不同地质条件下顺层岩质滑坡发生机制研究*

陈 攀，吴 华，张文海

（西藏大学 工学院，西藏 拉萨850000）

2008年5月四川省发生里氏8.0级地震造成龙门山断裂带形成地表破裂[1]，引发大量的崩塌滑坡，并且加剧了潜在地质灾害的发育。经现场调查和遥感解译发现，四川境内9个县市内形成堰塞湖达33个，重灾区各类地质灾害隐患点新增8627处，16县范围内的震后灾害点超11300处[2-3]。地震直接诱发北川县境内的唐家山发生堵江滑坡，造成下游地区百余万人民的生命财产安全[4]受到威胁。受前期地震的影响，2017年茂县境内的新磨村在降雨作用下发生了特大滑坡[5]。两个滑坡同属顺层岩质滑坡[6-8]，滑坡破坏均沿层面运动，可作为分析顺层岩质滑坡各阶段变形破坏机理和破坏机制的典型事例。弄清滑坡的破坏机制，查明滑坡的地质力学模型是滑坡地质灾害研究防治的基础工作和重要内容。黄润秋[9]根据滑坡实际案例，针对不同的岩体结构条件，总结了不同的地质力学模型。郑颖人等[10]通过对地震边坡破坏机制进行数值分析，发现地震边坡的破坏由上部拉破坏与下部剪切破坏共同组成。基于此基础提出并总结滑坡的破坏过程与地质力学模型，以及各自具有的特点。弄清这些问题，不仅能提高人们对顺层岩质滑坡的理论认识，同时对顺层岩质滑坡灾害的防治工作具有一定的参考意义。全面了解滑坡的影响因素，结合实际的工程地质特征，分析滑坡启动过程，归纳出地质力学模型，根据顺层岩质滑坡的不同特点提出防治方案可有效减少顺层滑坡带来的损失。

1 典型顺层滑坡事件

1.1 唐家山滑坡

唐家山滑坡位于四川盆地与青藏高原过渡区，周围断裂发育，受构造影响剧烈，滑坡区附近褶皱发育。唐家山岩性为寒武系下统清平组硅质板岩、砂岩、泥灰岩、泥岩，岩层软硬相间，岩层倾角N70°～80°E/NW∠50°～80°。湔江河谷断面呈“V”型，唐家山下部坡度40°～60°，上部坡度约30°，并且形成明显的过渡区，如图1。唐家山山体位于湔江右侧淘蚀岸。

图1 唐家山滑坡前照片（据李守定等，2010修改）

由工程地质特征判断唐家山滑坡属基岩顺层滑坡，分析其诱发因素和运动情况，得出唐家山滑坡属地震诱发的高速滑坡[4]。滑体启动后高速下滑，滑体前缘先刨蚀河床，然后在对岸爬坡上升，滑体后缘沿滑床坐落，最终堵塞湔江。滑坡发生后调查发现，滑坡后壁较岩层倾角陡，滑坡从河床剪出。

1.2 “6·24”新磨村滑坡

该地区属高原型季风气候区，多年平均降雨量为700mm，滑坡发生的6月属于雨季。研究区岩性为三叠系中统杂谷脑组变质石英砂岩夹千枚岩和板岩，产状为184°∠53°，节理较发育。原山坡顶高程3450m左右，滑源区原山体与坡脚高差约1250m，斜坡整体呈现上陡下缓，滑源区坡度50°左右，下部有老滑坡堆积体。

据滑坡的工程地质特征判定“6·24”新磨村滑坡为顺层滑坡，分析其发生运动过程后，发现其属典型的高速远程滑坡-碎屑流[11]。滑源区岩体失稳下滑，碰撞铲刮滑源区下部物质，后转化为碎屑流，摧毁坡脚新磨村。岩体内发育的反倾斜挤压节理破碎带为滑坡剪出提供条件。

2 滑坡影响因素及破坏模式分析

2.1 滑坡影响因素

边坡结构、地形、地震和降雨等是影响边坡稳定性的重要因素。黄润秋[9]发现有利的地形地貌条件是中国大陆大型滑坡发育最根本的原因，而构成大型滑坡发生的主要触发和诱发因素是强震、极端气候条件和全球气候变化。

