李嘉雨，陳亮，蔣良文，趙平，毛邦燕(.中鐵二院勞模(專家)地質(zhì)創(chuàng)新工作室,成都 6003；.中鐵二院地勘院，成都 6003)

川黔線裁縫巖滑坡災(zāi)害的基本特征與初步研究

李嘉雨1,2，陳亮2，蔣良文1，趙平2，毛邦燕1,2
(1.中鐵二院勞模(專家)地質(zhì)創(chuàng)新工作室,成都 610031；2.中鐵二院地勘院，成都 610031)

川黔線鐵路K119段裁縫巖處發(fā)生大型紅層巖質(zhì)滑坡，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。為保障既有鐵路線運(yùn)營安全，本文在對滑坡工程地質(zhì)特征進(jìn)行調(diào)查的基礎(chǔ)上采用遙感解譯及3DEC數(shù)值模擬的手段，討論了該紅層滑坡對鐵路工程的影響及其形成演化機(jī)理。研究結(jié)果表明：(1)在自重應(yīng)力的牽引作用下，巖層間的非協(xié)調(diào)變形產(chǎn)生拉張裂縫，降雨入滲張拉裂縫，使滑帶泥化軟化，并最終誘發(fā)裁縫巖滑坡失穩(wěn)破壞。(2)在滑帶處于飽和狀態(tài)時(shí)，該紅層滑坡將再次失穩(wěn)堆積于綦江河上并形成滑坡壩，對鐵路工程造成較大威脅。

紅層滑坡；形成機(jī)理；鐵路工程；數(shù)值模擬

1 前言

川黔線是西南鐵路網(wǎng)中運(yùn)輸極其繁忙的Ⅰ級單線鐵路，更是貴州連接西南、西北的重要干線[1]。2016年6月28日19點(diǎn)30分前后川黔線鐵路K119段裁縫巖處發(fā)生大型紅層滑坡，致所經(jīng)川黔線列車停運(yùn)改道近1個(gè)多月，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。

滑坡位于雷吼洞隧道口上部，嚴(yán)重威脅鐵路運(yùn)營安全。若滑坡再次失穩(wěn)后沖入綦江河中，恐將危及川黔線鐵路、滑坡前緣居民區(qū)、國道210安全，并形成滑坡壩，造成更為嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

因此，對該紅層滑坡的孕災(zāi)地質(zhì)條件、成因演化機(jī)理及再次失穩(wěn)后對鐵路工程的可能產(chǎn)生影響進(jìn)行深入研究顯得尤為迫切。

2 滑坡的背景

2.1 概況

滑坡位于綦江區(qū)趕水鎮(zhèn)川黔線鐵路K119+120段。滑坡區(qū)地貌為淺中切割侵蝕-構(gòu)造中低單斜構(gòu)造山，山脊線走向呈NNE-SSW。

滑坡區(qū)位于新華夏系第三隆起帶與沉降帶間，屬川東褶帶與川鄂湘黔隆起褶帶西緣交接部位。區(qū)域主要構(gòu)造為官田寺背斜，其巖層走向N28°～49°E，傾角18°～21°NW，代表性產(chǎn)狀為N45°E/20°NW。滑坡區(qū)出露巖層為侏羅系中上統(tǒng)沙溪廟組(J2s)砂泥巖互層。

滑坡區(qū)屬亞熱帶濕潤氣候區(qū)，降雨分配不均，每年的5～9月降水量占全年的69%，冬季降水量僅占全年的4.2%?；聟^(qū)年平均降水量1 070 mm，多年最大降雨1 249.9 mm，多年最大日降雨量達(dá)138.7 mm。

2.2 早期變形跡象

自20世紀(jì)60年代川黔鐵路建成后，斜坡前部土體出現(xiàn)了拉裂、局部垮塌、魚塘漏水等蠕滑變形跡象。為避免垮塌對鐵路造成破壞，20世紀(jì)70年代該段鐵路改為隧道通過。而后在1998年、2007年、2014年的雨季斜坡變形加劇，在斜坡中部及前部出現(xiàn)多處地面拉裂，在前部出現(xiàn)了局部垮塌等強(qiáng)變形特征。

