緩傾滑坡地質力學模型研究
——以馮店滑坡為例

王治華，杜明亮，郭兆成，賈偉潔

(中國國土資源航空物探遙感中心，北京100081)

緩傾滑坡地質力學模型研究
——以馮店滑坡為例

王治華，杜明亮，郭兆成，賈偉潔

(中國國土資源航空物探遙感中心，北京100081)

在國內外緩傾滑坡研究的基礎上，從滑坡形成機制出發(fā)，建立緩傾滑坡地質力學模型，采用數(shù)字滑坡技術結合地面調查獲取滑坡規(guī)模、滑動面傾角、后緣拉裂槽積水深度等參數(shù)，代入模型表達式可獲得滑坡的臨界摩擦系數(shù)，進而獲取滑坡的總下滑力和總阻滑力。提出臨界摩擦系數(shù)的概念及求取方法，臨界摩擦系數(shù)與緩傾滑坡的易滑性(或穩(wěn)定性)直接相關，分析表明滑坡的臨界摩擦系數(shù)與滑體規(guī)模(滑動面長與寬)、滑動面傾角正相關，與滑體重量反相關，滑坡后壁傾角在60°—90°范圍的變化對緩傾滑坡易滑性的影響很微弱。

緩傾滑坡;形成機制;地質力學模型;數(shù)字滑坡技術;臨界摩擦系數(shù)

0 引言

發(fā)生在傾角為0°—10°緩傾地層斜坡中的滑坡，也稱平推式或平移式滑坡(以下簡稱緩傾滑坡)是一種特殊的滑坡類型，中國的四川盆地及周邊地區(qū)、三峽庫區(qū)中段萬州、重慶一帶以及黃土高原等地均有緩傾滑坡分布。已有的勘查實驗資料表明，該類滑坡的滑帶土內摩擦角往往遠大于滑動面傾角，理論上應該不易發(fā)生滑坡，但實際上還會發(fā)生大規(guī)模的緩傾滑坡，其成因機制及活動特征一直受到國內外學者的關注，并用多種方法進行研究及模擬。黃潤秋等［1］、伍四明等［2］以三峽庫區(qū)典型的近水平巖層岸坡為例，基于粘彈塑性力學的有限單元法和離散單元法對小變形、破壞后的大變形及運動過程進行模擬，從理論上闡述和證明了這類岸坡大型滑坡的形成機制;李保雄等［3］、殷坤龍等［4］、簡文星等［5］、王志儉等［6］通過勘查及實驗證明了砂泥巖近水平層面斜坡中滑坡沿含蒙脫石、伊利石、綠泥石等礦物軟弱夾層產生平推式滑動，軟弱夾層蠕變的累積可能控制滑坡體的穩(wěn)定性;劉軍等［7］綜合考慮地下水因素建立了尖點突變模型，認為地下水主要是通過物理化學作用軟化了滑面帶巖體，使滑面帶巖體剛度比降低，從而使巖體突發(fā)失穩(wěn)，地下水的力學作用表現(xiàn)為一種觸發(fā)因素;黃潤秋等［8］指出在超強降雨情況下，地下水在天臺鄉(xiāng)滑坡的形成過程中起到了頂托、楔裂、促動的作用;吉隨旺等［9］、范宣梅等［10～11］、繆海波等［12］、胡新麗等［13］、成國文等［14］以馮店滑坡、天臺鄉(xiāng)滑坡、萬州安樂寺滑坡等為例，通過現(xiàn)場調查、勘察、物理模擬和實驗等對近水平軟硬互層斜坡形成機制進行了研究和數(shù)值模擬。

國外加拿大、意大利、美國、西班牙等國也有緩傾滑坡分布，但專門的研究報導較少。Hart［15］對地質填圖和井下大直徑鉆孔記錄中獲得的數(shù)據(jù)進行研究后認為，導致水平層狀沉積物產生滑坡的主要因素是預先存在的剪切帶;Petley等［16］研究表明具有水平層面軟弱層的山體滑坡發(fā)生在剪切面帶擴展占主導地位的過程中;Jordan等［17］采用二維邊界元法研究一個活動滑坡的滑動面擴大和斷裂現(xiàn)象，該現(xiàn)象在很大程度上受應力場與斜坡內軟弱層所制約。

