地層傾角及脆韌性結(jié)構(gòu)差異對(duì)滑坡變形演化的控制
——來(lái)自物理模擬結(jié)果的啟示

何 文 剛，李 華 章，李 生 紅

(1.遵義師范學(xué)院 工學(xué)院，貴州 遵義 563006； 2.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249)

0 引 言

滑坡地質(zhì)災(zāi)害是一個(gè)全球性的熱點(diǎn)問(wèn)題，引起了國(guó)際社會(huì)的廣泛關(guān)注[1-5]。截至2020年3月，全球已發(fā)生的巨型滑坡達(dá)數(shù)十萬(wàn)起。這些滑坡主要分布在阿爾卑斯山、落基山、安第斯山、亞平寧及特提斯-喜馬拉雅等構(gòu)造帶[6-7]，并且部分滑坡的規(guī)模和影響十分巨大，對(duì)人類的生產(chǎn)和生活造成了巨大損失[8-9]。因此，加強(qiáng)不同構(gòu)造帶滑坡變形特征的研究，為有效預(yù)警滑坡和減小災(zāi)害對(duì)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)帶來(lái)的損失具有十分重要的意義。

眾多學(xué)者利用GPS，GIS、遙感影像、地質(zhì)地貌特征等開展了滑坡變形特征及其誘發(fā)機(jī)制的研究，表明滑坡主要是在極端降雨、地質(zhì)構(gòu)造以及人類工程活動(dòng)等作用下發(fā)生的[10-15]。同時(shí)，還根據(jù)一些重大的滑坡災(zāi)害，總結(jié)并建立了 “滑移-拉裂-剪斷”式、“擋墻潰屈”式、近水平地層的“平推式”式、反傾向巖層傾倒變形和“滑移-剪斷”式等5種常見的滑坡形成模式[16-21](見圖1)。但由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性，不同區(qū)域滑坡的形成機(jī)制仍具有較大差異。例如，針對(duì)黔北地區(qū)，在地層傾角較低條件下，對(duì)滑坡體的變形演化研究，目前還不夠深入。

圖1 常見滑坡幾何學(xué)特征模式[7]Fig.1 Geometrical patterns of the common landslides

物理模擬是目前構(gòu)造變形模擬較為有效的手段之一，在造山帶、盆地和滑坡演化以及巖土工程物理模擬中均有廣泛的應(yīng)用[22-23]。沙箱試驗(yàn)是常見的物理模擬方法之一，可以模擬不同脆-韌性和不同傾角的地層，模擬試驗(yàn)過(guò)程直觀清晰。與其他方法相比，沙箱物理模擬試驗(yàn)具有明顯優(yōu)勢(shì)[24-25]。目前，從地層傾角及脆-韌性厚度出發(fā)，開展滑坡變形演化過(guò)程的物理模擬研究工作仍比較缺乏。

為此，本文在前人研究基礎(chǔ)上，根據(jù)黔西六盤水市、晴隆縣、畢節(jié)市和遵義市一帶野外滑坡調(diào)查情況，從影響滑坡變形的兩個(gè)關(guān)鍵因素(地層傾角和滑坡體脆性層厚度)出發(fā)，設(shè)計(jì)了兩個(gè)系列6組模型，對(duì)滑坡體的變形演化過(guò)程進(jìn)行了系統(tǒng)、深入的模擬研究。

1 物理模擬及設(shè)計(jì)

