缓倾顺层岩质斜坡破坏条件和变形机制分析——以常吉高速公路朱雀洞滑坡为例

陈全明，方 琼，罗冠枝，王国卫

(湖南省自然资源事务中心，湖南 长沙 410118)

0 引言

常吉高速是湖南省通向湘西土家族苗族自治州的第一条高速公路，2007年7月泸溪朱雀洞段发生了大规模滑坡，导致440 m长高速路基被严重损毁，所幸撤离及时无人员伤亡。朱雀洞滑坡是湖南公路史上影响最大的滑坡之一。滑坡发生之后，李俊等[1]对滑坡发生机理、防治方案开展了相关研究。根据前人研究结论结合野外调查，确定该滑坡是一发育于白垩系红层岩质滑坡，其变形模式为滑移-弯曲(屈曲)。红层是本省地质灾害最易发地层，以往人们关注更多的红层边坡失稳模式是顺层滑移，而该滑坡独特的滑移-弯曲模式可以填补省内相关研究空白。

1963年10月，意大利瓦依昂水库左岸托克山2×108m3的山体突然以高达25～30 m/s的速度沿层面下滑、填满水库, 掀起的库水高出坝顶125 m，库水奔腾而下造成下游2 000余人丧生，这就是20世纪震惊全球的“瓦依昂事件”；瓦依昂滑坡发生后，诸多国际知名专家对其展开研究与反思，通过联系力学模式与斜坡岩土体结构类型，认为它是滑移-弯曲变形力学机制模式的一个典型实例，至今瓦依昂滑坡仍是学术界讨论的热点[2-3]。1990年，学者LI[4]经过变形机制分析判定滑移-弯曲变形将经历3个主要阶段：滑移-轻微弯曲→强烈弯曲-隆起→滑面贯通-整体失稳。国内较早报道岩体滑移-弯曲变形事件是，1958年谷德振等指出在西南山区大量存在“重力褶皱”[5]。之后随着同类事件相继报道，在诸多学者不断深入研究努力下，相关理论日趋完善，提出了斜坡变形破坏模式，建立了屈曲启动判据，并展开了变形过程物理模拟或数值模拟。主要工程实例还有霸王山古滑坡、铁西古滑坡、李家峡Ⅱ号古滑坡、鸡鸣寺新滑坡[6]、锦屏一级Ⅲ号变形体[7]、汤屯高速公路边坡[8]、金江滑坡[9]、何家滑坡[10]、三峡库区青石-抱龙段顺向库岸坡[11]等等。总结这些经典案例后，不难发现以往滑移-弯曲多发生在中陡倾顺层岩质斜坡，即初始层面倾角普遍大于30°。据此不少学者如刘云鹏[12]认为岩层倾角小于30°时发生弯曲变形的可能性较小。但本实例在缓倾条件下也能发生弯曲变形，比较罕见，具有研究意义，类似的还有范家坪滑坡[13]、金鼎山滑坡[14]、兴浪坡滑坡[15]。通过大量模拟与计算研究，汤明高等[16]提出了岩层倾角>20°是滑移-弯曲产生的必要条件；张婷婷等[17]认为地下水在缓倾角斜坡滑移-弯曲变形破坏中作用至关重要。

在总结滑移-弯曲斜坡破坏规律基础上，以常吉高速公路朱雀洞滑坡为例，采用理论计算、物理模拟手段，对朱雀洞滑坡变形破坏过程及其力学机理进行了分析。

1 朱雀洞滑坡发育特征

朱雀洞滑坡地处湖南沅麻红层盆地中部，地貌类型属于构造剥蚀丘陵，斜坡自然坡度10°～20°，地形高差70～160 m。滑坡圈椅地形明显，周界清晰，前缘接近丹青河，主滑方向315°，滑坡纵向长度448 m，平均宽度约450 m，平均厚度约25 m，估测体积2.6×106m3，是一大型滑坡(图1)。滑坡中后部可见滑床出露，为基岩面，表面擦痕发育，其方向与层面倾向一致，揭示了中后部滑体顺层滑动特征。滑体主要由白垩系下统栏垅组中-薄层状泥质粉砂岩夹粉砂质泥岩组成，基本上保持了层状，但倾角整体上呈现上陡下缓特征，与基岩产状变化一致，滑坡后缘地段倾角约21°～28°，至前缘变为14°～17°，且前缘岩体隆起，反倾现象非常发育。因此宏观上判断该滑坡成因机理为滑移-弯曲。

