近水平地层滑坡机制和演化全过程研究

李宝银，范晓易

(1.济南市市政工程质量监督站， 山东 济南 250012； 2.泰安基准地震台， 山东 泰安 271000)

近水平地层滑坡机制和演化全过程研究

李宝银1，范晓易2

(1.济南市市政工程质量监督站， 山东 济南 250012； 2.泰安基准地震台， 山东 泰安 271000)

为研究近水平地层滑坡的成因机制和变形演化特征，以黑山坡滑坡为例，基于工程地质学和岩土力学的理论与方法，对斜坡稳定性和各影响因素之间的相关性进行了分析。滑坡主要包括基岩山体和古滑坡堆积层两部分，通过有限差分法模拟了滑坡的运动学特征。判断该滑坡为新生基岩崩滑和古滑坡堆积层推移的复合平推式滑坡，且静水压力环境控制着滑坡的启动和发展。最后针对该类滑坡在研究和实践工作中存在的问题，提出了在前期辨识、预报预警和防治措施等方面的一些建议。

近水平地层；滑坡；变形特征；演化过程

滑坡是一种对人们的生产生活有严重危害的自然地质灾害，学者们对不同类型的滑坡进行了大量的研究[1-4]，但是对近水平地层滑坡的滑坡研究较少。近水平地层滑坡又名平推式滑坡[5]是指发育在倾角很小(一般小于10°)的缓倾地层中的滑坡，在三峡库区的万州和重庆一带、四川盆地、黄土高原以及其它一些山区，导致了大量的灾害事例[6-7]。为此许多学者如成国文等[8]、黄润秋[9]、王治华等[10]、赵权利等[11-12]、李振存等[13]、缪海波等[14]对该类滑坡从变形特征、成因机制、启动判据、判据公式以及预测预报等方面进行了大量的研究工作[15]。他们的研究对认识和处置该类滑坡起到了有益的指导作用，但侧重于从地质定性分析和模型试验等途径研究滑坡的触发机理和短时临滑预报方法。由于以往获取的现场监测资料多是滑坡发生前后的短期数据，缺乏典型案例和滑坡变形全过程的完整资料和分析。目前对该类滑坡演化规律的认识还不够完善，导致在实践中仍然存在一定的盲目性和误区，有必要进一步研究其演化全过程和防灾减灾等方面的问题[16-18]。

黑山坡滑坡属于典型的近水平地层滑坡。本文基于详实的地质勘察资料，分析了该滑坡的地质条件、稳定性影响因素，并利用有限差分软件FLAC3D计算了滑坡过程中应力场和位移场的变化特征。然后将地质判别和数值模拟结果相结合，重建了黑山坡滑坡的发生过程，探讨了其区别于一般滑坡的启动机制和演化全过程。在此基础上，提出了滑坡前期辨识、防护工程及预测预报等工作的重要性和目前存在的问题，总结了相应的内容与方法。

1 滑坡概况

黑山坡滑坡位于四川省平昌县青云乡华严3社，滑坡横向430 m，纵向260 m，平均厚14 m，总体积约156×104m3，属于大型近水平地层滑坡，如图1所示。滑坡位于一个古滑坡区域，后部存在一条长约440 m、宽度在15 m～27 m之间的古拉陷槽，如图2(a)所示。在2012年7月10日的持续强降雨条件下，山体发生整体滑移。滑坡体前缘为陡峻的临空面，局部垮塌体在雨水及地下水作用下在两条自然冲沟中形成泥石流，堵塞了坡下孟家沟河道。同时，在后缘陡崖区形成了一条延伸长度168 m、宽度在5 m～26 m之间的新拉陷槽，如图2(b)所示。

图1 滑坡分布图

图2 拉陷槽

图3为滑坡发生前、后的一个概化剖面图，滑坡区位于阶梯状台梁—窄谷低山区孟家沟右岸山坡的平台之上，平台坡度约7°，坡面平缓且无深沟发育。斜坡后缘为近直立陡崖，陡崖正对滑坡区的地势相对于陡崖两侧要低，形成了良好的汇水条件。坡体前缘受河流下切影响，整体坡度约30°～65°，形成了陡峻的临空面。滑坡发生前，距离陡崖边缘约15 m～25 m处的山体上发育有一条明显裂缝，张开宽度约20 cm～50 cm，延伸长度约25 m，底部被泥土填充。

