基于PFC2D 的缓倾顺层滑移-溃曲型岩质滑坡破坏机制分析

苗 朝，张 勇，李乾坤，易靖松

（1.中国地质科学院探矿工艺研究所，四川 成都 611734；2.自然资源部地质灾害风险防控工程技术创新中心，四川 成都 611734）

0 引言

缓倾顺层岩质滑坡的破坏与失稳是常见的岩土工程重大灾害之一，大规模缓倾层状滑坡的变形失稳都具有一个较复杂的变形破坏过程，通过野外详细勘察定性分析结合室内数值模拟是研究滑坡变形破坏模式的重要方法［1-6］。

学者Li 等［7］在1990 年认为滑移-弯曲变形一般经历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。陈自生［8］认为拱溃型顺层岩质滑坡属于推动式滑坡。坡脚处岩层逐层拱起，并开裂脱层，发展成抗滑段，其与沿岩层层面发育的主滑段相贯通，由此呈现崩溃与滑动。滑坡经历蠕滑-滑动-剧滑三个阶段。黄润秋等［9］以地质分析为基础，分析了天台乡特大型滑坡的发生过程，指出滑坡的过程包括地下水汇聚-顶托、挤入-楔裂和溃裂-滑动3 个阶段；李强等［10］就某些实例的形成机制进行了讨论，并提出了蠕变滑移-弯曲的破坏机制概念；魏玉峰等［11］在野外调研的基础上，从地形、地应力和岩性组成等方面分析了软硬相间层状斜坡产生滑移-弯曲模式的成因机制；陈达等［12］研究了顺层边坡溃曲变形形成条件与层面倾角的关系，运用数理统计的分析方法，研究了溃曲滑坡的发育规律及岩层屈曲的影响因子。陈全明等［13］以常吉高速公路朱雀洞滑坡为例，研究了研究缓倾顺层岩质斜坡滑移-弯曲变化过程，再现了斜坡变形破坏演化过程。闫国强等［14］以巫峡段顺层灰岩岸坡“滑移-弯曲”破坏实例，基于弹塑性板翘曲模型，考虑岩体动态劣化概念，结合广义H-B 准则GSI（t）岩体参数动态指标，推导得临界挠曲段平衡方程。余姝等［15］研究青石-抱龙段顺层灰岩库岸，21 个顺向斜坡中9 个斜坡存在岩层弯曲现象，大量层面有擦痕，局部岩层强烈弯曲形成了类似逆断层的现象。王秋生等［16］基于能量法推导了多层岩质边坡临界溃曲长度计算公式，考虑层间和交叉节理对边坡溃曲演变过程进行了模拟。

兴浪坡滑坡位于四川省宣汉县君塘镇团山村8组，受川东红层地区宽缓褶皱的影响，斜坡整体地形随岩层倾角变化由坡顶21°～25°直至坡脚坡度逐渐变缓至16°～20°。岩层倾角的变化造成其变形破坏模式较为复杂，滑坡中部多处发现弯折-溃曲现象，横向上形成一条隆起溃屈带，呈现出顺层滑移-弯曲溃曲的破坏形式。因此，本文在兴浪坡滑坡野外调查的基础上，总结其变形破坏特征和模式；采用PFC2D 颗粒流模拟滑坡滑移-溃曲破坏过程和细观力学机制；深入研究中部阻滑段的应力变化特征，微观分析造成其中部弯折溃曲的力学机制，为此变形类型的滑坡提供一定的理论支撑。

1 兴浪坡滑坡发育特征

兴浪坡滑坡平面呈短“舌”形，长约304 m，宽约610 m，体积约148 万m3，为大型岩质顺层滑坡。滑坡纵向坡度16～25°，呈上陡下缓的折线形态。滑坡左侧以山脊为边界，右侧以下错台坎为界。前缘发育两个老滑坡堆积体，两处堆积体均为粉质粘土夹碎块石，未见基岩出露（图1）。通过滑坡地形地貌和变形破坏特征，将兴浪坡滑坡划分为3 个区：

图1 兴浪坡滑坡平面图Fig.1 Planar graph of Xinglangpo landslide

（1）滑移-拉陷区。位于滑坡后部，后缘可见沿软弱层面发生顺层滑动形成的长约15 m 的“光面”石板，具有明显擦痕。石板前发育一垂直于滑坡方向的长约300 m、宽约4 m 的拉裂槽，拉裂槽内充填大量的残坡积碎块石土。滑移区地表树木歪斜，分布有大量拉张裂缝（图2）。