图1 滑坡全貌Fig.1 Full extent of the landslide

朱雀洞滑坡滑动带由白垩系粉砂质泥岩发育而成，粉砂质泥岩为典型红层软岩，遇水后结构极易破坏、强度迅速降低，甚至完全崩解软化成泥状。据现场调查，坡体发育两组陡倾角节理：170°∠80°、80°∠80°，有利于雨水入渗。区内降雨频发，粉砂质泥岩经过长期雨水浸泡逐渐成为软弱夹层，在岩体剩余下滑力作用下，沿软弱夹层发生层间滑动，因前缘受阻发生弯曲变形，之后进入蠕变阶段。滑坡发生前2～3日遭遇连续强降雨，导致河水上涨、地下水位抬升，加之坡顶修建高速开挖山体形成平台，平台积水更有利于雨水下渗到坡内，如此加速了斜坡变形进程，最终岩体在坡脚附近产生溃屈而滑面贯通形成滑坡。

2 朱雀洞滑坡失稳条件

对朱雀洞滑坡破坏前的斜坡进行概化，建立斜坡滑移-弯曲二维力学模型(图2)，斜坡几何特征如下：

该顺层斜坡总坡长为L=450 m，其中滑移段长度L1=300 m，弯曲段长度L2=150 m；岩层单层厚度为h=0.5 m，岩层层数n=50，因此总厚度H=25 m；岩层倾角为α=25°。

图2 斜坡滑移-弯曲力学模型Fig.2 Mechanical model of slipping-bending for slope

①破坏条件

斜坡发生滑移-弯曲变形，先决条件是具备足够的剩余下滑力，其计算公式如下：

F=HγL1(sinα-cosαtanδ)-cL1

(1)

式中：F——剩余下滑力；

γ——岩层重度；

δ、c——分别为层间软弱带内摩擦角、黏聚力。

按评价压杆稳定性的欧拉公式可以计算临界下滑力：

(2)

式中：Fcr——岩层发生弯曲时的临界下滑力；

He has seven arms.He has no sense of humor（幽默感）.He only has one dream：to relax（休息）.

则顺层岩质斜坡产生滑移-弯曲变形的必要条件应该满足F≥Fcr，即：

(3)

②临界坡长

在同等条件下，坡长是岩层产生弯曲的关键性因子，只有实际坡长超过临界值时，才可能出现弯曲变形。孙广忠[18]根据板梁力学原理，求导出顺层岩质斜坡发生滑移-弯曲变形时的临界长度表达式为:

(4)

式中：Lcr——斜坡临界长度；

q——岩层的自重，q=γH。

③评价结果

3 基于物理模拟的滑坡变形过程分析

表1 试验材料配比

本次模拟试验，以该滑坡主纵剖面为依据，并按照当地的地貌环境对该剖面进行了合理的恢复，经过适当的简化后制作模型。规定模型宽度为80 cm，即试验条件准许的最大尺度，实体研究对象的长度按此进行缩小，模型高度和实体高度比与长度方向的比值相同。根据圣维南原理，当模型足够薄时，认为摩擦力均匀作用在整个厚度上，可以相当于原型物体在天然状态下受到的重力作用。为了充分的利用摩擦力，模型的厚度尽可能的要制作薄一些。在制作完成的模型轮廓上，用小刀刻画模拟出岩层，设定岩层的平均厚度为0.3 cm。为了减少层间因材料特性而带来的额外黏结力，在层间还充填有少许的滑石粉，模拟软弱夹层。此外对应于实际斜坡风化和卸荷程度的差异，以不同的外力压实分别制作模型的表内层。为了保持与力学模型的原型一致性，模拟的层面倾角同样确定为25°。试验运行之前的模型状态如图3所示。

图3 初始模型状态Fig.3 Initial state of model

3.1 第一阶段: 轻微隆起

开启仪器，试验开始运行，随着皮带轮的匀速转动，模型初期发生差异性层间错动，特别是浅表部较明显，但变形较小。当试验进行到10 min左右，斜坡的后缘拉张，表部岩层开始顺着层面小量下滑，并且由于前缘受阻，在坡脚地带岩层中发生凸向坡外的微弱弯曲变形，层间因此还出现了架空的现象(图4)。

