青海西寧大通縣韓家山泥巖質(zhì)多級(jí)旋轉(zhuǎn)型滑坡形成機(jī)制研究

辛 鵬,王 濤,吳樹仁

中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所,國(guó)土資源部新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081

青海西寧大通縣韓家山泥巖質(zhì)多級(jí)旋轉(zhuǎn)型滑坡形成機(jī)制研究

辛 鵬,王 濤*,吳樹仁

中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所,國(guó)土資源部新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081

青海大通縣韓家山滑坡是西寧盆地最危險(xiǎn)性的滑坡之一。為分析該滑坡的形成機(jī)制,論文基于高精度的地形數(shù)據(jù)開展變形形式、平面堆積特征的調(diào)查; 結(jié)合連續(xù)取芯鉆探數(shù)據(jù),重建了滑體結(jié)構(gòu); 為定量獲得滑動(dòng)帶力學(xué)性質(zhì)的變化過程,進(jìn)行了滑體與原巖物質(zhì)成分、水理性質(zhì)、應(yīng)力應(yīng)變性質(zhì)的物理化學(xué)測(cè)試,討論了多級(jí)滑動(dòng)剪切面的形成機(jī)制。分析表明: (1)滑體內(nèi)不存在軟弱地層,為近似均質(zhì)地層。滑體為單一的新近系紅色泥巖夾石膏層,不具層理,不含大于0.25 mm碎屑顆粒。泥巖內(nèi)粘土礦物含量在29.7％～46.3％之間,碳酸鈣含量在9.84％～11.58％之間。巖體內(nèi)含形態(tài)不一、大小不一的石膏結(jié)核; (2)泥巖粘粒含量高,水敏性與粘滯性強(qiáng)。泥巖干燥飽和吸水率最低為26.31％,最高為42.12％。泥巖樣品環(huán)剪試驗(yàn)呈應(yīng)變軟化型,隨著含水率的增大,強(qiáng)度急劇降低?；w快速滑動(dòng)過程中,非飽和的滑帶土受粘性物質(zhì)、孔隙性的影響,產(chǎn)生強(qiáng)吸力; (3)滑體以旋轉(zhuǎn)變形破壞為主,斜坡受河流側(cè)向侵蝕影響,滑床附近的巖土體漸進(jìn)性破壞,出現(xiàn)多級(jí)滑動(dòng)現(xiàn)象。

滑坡; 泥巖; 多級(jí)旋轉(zhuǎn); 河流側(cè)向侵蝕; 形成機(jī)制; 漸近性破壞

青藏高原腹地的西寧盆地工程地質(zhì)環(huán)境脆弱,內(nèi)動(dòng)力運(yùn)動(dòng)劇烈,河流侵蝕作用強(qiáng),巨大型滑坡發(fā)育31處,中型滑坡234處(李芙林等,2005)。巨大型滑坡常出現(xiàn)復(fù)活現(xiàn)象,長(zhǎng)期處于不穩(wěn)定狀態(tài)。2012年8月,降雨引起西寧市北坡林家崖堆積體復(fù)活,威脅市區(qū)3萬(wàn)多人,治理經(jīng)費(fèi)超過千萬(wàn)元。同年12月,互助小菜子溝巨型滑坡發(fā)生復(fù)活滑動(dòng),滑坡裂縫延伸300多m,體積達(dá)到8000多萬(wàn)m3,350多人被迫搬離家園?；聻?zāi)害成為制約西寧地區(qū)地質(zhì)環(huán)境安全的重要因素(張強(qiáng)驊等,2010)。1978年7月,韓家山滑坡南側(cè)近前緣發(fā)生小規(guī)?；瑒?dòng),毀壞8間房屋,導(dǎo)致1人死亡。2007年,滑坡再次滑動(dòng)至青?！陆瓦\(yùn)專線附近,威脅公路的安全,研究其形成機(jī)制對(duì)滑坡運(yùn)動(dòng)模式識(shí)別、災(zāi)害預(yù)警具有重要意義(張永雙等,2005; 吳樹仁等,2006; 談樹成等,2012; 辛鵬等,2012)。

