李寶銀，范曉易

(1.濟南市市政工程質量監(jiān)督站， 山東 濟南 250012； 2.泰安基準地震臺， 山東 泰安 271000)

近水平地層滑坡機制和演化全過程研究

李寶銀1，范曉易2

(1.濟南市市政工程質量監(jiān)督站， 山東 濟南 250012； 2.泰安基準地震臺， 山東 泰安 271000)

為研究近水平地層滑坡的成因機制和變形演化特征，以黑山坡滑坡為例，基于工程地質學和巖土力學的理論與方法，對斜坡穩(wěn)定性和各影響因素之間的相關性進行了分析?；轮饕ɑ鶐r山體和古滑坡堆積層兩部分，通過有限差分法模擬了滑坡的運動學特征。判斷該滑坡為新生基巖崩滑和古滑坡堆積層推移的復合平推式滑坡，且靜水壓力環(huán)境控制著滑坡的啟動和發(fā)展。最后針對該類滑坡在研究和實踐工作中存在的問題，提出了在前期辨識、預報預警和防治措施等方面的一些建議。

近水平地層；滑坡；變形特征；演化過程

滑坡是一種對人們的生產生活有嚴重危害的自然地質災害，學者們對不同類型的滑坡進行了大量的研究[1-4]，但是對近水平地層滑坡的滑坡研究較少。近水平地層滑坡又名平推式滑坡[5]是指發(fā)育在傾角很小(一般小于10°)的緩傾地層中的滑坡，在三峽庫區(qū)的萬州和重慶一帶、四川盆地、黃土高原以及其它一些山區(qū)，導致了大量的災害事例[6-7]。為此許多學者如成國文等[8]、黃潤秋[9]、王治華等[10]、趙權利等[11-12]、李振存等[13]、繆海波等[14]對該類滑坡從變形特征、成因機制、啟動判據、判據公式以及預測預報等方面進行了大量的研究工作[15]。他們的研究對認識和處置該類滑坡起到了有益的指導作用，但側重于從地質定性分析和模型試驗等途徑研究滑坡的觸發(fā)機理和短時臨滑預報方法。由于以往獲取的現場監(jiān)測資料多是滑坡發(fā)生前后的短期數據，缺乏典型案例和滑坡變形全過程的完整資料和分析。目前對該類滑坡演化規(guī)律的認識還不夠完善，導致在實踐中仍然存在一定的盲目性和誤區(qū)，有必要進一步研究其演化全過程和防災減災等方面的問題[16-18]。

黑山坡滑坡屬于典型的近水平地層滑坡。本文基于詳實的地質勘察資料，分析了該滑坡的地質條件、穩(wěn)定性影響因素，并利用有限差分軟件FLAC3D計算了滑坡過程中應力場和位移場的變化特征。然后將地質判別和數值模擬結果相結合，重建了黑山坡滑坡的發(fā)生過程，探討了其區(qū)別于一般滑坡的啟動機制和演化全過程。在此基礎上，提出了滑坡前期辨識、防護工程及預測預報等工作的重要性和目前存在的問題，總結了相應的內容與方法。

1 滑坡概況

黑山坡滑坡位于四川省平昌縣青云鄉(xiāng)華嚴3社，滑坡橫向430 m，縱向260 m，平均厚14 m，總體積約156×104m3，屬于大型近水平地層滑坡，如圖1所示?；挛挥谝粋€古滑坡區(qū)域，后部存在一條長約440 m、寬度在15 m～27 m之間的古拉陷槽，如圖2(a)所示。在2012年7月10日的持續(xù)強降雨條件下，山體發(fā)生整體滑移?；麦w前緣為陡峻的臨空面，局部垮塌體在雨水及地下水作用下在兩條自然沖溝中形成泥石流，堵塞了坡下孟家溝河道。同時，在后緣陡崖區(qū)形成了一條延伸長度168 m、寬度在5 m～26 m之間的新拉陷槽，如圖2(b)所示。

