西南地區(qū)紅層滑坡致災(zāi)成因及致災(zāi)模式研究

侯李杰 張玉芳 劉洪瑜，2 李嘉明 李健

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083）

紅層主要形成于中生界白堊系和侏羅系，由于沉積環(huán)境的變化，形成了一系列軟硬相間的地層。紅層軟巖在我國(guó)西南、西北和東南地區(qū)分布最廣［1］。線(xiàn)性工程穿越紅層地區(qū)時(shí)，滑坡等地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題突出，主要原因在于紅層軟巖親水性強(qiáng)，與水反應(yīng)強(qiáng)烈，強(qiáng)度急劇下降［2］。

相對(duì)于常規(guī)滑坡，紅層地區(qū)近水平順層滑坡較為獨(dú)特，這類(lèi)滑坡常發(fā)育近豎直貫通較好的結(jié)構(gòu)面，在降雨、地下水、開(kāi)挖等因素影響下，極易沿層面或近水平結(jié)構(gòu)面發(fā)生平推式滑動(dòng)，因此研究其成因、致災(zāi)過(guò)程及變形破壞機(jī)理對(duì)滑坡的治理意義重大。繆海波［3］對(duì)三峽庫(kù)區(qū)侏羅系紅層滑坡變形破壞機(jī)理與預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)進(jìn)行了研究。耿興福等［4］從影響因素、滑帶土強(qiáng)度特征、破壞形式和變形機(jī)制方面研究了近水平層狀紅層軟巖滑坡的成因機(jī)制。程強(qiáng)等［5］通過(guò)對(duì)四川盆地近水平紅層邊坡變形破壞的調(diào)查分析，歸納總結(jié)出近水平紅層邊坡的主要工程地質(zhì)特征及開(kāi)挖引起的主要變形破壞類(lèi)型。

本文以西南紅層地區(qū)一高速公路路塹滑坡為例，通過(guò)地質(zhì)分析、數(shù)值模擬，結(jié)合滑坡變形特征，詳細(xì)研究其致災(zāi)因子及致災(zāi)模式，確定滑坡穩(wěn)定性系數(shù)及目前所處狀態(tài)。對(duì)該滑坡的治理施工提供理論支撐，也為同類(lèi)型紅層滑坡研究提供參考。

1 滑坡環(huán)境與地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

該滑坡地處四川省境內(nèi)，屬四川盆地西南邊緣小涼山余脈五指山北麓，地勢(shì)西南高東北低，屬于中低山地貌區(qū)，地表植被豐富，主要以竹林、松樹(shù)為主。山體地形平順，自然坡度約15°～30°，坡向60°，線(xiàn)路走向148°，與線(xiàn)路近垂直。人工開(kāi)挖相對(duì)較陡，坡率按1∶0.75～1∶1.00 設(shè)計(jì)，坡度45°～53°。坡頂?shù)匦蜗鄬?duì)平坦，后方有一處陡坎，落差約4 m，兩側(cè)有構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及雨水沖刷形成的溝壑。

1.2 地層巖性

該滑坡地層主要為滑坡堆積層（Q4dl+el）粉質(zhì)黏土、塊石土及侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組（J2s）粉砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖。

1）粉質(zhì)黏土

灰黃色，以粉、黏粒為主，呈可塑狀，結(jié)構(gòu)不均，砂、泥巖碎石含量約25%。如圖1（a）所示。

2）塊石土

暗紫紅色夾灰色，石質(zhì)成分以粉砂質(zhì)泥巖、砂巖為主，次棱角～棱角狀，呈強(qiáng)～中風(fēng)化，其余為粉黏粒填充，松散～稍密，結(jié)構(gòu)不均，多見(jiàn)塊石富集，透水性一般。

