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(成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室，四川 成都 610059) (西部戰(zhàn)區(qū)空軍勘察設(shè)計院， 四川 成都 610041)

云南隴川半成巖地層滑坡的成因機制及穩(wěn)定性評價

嚴(yán)松，王運生,羅永紅謝春慶，潘凱

(成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室，四川成都610059) (西部戰(zhàn)區(qū)空軍勘察設(shè)計院，四川成都610041)

滑坡的成因機制及穩(wěn)定性評價對工程和人類活動至關(guān)重要，在對云南省隴川縣新建通用機場的勘察過程中發(fā)現(xiàn)中型不穩(wěn)定老滑坡，該滑坡對擬建的重要工程安全性產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。通過鉆探、物探、遙感等手段對該滑坡進(jìn)行詳細(xì)勘察，發(fā)現(xiàn)海崗滑坡為該地區(qū)(半成巖地層)的典型滑坡，即以流水快速侵蝕，切入坡內(nèi)，形成深大沖溝，然后以沖溝為臨空面，發(fā)生第1次滑動，在后期強降雨誘發(fā)下以自然邊坡為臨空面發(fā)生第2次滑動。在地貌上表現(xiàn)為“肚大口小”，似瓢狀，命名為“瓢把子”滑坡。該類滑坡滑帶區(qū)別于一般的土質(zhì)或巖質(zhì)滑坡，滑帶為后部高陡、中部圓滑、前部平緩的折線型。通過FLAC3D計算分析滑坡穩(wěn)定性表明，在地震作用下滑坡計算剖面最大位移量為12 3mm，與天然工況相比增大了7 32倍；降雨作用下滑坡剪應(yīng)變集中區(qū)主要分布在斜坡堆積體與滑床接觸帶附近，剪應(yīng)變增大了6 25倍，充分證明該類滑坡在降雨及地震作用下極不穩(wěn)定。

云南；隴川；半成巖地層；地震滑坡；形成機制；FLAC3D

在云南西部隴川盆地中，沉積了一套巨厚的湖相或河湖相紅色地層。 它不管在厚度、巖層產(chǎn)狀方面，還是在顏色、巖性方面都比較穩(wěn)定。它們具有一定的成巖性，但成巖度不高，而干強度卻較高，具有脆性破壞的特性。巖體中的黏粒含量普遍較高，巖層的透水性較弱，遇水易于膨脹、 崩解或軟化，巖層的強度急劇下降。因此，該地層在工程地質(zhì)特征方面既具有巖的性質(zhì)，又具有土的性質(zhì)，根據(jù)相關(guān)資料[1，2]把它稱為“半成巖地層”。

海崗滑坡位于重要新建工程——隴川通用機場南端，該滑坡區(qū)處于擬建工程的高填方區(qū)，在下伏軟弱地層、重要水體邊等這些不利因素影響下，使得該滑坡的穩(wěn)定性不僅關(guān)系機場工程，還關(guān)系到水庫下游的集鎮(zhèn)安全。通過多次踏勘、水上鉆探、干鉆、物探、遙感等手段對該滑坡進(jìn)行詳細(xì)的勘察，發(fā)現(xiàn)該滑坡具有以下特點：①屬于半成巖地層；②后緣和側(cè)緣形成斷壁；③多次不同方向的滑動；④滑坡后緣比前緣寬約120m；⑤滑坡形成年代久遠(yuǎn)；⑥位于重要人類活動區(qū)域。筆者通過野外大量資料和分析，探明海崗滑坡的形成機制，評估其穩(wěn)定性，以保證工程的順利進(jìn)行和人民群眾生命財產(chǎn)的安全。

1 滑坡區(qū)地質(zhì)背景

1.1地形地貌

隴川縣[3，4]地處云貴高原西部橫斷山脈高黎貢山西坡，在北緯24°08′～24°39′，東經(jīng)97°39′～98°17′之間，場區(qū)區(qū)域位于隴川-瑞麗復(fù)試背斜及清平-廣卡斷層的西翼，新近系地層產(chǎn)生平緩褶曲，新構(gòu)造運動差異性減少，盆地以堆積為主。盆地周邊新近系湖相堆積，因地殼抬升，小河沖切割而平頂?shù)颓鹌鸱?，丘間地段被平緩的谷地分割，相對高差30～80m，區(qū)域地貌如圖1所示。

