福泉小坝滑坡启动机理研究

周学琴,林锋,张洪,王垚

(地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学),成都 610059)

福泉小坝滑坡启动机理研究

周学琴,林锋,张洪,王垚

(地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学),成都 610059)

2014年8月27日晚8点30分左右，贵州省福泉市发生了一起严重的顺向层状岩质滑坡灾难，约141×104m3。本文通过对小坝滑坡现场资料的收集和整理分析，建立了启动机制概念模型并采用有限元数值模拟方法对小坝滑坡启动机制进行了研究。结果表明，滑坡体左侧启动区由于人工开挖磷矿，导致斜坡的抗滑力减小，从而降低了斜坡的稳定性，斜坡发生蠕滑并在其后缘产生了拉裂缝，导致坡脚出现应力集中。最终在持续降雨的条件下，坡脚最先出现剪断破坏，导致启动区失稳，从而导致整个滑坡的形成。

小坝滑坡；顺层岩质滑坡；人工开挖；降雨；数值模拟

顺层岩质滑坡[1,2]是自然界中常见的一种滑坡，发生频率较高，给社会造成了严重的危害，如意大利瓦伊昂水库库岸滑坡、抚顺西露天矿滑坡、三峡鸡扒子滑坡和成昆铁路铁西滑坡等都是顺层滑坡带来灾难性后果的著名例子[3]。

2014年8月27日晚8点30分左右，贵州省黔南州福泉市发生了一起严重的顺向层状岩质滑坡灾难，滑坡体猛烈冲击下方矿坑积水，形成类似海啸的高压水气流体，导致了小坝和新湾两个村民小组的67户人家房屋被掩埋，造成23人死亡，22人受伤。由于该滑坡的规模较大，变形过程复杂，给滑坡治理带来了一些困难。本文通过对小坝滑坡的现场地质调查分析，建立滑坡模式概念模型，并结合数值模拟方法，对该滑坡启动机制进行了研究[4,5]，为滑坡的有效治理提供了科学依据。

1 研究区工程地质条件

小坝滑坡位于黔南州福泉市道坪镇英坪村小坝组，属于低中山区。地形呈台阶状，滑前斜坡呈陡缓相间展布，斜坡中下部公路所在的坡段的坡度较缓，局部较陡斜坡坡段，滑前斜坡的外围地形较陡，斜坡的总体走向为180°～220°。小坝滑坡区前缘有两处磷矿的开采，北侧暗挖处基岩零星裸露，地形起伏大；南侧为明挖，有一深60～80 m，周长520 m，面积为15 241 m2的矿坑，坑内有约三分之一积水。研究区的地质岩组包括：(1)松软岩组为第四系(Q)的粘土和亚粘土。(2)坚硬岩组为震旦系上统灯影组(Z2dy)的白云岩，其岩性坚硬，强度高，但盐溶化强烈。(3)软质岩组为震旦系下统灯影组(Z1ds)的磷块岩、硅质岩等。南华系上统南沱组(Nh2n)的灰绿色、紫红色冰碛砾岩，清白口系清水江组(Qbq)的灰绿色、灰色中至厚层凝灰岩夹粉砂岩、板岩。

斜坡的中下部存在一条横贯斜坡中下部的逆断层，产状为：N36°E/NW/62°，斜坡的北侧存在两条走向大致为EW的平移断层，其中距离斜坡较近的这一条平移断层为近直立(图1)。在逆断层下盘陡山沱组三段硅质岩岩体中主要集中发育有两组节理：①S20°～45°W/NW/46°～60°；②S50°～65°E/ SW/77°～88°。总体上，陡山沱组三段硅质岩岩体为薄层状-镶嵌碎裂结构，节理裂隙发育比较密集，岩体结构类型则为碎裂状结构。本区发育的地下水类型主要为碳酸盐岩类岩溶水，地震基本烈度为Ⅵ度，属地震稳定区。

2 滑坡特征及启动机制分析

2.1 滑坡基本特征

小坝斜坡位于高坪背斜东翼，总体形态呈扇形。滑坡后缘高程约为1 430～1 450 m，滑坡前缘抵达小坝、新湾两个村民组所在的地势平坦起伏较小的位置，高程约为1 250～1 265 m，前后缘高差约200 m。滑坡前后缘最大水平纵向长度约780 m，滑坡最大水平宽度约470 m。滑坡体总方体量约141×104m3。小坝滑坡坡体组成物质如图2所示。

