李偉，劉安莉，夏金龍，董小豪

(貴州省有色金屬和核工業(yè)地質勘查局七總隊，貴陽 550005)

自20世紀以來約50%的災難性滑坡是工程活動直接誘發(fā)所致[1]，人類活動直接或間接誘發(fā)滑坡發(fā)生的頻率呈增加趨勢，對人民的生命財產安全構成嚴重威脅。研究該類滑坡的發(fā)育特征、演化過程和致災模式可以有效減緩工程誘發(fā)滑坡的災害損失。線性基礎設施工程滑坡是涉及地質環(huán)境條件和形成機制最為復雜的類型，是地震、不良地質環(huán)境、大氣降雨、地形地貌和人類工程活動共同影響的結果。其中順向坡是工程活動引發(fā)問題最多[2]、給人民生命財產造成危害最大的一類斜坡。目前國內對復合型滑坡的研究，集中在穩(wěn)定性分析及治理、黃土類滑坡等方面，涉及工程活動引發(fā)的泥巖順層復合滑坡成因機理和致災模式研究甚少。本文在貴州德江小尖山大型滑坡災害野外調查的基礎上，分析了其災害特征、成因和演化特征，運用有限元軟件AUI8.5建立坡體應力模型，對引發(fā)滑坡產生的主要因素——工程開挖前后進行應力模擬分析，研究工程開挖對順層邊坡從穩(wěn)定到發(fā)生變形破壞的“牽引-推移”式復合型滑坡致災模式，以期對此類災害的深入研究及治理起到借鑒參考作用。

1 滑坡區(qū)地質環(huán)境條件

德江地區(qū)大地構造位置屬上揚子地塊黔北臺隆遵義斷拱-鳳岡SN向隔槽式褶皺變形區(qū)[3，4]五級構造單元東段，經歷了武陵構造旋回期、加里東期、燕山-喜馬拉雅運動期等多次地質構造的影響，地質構造較復雜，褶皺及斷裂構造發(fā)育，形成燕山運動單斜構造區(qū)，以復式背、向斜為主，北北東向和北東向多字型構造為基本格架，并穿插南北向構造線。

研究區(qū)地處云貴高原北東部波狀起伏斜緩坡面上的婁山山系與武陵山山系過渡帶，地勢西北部高、東部低，出露寒武系、奧陶系和志留系地層。寒武系、奧陶系巖性以白云巖、灰?guī)r為主，志留系以頁巖為主。小尖山所屬的荊角鄉(xiāng)屬于過渡帶上的低山區(qū)(海拔500～1 000 m)，以侵蝕沖刷溝谷地貌為主、溶蝕地貌為輔，“Ⅴ”字型溝谷、樹枝狀水系發(fā)育，河谷切深較淺，脊狀厚層砂巖常形成陡坎或陡崖。研究區(qū)地震烈度為Ⅵ度，動峰值加速度為0.05 g，動反應譜特征周期為0.35 s。

2 滑坡特征

小尖山滑坡位于德江縣北部烏江水系二級支流楊干河東側，距烏江東岸約14.5 km，S303省道從坡腳穿過，灌木、喬木等次生植被發(fā)育。為山腰邊坡開挖引發(fā)的坡體滑動，開挖前坡體后緣位置局部已有橫向張拉裂縫。根據(jù)滑坡分區(qū)估算，滑坡區(qū)兩側存在約8.4×106m3的潛在滑坡隱患，具有與滑坡區(qū)相似的工程地質條件，不排除在一定的強降雨條件或其他因素誘發(fā)下，產生局部或整體復活的可能性。

2.1 滑坡區(qū)基本特征

滑坡區(qū)處于自然緩傾志留系泥巖順層斜坡上，主滑方向275°～305°，可見滑移形成的“圈椅”狀后壁，后壁高約8 m，邊界呈橢圓形(圖1)。地層與斜坡傾向一致，地形坡度約25°，巖層走向N30°E,巖體表層受風化影響較破碎，呈碎裂結構，為滑坡提供了有利的地質條件。出露地層為志留系韓家店組(S2-3hn)厚層狀、中厚層狀泥巖、泥質粉砂巖，巖層產狀300°∠20°,巖體風化強烈，全風化、強風化層發(fā)育。節(jié)理為“X”型剪節(jié)理，發(fā)育密度為2～5條/m。表層覆蓋第四系碎石土，以稍濕狀含碎石粘土、松散狀角礫土為主。中風化泥巖地層層理面見清晰的下部細窄、上部寬深的擦痕，階步陡坎處蛇形侵蝕狀凹槽被泥質充填。滑坡后緣高程572 m，前緣高程438 m，相對高差134 m，滑源區(qū)縱長約500 m，平均寬度約200 m，平均厚度約12 m，總體積約1.2×106m3，屬大型順層滑坡(圖2)。

