降雨型紅層滑坡形成機理研究

楊 玲，張柳金，吳青波

1.四川三河職業(yè)學(xué)院，四川 瀘州646200；2.貴州正業(yè)工程技術(shù)投資有限公司，貴州 貴陽550000

0 引言

紅層發(fā)育于三疊紀—古近紀的地層中，受所含礦物影響而呈現(xiàn)出紅褐色、紅棕色、紫紅色.紅層泥巖力學(xué)強度低，遇水易軟化崩解，抗風(fēng)化能力弱，在紅層區(qū)常常因為降雨后泥巖強度的損傷弱化而發(fā)生滑坡，如都江堰三溪村滑坡、三峽庫區(qū)千將坪滑坡.在每年雨季期，我國西南紅層區(qū)均會出現(xiàn)大量紅層滑坡，局部地區(qū)還表現(xiàn)出群發(fā)特征，對災(zāi)區(qū)居民生命財產(chǎn)、道路交通、電力設(shè)施等造成極大困擾，基于紅層物理力學(xué)特性、斜坡結(jié)構(gòu)以及降雨等條件的紅層滑坡災(zāi)害在未來一段時期內(nèi)仍將持續(xù)存在.因此，針對典型紅層滑坡的研究仍然是必要的，可為大環(huán)境下的小區(qū)域紅層滑坡防治提供更為精準的指導(dǎo).

目前有關(guān)紅層滑坡的研究成果已經(jīng)頗為豐富.順坡向、緩傾角的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，加之軟硬相間的巖性組合，構(gòu)成紅層滑坡的成災(zāi)地質(zhì)條件，降雨則是主要誘發(fā)因素［1］.在構(gòu)造影響帶，紅層砂泥巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體結(jié)構(gòu)破碎，為地表水下滲提供通道，并且在未貫通深大裂隙內(nèi)形成高靜水壓力，從而引發(fā)平推式滑坡［2-3］.吳紅剛等［4］通過地質(zhì)力學(xué)模型試驗，發(fā)現(xiàn)河谷下切、雨水浸潤是紅層滑坡的重要推動因素，并總結(jié)出高原紅層滑坡的變形機制模式.肖欣宏等［5］通過壓縮蠕變試驗揭示了紅層軟巖在破裂應(yīng)力水平之前的黏彈性特征，采用Burgers模型和非線性黏彈塑性模型準確描述出軟巖在真實水環(huán)境下3個蠕變階段的力學(xué)特性.謝吉尊等［6］發(fā)現(xiàn)飽水后泥巖應(yīng)力－應(yīng)變曲線形態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變，并從能量角度分析出泥巖變形特征及力學(xué)損傷機制.孫怡等［7］在試驗中發(fā)現(xiàn)自然風(fēng)干、加熱風(fēng)干試樣變形差異顯著，提出類Kelvin膨脹及收縮模型，其干濕循環(huán)試驗成果與鄧華鋒等［8］所得結(jié)果具有一致性.針對具體紅層邊坡或滑坡案例，葉世斌［9］、邱恩喜等［10］調(diào)查統(tǒng)計得出紅層邊坡結(jié)構(gòu)模型，驗證了數(shù)值模擬分析評價紅層邊坡穩(wěn)定性的可靠性.楊旭等［11］通過構(gòu)建紅層邊坡相似模型，得出不同降雨強度下斜坡災(zāi)變過程及規(guī)律.李江等［12］總結(jié)川東紅層區(qū)降雨模式，歸納出蠕滑-拉裂型、平推-滑移型紅層滑坡破壞模式.對于紅層滑坡成災(zāi)機理的解釋，主要體現(xiàn)在巖體自身的物理性質(zhì).紅層泥巖富含黏土礦物，遇水后礦物發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，從而反映在力學(xué)特征上［13-14］，而工程開挖造成斜坡應(yīng)力環(huán)境變化，并產(chǎn)生良好臨空條件這一因素成為滑坡發(fā)生的前提［15-17］；此外，地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境對于紅層軟巖的影響顯著，紅層區(qū)構(gòu)造運動對巖體結(jié)構(gòu)造成極大損傷，有利于地表水下滲［18-19］.幸新涪等［20］通過試驗發(fā)現(xiàn)泥巖飽和后軟化系數(shù)達0.71，飽水時間越長，黏土礦物顆粒與孔隙水作用，導(dǎo)致水膜增厚，其模量降幅越大，并且抗變形能力減弱.遇水后，泥巖內(nèi)的微孔隙結(jié)構(gòu)及其吸附效應(yīng)，是巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)體系受損的關(guān)鍵［21］.