3）粉砂質(zhì)泥巖

暗紫紅色，礦物成分以黏土礦物為主，長(zhǎng)石次之，少量石英，鈣泥質(zhì)膠結(jié)，粉泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄層～中厚層狀構(gòu)造，結(jié)構(gòu)不均，局部粉、細(xì)粒富集，呈強(qiáng)～中風(fēng)化。具有飽水軟化、脫水開(kāi)裂風(fēng)化特性。如圖1（b），1（c）所示。

4）細(xì)砂巖

灰青色夾紅灰色，礦物成分以長(zhǎng)石、石英為主，巖屑次之，鈣質(zhì)膠結(jié)，細(xì)粒結(jié)構(gòu)，中厚層構(gòu)造，結(jié)構(gòu)不均，常夾有泥質(zhì)條紋，局部粉粒富集。裂口常見(jiàn)云母富集。如圖1（d）所示。

圖1 地層巖性

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

線(xiàn)路位于馬邊—沐川弧形構(gòu)造內(nèi)的利店—新凡向斜內(nèi)。利店—新凡向斜東起宜賓金子山，西至馬邊桐子林，長(zhǎng)度大于43 km，樞紐波狀起伏，由中生界侏羅系及白堊系地層組成，翼角15°～35°。該滑坡巖層為單斜構(gòu)造，優(yōu)勢(shì)產(chǎn)狀235°∠54°，傾向坡內(nèi)，巖層走向與線(xiàn)路走向近垂直相交。

1.4 水文氣象

該滑坡地處亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)。受地形與區(qū)域氣候影響，降水多集中于5—8月，雨水充沛，該區(qū)域1 d 最大降雨量的多年平均值75～200 m，1 h 最大降水量多年平均值42～67 mm，10 min 的最大降水量多年平均值15～20 mm。地下水主要為第四系松散層孔隙水和基巖裂隙水。

2）基巖裂隙水：主要賦存于侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組（J2s）的砂巖、泥巖裂隙及孔隙中，以降水、松散類(lèi)孔隙水和地表水溝水補(bǔ)給為主，地下水向溪溝方向運(yùn)移，地下水富水性受巖性控制，主要含水層為砂巖，總體富水性較好。

1.5 滑坡變形特征

邊坡在開(kāi)挖至二級(jí)平臺(tái)時(shí)，坡面泥巖卸荷嚴(yán)重，巖體較破碎，加上降雨影響，坡口邊緣出現(xiàn)垮塌，坡口外出現(xiàn)4～6條弧形拉裂縫，長(zhǎng)2～15 m，縫寬0.1～0.4 m。

施工停止后，在二級(jí)邊坡、四級(jí)邊坡處坡面多次出現(xiàn)淺層溜塌。坡頂后緣陸續(xù)出現(xiàn)十余條張性裂縫，并延伸至坡體兩側(cè)沖溝，裂縫最寬達(dá)2.5 m，深約2 m，并伴有明顯錯(cuò)臺(tái)，且多條裂縫河側(cè)高于山側(cè)。如圖2所示。

圖2 邊坡裂縫

2 致災(zāi)成因分析

結(jié)合該滑坡的地形地貌、地層巖性、水文地質(zhì)、工程擾動(dòng)等因素，判斷該邊坡的巖土結(jié)構(gòu)類(lèi)型屬反傾層狀巖體結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)特征為邊坡巖層傾向與開(kāi)挖臨空面傾向相反。邊坡巖體發(fā)育有順坡向構(gòu)造節(jié)理，其巖體變形破壞模式主要為構(gòu)造結(jié)構(gòu)面切割巖體的滑移破壞，主要以?xún)A向臨空面的構(gòu)造結(jié)構(gòu)面為剪切滑移面。

2.1 成災(zāi)背景

1）地形。該滑坡后緣在地形上相對(duì)平緩，后緣上方發(fā)育有一處陡坎，陡坎為滑坡啟動(dòng)提供了良好的匯水面積，且陡坎也為地表水進(jìn)入斜坡提供了暢通的通道。

