郝彥猛， 周建偉， 羅 剛

(1.河南省地質礦產勘查開發(fā)局第四地質勘查院， 鄭州 450000； 2.川藏鐵路有限公司，成都 610094； 3.西南交通大學 地球科學與環(huán)境工程學院， 成都 610036)

0 引 言

滑坡是全球范圍內三大地質災害之一，其巨大的破壞性往往會導致生命及財產損失[1]。中國是世界上發(fā)生滑坡災害最為嚴重的國家之一。近些年滑坡的數目和規(guī)模逐年增高，尤其是我國的西南山區(qū)，受強烈的構造運動，山高谷深，河流下切嚴重，人類活動日趨增多，邊坡穩(wěn)定性問題尤為突出[2]。

重慶武隆雞尾山滑坡發(fā)生于2009年6月5日，滑坡造成74人死亡、8人受傷[3]。根據現場調查，該滑坡屬于典型的特大巖質滑坡。根據既有研究資料，早在1960年，滑坡后緣就發(fā)現張拉裂縫，隨后在1988年發(fā)現裂縫最大寬度擴展至2 m。自2011年以來發(fā)生過多次小規(guī)模的崩塌。2009年6月2日滑源區(qū)前緣發(fā)生滑動，4日同一位置再次發(fā)生滑坡破壞，破壞范圍進一步增大，6月5日15時，前緣危巖體瞬時剪出，并導致總體積約4.8×106m3的危巖體沿下伏軟弱夾層產生快速滑動破壞，滑動過程中滑體物質撞擊、鏟刮并不斷解體最終形成高速遠程碎屑流，滑體體積約5×106m3，形成的堆積體體積達7×106m3，碎屑散布堆積區(qū)長2 150 m。雞尾山滑坡是我國近些年來最為嚴重的滑坡災害事件，受到了國內外學者的廣泛關注。許強等[4]深入研究了雞尾山滑坡基本特征與破壞機制。隨后，很多學者采用不同的方法對雞尾山滑坡展開研究，如三維極限平衡理論的穩(wěn)定性分析[5]、等效力學模型分析[6]、物理模型試驗[7]、數值模擬分析[8]等。這些研究采用不同的方法，從雞尾山滑坡的形成條件、誘發(fā)因素及穩(wěn)定性方面開展了研究，對于完善大型順層巖質滑坡相關理論具有重要意義。

筆者以雞尾山滑坡為例，基于軟弱夾層滑動概念，建立了有限元計算模型，模擬了當軟弱夾層擴大至一定范圍并達到臨界破壞狀態(tài)時發(fā)生破壞的現象。最后，通過數值模擬與現場數據進行比較，對該模型進行了測試，建立并驗證了雞尾山滑坡的失穩(wěn)模式為“前緣關鍵塊體瞬時失穩(wěn)、后緣塊體驅動”的失穩(wěn)破壞模式。

1 研究區(qū)工程地質概況

1.1 地形地貌及地層巖性

根據現場調研和既有研究成果，研究區(qū)地處趙家壩背斜北西翼，主要出露地層為二疊系和志留系巖層(圖1)。研究區(qū)巖層自上到下分成：

雞尾山山頂為二疊系下統(tǒng)茅口組。顏色呈深灰色和灰色，該巖層構成了滑體的主要組成部分。

二疊系下統(tǒng)涼山組。厚度10～14 m，鐵礦開采活動發(fā)生于該巖層。

圖1 雞尾山滑坡工程地質圖Fig. 1 Engineering geology map of Jiweishan rockslide

總之，雞尾山滑坡是一種特殊的大型巖質滑坡，具有上硬下軟、上陡下緩的特征。厚層灰?guī)r中存在多個軟弱夾層，局部可見磨光現象(圖2)，在地下水長期的浸泡軟化作用下，發(fā)生蠕變并最終誘發(fā)滑坡。

