中等傾角巖層順向坡滑坡發(fā)育特征及形成機制分析
——以拖擔水庫左岸壩肩滑坡為例

王玉川，郭其峰，周延國

（黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，河南 鄭州 450003）

0 引言

順向坡是巖質(zhì)斜坡中穩(wěn)定性最差、最易變形破壞的斜坡類型[1]，受控于坡體結(jié)構(gòu)和巖土體力學性質(zhì)，加之人類活動和地震等外力作用，常常會形成滑坡，給國民經(jīng)濟建設(shè)和社會發(fā)展造成重大損失[2?5]。

順向?qū)訝顜r體邊坡的滑動變形主要分兩種類型[5]。一類是層面傾角小于坡角的順層滑坡，其滑動面多在坡面出露，形成機制相對簡單，通常表現(xiàn)為順層的蠕滑—拉裂式滑動或平面滑移[5?7]。另一類是層面傾角大于坡角的“隱伏型”滑面順層滑坡，這種滑坡多發(fā)生在中等傾角地層內(nèi)，形成機制相對復雜，潛在危害較大。目前對第一類平面滑移型滑坡機理的研究已很成熟[8]，對第二類中等傾角巖層順向坡滑動失穩(wěn)特征及形成機制的研究較少。任光明等[9]利用物理模擬方法研究了中等傾角巖層順向坡滑坡的形成機制，并通過能量平衡法，導出了該類斜坡發(fā)生潰屈破壞的臨界坡長、隆起端位置等力學模型；陳全明等[10]、朱晗迓等[11]、李云鵬等[12]將中等傾角巖層順向坡破壞概化為板梁彎曲失穩(wěn)問題，給出其穩(wěn)定性位移判據(jù)；黃潤秋[5]、余姝等[13]通過對中等傾角巖層順向坡中大型滑坡發(fā)生機制的研究，提出了“滑移(彎曲)–剪斷”模式或“滑移–剪斷”的概念模型，并指出該類滑坡控制的關(guān)鍵是對坡腳“鎖固段”的保護或在邊坡開挖中預留足夠的安全厚度；王運生等[14]通過對雅礱江右岸某中等傾角巖層坡順向坡特征及穩(wěn)定性研究，提出了該類滑坡形成后，會形成保存原巖層序假基巖的結(jié)構(gòu)特征，并且滑坡體由于抗滑段的存在及較好導水性，穩(wěn)定性一般較好。

拖擔水庫位于滇中山區(qū)，在水庫擴建施工開挖過程中，受施工擾動影響，左岸壩肩山體出現(xiàn)變形，嚴重影響了大壩施工及安全。本文以拖擔水庫大壩左岸中等傾角順層滑坡為例，研究了其發(fā)育特征和形成機制，并進一步分析了該類型古滑坡體擾動復活發(fā)生滑動變形的規(guī)律和模式，對滑坡的綜合治理提供了地質(zhì)依據(jù)，對同類型滑坡的研究具有一定的借鑒意義[15?16]。

1 研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件

1.1 自然地理

研究區(qū)地處滇中高原，為亞熱帶季風氣候，多年平均氣溫15.8 ℃，多年平均降水量868.9 mm，每年5—10月為雨季，降水量占全年降雨總量的87.9%。11月至次年4月為旱季，降水量占全年降雨總量的12.1%。

1.2 研究區(qū)工程地質(zhì)條件

1.2.1 地形地貌與地層巖性

研究區(qū)屬構(gòu)造侵蝕中山地貌，壩址附近河谷呈“U”字型，兩岸自然斜坡高陡，坡高大于100 m，左岸整體地形坡度約20°～32°，右岸約35°。

研究區(qū)地層巖性以震旦系下統(tǒng)澄江組(Zac) 中厚層-薄層中細粒長石石英砂巖為主，局部夾薄層泥質(zhì)粉砂巖和泥巖等。

1.2.2 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)位于揚子準地臺西部之川滇臺背斜東部。處于南北向羅茨—易門斷裂和普渡河大斷裂兩個區(qū)域性活動性斷裂所挾持的斷塊帶內(nèi)，構(gòu)造以近東西向和北東東向為主。左岸構(gòu)造整體不發(fā)育，巖層呈單斜產(chǎn)出，產(chǎn)狀120°～150°∠35°～45°。

1.2.3 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)地下水類型主要為基巖裂隙水和第四系孔隙水，主要接受大氣降水補給。左壩肩斜坡巖體節(jié)理發(fā)育，有利于地表水沿裂隙下滲，地下水位埋深較大，均位于滑坡底部以下。