綜合分析國內外學者對緩傾滑坡的研究成果，可得出以下基本共識:①斜坡內存在緩傾軟弱地層是該類滑坡滑動面發(fā)育的物質基礎，其在上覆硬巖層自重應力長期作用下，軟硬巖層產生差異蠕變，致使硬巖層中拉應力集中，發(fā)生破壞;②在河床侵蝕的側向和垂直方向的卸荷力長期作用下形成滑坡;③降雨是誘發(fā)滑坡活動的主要因子;④大多數(shù)緩傾地層滑坡后緣存在拉裂槽;⑤緩傾巖層中存在的層面剪切帶和滑體內的靜水壓力和揚壓力(上托力)是緩傾巖層滑坡發(fā)生的動力。

上述研究成果的不足之處在于各種數(shù)值模型過于復雜，不易確切說明滑坡的物理意義;參數(shù)過多，如有些模型引入膨脹力以及水壓力、地震力等因子［13］，不但不易獲取，且人為影響較大;技術方法復雜，不易重復。這些不足之處影響了研究成果的實際應用。

本文在以上研究成果基礎上，從緩頃滑坡基本形成條件出發(fā)，找出緩傾滑坡發(fā)育和活動的主要因子及受力特征，建立緩傾滑坡地質力學模型，以馮店滑坡為例，采用數(shù)字滑坡技術獲取模型因子參數(shù)，并分析各因子參數(shù)與易滑性及穩(wěn)定性的關系。

1 緩傾滑坡形成機制

緩傾滑坡發(fā)育在由近水平軟硬相間地層組成的斜坡，硬、軟地層在滑坡發(fā)育過程中所起作用及作用方式是不同的。

1.1 硬巖層中發(fā)育多組陡傾節(jié)理并成為透水層和富水層

長期地殼抬升和河流下切侵蝕是斜坡形成的主要地質作用。斜坡逐漸形成后，其所受的主要地質應力為:①向臨空(河谷)方向的對斜坡的拉應力(卸荷力);②斜坡的自重應力;③地下水的侵蝕及動靜水壓力作用。

在①②二種地質應力的作用下，斜坡中的硬層(砂巖層或其他硬巖層)相對強度大、硬度高，以脆性變化為主，即在拉應力作用下，原有的節(jié)理面松開，新的拉張裂隙產生，于是硬巖層中發(fā)育多組陡傾節(jié)理;從斜坡表部到深部，節(jié)理裂隙條數(shù)由多到少，裂隙寬度由大變小，即斜坡近地表硬巖層中的裂隙寬度和密度較深部大。地面降水沿著這些裂隙及硬巖中粗顆粒之間的空隙進入坡體，在隔水層之上儲存，所以砂巖層成為透水層和富水層。

1.2 軟巖層遇水強度降低，塑性變形導致其上覆砂巖產生垂直泥巖層的張裂隙

同樣受上述①②③三種地質應力作用，軟巖層形成強度較低的隔水層面，并發(fā)生向臨空面方向的塑性擠壓變形，促使其上覆砂巖產生垂直泥巖層的張裂隙。具體作用過程為:地表水通過硬巖層中的陡傾裂隙及砂?？障稘B入斜坡內，到達軟巖層表面;主要由黏土礦物組成的軟巖層(如泥巖層)中的黏土礦物由于親水作用被軟化、泥化而強度降低;由于泥巖層基本不透水，成為斜坡內的隔水層;斜坡中的軟巖層在卸荷力、上覆巖層重力及軟巖層面上的地下水長期作用下，產生向臨空方向的塑性擠壓變形。該塑性擠壓變形也會導致其上覆砂巖產生垂直泥巖層的張裂隙，該作用的結果是:離泥巖層愈近的硬巖層部分，裂隙寬度愈大，裂隙密度也愈大。

