楊 玲，張柳金，吳青波

1.四川三河職業(yè)學(xué)院，四川 瀘州646200；2.貴州正業(yè)工程技術(shù)投資有限公司，貴州 貴陽(yáng)550000

0 引言

紅層發(fā)育于三疊紀(jì)—古近紀(jì)的地層中，受所含礦物影響而呈現(xiàn)出紅褐色、紅棕色、紫紅色.紅層泥巖力學(xué)強(qiáng)度低，遇水易軟化崩解，抗風(fēng)化能力弱，在紅層區(qū)常常因?yàn)榻涤旰竽鄮r強(qiáng)度的損傷弱化而發(fā)生滑坡，如都江堰三溪村滑坡、三峽庫(kù)區(qū)千將坪滑坡.在每年雨季期，我國(guó)西南紅層區(qū)均會(huì)出現(xiàn)大量紅層滑坡，局部地區(qū)還表現(xiàn)出群發(fā)特征，對(duì)災(zāi)區(qū)居民生命財(cái)產(chǎn)、道路交通、電力設(shè)施等造成極大困擾，基于紅層物理力學(xué)特性、斜坡結(jié)構(gòu)以及降雨等條件的紅層滑坡災(zāi)害在未來(lái)一段時(shí)期內(nèi)仍將持續(xù)存在.因此，針對(duì)典型紅層滑坡的研究仍然是必要的，可為大環(huán)境下的小區(qū)域紅層滑坡防治提供更為精準(zhǔn)的指導(dǎo).

目前有關(guān)紅層滑坡的研究成果已經(jīng)頗為豐富.順坡向、緩傾角的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，加之軟硬相間的巖性組合，構(gòu)成紅層滑坡的成災(zāi)地質(zhì)條件，降雨則是主要誘發(fā)因素［1］.在構(gòu)造影響帶，紅層砂泥巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體結(jié)構(gòu)破碎，為地表水下滲提供通道，并且在未貫通深大裂隙內(nèi)形成高靜水壓力，從而引發(fā)平推式滑坡［2-3］.吳紅剛等［4］通過(guò)地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)河谷下切、雨水浸潤(rùn)是紅層滑坡的重要推動(dòng)因素，并總結(jié)出高原紅層滑坡的變形機(jī)制模式.肖欣宏等［5］通過(guò)壓縮蠕變?cè)囼?yàn)揭示了紅層軟巖在破裂應(yīng)力水平之前的黏彈性特征，采用Burgers模型和非線性黏彈塑性模型準(zhǔn)確描述出軟巖在真實(shí)水環(huán)境下3個(gè)蠕變階段的力學(xué)特性.謝吉尊等［6］發(fā)現(xiàn)飽水后泥巖應(yīng)力－應(yīng)變曲線形態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變，并從能量角度分析出泥巖變形特征及力學(xué)損傷機(jī)制.孫怡等［7］在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)自然風(fēng)干、加熱風(fēng)干試樣變形差異顯著，提出類(lèi)Kelvin膨脹及收縮模型，其干濕循環(huán)試驗(yàn)成果與鄧華鋒等［8］所得結(jié)果具有一致性.針對(duì)具體紅層邊坡或滑坡案例，葉世斌［9］、邱恩喜等［10］調(diào)查統(tǒng)計(jì)得出紅層邊坡結(jié)構(gòu)模型，驗(yàn)證了數(shù)值模擬分析評(píng)價(jià)紅層邊坡穩(wěn)定性的可靠性.楊旭等［11］通過(guò)構(gòu)建紅層邊坡相似模型，得出不同降雨強(qiáng)度下斜坡災(zāi)變過(guò)程及規(guī)律.李江等［12］總結(jié)川東紅層區(qū)降雨模式，歸納出蠕滑-拉裂型、平推-滑移型紅層滑坡破壞模式.對(duì)于紅層滑坡成災(zāi)機(jī)理的解釋?zhuān)饕w現(xiàn)在巖體自身的物理性質(zhì).紅層泥巖富含黏土礦物，遇水后礦物發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，從而反映在力學(xué)特征上［13-14］，而工程開(kāi)挖造成斜坡應(yīng)力環(huán)境變化，并產(chǎn)生良好臨空條件這一因素成為滑坡發(fā)生的前提［15-17］；此外，地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境對(duì)于紅層軟巖的影響顯著，紅層區(qū)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)巖體結(jié)構(gòu)造成極大損傷，有利于地表水下滲［18-19］.幸新涪等［20］通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)泥巖飽和后軟化系數(shù)達(dá)0.71，飽水時(shí)間越長(zhǎng)，黏土礦物顆粒與孔隙水作用，導(dǎo)致水膜增厚，其模量降幅越大，并且抗變形能力減弱.遇水后，泥巖內(nèi)的微孔隙結(jié)構(gòu)及其吸附效應(yīng)，是巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)體系受損的關(guān)鍵［21］.