圖1 滑坡分布圖

圖2 拉陷槽

圖3為滑坡發(fā)生前、后的一個概化剖面圖，滑坡區(qū)位于階梯狀臺梁—窄谷低山區(qū)孟家溝右岸山坡的平臺之上，平臺坡度約7°，坡面平緩且無深溝發(fā)育。斜坡后緣為近直立陡崖，陡崖正對滑坡區(qū)的地勢相對于陡崖兩側要低，形成了良好的匯水條件。坡體前緣受河流下切影響，整體坡度約30°～65°，形成了陡峻的臨空面?；掳l(fā)生前，距離陡崖邊緣約15 m～25 m處的山體上發(fā)育有一條明顯裂縫，張開寬度約20 cm～50 cm，延伸長度約25 m，底部被泥土填充。

平昌縣位于大巴山弧形構造、川東新華夏系構造和儀隴—巴中—平昌蓮花狀構造的復合交接部位，區(qū)域斷裂不發(fā)育，構造形跡以褶皺為主?；鶐r裂隙以構造裂隙為主普遍發(fā)育，縣域內主要有走向300°～330°和30°～60°兩組裂隙與近南北向、近東西向兩組裂隙，呈兩組“X”形態(tài)?；挛挥趦x隴—巴中—平昌蓮花狀構造第二束褶皺群內，地表無褶皺，周邊有鼻狀背斜和穹窿。

滑坡區(qū)出露的地層主要為第四系全新統(tǒng)覆蓋層和基巖，前者包括崩坡積層、滑坡堆積層、泥石流堆積層及沖洪積層；基巖包括侏羅系蓬萊鎮(zhèn)組上段紫紅色泥巖和青灰色泥質粉砂巖，巖層傾角約3°。如圖3所示，地層①為崩坡積層，土質為含碎塊石粉質黏土，廣泛分布于斜坡大部分地帶；②為滑坡堆積層，位于古基巖滑坡區(qū)，主要為粉砂巖的碎塊狀解體物；③為泥巖④為砂巖，兩者呈不等厚互層，以泥巖為主，強風化—中風化，巖體微細單向斜層理、交錯層理常見，節(jié)理裂隙較發(fā)育，裂隙充填物質主要為角礫和粉質黏土。

平昌縣屬四川盆地中亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，夏秋多雨。多年平均降水量1 203.2 mm，一日最大降水量282.2 mm，三日最大降水量352.1 mm?；虑熬壟R孟家溝河，洪水期猛漲猛降，后緣的匯水面積和地形坡向有利于降雨的大量匯集?；聟^(qū)堆積體結構松散，賦水性差，地下水可以形成自由運動的潛水，水力聯系暢通，有統(tǒng)一的地下水位線。泥巖和粉砂巖的富水性不均衡，粉砂巖滲透性好，泥巖滲透性較差構成隔水層，裂隙水是出露基巖地下水的主要類型及賦存形式。

圖3 黑山坡滑坡工程地質剖面圖(單位：m)

2 滑坡變形特征和影響因素

如圖3所示，斜坡結構自上而下依次為裂縫后山體、裂縫前陡崖、古滑坡拉陷槽和前部松散堆積體，這種組合體現了斜坡不同演化階段的地質特征，控制著滑坡發(fā)生的部位和破壞模式。鉆孔資料顯示，古拉陷槽底部連接至古滑坡深部滑動面，滑動面為泥巖頂面?；聟^(qū)內實測基巖產狀為325°∠3°?；轮饕ㄐ律幕鶐r崩滑體(陡崖及后部山體)和古滑坡堆積體兩部分，前者為隔水介質，陡崖滑動面為泥巖和砂巖的交界面，主要受到后緣裂縫側向靜水壓力和滑動面浮托力的作用；后者為透水介質，滑動面為基覆接觸面，主要受到水頭差產生的動水壓力作用。

