三峡库区大型斜倾顺层滑坡失稳机理分析——以石柱县龙井滑坡为例

王 平，朱赛楠，张枝华，吴晓宾，杨 柳，赵 慧

（1.重庆市地质矿产勘查开发局208 水文地质工程地质队（重庆市地质灾害防治工程勘查设计院），重庆 400714；2.中国地质环境监测院（自然资源部地质灾害技术指导中心），北京 100081）

0 引言

顺层岩质斜坡一般发育于褶皱构造两翼，岩层倾角小于斜坡坡度，前缘高陡临空，主要以沿软弱层带顺层剪切破坏为主[1−2]。长江三峡库区位于我国地形第二、三阶梯过渡地带，地质环境复杂，崩塌滑坡等灾害较为发育，其中基岩顺层滑坡占到总数量62.0%[3]。根据三峡库区283 处崩塌滑坡发生地层和岩性统计，越有90%的崩滑发生在含有软弱面或软弱层带的斜坡中[4]。如2003年7月13日发生的千将坪滑坡，体积约24.00×106m3，造成24 人伤亡[5]；2009年6月5日重庆武隆鸡尾山滑坡，体积约5.00×106m3，造成74人死亡[6−7]；2014年9月2日发生的杉树槽滑坡，体积约46.5×104m3，摧毁了一座小型水电站[8]。顺层斜坡内一般发育3−5 层软弱夹层，常为泥岩、煤层或遇水极易软化的砂、页岩，受控于软层长期劣化特性，大型顺层滑坡表现为蠕滑变形特点[8−9]。

岩质滑坡的稳定性计算广泛应用了极限平衡方法理论[10−12]。根据假定所满足的不同平衡条件，极限平衡法主要包括Fellenius 瑞典条分法、Bishop 法、Janbu 普遍条分法、Morgensten-Price 法、陈祖煜法和Spencer 法等。FREDLUND 等[13]对各类方法进行了总结，提出了普遍极限平衡法的概念，对静力学原理加上了补充原则和假设。邹广电等[14]从塑性力学理论出发提出了一种满足静力平衡条件和合理性条件的改建条分法，将安全系数的求解归纳为求解强度储备系数，然后采用模拟退火算法求解。用极限平衡分析法所得的稳定系数Fos 来评价斜坡稳定性时，将岩土体视为刚体，不考虑岩土体本身的变形对边坡影响，同时将静不定问题变为静定问题，在长期工程实践中不断完善，日渐成熟[15]。

本文以龙井滑坡为例，采用现场调查测绘、无人机航测、工程地质钻探、现场与室内试验等方法，详细分析了大型顺层斜倾基岩滑坡的基本变形特征、成因机理和破坏模型，并运用极限平衡理论分析了滑坡的稳定性与变形趋势。为此类斜倾顺层基岩滑坡失稳机理研究提供借鉴意义。

1 龙井滑坡发育特征

1.1 地质环境条件

龙井滑坡地处三峡库区重庆石柱县悦崃镇，在地貌上属构造剥蚀中山，斜坡自然坡度约8°～15°，地势北西高南东低，地形相对高差160.63 m。滑坡区前缘外侧微地貌呈一脊状地形，将微地貌划分为两个坡向不一致的斜坡。其中西侧所在斜坡坡向约168°～175°，地形坡角约10°～20°，局部呈小陡坎；滑坡前缘东侧所在斜坡坡向约132°～137°，地形坡角约10°～15°，滑坡剪出口为新修悦黄公路内侧挡墙处，挡墙近似直立。

在构造上位于扬子准地台石柱向斜北西翼近核部，呈斜倾顺层构造，斜坡体内发育两组优势节理，结构面较平直、光滑，结合度很差。滑坡区出露地层为第四系全新统残坡积层（Q4el+dl），侏罗系中统沙溪庙组（J2s)泥岩和砂岩，岩层产状160°∠14°。受地质构造、地形地貌、地层岩性等影响，地下水类型包括松散岩类孔隙水、碎屑岩孔隙裂隙水和浅部风化带网状裂隙水共3 大类，地表汇水补给面积有限。滑坡区人类工程活动主要为悦崍场镇修建过程中对原始斜坡的改造，在道路、房屋修建时斜坡切割开挖使坡面局部形成台阶状及陡坎。

