吳瑞安，魏云杰 ，冀承蕾

(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081；2.中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院(國(guó)土資源部地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急技術(shù)指導(dǎo)中心),北京100081；3.青島黃海學(xué)院,山東 青島 266427)

三峽庫(kù)區(qū)自蓄水以來(lái)，陸續(xù)發(fā)生了許多古老滑坡復(fù)活和大型新生滑坡[1-5]。三峽庫(kù)區(qū)蓄水到135 m水位后不久，2003年7月13日秭歸縣千將坪村發(fā)生體積約2 400萬(wàn)m3的山體滑坡，造成慘重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，其中24人死亡或失蹤，房屋大量倒塌，滑體一度中斷交通并堵塞青干河[6]。千將坪滑坡是三峽庫(kù)區(qū)典型的巖質(zhì)滑坡，類(lèi)似的還有寶塔滑坡、藕塘滑坡等[7-8]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，巖質(zhì)滑坡占三峽庫(kù)區(qū)滑坡總量的62%[9]，因此，開(kāi)展巖質(zhì)滑坡的變形失穩(wěn)機(jī)制分析對(duì)三峽庫(kù)區(qū)防災(zāi)減災(zāi)工程具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

學(xué)者們對(duì)庫(kù)區(qū)巖質(zhì)滑坡的形成機(jī)理和變形機(jī)制進(jìn)行過(guò)諸多有意義的研究。Wang等[10]通過(guò)分析千將坪滑坡地質(zhì)環(huán)境條件、斜坡巖體結(jié)構(gòu)和變形破壞特征，探討了該滑坡的形成影響因素和變形失穩(wěn)機(jī)制；李守定等[9]在分析千將坪滑坡滑帶宏觀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，探討了滑帶形成演化過(guò)程，認(rèn)為內(nèi)外動(dòng)力耦合作用加劇層間剪切帶物理力學(xué)性質(zhì)弱化促使千將坪滑坡的發(fā)生；文寶萍等[11]采用敏感性分析方法，研究了水在千將坪滑坡中的定量作用機(jī)理，認(rèn)為水對(duì)切層段泥巖抗剪強(qiáng)度的弱化作用對(duì)滑坡穩(wěn)定性影響最大；李守定等[7]借助X射線(xiàn)衍射試驗(yàn)、掃描電鏡、X射線(xiàn)能譜試驗(yàn)、物理化學(xué)試驗(yàn)和地下水質(zhì)分析，研究了寶塔滑坡泥巖泥化過(guò)程中的水巖相互作用，認(rèn)為泥化夾層是滑坡發(fā)生的重要原因；肖詩(shī)榮等[12]總結(jié)對(duì)比了瓦伊昂水庫(kù)滑坡、塘巖光滑坡以及千將坪滑坡三大水庫(kù)型順層巖質(zhì)滑坡的工程地質(zhì)條件，提出了庫(kù)水浮托與滑帶浸泡軟化二者耦合作用下的滑坡誘發(fā)機(jī)制；代貞偉等[8,13]基于野外調(diào)查和室內(nèi)試驗(yàn)分析，從地質(zhì)和環(huán)境兩方面分析了藕塘滑坡的形成機(jī)制和演化過(guò)程，認(rèn)為軟硬夾層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)是滑坡形成的主控因素，集中降雨和庫(kù)區(qū)蓄水誘發(fā)了滑坡的復(fù)活。

2011年3月以來(lái)，云陽(yáng)縣向城小學(xué)滑坡上開(kāi)始出現(xiàn)大量地表裂縫，坡上房屋開(kāi)裂?；乱坏┦Х€(wěn)，不僅危害著滑坡體上居民的生命財(cái)產(chǎn)安全，同時(shí)還威脅著長(zhǎng)江航道安全。本文在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和滑坡勘察基礎(chǔ)上，結(jié)合對(duì)軟弱泥化夾層微觀結(jié)構(gòu)、礦物成分、水理特性等方面的研究，從巖體建造、構(gòu)造及外動(dòng)力作用等方面闡述了該滑坡的變形失穩(wěn)機(jī)制，為類(lèi)似巖質(zhì)滑坡的變形失穩(wěn)機(jī)制分析和工程治理方案選取提供借鑒。

