上部覆盖层下伏页岩一类潜在滑坡演化变形机制分析

李瑞园　郑博　梁军林　容洪流

摘 要：為研究上部覆盖层下伏页岩这一类型的滑坡失稳变形，需要确定其变形的潜在影响因素，从定量角度上分析这一类型滑坡灾害的变形演化问题。以容县六王镇西流河潜在滑坡为研究对象，借助钻孔勘探、室内试验和地质调绘，详细分析了西流河滑坡的工程地质概况，并推测其可能的变形演化机制，然后利用Geostudio数值软件建立西流河滑坡的渗流模型，模拟其在不同降雨工况下的渗流规律。研究发现：西流河滑坡在持续降雨过程中稳定性系数从1.224逐步降低至1.09，稳定性系数不断下降，滑坡体内由垂直入渗逐步转化沿滑动带稳定渗流;当遭遇极端暴雨情况（50年重现期）时，滑坡体内稳定渗流场显著增厚，饱和滑带土增多，滑坡安全储备达到极限。由此可以得出：上部覆盖层下伏页岩一类滑坡变形演化过程主要分滑坡体上部覆盖层堆积阶段，垂直入渗至页岩富水软化阶段和稳定渗流至潜在滑动带软化蠕变这3个阶段;其中上部覆盖层的高渗透性和下伏页岩的隔水特征是导致页岩风化带软化蠕变和稳定渗流场形成的关键因素。研究结果为上部覆盖层下伏页岩这一类滑坡影响因素的研究提供了一些证据，对研究滑坡演化变形机制具有借鉴意义。

关键词：岩土力学;滑坡;广西容县;页岩;渗流模拟;失稳机制

中图分类号：P642.2

文献标识码：A

Abstract： In order to study the landslide instability deformation of the shale under the upper overburden， it is necessary to determine the potential influencing factors of the deformation and analyze the deformation evolution of this type of landslide disaster from a quantitative perspective.Taking the potential landslide of Xiliu River in Liuwang Town， Rongxian County as the research object，  with the aid of drilling exploration， indoor test， geological annotation， the general situation of engineering geology of Xiliu River landslide was analyzed in detail， and the possible mechanism of deformation evolution was speculated. Then， the seepage model was established by using Geostudio numerical software to simulate its seepage law under different rainfall conditions. The results show that the stability coefficient of Xiliu River landslide gradually decreases from 1.224 to 1.09 in the process of continuous rainfall and the landslide body gradually changes from vertical infiltration to the stable seepage flow along the slip zone; When extreme rainstorm is encountered （50year recurrence period）， the stable seepage field in the landslide body thickens significantly， the saturated slide zone soil increases， and the landslide safety reserve reaches the limit. It can be concluded that the evolution process of the landslide deformation of the underlying shale in the upper overburden is mainly divided into three stages： The accumulation stage of the overburden of the landslide body， the vertical infiltration stage to the waterrich softening stage of the shale， and the stable seepage stage to the softening creep stage of the potential sliding zone. The high permeability of the upper overburden and the waterproof characteristics of the underlying shale are the key factors leading to the formation of in the shale weathering zone. The results of this study provide some evidence for influencing factors and evolutionary deformation mechanism of the landslide such as the underlying shale in the upper overburden.

Keywords：geomechanics;landslide; Rongxian county， Guangxi; shale; seepage simulation; instability mechanism

广西壮族自治区容县近年来由于矿产开发和过度资源开发导致滑坡、崩塌地质灾害频发。据广西地质环境监测总站的监测数据统计，容县地区20年来共发生了180余次规模大小不一的滑坡、崩塌地质灾害，在广西省各县市地质灾害中排名靠前，滑坡等地质灾害造成的直接经济损失超过0.5亿元。容县滑坡地质灾害缺乏系统性分区评价和预警系统，滑坡的防灾减灾工作依然面临较为严峻的挑战。