1.3 軟巖層面與兩種裂隙貫通

在拉應力、自重和地下水的持續(xù)作用下兩種裂隙在斜坡內三種應力最集中的部位貫通，該部位應在斜坡的坡頂及坡底附近地面以下的某些軟弱層。因為該部位自重力最大，受卸荷力作用時間最長。

在地下水的作用下，砂巖中的卸荷裂隙向深(下)部發(fā)展，靠近塑性擠壓變形泥巖層的上覆砂巖的裂隙向地表(上)發(fā)展，某一時刻，這兩種裂隙將首先在斜坡坡頂附近地下拉斷某些泥巖層相連。這樣，斜坡后緣將形成若干貫通軟巖面的垂直裂隙，它們大多出露地表，也可能埋在地表以下。隨著地下水的持續(xù)作用，這些陡傾裂隙與某一定深度的軟巖層面貫通。在地表不斷抬升過程中，河流下切至某軟巖層面暴露在河谷臨空面地表時，該連通面的前后端均與地表相連。由于此時還不一定發(fā)生滑坡，故稱其為前期滑動面。

1.4 后緣拉裂槽形成

前期滑動面形成后，上覆塊體沿連通面向臨空方向的蠕動更加發(fā)展，后緣形成質量空穴，強大的拉引力作用于斜坡后緣，被裂隙切割的巖層塊將發(fā)生傾倒、崩落、塌陷等變形位移活動，從而形成拉裂槽。

1.5 滑坡發(fā)生

降水是誘發(fā)該類滑坡發(fā)生的主要因素。由于該類斜坡由小于10°的緩傾地層組成，軟硬巖層間有較大的摩擦力。據(jù)吉隨旺等［9］的實驗，侏羅系砂泥巖內摩擦角達27.0°—42.9°，摩擦系數(shù)0.51～0.93，是難以形成滑坡的;在強降雨條件下，地表水經過拉裂槽及坡體上的裂縫進入滑動面，摩擦系數(shù)大大降低至0.05～0.30，滑坡發(fā)生。

2 緩傾滑坡地質力學模型

2.1 緩傾滑坡受力分析

如前述，緩傾滑坡由軟硬相間巖層組成，硬巖層為含水層和透水層，并可能在斜坡后緣產生拉裂槽;軟巖層在缷荷力作用下呈塑性改變，與水接觸后易被軟化、泥化，基本上不透水，形成隔水層。斜坡中的軟弱結構面，即陡傾裂隙和緩傾軟巖層面貫通后，當前方河谷下切至軟巖層出露時，在雨水作用下，形成沿泥巖層面滑動的滑坡。當強降雨導致滑坡后緣拉裂縫中積水時，滑坡體主要受到以下3種力的作用:①滑體自身的重力W;②后壁受到后緣拉裂槽積水的靜水壓力P;③當滑面上有積水時，還受到靜水的上托力P3(見圖1)。

2.1.1 滑坡體自身重力及分解

設滑動面與水平面夾角為α，后壁與水平面夾角為θ，滑動面長度為L，寬度為Lw，后緣拉裂槽積水高度為H1，滑動面前后高程差為H2。

設滑坡體的質量為M，它的重力W垂直于水平面，W在滑坡方向上產生下滑力W1和垂直滑動面的正壓力W2，其表達式為:

2.1.2 滑坡后壁受到的靜水壓力及分解

后槽積水對后壁的靜水壓力為P，其在下滑方向的投影為P1，垂直滑動面方向上的投影為P2，則有:

圖1 滑坡體受力示意圖Fig.1 The diagram of landslide force analysis

由三角關系可知后緣拉裂槽積水與后壁的接觸面積S1為:

再由水壓強與壓力的關系式，得到積水對后壁的靜水壓力P的表達式:

其中ρ——水在常溫下的密度，1×103kg/m3;

g——重力加速度，9.8 m/s2。

將(5)、(6)式代入(3)、(4)式可以得到P在下滑方向的分力(P1)和P在垂直滑動面方向上的分力(P2)分別為:

2.1.3 滑動面積水的浮托力分析

當滑坡后緣拉裂槽積水時，積水會滲(流)到滑動面，地表水也會通過滑體的裂縫滲入滑體到達滑動面。由于滑動面是隔水層，該積水會滯留在滑動面附近，對上覆滑體有向上的浮托力，以P3表示。滑動面受到水浮托力的平均壓強(p)為:

滑動面的面積S2以滑動面長度L乘以寬度Lw表示，則P3表達式為:

P3的方向是垂直斜坡向上的，它抵消一部分重力的正壓力，利于滑坡活動。

2.2 緩傾滑坡地質力學模型

由上述滑體受力分析可知，當強降雨導致后緣拉裂槽積水時滑坡的下滑力(F下滑)可由下式得出:

F下滑與滑坡體重量、滑動面傾角、滑坡后壁積水面積、滑動面面積及后緣拉裂槽積水深度成正比。

作用在滑動面上的總正壓力F正壓的計算公式為:

F正壓是使滑坡處于穩(wěn)定的力，它與滑坡體重量成正比，與滑坡后壁及滑動面面積、積水深度及滑動面傾角成反比。

作用于滑動面上的正壓力與摩擦系數(shù)(f)的乘積便是阻滑力，即:

與F正壓一樣，F(xiàn)阻滑與滑坡體重量成正比，與滑坡后壁及滑動面面積、積水深度及滑動面傾角成反比。

公式(11)、(12)、(13)便是緩傾滑坡地質力學模型的表達式。

3 馮店滑坡模型參數(shù)獲取

3.1 遙感及地理控制資料

本文采用數(shù)字滑坡技術獲取模型參數(shù)，最終完成模型計算。

數(shù)字滑坡技術即在滑坡地學理論指導下，以遙感(RS)和空間定位(GPS或地面控制)方法為主，獲取數(shù)字形式的與地理坐標配準的模型參數(shù)，利用GIS(地理信息系統(tǒng))技術存貯和管理這些數(shù)字信息并進行空間分析。

本文以馮店滑坡為例，獲取模型參數(shù)。采用ETM、TM和ALOS－AVNIR－2中等分辨衛(wèi)星數(shù)據(jù)參考地質圖解譯滑坡所在區(qū)域地質環(huán)境，ALOS全色和航攝數(shù)據(jù)用于滑坡高分辨率解譯。

馮店滑坡區(qū)域位于1∶50000地形圖土橋鎮(zhèn)幅的北部和廣福區(qū)幅的南部。以1∶50000數(shù)字地形校正中等分辨衛(wèi)星數(shù)據(jù)，獲得滑坡區(qū)域地質解譯基礎。

以滑坡區(qū)立體像對制作1∶10000 DEM和正射影像，與數(shù)字地形、地理底圖一起作為高分辨率解譯基礎，進行滑坡解譯并對解譯結果進行現(xiàn)場驗證。

3.2 自然地理概況

馮店滑坡(當?shù)厮追Q垮梁子)屬四川省德陽市中江縣馮店鎮(zhèn)，成(都)南(充)高速公路從滑坡南面約1 km處通過，距成都77 km，見圖2。

本區(qū)屬中亞熱帶氣候，由于四周有高山屏障，盆底地形閉塞，氣溫高于同緯度其他地區(qū)。年均溫度16～18℃;年降水量1000～1300 mm，年內分配不均，70%～75%的雨量集中在6月至10月，最大日降水量可達300～500 mm。盆地區(qū)霧大濕重，云低陰天多，衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收十分困難。涪江水系的支流老鴉林溝河從滑坡前流過，常年侵蝕及地面緩慢抬升形成寬闊的河谷。

滑坡所屬區(qū)域地質構造部位為揚子準地臺－四川臺坳－川中臺拱－南充斷凹，凹陷內地表褶皺寬緩，在滑坡周圍30 km范圍內沒有斷層分布。

3.3 滑坡地質環(huán)境解譯

圖像顯示，滑坡位于四川盆地中部的低緩丘陵，根據(jù)圖像上不同的紋理特征可識別本區(qū)從東南到西北分布4種地層，結合文獻［18］，它們分別為上侏羅統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組下段(J3p1)、上侏羅統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組上段(J3p2)、下白堊統(tǒng)蒼溪組(K1c)和下白堊統(tǒng)白龍組(K1b)，如圖2所示。馮店滑坡周圍出露地層為J3p2。