1.2 滑坡形态特征

滑坡区内集镇建成区地势相对较平缓，整体倾角多为8°～15°，局部呈陡坎状。前缘悦黄公路内侧区域地形相对较陡，坡角为23°。右侧前部为一小山包，山顶高程1 013.24 m，山脚高程971.50 m，发育垂直高度41.74 m；滑坡区左侧为一自然形成冲沟。滑坡后缘以不连续发育的多条拉裂缝为界，前缘以新建悦黄公路为界，两侧边界主要以微地貌及地层发育特征为判断依据，右侧以剪切裂缝及山脚边界进行划分，左侧以冲沟为界。滑坡整体形态呈不规则六边形，平均纵长440 m，平均横宽300 m，面积约12.73×104m2，平均厚度11.22 m，体积约1.42×106m3，为斜倾顺层岩质滑坡，主滑方向162°（图1）。

图1 龙井滑坡无人机影像Fig.1 UAV image of Longjing landslide

根据变形情况及微地貌特征，龙井滑坡前缘地势相对稍陡的区域可分为东西两个次级滑坡L1 和L2。滑坡L1 后缘以地表贯通裂缝为界，两侧以微地貌脊状地形控制，前缘以斜坡陡缓交界处为边界。纵长约173.2 m，横宽148.1 m，面积约2.14×104m2，厚度3.0～13.1 m，平均厚度8.1 m，体积约17.23×104m3，为纵长型中型中层滑坡。主滑方向172°，岩土界面倾角9°～20°。滑坡L2 后缘以地表裂缝为界，左侧以脊状地形控制，右侧以自然冲沟为界，前缘以斜坡陡缓交界处为边界。纵长约115.4 m，横宽约62.5 m，面积约0.66×104m2，厚度3.4～5.8 m，平均厚度4.6 m，体积约3.04×104m3，为纵长型小型浅层滑坡，主滑方向约134°，岩土界面倾角7°～25°（图2）。

1.3 滑坡物质组成

根据调查测绘、勘探钻孔揭露情况，滑坡物质主要由第四系粉质黏土、砂岩全风化形成的砂土，侏罗系泥岩、砂岩等构成（图3）。其中，滑体由粉质黏土、砂土、碎裂状泥岩和砂岩组成，厚度4.6～16.7 m；滑带由碎裂状泥岩和粉质黏土泥化夹层组成，厚度0.2～2.1 m，碎裂状泥岩结构破碎，强度较低，泥化夹层黏土矿物含量较高，局部可见轻微擦痕，镜面现象明显（图4）；滑床由泥岩、砂岩组成，埋深4.6～16.9 m。

图3 龙井滑坡工程地质剖面图（I–I′）Fig.3 Engineering geological profile of Longjing landslide (I–I′)

图4 滑带泥化软弱夹层Fig.4 Weak intercalated layer at sliding zone

2 滑坡变形特征

滑坡变形区域主要分布在后部与中前缘，通过现场调查共发现地表裂缝58 处，墙体裂缝77 处，建构筑物变形18 处，变形方式主要为拉张裂缝、剪切裂缝和局部鼓胀变形（图2）。

图2 龙井滑坡工程地质平面图Fig.2 Engineering geological plan of Longjing landslide

2.1 滑坡后部变形迹象

滑坡后部变形迹象包含居民房屋地表开裂、建构筑物变形，共分布有地坝裂缝10 条，裂缝张开0.3～5 cm，延伸5.3～30.3 m，可见深度0.3～1.0 cm。建构筑物变形主要表现为污水管道下挫变形、挡墙外鼓开裂等（图5）。

图5 滑坡后部变形迹象Fig.5 Deformation at the rear of landslide

2.2 滑坡中部变形迹象

该段变形迹象主要为建筑物变形、房屋砖墙错断、地面开裂等。地面裂缝张开0.5～2.5 cm，延伸5.0～24.6 m，可见深度0.5～1.0 cm；房屋墙体下错开裂剪断砖体，外墙泥灰掉落，张开约为5～10 cm，房门上方横梁剪断；建筑物变形主要为条石挡墙鼓胀、新建围墙开裂，裂缝张开0.5～3.0 cm，裂缝延伸至地面等（图6）。