2014年遙感圖像(圖1)表明滑坡左后緣臨空面發(fā)生過滑坡或崩塌將坡表植被破壞，因此可以判定裁縫巖南側(cè)有一處崩滑堆積體。從2014年7月滑坡區(qū)遙感影像(圖2)可以發(fā)現(xiàn)，斜坡后緣疑似有輕微下錯(cuò)，并形成長度約26 m疑似拉張裂縫。至2014年8月暴雨后，滑坡后緣出現(xiàn)明顯的下錯(cuò)，拉張裂縫長度擴(kuò)大至107 m，并形成小型滑坡壁。斜坡前部沖溝側(cè)局部滑塌，滑塌面積165 m2(圖1)。

圖1 2014年8月滑坡區(qū)遙感影像

圖2 后緣拉張裂縫擴(kuò)展

3 滑坡的工程地質(zhì)特征

3.1 基本特征

裁縫巖滑坡位于綦江河右岸，為典型兩面臨空型紅層緩傾角順層滑坡。

根據(jù)無人機(jī)航拍影像(圖3)，綦江河谷深切使滑坡前緣及左側(cè)邊界臨空，右側(cè)邊界由于巨厚層砂巖風(fēng)化崩落，形成陡崖及小型沖溝，滑坡壁上部季節(jié)性水溝發(fā)育。

滑坡長460 m、寬90～100 m，整體呈不規(guī)則四邊形，滑坡體平均厚度約5～20 m，總方量為162×104m3。斜坡坡向約為260°，滑坡主滑方向270°，滑動距離39～53 m，下伏基巖產(chǎn)狀N50°E/NW，傾角約20°?；虑昂缶壐卟罴s158 m，前緣與綦江河高差41 m，水平距離92 m。

根據(jù)滑坡的變形特征及研究需要，將滑坡劃分為主滑區(qū)、剪切擠壓區(qū)和崩塌堆積區(qū)(圖3)。

圖3 裁縫巖滑坡航拍全貌圖

3.2 主滑區(qū)的變形特征

3.2.1 滑坡前緣

滑坡前緣土體鼓脹隆起明顯，剪出距離2～5 m，推覆斜坡前部左右兩側(cè)蓄水池。前緣松散堆積體在暴雨的作用下沿沖溝形成溜滑體，將斜坡下部道路掩埋。在滑坡滑動過程中，前緣右側(cè)堆積體受到推擠，導(dǎo)致剪切擠壓區(qū)房屋傾倒變形。

通過對航拍獲得的滑坡前緣裂縫(圖4)發(fā)育特征進(jìn)行解譯，滑坡前緣主要分布與滑動方向近于垂直的橫向鼓脹裂縫，走向大致為320°；此外，還有少量與滑坡滑動方向近于平行的放射狀縱向鼓脹裂縫，走向大致為290°。

圖4 滑坡前緣裂縫分布情況

3.2.2 滑坡中部

滑坡中部右側(cè)邊界剪切錯(cuò)動明顯，滑動過程中形成寬約0.2～0.3 m的剪切裂縫及三級錯(cuò)臺(圖5)。錯(cuò)臺高度1～3 m，錯(cuò)臺延伸長度約27～71 m。與滑坡前緣不同的是，中部左側(cè)邊界分布密集放射狀縱向鼓脹裂縫，裂縫寬度0.2～1.5 m，平均長度13.1 m，走向大致在230°～260°的范圍內(nèi)。

圖5 滑坡中部裂縫分布情況

此外，在滑坡滑動過程中受中部左側(cè)臨空影響產(chǎn)生的側(cè)向滑塌，滑塌體以泥流的形式下泄至川黔線及綦江河中，堵塞川黔線K119段雷吼洞隧道口(圖3)。