圖2 馮店滑坡交通位置及區(qū)域地質環(huán)境解譯Fig.2 Location and regional geological environment of Fengdian landslide

3.4 馮店滑坡所在斜坡的地質結構

馮店滑坡所在芳林村斜坡位于老鴉林溝左岸。該溝為涪江上游近河源的一條支流，長約2.5 km，由J3p2軟硬相間的黏土巖、粉砂巖與長石砂巖、長石石英砂巖組成，巖層產狀:傾向北西310°—340°，傾角2°—3°近于水平。斜坡上層為泥巖與薄或中層粉砂巖互層，下部泥巖與中厚層砂巖互層。粉砂巖和砂巖中近直立的陡傾節(jié)理裂隙十分發(fā)育(見圖3)，砂巖層中至少有3組特別發(fā)育的陡傾節(jié)理:200°—220°∠78°—86°，30°—40°∠82°—86°，270°—310°∠78°—86°。

圖3 馮店垮梁子陡崖出露的砂泥巖互層Fig.3 Sand shale interbed exposed at scarp of Fengdian landslide

本區(qū)第四紀以來以多階段的水平抬升運動為主，老鴉林溝在軟硬相間的泥巖和砂巖中下切侵蝕，并在斜坡重力侵蝕下形成了大致南北走向的寬緩河谷。谷嶺為基巖陡崖，高程535～510 m;谷底老鴉林溝近南北走向，向右岸凸成弧形，高程408～388 m。右岸為逆層坡組成的陡岸，未見滑坡發(fā)育;左岸陡崖下為5°—20°的寬緩斜坡，有面向老鴉林溝的寬闊臨空面。

3.5 滑坡解譯

以正射航片、高分辨率衛(wèi)星圖像及DEM和數(shù)字地理底圖為基礎解譯滑坡，發(fā)現(xiàn)左岸斜坡由滑坡群組成。其中以南部緊鄰麻石灣的FD1滑坡最典型，稱其為馮店FD1滑坡，簡稱馮店滑坡，以其為例獲取模型參數(shù)。

3.5.1 馮店滑坡結構

滑坡由主滑坡、滑坡后壁與側壁、拉裂槽、影響區(qū)滑坡4部分組成(見圖4)。

圖4 馮店FD1滑坡遙感解譯Fig.4 Interpretation of Fengdian FD1 landslide

主滑坡整體呈上方下圓的長條形，高程487～388 m，圈椅形態(tài)明顯。自487 m到455 m為后壁，兩側壁完整，后壁、側壁平均坡度25°;自455 m到388 m為楕圓形主滑體，面積57371 m2，平均坡度8.3°;滑體上部的滑動方向為316°，下部略向斜坡方向偏，為305°，總體310°，與J3p2地層一致。

滑坡后壁、側壁后壁為北東21°走向，近于直立的陡崖，長465 m，高程450～525 m;北側壁自520～420 m，近東西走向，長約370 m，平均坡度約20°;無明顯的南側壁。

拉裂槽滑坡后壁至主滑坡后壁之間為拉裂槽，北偏東走向，總長約294 m，由2條弧形凹槽及其間近南北向的楔形巖塊組成。凹槽深10～40 m，寬95～115 m，平均寬100 m;楔形巖塊近南北走向，長約100 m。

影響區(qū)滑坡在主滑坡周圍，有6處明顯變形滑移的坡體(圖4中空心箭頭所示)，圖像上表現(xiàn)為臺階狀小平臺，實地驗證為有不同大小的農田走滑、房屋損毀、溝被填、石條拉裂等斜坡淺層位移滑動現(xiàn)象。影響區(qū)滑坡的方向各異，與所在局部斜坡的方向一致。分析認為這是受主滑坡影響后期滑動的滑坡。研究緩傾滑坡的地質模型不應包括影響區(qū)滑坡，只應考慮屬于緩傾滑坡的主滑坡。