2.2 滑坡启动变形破坏特征分析

根据现场调查表明，滑坡左侧为启动区域，启动方向为150°～160°，与主滑体方向一致。根据该区滑源区内部的微地貌特征将A区分为主滑体(A1区)和右前缘滑槽(A2区)两个亚区(图1)。

在主滑体左侧后部的滑坡堆积体上明显可见滑坡台阶，靠近滑坡左侧边界的区域处有一大拉槽，宽度约为40～45 m，总体走向为135°～145°。主滑体右侧后部与右侧壁之间存在一条延伸长度约140 m、宽度为10～25 cm的裂缝，裂缝的延伸方向为147°～166°，裂缝内可见土黄色的滑带土，其上可见擦痕，擦痕倾伏向为：140°～150°。说明目前滑坡堆积体的稳定性较差，仍处于蠕滑变形当中。坡脚处堆积的南陀组冰碛砾岩可见较明显的岩石层理和定向排列特征，有叠瓦式堆积特征，推测此处附近即为剪出口，其大致的延伸方向为220°～225°。

滑槽位于滑坡主滑体的右前缘。在斜坡的坡脚位置处，硅质岩块碎石集中堆积，发育两组近正交节理，岩体结构为薄层状-镶嵌碎裂状结构。区域内高程约1 310 m以上范围内，存在许多拉裂缝，一定程度上说明了滑槽上部物质的滑动具有牵引滑动的特征。在拉裂缝或拉槽内，可见清水江组的岩石出露，岩性为灰色、灰绿色的粉砂质板岩，现场测得其产状为：N10°～15°E/SE/34°～40°。滑槽的后部发育有两组拉裂缝，两组拉裂缝的走向总体上大致为斜交，其中一条走向为155°～175°，另一条拉裂缝总体走向为220°。这些拉裂缝的总体延伸方向也在一定程度上也说明了滑坡具有牵引滑动的特征。

2.3 滑坡启动影响因素分析

(1) 人类工程活动

本区人类工程活动十分强烈，主要表现为对磷矿的开挖和运输。当地村民开挖磷矿主要集中在斜坡坡脚，而在斜坡下部的其他位置也存在小规模少量的磷矿开挖工程，而且在斜坡的下部还存在一条运输磷矿石的主干公路，后面由于运输磷矿石的需要又在上方修建了一条公路。由于当地村民的采矿活动，严重破坏了滑坡体地质环境，加之工程建设大面积的切坡，边坡未及时支护，原本松动的坡体极易造成边坡失稳。大量填土堆弃在坡脚，暴雨期易诱发泥石流和填土滑移失稳，冲沟积水浸泡斜坡坡脚，对斜坡的稳定性极为不利。

(2) 强降雨作用

根据气象资料，2014年8月的降水量为100～200 mm，滑坡发生之前当地降雨已经持续了近1个月。由于连续降雨和地下水作用强烈，使岩体中的可溶盐及亲水矿物产生溶解、水解、软化，使强度降低，并加速了裂隙的发展，破坏了坡体结构，导致坡体中岩土体软化，力学强度降低，造成启动区前部发展为加速蠕滑[6]。滑坡发生时正值雨季，矿坑内有三分之一的积水。小坝滑坡发生后当地9月份出现连续强降雨天气，降雨量达到147.9 mm。

2.4 滑坡启动机理分析

通过对小坝滑坡现场资料的收集和整理分析，小坝滑坡启动区失稳破坏大致可划分为3段：坡脚蠕滑阶段、后缘拉裂阶段以及坡脚剪断阶段[7,8]。

小坝斜坡为中缓倾外顺向高边坡，调查发现斜坡的中下部存在一条横贯斜坡中下部的逆断层，其产状为：N36°E/NW/62°。由于逆断层上升盘的上升逆冲作用，使得断层上盘原本距离地表深度较大的南陀组与清水江组软岩被抬升，加强了这两套软岩地层的风化作用。同时由于逆断层属于挤压性质断层，在斜坡中下部靠近断层的一定范围内形成断层破碎带，这也将在斜坡中下部形成物理力学性质都将明显降低的软弱带，对斜坡稳定性产生重要影响。斜坡的北侧存在两条走向大致为EW的平移断层，其中距离斜坡较近的这一条平移断层为近直立，正是由于这两条平移断层的牵引从而导致了斜坡局部地段岩层产状的变异。