2.1 變形特征

滑坡邊界特征清晰，后緣以新形成的拉陷槽為界，發(fā)育大量張拉裂縫，變形強度較大?；伦髠群蟛堪l(fā)育6條寬度10 cm～50 cm的羽狀張扭裂縫，延伸長度35 m～80 m?；轮胁恳怨拿浟芽p為主，裂縫頂部張開寬度約20 cm～60 cm，張開程度由前部至后部呈逐漸衰減的趨勢?；掠覀劝l(fā)育4條剪切裂縫，錯移距離為8 cm～50 cm。滑坡前緣10 m范圍內出現大量張拉裂縫，變形強度較弱，局部向臨空面垮塌。

滑坡變形整體上表現為后部陡崖首先崩滑，然后推擠前部堆積體產生滑移。由于古拉陷槽和堆積體的結構松散，產生了明顯的壓縮擠密現象。

2.2 穩(wěn)定性影響因素

邊坡穩(wěn)定性取決于巖土體的強度水平和應力狀態(tài)，控制性因素包括邊坡幾何結構和巖土體成分，并受地質應力、地下水等賦存環(huán)境的影響。該滑坡的演化主要受到風化和地下水的作用，可以排除地震或人為擾動等其它因素的影響。

(1) 風化作用。泥巖和砂巖之間存在風化差異，在積水與否的干濕交替作用下，泥巖會長期處于軟化和泥化狀態(tài)。古滑坡發(fā)生后，古拉陷槽附近的泥巖顆粒逐漸沖刷流失形成凹腔，導致山體在重力作用下向外傾斜變形，并形成卸荷張拉裂縫。根據現場調查，山體下部的部分泥巖已處于強風化甚至全風化狀態(tài)。

(2) 地下水物理作用?；挛挥谄骄彽钠脚_之上，后緣外圍山體陡峻且具有中間低、兩側高的地貌形態(tài)，雨水容易迅速匯集，流入滑坡區(qū)后緣。由于地表無縱向深溝切割，且堆積體結構松散，匯聚到古拉陷槽的雨水和地表水容易滲入到堆積體內部。下伏的泥巖為相對的隔水層，因此堆積體在降雨時會處于長時間的飽和狀態(tài)，浸泡軟化導致其力學強度降低。

(3) 靜水壓力作用。降雨條件下，陡崖后緣裂縫充水產生的靜水壓力會對陡崖產生較大的側向推動作用?；瑒用嬖诨掳l(fā)生前基本閉合，滑坡啟動之后裂縫積水沿貫通的結構面形成連續(xù)的向下滲流時，才會對在滑動面起到有效的浮托作用。由滑坡變形特征可知，堆積體內的動水壓力僅對滑坡前緣局部滑塌有一定促發(fā)作用。因此，裂縫靜水壓力是該滑坡穩(wěn)定性分析的關鍵因素，是滑坡啟動的控制性條件。

根據公式(1)確定陡崖的臨界水頭高度為50.3 m，陡崖后緣裂縫高度約64 m，滿足平推啟動條件。

(1)

式中：α為滑移面傾角，(°)；L為陡崖底面長度，m；φ為滑動面摩擦角，(°)；不考慮黏聚力；W為陡崖單位寬度重力，kN/m；γw為水的重度，kN/m3。

3 有限差分數值計算

3.1 模型與方法

(1) 計算模型。根據圖3所示剖面按1∶1比例建立厚度為15m的計算模型，模型四周設置為滾支邊界，底面為固定邊界，坡面為自由邊界。巖土體屈服條件采用Mohr-Coulomb準則，物理力學參數根據室內試驗和數值反演綜合確定，如表1所示。堆積層主要由崩滑流物質經過重力沉積形成，陡崖構造應力由于張拉裂縫發(fā)育已基本松弛殆盡，因此僅考慮自重應力。在堆積層、陡崖底部和下伏基巖頂部之間建立基于Mohr-Coulomb準則的接觸面單元，強度取值與力學指標較低的接觸地層相同，以模擬錯動滑移。