西寧盆地的巨大型滑坡滑動(dòng)面均位于新近系泥巖中(張海霞等,2005; 魏玉峰等,2010),與黃土高原甘肅、寶雞地區(qū)相似,新近系高粘性、泥巖質(zhì)滑床控制的大型滑坡發(fā)育兩個(gè)及以上的多級(jí)滑面,呈多級(jí)旋轉(zhuǎn)、漸近破壞狀(胡海濤等,1965; 胡廣韜,1986),為斜坡失穩(wěn)的主要模式之一。目前,關(guān)于多級(jí)旋轉(zhuǎn)式滑坡的形成機(jī)制有三種觀點(diǎn): 其一受軟弱層控制,高應(yīng)力集中的滑動(dòng)帶塑性區(qū)選擇滑床附近的強(qiáng)度相對(duì)軟弱的地層擴(kuò)展,多為富含泥質(zhì)、粘土質(zhì)層面,層狀泥巖的蠕變,引起塑性流動(dòng)變形,沿著軟弱層面擠出,誘發(fā)滑體深層逐次旋轉(zhuǎn)解體、后退滑動(dòng)。如三峽庫(kù)區(qū)千將坪滑坡(李守定等,2007);其二因河流侵蝕岸坡,溝谷深達(dá)上百米,近水平半固結(jié)泥巖的卸荷回彈引起溝谷應(yīng)力的調(diào)整,導(dǎo)致近水平剪切應(yīng)力出現(xiàn)、坡腳水平應(yīng)力集中,對(duì)于具有應(yīng)變軟化的性質(zhì)的泥巖而言,破壞會(huì)從坡腳高應(yīng)力逐級(jí)向坡體后緣擴(kuò)展,表現(xiàn)出多級(jí)旋轉(zhuǎn)擴(kuò)展?fàn)?李濱等,2011); 其三,泥巖在干濕環(huán)境交替作用下,產(chǎn)生強(qiáng)烈膨脹收縮變形,主導(dǎo)剪切面形成,如渭河中游的寶雞北坡簸箕山滑坡(李濱等,2012; 辛鵬等,2013)。由此可見,滑體內(nèi)是否存在穩(wěn)定的軟弱層或者強(qiáng)蠕變變形帶？水巖耦合作用下泥巖膨脹性如何？這兩個(gè)問題是分析近水平層狀巖質(zhì)滑坡變形機(jī)制的關(guān)鍵,決定了對(duì)現(xiàn)今復(fù)活形式的判斷,是分析判斷滑坡多級(jí)滑面形成的基礎(chǔ)。

組成滑體材料的力學(xué)性質(zhì)是變形破壞的基礎(chǔ)。為研究韓家山滑坡多級(jí)旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)機(jī)制,論文開展了三方面的工作: ①基于高精度的DEM數(shù)據(jù),開展滑坡變形形式、平面堆積特征的調(diào)查及堆積物年齡測(cè)試。結(jié)合連續(xù)鉆探取芯數(shù)據(jù),重建了滑體結(jié)構(gòu);②通過對(duì)滑體的物質(zhì)成分、水理性質(zhì)與應(yīng)力應(yīng)變性質(zhì)的對(duì)比測(cè)試,獲得了原巖轉(zhuǎn)換為滑動(dòng)帶的過程中物質(zhì)成分、力學(xué)性質(zhì)的變化; ③基于調(diào)查、測(cè)試分析的結(jié)果、巖土體物質(zhì)組成與破壞力學(xué)過程的關(guān)系,討論滑動(dòng)面形成動(dòng)力源、多級(jí)滑面產(chǎn)生及復(fù)活的形式。

1 滑坡基本特征

1.1 滑坡工程地質(zhì)環(huán)境

青海西寧市大通縣位于西寧—民和盆地內(nèi),系青藏高原腹地,南部為大坂山,北部為祁連山山脈。湟水河自西向東穿越盆地中心,為盆地一級(jí)水系。韓家山滑坡位于湟水河支流北川河下游右岸,屬于侵蝕剝蝕中低山丘陵區(qū)。海拔在2280～3200 m范圍內(nèi),最大高差為410 m。坡體斜長(zhǎng)約400 m,坡度約為25o。晚更新世以來,河流侵蝕下切,北川河河谷中發(fā)育六級(jí)階地,分別形成于Ⅰ級(jí)0.01 Ma,Ⅱ級(jí)0.05～0.07 Ma,Ⅲ級(jí)0.12～0.15 Ma,Ⅳ級(jí)0.54 Ma,Ⅴ級(jí)0.78 Ma,Ⅵ級(jí)1.19 Ma(曾永年等,1995),最大拔河高度約156 m。斜坡的巖層由兩部分構(gòu)成: 上部為黃土及其次生崩塌堆積物,下部為新近系中新統(tǒng)貴德群謝家組泥巖、泥質(zhì)膏巖復(fù)合地層。工程性質(zhì)上,黃土表現(xiàn)為疏松、大孔隙粉土,強(qiáng)濕陷性。新近系泥巖、泥質(zhì)膏巖復(fù)合地層為軟巖,層厚約210 m,膏巖層平均厚約8 m,局部厚約60 m。

韓家山滑坡平面上呈簸箕底形(圖1),滑向290°,東西長(zhǎng)約990 m,南北寬約1350 m,平均厚約25～35 m,高約280 m,體積3100×104～ 3500×104m3。后緣位于階地侵蝕面頂部,坡腳達(dá)河漫灘?；戮哂型暾亩嗉?jí)弧形滑動(dòng)邊界,形成六級(jí)大型次級(jí)滑體(圖2),主滑體平面呈“弓型”狀鼓出。左側(cè)壁陡坎清晰(圖3B),高差約70～120 m,后緣邊界呈半圓形,高度約86 m,右側(cè)邊界與沖溝相鄰。剖面上呈多級(jí)階梯狀,表現(xiàn)為后緣、坡腳較陡,坡體中部較緩,逐級(jí)滑動(dòng)?；w坡度約17°?？碧奖砻? 滑動(dòng)帶發(fā)育于新近系泥巖地層中,擦痕、鏡面形態(tài)清晰(圖4b,c)?；餐瑯影l(fā)育于該地層中。