3.2.3 滑坡后緣

滑坡后緣形成“M”形長大拉裂縫及滑坡壁。拉裂縫北側(cè)寬約21 m，南側(cè)寬約49 m，呈北窄南寬的形態(tài)。弧形滑坡壁長約250 m，高29.5～42.2 m?；w滑動后巖層傾向沿滑動方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)(圖6)，巖層產(chǎn)狀變?yōu)镹5°W/SW,傾角19°。

圖6 滑坡后緣拉裂縫(鏡頭方向320°)

3.3 滑坡的結(jié)構(gòu)特征

滑坡區(qū)后部以巖體滑動為主，推動中前部土體滑動；縱剖面上，滑體前部臨空，中部平緩，后部陡斜；橫剖面上，由于斜坡沿南側(cè)臨空面崩塌剝蝕而巖層傾向北西，使滑體北側(cè)厚，南側(cè)薄，說明滑體在滑動過程中一定程度上受到巖層傾向的影響而向北側(cè)擠壓變形。

3.3.1 主滑區(qū)

根據(jù)滑坡的變形及物質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，滑坡主滑區(qū)劃分為后緣啟動推移區(qū)、中部擠壓下錯(cuò)區(qū)、前緣鼓脹滑塌區(qū)(圖7、圖8)。

圖7 裁縫巖滑坡鉆孔平面布置圖

1. 紫紅色中厚層-厚層泥巖夾灰白色中厚層砂巖；2.紫紅色薄-中厚層泥巖；3.碎石土；4.塊石土；5.粉質(zhì)黏土夾碎塊石；6.沙溪廟組二段；7.滑帶；8水位線圖8 裁縫巖滑坡橫縱剖面圖

(1) 鼓脹滑塌區(qū)

前緣上部滑體厚5.5～16.5 m，主要為第四系殘坡積(Q4dl+del)紫紅色粉質(zhì)粘土夾砂泥巖碎石，呈軟塑-可塑狀?？辈旖Y(jié)果表明滑帶位于隧道頂部29.5～38.8 m處，滑坡對隧道洞身結(jié)構(gòu)無直接影響。下部滑床為厚層狀泥巖夾中厚層砂巖。

(2) 擠壓下錯(cuò)區(qū)

(3) 啟動推移區(qū)

該區(qū)滑體北厚南薄，北側(cè)以巖體為主，南側(cè)以土體為主。上部為第四系崩殘坡積物(Q4dl+col)風(fēng)化后形成的粉質(zhì)黏土夾碎塊石土，厚度0～7 m，碎塊石含量20%～50%；中部為下部泥巖滑動破碎及風(fēng)化形成的角礫土，厚度0～10.5 m。角礫土以下為侏羅紀(jì)沙溪廟組(J2s)紫紅色中厚層-厚層狀泥巖夾灰白色中厚層砂巖，鈣質(zhì)膠結(jié)。后緣長大拉裂縫被砂巖、泥巖碎塊石所充填，結(jié)構(gòu)松散。

滑坡壁出露巨厚層狀砂巖及中厚層-厚層泥巖，結(jié)構(gòu)面十分發(fā)育。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表面滑坡壁主要發(fā)育2組結(jié)構(gòu)面(圖9)。其中JL1結(jié)構(gòu)面走向與斜坡坡向相一致，產(chǎn)狀：182°∠75°；JL2結(jié)構(gòu)面走向與巖層傾向相一致，產(chǎn)狀：55°∠82°。鉆孔cx03顯示啟動推移區(qū)滑帶位于鉆孔下方22.9～30.6 m處，此處基巖較為破碎，并且可見明顯泥巖擦痕(圖10)。

圖9 滑坡壁兩組主要結(jié)構(gòu)面

圖10 滑帶泥巖擦痕

3.3.2 剪切擠壓區(qū)

