紅層礦體滑坡變形破壞機理研究

韓 波

四川紅層系指廣泛分布于侏羅系和白堊系地層（占四川省國土面積近30%），主要由陸相沉積形成的紫紅色泥巖和粉砂質泥巖夾砂巖、粉砂巖組成，具有特殊的礦山工程特性。

四川地質構造復雜，地震頻繁，紅層地區(qū)大部分為山區(qū)和峽谷區(qū)，紅層邊坡工程地質問題已成為工程建設中突出的地質災害問題。特別在近幾年公路鐵路建設中，都要花費大量資金用于邊坡防治。由于投資有限，許多不穩(wěn)定邊坡還是得不到根治。比如，四川地質條件最復雜的元磨高速公路和大保高速公路，累計總長為310km，路段的1/3為橋梁隧道，其余路段大部分是高陡邊坡，其中一半以上路段在紅層地區(qū)，頻繁的滑坡發(fā)生影響建設工期，造成投資增大，治理費用1000萬元以上的滑坡有30余個，兩條公路建設總投資已超過150億元。邊坡工程地質問題成為公路建設中的一大難題。

紅層特殊的礦山工程特性已為眾多工程專家和研究者所重視。近幾年在四川省內崩滑流地質災害勘察治理，及幾條主要高速公路邊坡勘察設計、施工的同時，也對紅層邊坡工程地質開展了廣泛深入的研究。這里重點探討紅層邊坡變形破壞機制及其對工程建設的危害和防治問題。

1 案例背景

2020年8月15日10時許，位于中江縣石泉水庫壩后約300m處（坐標：東經30°58′20″、北緯104°31′40″）的岸坡突發(fā)明顯滑坡變形，后緣壁下挫明顯（后緣道路多處下沉錯斷），礦山滑坡體上地質結構發(fā)育、地面出現大量裂縫，滑坡整體變形范圍橫向寬約600m，縱向斜長約420m，總方量預估約300×104m3，礦山滑坡處于快速變形階段，直接威脅礦山坡面下的九股泉村12組、13組239人的生命及財產，潛在經濟損失約4000余萬。且該滑坡位于石泉水庫壩后約300m處，距離下游石泉場鎮(zhèn)較近（約500m），如若滑坡變形繼續(xù)發(fā)展，一旦發(fā)生破壞，可能會影響到水庫壩體穩(wěn)定性，從而影響石泉場鎮(zhèn)安全，影響重大。

2 紅層物理力學性質及礦山工程特征

在四川紅層巖體中，各種粘土礦物含量較高，固結程度較低，總體上具有透水性差、親水性強、抗水性弱的水理性質及抗風化弱的特點。巖體中粘土礦物含量對巖體物理力學性質和工程地質性質的影響很大。一般情況下，粘土礦物含量越高，巖體越軟，親水性越強，抗風化能力越弱。比如，紅層泥巖具有“風吹即散，一年變土”的風化特點。反之，粘土礦物含量越低，巖體越堅硬、強度越高，抗風化能力越強，比如，紅層中的長石石英砂巖，較堅硬，不易風化。

除少量堅硬的長石石英砂巖以外，絕大部分紅層的一般物理力學。其中，泥巖膨脹率為8%～15%，膨脹力達80kPa～135kPa，浸水飽和后的抗剪強度明顯降低30%～70%，此外，力學指標還受風化程度的影響。

四川降雨量較充沛，大部分紅層地區(qū)地表風化殘積土層和巖體物理風化帶較厚，一般的厚度為8m～30m，常形成風化土-半風化巖土-巖石的漸變結構。在紅層母巖中，粘土礦物含量普遍較高，風化層和坡積層中粘土顆粒含量也高，抗剪能力弱，遇水具有明顯地軟化及塑變特點。這就是紅層邊坡不易穩(wěn)定，容易產生變形破壞的物質條件。紅層地區(qū)的工程地質問題主要是邊坡的變形破壞問題。

3 案例基本情況

3.1 基本情況

滑坡于15日10時許由當地礦山負責人員在雨中巡查過程中發(fā)現明顯變形跡象，隨后立即上報險情；中江縣自然資源局立即調派正在鄰鎮(zhèn)開展雨中巡查的技術支撐單位礦山專業(yè)技術人員趕赴現場，并報請德陽市市局組織專家趕赴現場指導應急搶險處置工作；在中江縣自然資源局、專業(yè)技術隊伍、集鳳鎮(zhèn)人民政府、當地派出所、當地民兵等單位的協作下，15日上午10時50分左右，九股泉村12組、13組239人全部完成撤離避讓。人員撤離后，嚴防嚴控，對礦山滑坡區(qū)域道路進行了斷道封閉處置，對撤離群眾進行了妥善安置，嚴防人員私自返回滑坡危險區(qū)。