圖1 韓家山滑坡平面形態(tài)圖Fig. 1 Horizontal projecting shape of Hanjiashan landslide

圖2 韓家山滑坡工程地質(zhì)剖面圖Fig. 2 Engineering geological section of Hanjiashan landslide

韓家山滑坡次級(jí)滑體仍處于蠕變變形狀態(tài)。1978年7月,韓家山滑坡南側(cè)近前緣發(fā)生小規(guī)?；瑒?dòng)。2003年9月8日,滑體中前部出現(xiàn)長(zhǎng)約250 m、寬1 cm的裂縫,可見深度0.2～0.4 m; 前緣有4～5處出水點(diǎn),且局部坍塌,方量約20 m3; 至9月28日,羽狀裂隙貫通,裂縫寬增至5 cm,可見深度最深達(dá)0.7 m,裂隙增長(zhǎng)至300 m左右; 滑坡前緣出水點(diǎn)增多,呈斷續(xù)分布,坡體上居民房屋出現(xiàn)裂縫。2007年,滑坡再次出現(xiàn)變形,坡腳的小型滑體運(yùn)動(dòng)至客運(yùn)專線附近,2010年雨季,變形向后緣擴(kuò)展,前緣出現(xiàn)局部滑動(dòng),后緣裂縫擴(kuò)展長(zhǎng)達(dá)460 m,復(fù)活滑動(dòng)沿著老滑動(dòng)面整體下挫5～8 m,滑動(dòng)距離約8 m。隨著前緣次級(jí)滑體變形的發(fā)展,滑坡活動(dòng)有逐步向后緣擴(kuò)展的趨勢(shì)。韓家山滑坡多級(jí)滑體形成存在先后順序,對(duì)主滑坡左側(cè)壁覆蓋的階地粉土沉積年齡進(jìn)行測(cè)試,數(shù)據(jù)顯示粉土沉積于8.83 ka前,主滑體可能發(fā)育于一級(jí)階地侵蝕期,為一老滑坡(圖3)。

組成滑體主體的泥巖、泥質(zhì)膏巖復(fù)合地層中是否存在穩(wěn)定的軟弱層和水巖耦合的力學(xué)響應(yīng)是多級(jí)滑面形成的核心問題。解決上述問題需分析新近系泥巖層內(nèi)相對(duì)軟弱層發(fā)育環(huán)境、類型及水敏性質(zhì),該性質(zhì)與地層的沉積環(huán)境、沉積類型、成因等基礎(chǔ)地質(zhì)背景相聯(lián)系。

1.2 滑動(dòng)帶發(fā)育特征

工程地質(zhì)學(xué)家(Picarelli et al.,2010)認(rèn)為碎屑流底邊界清晰,沿運(yùn)動(dòng)路徑呈粘滯性、體積漸增狀流動(dòng),且運(yùn)動(dòng)中具有不計(jì)其數(shù)的滑動(dòng)面是標(biāo)志性特征。旋轉(zhuǎn)與平推型滑坡沿滑動(dòng)面連續(xù)滑動(dòng),整個(gè)滑坡體經(jīng)歷很小的內(nèi)部應(yīng)變,漸進(jìn)或者連續(xù)的變形集中于滑帶附近,且滑動(dòng)帶的變形是韌性的。而陡崖崩塌則多為土體增濕、增重產(chǎn)生脆性破壞的結(jié)果,滑動(dòng)面同樣清晰可見。對(duì)比可見滑坡、崩滑均會(huì)產(chǎn)生有限數(shù)量的滑動(dòng)面?；瑒?dòng)面在滑體內(nèi)賦存形式折射了其啟動(dòng)、運(yùn)動(dòng)過程。為分析斜坡內(nèi)地層的沉積環(huán)境、類型與成因等基礎(chǔ)地質(zhì)背景及啟動(dòng)機(jī)制,布置兩個(gè)對(duì)比性取芯鉆孔。其中: 鉆孔1(ZK1)位于滑坡體中部,孔深約70.2 m; 鉆孔2(ZK2)位于滑坡后緣山梁處,深約69.5 m,代表未受擾動(dòng)的完整巖芯結(jié)構(gòu)(圖4)。