剪切擠壓區(qū)位于滑坡右前緣，與主滑區(qū)處于同一個(gè)剝蝕平面上,隧道頂部位于該基覆界面下方17.2 m處。該平臺為斜坡崩坡積物形成的第四系堆積體，堆積體主要為粉質(zhì)黏土夾砂泥巖碎塊石，碎塊石含量約30%～40%，厚度9.5～18.8 m。堆積體下部為中厚層-厚層泥巖夾中厚層砂巖?；禄瑒舆^程中，沿沖溝發(fā)生剪切錯(cuò)動，將主滑區(qū)右側(cè)邊界房屋拉塌，并且推動剪切擠壓區(qū)平臺產(chǎn)生變形。因此，剪切擠壓區(qū)是裁縫巖滑坡天然抗滑段，防止了滑坡進(jìn)一步滑出。

3.3.3 崩塌堆積區(qū)

崩塌堆積區(qū)(圖3)呈三角型，前部薄后部厚，厚度0～5.7 m，估測體積約1.1×104m3，為斜坡北側(cè)上部巨厚層砂巖向南側(cè)陡坡崩落滑塌形成，上部堆積體為第四系崩坡積物(Q4dl+col)砂巖碎塊石及泥巖角礫土，下部基巖為中厚層泥巖。考慮到堆積體體積較小，穩(wěn)定性好，且距鐵路線較遠(yuǎn)(約160 m)，因此該堆積體對鐵路運(yùn)營安全無重大威脅。

3.4 滑坡的水文地質(zhì)特征

滑坡區(qū)內(nèi)地表水主要以大氣補(bǔ)給降水為主，受氣候影響變化顯著，坡面發(fā)育季節(jié)性沖溝。通過無人機(jī)航拍解譯及調(diào)查發(fā)現(xiàn)滑坡壁后部存在3條季節(jié)性水溝，而北側(cè)巨厚層砂巖內(nèi)存在坡表降雨形成的季節(jié)性基巖裂隙水。兩者都呈點(diǎn)狀入滲滑坡后緣拉張裂縫，并成為滑體下部的地下水。

滑體內(nèi)部地下水而后沿基巖泥化軟化夾層，流入中部擠壓下錯(cuò)區(qū)，受到地表水補(bǔ)給后，沿基覆界面進(jìn)一步流動至前緣鼓脹滑塌區(qū)，最終以泉的形式沿坡腳砂巖滲出排泄于前緣水塘或沖溝，并匯集于綦江河。

裁縫巖滑坡布置監(jiān)測孔表明滑體內(nèi)長期存在地下水，并且地下水水位隨降雨而變化，滑坡后緣顯得尤為顯著。

4 滑坡對鐵路工程的影響評價(jià)

4.1 穩(wěn)定性評價(jià)

根據(jù)表1裁縫巖物理力學(xué)參數(shù)的取值及其水文地質(zhì)特征，用傳遞系數(shù)法對滑坡在自重(無地下水)、降雨(含地下水)、暴雨(滑帶100%軟化)和地震工況(含地下水)下的進(jìn)行了穩(wěn)定性計(jì)算。

計(jì)算結(jié)果表明(圖11)滑坡前緣的穩(wěn)定性要好于滑坡后緣。當(dāng)滑帶處于飽水極端狀態(tài)時(shí)，滑坡穩(wěn)定性大幅降低，3個(gè)滑坡剖面計(jì)算結(jié)果皆處于不穩(wěn)定狀態(tài)。此外，對滑坡后緣進(jìn)行削坡減載并不能大幅提高滑坡的穩(wěn)定性。因此，可見滑坡在大雨～暴雨條件下處于不穩(wěn)定狀態(tài)，滑帶飽水軟化是該滑坡失穩(wěn)的關(guān)鍵。

圖11 滑坡穩(wěn)定性計(jì)算

4.2 滑坡的危害性預(yù)測

在定性分析的基礎(chǔ)上，通過使用3DEC數(shù)值模擬軟件，用離散單元法模擬滑坡在暴雨條件下，再次失穩(wěn)后可能造成的破壞進(jìn)行定量分析。