1.2地層巖性

研究區(qū)地層巖性由老到新依次為砂巖(黏土)半成巖(N)、粉質(zhì)黏土(Qel+dl)、第四系滑坡堆積物(Qdel)、植物土層(Qpd)。無基巖出露，鉆孔未揭穿半成巖(大于50m)。

2 滑坡發(fā)育基本特征

圖1 滑坡區(qū)域地貌圖

海崗滑坡工程地質(zhì)平面如圖2所示，海崗滑坡位于隴川海崗水庫岸邊，滑坡后緣以陡崖為界限，前緣至海崗水庫淺灘，滑坡后緣高程約1028m，前緣高程979m，相對高差49m，滑動方向約160°，地形坡度20～25°，滑坡面呈現(xiàn)分階陡坎?；马樒麻L約197m，平均橫寬約100m，滑坡體厚度15～25m，方量約39×104m3，為中型滑坡，滑坡頂部及坡腳部位有部分塌方。通過對該滑坡的初步調(diào)查，根據(jù)該滑坡體變形特征劃分4個區(qū)，分別為強變形區(qū)(Ⅰ區(qū))、中等變形區(qū)(Ⅱ區(qū))、弱變形區(qū)(Ⅲ區(qū))以及滑坡左側(cè)邊緣的滑塌區(qū)(Ⅳ區(qū))。

圖2 海崗滑坡工程地質(zhì)平面圖

圖3 滑坡平面展布(航拍照片)

圖4 滑坡后壁出露巖土體 圖5 滑坡側(cè)壁出露巖土體

圖6 拉裂縫宏觀特征 圖7 拉裂縫細(xì)部特征

2.1形態(tài)特征

海崗滑坡從平面上來看，后緣較寬，前緣較窄，其后緣最寬處近200m，前緣剪出口處寬度60m?；缕矫嬲共既鐖D3所示，左側(cè)半成巖山梁限制了滑坡體物質(zhì)在前緣的鋪開，總體形狀近似于圈椅形?；潞缶壖白髠?cè)邊界為陡壁，其中滑坡左側(cè)邊界走向約180°，分布高程為980～1026m，相對高差約46m；左側(cè)邊界發(fā)育4處小型滑塌，滑塌體平均寬度40m，長度30m，厚度15～20m，地形坡度40°左右，滑動方向250°，與主滑動方向夾角約90°。

滑坡后壁近東西走向，高程范圍980～1043m，相對高差20～30m，地形坡度大于70°，僅局部可見極少量植被，滑坡周圍情況如圖4、圖5所示?；潞蟊谥饕傻谒南禋埰路e層及新近系砂巖、黏土巖組成，其中粉質(zhì)黏土層厚約5m，下伏新近系(N)褐紅、棕紅色強風(fēng)化砂巖半成巖，夾薄層黏土巖半成巖。

滑坡右側(cè)邊界以小型沖溝為界，沖溝寬0.5～2m，深約0.5m，延伸方向為135°。沖溝內(nèi)可見大小不一的塊碎石，由于沖溝內(nèi)局部出露砂巖半成巖，溝內(nèi)兩側(cè)草類、灌木類植物生長茂盛。

2.2滑帶物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)特征

鉆探、槽探以及工程地質(zhì)測繪調(diào)查表明，滑坡區(qū)堆積物主要由中砂、粉質(zhì)黏土等組成(Qdel)，其中中砂粒徑0.5～2.5mm，成分以石英為主，風(fēng)化程度強-全風(fēng)化，中密；粉質(zhì)黏土顏色主要呈褐紅色，可塑，中砂與粉質(zhì)黏土混雜攪合，拉裂縫特征如圖6和圖7所示。滑床為新近系(N)砂巖半成巖、黏土巖半成巖。由于組成滑坡的中粗砂稍密-中密，其特征上與半成巖砂巖泥質(zhì)弱膠結(jié)，較難以區(qū)分，但是通過鉆孔揭露巖性顯示，堆積物原巖層理擾動與場區(qū)內(nèi)巖層產(chǎn)狀具有明顯差異,與此同時鉆孔干鉆鉆進(jìn)較快，而半成巖砂巖干鉆進(jìn)入較困難。

2.3滑帶與滑床特征

通過由HP20、HP23、HP26、HP38等鉆孔揭露，海崗滑坡滑帶特征較其他同類滑坡不明顯，但掰開鉆孔巖心后通常存在如下特征：

1)滑帶處風(fēng)化嚴(yán)重，與下伏砂巖半成巖巖性顏色差異明顯，滑帶處通常為銹染色或褐紅色，下伏砂巖為灰白色和藍(lán)色，由此表明滑帶處地下水作用特征明顯；