3.5.2 馮店滑坡邊界

垮梁子陡崖為滑坡后緣拉裂槽邊界，拉裂槽西側陡崖為主滑坡邊界，近東西走向的北側山嘴陡坡為北側邊界，南側邊界不明顯。兩側地形線方向突變處為主滑坡側向邊界。根據(jù)遙感解譯及滑坡現(xiàn)場驗證時前緣出現(xiàn)的大雨天冒水部位，確定滑坡前緣剪出口約在395 m高程處，滑坡最前端在388 m高程。

3.5.3 馮店滑坡規(guī)模

根據(jù)邊界及滑體解譯獲滑坡主滑面如圖4、圖5所示，滑坡最大高差99 m，滑距100 m，分別求主滑坡、拉裂槽及影響區(qū)滑坡規(guī)模。

圖5 馮店FD1滑坡主剖面Fig.5 The principal section of Fengdian landslide

①主滑坡:滑體平均長447 m，平均寬140 m，投影面積57371.1 m2，滑體中部厚度約50 m，主剖面兩側逐漸減薄，故以平均厚度40 m計，求得主滑坡體積為2294844.0 m3。

②拉裂槽:拉裂槽內充填了碎石、土壤及楔形巖塊和水，兩槽之間的巖塊明顯動過，計算其體積:求得其面積為29831.3 m2，根據(jù)剖面圖及現(xiàn)場調查，堆積物厚度約為10～30 m，以平均20 m計，則拉裂槽堆積體積為596626.0 m3。

③影響區(qū)滑坡:根據(jù)滑坡形態(tài)及實地驗證，估計平均滑坡厚度為10 m，面積為147869.8 m2，估算影響區(qū)滑坡的總體積為1478698.0 m3。

馮店滑坡總體積為4370168 m3。

以上解譯獲得了馮店滑坡的地質環(huán)境及各項滑坡參數(shù)。根據(jù)上述滑坡形成機理分析，只有沿軟弱層面滑動的主滑坡才符合緩傾滑坡的條件，故模型計算時，應將受主滑坡影響發(fā)生的小規(guī)模斜坡變形排除在外，而不應如文獻［9，19］將凡是形變的部位都計算在內。

4 模型應用實例

4.1 馮店滑坡下滑力F下滑和阻滑力F阻滑求取

將馮店滑坡的規(guī)模、滑面傾角等各項參數(shù)輸入公式(11)、(13)便可求得得到馮店滑坡的總下滑力、總阻滑力及后壁及滑面受力情況。

4.1.1 馮店滑坡參數(shù)

根據(jù)遙感解譯及實地驗證獲得馮店滑坡各項參數(shù)如下:主滑坡體積(V)為2294844.0 m3，滑坡體(滑動面)長度(L)為447 m，滑坡體(滑動面)平均寬度(Lw)為140 m(認為滑坡體在滑動面上的投影與滑動面重合)?；瑒用鎯A角(α)為3°，后壁傾角(θ)為80°。本地砂泥巖互層比重為2.3 g/cm3，故滑坡體重量為5278141 t。根據(jù)實地測量及訪問，強降雨時(后)馮店滑坡后緣拉裂槽積水深度約在0～30 m之間變化，大部分強降雨時，槽中平均積水深度約為20 m，本文以H1=20 m參與計算。此外還需獲取砂泥巖互層滑坡體與泥巖滑動面的摩擦系數(shù)后才可能求得F下滑和F阻滑。

4.1.2 馮店滑坡的臨界摩擦系數(shù)