表1 巖土材料參數

(2) 靜水壓力模擬方法。在計算中，基于FISH語言編制三角形水平推力分布圖式，引入靜水壓力作用。在滑坡啟動之前滑動面呈閉合狀態(tài)，不連續(xù)水流無法起到有效的浮托作用，因此僅考慮陡崖后緣的側面靜水壓力作用。

裂縫水位受降雨量、匯水和排水條件的多重影響，滑坡啟動后排水條件會隨時發(fā)生改變，因此裂縫水位具有不確定性?？辈毂砻?，滑坡后滑動面已破碎張開，因此假設裂縫側面靜水壓力具有間歇性，裂縫積水會隨著陡崖的滑移而迅速排干，之后隨著滑動面淤積封堵和雨水繼續(xù)匯集再次達到臨界高度。每當滑移停止后，根據陡崖后緣殘余高度再施加相應圖式的壓力，直至不再產生新的位移。

3.2 計算結果分析

(1) 位移場。在陡崖后側頂部和古拉陷槽的前、后部布置3個水平位移監(jiān)測點，分別為M1、M2、M3。計算結果如圖4所示，3個監(jiān)測點量值的大小關系為M1>M2>M3，表現為明顯的推移滑動特征。在第1、2次滑動時，M2和M3的累積位移差值逐漸增大，說明古拉陷槽產生了壓縮變形；隨著逐步密實，第3次滑移之后M2和M3的位移累積速度開始保持一致。在每次滑動過程中，當裂縫水位高度達到臨界高度時陡崖啟動滑移，由于滑動面的摩阻作用，初始階段的變形速度較慢；當滑動面強度降低至動摩擦強度后，陡崖進入快速滑動階段；之后，由于裂縫水位下降等原因，滑坡開始制動進入緩慢的蠕動變形階段，并最后終止。由于具有間歇式的水力特征，滑坡的啟動、加速滑動、蠕動變形及停止呈交替循環(huán)的過程，表現為間歇式的短距離滑動。后期滑動過程中，M1和M2的位移差值呈逐漸增大趨勢，這是因為在陡崖向前滑移的同時，其后緣還存在逆向崩塌現象。第6次施加荷載后，計算很快收斂，說明此時陡崖后緣高度已低于臨界水頭高度或靜水壓力無法克服陡崖前部堆積體的阻擋作用。

圖4 監(jiān)測點水平位移曲線

計算過程中，裂縫后部巖體松動后向前崩滑，并形成了傾斜的平直滑動面；陡崖整體向前擴離，同時兩側伴隨有崩滑現象；前緣堆積體的變形相對較小，整體表現為從陡崖后部至前緣逐漸減弱的趨勢，如圖5所示。古拉陷槽內堆積體沿滑動方向壓縮，對陡崖具有削能減速作用，因此該滑坡的制動機制為裂縫靜水壓力消散、古拉陷槽壓縮削能以及附近起伏地形約束的綜合作用。數值計算的斜坡殘留形態(tài)與圖3中滑坡后地面線基本一致，準確地模擬了斜坡各部位的位移和變形特征。但是，由于假設巖土體為連續(xù)材料，未能反映出山體局部崩塌的變形和動力行為。

(2) 應力場。由于裂縫靜水壓力的間歇性特征，巖體處于循環(huán)的側向加、卸載狀態(tài)。在滑坡第一次啟動的滑移階段，后緣裂縫和滑動面附近出現應力集中現象。之后，由于滑坡幾何形態(tài)和變形累計引起的應力分異效應，后部山體和陡崖表層一定深度范圍內巖體的大主應力跡線偏轉并逐漸減小，形成了一定深度的應力降低帶。隨著巖體應力松弛后的破裂滑移，山體和陡崖應力場的分布規(guī)律被持續(xù)擾動，最后呈紊亂狀態(tài)，如圖6所示。