图6 滑坡中部变形迹象Fig.6 Deformation in the middle of landslide

2.3 滑坡前部变形迹象

该段变形较强烈，2015年后，每年汛期变形均有明显加剧现象，主要为建筑物变形、房屋砖墙错断、地面开裂等。地面裂缝张开2.0～5.0 cm，延伸5.0～20.0 m，可见深度1.0～5.0 cm；房屋墙体下错开裂剪断砖体，外墙泥灰掉落，张开约为5.0～10.0 cm，门上方横梁剪断；建筑物变形主要表现为条石挡墙鼓胀、新建围墙开裂，裂缝张开2.0～5.0 cm，裂缝延伸至地面等（图7）。

图7 滑坡前部变形迹象Fig.7 Deformation in the front of landslide

3 滑坡成因机理分析

3.1 影响因素

根据遥感解译、钻探以及现场调查分析，滑坡目前处于蠕滑阶段，其稳定性主要受地形地貌、地质构造和地层岩性控制，同时在地下水、降雨以及人类工程活动等因素影响下变形加剧，分述如下：

（1）地形地貌与地质构造

滑坡区属构造侵蚀中山斜坡地貌，坡向约160°，地势北西高南东低，滑坡中后部地势相对较平缓，整体倾角多为8°～15°，局部呈陡坎状。前缘地形相对较陡，坡角23°，整体表现出前缘较陡中后部较缓的地形地貌，为滑坡的剪出创造了有利条件[16]。

滑坡区位于石柱向斜北西翼近核部，呈斜倾顺层构造，岩层优势产状135°～203°∠6°～16°，与坡向基本一致。此外，斜坡内发育两组优势构造节理，将岩体切割成块状，增加了岩体的离散性，易于地表水及地下水入渗和汇集储存。

（2）地层岩性

斜坡浅层主要为粉质黏土夹碎石、砂土，其结构松散−中密，渗透性好，保水性好，降雨和地表水入渗快。深部的长石砂岩、泥岩呈块状、破碎状，岩体节理裂隙极其发育，有利于地下水的运移及赋存。底部完整泥岩、石英砂岩隔水性较好。地下水富集于碎裂与完整泥岩的接触面，软化岩体形成泥化夹层，其力学性质差，抗剪强度低，具有易滑特性，滑面及轻微擦痕现象明显[17]。

（3）地下水与降雨

滑坡区内地下水埋深较浅，水量丰富，滑面以上岩土体均具有较好的保水性，形成扬压力。滑坡区受暴雨影响，自2015年后每年汛期地表裂缝均有加剧变形现象。地表水入渗一方面滑体含水而重量增加，另一方面入渗后在相对隔水层赋存，不仅长期软化隔水层顶面，使其抗剪强度降低而形成滑动带，而且形成一定的孔隙水压力，增大了下滑力，降低滑坡稳定性[18]。

（4）人类工程活动

滑坡区人类工程活动主要为道路、房屋修建，斜坡切割开挖使坡面局部形成台阶状及陡坎，为岩土体滑移提供了临空面，降低了斜坡沿软弱面抗滑能力和局部的稳定性。同时滑坡体上的房屋基础均在滑面以上，对坡体造成了加载，诱发及促进了滑坡变形破坏进程。

3.2 成因机制与破坏模式

龙井滑坡发生变形是滑坡沿软弱夹层长期蠕变的累进性破坏的结果。滑坡属于顺向斜坡，地层倾角6°～14°，前缘坡度相对较陡，提供了剪出的临空条件。在重力长期作用下，一条与岩层走向近平行的构造裂隙（产状为296°∠89°）切割贯通逐步形成滑坡后缘，另一条与岩层走向近垂直的构造裂隙（产状为60°∠83°）侧向切割形成侧边界。滑体的保水性好，长期饱水，并沿滑床顶部泥岩隔水层运移，对交界部位岩土体长期软化，带走亲水物质，形成软弱带，在自重、水压力、加载等不利因素影响下，沿软弱层长期塑流蠕滑拉裂。随着工程活动越来越频繁，尤其滑坡前部开挖坡脚，局部形成临空面，使斜坡地貌发生较大改变，破坏了斜坡自然平衡，导致阻滑段抗滑作用降低，下滑力增大，滑坡中前部应力集中，出现挤压、隆起等破坏，而且每年汛期到来，大量降雨入渗形成高裂隙水压力和滑面扬压力，同时泥化夹层抗剪强度进一步降低，导致滑坡变形加剧直至整体破坏[19]。破坏模式为前缘次级滑坡蠕动下滑解体，后部岩体顺层渐进滑移的牵引式破坏[20]。