有關(guān)紅層滑坡的課題研究已經(jīng)進(jìn)行幾十年，已然取得不少公認(rèn)的成果理論，但多數(shù)研究均以某一點(diǎn)為研究對(duì)象，部分研究成果能否推而論之尚無(wú)定論，并且對(duì)于植被茂盛的紅層區(qū)淺層滑坡研究偏少.筆者以貴州省習(xí)水縣二期項(xiàng)目紅層邊坡為例，還原斜坡原始結(jié)構(gòu)，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬，總結(jié)泥巖降雨強(qiáng)度弱化特征及規(guī)律，分析降雨條件下成災(zāi)機(jī)理，為地方紅層滑坡災(zāi)害防治提供指導(dǎo).

1 滑坡基本特征

1.1 滑坡區(qū)地質(zhì)環(huán)境背景

研究區(qū)位于貴州省習(xí)水縣，屬于構(gòu)造剝蝕低中山地貌，地形起伏較大，地表高程為1 176～1 250 m.斜坡為上土下巖的混合結(jié)構(gòu).覆蓋層主要為殘坡積粉質(zhì)黏土夾少量角礫（Q4el＋dl），紅褐色、棕色，結(jié)構(gòu)松散，滲透性較好，天然含水率介于8%～15%，厚度2～3 m；下伏基巖為三疊系夜郎組泥巖（T1y），褐紅色、紫紅色，薄—中厚層狀，巖層產(chǎn)狀6°∠22°，主要發(fā)育兩組節(jié)理：1）170°∠87°，起伏粗糙程度為平直光滑，張開(kāi)度小于3 mm，節(jié)理間為泥夾巖屑充填，延伸長(zhǎng)度3～5 m，節(jié)理平均間距在0.4～1 m之間，綜合判定結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度為結(jié)合很差；2）產(chǎn)狀為272°∠82°，起伏粗糙程度為平直光滑，張開(kāi)度小于3 mm，節(jié)理間為泥夾巖屑充填，延伸長(zhǎng)度3～5 m，節(jié)理平均間距在0.4～1 m之間，綜合判定結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度為結(jié)合很差.泥巖層面起伏粗糙程度為平直光滑，張開(kāi)度小于3 mm，延伸長(zhǎng)度大于20 m，節(jié)理平均間距在0.4～1 m之間，無(wú)充填，泥質(zhì)膠結(jié)結(jié)合很差.

由于該地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫14.7℃，終年溫涼濕潤(rùn)，冬無(wú)嚴(yán)寒，夏無(wú)酷暑，氣候宜人，年均降水量可達(dá)1 200 mm，年均日照1 146.9 h.冬季、秋末、春初，受西伯利亞南下冷空氣影響，風(fēng)向多為偏北風(fēng)，因地貌復(fù)雜多變，地面風(fēng)主要是東北風(fēng)，從春末至夏季，西太平洋暖濕氣流北向西伸，南下冷空氣變暖減弱，主要風(fēng)向?yàn)槠巷L(fēng)或東南風(fēng).年平均相對(duì)濕度在82%左右，年平均蒸發(fā)量1 150 mm.

區(qū)域地質(zhì)資料及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查顯示，滑坡區(qū)及附近區(qū)域無(wú)構(gòu)造斷裂發(fā)育，場(chǎng)地巖層呈單斜構(gòu)造，地震動(dòng)峰值加速度值為0.05 g.地下水主要可分為松散堆積層孔隙水和基巖裂隙水，均以大氣降雨補(bǔ)給為主.

1.2 滑坡變形破壞特征

該滑坡主滑方向?yàn)?4°，坡體后緣較為陡峭，坡度可達(dá)40°，坡度從后緣到前緣由陡逐漸變緩.滑坡平面形態(tài)近“舌狀”，前緣高程為1 183 m，后緣高程為1 238 m，相對(duì)高差約45 m.滑坡斜長(zhǎng)138 m，寬約63 m，面積0.87×104m2，滑體厚度13～19 m，體積約13.92×104m3，屬于中型順層巖質(zhì)滑坡（圖1、2）.2019年6月的強(qiáng)降雨導(dǎo)致滑坡災(zāi)害發(fā)生，損毀房屋一幢，未造成人員傷亡.