平昌县位于大巴山弧形构造、川东新华夏系构造和仪陇—巴中—平昌莲花状构造的复合交接部位，区域断裂不发育，构造形迹以褶皱为主。基岩裂隙以构造裂隙为主普遍发育，县域内主要有走向300°～330°和30°～60°两组裂隙与近南北向、近东西向两组裂隙，呈两组“X”形态。滑坡位于仪陇—巴中—平昌莲花状构造第二束褶皱群内，地表无褶皱，周边有鼻状背斜和穹窿。

滑坡区出露的地层主要为第四系全新统覆盖层和基岩，前者包括崩坡积层、滑坡堆积层、泥石流堆积层及冲洪积层；基岩包括侏罗系蓬莱镇组上段紫红色泥岩和青灰色泥质粉砂岩，岩层倾角约3°。如图3所示，地层①为崩坡积层，土质为含碎块石粉质黏土，广泛分布于斜坡大部分地带；②为滑坡堆积层，位于古基岩滑坡区，主要为粉砂岩的碎块状解体物；③为泥岩④为砂岩，两者呈不等厚互层，以泥岩为主，强风化—中风化，岩体微细单向斜层理、交错层理常见，节理裂隙较发育，裂隙充填物质主要为角砾和粉质黏土。

平昌县属四川盆地中亚热带湿润季风气候区，夏秋多雨。多年平均降水量1 203.2 mm，一日最大降水量282.2 mm，三日最大降水量352.1 mm。滑坡前缘临孟家沟河，洪水期猛涨猛降，后缘的汇水面积和地形坡向有利于降雨的大量汇集。滑坡区堆积体结构松散，赋水性差，地下水可以形成自由运动的潜水，水力联系畅通，有统一的地下水位线。泥岩和粉砂岩的富水性不均衡，粉砂岩渗透性好，泥岩渗透性较差构成隔水层，裂隙水是出露基岩地下水的主要类型及赋存形式。

图3 黑山坡滑坡工程地质剖面图(单位：m)

2 滑坡变形特征和影响因素

如图3所示，斜坡结构自上而下依次为裂缝后山体、裂缝前陡崖、古滑坡拉陷槽和前部松散堆积体，这种组合体现了斜坡不同演化阶段的地质特征，控制着滑坡发生的部位和破坏模式。钻孔资料显示，古拉陷槽底部连接至古滑坡深部滑动面，滑动面为泥岩顶面。滑坡区内实测基岩产状为325°∠3°。滑坡主要包括新生的基岩崩滑体(陡崖及后部山体)和古滑坡堆积体两部分，前者为隔水介质，陡崖滑动面为泥岩和砂岩的交界面，主要受到后缘裂缝侧向静水压力和滑动面浮托力的作用；后者为透水介质，滑动面为基覆接触面，主要受到水头差产生的动水压力作用。

2.1 变形特征

滑坡边界特征清晰，后缘以新形成的拉陷槽为界，发育大量张拉裂缝，变形强度较大。滑坡左侧后部发育6条宽度10 cm～50 cm的羽状张扭裂缝，延伸长度35 m～80 m。滑坡中部以鼓胀裂缝为主，裂缝顶部张开宽度约20 cm～60 cm，张开程度由前部至后部呈逐渐衰减的趋势。滑坡右侧发育4条剪切裂缝，错移距离为8 cm～50 cm。滑坡前缘10 m范围内出现大量张拉裂缝，变形强度较弱，局部向临空面垮塌。

滑坡变形整体上表现为后部陡崖首先崩滑，然后推挤前部堆积体产生滑移。由于古拉陷槽和堆积体的结构松散，产生了明显的压缩挤密现象。

2.2 稳定性影响因素

边坡稳定性取决于岩土体的强度水平和应力状态，控制性因素包括边坡几何结构和岩土体成分，并受地质应力、地下水等赋存环境的影响。该滑坡的演化主要受到风化和地下水的作用，可以排除地震或人为扰动等其它因素的影响。

(1) 风化作用。泥岩和砂岩之间存在风化差异，在积水与否的干湿交替作用下，泥岩会长期处于软化和泥化状态。古滑坡发生后，古拉陷槽附近的泥岩颗粒逐渐冲刷流失形成凹腔，导致山体在重力作用下向外倾斜变形，并形成卸荷张拉裂缝。根据现场调查，山体下部的部分泥岩已处于强风化甚至全风化状态。