有關(guān)紅層滑坡的課題研究已經(jīng)進行幾十年，已然取得不少公認的成果理論，但多數(shù)研究均以某一點為研究對象，部分研究成果能否推而論之尚無定論，并且對于植被茂盛的紅層區(qū)淺層滑坡研究偏少.筆者以貴州省習(xí)水縣二期項目紅層邊坡為例，還原斜坡原始結(jié)構(gòu)，通過室內(nèi)試驗、數(shù)值模擬，總結(jié)泥巖降雨強度弱化特征及規(guī)律，分析降雨條件下成災(zāi)機理，為地方紅層滑坡災(zāi)害防治提供指導(dǎo).

1 滑坡基本特征

1.1 滑坡區(qū)地質(zhì)環(huán)境背景

研究區(qū)位于貴州省習(xí)水縣，屬于構(gòu)造剝蝕低中山地貌，地形起伏較大，地表高程為1 176～1 250 m.斜坡為上土下巖的混合結(jié)構(gòu).覆蓋層主要為殘坡積粉質(zhì)黏土夾少量角礫（Q4el＋dl），紅褐色、棕色，結(jié)構(gòu)松散，滲透性較好，天然含水率介于8%～15%，厚度2～3 m；下伏基巖為三疊系夜郎組泥巖（T1y），褐紅色、紫紅色，薄—中厚層狀，巖層產(chǎn)狀6°∠22°，主要發(fā)育兩組節(jié)理：1）170°∠87°，起伏粗糙程度為平直光滑，張開度小于3 mm，節(jié)理間為泥夾巖屑充填，延伸長度3～5 m，節(jié)理平均間距在0.4～1 m之間，綜合判定結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度為結(jié)合很差；2）產(chǎn)狀為272°∠82°，起伏粗糙程度為平直光滑，張開度小于3 mm，節(jié)理間為泥夾巖屑充填，延伸長度3～5 m，節(jié)理平均間距在0.4～1 m之間，綜合判定結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度為結(jié)合很差.泥巖層面起伏粗糙程度為平直光滑，張開度小于3 mm，延伸長度大于20 m，節(jié)理平均間距在0.4～1 m之間，無充填，泥質(zhì)膠結(jié)結(jié)合很差.

由于該地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫14.7℃，終年溫涼濕潤，冬無嚴寒，夏無酷暑，氣候宜人，年均降水量可達1 200 mm，年均日照1 146.9 h.冬季、秋末、春初，受西伯利亞南下冷空氣影響，風(fēng)向多為偏北風(fēng)，因地貌復(fù)雜多變，地面風(fēng)主要是東北風(fēng)，從春末至夏季，西太平洋暖濕氣流北向西伸，南下冷空氣變暖減弱，主要風(fēng)向為偏南風(fēng)或東南風(fēng).年平均相對濕度在82%左右，年平均蒸發(fā)量1 150 mm.

區(qū)域地質(zhì)資料及現(xiàn)場調(diào)查顯示，滑坡區(qū)及附近區(qū)域無構(gòu)造斷裂發(fā)育，場地巖層呈單斜構(gòu)造，地震動峰值加速度值為0.05 g.地下水主要可分為松散堆積層孔隙水和基巖裂隙水，均以大氣降雨補給為主.

1.2 滑坡變形破壞特征

該滑坡主滑方向為14°，坡體后緣較為陡峭，坡度可達40°，坡度從后緣到前緣由陡逐漸變緩.滑坡平面形態(tài)近“舌狀”，前緣高程為1 183 m，后緣高程為1 238 m，相對高差約45 m.滑坡斜長138 m，寬約63 m，面積0.87×104m2，滑體厚度13～19 m，體積約13.92×104m3，屬于中型順層巖質(zhì)滑坡（圖1、2）.2019年6月的強降雨導(dǎo)致滑坡災(zāi)害發(fā)生，損毀房屋一幢，未造成人員傷亡.