圖1 滑坡地質環(huán)境及后緣結構特征

1.志留系韓家店組泥巖、粉砂巖；2.滑坡區(qū)界線；3.滑坡區(qū)編號；4.主滑方向；5.等高線；6.河流及流向；7.道路；8.居民建筑物圖 2 德江縣小尖山滑坡平面圖

小尖山附近地下水源豐富，雨源性地表片流及沖溝徑流發(fā)育，位于滑坡前緣西側百米之距的楊干河常年流水，流量44.1 l/s。成片區(qū)富含土層孔隙水和基巖裂隙水，均以接受大氣降水補給為主，兩者皆具含水性差、降雨影響顯著、逕流距離短、就近排泄等特點，裂隙水徑流模數(shù)2 l/s·km2?；聟^(qū)匯水面積約30×104m2，按年平均降雨量1 230.7 mm計，平均日降雨3.37 mm,約1 011.5 t/d，表明該區(qū)域降水豐富、地下水充足，為坡體滑動提供了有利的水文地質條件。

2.2 滑坡變形破壞特征

根據(jù)滑坡滑動特征和堆積特征，可將整個滑坡劃分為2個滑動大區(qū)：滑坡上部“牽引式”滑源區(qū)A和下部“推移式”滑流堆積區(qū)B(圖3)。

圖3 德江縣小尖山滑坡工程地質剖面圖

2.2.1 上部“牽引式”滑源區(qū)特征

位于山腰開挖臨空面上部區(qū)域A，平面形態(tài)呈梯形，長約260 m，后緣最窄約120 m，平均厚度約15 m，體積約7.2×105m3，滑坡后緣滑面基巖裸露，成分為泥巖，滑距約40 m。滑源區(qū)沿斜坡向近西側滑流，滑向275°。呈頂緩下陡，中部堆積體厚度最大，約18 m。滑坡區(qū)右側受節(jié)理控制明顯，張剪性節(jié)理發(fā)育，延伸性極好，對邊坡穩(wěn)定性影響較大，形成了拉張裂縫的控制邊界；左側以縱向自然淺切沖溝為界，受到擠壓牽引作用，表現(xiàn)為鼓張裂縫和地表隆起，形成楔形次級滑塊，由于楔形滑塊向左傾滑、方量小等特點，對下方斜坡未造成實質性影響，體積約0.5×104m3。

2.2.2 下部“推移式”滑流堆積區(qū)特征

位于山腰開挖臨空面下部區(qū)域B，平面形態(tài)呈舌形，縱長約240 m，平均橫寬約180 m，平均厚度約15 m，體積約4.8×105m3。坡體表面起伏不平，發(fā)育數(shù)個滑坡平臺，呈現(xiàn)出頂陡下緩，橫向上呈緩坡狀，中間高，兩邊低?；?05°，坡體中部厚度最大，約22 m，地表主要為碎石粘土，前緣鼓丘周界明顯，房屋與道路均被剪出約30 m(圖4)，呈現(xiàn)出推移式滑坡典型的壓剪破壞特征。

圖4 滑坡前緣鼓丘

3 滑坡成因演化及滑坡運動時間估算分析

滑坡發(fā)生后，經調查、走訪與影像解譯分析，小尖山滑坡失穩(wěn)前坡頂存在卸荷拉裂，但施工前坡體整體穩(wěn)定，無大的變形跡象。在山腰道路施工開挖形成臨空面后，上部滑區(qū)A應力調整失去支撐，沿坡向整體向下滑移，隨后推壓、撞擊下部滑區(qū)B使其失穩(wěn)滑動。從變形演化分析，屬于由地形地貌、巖體破碎、自身重力、持續(xù)強降雨等因素長期累積、共同影響，最終由人類工程活動誘發(fā)的“牽引-推移”式復合型滑坡。該滑坡模式形成經歷了如下3個變形演化過程(圖5)。