经过当地村民的开采，破坏了滑坡体地质环境，导致斜坡的抗滑力减小，从而降低了斜坡的稳定性，斜坡发生蠕滑并在其后缘产生了拉裂缝，导致坡脚出现应力集中。最终在持续降雨的条件下，坡脚应力的累积最终打破平衡，导致启动区坡脚处首先剪断失稳(图3)。而坡脚部分相当于锁固段，失稳后上部岩体的势能转换为动能向前推挤，从而导致主滑区受到的坡脚支撑力显著降低。

3 小坝滑坡启动机理数值模拟分析

基于滑坡启动区形成机制概念模型，以Ⅴ-Ⅴ′剖面进行数值模拟研究，进一步认识滑坡形成的机制和过程。在建立了统一的计算模型的基础上，通过GeoStudio2007这一数值计算软件来模拟小坝斜坡前缘坡脚部位磷矿切层开挖变形破坏发展过程，在斜坡坡脚部位切层开挖磷矿完成基础上，进行降雨入渗过程分析，最后进行渗流场与自重应力场的耦合分析，通过以上步骤来分析小坝滑坡的启动机制。

3.1 计算模型的建立

以Ⅴ-Ⅴ′剖面为基础建模，模型介质概化为12类(表1、图4)，采用GeoStudio2007中的SIGM/W和SEEP/W模块进行模拟。耦合分析时，计算模型的左侧边界和右侧边界均采用X方向位移为0的单向支座约束，底边界采用Y方向位于为0的单向支座约束，模型的上部边界为自由边界。在进行渗流场的分析时，计算模型的边界均采用水力边界条件约束，左侧边界为定水头高度1 390 m、右侧边界为定水头高度1 180 m，而底部边界为不透水边界。计算模型的网格尺寸设置为8 m，整个计算模型的节点数为2 813，单元个数为2 775。

3.2 计算结果分析

3.2.1 斜坡前缘坡脚切层开挖作用下坡体启动区数值计算分析

斜坡前缘坡脚部位切层开挖磷矿的过程分6步完成。随着切层开挖磷矿的进行，坡体总位移的最大值逐渐增加，坡体变形逐渐加剧。由于坡脚的切层开挖导致了斜坡体内的应力重分布，因此产生的应力分布与应力集中将造成变形与破坏，最为明显的是开挖的矿坑在靠近斜坡体的那一侧出现了更为明显的变形，总位移等值线图十分密集，总位移大小由坡面至坡里减小(图5a)。

切层开挖斜坡前缘坡脚部位的磷矿，相当于在斜坡坡脚部位卸荷，这就导致斜坡的应力重分布，从而产生卸荷回弹变形，进而将导致在斜坡内产生拉裂缝影响斜坡的稳定。根据位移矢量图可以看出，卸荷回弹变形出现在坡脚开挖的地方，位移的方向大体上指向斜坡外部。坡内各点的竖直位移都是竖直向上的，而水平位移都是指向坡脚部位开挖的矿坑的，因而总位移的方向也就是指向开挖的矿坑处(图5b)。

在开挖过程中，坡体的剪应变随着开挖的继续而不断增加。根据最大剪应变等值线图看出，在坡脚部位和靠近矿坑的岩体中剪应变比较明显，尤其在逆断层下盘南陀组冰碛砾岩中产生了更为明显的剪应变值。在开挖的矿坑内最大剪应变等值线也随开挖深度的增加而变得越来越密集(图5c)。

随着开挖的继续，坡体内逐渐产生塑性区。从塑性区的分布图可以看出，斜坡体内塑性区范围随着开挖深度的增加而逐渐扩大，特别是斜坡中部的塑性区范围明显增加(图5d)。

3.2.2 开挖后强降雨作用下坡体启动区数值计算分析

在进行强降雨后，将渗流场与自重应力场进行耦合分析，结果表明：

总位移的最大值和最小值都随着降雨的持续而逐渐增加，矿坑底部的总位移值也在增大，特别是在斜坡后部的位移值增加得更为明显，总位移等值线也变得更密集(图6a)。

根据总位移矢量图(图6b)可以看出，有一个朝着坡下的弯曲出现在坡体内部的等值线上，这个弯曲指示了滑坡失稳的潜在滑动面的位置，总位移方向大体上是平行于坡表的。

从耦合后的最大剪应变等值线图(图6c)看出，剪应变等值线密集范围随着降雨的继续而扩大，特别是矿坑的底部出现了较大的剪应变值。在坡体内部的剪应变等值线上出现了一个非常密集的带状区域，这个区域内的剪应变值比其他区域内的剪应变值要大。从而可以推测出斜坡失稳的潜在滑动面可能出现在该带状区域。