圖2 雞尾山滑坡現場Fig. 2 Jiweishan landslide site map

1.2 滑動模式

現場調查表明，研究區(qū)存在兩組控制性節(jié)理(J1和J2)，其中，J1產狀為N85°E∠75°SW，J2為與巖層走向近于直交橫向張拉陡傾節(jié)理，產狀為N13°W∠80°NE。兩組優(yōu)勢節(jié)理將厚層灰?guī)r切割成離散型較好的積木塊狀，為滑體從整體基巖中分離并沿軟弱結構面發(fā)生變形失穩(wěn)，最終解體崩滑提供了基本的結構條件。

綜合研究區(qū)遙感影像(圖3)及現場測繪(圖4)，滑動前原始厚層灰?guī)r垂直厚度為87 m，南北橫向長度570 m，平均寬度113 m。自1960年以來，滑坡后緣首先出現張拉裂縫。2009年發(fā)生滑坡時，巨大的塊體(1 000 m3)從滑坡前緣剪出?；碌臍v史變形證明，滑坡的發(fā)生是滑塊的后部向前推移變形導致的。進一步可以將厚層巖體分為驅動塊(圖3中紫色部分)和阻滑塊(圖3中黃色部分)。根據變形觀測，估計阻滑段長度約為100 m，驅動塊段長度為470 m。

圖3 雞尾山滑坡遙感影像Fig. 3 Remote sensing image of Jiweishan landslide

圖4 典型剖面Fig. 4 Typical cross-sectional

1.3 破裂區(qū)特征

前文分析表明，雞尾山滑坡屬于典型的沿軟弱夾層變形的順層巖質滑坡。該軟弱夾層厚度約為30 cm，含炭質和瀝青質。野外觀測到在長期的緩慢變形中含碳至頁巖層面形成了明顯的劃痕，并有磨光現象。根據馮振[5]的研究，雞尾山滑坡炭質頁巖軟弱層滑帶中方解石含量達19%，蒙脫石含量達15.5%。黏土礦物中的高含量蒙脫石具有極強的親水性和膨脹性，在降水條件下，體積膨脹，礦物顆粒之間的粘結力減小，抗剪強度不斷降低形成滑坡滑帶。

2 滑坡的動力學模型

2.1 破裂面軟化模型

雞尾山滑坡的變形破壞過程是漸近性的?，F場調查表明，坡體的破壞是滑帶土的物理力學性質逐漸降低導致的。

(1)滑帶不同部位在外界因素的擾動下，導致巖土體物理力學性質在空間分布具有不均勻性。此外，軟弱帶后部隨著地下水從上部發(fā)育良好的張拉裂縫滲入而開始減弱，但下部巖體軟化程度較小，并成為滑坡的阻滑段部分(圖5)。

(2)隨著變形的發(fā)展，軟化區(qū)逐漸向下擴大，鎖固段尺寸減小，直至發(fā)生災難性破壞。為描述這一過程，定義軟化系數為

(1)

式中：φ0——初始內摩擦的角；

φ——軟化后的內摩擦角；

c0——破裂面的初始內聚力；

c——軟化后的內聚力。

圖5 推移式順層巖質滑坡模型Fig. 5 Model of push-through bedding rock landslide

基于k值特征曲線，在任何給定時間引入S形曲線描述雞尾山滑坡的演化模式，如圖6所示。其中，圖6a描述了滑坡后緣張拉裂縫的形成；進一步當沿最上部的軟弱帶的k值減小到最小值時，形成一條完整的S形曲線(圖6b)；圖6c表示S形曲線沿軟弱帶向下遷移，軟化范圍擴大，同時下部阻滑段尺寸隨之減小，S曲線也變得更為平緩；圖6d表示弱化帶進一步擴展，阻滑段長度減少到滑動的臨界階段(100 m左右)，最終發(fā)生災難性破壞。

圖6 推移式順層巖質滑坡的S型曲線演化模式 Fig. 6 S-curve evolution model of push-through bedding rock landslide

2.2 軟化系數方程

(2)