圖5 德江縣小尖山滑坡演化過程

3.1 裂縫擴展階段

滑坡區(qū)地勢總體向東傾斜，滑坡山體坡度較緩，巖層傾角20°小于坡面角25°，是滑坡發(fā)生的有利地形條件?；聟^(qū)周邊多為未固結的粘性土及碎石土，土質疏松，結構松散，加上墾殖等人為活動影響，廣泛分布的次生林使地質穩(wěn)定性和抗逆作用減弱，利于滑坡的發(fā)育[5]。山體中部原本有一條排水溝，由于流域的排水能力受道路工程進展的影響有所降低，強降雨直接入滲到滑坡體的厚層松散第四系土體上，坡體自重加劇，巖土體吸水負荷增加，同時沿基巖潤滑滑面，滑體的粘聚力、層間摩擦力和巖土抗剪強度降低，對后緣裂縫、滑面等結構面的形成起到了促進作用。斜坡巖體結構面強度弱化導致周界逐漸貫通，碎裂加重，能量累積，裂隙進一步擴張?；掳l(fā)展成漸進性的新平衡狀態(tài)是兩種因素共同作用的結果。從滑坡后緣區(qū)裂縫形成到滑坡發(fā)生歷時兩年，斜坡長期蠕滑變形對后緣裂縫的拉裂和持續(xù)性擴展提供了有利條件。滑坡后緣區(qū)富于巖石裂隙中裸露的泥、土呈現(xiàn)早期沉積的土黃色(圖6)，便是裂縫持續(xù)擴展的直接證據(jù)[6]。該階段表現(xiàn)出較強的危害性、突發(fā)性和隱蔽性。

圖6 德江縣小尖山滑坡巖石特征

3.2 牽引失穩(wěn)階段

當斜坡巖體被結構面切割，坡體上部抗滑段的抗滑力減小，極易使其周圍母體的連接減弱或發(fā)生分離?；聟^(qū)山腰部位道路施工開挖形成的有效臨空面為滑坡的發(fā)育提供了必要的空間條件。對于順向坡而言，一旦形成了有效臨空面，鎖固段將在坡面區(qū)形成一個明顯的轉折，A區(qū)前緣應力松弛，滑體的抗滑力隨坡體粘聚力和層間摩擦力等參數(shù)降低而減小,原平衡狀態(tài)被破壞。由于支撐邊坡穩(wěn)定的鎖固段突然剪斷，滑床周圍原有的臨界巖土體抗剪強度會迅速由峰值強度降低至殘余強度， A區(qū)滑體沿結構面滑塌剪出。

3.3 推移破壞階段

巖質斜坡A區(qū)變形破壞產生極大的動能,對B區(qū)形成巨大沖擊，滑落巖體向左側開闊地段延伸堆積； B區(qū)遭受推碾沖擊無法強支撐，力矩不平衡，導致B區(qū)失穩(wěn)，發(fā)生脆性變形，滑向由275°轉向至305°，撞擊過程釋放了巨大能量，并在B區(qū)坡體上形成多級滑坡平臺，坡體兩側滑速減緩，坡體中部隆起，前緣形成鼓丘階梯?；翧區(qū)左側形成的鼓裂縫及次級滑塊表明了牽引-沖擊-堆積-推移-堆積的滑坡過程。

3.4 滑坡運動時間估算分析

小尖山滑坡運動過程中一個重要的特征是，上部巖體A在臨空面剪出后對下部滑區(qū)B產生撞擊，滑坡在撞擊后，滑體A、B之間發(fā)生了能量的傳遞，B區(qū)滑體向下游運動堆積。為了充分說明滑坡演變機制及下滑撞擊過程中時間和能量的變化特點，對滑體運行時間及滑動撞擊運動過程進行估算分析。

根據(jù)現(xiàn)場調查及參考《計算工程地質學》等相關文獻理論分析[7，8]，計算時滑坡按塊體處理。牽引區(qū)A,啟動后抗剪應力驟減，釋放的巨大能量轉化為動能，無粘聚力，只考慮內摩擦角。假設滑坡“牽引-推移”的傳遞過程能量守恒。

滑坡運動加速度a:

a=f/m=g(sinα-cosα×tanφ)

(1)

滑坡A區(qū)運動碰撞末速度Vt:

Vt=V0+aT

(2)

滑坡B區(qū)末速度Vt2：

(3)

滑坡B區(qū)運動時間Ti：

(4)