圖1　向城小學(xué)滑坡地理位置及全貌特征

1　向城小學(xué)滑坡概況

1.1　滑坡區(qū)地質(zhì)條件

1.2　滑坡發(fā)育特征

向城小學(xué)滑坡整體地形北高南低，主滑方向183°，后緣高程約250 m，前緣剪出口高程為143～167 m?；碌乇砬熬徍蠖?，中前部坡度約為25°，后緣地勢(shì)較陡，坡度約35°。滑坡整體呈圈椅狀(圖2)，東西兩側(cè)分別以沖溝和山脊為界，沖溝內(nèi)出露基巖。滑坡平均縱長(zhǎng)約150 m，橫寬約450 m，面積約6.75萬(wàn)m2，滑體平均厚約18 m，體積約135萬(wàn)m3。

圖2　向城小學(xué)滑坡工程地質(zhì)平面圖

圖3　向城小學(xué)工程地質(zhì)剖面圖

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，向城小學(xué)滑坡地表宏觀變形跡象明顯(圖4)。由于堆積體沿基巖頂面下錯(cuò)滑移，滑坡后部出現(xiàn)了長(zhǎng)約50 m、寬約0.1 m的弧形拉裂縫，走向大體垂直于坡向，垂直位移達(dá)0.2 m(圖4b)。滑坡中后部房屋內(nèi)地面開(kāi)裂，裂縫L1延伸9.2 m，寬0.25～0.5 m?；轮邢虏堪l(fā)育有一小型次級(jí)滑坡，下錯(cuò)較明顯，后緣高程約在210 m，在后緣邊界發(fā)育多條拉張裂縫，較顯著的裂縫有L2、L3、L4。裂縫L2走向約85°，長(zhǎng)18 m、寬0.2～0.4 m、垂直位移達(dá)0.1 m。裂縫L3長(zhǎng)24 m、寬0.4～0.6 m、下錯(cuò)量0.3～0.45 m。裂縫L4長(zhǎng)14 m、寬0.4～1.3 m、下錯(cuò)量最大達(dá)1.2 m?；挛鱾?cè)還發(fā)育有多條剪切裂縫(圖4c)，較明顯的有L5，延伸5.7 m，寬0.4～0.7 m，最深達(dá)0.8 m?；麦w東側(cè)中部的水塘、房屋受斜坡變形影響而開(kāi)裂(圖4a,圖4d)。

另外，滑坡體上部巖體產(chǎn)狀紊亂，產(chǎn)狀分別為227°∠24°、305°∠44°，與穩(wěn)定基巖產(chǎn)狀不一致?；虑熬墡r體松動(dòng)架空，結(jié)構(gòu)面張開(kāi)，地表變形明顯。結(jié)合地面調(diào)查和勘察鉆孔資料，判定向城小學(xué)滑坡為順層巖質(zhì)滑坡。

2　泥巖軟弱夾層的結(jié)構(gòu)與特征

對(duì)向城小學(xué)滑坡的粉砂質(zhì)泥巖軟弱夾層進(jìn)行XRD全巖分析可知(表1)，其主要礦物類(lèi)型為石英、方解石及粘土礦物等，其中粘土礦物含量最高，占40.2%，石英占34.1%，方解石占11.9%。粉砂質(zhì)泥巖膠結(jié)極為松散，遇空氣容易風(fēng)化，遇水后迅速軟化甚至泥化。從表1可以看出，175 m水位以下的泥巖軟弱夾層中粘土礦物含量大于50%，而175 m庫(kù)水位以上的泥巖軟弱夾層中的粘土礦物含量小于40%。表明庫(kù)水對(duì)泥巖中粘土礦物的含量有一定影響，庫(kù)水長(zhǎng)時(shí)間的浸泡作用利于泥巖粘土礦物的含量增加。

