川黔线裁缝岩滑坡灾害的基本特征与初步研究

李嘉雨，陈亮，蒋良文，赵平，毛邦燕(.中铁二院劳模(专家)地质创新工作室,成都 6003；.中铁二院地勘院，成都 6003)

川黔线裁缝岩滑坡灾害的基本特征与初步研究

李嘉雨1,2，陈亮2，蒋良文1，赵平2，毛邦燕1,2
(1.中铁二院劳模(专家)地质创新工作室,成都 610031；2.中铁二院地勘院，成都 610031)

川黔线铁路K119段裁缝岩处发生大型红层岩质滑坡，造成巨大经济损失。为保障既有铁路线运营安全，本文在对滑坡工程地质特征进行调查的基础上采用遥感解译及3DEC数值模拟的手段，讨论了该红层滑坡对铁路工程的影响及其形成演化机理。研究结果表明：(1)在自重应力的牵引作用下，岩层间的非协调变形产生拉张裂缝，降雨入渗张拉裂缝，使滑带泥化软化，并最终诱发裁缝岩滑坡失稳破坏。(2)在滑带处于饱和状态时，该红层滑坡将再次失稳堆积于綦江河上并形成滑坡坝，对铁路工程造成较大威胁。

红层滑坡；形成机理；铁路工程；数值模拟

1 前言

川黔线是西南铁路网中运输极其繁忙的Ⅰ级单线铁路，更是贵州连接西南、西北的重要干线[1]。2016年6月28日19点30分前后川黔线铁路K119段裁缝岩处发生大型红层滑坡，致所经川黔线列车停运改道近1个多月，造成巨大经济损失。

滑坡位于雷吼洞隧道口上部，严重威胁铁路运营安全。若滑坡再次失稳后冲入綦江河中，恐将危及川黔线铁路、滑坡前缘居民区、国道210安全，并形成滑坡坝，造成更为严重的经济损失。

因此，对该红层滑坡的孕灾地质条件、成因演化机理及再次失稳后对铁路工程的可能产生影响进行深入研究显得尤为迫切。

2 滑坡的背景

2.1 概况

滑坡位于綦江区赶水镇川黔线铁路K119+120段。滑坡区地貌为浅中切割侵蚀-构造中低单斜构造山，山脊线走向呈NNE-SSW。

滑坡区位于新华夏系第三隆起带与沉降带间，属川东褶带与川鄂湘黔隆起褶带西缘交接部位。区域主要构造为官田寺背斜，其岩层走向N28°～49°E，倾角18°～21°NW，代表性产状为N45°E/20°NW。滑坡区出露岩层为侏罗系中上统沙溪庙组(J2s)砂泥岩互层。

滑坡区属亚热带湿润气候区，降雨分配不均，每年的5～9月降水量占全年的69%，冬季降水量仅占全年的4.2%。滑坡区年平均降水量1 070 mm，多年最大降雨1 249.9 mm，多年最大日降雨量达138.7 mm。

2.2 早期变形迹象

自20世纪60年代川黔铁路建成后，斜坡前部土体出现了拉裂、局部垮塌、鱼塘漏水等蠕滑变形迹象。为避免垮塌对铁路造成破坏，20世纪70年代该段铁路改为隧道通过。而后在1998年、2007年、2014年的雨季斜坡变形加剧，在斜坡中部及前部出现多处地面拉裂，在前部出现了局部垮塌等强变形特征。

2014年遥感图像(图1)表明滑坡左后缘临空面发生过滑坡或崩塌将坡表植被破坏，因此可以判定裁缝岩南侧有一处崩滑堆积体。从2014年7月滑坡区遥感影像(图2)可以发现，斜坡后缘疑似有轻微下错，并形成长度约26 m疑似拉张裂缝。至2014年8月暴雨后，滑坡后缘出现明显的下错，拉张裂缝长度扩大至107 m，并形成小型滑坡壁。斜坡前部冲沟侧局部滑塌，滑塌面积165 m2(图1)。