1.1 模型構(gòu)建

地層傾角的大小會(huì)影響滑坡的變形演化過(guò)程。較小地層傾角和較大地層傾角條件下的滑坡，其運(yùn)動(dòng)學(xué)特征和蠕變擴(kuò)展機(jī)制是存在明顯差異的。通過(guò)模型試驗(yàn)可以得到充分理解。地層的組合差異與其說(shuō)地層的流變學(xué)結(jié)構(gòu)差異，使得滑坡體的演化過(guò)程存在明顯差異。地殼表層的巖體和土體在結(jié)構(gòu)上的差異，造成力學(xué)性質(zhì)的不同，形成不同的失穩(wěn)狀態(tài)，進(jìn)而在滑坡形成機(jī)制上也迥然不同。為此，從地層傾角和地層脆-韌性層厚度差異的兩個(gè)系列模型出發(fā)，設(shè)計(jì)地層傾角分別為5°(傾角較小)、15°(傾角中等)和30°(傾角較大)進(jìn)行模擬對(duì)比，以探討滑坡變形的演化過(guò)程和運(yùn)動(dòng)學(xué)特征。

1.2 模型設(shè)計(jì)及裝置

地層的脆性層厚度和韌性層厚度，以及脆-韌性層厚度比，對(duì)構(gòu)造變形樣式及演化過(guò)程具有重要的控制作用[22，26-27]。斜坡巖土體中，上覆地層的厚度和結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度之間的組合關(guān)系同樣對(duì)滑坡的形成具有重要的影響。因此，根據(jù)物理模擬的相似性原則，設(shè)計(jì)不同脆-韌性厚度的沙箱模型可以對(duì)滑坡變形演化進(jìn)行研究探討。為此，本文根據(jù)滑坡形成的地質(zhì)條件和地貌特征，設(shè)計(jì)如下兩個(gè)系列6組沙箱模型進(jìn)行研究：

(1) 地層傾角差異對(duì)比模型。地層坡角5°條件下，韌性層厚1 cm，脆性層厚度分別為2 cm(試驗(yàn)1)和1 cm(試驗(yàn)2)的演化模擬；地層傾角15°條件下，韌性層厚仍然是1 cm，脆性層厚度分別為2 cm(試驗(yàn)3)和1 cm(試驗(yàn)4)的演化模擬；地層傾角30°條件下，韌性層厚仍然是1 cm，脆性層厚度分別為2 cm(試驗(yàn)5)和1 cm(試驗(yàn)6)的模擬。

(2) 脆性層厚度差異對(duì)比模型。在地層傾角和韌性層厚度一定的條件下，地層脆性層厚度分別是1 cm和2 cm的對(duì)比分析模擬(見圖2和圖3，表1)。

圖2 滑坡模擬試驗(yàn)裝置(尺寸單位：m)Fig.2 Deformation apparatus of the landslide experiment

表1 模型結(jié)構(gòu)及基本參數(shù)

1.3 材料及相似性

模擬材料主要是松散的石英砂和一定黏度的硅膠(見表2)。松散的石英砂是目前模擬上地殼脆性變形最適合的材料之一，它滿足庫(kù)倫破環(huán)準(zhǔn)則，在地殼表層脆性破裂模擬中得到了廣泛應(yīng)用[28-32]。因此，模型中的石英砂主要用來(lái)模擬上覆脆性層的變形。同時(shí)，黏度適宜的硅膠材料是目前模擬軟弱地層構(gòu)造變形較好的韌性材料之一，它具有不同的流變學(xué)特性。在脆-韌性地層組合的褶皺-沖斷帶變形分析中也得到了廣泛應(yīng)用[31-32]。因此，模型中的硅膠主要用來(lái)模擬滑坡體中的泥巖、膏鹽巖和頁(yè)巖等軟弱層。試驗(yàn)中石英砂的粒徑為0.30～0.45 mm，密度為1.43 g/cm3。在常溫條件下，硅膠(廣州深圳化學(xué)有限公司)密度為0.94 g/cm3，黏度9.47×103Pa·s(見表2)。模型試驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理是在貴州省遵義市遵義師范學(xué)院構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)室完成，且每組模型均進(jìn)行了相似性驗(yàn)證。