渗透破坏作用是滑坡渗流稳定性分析的重要研究方向，国内外相关学者对降雨入渗所诱发的滑坡渗透破坏研究成果较多。LUMB[1]研究了香港地区的气象资料，建立了滑坡与降雨的耦合关系，提出了一种简化的降雨垂直入渗模型;安关峰等[2]引入了有限元分析和有限差分法模拟非饱和土在不同降雨条件下的稳定性分析规律;严绍军等[3]结合室内模拟试验，模拟了滑坡体在降雨渗流场中随时间变化的规律，认为水在滑坡体内的运动分为入渗、水力重分布和排水3个阶段。

涉及广西地区滑坡灾害的研究成果主要包括：廖丽萍等[4]搜集了广西壮族自治区容县2004-2015年的滑坡崩塌调查图及崩滑统计资料，统计发现仅容县地区现有滑坡总数为772个，其中高发密度区（六王镇）滑坡约占总数的73.3%，同时建立了容县崩塌滑坡地质灾害的易发性评价指标;黄希明等[5]以容县平梨滑坡为研究对象，分析了降雨和天然工况下该类型滑坡的稳定性问题，认为该滑坡前缘存在应力集中和小规模崩塌的可能;文海涛等[6]和邱恩露等[7]从统计学角度分析了容县滑坡的空间分布特征和时间分布特征，认为强降雨周期和泥页岩地层地区是滑坡高发频率地区。

分析现有研究资料发现，容县地区滑坡分析研究主要集中在数据统计、定性分析和现象描述阶段[812]，对于特定成因类型的滑坡尤其是高发密度区滑坡类型的定量化分析评价成果较少。同时大多数研究成果是基于土质滑坡体的研究，关于土页岩复合地层滑坡的研究相对较少。针对这一问题，笔者以容县六王镇典型滑坡体西流河滑坡（上部覆盖层、下伏页岩地层）为研究对象，结合现有的地质勘探资料，建立该滑坡的地层结构模型，从地层地质、降雨和水文等方面重点剖析了该潜在滑坡的演化变形机制;同时，结合试验获取滑带土的非饱和土水特性参数，开展西流河滑坡的渗流稳定性计算，分析这类型滑坡在水岩相互作用下的变形劣化过程，从而验证其演化变形机制，最后提出对这类型滑坡的预防加固措施建议。

1 西流河滑坡概况

西流河滑坡位于广西壮族自治区容县大王镇，东经：112°58′46″，北纬：25°30′37″，滑坡总体形态呈宽“U”字型，近东西向分布，面积约为2.11万m2，滑动体厚度为12～15 m，体积为2.4～3.0万m3，滑坡体滑动方式以推移式为主。根据现场地质测绘，滑坡体现状条件下存在较为明显的滑动倾向，所在区域存在3处较为明显的陡坎，滑体后缘公路出现较多微裂缝，滑体前缘部分土体堆积隆起，树木向河道倾斜。依据目前的调查结果推断滑坡体规模如下：滑体横向宽度362～370 m，纵向长度610～619 m，厚度12～15 m，两侧地形较为陡峭，后缘以绕山公路为界，前缘为水稻田，潜在滑动方向为SE83°，其全貌如图1所示。

1.1 地 层

根据西流河滑坡钻孔勘探资料，该滑坡体主要地层分布情况如图2所示。

从图2可以看出，地层分为4层：第1层为耕植土，灰黑色、黄褐色，主要由粉土、砂岩碎块石构成，潮湿，稍密松散，夹杂大量植物根系，厚1.00～1.50 m;第2层粉质黏土（Qel+dl3），黄褐色，中密，稍湿，主要由粉土及少量细砂构成，厚约8.60 m;第3层为页岩风化带，青黑色、青褐色，泥质结构，可塑状态，含有较多的粗颗粒，为页岩风化而成，厚0.20～3.00 m，厚度变化不均匀;第4层为页岩，青黑色、黄褐色，薄层状结构，大部分呈碎块状及薄片状，其遇水很短时间内发生崩解，耐久性很差，揭露厚度12.70 m，未揭穿。

1.2 地质构造

研究区内断裂以继承性跳跃式运动为特点，断裂延续时间较长，断流形成时代划分为中生代末至新生代初较合适，同时期在第三纪末至第四纪初普遍复活。其中，褶皱、断裂较为发育，多数褶皱构造以向斜为主，区内岩体破碎，有助于水的渗透侵蚀，从而劣化岩体。第四纪以来本区域断裂无活动迹象，区域稳定性较好。西流河滑坡位于一个向斜东南角方向，受构造裂隙切割导致页岩整体产状不均匀，完整性较差，在降雨入渗过程中容易受雨水侵蚀形成软弱滑动面。