图2 滑坡后缘“光面”石板（可见明显擦痕）Fig.2 The “glossy” stone slab at the back edge of the landslide (visible scuff marks exist)

（2）隆起-溃屈区。位于滑坡中部，变形破坏迹象最为明显。岩层弯曲隆起并溃曲剪出，岩体折断破碎呈倾倒状，折断及碎块状岩体零乱堆积。折断处隆起高度3～8 m，形成U 型凹槽（图3）。高程约445 m 处隆起溃屈带右侧可见大量岩层发生反倾折断（图4）。折断溃曲处发育多条垂直于滑动方向的横向拉张裂缝和鼓胀裂缝，裂缝拉开约10～15 cm，最长延伸约80 m。

图3 弯曲隆起并溃曲剪出Fig.3 Bending-bulging and slide-buckling

图4 滑坡中部溃屈带岩层反倾Fig.4 Rock reversal in the middle landslide buckling zone

（3）阻滑区。滑坡前缘由于岩层变缓和老滑坡堆积体压脚形成阻滑区。老滑坡堆积体整体处于基本稳定状态，可见少量的树木歪斜及裂缝、下错台坎等变形迹象。由于中上部岩体发生折断崩落，可见大量块石堆积于滑坡前缘。

2 变形破坏模式解析

滑移-溃曲变形破坏多出现在顺层斜坡中，尤其是夹有软弱结构面的层状斜坡。这种斜坡由于层状结构及软弱层、面的存在，多呈板状结构。斜坡上部岩体沿泥岩或软弱结构面产生顺层滑动，下部岩体倾角较缓形成约束，陡缓交界处易由于滑移挤压产生应力集中发生弯曲。随着应力不断累积增大，岩层弯曲隆起更为强烈，滑坡后缘或弯曲隆起部位发育拉张和挤压裂缝。最后岩体发生弯曲折断，斜坡沿着破碎带剪出发生溃曲破坏。主要分为以下几个阶段：

（1）滑移-弯曲鼓胀阶段。缓倾顺层斜坡在自重、构造应力与地下水等综合作用下，斜坡沿着物理力学性质较低的软弱结构面发生顺向滑动。受前缘地形条件或岩层倾角变缓的约束，顺层滑移下滑受阻。为了平衡坡脚集中的应力，近坡脚部位轻微隆起，有类似岩层褶曲的拉裂面和剪切面发育在弯曲部位。层面的切向应力和坡面的径向应力的差异导致斜坡表面出现轻微弯曲鼓胀变形（图5）。

图5 滑移鼓胀阶段Fig.5 Sliding and bulging stage

（2）强烈弯曲-隆起阶段。随着滑坡变形破坏持续增加，坡表形成拉应力集中的张力带。越靠近坡表，层面越易被拉裂形成拉张裂面，坡脚的约束使弯曲变形更加剧烈。随着斜坡岩层弯曲变形量持续增大，弯曲隆起顶部发育拉张裂缝，而在两侧则发育共轭剪切裂隙，这一阶段岩体更加破碎，岩层发生更加强烈的弯曲隆起，变形也逐渐向坡体深部发展（图6）。

图6 弯曲鼓胀阶段Fig.6 Bending and bulging stage

（3）滑移-溃曲破坏阶段。此阶段上覆岩体继续滑动，易在坡脚或岩层变缓部位产生应力集中，岩层继续弯曲并拉裂。应力集中处岩体折断破碎成为潜在剪出口。当应力集中到一定程度斜坡沿着破碎带发生滑移剪出，剪出口岩体发生溃曲、折断、断裂。滑坡中上部发育大量的裂缝，后缘可能会出现拉陷槽。除溃曲段外滑体的成层性依旧保持的较好，形成滑移-溃曲型滑坡（图7）。

图7 滑移溃曲阶段Fig.7 Sliding and buckling stage

3 PFC2D 数值模拟

3.1 数值模型建立

数值模型通过内嵌FISH 语言建立，采用粒径膨胀法生成斜坡初始颗粒集合体。由于本文重点研究滑移-弯曲-溃曲的变形破坏过程，重点关注滑带以上坡体的变形破坏特征，因此斜坡下部稳定基岩采用大粒径颗粒，变形破坏位置则采用小粒径颗粒，监测点参照宏观斜坡变形最为显著的部位进行布置，用来监测斜坡演化过程中应力变化特征，计算模型如图8 所示。由于斜坡是在长期重力作用下发展的变形破坏，为此，计算时仅考虑重力作用。