图1 2014年8月滑坡区遥感影像

图2 后缘拉张裂缝扩展

3 滑坡的工程地质特征

3.1 基本特征

裁缝岩滑坡位于綦江河右岸，为典型两面临空型红层缓倾角顺层滑坡。

根据无人机航拍影像(图3)，綦江河谷深切使滑坡前缘及左侧边界临空，右侧边界由于巨厚层砂岩风化崩落，形成陡崖及小型冲沟，滑坡壁上部季节性水沟发育。

滑坡长460 m、宽90～100 m，整体呈不规则四边形，滑坡体平均厚度约5～20 m，总方量为162×104m3。斜坡坡向约为260°，滑坡主滑方向270°，滑动距离39～53 m，下伏基岩产状N50°E/NW，倾角约20°。滑坡前后缘高差约158 m，前缘与綦江河高差41 m，水平距离92 m。

根据滑坡的变形特征及研究需要，将滑坡划分为主滑区、剪切挤压区和崩塌堆积区(图3)。

图3 裁缝岩滑坡航拍全貌图

3.2 主滑区的变形特征

3.2.1 滑坡前缘

滑坡前缘土体鼓胀隆起明显，剪出距离2～5 m，推覆斜坡前部左右两侧蓄水池。前缘松散堆积体在暴雨的作用下沿冲沟形成溜滑体，将斜坡下部道路掩埋。在滑坡滑动过程中，前缘右侧堆积体受到推挤，导致剪切挤压区房屋倾倒变形。

通过对航拍获得的滑坡前缘裂缝(图4)发育特征进行解译，滑坡前缘主要分布与滑动方向近于垂直的横向鼓胀裂缝，走向大致为320°；此外，还有少量与滑坡滑动方向近于平行的放射状纵向鼓胀裂缝，走向大致为290°。

图4 滑坡前缘裂缝分布情况

3.2.2 滑坡中部

滑坡中部右侧边界剪切错动明显，滑动过程中形成宽约0.2～0.3 m的剪切裂缝及三级错台(图5)。错台高度1～3 m，错台延伸长度约27～71 m。与滑坡前缘不同的是，中部左侧边界分布密集放射状纵向鼓胀裂缝，裂缝宽度0.2～1.5 m，平均长度13.1 m，走向大致在230°～260°的范围内。

图5 滑坡中部裂缝分布情况

此外，在滑坡滑动过程中受中部左侧临空影响产生的侧向滑塌，滑塌体以泥流的形式下泄至川黔线及綦江河中，堵塞川黔线K119段雷吼洞隧道口(图3)。

3.2.3 滑坡后缘

滑坡后缘形成“M”形长大拉裂缝及滑坡壁。拉裂缝北侧宽约21 m，南侧宽约49 m，呈北窄南宽的形态。弧形滑坡壁长约250 m，高29.5～42.2 m。滑体滑动后岩层倾向沿滑动方向发生偏转(图6)，岩层产状变为N5°W/SW,倾角19°。

图6 滑坡后缘拉裂缝(镜头方向320°)

3.3 滑坡的结构特征

滑坡区后部以岩体滑动为主，推动中前部土体滑动；纵剖面上，滑体前部临空，中部平缓，后部陡斜；横剖面上，由于斜坡沿南侧临空面崩塌剥蚀而岩层倾向北西，使滑体北侧厚，南侧薄，说明滑体在滑动过程中一定程度上受到岩层倾向的影响而向北侧挤压变形。

3.3.1 主滑区

根据滑坡的变形及物质结构特征，滑坡主滑区划分为后缘启动推移区、中部挤压下错区、前缘鼓胀滑塌区(图7、图8)。

图7 裁缝岩滑坡钻孔平面布置图

1. 紫红色中厚层-厚层泥岩夹灰白色中厚层砂岩；2.紫红色薄-中厚层泥岩；3.碎石土；4.块石土；5.粉质黏土夹碎块石；6.沙溪庙组二段；7.滑带；8水位线图8 裁缝岩滑坡横纵剖面图

(1) 鼓胀滑塌区

前缘上部滑体厚5.5～16.5 m，主要为第四系残坡积(Q4dl+del)紫红色粉质粘土夹砂泥岩碎石，呈软塑-可塑状。勘察结果表明滑带位于隧道顶部29.5～38.8 m处，滑坡对隧道洞身结构无直接影响。下部滑床为厚层状泥岩夹中厚层砂岩。