2)滑帶處多見有擦痕或光面；

3)滑帶為薄層可塑-軟塑狀粉質(zhì)黏土或黏土，含砂量較其他黏土巖半成巖高，表明滑動過程中滑帶攪動其他物質(zhì)較多；

4)滑帶處物質(zhì)較松散。

3 滑坡工程地質(zhì)分區(qū)及特征

根據(jù)海崗滑坡變形及堆積特征，將該滑坡劃分為強變形區(qū)(Ⅰ區(qū))、中等變形區(qū)(Ⅱ區(qū))、弱變形區(qū)(Ⅲ區(qū))及滑塌變形區(qū)(Ⅳ區(qū))。

滑坡強變形區(qū)(Ⅰ區(qū))位于滑坡上部，滑坡下錯、拉裂縫、拉陷槽等變形明顯，其中拉裂縫發(fā)育11條，南北走向拉裂縫5條，東西走向拉裂縫6條；下錯50～80cm，延伸長度約10m左右，張開15cm，基本無充填，可見深度約2m左右,典型照片如圖6、圖7所示?；麦w巖土層序雜亂，粉質(zhì)黏土、砂、半成巖混雜攪合；滑坡后緣見拉陷槽，拉陷槽長軸方向正北，長20m，寬2～5m，深度50cm，未見積水；滑坡左側(cè)可見深大沖溝，可能發(fā)生局部滑動。

Ⅱ區(qū)位于滑坡中上部，其中發(fā)育拉裂縫3條，南北走向拉裂縫1條，東西走向拉裂縫2條，下錯10cm，延伸長度約8m左右，張開10cm，有少量粉質(zhì)黏土充填，可見深度約0.3m，該區(qū)域灌木和喬木茂盛。

Ⅲ區(qū)自高程1000m左右一直延伸到海崗水庫中，該區(qū)現(xiàn)今未發(fā)現(xiàn)變形特征，坡度上陡下緩，在985m左右形成滑坡平臺，平臺前緣可見隆起，隆起高度約0.5m。

Ⅳ區(qū)分布在滑坡體溝谷左側(cè)，共分成4個部分，由崩塌堆積和局部的滑動堆積而成，邊坡坡度較陡，大于40°，后緣多為斷壁，有小規(guī)模崩塌，都以沖溝為臨空面，向北西方向運動，由于前緣流水沖蝕多形成陡坎，連續(xù)暴雨，可能發(fā)生滑動。

4 滑坡成因機制分析

圖8 滑坡左側(cè)邊界的沖溝 圖9 溯源侵蝕特征

據(jù)調(diào)查訪問，1#海崗滑坡現(xiàn)地形地貌已經(jīng)形成約100年以上，當(dāng)?shù)鼐用穹Q為“爛崖子”。在海崗水庫未蓄水前，該滑坡在暴雨或雨水季節(jié)仍會產(chǎn)生蠕滑拉裂變形，水庫蓄水后該滑坡變形不明顯。該滑坡為一古滑坡，且發(fā)生過多次不同方向的滑動。形成初期由于海崗河流下切，溝谷溯源侵蝕強烈，使得坡體向臨空方向卸荷松弛(斜坡第1次強度衰減)。與此同時，雨水導(dǎo)致斜坡砂巖半成巖及黏土巖半成巖巖體強度急劇下降(斜坡第2次強度衰減)。在強震的作用下，后緣卸荷裂隙被不斷拉裂加深，砂巖段不斷的震裂松弛，強度持續(xù)降低，摩阻力降到最低，滑體高速滑向沖溝內(nèi)。由于滑體原母巖為半成巖砂巖，攪動后形成中砂、中粗砂，較松散，地表流水容易侵蝕，滑體物質(zhì)常年隨流水形成的高含砂泥洪水進(jìn)入海崗河流，使得該滑坡表層堆積物在前緣堆積特征無法尋證。而在現(xiàn)今地表上仍可見滑坡左側(cè)(上游側(cè))邊界形成的較大沖溝，滑坡左側(cè)邊界的沖溝如圖8所示，溯源侵蝕特征如圖9所示?；潞缶壖白髠?cè)緣為高陡的斷壁，左側(cè)緣陡壁一直貫穿到坡腳，這些都與地震滑坡極為相似[5]。