1.2.4 物理地質(zhì)現(xiàn)象

左岸壩肩在緊臨滑坡體的下游側(cè)發(fā)育有H4 滑坡（圖1），為基巖順層小型滑坡，滑面為風化的泥質(zhì)粉砂巖薄層，具有分級滑動的特征，后緣可見錯坎，前期處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。

2 滑坡特征

2.1 變形過程

2017年12月，左岸在H4 滑坡下方修建施工道路過程中，誘發(fā)H4 滑坡體出現(xiàn)滑塌，隨后在完成H4 滑坡的清挖和左岸灌漿洞平臺及洞臉邊坡開挖施工后，左壩肩山體（高程1 984 m 以上）出現(xiàn)變形，邊界裂縫最早發(fā)現(xiàn)于2018年2月初，位于滑坡后緣，寬度約10 cm。

2.2 基本特征

2.2.1 邊界特征

左壩肩滑坡分布高程1 984～2 075 m，長約150 m，寬50～150 m，面積約1.5×104m2，滑體厚度10～20 m，體積約25×104m3?；逻吔缫研纬擅黠@拉裂縫（圖1），以后緣和上游側(cè)緣變形最為強烈，具有以下特征。

（1）邊界裂縫：滑坡上游側(cè)緣沿沖溝發(fā)育，可見基巖滑面，為巖層層面；后緣由兩條近平行的張裂縫組成，是斜坡變形最為劇烈的地方，截止到2018年12月，后緣裂縫寬度1.3～2.5 m，錯距最大約3.5 m；下游側(cè)緣裂縫由坡頂向下，寬度逐漸減小，并在高程2 030 m 以下消失，但地表有輕微隆起變形；滑坡前緣坡腳部位，地表發(fā)育一條鼓脹裂縫，呈不規(guī)則弧狀。

（2）前緣破碎帶：滑坡前緣下部存在一層厚破碎帶，滑體沿破碎帶頂部有明顯剪出現(xiàn)象；破碎帶厚度4～9 m，反傾向坡內(nèi)，產(chǎn)狀6°∠13°，由坡表向坡內(nèi)逐漸變厚，向坡內(nèi)延伸距離較短，鉆孔ZK04 未揭露（圖2）。破碎帶呈碎屑夾泥狀，無正常巖體層序，頂部有一層厚度10～20 cm 的泥巖，遇水軟化，沿泥巖層面不斷有水滲出（圖3）。

圖2 左岸滑坡工程地質(zhì)剖面圖（F-F′剖面）Fig.2 Engineering geological profile

圖3 滑坡前緣下部的破碎帶Fig.3 Fracture zone below the landslide

（3）滑坡內(nèi)部：裂縫整體不發(fā)育，在2 015 m 高程沿線，發(fā)育一組橫向的鼓脹裂縫，連續(xù)性好，寬度0.5～1.0 m。

2.2.2 滑體特征

以滑坡中部2015 m 高程沿線的鼓脹裂縫為界，將滑體分為后緣、前緣兩個分區(qū)(圖1)。

圖1 左岸滑坡工程地質(zhì)平面示意Fig.1 Engineering geological map of the left bank

（1）滑坡后緣變形區(qū)

地形坡度約25°，巖體破碎(圖4)，坡體內(nèi)薄層泥質(zhì)粉砂巖層間風化現(xiàn)象發(fā)育，巖層傾角32°～40°，與區(qū)內(nèi)正常巖層產(chǎn)狀基本一致。該區(qū)坡體的自重構(gòu)成了左壩肩滑坡的主要下滑力。

圖4 滑坡后緣變形區(qū)巖體特征Fig.4 Characteristics of the back deformation zone

（2）滑坡前緣變形區(qū)

地形坡度約32°，巖層產(chǎn)狀120°～130°∠19°～26°，傾角較左岸正常巖體明顯變緩，豎向節(jié)理非常發(fā)育，呈碎裂結(jié)構(gòu)，但層面仍清晰可見（圖5）。該區(qū)受上部變形區(qū)的推擠作用，提供了主要抗滑力。

圖5 滑坡前緣變形區(qū)巖體特征Fig.5 Characteristics of the front deformation zone

2.2.3 滑面特征

滑坡后緣沿層面滑動，中部沿下部變形區(qū)內(nèi)的軟弱帶滑動，前緣沿破碎帶頂部剪出，底滑面為“三段式”組合型滑動面。

滑坡后緣沿軟弱層滑動，滑帶巖芯破碎，為風化的泥質(zhì)粉砂巖，呈泥夾碎屑狀（圖6），遇水軟化嚴重，后緣

圖6 鉆孔ZK03 揭露后緣底滑面特征Fig.6 Characteristics of the sliding-zone of the trailing edge