图8 数值模型及监测点建立Fig.8 Numerical model and monitoring point establishment

3.2 重力平衡设置

对边坡颗粒进行重力加速度的初始平衡，初始不平衡力和地应力如图9 所示。从平均接触力、不平衡力及应力监测曲线可以看出，初始应力和最大不平衡力＜10-4量级，满足重力平衡要求。

图9 重力平衡过程监测曲线Fig.9 Monitoring curve in the gravitational equilibrium process

3.3 颗粒粘结设置

图10 为采用的细观参数模拟的完整试件在单轴试验的应力-应变曲线，通过颗粒流模拟获得的应力-应变模拟曲线所得宏观参数与实际吻合较好。颗粒密度、刚度和粘结等模型参数见表1。对模型底部和左右边界进行法向约束，并删除斜坡表面墙。

表1 颗粒流模型参数Table 1 Parameters of the particle flow model

图10 校核参数对应试件的应力-应变曲线Fig.10 Stress-strain relations of the DEM model

4 结果分析

4.1 模型破坏过程

从边坡模型破坏位移云图（图11）可以看出：

图11 斜坡变形破坏云图Fig.11 Nephogram of slope deformation

（1）位移矢量图显示由于颗粒粒径的分组导致滑动面以上坡体位移明显较大，有自上而下的分异特征。滑坡中下部位移大于坡体上部，具有推移式滑坡特征。在斜坡宏观变形最为严重的区域，其后部的位移显著大于前缘的位移，因此，从变形特征上来看，具有推移式滑坡特征。

（2）滑坡中前部坡脚由于前缘公路开挖先产生滑动，由于破坏斜坡平衡坡体出现大量裂缝。滑坡后缘出现明显拉张裂隙，中部由于挤压出现挤压裂缝，具有被裂隙切割的分区特征。同时各个分区位移较大，表明滑坡具有在整体位移下由于裂隙切割导致的局部块体分离的特征。

（3）模型各时步破坏形态显示，滑坡滑动在中部块体存在明显错断剪出特征。破坏过程中滑坡体发生多处裂纹，斜坡中部由于应力集中导致出现岩体错断、剪断等特征。

4.2 应力分析

用粘结力场的演化对岩质边坡模型的滑移变形机制进行研究，并对斜坡的应力特征进行全过程监测（压为正，拉为负）。

由图12 可知：各监测点的水平和竖向应力曲线有较好的对应性。滑坡后缘监测点1 出现水平拉应力峰值点a，而在点a 和点b 之间水平拉应力不断降低。而垂直压应力则在不稳定增加后出现陡降，这一过程表明岩体的应力集中及破坏释放阶段；峰值a 点之后水平应力由拉变为压，而垂直应力在陡降之后出现不稳定反弹，这一阶段岩体进入残余应力状态。综上可以分为以下3 个阶段（图12）：

图12 岩体应力状态及微断裂过程曲线Fig.12 Curves of rock mass stress state and micro-fracture process

（1）OA 段：该阶段监测点2 即滑坡中段垂直应力持续增加，水平应力降低，表明区域2 即斜坡中部岩体由于不断的应力集中，岩体发生挤压错断，岩体裂隙裂缝不断增加。黑色的线代表裂纹的产生。

（2）AB 段：该阶段监测点2 曲线显示滑坡中部岩体水平应力和垂直应力均陡然降低，表明岩体已经完全贯通破坏，岩体裂隙裂缝急剧增加。因此，可以认为B 点为临界失稳点，且滑坡变形主要受监测点2 区域即滑坡中部岩体控制。

（3）BC 以后：垂直压应力监测曲线显示一定的波动并趋于稳定。该阶段为滑裂面贯通之后的继续滑移阶段，微断裂数增加逐渐趋于稳定，岩体应力进入残余应力状态。

5 结论

（1）兴浪坡滑坡为“上陡下缓”椅型面顺层岩质滑坡，滑坡的变形破坏可分为三个区，即后缘拉陷区、隆起-溃屈区、前缘阻滑区。

（2）由滑坡分区和变形迹象可知，由于前缘老滑坡堆积和岩层变缓形成阻滑区，中后部岩体由于牵引发生顺层滑移在过渡区形成应力集中，是形成滑移-溃曲模式的前提。斜坡破坏过程可分为滑移-弯曲鼓胀阶段、强烈弯曲-隆起阶段、溃曲3 个阶段。

（3）数值模拟显示滑坡中部溃曲处在滑动前主要表现为压应力集中，存在应力集中导致的岩体错断和剪断特征，与实际调查相符合。垂直压应力监测曲线显示一定的波动并趋于稳定，为滑裂面贯通之后的继续滑移阶段，岩体应力进入残余应力状态。