圖1 滑坡全貌影像特征Fig.1 Remote sensing image of landslide panorama

圖2 滑坡工程地質(zhì)剖面圖（A－A′）Fig.2 Engineering geological profile of landslide

滑坡平面形態(tài)較規(guī)則，為圈椅狀地形，周界特征明顯，左右兩側(cè)及后緣邊界仍然清晰可見(jiàn).滑坡后緣以陡壁為界，在平面上呈現(xiàn)一定的起伏，坡體滑動(dòng)形成高約5～8 m的光滑新鮮陡壁，坡度陡峭，平均坡度約40～55°，局部近直立.兩側(cè)邊界均由剪切下錯(cuò)陡坎和剪切破碎帶組成，高約1～2 m，陡壁近直立，在滑坡中后緣部位表現(xiàn)為下錯(cuò)陡坎，前緣表現(xiàn)為破碎帶.滑坡前緣剪出口至開(kāi)挖建房平臺(tái)，坡體失穩(wěn)后剪出口兩側(cè)仍可見(jiàn)基巖出露（圖3a），堆積前緣位于坡腳農(nóng)田.

坡體失穩(wěn)后大量滑坡物質(zhì)向下運(yùn)移，堆積于坡腳，滑坡體的下滑推力造成滑坡前緣房屋嚴(yán)重?fù)p毀.與此同時(shí)，房屋也提供一定的抗滑力，導(dǎo)致房屋后方滑坡體物質(zhì)運(yùn)動(dòng)距離較近，主要堆積于房屋后方開(kāi)挖平臺(tái)，并且部分滑體物質(zhì)仍殘留于滑床之上（圖3b）.靠近滑坡左側(cè)邊界，滑坡前緣無(wú)建筑物阻擋，其運(yùn)動(dòng)距離最大，覆蓋農(nóng)田，最大運(yùn)動(dòng)距離可達(dá)60 m.

圖3 滑坡體特征Fig.3 Characteristics of landslide mass

2 泥巖力學(xué)特性試驗(yàn)研究

由于該斜坡屬于順向坡，第四系覆蓋層厚度較薄，下伏基巖因風(fēng)化、構(gòu)造等作用節(jié)理裂隙較為發(fā)育，為地表水下滲提供條件的同時(shí)弱化巖體力學(xué)強(qiáng)度.該滑坡屬于典型降雨型順層滑坡.結(jié)合坡體巖土體特性，取現(xiàn)場(chǎng)完整泥巖塊與含節(jié)理泥巖進(jìn)行天然、飽水強(qiáng)度測(cè)試.試驗(yàn)選用攜帶式巖石力學(xué)多功能試驗(yàn)儀，將試樣固定于上下兩個(gè)水泥塊之間，法向應(yīng)力為1 MPa、2 MPa、3 MPa，通過(guò)水平推剪使其破壞，剪切過(guò)程為等速剪切.

試驗(yàn)得出完整泥巖塊與含節(jié)理巖體的剪應(yīng)力－剪切位移曲線，見(jiàn)圖4.可以看出，隨著法向應(yīng)力增加，兩種試樣的剪應(yīng)力均逐漸增大，并出現(xiàn)峰值，隨后快速回落，呈現(xiàn)出應(yīng)變軟化特征.對(duì)比同一試樣，天然、飽水后剪應(yīng)力特征變化顯著，相同法向應(yīng)力條件下，天然試樣剪應(yīng)力高于飽和試樣，可見(jiàn)水對(duì)泥巖力學(xué)強(qiáng)度影響顯著.與此同時(shí)，對(duì)比兩種試樣，相同應(yīng)力環(huán)境下含節(jié)理泥巖力學(xué)強(qiáng)度遠(yuǎn)低于完整泥巖，反映出巖體內(nèi)的節(jié)理裂隙能極大減弱泥巖的力學(xué)強(qiáng)度，最大降幅可達(dá)61.9%.

圖4 巖石剪應(yīng)力－剪切位移曲線Fig.4 Shear stress－displacement curves of rocks

根據(jù)曲線特征，可將試驗(yàn)過(guò)程分為彈性階段、塑性屈服階段、破壞后摩擦階段.完整泥巖在彈性階段具有可恢復(fù)性，而含節(jié)理泥巖彈性階段過(guò)程短，該過(guò)程在節(jié)理裂隙的壓密基礎(chǔ)上進(jìn)行.