在正常的溫度和壓力條件下，地表巖石的密度、硬度及其他物理屬性與松散的石英砂具有較好的相似性，松軟的黏土和石膏等與一定黏度的硅膠也在物理屬性上具有較好的相似性(見表2)。模擬大構(gòu)造的變形仍然適用模擬淺表層的構(gòu)造變形，只是它們的分布范圍有一定的差異，對(duì)文中滑坡形成演化機(jī)制的討論不會(huì)構(gòu)成關(guān)鍵影響[33-35]。根據(jù)側(cè)向摩擦力和基底摩擦力公式，對(duì)試驗(yàn)中6組模型的初始受力狀態(tài)進(jìn)行了分析計(jì)算，結(jié)果見表3。

圖3 模型設(shè)計(jì)Fig.3 Model design

表2 模型力學(xué)特性參數(shù)及相似系數(shù)Tab.2 Mechanical parameters and similarity coefficient of the models

表3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ土W(xué)參數(shù)Tab.3 Mechanical parameters of the test models

2 模擬結(jié)果

2.1 地層傾角5°

模擬結(jié)果顯示：在地層傾角5°，且韌性層厚度一定的條件下，產(chǎn)生了前緣和中后緣拉張裂縫現(xiàn)象。試驗(yàn)1(脆性層厚2 cm，韌性層厚1 cm)的模擬結(jié)果顯示：初始變形的幅度較小，且變形初期主要是靠近臨空面發(fā)生滑塌構(gòu)造和產(chǎn)生3條拉張裂縫，如圖4(a)中①～④所示。隨著滑坡演化的進(jìn)行，前緣形成的拉張斷裂數(shù)量和規(guī)模逐漸增大，基底的韌性層刺穿上覆脆性層。同時(shí)在坡體的中后緣也形成2條拉張裂縫，且靠近坡體頂部形成1條平直的拉張裂縫，如圖4(a)中⑤～⑥所示。試驗(yàn)2(脆性層厚1 cm，韌性層厚1 cm)的模擬結(jié)果顯示：初始變形仍然發(fā)在坡體的前緣，且形成的斷層幅度較小，如圖4(b)中①～④所示?；伦冃沃泻笃冢谇熬壭纬?條間距較為寬大的拉張裂縫和2個(gè)底辟刺穿構(gòu)造，同時(shí)在靠近坡體的后緣形成1條拉張裂縫，最后坡體停止滑動(dòng)并逐漸穩(wěn)定下來(lái)，如圖4(b)中⑤～⑥所示。

2.2 地層傾角15°

圖4 試驗(yàn)1和試驗(yàn)2的滑坡模擬序列結(jié)果Fig.4 Sequential deformation features of the landslide in Experiment 1 and Experiment 2

圖5 試驗(yàn)3和試驗(yàn)4的滑坡模擬序列結(jié)果Fig.5 Sequential deformation features of the landslide in Experiment 3 and Experiment 4

模擬結(jié)果顯示，當(dāng)?shù)貙觾A角15°時(shí)，在韌性層作用下，形成了后緣拉張、前緣擠壓的滑坡樣式。試驗(yàn)3(脆性層厚2 cm，韌性層厚1 cm)的模擬結(jié)果顯示：初始變形的幅度較大，在坡體后緣形成與滑動(dòng)方向垂直的3條裂縫，且側(cè)向形成斜向伸展型裂縫，如圖5(a)中①～③所示。隨著滑坡演化的進(jìn)行，形成的拉張斷裂數(shù)量和規(guī)模逐漸增大，并伴有底辟構(gòu)造產(chǎn)生。在滑坡演化的中后期，后緣繼續(xù)形成拉張裂縫，前緣產(chǎn)生擠壓變形，蠕滑的速度逐漸減小，最后坡體停止滑動(dòng)并逐漸穩(wěn)定下來(lái)，如圖5(a)中④～⑥所示。試驗(yàn)4(脆性層厚1 cm，韌性層厚1 cm)的模擬結(jié)果顯示：初始變形的幅度較小，在后緣形成與滑動(dòng)方向垂直的2條裂縫，且側(cè)向形成斜向伸展型裂縫，如圖5(b)中①～②所示。隨著滑坡演化的進(jìn)行，形成的拉張斷裂數(shù)量和規(guī)模逐漸增大，并伴隨有底辟構(gòu)造產(chǎn)生，且形成的底辟體之間的間距越來(lái)越大，如圖5(b)中③～④所示?；伦冃沃泻笃?，后緣繼續(xù)形成拉張裂縫，前緣產(chǎn)生擠壓變形，坡體的蠕滑速度逐漸減小，且底辟大量出露到模型表面，最后坡體變形逐漸減弱并停止滑動(dòng)，如圖5(b)中⑤～⑥所示。