圖10 溯源侵蝕-卸荷松弛形成裂隙階段

圖11 地震觸發(fā)-滑坡形成階段

圖12 降雨入滲軟化二次滑動階段

滑坡左側(cè)邊界形成的陡崖在較好臨空條件下，向臨空方向卸荷并在雨水入滲作用下形成多次滑塌，構(gòu)成現(xiàn)今地貌特征。海崗滑坡的形成演化過程[6，7]可以分為如下3個階段：

1)河谷快速下切，谷坡卸荷松弛，后緣形成卸荷裂隙。第1次滑動，由于滑坡區(qū)半成巖易被侵蝕，沖溝快速下切，最終形成陡直、狹窄的“V”型谷地貌。快速下切使斜坡后緣形成陡傾坡外的卸荷回彈拉裂隙，從而驅(qū)動邊坡沿坡腳的緩傾結(jié)構(gòu)面發(fā)生回彈錯動性質(zhì)的表生改造，并在坡頂形成拉張應(yīng)力區(qū)，出現(xiàn)后緣拉裂，溯源侵蝕-卸荷松弛形成裂隙階段如圖10所示。

改造完成后，坡體在自重應(yīng)力的長期持續(xù)作用和雨水滲入軟化，沿緩傾角結(jié)構(gòu)面發(fā)生持續(xù)的蠕滑變形，并導(dǎo)致后緣拉裂的向下擴(kuò)展，地表水通過地表裂縫滲入，形成半成巖軟化區(qū)。

2)強震觸發(fā)，滑坡形成。地震觸發(fā)，滑坡形成階段如圖11所示，在地震的作用下，中間砂巖段震裂松弛，強度顯著降低，緩傾滑移面與斜坡后緣軟化區(qū)貫通，形成滑移面。沖溝左側(cè)，發(fā)生小規(guī)模崩塌。

3)河流沖刷，雨水入滲軟化，發(fā)生二次滑動。在海崗河的侵蝕、沖刷作用下，雨水滲入松散的滑坡堆積體，使得下伏軟弱面強度進(jìn)一步降低，由于滑移-拉裂作用，發(fā)生第2次滑動。主滑方向為160°(現(xiàn)在的海崗水庫方向)，在滑坡下部形成滑坡平臺，在后緣形成拉陷槽，降雨入滲軟化二次滑動階段如圖12所示。

5 滑坡穩(wěn)定性分析評價

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查、鉆探、物探、原位試驗及室內(nèi)試驗，對斜坡穩(wěn)定性起控制作用的滑面主要為滑坡古滑面和卸荷裂隙面，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ變形區(qū)控制性滑移面為古滑面，Ⅵ變形區(qū)控制性滑移面為卸荷裂隙面。

經(jīng)現(xiàn)場大量飽水大剪試驗、直剪試驗，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ變形區(qū)坡體表層的黏土、粉質(zhì)黏土自然狀態(tài)下含水量較低，呈堅硬～硬塑狀，物理力學(xué)性質(zhì)較好；下伏基巖透水性相對較差，該層容易聚水飽和軟化，因此滑帶土呈可塑～軟塑狀，物理力學(xué)性質(zhì)較差，黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ值低，試驗結(jié)果如表1所示。

表1 現(xiàn)場原位試驗結(jié)果

通過SLIDE軟件，采用極限平衡分析法，對海崗滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性和剩余推力計算，穩(wěn)定性計算結(jié)果如表2所示。

表2 1#(海崗)滑坡穩(wěn)定性計算結(jié)果

由表2可知，天然工況下1#滑坡(海崗)穩(wěn)定系數(shù)平均值Fs=1.212，斜坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。暴雨工況下，穩(wěn)定性系數(shù)平均值Fs=0.931，斜坡不穩(wěn)定，存在局部滑塌或整體滑塌的可能。地震工況下，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)平均值Fs=0.934，斜坡不穩(wěn)定，存在滑坡的危險。

6 滑坡變形特征數(shù)值模擬

6.1初始應(yīng)力場特征

圖13 天然工況下最大主應(yīng)力分布

采用FLAC3D軟件對滑坡進(jìn)行3種工況下的應(yīng)力應(yīng)變及位移計算，綜合分析評價邊坡的變形及穩(wěn)定性特征[8，9]。自然狀態(tài)下的斜坡的最大主應(yīng)力場整體上受重力場控制，因此最大主應(yīng)力為壓應(yīng)力，天然工況下最大主應(yīng)力分布如圖13所示。斜坡呈現(xiàn)坡表到坡內(nèi)逐漸增大，最大主應(yīng)力等值線較平滑，整體上相互平行，淺表壓應(yīng)力量值在0.001～0.3MPa。