以峰值剪應(yīng)力τ、法向應(yīng)力σ建立直角坐標(biāo)，采用最小二乘法擬合求出τ－σ線性關(guān)系曲線，見(jiàn)圖5.完整泥巖內(nèi)聚力C為610 kPa，內(nèi)摩擦角φ為42.3°，飽水后內(nèi)聚力C為540 kPa，內(nèi)摩擦角φ為37.6°，降幅分別為10.9%、11.1%；含節(jié)理泥巖內(nèi)聚力C為140 kPa，內(nèi)摩擦角φ為20.8°，飽水后內(nèi)聚力C為110 kPa，內(nèi)摩擦角φ為17.8°，降幅分別為21.4%、14.4%.天然條件下，節(jié)理的發(fā)育使泥巖力學(xué)強(qiáng)度大幅度降低，內(nèi)聚力C降低77%，內(nèi)摩擦角φ降低50.8%，疊加水的影響后，內(nèi)聚力C可降低82%，內(nèi)摩擦角φ可降低57.9%.由于紅層泥巖中富含黏土礦物，遇水易發(fā)生膨脹，弱化泥巖力學(xué)強(qiáng)度，節(jié)理的發(fā)育使巖體完整性遭受破壞，尤其體現(xiàn)在泥巖的內(nèi)聚力值，相同條件下，節(jié)理的出現(xiàn)將加速泥巖遇水后強(qiáng)度的弱化衰減，這對(duì)于紅層邊坡穩(wěn)定性極為不利.

圖5 抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.5 Relation curves of shear strength and normal stress

3 降雨條件下滑坡形成機(jī)理分析

以A－A′剖面為基礎(chǔ)，還原斜坡原始結(jié)構(gòu)，采用GEO－studio軟件中seep/w模塊建立降雨滲流場(chǎng)分析模型（圖6）.模型材料分為殘坡積層、強(qiáng)風(fēng)化層、中風(fēng)化層.殘坡積層、強(qiáng)風(fēng)化層考慮為飽和/非飽和材料，其土水特征曲線（SWCC）見(jiàn)圖7.模型降雨邊界條件為3 mm/h，持續(xù)降雨6 h；模型中設(shè)定4處孔隙水壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)：J1、J2、J3、J4（圖6）.

圖6 計(jì)算模型Fig.6 Calculation model

圖7 殘坡積層、強(qiáng)風(fēng)化層SWCC曲線Fig.7 SWCCs of residual slope sediment and intensely-weathered layer

通過(guò)模擬分析獲得原始斜坡在0～6 h不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)滲流場(chǎng)特征，0.5 h、3 h、6 h滲流場(chǎng)特征見(jiàn)圖8.降雨持續(xù)0.5 h時(shí)，雨水下滲穿過(guò)殘坡積層，逐漸進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化層，受重力勢(shì)能影響，下滲孔隙水沿粒見(jiàn)孔隙、節(jié)理裂隙向開(kāi)挖斷面及坡腳匯集，殘坡積層滲透性較好，其滲流特征最為明顯；在此階段，降雨下滲后尚未補(bǔ)給至地下潛水，地下水位線未發(fā)生明顯變化.至3 h時(shí)，降雨下滲量不斷增大，坡體內(nèi)孔隙水仍然呈現(xiàn)出向開(kāi)挖斷面及坡腳滲流的趨勢(shì)，在強(qiáng)/中風(fēng)化界面附近，滲透性差異導(dǎo)致形成不連續(xù)飽和區(qū)，呈帶狀分布，并且主要集中靠近開(kāi)挖斷面附近，而開(kāi)挖平臺(tái)下方的地下水水位線開(kāi)始出現(xiàn)抬升凸起，降雨下滲補(bǔ)給產(chǎn)生的地下水位影響逐漸出現(xiàn).降雨6 h后，模型滲流場(chǎng)特征變化最為明顯，不連續(xù)飽和區(qū)范圍連通并擴(kuò)大，在開(kāi)挖斷面附近呈現(xiàn)出較大范圍的飽和區(qū)，并向上方呈尖滅特征減小，分布于強(qiáng)/中風(fēng)化層界線.總體而言，殘坡積層、強(qiáng)風(fēng)化層滲透性強(qiáng)于中風(fēng)化層，降雨作用影響下滲流場(chǎng)變化程度更甚，在重力勢(shì)能作用下向低勢(shì)區(qū)匯集，開(kāi)挖區(qū)成為地下水主要滲流集中區(qū).