2.3 地層傾角30°

試驗(yàn)5(地層傾角30°，韌性層厚1 cm，脆性層厚2 cm)的模擬結(jié)果顯示：變形初期，脆性層后緣快速拉張，并且石英砂沿韌性層頂部發(fā)生快速滑移，如圖6(a)中①～②所示。運(yùn)行40 min后，大量的脆性層堆積在滑坡體的前緣，坡體內(nèi)部形成部分?jǐn)鄬?，如圖6(a)中③～④所示。變形中后期，只有韌性層之上約4 mm厚的脆性石英砂隨韌性層緩慢蠕動(dòng)，前緣繼續(xù)擠壓，最后坡體慢慢穩(wěn)定下來(lái)，如圖6(a)中⑤～⑥所示。試驗(yàn)6(地層傾角30°，韌性層厚1 cm，脆性層厚1 cm)的模擬結(jié)果顯示：變形初期，脆性層后緣快速拉張，并且石英砂沿韌性層頂部發(fā)生快速滑移，如圖6(b)中①～②所示。運(yùn)行20 min后，大量的脆性層堆積在滑坡體的前緣，坡體內(nèi)部形成部分張性斷層，如圖6(b)中③～④所示。變形中后期，只有韌性層之上2 mm厚的脆性石英砂隨韌性層緩慢蠕動(dòng)，前緣繼續(xù)擠壓，最后坡體在韌性層的作用下緩慢蠕動(dòng)，并慢慢穩(wěn)定下來(lái)，如圖6(b)中⑤～⑥所示。

2.4 脆性層厚度差異模擬結(jié)果對(duì)比

3組模型模擬結(jié)果顯示，如脆-韌性厚度存在差異，則坡體的變形特征存在明顯不同：① 傾角5°，脆-韌性層厚度比為1∶1時(shí)，形成的斷層幅度小，且后緣斷呈對(duì)稱性弧形發(fā)育并靠近坡體頂部分布(見圖7(a))；而脆-韌性層厚度比為2∶1時(shí)，則在坡體靠近中部一側(cè)出現(xiàn)拉斷斷裂分布，表明坡體的應(yīng)力分布特征存在明顯的差異(見圖7(b))。② 傾角15°，脆-韌性層厚度比為1∶1時(shí)，形成的斷層幅度小，韌性層刺穿上覆脆性層，形成底辟構(gòu)造(見圖7(c))；而脆-韌性層厚度比為2∶1時(shí)，則出現(xiàn)前緣擠壓現(xiàn)象(見圖7(d))。③ 傾角30°，脆-韌性層厚度比為1∶1時(shí)，脆性層快速滑動(dòng)，在坡體的前緣形成擠壓現(xiàn)象(見圖7(e))；而脆-韌性層厚度比為2∶1時(shí)，則仍然出現(xiàn)前緣擠壓現(xiàn)象，只是初始滑坡的滑動(dòng)速度比脆性層薄的模型更快，且韌性層之上殘余的脆性層厚度也比較厚(見圖7(f))。

圖6 試驗(yàn)5和試驗(yàn)6的滑坡模擬序列結(jié)果Fig.6 Sequential deformation features of the landslide in Experiment 5 and Experiment 6