圖5 滑坡Y=7.5剖面合位移場(單位:m)

圖6 滑坡Y=7.5剖面大主應力場(單位:MPa)

(3) 應變場。計算開始后，底部泥巖在山體重力和裂縫靜水壓力作用下產生塑性擠壓，剪切應變首先出現在裂縫的尖滅位置，并沿滑動面形成剪性和張性破裂區(qū)，最終擴展貫通至古拉陷槽附近。后部山體應力調整引起平行坡面的壓致拉裂面，并逐步向深部擴展，最終形成崩滑。古拉陷槽結構松散，陡崖的崩滑動能經古拉陷槽吸收后，對前部堆積層的推移作用減弱，滑動面剪切應變逐漸減小，如圖7所示。

圖7 滑坡Y=7.5剖面剪切應變場

根據斜坡位移場、應力場和應變場的發(fā)展過程及變化特征，判斷靜水壓力環(huán)境控制著滑坡的啟動和發(fā)展，新生基巖崩滑體變形破壞的地質力學模式為滑移-壓致拉裂型，整體為新生基巖崩滑和古滑坡堆積層推移的復合平推式滑坡。

4 滑坡演化全過程

結合地質綜合分析和數值計算結果，可以將該滑坡的變形演化全過程劃分為以下3個階段：

(1) 第一階段滑坡孕育期。由于山體下部泥巖層的風化效應比砂巖嚴重，上部層體在重力作用下向臨空方向傾斜。當砂巖拉應力大于抗拉強度時，一部分山體從母巖中逐步分離出來形成了陡崖。在各種地質因素綜合作用下，陡崖后緣逐漸形成了貫通的卸荷張拉裂縫，在地質和自然環(huán)境的作用下其深度和寬度不斷擴大。

(2) 第二階段滑坡發(fā)生期。當裂縫水位達到陡崖平推臨界水頭高度時，底部結構面在靜水壓力推動作用下剪張破裂，陡崖形成新生的基巖平推滑坡，伴隨后部山體及陡崖兩側的崩滑。陡崖推壓古拉陷槽及前部堆積層，導致了古滑坡的復活?；聠雍?，裂縫水位降低導致后緣靜水壓力及滑動面揚壓力降低，同時由于古滑坡堆積體壓縮變形的削能作用，新生基巖滑坡的動能逐漸消耗降低，從而進入減速狀態(tài)，最終停止。當裂縫水位再次升高至臨界水頭高度時，滑坡會再次啟動。如此循環(huán)往復，漸進累積至災變，并形成了新的拉陷槽。

(3) 第三階段滑坡終止期。陡崖崩滑后高度逐漸降低，當新拉陷槽高度低于臨界水頭高度時，滑坡無法再次啟動。在未來，新拉陷槽后部的山體會按第一、二階段的發(fā)展過程形成新的基巖滑坡。

該滑坡演化全過程可具體歸納為：近水平地層斜坡體→風化作用形成卸荷張拉裂縫→降雨入滲→充水飽和、強度衰減→裂縫擴展→裂縫充水的靜水壓力作用→陡崖崩滑啟動→陡崖底部浮托力作用→古滑坡堆積體滑移啟動→滑動加速→水頭逐漸降低→滑坡整體減速蠕動→滑坡終止。由于裂縫靜水壓力作用的間歇性，滑坡不具備整體持續(xù)滑移的條件，主要表現為不連續(xù)的短距離滑移，滑動過程可持續(xù)數小時、數天甚至更長時間。