由于礦山地質在還的預警預報信息發(fā)布及時、搶險措施到位、提前避讓果斷、防災機制運轉高效，此次災害無人員傷亡，成功實現了避險，直接避免了93戶239人的生命財產安全，避免經濟損失約4000余萬。

3.2 礦山滑坡發(fā)育過程

該滑坡為2020年8月強降雨首次誘發(fā)變形，8月15日10時滑坡后緣裂縫下挫（后緣道路多處下沉錯斷），出現明顯滑坡壁，下錯高度約2m～8m，延伸長度100余米；滑坡體上地質結構、地面出現大量裂縫，裂縫走向與坡向垂直，裂縫長短不一，2m～30m長不等，裂縫張開寬度約0.1m～0.8m，下挫高差約5m～40cm；經15日～20日連續(xù)簡易監(jiān)測，多處下挫位移持續(xù)增加，截止8月底，多處下挫裂縫位移已達20cm～80cm，滑坡變形速度趨于穩(wěn)定。

3.3 礦山滑坡主要形成原因

礦山滑坡形成地質災害的影響因素包括以下幾個方面：

（1）地形地貌。斜坡位于林家溝礦山研究區(qū)域的匯入口上游300m處，礦山坡面地勢易匯水；整體坡面形態(tài)與古滑坡地形地貌十分相似。斜坡前緣為龍爪溪，滑坡穩(wěn)定性易受河水位影響，為滑坡的產生創(chuàng)造了基礎條件。

（2）坡體結構。礦山滑坡區(qū)出露地層包括第四系松散堆積層和白堊系下統白龍組（K1b）紫灰色厚層狀長石細粒砂巖夾紫紅色粉砂質泥巖，產狀290°～295°∠6°，斜坡坡向270°，屬于斜交順層。對滑坡穩(wěn)定性十分不利。

（3）地表水作用。由于礦山坡體物質具有滲透性，暴雨季節(jié)強降雨下滲對坡體土的浸潤會產生不利于斜坡穩(wěn)定的影響。特別是雨季時雨水的時降時停，導致坡體內地下水位的升降變化，一方面使坡體土飽水，導致飽和重度增大，另一方面使礦山坡體結構出現軟化現象。

（4）地下水作用。礦山坡體的基地質結構發(fā)育過程，其接觸帶為相對的隔水層，坡體中所含的孔隙水等地下水易沿基礦層面富積，同時，礦層中的裂隙水也在向坡體外滲透軟化土巖接觸面，使其力學強度降低，坡體松散堆積層易沿此部位滑動。地下水產生的孔隙水壓力以及浮托力是斜坡失穩(wěn)的重要內因。

（5）地震是影響斜坡穩(wěn)定的因素之一。根據四川省地震局川震審批[2012]329號文、GB18306—2001《中國地震動參數區(qū)劃圖》及國家標準第1號修改單，水庫區(qū)工程場地50年超越概率10%時，基礎礦層水平峰值加速度為90cm/s2，灌區(qū)場地地震動峰值加速度為0.10g，相應的地震基本烈度為Ⅶ度，滑坡區(qū)域構造穩(wěn)定性較差。

3.4 礦山滑坡變形破壞模式

根據初步調查定性，該礦山滑坡是因強降雨形成的沿基巖軟弱面推移式基巖滑坡。目前，該礦山滑坡變形嚴重穩(wěn)定性差，在暴雨、強降雨等不利工況下變形可能進一步變形加劇，屬于推移式礦山大型滑坡。

4 紅層邊坡的變形破壞機制及特點

4.1 紅層邊坡的變形破壞機制

紅層邊坡變形破壞過程大體經歷3個階段。

（1）蠕變階段伴隨剪應力集中產生蠕變擠壓的過程，也可稱之為塑變過程。蠕變初期肉眼不易發(fā)現，但是，其后期邊坡表面開始出現裂縫。

（2）剪切階段隨著邊坡巖土體蠕變位移的增加和剪切帶應力集中，逐步將巖土體剪切破壞，形成連貫剪切面的過程，也是通過剪切破壞剪應力釋放的過程。

（3）滑動階段當剪切面全部貫穿后，完整的滑坡體形成，滑體沿滑面滑動。

在上述3個階段，不同的邊坡表現出了不同的特點。比如，巖體滑坡的蠕變特征不明顯，即滑坡前兆跡象不明顯，應力集中后快速的剪斷，易形成快速滑動?？伤苄暂^好的土體滑坡，這3個階段都明顯，特別是蠕變階段塑變特征明顯，具有較寬的塑變區(qū)，滑坡產生前兆跡象明顯，滑動較緩慢。