圖1 滑坡全貌影像特征Fig.1 Remote sensing image of landslide panorama

圖2 滑坡工程地質(zhì)剖面圖（A－A′）Fig.2 Engineering geological profile of landslide

滑坡平面形態(tài)較規(guī)則，為圈椅狀地形，周界特征明顯，左右兩側(cè)及后緣邊界仍然清晰可見.滑坡后緣以陡壁為界，在平面上呈現(xiàn)一定的起伏，坡體滑動形成高約5～8 m的光滑新鮮陡壁，坡度陡峭，平均坡度約40～55°，局部近直立.兩側(cè)邊界均由剪切下錯陡坎和剪切破碎帶組成，高約1～2 m，陡壁近直立，在滑坡中后緣部位表現(xiàn)為下錯陡坎，前緣表現(xiàn)為破碎帶.滑坡前緣剪出口至開挖建房平臺，坡體失穩(wěn)后剪出口兩側(cè)仍可見基巖出露（圖3a），堆積前緣位于坡腳農(nóng)田.

坡體失穩(wěn)后大量滑坡物質(zhì)向下運移，堆積于坡腳，滑坡體的下滑推力造成滑坡前緣房屋嚴重損毀.與此同時，房屋也提供一定的抗滑力，導(dǎo)致房屋后方滑坡體物質(zhì)運動距離較近，主要堆積于房屋后方開挖平臺，并且部分滑體物質(zhì)仍殘留于滑床之上（圖3b）.靠近滑坡左側(cè)邊界，滑坡前緣無建筑物阻擋，其運動距離最大，覆蓋農(nóng)田，最大運動距離可達60 m.

圖3 滑坡體特征Fig.3 Characteristics of landslide mass

2 泥巖力學(xué)特性試驗研究

由于該斜坡屬于順向坡，第四系覆蓋層厚度較薄，下伏基巖因風(fēng)化、構(gòu)造等作用節(jié)理裂隙較為發(fā)育，為地表水下滲提供條件的同時弱化巖體力學(xué)強度.該滑坡屬于典型降雨型順層滑坡.結(jié)合坡體巖土體特性，取現(xiàn)場完整泥巖塊與含節(jié)理泥巖進行天然、飽水強度測試.試驗選用攜帶式巖石力學(xué)多功能試驗儀，將試樣固定于上下兩個水泥塊之間，法向應(yīng)力為1 MPa、2 MPa、3 MPa，通過水平推剪使其破壞，剪切過程為等速剪切.

試驗得出完整泥巖塊與含節(jié)理巖體的剪應(yīng)力－剪切位移曲線，見圖4.可以看出，隨著法向應(yīng)力增加，兩種試樣的剪應(yīng)力均逐漸增大，并出現(xiàn)峰值，隨后快速回落，呈現(xiàn)出應(yīng)變軟化特征.對比同一試樣，天然、飽水后剪應(yīng)力特征變化顯著，相同法向應(yīng)力條件下，天然試樣剪應(yīng)力高于飽和試樣，可見水對泥巖力學(xué)強度影響顯著.與此同時，對比兩種試樣，相同應(yīng)力環(huán)境下含節(jié)理泥巖力學(xué)強度遠低于完整泥巖，反映出巖體內(nèi)的節(jié)理裂隙能極大減弱泥巖的力學(xué)強度，最大降幅可達61.9%.

圖4 巖石剪應(yīng)力－剪切位移曲線Fig.4 Shear stress－displacement curves of rocks

根據(jù)曲線特征，可將試驗過程分為彈性階段、塑性屈服階段、破壞后摩擦階段.完整泥巖在彈性階段具有可恢復(fù)性，而含節(jié)理泥巖彈性階段過程短，該過程在節(jié)理裂隙的壓密基礎(chǔ)上進行.