圖3 韓家山滑坡地貌Fig. 3 General view of Hanjiashan landlide

圖4 滑體與原狀巖體鉆探取樣Fig. 4 Drilling and sampling of slide mass

表1 物質(zhì)成分對(duì)比測(cè)試表Table 1 Comparative test table of material composition

鉆孔1內(nèi)連續(xù)取芯顯示: 該處發(fā)育兩級(jí)滑面,淺層滑面位于15.7 m處,滑動(dòng)帶薄。深層滑面在地下59.5～62.5 m處為滑動(dòng)帶,主滑面出露于60.6 m處,代表新近系泥巖滑動(dòng)后的結(jié)構(gòu)?？變?nèi)巖芯具有如下特點(diǎn): ①自坡頂至底部,新近系泥巖與石膏呈碎塊狀、大小不均勻,運(yùn)動(dòng)后混雜在一起(圖4a),無(wú)明顯的沉積韻律組合; ②出露兩組滑動(dòng)面: 淺層滑動(dòng)面位于可能為坡體后緣滑動(dòng)所致。深層滑動(dòng)面在新近系泥巖中深約60.6 m位置出露兩組滑動(dòng)帶。其中,深層滑面附近滑帶厚約15～20 cm,紅色泥巖、石膏均參與快速滑動(dòng),以棕紅色泥巖為主(圖4b,c)。滑面平整光潔,二者均留有擦痕,劈理化嚴(yán)重,結(jié)構(gòu)較松散,深部滑帶中裂隙次生充填的石膏脈,證明此滑坡不是新生滑坡。③地下水出露在26.4 m深度處,在0～26 m范圍內(nèi),坡體巖體結(jié)構(gòu)松散,有大量溶蝕的孔隙,導(dǎo)致泥漿滲漏,鉆探速度快; 在水位以下,巖芯上拔過程中有較強(qiáng)的吸力,取出的巖芯呈塑性狀,與泥巖粘性強(qiáng)有關(guān)。

鉆孔2內(nèi)的巖心的結(jié)構(gòu)組合特征: ①新近系地層為紅色泥巖夾石膏層,石膏、紅色泥巖不具層理、不含＞0.25 mm碎屑顆粒。石膏既有形態(tài)不一、大小不一的團(tuán)塊結(jié)核,又有透明半透明板狀透晶體,還有肉眼難辨認(rèn)的微粒狀分散分布微晶,以不規(guī)則石膏結(jié)核和大小不一的透石膏晶體和微粒的形式不均勻地分布在泥巖中,并非為獨(dú)立的石膏層或石膏夾層; ②不同的層位不同的巖芯或同一塊巖芯不同部位,石膏團(tuán)塊大小、密度,透石膏粗晶體含量極不均一。

2 滑坡巖土體試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)方法

河流側(cè)向侵蝕、地下水的作用是觸發(fā)滑坡應(yīng)力場(chǎng)變化的主要因素,引起了滑帶組分變化。為定量分析滑體的物質(zhì)成分、水理性質(zhì)及強(qiáng)度變化,自頂部至底部取鉆孔ZK1、ZK2試樣,間隔8～10 m取樣。在取樣、加工過程中,用保鮮膜密封,保證其不被光照,防止樣品水分散失。試驗(yàn)分三組:

①第一組為物質(zhì)組成測(cè)試: 首先按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》中顆分試驗(yàn)移液管法測(cè)量樣品的級(jí)配組成;而后利用X射線粉晶衍射進(jìn)行全礦物定量分析與比表面積含量測(cè)定; 進(jìn)行原巖碳酸鈣、膏巖、石膏的含量易溶鹽等鹽離子成分定量測(cè)試。

②第二組為巖石的水理性質(zhì)測(cè)試: 采用不規(guī)則巖塊崩解試驗(yàn)和巖塊干燥飽和吸水率指標(biāo)測(cè)量觀測(cè)巖塊的崩解特性、吸水率,確定泥巖的軟硬度及膨脹性。

③第三組為力學(xué)性質(zhì)測(cè)試: 在地下水與靜力作用效應(yīng)中,分析不同含水率下的直剪強(qiáng)度特征; 取ZK2內(nèi)原巖進(jìn)行取滑帶土進(jìn)行環(huán)剪試驗(yàn),取重塑泥巖滑帶土的含水率為19.2％,在加載過程中,采用固結(jié)不排水剪,剪切速率為0.01 mm/min,模擬快速剪切過程中動(dòng)水壓力環(huán)境下巖體的變形破壞機(jī)制。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

(1)物質(zhì)成分測(cè)試

取樣巖芯顯示石膏層無(wú)明顯的水生沉積韻律特征,對(duì)兩個(gè)鉆孔的樣品進(jìn)行顆粒級(jí)配試驗(yàn)可見(表1): 新近系泥巖原巖與滑體級(jí)配相同,顆粒大于2.0 mm的物質(zhì)平均占1.39％,粒徑在2.0～0.005 m的顆粒占60.31％,粒徑小于0.005顆粒物質(zhì)占38.28％。兩個(gè)巖芯內(nèi)均不含大于0.25 mm的顆粒。與陜西寶雞湖相泥巖相比,韓家山地區(qū)顆粒粒徑更細(xì),不含有砂、礫石等大粒徑物質(zhì)。

表2 韓家山滑坡泥巖全巖礦物組成Table 2 Mineral composition of total red mudstone with gypsum of Hanjiashan landslide