(2) 地下水物理作用。滑坡位于平缓的平台之上，后缘外围山体陡峻且具有中间低、两侧高的地貌形态，雨水容易迅速汇集，流入滑坡区后缘。由于地表无纵向深沟切割，且堆积体结构松散，汇聚到古拉陷槽的雨水和地表水容易渗入到堆积体内部。下伏的泥岩为相对的隔水层，因此堆积体在降雨时会处于长时间的饱和状态，浸泡软化导致其力学强度降低。

(3) 静水压力作用。降雨条件下，陡崖后缘裂缝充水产生的静水压力会对陡崖产生较大的侧向推动作用。滑动面在滑坡发生前基本闭合，滑坡启动之后裂缝积水沿贯通的结构面形成连续的向下渗流时，才会对在滑动面起到有效的浮托作用。由滑坡变形特征可知，堆积体内的动水压力仅对滑坡前缘局部滑塌有一定促发作用。因此，裂缝静水压力是该滑坡稳定性分析的关键因素，是滑坡启动的控制性条件。

根据公式(1)确定陡崖的临界水头高度为50.3 m，陡崖后缘裂缝高度约64 m，满足平推启动条件。

(1)

式中：α为滑移面倾角，(°)；L为陡崖底面长度，m；φ为滑动面摩擦角，(°)；不考虑黏聚力；W为陡崖单位宽度重力，kN/m；γw为水的重度，kN/m3。

3 有限差分数值计算

3.1 模型与方法

(1) 计算模型。根据图3所示剖面按1∶1比例建立厚度为15m的计算模型，模型四周设置为滚支边界，底面为固定边界，坡面为自由边界。岩土体屈服条件采用Mohr-Coulomb准则，物理力学参数根据室内试验和数值反演综合确定，如表1所示。堆积层主要由崩滑流物质经过重力沉积形成，陡崖构造应力由于张拉裂缝发育已基本松弛殆尽，因此仅考虑自重应力。在堆积层、陡崖底部和下伏基岩顶部之间建立基于Mohr-Coulomb准则的接触面单元，强度取值与力学指标较低的接触地层相同，以模拟错动滑移。

表1 岩土材料参数

(2) 静水压力模拟方法。在计算中，基于FISH语言编制三角形水平推力分布图式，引入静水压力作用。在滑坡启动之前滑动面呈闭合状态，不连续水流无法起到有效的浮托作用，因此仅考虑陡崖后缘的侧面静水压力作用。

裂缝水位受降雨量、汇水和排水条件的多重影响，滑坡启动后排水条件会随时发生改变，因此裂缝水位具有不确定性。勘察表明，滑坡后滑动面已破碎张开，因此假设裂缝侧面静水压力具有间歇性，裂缝积水会随着陡崖的滑移而迅速排干，之后随着滑动面淤积封堵和雨水继续汇集再次达到临界高度。每当滑移停止后，根据陡崖后缘残余高度再施加相应图式的压力，直至不再产生新的位移。

3.2 计算结果分析

(1) 位移场。在陡崖后侧顶部和古拉陷槽的前、后部布置3个水平位移监测点，分别为M1、M2、M3。计算结果如图4所示，3个监测点量值的大小关系为M1>M2>M3，表现为明显的推移滑动特征。在第1、2次滑动时，M2和M3的累积位移差值逐渐增大，说明古拉陷槽产生了压缩变形；随着逐步密实，第3次滑移之后M2和M3的位移累积速度开始保持一致。在每次滑动过程中，当裂缝水位高度达到临界高度时陡崖启动滑移，由于滑动面的摩阻作用，初始阶段的变形速度较慢；当滑动面强度降低至动摩擦强度后，陡崖进入快速滑动阶段；之后，由于裂缝水位下降等原因，滑坡开始制动进入缓慢的蠕动变形阶段，并最后终止。由于具有间歇式的水力特征，滑坡的启动、加速滑动、蠕动变形及停止呈交替循环的过程，表现为间歇式的短距离滑动。后期滑动过程中，M1和M2的位移差值呈逐渐增大趋势，这是因为在陡崖向前滑移的同时，其后缘还存在逆向崩塌现象。第6次施加荷载后，计算很快收敛，说明此时陡崖后缘高度已低于临界水头高度或静水压力无法克服陡崖前部堆积体的阻挡作用。