5 關于此類滑坡的一些建議

對于近水平地層滑坡的預測預報和防災減災工作，應注意以下幾點：(1) 山體裂縫的出現說明滑坡已經開始蠕動，應立刻統(tǒng)計其延伸長度、張開狀態(tài)及深度，通過地質調查預測成災的可能性和影響范圍。(2) 計算滑坡啟動臨界水頭高度時，應根據潛在滑動面的破碎或張開程度，確定是否考慮滑動面浮托力和強度劣化的影響。(3) 地下水在斜坡中的賦存和運動形式不同，會表現出不同的力學狀態(tài)，因此在計算中應首先明確水力作用類型。(4) 采取科學的地質體改造措施可以有效預防滑坡的孕育和發(fā)展，一是對裂縫進行封堵和截排水；二是并對坡面噴射混凝土和深層泥巖防護處理，從而阻止差異風化導致重力張拉效應。(5) 該類滑坡是典型的降雨誘發(fā)型地質災害，在雨季應加強監(jiān)測，及時預警。

6 結 論

(1) 巖層差異分化和地下水作用是近水平地層滑坡演化的主要地質動力。在砂泥巖風化程度不同和重力的作用下，一部分山體從母巖中剝離出來，形成卸荷張拉裂縫和陡崖，構成了基巖滑坡基本的地質條件和物質來源。斜坡周圍的地形有利于降雨匯集，地下水一方面劣化巖土體物理力學性質；另一方面在裂縫和滑動面產生靜水壓力，通過改變斜坡力學環(huán)境推動滑坡的持續(xù)演化和發(fā)生。

(2) 滑坡的運動學特征整體上表現為間歇式的平推滑動，伴隨有后部山體和陡崖兩側的崩滑。啟動機制為靜水壓力作用，制動機制為靜水壓力消散和古拉陷槽壓縮削能的綜合作用?；鶐r崩滑體的應力場先是在裂縫和滑動面附近集中分布，之后逐漸擾動至紊亂狀態(tài)，破壞的地質力學模式為滑移-壓致拉裂型。該滑坡為基巖崩滑和堆積層推移的復合平推式滑坡，演化全過程可概括為：近水平地層斜坡→卸荷張拉裂縫→裂縫擴展→靜水壓力作用→滑坡啟動→加速滑動→蠕動變形→滑坡終止。

(3) 建議將預測預報和積極防治相結合，根據地質條件進行超前預報，包括成災的可能性和范圍；通過地質體改造和支護進行超前防治?；屡R界水頭高度的影響因素不僅包括后緣裂縫的側向靜水壓力，還應根據滑動面的發(fā)育狀態(tài)確定是否考慮地下水的浮托力作用和力學參數的折減程度。

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Sliding Mechanism and Evolutionary Process of Translational Landslide

LI Baoyin1, FAN Xiaoyi2

(1.MunicipalEngineeringQualityofJi'nanSupervisionStation,Ji'nan,Shandong250012,China;2.ReferenceofTai'anSeismicStation,Tai'an,Shandong271000,China)

To study the sliding mechanism and evolutionary process of the Translational landslides, this paper takes the Heishanpo Landslide as an example. Combining with the theory and method of engineering geology and rock and soil mechanics, it analyzed the correlation between slope stability and influencing factors. The body of the landslide mainly includes the bedrock mountain and the ancient landslide of the accumulation layer. The kinematical characteristics of landslide are simulated by finite difference method. The landslide is judged for a composite translational landslide consisted of the new rock hill and ancient deposits. And the different weathering extent between strata and hydraulic function of groundwater are the main driving forces for the evolution of landslide. In addition, aiming at the existing problems in current research and practice, some valuable suggestions are proposed including the previous identification, early warning and crisis forecast, controlling measures and so on.

strata nearly horizontal; landslide; deformation characteristics; evolutionary process

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.02.041

2016-11-29

2017-01-05

李寶銀(1987—)，男，山東泰安人，碩士，助理工程師，主要從事工程質量監(jiān)督方面的工作。 E-mail: yinbaoli1987@163.com

P642.22

A

1672—1144(2017)02—0213—06