圖7 脆性厚度差異模擬結(jié)果對(duì)比Fig.7 Comparison of models with different thicknesses of brittle layers

3 討 論

3.1 地層傾角對(duì)滑坡變形的控制

試驗(yàn)結(jié)果揭示，在高地層傾角的條件下，坡體的變形以滾動(dòng)和快速滑移為主。但隨著地層傾角的減小，由30°減小到15°，最后減小到5°，坡體的滑動(dòng)模式和速度都發(fā)生較大的變化。高地層傾角條件下，主要是快速滑動(dòng)。坡體的滑移過(guò)程主要表現(xiàn)為后緣的快速拉張和前緣的堆積和擠壓(試驗(yàn)5和試驗(yàn)6)。較小地層傾角條件下，主要是緩慢滑動(dòng)和蠕滑，坡體的滑移過(guò)程主要表現(xiàn)為前緣的重力滑塌和后緣的拉張和中部的剪斷(試驗(yàn)1和試驗(yàn)2)。 前人對(duì)此也具有相似的研究認(rèn)識(shí)，如相關(guān)研究成果揭示地層傾角越小，坡體的變形模式主要由滑移-拉裂向蠕滑-拉裂轉(zhuǎn)化[1]。在地層傾角小于30°條件下，坡體的滑移過(guò)程則與高地層傾角的滑移過(guò)程存在明顯差異。由此可以推測(cè)，高地層傾角條件下，滑移主要是在重力場(chǎng)的作用下變形，而較小層傾角條件下，滑移的過(guò)程由自重應(yīng)力、側(cè)向摩擦力和基底摩擦力共同控制[29-30]。坡體地層傾角大小的不同，導(dǎo)致其重力場(chǎng)分布存在明顯差異。因此，地層傾角在控制坡體滑移還是蠕滑變形中均起著關(guān)鍵的控制作用。

3.2 地層的脆-韌性層厚度滑坡演化的影響

地層的脆-韌性層的厚度對(duì)坡體的緩慢滑動(dòng)或者蠕滑變形演化具有明顯的影響。試驗(yàn)1和試驗(yàn)2，雖然其變形的幾何特征具有很大的相似性，但變形構(gòu)造的分布存在明顯的差異。在韌性層一定的條件下，隨著滑坡體的演化，坡體中后緣形成的斷裂位置不同：脆性層越厚，坡體中后段發(fā)育斷裂的位置越靠近坡體的前緣，而脆性層厚度越薄，則斷裂的形成位置就越靠近后緣。試驗(yàn)3和試驗(yàn)4的坡體演化過(guò)程則同樣揭示了脆-韌性厚度比的影響。在脆-韌性層厚度比2∶1 條件下，坡體滑移過(guò)程中產(chǎn)生的斷層幅度較大，且形成基底底辟構(gòu)造樣式，坡體內(nèi)部陡坎式的斷裂極為發(fā)育；而脆-韌性層厚度比1∶1 條件下，坡體的滑移速度較慢，且滑移后期主要是以韌性層的蠕動(dòng)變形為主。相關(guān)演化過(guò)程存在差異的原因，主要是脆性層越厚，其自重應(yīng)力越大。當(dāng)其自重應(yīng)力大于基底摩擦力時(shí)，發(fā)生變形擴(kuò)展的時(shí)序在緊鄰臨空面附近，即主要是從前緣向后緣擴(kuò)展。而脆性較薄，摩擦力大于自重應(yīng)力，此滑動(dòng)過(guò)程是前緣變形之后才是后緣頂部脫離母巖，最后再是坡體中后部靠近母巖一側(cè)形成拉斷破裂。因此，在地層傾角一定的條件下，滑坡體的演化過(guò)程明顯與該地區(qū)脆-韌性層厚度組合有關(guān)。