式中,m為滑體質量；g為重力加速度；α為滑面傾角;φ為滑面摩擦角；T為A區(qū)滑動時間;V0為0。Vt2為B區(qū)滑體末速度；Vt為B區(qū)滑體初始速度；ai為B區(qū)加速度；Li為滑體移動距離；Ti為B區(qū)滑動時間。

根據(jù)上述公式，取小尖山滑坡砂泥巖軟弱面的摩擦角為22°，重力加速度10 m/s2，可以建立小尖山滑坡體啟動后各階段的滑動速度、滑動時間、摩擦角之間的關系(表1)。

表1 小尖山滑坡滑動理論時間估算

根據(jù)公式計算得知，滑坡從啟動到破壞村子的時間是20.9 s，這與村民描述的整個滑坡過程持續(xù)90 s左右相差甚遠，考慮到滑體滑動過程中速度和變形的不均勻性所損耗部分能量外，牽引區(qū)啟動后與推移區(qū)強烈的撞擊緩沖作用使滑坡動能大量釋放，滑速驟減，也是導致實際滑坡時長遠大于理論時長的關鍵原因。

4 開挖邊坡應變模擬分析

運用有限元模擬軟件AUI8.5，選取小尖山滑坡演化過程的3個階段作為模擬對象，計算模型采用彈塑性模型，在底邊限制其水平位移，模擬得到的小尖山滑坡運動應變過程如圖7所示。

圖7 開挖前后應力結果

模擬結果表明：

(1) 邊坡開挖前，應力在垂直方向和水平方向上分布均勻，在裂隙尖端產生了低烈度的應力集中現(xiàn)象，為自然狀態(tài)，受坡體自重、坡度等影響，對坡體穩(wěn)定性具有一定的影響。根據(jù)彈塑性斷裂理論[9]，裂隙尖端會發(fā)生應力集中并存在一個奇異解，裂隙會沿最大周向拉應力在截面繼續(xù)發(fā)展，因此邊坡不會在短時間內發(fā)生滑動。

(2) 邊坡開挖后，臨空區(qū)域巖體產生卸荷回彈[10]，不利于邊坡穩(wěn)定，應力重新分布，A區(qū)坡體內部塑性應變明顯增加，坡頂卸荷拉裂進一步擴張延伸，臨空面處應力集中分布，變化梯度增大，A區(qū)邊坡處于臨界狀態(tài)，隨之發(fā)生塑性屈服，無支護狀態(tài)下最終發(fā)生破壞。

(3) 破壞階段的沖擊促使坡體內應力重新分布，潛在破壞面逐漸貫通，巖體內塑性應變進一步增加，滑體應變范圍梯度持續(xù)加大，塑性變形區(qū)沿滑面貫通，可以看出該應變場[11]的總體特征符合直線滑動形式發(fā)生的“牽引-推移”塑性流變破壞的一般規(guī)律。

5 結論

(1) 小尖山滑坡為緩坡、順層、破壞性極強的“牽引-推移”式復合型滑坡?；驴偡搅考s1.20×106m3，滑動高差134 m，滑坡縱長500 m，可分為上部“牽引式”滑源區(qū)A和下部“推移式”滑源堆積區(qū)B，A區(qū)與B區(qū)撞擊緩沖作用，釋放能量，降低了滑坡沖擊速度，延緩了滑坡時間，未造成人員傷亡。

(2) 滑坡區(qū)屬侵蝕沖刷溝谷地貌，中厚層狀泥巖、泥質粉砂巖風化強烈，順向坡結構，坡體結構松散，自身重力、大氣降水入滲“潤滑”及人類工程活動等因素累積、共同作用的大型順層滑坡。其中持續(xù)性降雨是滑坡裂縫形成及擴張的重要因素，有效臨空面的形成是小尖山滑坡的直接誘發(fā)因素。

(3) 滑坡演化過程可分為裂縫擴展階段、牽引失穩(wěn)階段和推移破壞階段。工程開挖導致“牽引式”滑源區(qū)A應力范圍重新分布并擴大，臨空面應力集中并失穩(wěn)，滑流堆積區(qū)B整體應力分布未發(fā)生明顯變化的結果與“牽引-推移”的滑坡模式一致。

(4) 滑坡區(qū)鄰近兩側存在約8.4×106m3的潛在滑坡隱患，相似的工程地質環(huán)境，遇到持續(xù)性強降雨等作用下，極有可能再次引發(fā)滑坡自然災害。對位于山坡下部居民出行安全構成威脅，因此有必要對該區(qū)域進行工程治理，盡量減小或消除潛在滑坡危害。