圖8 降雨條件下滲流場(chǎng)變化特征Fig.8 Variation characteristics of seepage field by rainfall conditions

從監(jiān)測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力變化趨勢(shì)來(lái)看（圖9），靠近開(kāi)挖斷面內(nèi)側(cè)的J1點(diǎn)隨著降雨進(jìn)行，孔隙水壓力由－15 kPa逐漸增大至16.9 kPa，由非飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)為飽和狀態(tài)；其余3處監(jiān)測(cè)點(diǎn)的孔隙水壓力一直為負(fù)值，即非飽和狀態(tài)，但隨著降雨的持續(xù)，孔隙水壓力不斷增大，最高可達(dá)－3.5 kPa，反映出降雨下滲后坡體內(nèi)部含水率升高，由于重力勢(shì)能影響，孔隙水向下運(yùn)移，在坡體中上部未能形成飽和區(qū)，然而含水率的提升仍使巖土體的孔隙水壓力增大，基質(zhì)吸力逐漸減小.對(duì)比J2、J3、J4監(jiān)測(cè)點(diǎn)，雖均處于非飽和狀態(tài)，但越靠近開(kāi)挖區(qū)，孔隙水壓力變幅越大，最頂部的J4孔隙水壓力變幅最弱.由上至下，孔隙水壓力呈現(xiàn)規(guī)律性變化，其取決于巖土體材料滲透性的差異、重力勢(shì)能及工程開(kāi)挖等因素.

圖9 監(jiān)測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力變化趨勢(shì)Fig.9 Variation trends of pore water pressure at monitoring points

結(jié)合模擬分析結(jié)果及前期調(diào)查成果，可以看出滑坡的形成受控于巖土體物理力學(xué)性質(zhì)、降雨、開(kāi)挖及地形等因素.泥巖強(qiáng)風(fēng)化層發(fā)育的節(jié)理裂隙以及殘坡積層松散的骨架結(jié)構(gòu)是孔隙水流通的內(nèi)部條件；地形則為孔隙水的運(yùn)移提供勢(shì)能，是其驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力；建房開(kāi)挖破壞原有斜坡結(jié)構(gòu)，改變坡體滲流路徑，是造成孔隙水運(yùn)移、局部匯集的主要因素；降雨是滑坡發(fā)生的主要誘發(fā)因素，其起到2個(gè)作用，一方面降雨下滲軟化、泥化巖土體，降低巖土體力學(xué)強(qiáng)度，尤其是開(kāi)挖區(qū)，另一方面則在坡體內(nèi)形成孔隙水壓力，增大下滑推力，對(duì)坡體的變形起到促進(jìn)作用.由此可見(jiàn)，滑坡的形成是多種因素綜合所致，巖土體物理力學(xué)性質(zhì)、地形條件下的重力勢(shì)能是滑坡啟動(dòng)的內(nèi)在因素，但不具備誘發(fā)滑坡的能力，坡體開(kāi)挖為滑坡的發(fā)生創(chuàng)造了良好的臨空條件，并且改變滲流路徑，降雨是滑坡的控制因素，將諸多因素的影響效應(yīng)放大，成為滑坡發(fā)生的關(guān)鍵.

4 結(jié)論

（1）節(jié)理裂隙、飽水對(duì)泥巖強(qiáng)度構(gòu)成顯著影響，節(jié)理裂隙的發(fā)展是天然泥巖內(nèi)聚力降低77%，內(nèi)摩擦角降低50.8%，飽水使完整泥巖內(nèi)聚力降低10.9%，內(nèi)摩擦角降低11.1%，使含節(jié)理泥巖內(nèi)聚力降低21.4%，內(nèi)摩擦角降低14.4%，節(jié)理裂隙、飽水綜合作用可使泥巖內(nèi)聚力降低82%，內(nèi)摩擦角降低57.9%，影響最甚.節(jié)理裂隙的發(fā)育是泥巖強(qiáng)度弱化的主要因素，水的作用將加劇泥巖強(qiáng)度衰減.

（2）降雨作用下原始斜坡滲流場(chǎng)變化特征明顯，隨著降雨的持續(xù)在強(qiáng)/中風(fēng)化層界面逐漸形成連續(xù)飽和帶，并且在開(kāi)挖斷面附近形成較大的飽和區(qū).所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力均呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，開(kāi)挖區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處由非飽和逐漸變?yōu)轱柡?，其余點(diǎn)均處于非飽和狀態(tài)，但隨著高程增大，孔隙水壓力變幅逐漸減弱.

（3）滑坡的形成是降雨、地形、開(kāi)挖、巖土體物理力學(xué)性質(zhì)綜合所致，開(kāi)挖為滑坡的發(fā)生提供臨空條件，地形、巖土體物理力學(xué)性質(zhì)是滑坡發(fā)生的內(nèi)部因素，降雨是滑坡的控制因素，是誘發(fā)滑坡的關(guān)鍵.