(2) 挤压下错区

(3) 启动推移区

该区滑体北厚南薄，北侧以岩体为主，南侧以土体为主。上部为第四系崩残坡积物(Q4dl+col)风化后形成的粉质黏土夹碎块石土，厚度0～7 m，碎块石含量20%～50%；中部为下部泥岩滑动破碎及风化形成的角砾土，厚度0～10.5 m。角砾土以下为侏罗纪沙溪庙组(J2s)紫红色中厚层-厚层状泥岩夹灰白色中厚层砂岩，钙质胶结。后缘长大拉裂缝被砂岩、泥岩碎块石所充填，结构松散。

滑坡壁出露巨厚层状砂岩及中厚层-厚层泥岩，结构面十分发育。统计结果表面滑坡壁主要发育2组结构面(图9)。其中JL1结构面走向与斜坡坡向相一致，产状：182°∠75°；JL2结构面走向与岩层倾向相一致，产状：55°∠82°。钻孔cx03显示启动推移区滑带位于钻孔下方22.9～30.6 m处，此处基岩较为破碎，并且可见明显泥岩擦痕(图10)。

图9 滑坡壁两组主要结构面

图10 滑带泥岩擦痕

3.3.2 剪切挤压区

剪切挤压区位于滑坡右前缘，与主滑区处于同一个剥蚀平面上,隧道顶部位于该基覆界面下方17.2 m处。该平台为斜坡崩坡积物形成的第四系堆积体，堆积体主要为粉质黏土夹砂泥岩碎块石，碎块石含量约30%～40%，厚度9.5～18.8 m。堆积体下部为中厚层-厚层泥岩夹中厚层砂岩。滑坡滑动过程中，沿冲沟发生剪切错动，将主滑区右侧边界房屋拉塌，并且推动剪切挤压区平台产生变形。因此，剪切挤压区是裁缝岩滑坡天然抗滑段，防止了滑坡进一步滑出。

3.3.3 崩塌堆积区

崩塌堆积区(图3)呈三角型，前部薄后部厚，厚度0～5.7 m，估测体积约1.1×104m3，为斜坡北侧上部巨厚层砂岩向南侧陡坡崩落滑塌形成，上部堆积体为第四系崩坡积物(Q4dl+col)砂岩碎块石及泥岩角砾土，下部基岩为中厚层泥岩。考虑到堆积体体积较小，稳定性好，且距铁路线较远(约160 m)，因此该堆积体对铁路运营安全无重大威胁。

3.4 滑坡的水文地质特征

滑坡区内地表水主要以大气补给降水为主，受气候影响变化显著，坡面发育季节性冲沟。通过无人机航拍解译及调查发现滑坡壁后部存在3条季节性水沟，而北侧巨厚层砂岩内存在坡表降雨形成的季节性基岩裂隙水。两者都呈点状入渗滑坡后缘拉张裂缝，并成为滑体下部的地下水。

滑体内部地下水而后沿基岩泥化软化夹层，流入中部挤压下错区，受到地表水补给后，沿基覆界面进一步流动至前缘鼓胀滑塌区，最终以泉的形式沿坡脚砂岩渗出排泄于前缘水塘或冲沟，并汇集于綦江河。

裁缝岩滑坡布置监测孔表明滑体内长期存在地下水，并且地下水水位随降雨而变化，滑坡后缘显得尤为显著。

4 滑坡对铁路工程的影响评价

4.1 稳定性评价

根据表1裁缝岩物理力学参数的取值及其水文地质特征，用传递系数法对滑坡在自重(无地下水)、降雨(含地下水)、暴雨(滑带100%软化)和地震工况(含地下水)下的进行了稳定性计算。

计算结果表明(图11)滑坡前缘的稳定性要好于滑坡后缘。当滑带处于饱水极端状态时，滑坡稳定性大幅降低，3个滑坡剖面计算结果皆处于不稳定状态。此外，对滑坡后缘进行削坡减载并不能大幅提高滑坡的稳定性。因此，可见滑坡在大雨～暴雨条件下处于不稳定状态，滑带饱水软化是该滑坡失稳的关键。

图11 滑坡稳定性计算

4.2 滑坡的危害性预测

在定性分析的基础上，通过使用3DEC数值模拟软件，用离散单元法模拟滑坡在暴雨条件下，再次失稳后可能造成的破坏进行定量分析。

基于对裁缝岩滑坡工程地质特征的分析，将模型划分为主滑区、剪切挤压区及非滑坡区。其中主滑区和剪切挤压区视为滑动破坏后的不连续单元块体，非滑坡区视为不可变形的刚体。主滑区滑带取液限饱和滑带土参数，剪切挤压区取天然状态滑带土参数，其余岩土物理力学参数依据室内试验结果(表1)选取。