以峰值剪應(yīng)力τ、法向應(yīng)力σ建立直角坐標，采用最小二乘法擬合求出τ－σ線性關(guān)系曲線，見圖5.完整泥巖內(nèi)聚力C為610 kPa，內(nèi)摩擦角φ為42.3°，飽水后內(nèi)聚力C為540 kPa，內(nèi)摩擦角φ為37.6°，降幅分別為10.9%、11.1%；含節(jié)理泥巖內(nèi)聚力C為140 kPa，內(nèi)摩擦角φ為20.8°，飽水后內(nèi)聚力C為110 kPa，內(nèi)摩擦角φ為17.8°，降幅分別為21.4%、14.4%.天然條件下，節(jié)理的發(fā)育使泥巖力學(xué)強度大幅度降低，內(nèi)聚力C降低77%，內(nèi)摩擦角φ降低50.8%，疊加水的影響后，內(nèi)聚力C可降低82%，內(nèi)摩擦角φ可降低57.9%.由于紅層泥巖中富含黏土礦物，遇水易發(fā)生膨脹，弱化泥巖力學(xué)強度，節(jié)理的發(fā)育使巖體完整性遭受破壞，尤其體現(xiàn)在泥巖的內(nèi)聚力值，相同條件下，節(jié)理的出現(xiàn)將加速泥巖遇水后強度的弱化衰減，這對于紅層邊坡穩(wěn)定性極為不利.

圖5 抗剪強度與法向應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.5 Relation curves of shear strength and normal stress

3 降雨條件下滑坡形成機理分析

以A－A′剖面為基礎(chǔ)，還原斜坡原始結(jié)構(gòu)，采用GEO－studio軟件中seep/w模塊建立降雨滲流場分析模型（圖6）.模型材料分為殘坡積層、強風(fēng)化層、中風(fēng)化層.殘坡積層、強風(fēng)化層考慮為飽和/非飽和材料，其土水特征曲線（SWCC）見圖7.模型降雨邊界條件為3 mm/h，持續(xù)降雨6 h；模型中設(shè)定4處孔隙水壓力監(jiān)測點，編號：J1、J2、J3、J4（圖6）.

圖6 計算模型Fig.6 Calculation model

圖7 殘坡積層、強風(fēng)化層SWCC曲線Fig.7 SWCCs of residual slope sediment and intensely-weathered layer

通過模擬分析獲得原始斜坡在0～6 h不同時間節(jié)點滲流場特征，0.5 h、3 h、6 h滲流場特征見圖8.降雨持續(xù)0.5 h時，雨水下滲穿過殘坡積層，逐漸進入強風(fēng)化層，受重力勢能影響，下滲孔隙水沿粒見孔隙、節(jié)理裂隙向開挖斷面及坡腳匯集，殘坡積層滲透性較好，其滲流特征最為明顯；在此階段，降雨下滲后尚未補給至地下潛水，地下水位線未發(fā)生明顯變化.至3 h時，降雨下滲量不斷增大，坡體內(nèi)孔隙水仍然呈現(xiàn)出向開挖斷面及坡腳滲流的趨勢，在強/中風(fēng)化界面附近，滲透性差異導(dǎo)致形成不連續(xù)飽和區(qū)，呈帶狀分布，并且主要集中靠近開挖斷面附近，而開挖平臺下方的地下水水位線開始出現(xiàn)抬升凸起，降雨下滲補給產(chǎn)生的地下水位影響逐漸出現(xiàn).降雨6 h后，模型滲流場特征變化最為明顯，不連續(xù)飽和區(qū)范圍連通并擴大，在開挖斷面附近呈現(xiàn)出較大范圍的飽和區(qū)，并向上方呈尖滅特征減小，分布于強/中風(fēng)化層界線.總體而言，殘坡積層、強風(fēng)化層滲透性強于中風(fēng)化層，降雨作用影響下滲流場變化程度更甚，在重力勢能作用下向低勢區(qū)匯集，開挖區(qū)成為地下水主要滲流集中區(qū).