2.1.1 唐家山滑坡

（1）地质条件。通过唐家山滑坡边坡形态的整体分析可发现，唐家山中部凸出，一方面是因为滑体两侧冲沟发育，另一方面是由于过渡区的存在。这样的坡体地形与黄润秋等[3]实际调查发现的宽谷向峡谷过渡区滑坡破坏的地形相似，中部凸出地形，地震条件下岩体卸荷较强烈，边坡易失稳诱发滑坡。受强烈构造运动影响，唐家山滑坡发育在背斜褶皱的一翼，原斜坡为顺向坡，潜在滑动带倾角与岩层倾角基本相同，可以很大程度减少滑坡启动时所需的能量和摩擦消耗的能量。（2）地震。汶川地震是唐家山滑坡形成的诱发因素，先传达的地震纵波以竖向拉裂破坏占优[12]，有利于下部岩体的破碎移动和过渡区形成拉裂破坏。（3）河流地质作用。湔江的下蚀作用让河床海拔不断变低，河流的侧蚀作用使抵抗滑坡剪出的岩层厚度不断变薄。河流地质作用造成坡脚部位的抗剪强度降低，在地震的影响下极易发生岩石破碎，为滑坡提供良好的剪出条件和临空条件。

2.1.2 “6·24”新磨村滑坡

（1）地形条件及边坡结构。“6·24”新磨村滑坡的滑源区为单斜顺向基岩斜坡，地形相对简单，微地貌基本不发育。滑源区前缘存在破碎带，后缘临空，两侧发育不同程度的节理，具有良好的临空条件。滑源区坡向与岩层倾向基本一致，斜面倾角与岩层倾角基本相等，倾角较陡，有利于斜坡启动。（2）地震。汶川地震以前，研究区附近曾经发生过多次地震[13-14]，对滑源区影响最大的当数叠溪地震，因其震中区包含滑坡的滑源区。由于频繁受到地震的影响，岩体发育近于垂直层面和斜向坡内的2组结构面，滑体两侧各发育一组裂缝，层状岩体完整性被破坏，岩体被分割成块状结构类型，为滑源区形成鼓胀裂缝带和新磨村后山形成地震裂缝提供了运动空间，并且结构面控制剪出位置。（3）降雨。据水文气象资料分析发现，2017年进入雨季以来，滑坡区的降雨量较往年同期偏多。6月初至滑坡发生前一天的累计降雨量均超过200mm，较常年同期偏多40%左右，并且当年6月8日至14日有一次较强的持续降雨过程[15]。

2.2 滑坡发育过程分析

2.2.1 唐家山滑坡

河水不断下蚀和侧蚀，降低坡脚岩体抵抗地震破坏的能力。王存玉等[16]进行了地震模型实验，结果显示：边坡顶部对震动的反应幅值较之边坡底部存在明显放大现象，边坡的边缘部对震动的反应幅值较之内部也存在放大现象。崔芳鹏等[12]通过离散元分析地震作用下唐家山崩滑破坏的动力过程，发现在地震纵波产生的水平和竖直震荡耦合作用下，斜坡后缘裂隙发育时坡脚已发生明显位移错动，证实了唐家山滑坡后缘拉裂隙形成较坡脚移动晚。

分析唐家山滑坡启动过程可以分为以下3个阶段：（1）地震对坡脚的波动震荡，过渡区形成拉应力集中，山坡下部的层状岩体发生差异性运动，岩体发生破裂并发育，重力和地震给予岩体的加速度使边坡坡脚发生明显错动，剪出口形成。在这过程中，坡脚对边坡中上部支撑逐渐减弱，潜在滑动带对滑体的控制作用逐渐显现。（2）图1中的过渡区向内凹陷，属应力集中区，拉裂隙发育。边坡动力响应特征值在地震作用下出现放大效应，与滑体重力共同作用，拉张裂隙在过渡区不断发育。（3）持续的重力和地震作用，使后缘拉裂破坏不断发育，拉裂破坏与岩层之间相对完整的岩体形成“锁固段”，随着拉裂破坏深切，“锁固段”范围不断减小，当“锁固段”不能提供滑坡稳定时所需的强度时，“锁固段”发生剪断，滑体启动。滑坡后壁陡峭，张裂隙发育，引发了较小规模的坍塌，因此显示滑坡后壁略高于过渡区，堰塞体表层为滑坡碎石土。