4 滑坡稳定性极限平衡法分析

4.1 计算模型

龙井滑坡在高裂隙水压力和滑面扬压力作用下将沿软弱层面顺坡向滑移失稳，前部浅表层土质滑坡滑动带为岩土界面，本次选取主滑剖面Ⅰ–Ⅰ′，基于极限平衡理论，采用折线型滑动的传递系数法对滑坡整体稳定性进行分析[21−24]（图8）。

传递系数法是计算岩土体沿着软弱面滑动最常用的稳定性计算方法，该方法有2 个基本假定：（1）每个分条的滑动面为一直线段，即整个滑体沿折线滑动；（2）分条间的反力平行于该分条的滑动面，且作用点在分隔面的中央。

稳定系数表达式：

式中： γw——水的容重；

rU——孔隙压力比；

ψj——第i块段的剩余下滑力传递至第i+1 块段

时的传递系数（j=i），即

滑坡推力表达式：

下滑力表达式：

式中： γw——水的容重。

抗滑力表达式：

孔隙水压力表达式：

渗透压力垂直滑面分力：

图8 传递系数法计算简图[19]Fig.8 Calculation diagram of limit equilibrium method for landslide stability

渗透压力平行滑面分力：

4.2 计算参数

根据钻探揭露，滑体岩性为粉质黏土及碎石土、砂土、泥岩和砂岩。滑带岩性为泥化软弱夹层，采用现场及室内试验获得以上岩土体的物理力学参数（表1、表2）。

表1 滑体物理力学参数表Table 1 Physical and mechanical parameters of the sliding body

表2 滑带物理力学参数Table 2 Physical and mechanical parameters of rockmass at the sliding zone

4.3 计算结果

据前文分析，龙井滑坡为不涉水滑坡，破坏模式为前缘次级滑坡先滑动，然后牵引后部整体滑动，因此计算工况采用如下4 种：

工况1：自重+地表荷载+地下水压力；

工况2：自重+地表荷载+地下水压力+20年一遇暴雨；

工况3：自重+地表荷载+地下水压力+前缘次级滑坡滑动后；

工况4：自重+地表荷载+地下水压力+20年一遇暴雨+前缘次级滑坡滑动后。

限于篇幅，省略计算过程，计算结果见表3。龙井滑坡整体在天然状态下稳定性系数为1.2，在工况分别为暴雨和前缘次级滑坡滑动时，稳定性降低，处于基本稳定状态。当同时处于暴雨和前缘滑动后，稳定性急剧降低为1.03，为欠稳定状态，安全储备不足，整体极易发生滑移破坏。

表3 稳定性系数计算成果表Table 3 Calculation results of FOS

5 结论

本文以龙井滑坡为例，采用了现场调查测绘、卫星遥感解译、无人机航测、工程地质钻探、现场与室内试验等多种手段，详细分析了大型斜倾顺层基岩滑坡的基本变形特征、成因机理和破坏模式，并运用极限平衡分析法计算了滑坡在四种工况条件下的稳定性，得到以下认识：

（1）龙井滑坡在构造上位于扬子准地台石柱向斜北西翼近核部，斜坡内发育两组优势节理，为斜倾顺层结构。滑坡平均纵长440 m，横宽300 m，面积约12.73×104m2，体积约1.4283×106m3，主滑方向162°。前缘发育两个次级滑坡，体积分别为17.23×104m3和3.04×104m3。

（2）滑坡目前处于蠕滑阶段，通过调查共发现地表裂缝58 处、墙体裂缝77 处，变形18 处，变形方式主要为拉张裂缝、剪切裂缝和局部鼓胀变形。受地形地貌、地质构造和地下水等因素影响，滑坡泥化夹层抗剪强度逐渐降低，前缘次级滑坡先滑动然后牵引整体发生破坏。

（3）通过极限平衡理论分析，计算得到滑坡整体在天然工况下稳定性系数为1.2，当工况分别为暴雨和前缘次级滑坡滑动时，稳定性降低，处于基本稳定状态。当同时处于暴雨和前缘滑动后，稳定性急剧降低为1.03，为欠稳定状态，安全储备不足，整体极易发生滑移破坏。