2）結(jié)構(gòu)面。在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用下該邊坡巖體發(fā)育有順坡向構(gòu)造節(jié)理，傾角5°～10°，為邊坡滑移面的產(chǎn)生提供了有利條件。

3）巖性。該邊坡下伏基巖為粉砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖，屬紅層軟巖，具有遇水易軟化、失水易崩解、巖性軟弱的特點(diǎn)［1］。天然狀態(tài)下較為完整，力學(xué)性能良好，遇水后短時(shí)間內(nèi)迅速膨脹、崩解和軟化，從而造成巖體力學(xué)性能急劇變差［6］。易導(dǎo)致滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。

4）水文地質(zhì)條件。地下水多斌存于粉砂質(zhì)泥巖、砂巖構(gòu)造裂隙中，富水性較強(qiáng)，易形成儲(chǔ)水通道，便于地下水?dāng)y帶巖土碎屑，沿構(gòu)造裂隙面富集且易滑動(dòng)。

2.2 外界誘發(fā)因子

1）邊坡開(kāi)挖。開(kāi)挖施工過(guò)程中在邊坡坡腳前緣形成臨空面，強(qiáng)烈的施工擾動(dòng)破壞土體原有的應(yīng)力平衡，在地下水等因素共同作用下極易在坡腳開(kāi)挖位置形成剪出口，導(dǎo)致滑坡病害。

2）降雨。該地區(qū)處于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，雨水充沛，地表水連續(xù)下滲，增加土體自重，進(jìn)一步軟化構(gòu)造裂隙面，造成其物理力學(xué)性質(zhì)改變。當(dāng)構(gòu)造裂隙面摩擦力不足以支撐上部土體自重時(shí)，上部土體即下滑形成滑坡。

3 致災(zāi)模式分析

通過(guò)地質(zhì)勘察及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，依據(jù)《滑坡分析與防治》［7］中對(duì)滑坡發(fā)育的11 個(gè)階段劃分，認(rèn)為目前滑坡處于滑動(dòng)階段。結(jié)合致災(zāi)成因、病害現(xiàn)象，認(rèn)為該邊坡發(fā)展至今共歷經(jīng)五個(gè)過(guò)程。

1）蠕動(dòng)滑移

邊坡開(kāi)挖為滑坡的發(fā)生提供了良好的臨空面，開(kāi)挖改變了巖體內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)，在坡體內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力集中和重新調(diào)整，使巖體向臨空面發(fā)生卸荷作用，形成一系列和臨空面近平行的陡傾裂隙。卸荷回彈導(dǎo)致邊坡在原有節(jié)理的基礎(chǔ)上產(chǎn)生新的卸荷裂隙，開(kāi)挖過(guò)程中的工程擾動(dòng)也使巖體結(jié)構(gòu)更加破碎。坡腳的開(kāi)挖，對(duì)邊坡穩(wěn)定性造成一定影響，使其失去原有的支撐，為滑坡的形成創(chuàng)造了良好的臨界條件，最終使得坡體在重力作用下發(fā)生蠕動(dòng)變形，隨著時(shí)間推移，進(jìn)而發(fā)生蠕動(dòng)滑移。

2）表層失穩(wěn)

邊坡開(kāi)挖改變坡體表面形態(tài)，加之邊坡特殊的坡體結(jié)構(gòu)和巖性組合，在雨水入滲的影響下，坡體自重增加，且水的軟化作用改變構(gòu)造裂隙面物理力學(xué)性質(zhì)，構(gòu)造裂隙面及卸荷裂隙面摩擦力不足以支撐上部土體，邊坡局部淺表層發(fā)生小范圍垮塌。