图4 监测点水平位移曲线

计算过程中，裂缝后部岩体松动后向前崩滑，并形成了倾斜的平直滑动面；陡崖整体向前扩离，同时两侧伴随有崩滑现象；前缘堆积体的变形相对较小，整体表现为从陡崖后部至前缘逐渐减弱的趋势，如图5所示。古拉陷槽内堆积体沿滑动方向压缩，对陡崖具有削能减速作用，因此该滑坡的制动机制为裂缝静水压力消散、古拉陷槽压缩削能以及附近起伏地形约束的综合作用。数值计算的斜坡残留形态与图3中滑坡后地面线基本一致，准确地模拟了斜坡各部位的位移和变形特征。但是，由于假设岩土体为连续材料，未能反映出山体局部崩塌的变形和动力行为。

(2) 应力场。由于裂缝静水压力的间歇性特征，岩体处于循环的侧向加、卸载状态。在滑坡第一次启动的滑移阶段，后缘裂缝和滑动面附近出现应力集中现象。之后，由于滑坡几何形态和变形累计引起的应力分异效应，后部山体和陡崖表层一定深度范围内岩体的大主应力迹线偏转并逐渐减小，形成了一定深度的应力降低带。随着岩体应力松弛后的破裂滑移，山体和陡崖应力场的分布规律被持续扰动，最后呈紊乱状态，如图6所示。

图5 滑坡Y=7.5剖面合位移场(单位:m)

图6 滑坡Y=7.5剖面大主应力场(单位:MPa)

(3) 应变场。计算开始后，底部泥岩在山体重力和裂缝静水压力作用下产生塑性挤压，剪切应变首先出现在裂缝的尖灭位置，并沿滑动面形成剪性和张性破裂区，最终扩展贯通至古拉陷槽附近。后部山体应力调整引起平行坡面的压致拉裂面，并逐步向深部扩展，最终形成崩滑。古拉陷槽结构松散，陡崖的崩滑动能经古拉陷槽吸收后，对前部堆积层的推移作用减弱，滑动面剪切应变逐渐减小，如图7所示。

图7 滑坡Y=7.5剖面剪切应变场

根据斜坡位移场、应力场和应变场的发展过程及变化特征，判断静水压力环境控制着滑坡的启动和发展，新生基岩崩滑体变形破坏的地质力学模式为滑移-压致拉裂型，整体为新生基岩崩滑和古滑坡堆积层推移的复合平推式滑坡。

4 滑坡演化全过程

结合地质综合分析和数值计算结果，可以将该滑坡的变形演化全过程划分为以下3个阶段：

(1) 第一阶段滑坡孕育期。由于山体下部泥岩层的风化效应比砂岩严重，上部层体在重力作用下向临空方向倾斜。当砂岩拉应力大于抗拉强度时，一部分山体从母岩中逐步分离出来形成了陡崖。在各种地质因素综合作用下，陡崖后缘逐渐形成了贯通的卸荷张拉裂缝，在地质和自然环境的作用下其深度和宽度不断扩大。

(2) 第二阶段滑坡发生期。当裂缝水位达到陡崖平推临界水头高度时，底部结构面在静水压力推动作用下剪张破裂，陡崖形成新生的基岩平推滑坡，伴随后部山体及陡崖两侧的崩滑。陡崖推压古拉陷槽及前部堆积层，导致了古滑坡的复活。滑坡启动后，裂缝水位降低导致后缘静水压力及滑动面扬压力降低，同时由于古滑坡堆积体压缩变形的削能作用，新生基岩滑坡的动能逐渐消耗降低，从而进入减速状态，最终停止。当裂缝水位再次升高至临界水头高度时，滑坡会再次启动。如此循环往复，渐进累积至灾变，并形成了新的拉陷槽。

(3) 第三阶段滑坡终止期。陡崖崩滑后高度逐渐降低，当新拉陷槽高度低于临界水头高度时，滑坡无法再次启动。在未来，新拉陷槽后部的山体会按第一、二阶段的发展过程形成新的基岩滑坡。