根据耦合后的塑性区分布图(图6d)可以看出，坡体内塑性区的范围随着降雨的持续作用而逐渐扩展。塑性区主要出现在斜坡前缘坡脚部位靠近矿坑一定范围内的岩体中、断层上盘清水江组凝灰质粉砂岩中以及断层下盘南沱组和陡山沱一段+二段之间。断层上盘的潜在滑动面已经贯通，而下盘的潜在滑动面已经形成。前缘坡脚部位的硬岩已经产生较大的塑性变形，斜坡处于临滑状态。

4 结论

(1) 小坝滑坡为顺层岩质滑坡，总体方量约141×104m3，滑体的最大运动距离为435 m，属于大型高速岩质滑坡。

(2) 小坝滑坡是在人工开挖和降雨的共同作用下发生的，切层开挖磷矿导致斜坡的抗滑力减小，从而降低了斜坡的稳定性，斜坡发生蠕滑并在其后缘产生了拉裂缝，导致坡脚出现应力集中。最终在持续降雨的条件下，坡脚最先出现剪断破坏，导致启动区失稳，从而导致整个滑坡的形成。

(3) 数值模拟分析表明：在天然状态下，斜坡处于稳定状态；随着开挖在清水江组凝灰质粉砂岩与粉砂质板岩的分界面上出现了塑性区，并随着矿坑的加深而增加，为蠕滑变形状态，而坡脚由于矿坑开挖处于卸荷回弹变形状态；沿清水江组粉砂质页岩与其弱风化的分界上设置地下水位线，此时上盘软岩处于滑移变形状态，岩体处于非饱和状态，斜坡稳定；随着降雨持续，坡体内地下水位上升，岩体基本处于饱水状态，坡体物质在地下水加载、强度软化和水力作用下，逆断层上盘的塑性区最先贯通，并且最先进入屈服状态，接着逆断层下盘的软硬岩界面和硬岩中出现塑性区，斜坡处于即将失稳状态。

[1] 白云峰,周德培,王科,等.顺层滑坡的发育环境及分布特征[J].自然灾害学报,2004,13(3):39-43.

[2] 邹宗兴. 顺层岩质滑坡演化动力学研究[D].中国地质大学(武汉),2014.

[3] 冯夏庭.智能岩石力学导论[M]．北京:科学出版社,2000.

[4] 张倬元,王士天,王兰生.工程地质分析原理[M].北京：地质出版社，2009.

[5] 黄润秋.20世纪以来中国的大型滑坡及其发生机制[J].岩石力学与工程学报,2007,26(3):433-454.

[6] 韩至均,金占省.贵州省水文地质[M].北京：地震出版社,1996.

[7] 贵州省地质矿产局.贵州省岩石地层[M].武汉:中国地质大学出版社,1997.

[8] 杨胜元,张建江.贵州环境地质[M].贵阳:贵州科技出版社,2008.

STUDY ON FAILURE MECHANISM OF XIAOBA LANDSLIDE IN FUQUAN

ZHOU Xue-qin,LIN Feng,ZHANG Hong，WANG Yao

(State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection,Chengdu University of Technology, Chengdu 610059,China)

At 8:30 pm. on August 27, 2014, a large consequent bedding rockslides disaster of about 1.41 million m3happened in Fuquan County, Guizhou Province. Through analyzing the field data in the process of collection and arrangement of Xiaoba landslide, failure mechanism conceptual model was established. In addition, its failure mechanism was studied through finite element method. It is concluded that the failure field in the left of slope saw a decrease in the sliding resistance due to the excavation of the phosphate rock, thereby reducing the stability of slope. Creep and fracturing in the rear edge of slope caused stress concentration in toe of the slope. Finally, shear failure was happened in toe of the slope by rainfall duration, which contributed to the landslide formation because of unstable failure of failure field.

Xiaoba landslide;Consequent bedding rockslides;Artificial excavation;Rainfal; Numerical simulation

1006-4362(2015)04-0005-07

2015-06-20改回日期：2015-09-13

973计划项目(2013CB733201)资助

P642.22

A

周学琴(1989- )，女，硕士研究生，主要从事工程地质方面的研究。E-mail：1038589546@qq.com