巖石的礦物組成是其力學(xué)強(qiáng)度的基礎(chǔ)。新近系紅色泥巖屬碎屑巖,利用X光衍射的全巖礦物成分分析可見: 粘土礦物含量最高,其次依次是石英、方解石、石膏、鈉長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石(表2)。出露泥巖地層粘土礦物含量在29.7％～46.3％之間,這與顆粒級(jí)配分析的結(jié)果一致。高粘粒含量導(dǎo)致紅色泥巖具有較高的粘聚力。石英含量在23.2％～26.1％; 方解石含量在11％～22.9％,石膏的含量在8.3％～15.7％。鈉長(zhǎng)石含量在9.1％～6.1％之間,鉀長(zhǎng)石是泥巖中的微量礦物,含量0.3％～0.6％之間。此外,化學(xué)法測(cè)試表明: 巖石膠結(jié)作用主要來自于碳酸鈣礦物,其含量在9.84％～11.58％之間,個(gè)別層位高達(dá)18.41％,將顯著提高巖石的粘聚力。但這遠(yuǎn)低于三門組湖相泥巖中碳酸鈣的平均含量,而硫酸鈣含量在8.09％～19.54％之間。

泥巖中的石膏在干旱、極干燥的環(huán)境下是穩(wěn)定的,將提高泥巖的摩擦強(qiáng)度,表1顯示: 鉆孔1(ZK1)中石膏最高含量達(dá)7.14％,平均含量為4.34％; 鉆孔2(ZK2)中石膏最高含量達(dá)15.18％,平均含量為4.63％,二者含量差異不大。分散狀微晶石膏作為石膏質(zhì)膠結(jié)物會(huì)提高泥巖的粘聚力。而分布極不均勻的石膏結(jié)核會(huì)提高摩擦強(qiáng)度。同時(shí),結(jié)核狀石膏和板狀透石膏晶體,因本身自帶結(jié)晶水,其溶解速率極低,不是改變巖土力學(xué)性質(zhì)的主要因素。

與陜西寶雞市北坡出露的三門組湖相地層相比,韓家山紅色泥巖碳酸鈣含量明顯偏低,且細(xì)粒物質(zhì)含量更高,比表面積更大。泥巖、膏巖地層無(wú)沉積韻律,可能并非鹽湖沉積,其建造形成與黃土高原及周邊地區(qū)的N2三趾馬紅土同屬新近紀(jì)、且顏色相同相近,可能均為風(fēng)積作用結(jié)果(岳樂平,1996),需進(jìn)一步研究判斷?；w內(nèi)石膏可能與黃土中鈣質(zhì)結(jié)核形成相似,原始泥質(zhì)沉積物質(zhì)內(nèi)富含大量分散的細(xì)石膏顆粒。在沉積過程和沉積后受雨水、坡面水作用,發(fā)生了溶解、遷移、再富集,從而形成石膏結(jié)核或重結(jié)晶的透石膏晶體。因粘粒含量高,在干濕交替環(huán)境下,易吸水膨脹,產(chǎn)生強(qiáng)度軟化效應(yīng),導(dǎo)致強(qiáng)度衰減。

(2)水理性質(zhì)測(cè)試

富含粘土礦物的泥質(zhì)巖具有膨脹性、崩解性,屬于軟巖地層中性質(zhì)最復(fù)雜的巖石類型。水的直接作用并不會(huì)導(dǎo)致無(wú)節(jié)理裂隙的天然泥質(zhì)膨脹巖膨脹、崩解。當(dāng)巖石被剪切碎裂化后,地下水沿著節(jié)理、裂隙滲流,逐步向巖體內(nèi)部滲透,節(jié)理裂隙附近的粘土礦物遇水膨脹崩解。當(dāng)滲透作用停止,巖石再次干燥失水后,節(jié)理裂隙帶向巖體內(nèi)部延伸。如此,在干濕循環(huán)作用下,泥巖強(qiáng)烈的膨脹、崩解作用范圍逐步擴(kuò)大,促使泥巖破碎帶的不斷擴(kuò)大、泥化。

不規(guī)則巖塊崩解試驗(yàn)與干燥飽和吸水試驗(yàn)結(jié)果表明(表3): ①貧石膏團(tuán)塊(結(jié)核)的紅色泥巖,在水中全部崩解為粉泥狀物,而富含石膏結(jié)核(團(tuán)塊)的泥巖,石膏團(tuán)塊不崩解僅泥巖泥質(zhì)物崩解為粉泥狀。測(cè)得的巖塊干燥飽和吸水率最低為26.31％,最高為42.12％,平均為33.32％。其干燥飽和吸水率大小與粘粒含量密切相關(guān)。石膏尤其石膏團(tuán)塊含量越多吸水率越小。②粘土礦物XRD法定量測(cè)試結(jié)果表明,雖粘粒中蒙脫石的含量較高,但膨脹性粘土礦物為中等混層比(40％～45％)的I/S混層礦物,相對(duì)含量占35％～44％,即小于非膨脹性粘土礦物(I.K.C)總量。③泥質(zhì)膨脹巖水巖作用極為敏感,在滑坡體內(nèi)存在3處高含水量的軟泥化層,高達(dá)19.83％、18.49％與20.46％,均為滑動(dòng)剪切帶發(fā)育位置,高于其他部位巖性,其塑限為19.32％～22.98％,液限為28.94～41.99。

(3)力學(xué)變形性質(zhì)