图4 试验运行10 min后模型的变形特征Fig.4 Deformation characteristic of model after 10 minutes

3.2 第二阶段: 强烈隆起、层面折断

随着试验运行时间的推进，后部岩体继续顺着层面向下滑移，前缘岩体不断强烈弯曲隆起、架空，在最大隆起端部岩体沿垂直层面折断、局部压碎，变形剧烈程度从“坡面”向内逐渐减弱(图5、图6)。强烈凸向坡外弯曲的岩层形成类似褶曲的弯曲形态，两个弯曲端(类似于背斜、向斜)端部形成张裂带，一个是向坡面凸出开口的张裂带，另一个是向坡内弯曲的根部形成的张裂带，“X”形错动节理形成，逐步向贯通方向发展。

图5 试验运行13 min后模型的变形特征Fig.5 Deformation characteristic of model after 13 minutes

图6 试验运行15 min后模型的变形特征Fig.6 Deformation characteristic of model after 15 minutes

3.3 第三阶段: 斜坡破坏、形成滑坡

为了便于观察，调低了皮带的转速，继续让试验运行，模型变形也随之继续发展，后部岩体不断向前推挤，当坡体前缘折断带彻底的贯通后，坡体表部沿这一贯通面迅速下滑产生滑坡，斜坡出现了整体的破坏。滑体沿凸向坡外的折断带溃屈，滑坡的规模稍小(图7)；当滑坡沿岩层根部的张裂带贯通时，滑坡规模加大(图8)。这说明滑体存在多层滑移现象，试验与实际比较吻合。

图7 试验运行20 min后模型的变形特征Fig.7 Deformation characteristic of model after 20 minutes

图8 试验运行27 min后模型的变形特征Fig.8 Deformation characteristic of model after 27 minutes

4 缓倾顺层岩质斜坡基本特征与变形条件

4.1 基本特征

实例特征，国内外14个滑坡实例发育特征显示(表2)，滑移-弯曲型滑坡具备如下共同特征：(1)形成机理复杂，隐蔽性强，野外调查难以识别；(2)滑坡体规模巨大，多为大型滑坡，滑体长度一般数百米至上千米，厚度至少数十米；(3)滑体岩性主要为硬质岩，但层间总含有软弱夹层；(4)滑动面(带)由软弱夹层构成，后部平直陡峻、为主滑段，前部平缓、为抗滑段；(5)推移式、多层滑动、突发性、滑速高、滑动距离有限等动态特征。

表2 滑移-弯曲变形模式工程实例

4.2 滑移-弯曲变形产生条件

顺层岩质斜坡产生滑移-弯曲变形必须具备三个条件：

(1)地质条件：岩层倾角20°～60°，岩体软硬相间、节理与裂隙发育。岩层倾角过缓将难以变形，当超过60°时，斜坡变形模式将向倾倒类型转化。

(2)地貌条件：岩层倾角>斜坡坡角，坡长达到数百米及以上；

(3)力学条件：岩体存在剩余下滑力，且剩余下滑力必须大于其临界值。

5 结论

(1)滑移-弯曲型滑坡基本特征：具有隐蔽性强、体积规模巨大、滑动面后陡前缓、多层滑动、突发性、高速、滑动距离有限等特征。顺层岩质斜坡滑移-弯曲变形产生必要条件：岩层倾角20°～60°，岩体软硬相间、节理与裂隙发育；岩层倾角>斜坡坡角，坡长达到数百米及以上；岩体存在剩余下滑力，且剩余下滑力必须大于其临界值。

(2)采用欧拉定理和孙广忠公式，对朱雀洞滑坡为代表的缓倾顺层岩质斜坡，分别进行滑移-弯曲变形条件判别与稳定性评价。经过验算，该斜坡不稳定，剩余下滑力大于临界值，变形条件具备，与实际吻合。

(3)对缓倾顺层岩质斜坡的滑移-弯曲型变形机制的演变过程的物理模拟，基本上再现其发展的一般过程和变形的阶段性特征，模拟取得比较成功的效果，说明了试验室的仪器设备能提供与实际地质环境基本吻合的条件，以及选择试验材料和材料配比的合理性。物理模拟结果与理论计算互为印证。