1.3 气象与水文

研究区属于温带大陆性气候，多年平均年降水量为1 329.8 mm，降水量年内分配极不均匀，降水主要集中在6—9月份，汛期降水量可占年降水量的75%，是形成本区雨洪、内涝的主要原因。最大年降水量发生在7月，占全年降水量的23.7%，3—5月的降水量仅占年降水量的14.8%，容易出现春旱。11月至次年3月降水量仅占年降水量的7.6%。降水量年际变化比较明显，有明显的丰枯交替性。历年最大降水量2 124.7 mm（1984年）。50年内极端暴雨记录境内24 h最大降雨量为699 mm。

勘察场区地下水类型为第四系松散岩类孔隙潜水及基岩风化带网状孔隙裂隙水，补给方式受大气降水补给，勘察时为丰水期，初见水位埋深2.10～3.60 m，靜止水位埋深3.20～4.10 m，静止水位标高494.92～517.20 m，水位年变幅1.50 m左右。

西流河滑坡所在区域雨季漫长，岩土体长期饱和，上部覆盖层与页岩交界处容易产生地下水富集。旱季高温导致水体蒸发，地层变得干燥而脆裂，页岩具有较强的崩解性，季节反复交替作用下滑带土的力学性质不断劣化可能形成贯通的滑带。

1.4 人类活动

人类活动对西流河滑坡的影响主要体现在如下3个方面。

1）植被开采导致的水土流失破坏，植被对于上部覆盖层下伏页岩类型滑坡的保护作用十分明显。

2）工程改造活动，西流河滑坡体后缘的公路开挖边坡以及前缘的开荒种地对于滑坡体的稳定性均是不利因素。

3）生活用水不合理排放，附近居民用水不规范排放改变滑坡体原有的水文条件，为地下水增加了来源，将会加速软化滑带土。

2 上部覆盖层下伏页岩滑坡建模分析

由于西流河滑坡这一类型滑坡体受渗透破坏影响明显，笔者采用具有成熟的渗流模拟能力的Geostudio软件建立有限元模型[1314]，用以模拟西流河滑坡在不同降雨工况所引发的渗流场分布和稳定性问题。

2.1 网格划分及建模参数

1）建模网格

根据西流河滑坡实测断面CAD图，利用插值法生成模型尺寸，网格划分精度为1 m，整个模型网格节点为1 211个，模型网格数为1 986个，如图3所示。

2）地层划分

滑坡体主要分为3层，第1层为粉质黏土及耕植土层，由于耕植土性状不均一且厚度较薄，笔者考虑将其作为粉质黏土层考虑;第2层为页岩风化带;第3层为基岩页岩层。

3）降雨渗流场

采用软件中的Seep/W，Sigma/W，Slope/W模块进行耦合分析，其中降雨工况依据容县当地的气象资料，笔者将西流河滑坡体受降雨条件影响的强度值做如下规定。

降雨条件选取年平均降雨量为1 329.8 mm，根据年平均降雨日为164 d，得出降雨强度平均值为0.39 mm/h。极端暴雨条件，根据24 h极端降雨量（考虑50年内记录的极端值699 mm），得出极端暴雨条件下降雨强度平均值为29.12 mm/h。降雨过程采用振幅函数来进行循环定义，其中降雨强度随时间的变化周期设定为72 h，在0～24 h内从0线性增大至最高平均值，24～48 h内保持平均降雨强度，48～72 h内降雨强度线性减小至0。

地下水位根据钻孔揭露实际地下水位考虑。

4）物理力学参数

模型中各土层计算参数考虑室内土工试验和现场原位试验综合确定，如表1所示。

2.2 渗流分析成果

模拟结果如图5所示。

未发生降雨条件时，如图5 a）所示，滑坡体内没有渗流发生，其稳定性系数为1.224，处于稳定状态。

当降雨发生35 d后，如图5 b）所示，坡体内处于降雨垂直入渗过程，当遇水渗透至页岩层时渗透能力减弱，其上部土体逐渐进入饱和状态，此时滑坡稳定性系数1.194，稳定性有所降低。