紅層邊坡土體的含泥量一般較高，邊坡變形破壞的過程普遍具有明顯的塑變期，在滑動前具有明顯的蠕變位移區(qū)。而進入滑動階段后，降雨沿裂縫滲入滑動帶，易充水承壓形成泥漿潤滑帶，滑坡推力劇增。這兩方面是紅層邊坡變形破壞比較普遍的特點。另外，紅層多數為軟硬相間的砂泥巖互層結構，順層邊坡容易產生順層滑動，這是紅層邊坡變形破壞的另一特征。

不穩(wěn)定邊坡的蠕變時間周期，因邊坡的各種條件的差異而不同，短者幾天，長者達幾年。比如，公路從路基開挖形成的不穩(wěn)定邊坡開始到邊坡出現剪切期間為蠕變期，多數邊坡在公路修建期間發(fā)生滑動，而有的則在公路營運以后才滑動。人工大斷面開挖或超荷堆載引起的蠕變期短，自然邊坡的蠕變期較長。

4.2 紅層邊坡的變形破壞擴展特點

許多紅層邊坡變形破壞面即滑坡面積一般都是由小到大擴展形成的。有的經歷若干次周期性的擴展，其發(fā)展模式如圖1所示，Ⅰ：不穩(wěn)定邊坡的蠕變→剪切→滑動；Ⅱ：滑坡后壁土體蠕變→剪切→滑動；Ⅲ：新滑體后壁土體蠕變→剪切→滑動……，直到邊坡重新趨于穩(wěn)定。每一個周期經歷的時間，有所差別。在公路、鐵路開挖形成的高陡邊坡中，多數滑坡的擴展期為3個月～1年，在雨季周期變短。

5 紅層邊坡變形破壞對工程的危害

紅層邊坡對工程危害主要有兩類，即滑坡危害和蠕變危害。其分別反映了紅層邊坡變形破壞過程先后不同階段的危害特征。

滑坡是四川省內的主要地質災害之一，每年發(fā)生滑坡災害數百例。紅層地區(qū)又是滑坡高發(fā)區(qū)，尤其在公路、鐵路建設中，由于路基開挖后，使原來處于不穩(wěn)定狀態(tài)或極限平衡狀態(tài)的邊坡進一步失穩(wěn)而產生大量滑坡。滑坡處置已成為四川公路、鐵路建設過程最為突出的難題。據目前初步統計，大保高速公路到目前（尚未竣工）已發(fā)生滑坡80余個。元磨高速公路（未竣工）已發(fā)現滑坡70多個。兩條公路中紅層地區(qū)的滑坡占2/3以上。由于滑坡的頻繁發(fā)生，給工程建設造成直接和間接的損失很大。

紅層不穩(wěn)定邊坡的蠕變，對工程的危害也很大，其主要特點是因為不易發(fā)現，在工程建設中容易被忽視，給工程造成極大的危害。其中，最突出的是對橋梁等高聳建筑物的破壞。

橋梁等高聳建筑物的特點是對垂直度要求高。而在紅層邊坡地帶修建橋梁時，因為，沒有發(fā)現滑坡，未考慮水平荷載，僅按一般常規(guī)要求設計，因此，橋梁樁基礎在不穩(wěn)定邊坡巖土體蠕變位移的側向應力作用下，容易使橋柱墩產生水平位移。橋基微小的位移，都會引起橋面的明顯的位移，或產生拉裂現象。四川大保高速公路出現十多座橋墩柱位移，最大位移量達700mm，除滑坡活動原因外，相當部分系邊坡蠕變引起。

6 主要做法與成效

6.1 群測群防制度高效運轉

近年來，德陽市各級自然資源主管部門探索踐行風險管理理念，將礦山地質災害發(fā)生可能性大、風險高的區(qū)域列為重點災害監(jiān)測區(qū)，完善防災預案、落實專職監(jiān)測員、暢通預警渠道，落實“三查”機制，為防災避險夯實了基礎，全面提高了當地群眾識災、報災、避災和相互協調聯動能力，增強地質災害防范意識，提升自救互救技能，形成了全民防災、避災新機制。