3.3 與實(shí)際滑坡變形的相似性分析及其指示意義

在黔西北地區(qū)，復(fù)雜的地質(zhì)地貌孕育了很多滑坡災(zāi)害。盡管緩傾角條件下的滑坡變形受到結(jié)構(gòu)面的形態(tài)、地層流體和地層溫度等多種地質(zhì)因素的制約而顯得十分復(fù)雜，但本文滑坡體演化過(guò)程的模擬結(jié)果可以較好地揭示蠕動(dòng)滑移變形中產(chǎn)生的變形樣式和擴(kuò)展過(guò)程，并且其與實(shí)際對(duì)比具有較好的相似性。

位于貴州省黔西地區(qū)的晴隆縣沙子鎮(zhèn)滑坡，未變形之前該坡體所在的地層傾角較小，約8°左右(見圖8和圖9)?？v向坡體結(jié)構(gòu)特征為基底含有一層軟弱層煤和泥巖，上覆松散的砂和第四系沉積物。2018年的滑坡導(dǎo)致了天然氣管線的破裂，引起了相關(guān)部門的高度重視。學(xué)者對(duì)此開展了一定的研究工作，較好揭示了該坡體的變形特征。但對(duì)其形成演化過(guò)程的認(rèn)識(shí)還十分不足，本文模擬研究結(jié)果可以較好揭示其演化過(guò)程，并且坡體變形的幾何特征極為相似。地表大量的松散推積體在基底韌性剪切帶的作用下，發(fā)生緩慢蠕滑變形。在滑坡的演化初期形成前緣拉張裂縫，在坡體變形的中后期形成后緣拉張裂縫和前緣的擠壓變形，并導(dǎo)致了前緣天然氣管線的破裂。

圖8 黔西晴隆縣沙子鎮(zhèn)地層傾角8°條件下的滑坡變形Fig.8 Landslide deformation of stratum dip angle of 8° in the Shazi Town，Qinglong County，western Guizhou Province

圖9 黔西晴隆縣沙子鎮(zhèn)滑坡變形剖面Fig.9 Profile of the landslide deformation in the Shazi Town， Qinglong County，western Guizhou Province

盡管本文只是從地層傾角和脆-韌性組合條件開展模擬，與實(shí)際的坡體特征有一定的差異，但研究成果對(duì)于0°～30°地層傾角條件下脆-韌性層滑坡的演化過(guò)程認(rèn)識(shí)具有重要的參考價(jià)值。

4 結(jié) 論

本文采用沙箱試驗(yàn)揭示了臨空條件下，韌性層厚度一定和地層傾角分別為30°，15°，5°的滑坡演化過(guò)程。得出如下結(jié)論：

(1) 地層傾角對(duì)滑坡的運(yùn)動(dòng)形式具有重要的影響。在地層傾角小于30°時(shí)，變形過(guò)程主要以蠕滑變形為主，且初始變形幅度較小，而高地層傾角作用下，滑坡以快速滑動(dòng)為主，且在坡體前緣形成擠壓和坡體后緣形成拉張的構(gòu)造樣式。

(2) 脆-韌性層厚度的差異對(duì)坡體內(nèi)部斷裂的分布位置具有明顯的控制作用。脆性層越薄，坡體后緣形成的斷裂規(guī)模越小，并且其形成位置更靠近后緣坡頂一側(cè)，而脆性層厚度越大，則坡體后緣形成的斷裂越靠近其中部。

(3) 較小的地層傾角和脆-韌性層厚度比條件下，滑坡的演化時(shí)序?yàn)榍熬壚瓘?，然后是后緣拉張到中部剪斷，再到前緣擠壓，最后坡體緩慢滑移并停止蠕動(dòng)。

(4) 該滑坡的模擬試驗(yàn)分析對(duì)黔西北乃至西南地區(qū)的滑坡成因分析、滑坡勘查和預(yù)警具有重要的參考價(jià)值。

致 謝

感謝袁大雄和謝飛兩位學(xué)生參與野外工作和室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理。