降雨发生90 d后，如图5 c）所示，降雨入渗过程由坡体垂直入渗转变为沿风化带向下游入渗，形成稳定的渗流面，稳定性系数在这一阶段大幅度降低至1.09，这一变化过程符合渗流模拟分析。

当给予模型施加极端降雨工况后，滑坡体内的饱和土层厚度加大，稳定的渗流场变厚，这些变化均增加了滑坡的下滑力，根据自动搜索的滑动面计算出来此时滑坡体的稳定性系数为1.078，处于极限平衡状态，随时有发生整体滑动的风险。

從模型的模拟结果来看，上覆第四系堆积物下伏页岩类型滑坡的变形破坏机制可以初步推断为上部具有高渗透性的土体在充分吸收降雨或外部水源的垂直补给后，遇到透水性微弱的基岩页岩层，逐渐在基覆界面富水饱和软化，并形成稳定渗流场;持续降雨过程中滑体饱和土层增加，渗流场增厚，导致下滑力陡增，但是滑动带收到软化蠕变导致抗滑力下降，当总的下滑力大于抗滑力时，滑坡发生破坏。

3 上部覆盖层下伏页岩滑坡演化分析

通过对西流河滑坡地形地质条件、气象和水文以及人工活动等因素分析，结合

数值模拟成果，认为西流河滑坡作为上部覆盖层下伏页岩一类滑坡的主要变形演化过程分为3个阶段，如图6所示。

1）上部覆盖层堆积阶段

如图6 a）所示，该阶段主要为滑坡形成过程，由于研究区地形刚刚形成，上部覆盖层主要来源于残坡积物堆积形成，同时页岩作为基岩并未大规模风化，该阶段是滑坡形成的初始阶段。

2）接触带富水软化形成风化带

如图6 b）所示，上部残坡积物由于以粉质黏土夹杂砂、碎块石，其渗流系数较高，强降雨作用下地表水大规模下渗，再遇到渗透性很小的侏罗系页岩层后下渗水在基覆界面富集，同时在坡内形成向坡脚的稳定渗流场。这一软化过程使得页岩逐步发生软化泥化，风化带逐步形成。

3）风化带长期饱水蠕变形成滑动带

如图6 c）所示，随着页岩风化带内土体长期饱水软化或者干湿循环交替，在基覆界面逐渐形成贯通的滑动面，极端降雨条件下大流量地表水短时间进入滑体并向下游渗流，增加滑体的下滑力;同时，地下水的渗入使得滑带土饱水抗剪强度降低。当滑体的下滑力增加到大于抗滑力时，将会在基岩与覆盖层接触面形成贯通的软化滑动带，从而导致滑坡发生。

4 结 论

通过研究广西容县西流河潜在滑坡的变形演化机制并结合数值模拟软件进行验证，分析了上部覆盖层下伏页岩一类滑坡的渗流变形和破坏机制，得出如下结论：

1）容县较广西其他地区滑坡发生频率和规模均显著偏大，这与该地区的强降雨条件和特殊的地层地质条件密不可分。

2）西流河滑坡变形演化主要有3个阶段：第1阶段为覆盖层堆积阶段，是滑坡体形成初始阶段;第2阶段为降雨垂直入渗软化基覆界线，形成页岩风化带阶段;第3阶段为持续降雨在覆盖层底部形成稳定渗流场，导致风化带富水软化形成滑动带，当抗滑力小于总的下滑力时滑坡变形破坏发生。

3）数值模拟结果表明，在降雨持续过程中，西流河滑坡的稳定性系数从1.224逐步降低至1.090，滑坡体内的渗流变化规律与推测基本一致，当发生极端降雨条件时，滑坡体处于极限平衡状态。

4）针对这一地层类型滑坡体，建议在初期进行干预，阻断或降低地表垂直降水入渗路径，做好排水截水措施，防止形成稳定渗流场，加强植被保护，建立完善的滑坡活动监测预警预报系统。

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