水與泥巖的耦合作用是滑坡體變形的核心問題,可細(xì)分為長(zhǎng)期的靜水環(huán)境與短期的高孔隙水壓力下的動(dòng)水環(huán)境。對(duì)滑體附近完整巖石進(jìn)行直剪試驗(yàn)可見: 樣品含水率為14.1％時(shí),粘聚力為700 kPa,內(nèi)摩擦角為28.2°,當(dāng)含水率為時(shí)17.32％時(shí),粘聚力為0.21 kPa,內(nèi)摩擦角為20.32°。在剪切過程中,基本無(wú)飽和水從孔隙水中析出,這與泥巖的高粘粒含量密切相關(guān)。與含水率14.1％相比,含水率為17.32％時(shí)泥巖殘余強(qiáng)度降低,反映了粘土礦物遇水降低了顆粒間的粘結(jié)力,從而更易于顆粒間的摩擦滑動(dòng)。

大部分滑坡快速滑動(dòng)過程中,極易引起孔隙壓縮,產(chǎn)生高孔隙水壓力而加速滑體的滑動(dòng)。環(huán)剪試驗(yàn)可模擬長(zhǎng)距離、高速剪切環(huán)境,測(cè)量遠(yuǎn)程滑坡動(dòng)態(tài)摩擦過程中物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)形態(tài)及孔隙水壓力變化。如圖5所示: 韓家山滑帶土經(jīng)固結(jié)、快速環(huán)剪,可見剪切面呈凹凸不平狀,沿剪切方向粘土礦物的定向排列,滑動(dòng)帶出現(xiàn)摩擦分層、面理現(xiàn)象。對(duì)含水率為19.2％的滑帶土,當(dāng)剪切速率為0.01 mm/min時(shí),當(dāng)位移達(dá)到65 cm,剪切應(yīng)力達(dá)到初始峰值256 kPa,而后迅速衰減,殘余強(qiáng)度穩(wěn)定在159 kPa。陜西寶雞三門組湖湘粘土巖進(jìn)行類似的滑動(dòng)速率的剪切試驗(yàn),顯示出同樣的規(guī)律: 峰值強(qiáng)度大于殘余強(qiáng)度,滑帶土強(qiáng)度變化呈應(yīng)變軟化狀。在物理機(jī)制上,峰值強(qiáng)度降低過程與粘土礦物的定向排列引起的體積減小相聯(lián)系。

圖5所示的孔隙水壓力的變化與剪切應(yīng)力的變化具有一致性。對(duì)韓家山滑坡泥巖的環(huán)剪試驗(yàn)表明:在初始峰值剪切應(yīng)力出現(xiàn)時(shí),孔隙水水壓力相應(yīng)地從0逐漸升高至2.1 kPa,經(jīng)過峰值后,孔隙水壓力逐步減低,在后續(xù)的剪切摩擦中持續(xù)地維持在–0.6 kPa左右。陜西寶雞三門組湖湘粘土巖樣品的孔隙水壓力同樣表現(xiàn)為初始峰值出現(xiàn)時(shí)為正值,在穩(wěn)定的殘余強(qiáng)度出現(xiàn)時(shí),持續(xù)表現(xiàn)為負(fù)值?？紫端畨毫檎嫡f明滑帶土樣品被壓縮,可降低有效應(yīng)力。而后的負(fù)值說明,此時(shí)的孔隙水壓力表現(xiàn)為吸力,有利于增大有效應(yīng)力。說明在快速滑動(dòng)過程中,由于粘性物質(zhì)、孔隙性的影響,非飽和的水產(chǎn)生的吸力有利于滑坡的穩(wěn)定。

表3 原巖與滑體水理性質(zhì)對(duì)比表Table 3 Comparative table of water-physical property of protolith and slide mass

圖5 韓家山滑帶土環(huán)剪試驗(yàn)應(yīng)力-位移-孔隙水壓力曲線Fig. 5 Stress-displacement-pore water pressure curve of ring shear test for Hanjiashan slip soil

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

部分存在軟弱層的滑坡,其滑動(dòng)沿著軟弱層面發(fā)生,僅有一個(gè)滑動(dòng)面。而部分滑坡在超孔隙水壓力作用下發(fā)生液化,有無(wú)數(shù)的滑動(dòng)面。組成韓家山滑坡的為單一的新近系為紅色泥巖夾石膏層,因不具層理,可近似看作均質(zhì)地層。Lupini(1981)認(rèn)為粘粒含量小于24％、塑性指數(shù)低于43的均質(zhì)巖土體,有效內(nèi)摩擦角在28°以上,環(huán)剪試驗(yàn)中峰值強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度變化不大,變形由砂粒控制,多以滾剪形式為主。在粘粒含量高于50％巖土體中,可能接近與純粘土礦物,易于定向排列,且峰值強(qiáng)度與參與強(qiáng)度差別較大,有效內(nèi)摩擦角低于10°,變形多表現(xiàn)出滑動(dòng)剪切。而介于這兩種極端情況之間的巖土體變形以旋轉(zhuǎn)破壞為主(圖6a)。