表1 裁缝岩滑坡岩土体物理力学参数

数值模拟试验表明(图12)：滑坡在天然工况下能够保持稳定，但在暴雨工况下滑带软化，滑坡将会失稳破坏。在暴雨工况下,当数值模拟迭代步数达300 000步后，滑坡体将沿鼓胀滑塌区剪出，并堆积于綦江河中，形成滑坡坝，但形成的堰塞湖水位高度不会将铁道线路淹没。滑坡在滑动过程中，滑坡左侧部分滑体仍会沿陡坡下滑至川黔线铁路隧道入口，而右侧滑体会挤压“剪切挤压区”，导致其沿基覆界面向临空面发生滑动。

图12 裁缝岩滑坡变形破坏结果图

5 滑坡成因机理分析

走访调查及卫星遥感影像表明，先后经历前缘剥蚀滑塌、中部田坎下错、后部裂缝拉张、滑坡整体失稳等过程，说明裁缝岩滑坡是经长期演化而逐步形成的。

众多研究表明红层软岩由于其沉积时间较短，使其具有流变性这种特殊的工程特性。[2-13]通过表1所获得的岩土体物理力学参数，通过弹性力学公式计算[14]:

(1)

(2)

σsinθ≥uσcosθ

(3)

(4)

式中，εm为泥岩应变；εs为砂岩应变；μm为泥岩泊松比；μs为砂岩泊松比；Em为泥岩弹性模量；Es为砂岩弹性模量；σ为斜坡自重应力；θ为岩层倾角；u为砂泥岩层面摩擦系数；n为倍数。

可知在滑体内同一层砂泥岩层面上，受到相同自重应力的作用，泥岩层的应变是砂岩层的1.26倍，这导致砂泥岩层面间在流变过程中发生显著的非协调变形，使原生闭合结构面JL1张开，形成拉张裂缝。其中，式3表明斜坡的下滑力大于砂泥岩层间的静摩擦力是发生砂泥岩产生非协调变形的必要条件，因此河流切割使斜坡前缘临空是产生非协调变形的主要外界因素。

实验也表明[15]，砂泥岩在剪应力的作用下，长期强度会大幅度降低，且泥岩的流变特性要远好于砂岩，并在砂泥岩间形成粉砂状的层间剪切错动带。

通过搜集滑坡附近的两处降雨资料分析，发现滑坡发生时间点与两处观测站的3 d累计降雨量峰值点都非常契合(图13)。其中滑坡发生前，岔滩站达到大雨级别，赶水北站达到暴雨-大暴雨级别。这表明滑坡失稳是由强降雨导致的。

而降雨能够沿着滑坡壁上部水沟汇聚于后缘拉张裂缝中，并沿滑坡后缘发育的两组优势结构面，下渗至滑带，使滑带泥化软化。从表1滑带饱水后的及数值模拟的计算结果可以看出，当滑带土处于饱和状态时，c、φ值分别大幅度降低75.3%和53.7%，可以说滑带土软化、泥化是导致滑坡失稳的决定性因素。

以上分析可见裁缝岩滑坡是长期历史演化过程中，内外因共同作用的结果。河流下切作用及坡体的岩性差异使斜坡后部形成拉张裂缝。降雨入渗张拉裂缝，使滑带泥化软化，并最终诱发滑坡失稳破坏。

图13 裁缝岩滑坡降雨量

6 结论与认识

本文在对裁缝岩滑坡工程地质特征调查的基础上，对其成因机理进行了分析总结，并且通过稳定性计算及3DEC数值模拟，对滑坡再次失稳后对铁道工程的影响进行了定性及定量的分析，得到以下结论：

(1) 在自重应力的牵引作用下了，岩层间的非协调变形使滑坡后缘原生结构面张开形成拉张裂缝，降雨入渗张拉裂缝，使滑带泥化软化，并最终诱发裁缝岩滑坡失稳破坏。

(2) 在暴雨工况下滑体将挤压滑坡右侧边界居民区，并沿滑带剪出，最终堆积于綦江河中形成滑坡坝，部分滑体将下滑至铁路隧道入口，对铁路运营安全造成较大影响。

致谢在此感谢中铁二院创新工作室无人机团队、中铁二院重庆公司、208地质队及成都铁路局指挥部相关领导，特别感谢毛邦燕博士对本文的指导与帮助。

[1] 杨孝忠.既有铁路川黔线适应性扩能工程供电系统研究[J].高速铁路技术,2015,(6):5-8.