根據以上定義，當巖土體未發(fā)生弱化時，k=1。隨著降雨及地下水作用，材料發(fā)生弱化，弱化系數不斷減小，最終會趨于一個極值。

根據弱化系數定義以及概念模型(圖6)，文中進一步提出一個S型軟化狀態(tài)方程定量描述雞尾山滑坡的漸近損傷過程。其中假設軟化系數k(x,t)是位置和時間的函數：

(3)

式中：k——軟化系數；

A——弱化幅值，0～1；

H——最小相對巖石強度(圖7)，H+A=1；

x——沿破裂面的空間位置，0～l；

λ——演化階段進度系數，該值從0增大，當弱化至l時，等于0.5；

a——曲線形狀調整系數；

l——滑塊的長度，根據現場調查確定。

根據S型軟化系數狀態(tài)曲線(圖7)可知，S型曲線中軟化系數的取值尤為關鍵。其中方程中的各參數可采用原位剪切試驗獲取。對于試驗條件不足的情況，根據既有研究，對于弱化性較強的巖石，軟化系數一般取0.4～0.6[9]。

圖7 S型軟化系數狀態(tài)曲線Fig. 7 S-type softening coefficient state curve

進一步得到雞尾山滑坡不同階段的S型曲線的軟化系數隨位置變化關系來描述滑坡演化任意階段破裂面強度變化規(guī)律(圖8)。

圖8 不同λ取值下的軟化系數隨位置變化Fig. 8 Variation of softening coefficient with position under different λ values

3 雞尾山滑坡數值模擬

3.1 模型建立與巖土體參數

對邊坡的變形和破壞過程進行數值模擬被廣泛應用于巖土工程，文中基于FLAC軟件對雞尾山滑坡的破壞模式進行模擬。建立了二維有限元模型，模型的長度為800 m，最大高度為554 m，最小高度為247 m。圖9中的紅色塊表示滑動塊，其水平長度為70 m，平均垂直厚度為87 m，破裂面傾角為21°。模型有13 686個網格點和6 684個節(jié)點，滑體單元的平均尺寸為5 m，下伏地層為10 m?；瑒訅K和破裂區(qū)分別采用彈性模型和Mohr-Coulomb模型。為了在數值模擬過程中跟蹤關鍵位置的位移，在模型的前部、中部和后部的地表設置3個監(jiān)測點。巖土體的物理力學參數如表1所示。

圖9 雞尾山滑坡數值模型Fig. 9 Numerical model of Jiweishan landslide

表1 雞尾山滑坡巖土體物理力學參數取值

3.2 模擬結果與分析

3.2.1 位移變化規(guī)律分析

圖10為監(jiān)測點的水平位移s隨時間步變化曲線。圖10表明：隨著λ的增加，模型收斂需要分析步也增多；當λ≤0.243 75時，監(jiān)測點的水平位移總是收斂的，說明該階段巖體滑坡穩(wěn)定；當λ達到0.250時，水平監(jiān)測點位移隨時間步長穩(wěn)步增加，水平位移不收斂，說明滑坡開始變形破壞；因此，λ=0.243 75可認為是雞尾山滑坡失穩(wěn)的閾值。從圖10還能得知，3個監(jiān)測點在滑坡演化早期沒有發(fā)生明顯的水平位移。當演化階段系數λ增加到0.075時，滑坡進入第二階段，此時，監(jiān)測點1的位移較小，為0.02 m。隨著λ在0.125和0.200之間的變化，監(jiān)測點2也出現明顯的位移。隨著滑坡的進一步發(fā)展，3個監(jiān)測點的水平位移均增加較快，直至達到臨界值λ=0.237 5，滑坡進入演化末期。之后，3個監(jiān)測點的水平位移都迅速增加，整個滑坡開始失效。證明雞尾山滑坡臨界狀態(tài)所對應的λ=0.243 75。最終3個監(jiān)測點水平位移分別為1.391、0.918和0.253 m。

圖10 監(jiān)測點的水平位移隨時間步變化Fig. 10 Horizontal displacement of monitoring point varying with time steps