滑動(dòng)面的幾何形態(tài)同樣受到泥巖物質(zhì)組成性質(zhì)的影響。滑坡坡頂、坡體中部及坡腳的應(yīng)力狀態(tài)分布如圖6b所示。在斜坡的坡腳最大主應(yīng)力近水平,最小主應(yīng)力近垂直,在斜坡中部最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力傾斜,而在斜坡的坡肩處最大主應(yīng)力與重力的方向相同,即為重力,最小主應(yīng)力近水平。按照庫(kù)倫摩爾準(zhǔn)則,滑動(dòng)破裂面的產(chǎn)生于與第一主應(yīng)力方向呈45-φ/2交角處。按照此應(yīng)力場(chǎng)分布,對(duì)于韓家山泥巖有效內(nèi)摩擦角在10°～25°之間,其滑動(dòng)面整體形態(tài)如圖6b所示,呈圓弧狀。

韓家山多級(jí)滑面的出現(xiàn)是巖土體漸進(jìn)性變形破壞的結(jié)果。產(chǎn)生漸進(jìn)性變形與巖土體應(yīng)變軟化性質(zhì)相關(guān)。剪切應(yīng)力隨著潛在滑動(dòng)面的發(fā)展會(huì)逐步轉(zhuǎn)移。在滑動(dòng)面的不同部位,坡體應(yīng)力可能低于峰值強(qiáng)度,或者高于峰值強(qiáng)度,或已經(jīng)破壞接近殘余強(qiáng)度,這取決于滑動(dòng)面已經(jīng)產(chǎn)生的變形量。當(dāng)某個(gè)部位應(yīng)力率先達(dá)到峰值強(qiáng)度后,產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變發(fā)生體積收縮,而后大應(yīng)變破壞。這種體積的收縮會(huì)相應(yīng)引起附近相鄰未達(dá)到峰值強(qiáng)度的巖體產(chǎn)生變形,直到斜坡整個(gè)坡體潛在滑動(dòng)面貫通。而河流側(cè)向侵蝕下切產(chǎn)生的拔河高度達(dá)150 m之多,改變了坡體的應(yīng)力分布。綜合上述討論,韓家山滑坡形成可分為三個(gè)階段:

(1)初級(jí)滑面產(chǎn)生: 河流的側(cè)向侵蝕是主導(dǎo)因素。青藏高原外動(dòng)力作用強(qiáng)烈,下切深度大,河流侵蝕成為最大的外動(dòng)力因素。河流侵蝕產(chǎn)生的卸荷可能是坡腳應(yīng)力集中的主要原因。根據(jù)地貌學(xué)的研究結(jié)論,新近系以來,北川河產(chǎn)生的階地,最大的拔河高度達(dá)到150 m之多。這種側(cè)向侵蝕不僅改變了坡體的形態(tài),而且產(chǎn)生了垂直方向的卸荷效應(yīng),導(dǎo)致坡腳應(yīng)力集中(圖7a)。坡腳的巖土體率先達(dá)到屈服狀態(tài),形成初級(jí)滑面,擴(kuò)展的范圍僅僅在坡腳附近(圖7b)。

(2)滑面產(chǎn)生: 巖體的應(yīng)變軟化性質(zhì)是主導(dǎo)因素。自坡腳的第一級(jí)滑面產(chǎn)生后,滑坡體產(chǎn)生相應(yīng)的塊體滑動(dòng)變形。由于巖石具有應(yīng)變軟化特性,第一級(jí)滑體在滑動(dòng)過程中,體積收縮,變形空間驟然增大,河流繼續(xù)側(cè)向侵蝕,坡腳巖體的剪出口側(cè)向應(yīng)力得到釋放。老滑體坡腳的臨空高度逐漸增高,坡腳巖體再次進(jìn)入應(yīng)力集中、屈服階段,引起大規(guī)模的滑動(dòng),相應(yīng)產(chǎn)生第二級(jí)滑動(dòng)面(圖7c)。坡體中下部地下水豐富,具有應(yīng)變軟化的環(huán)境是另一影響因素。

圖6 滑坡變形與粘粒物質(zhì)含量關(guān)系Fig. 6 Relation between landslide deformation and clay particle content

圖7 多級(jí)旋轉(zhuǎn)滑坡形成模式Fig. 7 Formation model of multi-rotation landslide

(3)滑體復(fù)活: 裂隙化的滑坡體在降雨作用下,逐步匯聚地下水,地下水水位逐步升高?；瑒?dòng)帶內(nèi)粘土物質(zhì)因結(jié)構(gòu)松散、透水性強(qiáng),強(qiáng)度弱化加速。受到季節(jié)性降雨強(qiáng)度的影響,地下水水位隨之變化,滑動(dòng)帶出現(xiàn)干濕交替的環(huán)境,泥巖在這種環(huán)境下,強(qiáng)烈崩解、泥化,膠結(jié)的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步解體,強(qiáng)度降低,將引起滑坡體沿老滑面復(fù)活。

3.2 結(jié)論

(1)韓家山滑坡體內(nèi)不存在軟弱地層,可看作近似均質(zhì)地層。韓家山滑坡由單一的上新世紅色泥巖夾石膏層組成,石膏紅色泥巖不具層理,不含大于0.25 mm碎屑顆粒,粘土礦物含量在29.7％～46.3％之間,碳酸鈣含量在9.84％～11.58％之間,遠(yuǎn)低于湖相沉積的三門湖粘土巖。巖體夾雜石膏為形態(tài)不一、大小不一的結(jié)核,可能并非為鹽湖沉積形成的,是風(fēng)成沉積的產(chǎn)物。