滑面產(chǎn)狀122°∠39°，與區(qū)內(nèi)基巖產(chǎn)狀一致。

滑坡前緣變形區(qū)內(nèi)存在一薄層泥質(zhì)粉砂巖夾層，呈碎屑夾泥狀（圖7），連續(xù)性好，在ZK01、ZK02 和ZK06鉆孔內(nèi)均有揭露，構(gòu)成了滑坡的中部底滑面，中部底滑面產(chǎn)狀125°∠18°，與滑坡前緣緩傾角巖層產(chǎn)狀基本一致，表明滑體前緣沿緩傾角層間軟弱帶滑動。

2.2.4 滑床特征

滑床巖體為中厚層長石石英砂巖，巖體較完整，標志層連續(xù)，前緣破碎帶下部與破碎帶接觸部位巖體呈彎曲弧狀（圖8），受上部巖體的推擠作用，巖體發(fā)生了傾向主滑方向的彎曲變形。

圖8 滑坡前緣弧狀彎曲巖體Fig.8 Curved rock mass at the front edge

2.3 變形監(jiān)測

2018年4月10日開始對左岸斜坡進行變形監(jiān)測，滑坡內(nèi)部設(shè)監(jiān)測點11 個，外部6 個（圖9）。結(jié)果顯示，滑坡的水平位移方向為140°～151°，垂直方向均為沉降變形；滑坡外部山體穩(wěn)定。2018年全年總降雨量697.8 mm，降雨主要集中在5—8月，滑坡水平位移速率與降雨量關(guān)系曲線見圖10，主要有以下規(guī)律。

圖9 左岸斜坡監(jiān)測點分布圖Fig.9 Layout chart of monitoring

（1）滑坡變形過程可分為三個階段：①勻速變形階段，5月28日之前，水平位移速率一般5～10 mm/d；②持續(xù)變形階段，5月28日—9月18日，汛期降雨量較大，斜坡變形加劇，水平位移速率一般20～40 mm/d，最大約70 mm/d；③緩慢變形階段，9月18日以后隨著降雨量減少，水平位移速率一般1～3 mm/d，呈逐漸減小的趨勢。

（2）滑坡對降雨敏感，變形速率隨降雨量的增大而顯著增加，從降雨峰值和變形速率峰值來看，變形有一定的滯后，滯后時間一般3～6d。

（3）滑坡內(nèi)部各監(jiān)測點變形速率基本一致，表明左岸滑坡以整體蠕滑變形為主，這也解釋了滑體內(nèi)部張拉裂縫較少發(fā)育的原因。

3 形成機制及演化過程

3.1 形成機制

綜合左岸滑坡的發(fā)育特征，斜坡存在巖層傾角“上陡下緩”的兩個分區(qū)，巖層仍有一定的層序，但完整性較差；前緣下部存在一厚層破碎帶，僅在滑體下部發(fā)育，滑床巖體在靠近破碎帶的部位發(fā)生了傾向滑動方向的弧狀彎曲變形。分析認為左岸應(yīng)為一古滑坡體，由于滑動速度慢、滑移距離短等原因，滑坡解體程度低，形成了左岸保留原巖層序的破碎巖體，王運生等[14]將其定義為“假基巖”。該類現(xiàn)象非常特殊，且隱蔽性高，勘察時非常容易被認為是構(gòu)造破碎巖體。

左岸斜坡陡峻，巖性以中厚層砂巖夾薄層泥質(zhì)粉砂巖，泥質(zhì)粉砂巖巖性較軟，在風化及降雨入滲等作用下，形成軟弱滑面；左岸滑坡后緣、前緣兩個變形區(qū)，在力學機制上，對應(yīng)于“主動傳力區(qū)”和“被動擠壓區(qū)”[5]，滑坡后緣變形區(qū)在自重下滑力的驅(qū)動下，沿古滑坡體后緣滑面產(chǎn)生順層滑移，此時滑坡前緣緩傾角變形巖體提供阻滑力，由于阻滑力較大，斜坡導水性好，施工前處于長期自然穩(wěn)定狀態(tài)，施工過程中由于開挖主要集中在滑坡前緣變形區(qū)和前緣山體，斜坡前緣阻滑力減小，并在滑坡前緣變形區(qū)內(nèi)沿泥質(zhì)粉砂巖夾層形成新的滑動面，導致左岸斜坡出現(xiàn)變形。正是由于滑坡體后緣滑面和中部滑面形成時期不同，導致了兩處滑帶土物質(zhì)組成有所差異。