2.2.2 “6·24”新磨村滑坡

1933年6月24日，茂县叠溪发生7.5级地震，地震诱发了以山崩滑坡为主的一系列地质灾害，包括新磨村的老滑坡。

分析新磨村滑坡启动过程同样分为2个阶段：（1）早期地震活动帮助单斜斜坡后缘形成裂缝，同时在滑源区发育形成结构面，结构面将坡体上部完整的层状岩层切割成块状岩体，雨水沿裂隙和结构面渗入不断软化薄层板岩，块状岩体在重力作用下缓慢向下蠕滑，发育形成鼓胀破碎带，滑体的稳定性基本由“锁固段”岩体的抗剪强度提供。（2）充沛的降雨条件，一方面增加了堆积体的重力，使下滑分力增加；另一方面雨水沿裂隙下渗降低了滑体抗滑能力，综合作用下滑体沿破碎带剪出。

2.3 地质力学模型

通过唐家山滑坡与“6·24”新磨村滑坡的启动过程分析可以发现，尽管两起滑坡同属于顺层岩质滑坡，边坡结构相似，但它们的地质力学模型不同。如图2所示，唐家山滑坡斜坡坡脚先于后缘破坏运动是唐家山滑坡最突出的特点，使其具有滑动-拉裂-剪断的地质-力学模型，与黄润秋所提到的不同的是，岩质滑坡受地震影响前端滑移时间可能很快，具有抗滑作用的“锁固段”位于滑床的上部。按滑坡力学特征分类，其属于牵引式滑坡。破坏主要受地震和微地貌的影响。后者的地质力学模型为滑移-剪断，“锁固段”位于滑床的下部。按力源位置的不同分类，其属于推移式滑坡。从滑坡形成的前期破坏影响角度出发，易发现这两起滑坡发生前，滑坡体左右两侧都受到不同因素引起的强度降低（唐家山滑坡体两侧存在冲沟，新磨村滑坡体两侧存在裂缝），这可能是顺层滑坡形成的前期表现。

图2 地质力学模型图

3 防灾减灾措施的建议

3.1 地震诱发型滑坡

唐家山滑坡造成严重的堵江，回水至上游禹里乡。成功的人工开槽泄流经验，对于类似的堵江事件具有重要借鉴意义。同时，还需要主动减少滑坡带来的堵江危害，这里提出几点建议。首先，根据滑坡形成的地形、边坡结构和岩性条件圈定潜在灾害区，对已确定的潜在滑坡区进行滑坡发生几率和危险性评价，形成“地形结构→滑坡发生几率评价→滑坡危险性评价”的防灾系统流程。其次，针对危险性较高的滑坡，分析滑坡启动过程中最可能出现地质力学模式，设计并优化抗滑措施。滑坡堵江的形成不仅与河流的运动特征和形态尺寸有关，也与滑坡的规模和运动速度紧密相关[17-19]。从滑坡方面出发，针对降低滑坡速度和减少滑坡方量，设计减少堵江几率和堵江程度的边坡固定方案，并制定处置堵江滑坡体的应急预案，将滑坡危害降到最低。

3.2 地震诱发的潜在型滑坡

地震诱发的潜在型滑坡的防治方案主要应从排查和监测出发，在全面的地质灾害排查基础上，对确定的潜在灾害点进行滑坡评价，对高危险、易发性滑坡选定监测点进行实时监测的变形和位移，同时参考已发生滑坡的启动过程和地质力学模式，设计合理的防灾减灾方案，迁移滑坡影响范围内的居民，制定滑坡应急处置方案，可以最大程度保证人民的生命和财产安全。

4 结束语

通过对上述两种典型的顺层岩质滑坡启动过程分析可以进一步证实，斜坡特殊的边坡结构是滑坡发生的内在因素，震动和降雨是滑坡最常见的外因。唐家山滑坡的发生机制为滑动-拉裂-剪断，属于牵引式滑坡，“锁固段”位于滑床的上部。“6·24”新磨村滑坡滑源区启动的地质力学模型是滑移-剪断，属推移式滑坡，“锁固段”位于滑床的下部。准确地认识顺层岩质的边坡结构，分析发生机制可针对性地帮助有关部门进行滑坡灾害防治。