3）后緣裂隙發(fā)展

坡體在發(fā)展至蠕動(dòng)滑移之后，滑坡的前部抗滑體已受到主滑段的擠壓推力，滑坡后部的牽引段坡體出現(xiàn)微小的整體形變，后緣的張性裂縫已貫通并出現(xiàn)下錯(cuò)。裂縫為雨水入滲提供了一個(gè)良好的通道，雨水沿張性裂縫及構(gòu)造裂隙滲入巖土體，一方面軟化作用使得巖土體構(gòu)造裂隙強(qiáng)度降低，黏聚力、內(nèi)摩擦角折減，另一方面坡面的張裂縫被快速充水，裂隙在靜水壓力、浮托力等協(xié)同作用下而發(fā)展延伸，為滑坡變形提供了有利條件。

4）兩側(cè)裂隙發(fā)展

隨著滑坡發(fā)展變形，后緣裂縫貫通，兩側(cè)出現(xiàn)平行的羽狀裂縫，逐漸沿兩側(cè)裂縫方向貫通撕開(kāi)，并出現(xiàn)少量相對(duì)位移現(xiàn)象。在地表水和地下的共同作用下，滑坡每日位移可達(dá)數(shù)毫米。

5）前緣剪出

兩側(cè)裂縫貫通撕開(kāi)，前緣經(jīng)擠壓后微微隆起并出現(xiàn)放射狀裂縫。主滑體已沿滑動(dòng)面產(chǎn)生明顯的移動(dòng)，坡體出現(xiàn)多條、多級(jí)裂縫，伴有明顯錯(cuò)臺(tái)，且裂縫寬度不斷發(fā)展，最寬達(dá)到2.5 m。

4 穩(wěn)定性計(jì)算

有限差分軟件FLAC 3D 能較好地模擬地質(zhì)材料在達(dá)到強(qiáng)度極限或屈服極限時(shí)發(fā)生的破壞或塑性流動(dòng)的力學(xué)行為，特別適用于分析漸進(jìn)破壞、失穩(wěn)以及模擬大變形［8］。FLAC 3D 包含10 種彈塑性材料的本構(gòu)模型［9］，其網(wǎng)格中的每個(gè)單獨(dú)區(qū)域可以賦予不同的材料模型，并且還能指定各種材料參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分布和變化梯度［10］。

1）模型建立

巖土體采用Moh-Coulomb 本構(gòu)模型，巖性分別為粉質(zhì)黏土、塊石土、強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖、中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖和細(xì)砂巖。模型斷面長(zhǎng)184 m，高90 m。共劃分單元180 029 個(gè)，節(jié)點(diǎn)35 451 個(gè)，如圖3 所示。模型四周約束法向位移，底部固定，邊坡表面為自由面。

圖3 計(jì)算模型

2）參數(shù)選取

結(jié)合相關(guān)國(guó)家規(guī)范、工程地質(zhì)手冊(cè)、地勘報(bào)告等資料，確定各個(gè)地層巖土參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 各巖土層物理力學(xué)參數(shù)

3）計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過(guò)計(jì)算可知，該滑坡穩(wěn)定系數(shù)為0.96，滑坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。依據(jù)《滑坡分析與防治》［7］中對(duì)滑坡發(fā)育六個(gè)階段的劃分，結(jié)合穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果（圖4），確定滑坡目前處于滑動(dòng)階段。

圖4 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)論

1）該邊坡的巖土結(jié)構(gòu)類(lèi)型為反傾層狀邊坡巖體結(jié)構(gòu)，其巖體變形破壞模式主要為構(gòu)造結(jié)構(gòu)面切割巖體的滑移破壞，主要以?xún)A向臨空面的構(gòu)造結(jié)構(gòu)面為滑移面。

2）導(dǎo)致該滑坡的成災(zāi)因素有地形、結(jié)構(gòu)面、地層和水文地質(zhì)條件，外界誘發(fā)因素有降雨及邊坡開(kāi)挖。

3）該滑坡的發(fā)展歷經(jīng)蠕動(dòng)滑移、表層失穩(wěn)、后緣裂隙發(fā)展、兩側(cè)裂隙發(fā)展、前緣剪出五個(gè)過(guò)程。

4）目前該滑坡處于滑動(dòng)階段，穩(wěn)定系數(shù)為0.96，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。