對于每一個滑坡而言，其未滑動時的摩擦系數(shù)是相對穩(wěn)定的值，天然狀態(tài)下各地野外砂泥巖的摩擦系數(shù)在0.26～1.38之間［20］，此時的緩傾砂泥巖地層是難以滑動的。遇水后摩擦系數(shù)值明顯下降，黏土的摩擦系數(shù)可達0.05［9，21］。所以只有滑帶土與水作用后，摩擦系數(shù)大大降低，才可能發(fā)生緩傾滑坡。而臨界摩擦系數(shù)f臨，即滑坡處于穩(wěn)定與滑動臨界狀態(tài)時的摩擦系數(shù)，說明滑帶與水作用后摩擦系數(shù)要降低到什么程度才可能發(fā)生滑坡，f臨值代入模型可以求得滑坡的F下滑和F阻滑。

根據(jù)極限平衡原理，當滑坡的下滑力與阻滑力相等(F下滑=F阻滑)時滑坡處于臨界狀態(tài);當滑坡的下滑力大于阻滑力(F下滑＞F阻滑)時，滑坡運動;下滑力小于阻滑力(F下滑＜F阻滑)時，斜坡穩(wěn)定。

使式(11)與式(13)相等，代入以上馮店滑坡各項參數(shù)，便可求得臨界摩擦系數(shù)。

由此得出馮店滑坡的臨界摩擦系數(shù)(f臨)為0.0926。由臨界摩擦系數(shù)可以反推馮店滑坡滑帶的內摩擦角為5.3°。

4.1.3 模型編程及馮店滑坡下滑力和阻滑力求取

對于已獲得的模型表達式，利用C#編程語言進行編程實現(xiàn)。輸入滑坡參數(shù)，便可通過程序運算得到滑坡體的受力情況;修改參數(shù)可得到不同結果。程序界面如圖6所示。

滑坡下滑力和阻滑力是評價滑坡穩(wěn)定性的決定因素，也是滑坡防治工程設計的重要基礎資料。

4.2 滑坡參數(shù)變化時緩傾滑坡易滑性分析

以臨界摩擦系數(shù)f臨表示馮店滑坡的易滑性。f臨大說明滑帶較易從天然狀態(tài)(摩擦系數(shù)f大于f臨)降至臨界滑動狀態(tài)，所以滑坡易滑，反之f臨小滑坡較穩(wěn)定。

圖6 模型程序界面Fig.6 The model program interface

4.2.1 滑體重量對緩傾滑坡易滑性的影響

其他參數(shù)不變，以不同的滑體重量值代入f臨表達式(14)，計算f臨結果如表1。

表1 不同滑坡重量的臨界摩擦系數(shù)Table1 The critical friction coefficients with different landslide weights

計算結果表明:滑體越重，其f臨越小，即越不容易發(fā)生滑坡。

4.2.2 滑體規(guī)模對緩傾滑坡易滑性的影響

本文中“滑體規(guī)模”指在同樣重量下和同樣參數(shù)下不同的滑體長度L和寬度Lw。分別以不同的L和Lw值代入式(14)，計算f臨結果見表2、表3。計算結果表明:滑坡規(guī)模對易滑性的影響很大。同樣重量的滑坡，規(guī)模越大，越容易滑動，這也是緩傾滑坡大多發(fā)生在巖性比重不太大而規(guī)模較大斜坡的原因。

表2 不同滑坡長度的臨界摩擦系數(shù)Table2 The critical friction coefficients with different landslide lengths

表3 不同滑坡寬度的臨界摩擦系數(shù)Table3 The critical friction coefficients with different landslide widths

4.2.3 滑動面傾角對緩傾滑坡易滑性的影響

其他參數(shù)不變，以不同的滑動面傾角值代入f臨表達式(14)，計算f臨結果如表4。由表4可以看出，滑動面傾角越大，滑體越容易滑動。

表4 不同滑動面傾角下的臨界摩擦系數(shù)Table4 The critical friction coefficients with different landslide slip angles

4.2.4 后緣拉裂槽積水深度對緩傾滑坡易滑性的影響

其他參數(shù)不變，以不同的滑坡后緣拉裂槽積水深度值代入f臨表達式(14)，計算f臨結果如表5。計算結果表明，后緣拉裂槽積水深度越大，滑體越容易滑動。

表5 不同滑坡后緣拉裂槽積水深度下的臨界摩擦系數(shù)Table5 The critical friction coefficients with different landslide crack groove hydrostatic load heights