基于對裁縫巖滑坡工程地質(zhì)特征的分析，將模型劃分為主滑區(qū)、剪切擠壓區(qū)及非滑坡區(qū)。其中主滑區(qū)和剪切擠壓區(qū)視為滑動破壞后的不連續(xù)單元塊體，非滑坡區(qū)視為不可變形的剛體。主滑區(qū)滑帶取液限飽和滑帶土參數(shù)，剪切擠壓區(qū)取天然狀態(tài)滑帶土參數(shù)，其余巖土物理力學(xué)參數(shù)依據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果(表1)選取。

表1 裁縫巖滑坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)

數(shù)值模擬試驗(yàn)表明(圖12)：滑坡在天然工況下能夠保持穩(wěn)定，但在暴雨工況下滑帶軟化，滑坡將會失穩(wěn)破壞。在暴雨工況下,當(dāng)數(shù)值模擬迭代步數(shù)達(dá)300 000步后，滑坡體將沿鼓脹滑塌區(qū)剪出，并堆積于綦江河中，形成滑坡壩，但形成的堰塞湖水位高度不會將鐵道線路淹沒?；略诨瑒舆^程中，滑坡左側(cè)部分滑體仍會沿陡坡下滑至川黔線鐵路隧道入口，而右側(cè)滑體會擠壓“剪切擠壓區(qū)”，導(dǎo)致其沿基覆界面向臨空面發(fā)生滑動。

圖12 裁縫巖滑坡變形破壞結(jié)果圖

5 滑坡成因機(jī)理分析

走訪調(diào)查及衛(wèi)星遙感影像表明，先后經(jīng)歷前緣剝蝕滑塌、中部田坎下錯(cuò)、后部裂縫拉張、滑坡整體失穩(wěn)等過程，說明裁縫巖滑坡是經(jīng)長期演化而逐步形成的。

眾多研究表明紅層軟巖由于其沉積時(shí)間較短，使其具有流變性這種特殊的工程特性。[2-13]通過表1所獲得的巖土體物理力學(xué)參數(shù)，通過彈性力學(xué)公式計(jì)算[14]:

(1)

(2)

σsinθ≥uσcosθ

(3)

(4)

式中，εm為泥巖應(yīng)變；εs為砂巖應(yīng)變；μm為泥巖泊松比；μs為砂巖泊松比；Em為泥巖彈性模量；Es為砂巖彈性模量；σ為斜坡自重應(yīng)力；θ為巖層傾角；u為砂泥巖層面摩擦系數(shù)；n為倍數(shù)。

可知在滑體內(nèi)同一層砂泥巖層面上，受到相同自重應(yīng)力的作用，泥巖層的應(yīng)變是砂巖層的1.26倍，這導(dǎo)致砂泥巖層面間在流變過程中發(fā)生顯著的非協(xié)調(diào)變形，使原生閉合結(jié)構(gòu)面JL1張開，形成拉張裂縫。其中，式3表明斜坡的下滑力大于砂泥巖層間的靜摩擦力是發(fā)生砂泥巖產(chǎn)生非協(xié)調(diào)變形的必要條件，因此河流切割使斜坡前緣臨空是產(chǎn)生非協(xié)調(diào)變形的主要外界因素。

實(shí)驗(yàn)也表明[15]，砂泥巖在剪應(yīng)力的作用下，長期強(qiáng)度會大幅度降低，且泥巖的流變特性要遠(yuǎn)好于砂巖，并在砂泥巖間形成粉砂狀的層間剪切錯(cuò)動帶。

通過搜集滑坡附近的兩處降雨資料分析，發(fā)現(xiàn)滑坡發(fā)生時(shí)間點(diǎn)與兩處觀測站的3 d累計(jì)降雨量峰值點(diǎn)都非常契合(圖13)。其中滑坡發(fā)生前，岔灘站達(dá)到大雨級別，趕水北站達(dá)到暴雨-大暴雨級別。這表明滑坡失穩(wěn)是由強(qiáng)降雨導(dǎo)致的。