(2)泥巖粘粒含量高,水敏性強(qiáng)、粘滯性高,在快速剪切過程中,具有較高的吸力。巖塊干燥飽和吸水率最低為26.31％,最高為42.12％。三軸壓縮試驗(yàn)呈應(yīng)變軟化狀,隨著含水率的增大,強(qiáng)度急劇降低。快速滑動(dòng)過程中,由于粘性物質(zhì)、孔隙性的影響,非飽和的滑帶土產(chǎn)生強(qiáng)吸力。

(3)韓家山泥巖以旋轉(zhuǎn)變形為主,多級(jí)滑面的出現(xiàn)是巖土體漸進(jìn)性變形破壞的結(jié)果。與泥巖應(yīng)力軟化性質(zhì)相關(guān),是河流側(cè)向侵蝕作用的結(jié)果。其形成分為: 初級(jí)滑面、主滑面產(chǎn)生、滑體復(fù)活三個(gè)階段。河流側(cè)向侵蝕作用引起了坡體應(yīng)力調(diào)整,導(dǎo)致坡腳應(yīng)力集中。初次滑動(dòng)后,引起相鄰巖體的剪出口側(cè)向應(yīng)力得到釋放,隨著河流側(cè)向侵蝕作用的加劇,坡腳巖體進(jìn)入應(yīng)力集中、屈服階段,引起后緣更大規(guī)模的滑動(dòng),相應(yīng)產(chǎn)生第二級(jí)滑面。后續(xù)的降雨、地下水作用誘發(fā)碎裂狀老滑體復(fù)活滑動(dòng)。

Acknowledgements:

This study was supported by National Natural Science Foundation of China (No. 41402281),the National Science and Technology Pillar Program during the Twelfth Five-year Plan Period (No. 2012BAK10B02) and China Geological Survey (No. 1212011220144).

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The Formation Mechanism of Multilevel Rotational Mudstone Landslides in Hanjiashan of Datong County,Qinghai Province

XIN Peng,WANG Tao*,WU Shu-ren
Key laboratory of Neotectonic Movement and Geohazard,Ministry of Land and Resources,Institute of Geomechanics,Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing 100081

There are 31 large-scale landslides in Xining Basin of Qinghai Province,and the Hanjiashan landslide in Datong County is one of the most dangerous. To analyze the deformation mechanism of that landslide,this paper described geometric and kinematic characteristics of the landslide and reconstructed the structure based on high-precision topographic data and continuous coring boreholes data. The authors conducted physical and chemical tests of the material composition,water-physical property and stress-strain property of the shear zone,described the process of mechanical property of shear zone on the basis of these quantitative tests,and then discussed the formation mechanism of multilevel rotational shear planes. Some conclusions have been reached: (1) there is no soft strata in slide mass; instead,the strata seem to be homogeneous formation. The slide mass is composed of red mudstone intercalated with gypsum horizon of Neogene,and both the gypsum and red mudstone are not in stratification and have no particles whose diameter is over 0.25 mm. The clay mineral content of the mudstone is 29.7％～46.3％,and the CaCO3content is 9.84％～11.58％. The concretion of gypsum in the rock mass with different forms and dimensions may not have been formed by salt lake sediments; (2) the mudstone has highclay content,strong water sensitivity and viscosity. The lowest dry saturated water absorption is 26.31％ and the highest is 42.12％. In ring shear test,the mudstone became strain softening,and the strength rapidly decreased when the moisture content increased. When the mudstone was in fast slide,the unsaturated slide zone could have strong suction due to the influence of sticky substances and porosity; (3) the mudstone of the slide mass was mainly in rotational deformation and the multilevel slide zone might have resulted from progressive damage of rock and earth mass and was probably influenced by lateral erosion of the river. Under the influence of lateral erosion of the river,the stress changed and concentrated at the foot of the slope,and the side stress of the adjacent rock mass which changed and concentrated by the fist slide would tend to cause the large-scale slide andprogressive failure.

landslide; mud stone; multi rotation; lateral erosion of river; formation mechanism; progressive failure

P588.23; X43

A

10.3975/cagsb.2015.06.09

本文由國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào): 41402281)、“十二五”國(guó)家科技支撐項(xiàng)目(編號(hào): 2012BAK10B02)和中國(guó)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目“青海湟水河流域地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查及大坡滑坡防治技術(shù)研究”(編號(hào): 1212011220144)聯(lián)合資助。

2015-03-09; 改回日期: 2015-04-28。責(zé)任編輯: 魏樂軍。

辛鵬,男,1984年生。博士,助理研究員。主要從事地質(zhì)災(zāi)害形成機(jī)理研究。E-mail: xxiinnpp@126.com。

*通訊作者: 王濤,男,1982年生。博士,副研究員。長(zhǎng)期從事地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究。E-mail: Wangtao_ig@163.com。