6.2受暴雨和地震作用斜坡變形特征

由于海崗滑坡所在的機場場區(qū)[10]處于8°地震烈度區(qū)，基本地震加速度0.2g，綜合水平地震系數(shù)0.05，地震對邊坡穩(wěn)定的影響十分明顯，因此必須考慮地震作用下邊坡穩(wěn)定的特征?；伦冃翁卣鞣植既鐖D14所示。

圖14 滑坡變形特征分布

1)位移分布特征。在天然工況下最大位移量為1.68mm，暴雨工況下最大位移量為10.5mm，相比增大了6.25倍。由此可見，暴雨對海崗滑坡有較大的影響，根據(jù)穩(wěn)定性計算結(jié)果，暴雨或者持續(xù)降雨作用下滑坡不穩(wěn)定，存在再次產(chǎn)生滑動的可能。在地震作用下滑坡計算剖面最大位移量為12.3mm，與天然工況相比增大了7.32倍。

2)剪應(yīng)變分布特征。降雨作用下滑坡剪應(yīng)變集中區(qū)主要分布在斜坡堆積體與滑床接觸帶附近，即滑帶所在部位。天然工況下滑坡剪應(yīng)變最大量值為2.096e-4，暴雨工況下剪應(yīng)變最大量值達(dá)1.310e-3，剪應(yīng)變增大了6.25倍。由于降雨的作用，滑坡剪應(yīng)變集中程度逐步增大，且剪應(yīng)變集中區(qū)有從邊坡中上部向中下部逐步發(fā)展的趨勢，最終形成貫通的剪應(yīng)變集中帶。降雨作用下位移及剪應(yīng)力應(yīng)變變化及分布特征充分說明，斜坡在暴雨工況下變形量較大，斜坡不穩(wěn)定，存在進(jìn)一步滑移的危險。

地震作用下斜坡剪應(yīng)變分布特征，如圖14(f)所示。地震作用下剪應(yīng)變集中區(qū)主要分布于斜坡的中上部并與位移最大部位相對應(yīng)。由圖14(b)、圖14 (c)可知，暴雨工況和地震工況對應(yīng)的剪應(yīng)變和位移集中區(qū)具有明顯的差別。地震作用下剪應(yīng)變集中區(qū)主要集中于斜坡的中后段滑帶部位，根據(jù)羅永紅等[11]的研究成果表明，地震波的高程放大效應(yīng)明顯，造成斜坡頂部的地震動響應(yīng)要強于斜坡下部，從而造成了差異變形，最后斜坡頂端在地震慣性力的作用下發(fā)生向外拋射下滑型滑坡。

由斜坡應(yīng)力應(yīng)變、位移特征分析可知，海崗滑坡在天然工況下斜坡總體位移較小，剪應(yīng)力、剪應(yīng)變集中程度不高，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。但在暴雨和地震作用情況下，斜坡的位移成倍增長，應(yīng)力應(yīng)變集中程度急劇增大，斜坡處于欠穩(wěn)定～不穩(wěn)定狀態(tài)。

7 結(jié)論

1)海崗滑坡為低山丘陵地區(qū)的半成巖地層滑坡，非巖質(zhì)亦非土質(zhì)滑坡，不同于一般滑坡，不能用常規(guī)思維方式判斷，該類滑坡的滑面非圓弧形，而是表現(xiàn)為后段陡，前段平。

2)海崗滑坡第1次滑動以溯源侵蝕形成的深大沖溝為臨空面。在地震的作用下觸發(fā)，形成高陡后壁。在前緣受到地下水的軟化，發(fā)生第2次160°方向滑動。這類滑坡，在地貌上不同于常規(guī)滑坡，由于易軟化，常常會發(fā)生多次滑動。

3)該地層邊坡破壞以蠕滑-拉裂為主要破壞模式。受地下水影響極其嚴(yán)重，在地下水豐富的地區(qū)，需要加強監(jiān)測。

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[編輯]計飛翔

2017-05-21

國家自然科學(xué)基金項目(41072231)。

嚴(yán)松(1993-)，男，碩士生，現(xiàn)主要從事地質(zhì)災(zāi)害評價方面的研究工作，632353232@qq.com。

引著格式嚴(yán)松，王運生,羅永紅,等.云南隴川半成巖地層滑坡的成因機制及穩(wěn)定性評價[J].長江大學(xué)學(xué)報(自科版)，2017,14(21)：61～68.

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