本次礦山滑坡的成功避險就是群測群防工作起到了關鍵性作用。

6.2 堅持地質災害氣象預警預報制度、地質災害“三查”制度

近年來，在德陽市自然資源主管部門的帶領下，中江縣堅持地質災害氣象預警預報制度、堅持汛前排查，加強汛中巡查，落實汛后核查，嚴格落實“雨前排查、雨中巡查、雨后核查”，確保隱患能在第一時間發(fā)現。

接到當地險情報告后，中江縣自然資源局立即調派正在鄰鎮(zhèn)開展雨中巡查的技術支撐單位專業(yè)技術人員趕赴現場進行排查核實。

6.3 地質災害果斷預警研判與啟動

本次礦山滑坡，技術單位根據對滑坡體地表裂縫的調查和變形速率的分析，現場即判定該滑坡正處于加速蠕滑階段，經現場會商后，立即啟動應急預案，按照“三避讓”和“三個緊急撤離”要求，立即組織避險撤離。

6.4 礦山工程施工現場應急搶險

避險撤離完成后，當地政府對施工人員進行了妥善安置和思想安撫，嚴防所有已撤離人員返回危險區(qū)。為防止滑坡進一步發(fā)展變形，中江縣自然資源局組織技術支撐單位專家趕赴礦山工程現場進行應急搶險。地質技術人員的經驗下，對礦山滑坡裂縫進行黏土封填并采用塑料薄膜進行覆蓋，對坡體表面排水系統進行疏浚引流；利用無人機航拍對整個滑坡區(qū)進行三維建模，根據影像資料及滑坡變形特征布置了三條監(jiān)測剖面，安裝專業(yè)實時位移監(jiān)測設備（GNSS），完成應急工程地質測繪、調查等工作，為后期滑坡防治提供基礎數據。

6.5 變形監(jiān)測

根據專家建議，在礦山滑坡現場應急布置簡易監(jiān)測點及專業(yè)監(jiān)測點，安排專職監(jiān)測員進行監(jiān)測。根據監(jiān)測數據結果顯示，隨著后期降雨減少，滑坡整體變形位移趨于穩(wěn)定?；陆洑v上一輪強降雨發(fā)生快速變形（8月15日～17日）后，變形速度逐漸減慢?；氯蕴幱谌浠冃坞A段，整體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

6.6 項目立項申報與治理措施建議

由于滑坡整體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，距離水庫大壩僅約300m，滑坡一旦發(fā)生，可能會影響到水庫壩體穩(wěn)定性，從而影響礦山區(qū)域安全，滑坡影響重大，急需進行治理。根據專業(yè)技術隊伍應急工程地質測繪、調查結果，提出滑坡防治措施并進行投資匡算。主管部門根據滑坡具體評估情況及治理投資匡算立即上報申請立項。

7 經驗啟示

（1）群測群防體系高效運轉起到良好作用。近年來，德陽市各級自然資源主管部門探索踐行風險管理理念，將地質災害發(fā)生可能性大、風險高的區(qū)域列為重點監(jiān)測區(qū)，完善防災預案、落實專職監(jiān)測員、暢通預警渠道、強化宣傳培訓，落實“三查”機制，為防災避險夯實了基礎。

（2）避險撤離果斷、管控嚴格到位。中江縣自然資源局、集鳳鎮(zhèn)政府面對險情，應急避險撤離果斷，并在轉移受威脅農戶時加強現場動態(tài)管理，對不愿意撤離的3名群眾實施“強制撤離+實時管控”，有效避免了因災傷亡。

（3）紅層邊坡變形破壞一般都經歷3個階段：蠕變、剪切、滑動；并且，具有蠕變特征相對硬脆巖體邊坡較明顯的共同特點。

（4）紅層滑坡一般按蠕變、剪切、滑動3個階段呈周期性擴展，擴展周期因邊坡受力、浸水軟化等具體條件不同有所差異。

（5）紅層邊坡變形破壞對工程建設的危害主要是滑坡危害和蠕變危害。蠕變危害反映了紅層邊坡危害的特殊性。

（6）根據紅層邊坡變形破壞特點，對其危害防治采用有計劃地分步加固治理的對策。對已確定的不穩(wěn)定邊坡應采取全面勘察，總體研究，建立應變監(jiān)測，有計劃地分步加固的對策。對已確定的不穩(wěn)定邊坡應在蠕變期加固。