圖11 監(jiān)測點在不同λ值下的水平位移Fig. 11 Horizontal displacement of monitoring points under different λ values

3.2.2 位移變化規(guī)律分析

圖12為不同λ值下的水平位移變化過程。結果表明，當相同的λ值下，破裂區(qū)的水平位移隨距離的增大而減小。當位置不變時，破裂區(qū)的水平位移隨λ的減小而減小。演化系數λ的變化證明，滑坡變形從后緣開始。隨著降水和地下水入滲，后緣部分滑體強度首先減弱，這與圖6a演化一致。當λ=0.075時，水平位移非常明顯，其值為0.1 m，變形區(qū)域的長度約為100 m。隨著滑坡的演化，后方位移不斷增大，變形區(qū)向前擴展，阻滑段長度不斷減小。與此同時，沿破裂面的變形破壞了結構完整性，大大降低了巖土體強度。當剪切位移增加到一定值時，其剪切強度將下降到殘余強度[10-11]。因此，隨著位移的擴大，沿滑動面的強度會從后向前減小到一定值，這與本文提出的S型演化曲線吻合;當達到臨界破壞狀態(tài)(λ=0.243 75)時，滑帶后部有1.5 m左右的水平位移，與監(jiān)測點1計算的值相似?，F場調查表明，雞尾山滑坡發(fā)生前塊體前部的計算位移小于0.1 m，阻滑段段長度僅約100 m，這一長度不足以約束或支撐巨大的滑體，從而最終發(fā)生破壞。

圖12 破裂帶的水平位移隨水平位置變化規(guī)律Fig. 12 Horizontal displacement of rupture zone varying with horizontal position

3.2.3 滑塊演化過程中的變形特征

圖13為雞尾山不同演化階段(不同λ值)的位移等值線云圖。結果表明，由于受內外營力的影響，滑坡后緣處巖體的某點強度值達到極限時，破壞由此處開始發(fā)生并擴展。與現場調查對比表明，2001年9月滑塊后部發(fā)生小規(guī)模塌陷。2005年以后，后續(xù)塌陷位置沿懸崖由后向前移動，最終于2009年6月發(fā)生大規(guī)模滑坡。這種漸近的變形過程與模擬的演化過程非常吻合。此外，模擬中顯示的“驅動塊”和“阻滑段”的相對尺寸表明，阻滑段的長度減小到臨界值時滑坡最終發(fā)生的模擬結果驗證了雞尾山滑坡實際破壞情況。

圖13 雞尾山滑坡不同λ值的位移等值線Fig. 13 Displacement contours of Jiweishan landslide at different λ values

4 結 論

(1)雞尾山大型巖質滑坡主要沿棲霞組中下段間的軟弱夾層滑動，該破裂帶由30 cm厚的鈣質頁巖薄層組成。

(2)現場調查及分析表明，軟弱夾層的強度具有空間不均勻性，后部巖體的強度相對于前部更低，雞尾山滑坡的破壞模式為典型的推移式巖質滑坡。

(3)建立了用來描述軟弱夾層的物理力學參數隨時間和位置變化數學方程。該方程可以很好地描述雞尾山滑坡破壞的演化過程及穩(wěn)定性變化規(guī)律。

(4)根據方程改變斷裂帶的抗剪強度參數，模擬了雞尾山滑坡的動態(tài)演化過程。仿真結果表明，滑塊和破裂面的變形從后部開始，向前擴展，形成后部的驅動塊和前端的阻滑塊，當阻滑塊尺寸減小到100 m左右，滑坡最終發(fā)生。

滑坡的損傷和演化極為復雜，本質屬于力學問題。文中采用的弱化模型可以科學合理地再現滑坡失穩(wěn)演化過程，揭示相似滑坡的動態(tài)失穩(wěn)機理。但本文提出的模型沒有進一步引入時間和巖土體材料參數劣化(如降水及地下水等)因素對軟化系數的具體影響。這方面也是目前滑坡災害研究的不足，也是今后研究的重點內容之一。