圖8 降雨條件下滲流場變化特征Fig.8 Variation characteristics of seepage field by rainfall conditions

從監(jiān)測點孔隙水壓力變化趨勢來看（圖9），靠近開挖斷面內(nèi)側(cè)的J1點隨著降雨進行，孔隙水壓力由－15 kPa逐漸增大至16.9 kPa，由非飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)為飽和狀態(tài)；其余3處監(jiān)測點的孔隙水壓力一直為負值，即非飽和狀態(tài)，但隨著降雨的持續(xù)，孔隙水壓力不斷增大，最高可達－3.5 kPa，反映出降雨下滲后坡體內(nèi)部含水率升高，由于重力勢能影響，孔隙水向下運移，在坡體中上部未能形成飽和區(qū)，然而含水率的提升仍使巖土體的孔隙水壓力增大，基質(zhì)吸力逐漸減小.對比J2、J3、J4監(jiān)測點，雖均處于非飽和狀態(tài)，但越靠近開挖區(qū)，孔隙水壓力變幅越大，最頂部的J4孔隙水壓力變幅最弱.由上至下，孔隙水壓力呈現(xiàn)規(guī)律性變化，其取決于巖土體材料滲透性的差異、重力勢能及工程開挖等因素.

圖9 監(jiān)測點孔隙水壓力變化趨勢Fig.9 Variation trends of pore water pressure at monitoring points

結(jié)合模擬分析結(jié)果及前期調(diào)查成果，可以看出滑坡的形成受控于巖土體物理力學(xué)性質(zhì)、降雨、開挖及地形等因素.泥巖強風(fēng)化層發(fā)育的節(jié)理裂隙以及殘坡積層松散的骨架結(jié)構(gòu)是孔隙水流通的內(nèi)部條件；地形則為孔隙水的運移提供勢能，是其驅(qū)動的動力；建房開挖破壞原有斜坡結(jié)構(gòu)，改變坡體滲流路徑，是造成孔隙水運移、局部匯集的主要因素；降雨是滑坡發(fā)生的主要誘發(fā)因素，其起到2個作用，一方面降雨下滲軟化、泥化巖土體，降低巖土體力學(xué)強度，尤其是開挖區(qū)，另一方面則在坡體內(nèi)形成孔隙水壓力，增大下滑推力，對坡體的變形起到促進作用.由此可見，滑坡的形成是多種因素綜合所致，巖土體物理力學(xué)性質(zhì)、地形條件下的重力勢能是滑坡啟動的內(nèi)在因素，但不具備誘發(fā)滑坡的能力，坡體開挖為滑坡的發(fā)生創(chuàng)造了良好的臨空條件，并且改變滲流路徑，降雨是滑坡的控制因素，將諸多因素的影響效應(yīng)放大，成為滑坡發(fā)生的關(guān)鍵.

4 結(jié)論

（1）節(jié)理裂隙、飽水對泥巖強度構(gòu)成顯著影響，節(jié)理裂隙的發(fā)展是天然泥巖內(nèi)聚力降低77%，內(nèi)摩擦角降低50.8%，飽水使完整泥巖內(nèi)聚力降低10.9%，內(nèi)摩擦角降低11.1%，使含節(jié)理泥巖內(nèi)聚力降低21.4%，內(nèi)摩擦角降低14.4%，節(jié)理裂隙、飽水綜合作用可使泥巖內(nèi)聚力降低82%，內(nèi)摩擦角降低57.9%，影響最甚.節(jié)理裂隙的發(fā)育是泥巖強度弱化的主要因素，水的作用將加劇泥巖強度衰減.

（2）降雨作用下原始斜坡滲流場變化特征明顯，隨著降雨的持續(xù)在強/中風(fēng)化層界面逐漸形成連續(xù)飽和帶，并且在開挖斷面附近形成較大的飽和區(qū).所有監(jiān)測點孔隙水壓力均呈現(xiàn)持續(xù)增長趨勢，開挖區(qū)監(jiān)測點處由非飽和逐漸變?yōu)轱柡?，其余點均處于非飽和狀態(tài)，但隨著高程增大，孔隙水壓力變幅逐漸減弱.

（3）滑坡的形成是降雨、地形、開挖、巖土體物理力學(xué)性質(zhì)綜合所致，開挖為滑坡的發(fā)生提供臨空條件，地形、巖土體物理力學(xué)性質(zhì)是滑坡發(fā)生的內(nèi)部因素，降雨是滑坡的控制因素，是誘發(fā)滑坡的關(guān)鍵.