东苗家滑坡的首次活动发生在目前滑坡的中后部。见图6,主要表现是 T15块石堆积(del( T15))异常出露在F₁断层上盘(北部)。由于F₁垂直断矩为200 m^[1],F₁断层上盘 T15只可能出现在距F₁断层下盘(南部) T15以下约200 m深处,现F₁上盘地表黄土堆积下出现的del( T15)推断是由滑坡活动从断层南部向北滑移堆积产生。该滑坡的剪出口为del( T15)块石堆积的最前端,即A点,位于黄土下砂砾石层之上,说明该滑坡发生在该区域黄土堆积之前,黄河砂砾石层形成之后。本文认为该次滑坡活动为东苗家首次滑坡。首次滑坡发生的原因分析: 在黄土堆积前,东苗家斜坡上F₁断层下盘地面出露 T15(紫红色钙硅质细砂岩夹粉砂质粘土岩)地层,F₁上盘地表分布 T21地层。地表水会通过F₁断层破碎带及 T15砂岩陡倾裂隙,进入坡体,见图6。到达 T15粘土岩夹层后,因粘土的隔水作用,水在粘土岩面上停滞,与粘土矿物作用,使其软化。经长期侵蚀作用,在 T15层陡倾裂隙及 T15粘土岩层附近形成局部软弱段,侵蚀活动继续到某一时刻,各软弱段贯通,滑带发育成熟,首次滑坡发生。F₁断层破碎带是首次滑坡的后界,滑带沿着 T21与 T17-4的接触带发育。

由F₁断层出露地面的位置(f)至该滑坡剪出口A的距离,推算该次滑坡活动的滑动距离约为100 m。在ArcGIS平台上量测得首次滑坡剖面面积为3 463.51 m²,以平均宽度350 m计,估算该滑坡的体积为121.2万m³。

2)随后牵引活动。首次滑坡向前(北)活动时,必然牵引后部坡体,被牵引的坡体最大可能是沿着 T15与 T14之间的粘土层滑动,地面特征表现为平台,其最后一条拉裂缝Ⅴ,为该被牵引滑动坡体的后壁。裂缝Ⅴ, T15, T14与首次滑坡后界围限部分为后续牵引块体(图6),同上计算方法估算得其体积约为45.7万m³。首次滑坡活动使其下伏的 T21和 T17-4遭挤压变形破坏。

3)前部滑坡活动。首次、后续牵引活动发生后,区域地壳经过一段稳定时期,在约200 m高程处,黄河侵蚀产生了平整的基座阶地。首次滑坡剪出口附近成为地表水渗入坡体的通道。而后,随着区域地壳抬升及继承性运动,黄河不断下切,当黄河下切侧蚀至使东苗家斜坡坡岸 T17-4中的软弱层出露(C点附近,约160 m高程)时,黄河水侵入坡体并在软弱泥岩层上滞留,在动静水压力作用下,沿着 T21, T17-4的陡倾裂隙及 T17-4的粘土岩夹层,即从A点到C点逐渐发育为滑带,上覆斜坡顺层向黄河河谷滑动,形成斜坡的前部滑坡活动。本文认为裂缝Ⅱ是前部滑坡活动的后壁。在ArcGIS平台上量测得前部滑坡剖面面积为5 525.90 m²,以平均宽350 m计,估算得前部滑坡体积约193.4万m³。

4)后续滑坡活动。前一滑坡活动,必然牵引其后部块体AGE(图6)。AGE块体经多次滑坡活动的扰动后,发生变形破坏,产生裂缝。同时,地表水通过裂缝渗入坡体,在进入坡体的水与软弱夹层的长期作用下,使AGE块体变形、蠕动,该部分为AGE块体。同上方法估算AGE块体体积约为65.1×10⁴ m³。

上述滑坡及变形块体形成后,随着各条裂缝的发育及地表水进入,在多个软弱层面会有多次层间错动或蠕滑,其结果是从后缘Ⅴ到黄河河谷的滑动面贯通,东苗家滑坡的统一滑动面(带)形成,东苗家斜坡成为向黄河河谷弧形凸出的滑坡堆积体。

由于黄河冲刷侧蚀的不断进行,前端松散的滑坡堆积不断发生塌滑,在黄土堆积形成后,黄河下切到约150~135 m之间某高程时,滑坡前部发生过一次较大规模的塌滑,形成目前平均坡度约27°,由块石夹泥堆积的陡坡。由几次滑坡活动体积,估算东苗家滑坡总体积为425.4万m³。

基于2002—2016年间9景Google Earth高空间分辨率影像,对比东苗家滑坡的边界、7个台地的位置和高程、4号公路、前缘陡坡的3处滑塌L1,L2和L3的边界,除上覆植被随季节不同变化外,其它均无明显变化,可见滑坡整体和各局部无明显变形位移现象,状态稳定(图7)。

综合高分辨率遥感影像、加密后的ASTER GDEM高程信息以及地质环境信息,分析了东苗家滑坡的发育环境、形成条件和滑坡活动特征,并利用多时相高分遥感影像,推测了滑坡稳定性现状。

1)东苗家滑坡位于小浪底坝址下游的黄河右岸,狂口背斜东北翼近于轴部的顺层坡,软硬相间的砂岩夹粘土岩地层中,满足滑坡发生的物质、结构与临空面条件。黄河下切侧蚀与集中降水是滑坡发生的主要触发条件。

2)滑坡的主要活动特征为不同阶段分级分块活动,由于地表降水和河水侵蚀作用,经多次局部变形破坏后,逐渐在斜坡中发育了贯通的滑动面,形成一次较大规模滑动。随后,中后部多次发生局部拉裂,前缘在黄河侧蚀下多次崩滑。有4次主要活动。形成了前缘陡坡,四级平台夹陡坎的地形地貌特征。基于GIS方法,估算得东苗家滑坡总规模为425.4万m³。

3)由于滑坡前部的挡土工程以及坡体的排水工程,近年来东苗家滑坡体稳定,通过9景高分辨率影像对比表明东苗家滑坡目前整体和各局部无明显变形位移现象。

在本文研究中,仅使用了高空间分辨率和数字高程数据,数据类型较为单一。结合其他数据类型遥感数据,如InSAR及激光雷达数据,更为精确有效地研究滑坡运动特征与稳定性是今后的研究要点。