而降雨能夠沿著滑坡壁上部水溝匯聚于后緣拉張裂縫中，并沿滑坡后緣發(fā)育的兩組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面，下滲至滑帶，使滑帶泥化軟化。從表1滑帶飽水后的及數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)滑帶土處于飽和狀態(tài)時(shí)，c、φ值分別大幅度降低75.3%和53.7%，可以說滑帶土軟化、泥化是導(dǎo)致滑坡失穩(wěn)的決定性因素。

以上分析可見裁縫巖滑坡是長期歷史演化過程中，內(nèi)外因共同作用的結(jié)果。河流下切作用及坡體的巖性差異使斜坡后部形成拉張裂縫。降雨入滲張拉裂縫，使滑帶泥化軟化，并最終誘發(fā)滑坡失穩(wěn)破壞。

圖13 裁縫巖滑坡降雨量

6 結(jié)論與認(rèn)識

本文在對裁縫巖滑坡工程地質(zhì)特征調(diào)查的基礎(chǔ)上，對其成因機(jī)理進(jìn)行了分析總結(jié)，并且通過穩(wěn)定性計(jì)算及3DEC數(shù)值模擬，對滑坡再次失穩(wěn)后對鐵道工程的影響進(jìn)行了定性及定量的分析，得到以下結(jié)論：

(1) 在自重應(yīng)力的牽引作用下了，巖層間的非協(xié)調(diào)變形使滑坡后緣原生結(jié)構(gòu)面張開形成拉張裂縫，降雨入滲張拉裂縫，使滑帶泥化軟化，并最終誘發(fā)裁縫巖滑坡失穩(wěn)破壞。

(2) 在暴雨工況下滑體將擠壓滑坡右側(cè)邊界居民區(qū)，并沿滑帶剪出，最終堆積于綦江河中形成滑坡壩，部分滑體將下滑至鐵路隧道入口，對鐵路運(yùn)營安全造成較大影響。

致謝在此感謝中鐵二院創(chuàng)新工作室無人機(jī)團(tuán)隊(duì)、中鐵二院重慶公司、208地質(zhì)隊(duì)及成都鐵路局指揮部相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)，特別感謝毛邦燕博士對本文的指導(dǎo)與幫助。

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作者簡介：李嘉雨(1990- )，男，漢族，現(xiàn)任中鐵二院集團(tuán)有限責(zé)任公司地勘院助理工程師，碩士研究生，主要從事鐵路勘察設(shè)計(jì)工作。 E-mail:1245962984@qq.com

THE CAIFENGYAN RED LAYER LANDSLIDE IN CHUAN-QIAN RAILWAY: CHARACTERISTICS AND FORMATION MECHANISM

LI Jia-yu1,2,CHEN Liang2,JIANG Liang-wen1,ZHAO Pin2,MAO Bang-yang1,2
(1.Geological Inovation Studio of CREEC,Chengdu 610031,China；2.China Railway Eryuan Engineering Group Co.Ltd Chengdu,Sichuan,Chengdu 610031,China)

A large-scale rock landslides occurred in Chuan-Qian railway(K119 segment)，causing huge economic losses. To ensure the security of existing railway operation, we discussed the formation mechanism of the red layer landslide and the influence on the railway engineering by mean of remote sensing interpretation and numerical simulation on the basis of the engineering geological characteristics of the landslide survey. The results showed that：(1) Under the effect of gravity stress of traction, the incompatible deformation between the rock produced tension cracks; Rainfall infiltrated tension crack, which softened sliding zone, and finally induce the rock landslide failure. (2) Landslide would slide instability under the condition of saturated sliding surface and part of the sliding body would be accumulated in Qijiang river; Landslide dam would be formed, which in turn have a lager impact on railway engineering.

red layer landslide; formation mechanism; railway engineering; numerical simulation

1006-4362(2016)04-0001-07

2016-08-20改回日期： 2016-10-17

P642.22

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