该滑坡演化全过程可具体归纳为：近水平地层斜坡体→风化作用形成卸荷张拉裂缝→降雨入渗→充水饱和、强度衰减→裂缝扩展→裂缝充水的静水压力作用→陡崖崩滑启动→陡崖底部浮托力作用→古滑坡堆积体滑移启动→滑动加速→水头逐渐降低→滑坡整体减速蠕动→滑坡终止。由于裂缝静水压力作用的间歇性，滑坡不具备整体持续滑移的条件，主要表现为不连续的短距离滑移，滑动过程可持续数小时、数天甚至更长时间。

5 关于此类滑坡的一些建议

对于近水平地层滑坡的预测预报和防灾减灾工作，应注意以下几点：(1) 山体裂缝的出现说明滑坡已经开始蠕动，应立刻统计其延伸长度、张开状态及深度，通过地质调查预测成灾的可能性和影响范围。(2) 计算滑坡启动临界水头高度时，应根据潜在滑动面的破碎或张开程度，确定是否考虑滑动面浮托力和强度劣化的影响。(3) 地下水在斜坡中的赋存和运动形式不同，会表现出不同的力学状态，因此在计算中应首先明确水力作用类型。(4) 采取科学的地质体改造措施可以有效预防滑坡的孕育和发展，一是对裂缝进行封堵和截排水；二是并对坡面喷射混凝土和深层泥岩防护处理，从而阻止差异风化导致重力张拉效应。(5) 该类滑坡是典型的降雨诱发型地质灾害，在雨季应加强监测，及时预警。

6 结 论

(1) 岩层差异分化和地下水作用是近水平地层滑坡演化的主要地质动力。在砂泥岩风化程度不同和重力的作用下，一部分山体从母岩中剥离出来，形成卸荷张拉裂缝和陡崖，构成了基岩滑坡基本的地质条件和物质来源。斜坡周围的地形有利于降雨汇集，地下水一方面劣化岩土体物理力学性质；另一方面在裂缝和滑动面产生静水压力，通过改变斜坡力学环境推动滑坡的持续演化和发生。

(2) 滑坡的运动学特征整体上表现为间歇式的平推滑动，伴随有后部山体和陡崖两侧的崩滑。启动机制为静水压力作用，制动机制为静水压力消散和古拉陷槽压缩削能的综合作用。基岩崩滑体的应力场先是在裂缝和滑动面附近集中分布，之后逐渐扰动至紊乱状态，破坏的地质力学模式为滑移-压致拉裂型。该滑坡为基岩崩滑和堆积层推移的复合平推式滑坡，演化全过程可概括为：近水平地层斜坡→卸荷张拉裂缝→裂缝扩展→静水压力作用→滑坡启动→加速滑动→蠕动变形→滑坡终止。

(3) 建议将预测预报和积极防治相结合，根据地质条件进行超前预报，包括成灾的可能性和范围；通过地质体改造和支护进行超前防治。滑坡临界水头高度的影响因素不仅包括后缘裂缝的侧向静水压力，还应根据滑动面的发育状态确定是否考虑地下水的浮托力作用和力学参数的折减程度。

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Sliding Mechanism and Evolutionary Process of Translational Landslide

LI Baoyin1, FAN Xiaoyi2

(1.MunicipalEngineeringQualityofJi'nanSupervisionStation,Ji'nan,Shandong250012,China;2.ReferenceofTai'anSeismicStation,Tai'an,Shandong271000,China)

To study the sliding mechanism and evolutionary process of the Translational landslides, this paper takes the Heishanpo Landslide as an example. Combining with the theory and method of engineering geology and rock and soil mechanics, it analyzed the correlation between slope stability and influencing factors. The body of the landslide mainly includes the bedrock mountain and the ancient landslide of the accumulation layer. The kinematical characteristics of landslide are simulated by finite difference method. The landslide is judged for a composite translational landslide consisted of the new rock hill and ancient deposits. And the different weathering extent between strata and hydraulic function of groundwater are the main driving forces for the evolution of landslide. In addition, aiming at the existing problems in current research and practice, some valuable suggestions are proposed including the previous identification, early warning and crisis forecast, controlling measures and so on.

strata nearly horizontal; landslide; deformation characteristics; evolutionary process

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.02.041

2016-11-29

2017-01-05

李宝银(1987—)，男，山东泰安人，硕士，助理工程师，主要从事工程质量监督方面的工作。 E-mail: yinbaoli1987@163.com

P642.22

A

1672—1144(2017)02—0213—06