4.2.5 滑坡后壁傾角對緩傾滑坡易滑性的影響

其他參數(shù)不變，以不同的滑坡后壁傾角值代入f臨表達式(14)，計算f臨結果如表6。

計算結果表明:滑坡后壁傾角在60°—90°范圍內變化時，對緩傾滑坡易滑性的影響很微弱。

表6 不同滑坡后壁傾角下的臨界摩擦系數(shù)Table6 The critical friction coefficients with different landslide scarp angles

5 結論

(1)緩傾、軟硬相間巖層組成的斜坡是緩傾滑坡發(fā)育的物質條件，當硬巖層中的陡傾裂隙與軟巖層層面貫通，軟巖中的黏土與水充分作用，軟巖層與上覆巖層間的摩擦系數(shù)大大降低且斜坡臨空河谷已下切至軟巖層出露時，才可能發(fā)生滑坡。

(2)緩傾滑坡發(fā)育力學模型反映了緩傾滑坡發(fā)育與動力分布，只有以軟巖層層面為滑動面的滑坡，才適用該公式。以數(shù)字滑坡技術結合現(xiàn)場調查求取滑坡規(guī)模、滑面傾角、后緣拉裂槽積水深度等模型參數(shù)后，便可求取滑坡的臨界摩擦系數(shù)f臨。

(3)臨界摩擦系數(shù)f臨可用于反映滑坡的易滑性或穩(wěn)定性。緩傾滑坡滑動面與上覆滑體間遇水作用時，天然狀態(tài)下的摩擦系數(shù)下降到臨界值系統(tǒng)即處于穩(wěn)定與滑動的臨界狀態(tài)。f臨大，則滑坡易滑，反之則不容易發(fā)生滑坡。

(4)根據(jù)本文給出的馮店滑坡力學模型表達式，當后槽積水為零，僅僅滑坡面上積水時，如果滑面泥巖層被水泥化，也可能使得砂泥巖間的摩擦系數(shù)f降到f臨以下，產生滑坡。這與無后槽積水時也會滑坡的事實相符。

(5)模型計算最終結果表明:f臨值與滑體規(guī)模、滑動面傾角正相關，與滑體重量反相關，滑坡后壁傾角在60°—90°范圍的變化對緩傾滑坡易滑性的影響是很微弱的。

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Abstract:On the basis of research at home and abroad，starting from the landslide mechanism establish geomechanical model of landslides with low dip angle strata，all the parameters in the model，such as landslide size，slip angle，back edge ripping slot seeper depth and so on，were obtained by digital landslide technology and fields investigation and put them into the model formula then landslide critical friction coefficient can be obtained，and landslide total down－slide and total resistance slippery force shall be get.This is the first putting forward the concept of critical friction coefficient and calculating methods，and the coefficient directly related to the slippery ability or stability of the landslide.Analysis shows that the critical friction coefficient and landslide sliding body size(the length and width of the sliding surface)，sliding plane obliquity are positive correlation，with landslide weight inversing relationship.The influence of the dip angle of the back wall changing in 60°－90°on slippery ability of the landslide with low angle strata is very weak.

Key words:landslide with low－angled stratofabric structure;formation mechanism;geomechanical model;digital landslide technology;critical friction coefficient

STUDY ON THE GEOMECHANICAL MODEL OF LANDSLIDE WITH LOW DIP ANGLE STRATA STRUCTURE: TAKING FENGDIAN LANDSLIDE AS AN EXAMPLE

WANG Zhi－h(huán)ua，DU Ming－liang，GUO Zhao－cheng，JIA Wei－jie
(China Aero Geophysical Survey＆Remote Sensing Center for Land and Resources，Beijing100083，China)

P694

A

1006－6616(2012)02－0097－13

2011－12－14

王治華(1965－)，女，中國國土資源航空物探遙感中心教授，博士生導師，長期從事地質災害環(huán)境遙感應用及“數(shù)字滑坡技術”研究。E－mail:577027159@qq.com