左壩肩下游的H4 滑坡目前已經(jīng)全部清挖完成，滑床正常連續(xù)的基巖出露，其滑動模式和左壩肩滑坡基本一致。二者滑體厚度差別較大，底滑面不連續(xù)，應(yīng)為同時發(fā)育在左岸的兩個古滑坡體，且H4 滑坡的存在對左壩肩滑坡具有一定的阻滑作用。

3.2 演化過程

左岸古滑坡為基巖順層滑坡，屬典型的“滑移（彎曲）—剪斷”型，現(xiàn)狀左岸滑坡體為古滑坡的擾動復活形成，其發(fā)展演化過程分以下三個階段（圖11）。

（1）彎曲、隆起階段

中厚層狀中等傾角巖層順向坡，層間夾軟弱薄層，坡體在自重應(yīng)力作用下，沿軟弱夾層發(fā)生順層滑移，坡角部位薄板狀巖層易發(fā)生撓曲變形，巖層向上彎曲，坡面出現(xiàn)隆起，隨著變形的加劇，隆起部位巖體松動、架空。彎曲隆起通常發(fā)生在近坡腳而又略高于坡腳的部位，這可能是由于該處順層壓應(yīng)力與垂直層面的壓應(yīng)力之間壓力差較大所致[5]，見圖11（a）。

圖10 左岸滑坡水平位移速率及降雨隨時間關(guān)系曲線Fig.10 Relation curves of horizontal displacement rate of landslide and rainfall with time

（2）剪斷破壞階段

斜坡發(fā)生變形后，形成巖層傾角“上陡下緩”的上、下兩個變形性質(zhì)不同的區(qū)域，并分別提供了主要下滑力和阻滑力。斜坡在最大隆起端部沿垂直層面折斷，局部壓碎，形成一個緩傾坡內(nèi)的剪切帶，隨著滑坡前緣變形區(qū)的“彎曲–隆起”加劇，將最終被剪斷而導致發(fā)生滑坡，見圖11（b）。

圖11 左岸滑坡演化過程示意圖Fig.11 Evolution process of left bank deformation

（3）擾動變形階段

施工過程中，隨著對古滑坡體前緣H4 滑坡體的清除以及滑坡前緣變形區(qū)的開挖，阻滑力減小，斜坡發(fā)生滑動變形，此時，由于古滑坡體的滑動面呈椅狀，變形初期以“滑移—坐落”為主，前緣剪出現(xiàn)象不明顯，隨著變形的加劇，逐漸在滑坡前緣變形區(qū)內(nèi)沿泥質(zhì)粉砂巖夾層形成新的滑動面，斜坡變形加劇，見圖11（c）。

3.3 水庫蓄水對滑坡的影響分析

水庫設(shè)計正常蓄水位1 984 m，左壩肩滑坡分布高程1 984～2 075 m，滑坡基本位于擬建水庫正常蓄水位高程之上，受庫水直接影響較小。

水庫蓄水后，左岸地下水壅高，滑坡現(xiàn)狀底滑面雖位于壅高后的地下水位之上，但滑坡前緣的破碎帶和部分緩傾變形巖體受壅高后的地下水和庫水位升降的水動力作用影響，不排除在滑坡前緣緩傾角變形區(qū)內(nèi)產(chǎn)生新的滑動面的可能，左岸滑坡需進行有效治理。

4 結(jié)論

（1）中等傾角巖層順向坡易沿層間軟弱夾層產(chǎn)生滑坡，滑動模式為滑移（彎曲）—剪斷型，此類滑坡多發(fā)生在中厚層-薄層軟硬相間的地層結(jié)構(gòu)內(nèi)，且?guī)r層傾角一般大于斜坡坡角。

（2）該類滑坡由于滑動時速慢，滑移距離短，解體程度低，一般會形成保留原巖層面的“上陡下緩”的破碎巖體，并在底部形成一個反傾坡內(nèi)的剪切破碎帶，破碎帶下部巖體受滑坡的牽引作用，發(fā)生傾向滑動方向的弧狀彎曲變形。

（3）滑坡體易沿“上陡下緩”的椅型軟弱層面發(fā)生二次滑動；滑坡前緣變形區(qū)提供阻滑力，是斜坡整體穩(wěn)定的關(guān)鍵，因此在施工過程中應(yīng)注意對滑坡前緣變形區(qū)的保護；另外降雨會加劇滑坡的變形，斜坡的排水措施也是阻止其變形的關(guān)鍵。