[2] 杨淑碧,徐进,董孝璧.红层地区砂泥岩互层状斜坡岩体流变特性研究[J].地质灾害与环境保护,1996,(2):12-24.

[3] 曹树刚,边金,李鹏.软岩蠕变试验与理论模型分析的对比[J].重庆大学学报(自然科学版),2002,(7):96-98.

[4] 张向东,李永靖,张树光,等.软岩蠕变理论及其工程应用[J].岩石力学与工程学报,2004,(10):1635-1639.

[5] 周应华,邵江,罗阳明.近水平红层边坡变形破坏的力学机制分析[J].路基工程,2006,(1):6-7.

[6] 王志俭,殷坤龙,简文星.万州区红层软弱夹层蠕变试验研究[J].岩土力学,2007,(S1):40-44.

[7] 王志俭,殷坤龙,简文星,等.三峡库区万州红层砂岩流变特性试验研究[J].岩石力学与工程学报,2008,(4):840-847.

[8] 李良权,王伟.粉砂质泥岩流变力学参数的试验研究[J].三峡大学学报(自然科学版),2009,(6):45-49.

[9] 谌文武,原鹏博,刘小伟.分级加载条件下红层软岩蠕变特性试验研究[J].岩石力学与工程学报,2009,(S1):3076-3081.

[10]陈从新,卢海峰,袁从华,等.红层软岩变形特性试验研究[J].岩石力学与工程学报,2010,(2):261-270.

[11]李良权,徐卫亚,王伟,等.基于流变试验的向家坝砂岩长期强度评价[J].工程力学,2010,(11):127-136+143.

[12]刘小伟,谌文武,张帆宇,等.新近系红层软岩流变特性试验研究[J].中国沙漠,2012,(5):1268-1274.

[13]朱昌星,黄增慧,韩宪军.基于三轴蠕变试验砂岩非线性蠕变模型研究[J].河南理工大学学报(自然科学版),2015,(4):468-471.

[14]李江.四川省南江县红层地区缓倾岩质滑坡成因机理与预警研究[D].成都理工大学,2015.

[15]李嘉雨.红层地区平缓岩层斜坡拉张裂缝形成机理研究[D].成都理工大学，2016.

作者简介：李嘉雨(1990- )，男，汉族，现任中铁二院集团有限责任公司地勘院助理工程师，硕士研究生，主要从事铁路勘察设计工作。 E-mail:1245962984@qq.com

THE CAIFENGYAN RED LAYER LANDSLIDE IN CHUAN-QIAN RAILWAY: CHARACTERISTICS AND FORMATION MECHANISM

LI Jia-yu1,2,CHEN Liang2,JIANG Liang-wen1,ZHAO Pin2,MAO Bang-yang1,2
(1.Geological Inovation Studio of CREEC,Chengdu 610031,China；2.China Railway Eryuan Engineering Group Co.Ltd Chengdu,Sichuan,Chengdu 610031,China)

A large-scale rock landslides occurred in Chuan-Qian railway(K119 segment)，causing huge economic losses. To ensure the security of existing railway operation, we discussed the formation mechanism of the red layer landslide and the influence on the railway engineering by mean of remote sensing interpretation and numerical simulation on the basis of the engineering geological characteristics of the landslide survey. The results showed that：(1) Under the effect of gravity stress of traction, the incompatible deformation between the rock produced tension cracks; Rainfall infiltrated tension crack, which softened sliding zone, and finally induce the rock landslide failure. (2) Landslide would slide instability under the condition of saturated sliding surface and part of the sliding body would be accumulated in Qijiang river; Landslide dam would be formed, which in turn have a lager impact on railway engineering.

red layer landslide; formation mechanism; railway engineering; numerical simulation

1006-4362(2016)04-0001-07

2016-08-20改回日期： 2016-10-17

P642.22

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