圖4　向城小學(xué)滑坡變形破壞特征

取樣位置試樣編號(hào)礦物含量/%石英鉀長(zhǎng)石斜長(zhǎng)石方解石白云石赤鐵礦粘土礦物總量175m水位線(xiàn)以上ZTK10XC0139210118861030354ZTK10XC0235407951270931377ZTK10XC0338107861022026378ZTK12XC04373329017224309ZTK12XC0533851961270922357175m水位線(xiàn)以下ZTK10XC0625009351270741531ZTK12XC0730009529043506

表2　粘土礦物X-衍射定量分析結(jié)果

圖5　軟弱夾層中片狀粘土礦物微觀結(jié)構(gòu)

試樣編號(hào)及名稱(chēng)XCR1粉砂質(zhì)泥巖XCR2粉砂質(zhì)泥巖XCR3粉砂質(zhì)泥巖XCR4粉砂質(zhì)泥巖XCR5粉砂質(zhì)泥巖膨脹力pe/MPa358×10-3266×10-3372×10-3276×10-3338×10-3600kPa下的有載膨脹率δep/%00030002000300020003耐崩解性指數(shù)Id2/%505653595038519550115

粘土礦物在軟弱夾層中所占比例較高，其性質(zhì)直接影響著泥巖的力學(xué)強(qiáng)度和水理特性。根據(jù)粘土礦物X-射線(xiàn)衍射定量分析結(jié)果(表2)可知，粘土礦物主要以伊利石和伊利石-蒙脫石混層礦物為主，且含少量綠泥石，這些粘土礦物具較好的親水性，呈現(xiàn)不穩(wěn)定的水理性質(zhì)[14-15]。在地下水活動(dòng)區(qū)，長(zhǎng)石的水解泥化作用活躍，化學(xué)風(fēng)化后直接形成粘土礦物。泥巖軟弱夾層中存在較多的伊利石和方解石礦物，在水巖物理化學(xué)作用下，方解石進(jìn)一步溶解導(dǎo)致顆粒間聯(lián)結(jié)力降低，伊利石轉(zhuǎn)化成膨脹性更強(qiáng)、抗剪強(qiáng)度更低的伊利石-蒙脫石混層礦物，降低軟弱夾層的抗剪強(qiáng)度。

利用電鏡掃描觀察軟弱夾層巖體的微觀結(jié)構(gòu)(圖5)，發(fā)現(xiàn)粘土礦物以片狀為主，少量呈長(zhǎng)條狀、針葉狀，部分呈現(xiàn)明顯的層狀定向排列特征，且發(fā)育有微孔隙，表明向城小學(xué)滑坡變形過(guò)程中，軟弱夾層結(jié)構(gòu)已經(jīng)遭受一定程度的破壞。根據(jù)室內(nèi)對(duì)泥巖崩解特性研究，發(fā)現(xiàn)其具有較弱的膨脹性，但是崩解性較強(qiáng)。由于不穩(wěn)定粘土礦物的存在，泥巖性質(zhì)很不穩(wěn)定，當(dāng)泥巖浸水后，在水巖化學(xué)作用和孔隙水壓力共同作用下，微孔隙逐漸發(fā)展擴(kuò)大，易在這些不穩(wěn)定礦物處形成破裂面，破裂面多平行于層理面，這與不穩(wěn)定粘土礦物定向排列有關(guān)。隨著破裂面逐漸發(fā)展貫通，礦物發(fā)生解體分散，最終導(dǎo)致巖體結(jié)構(gòu)完全破壞。

3　滑坡成因機(jī)制分析

3.1　滑坡影響因素分析

向城小學(xué)滑坡前緣臨江，臨空條件良好，近百米的高差和較陡的坡度為滑坡孕育提供了有利地形條件和運(yùn)動(dòng)空間?；挛挥谌f(wàn)州復(fù)向斜內(nèi)，該復(fù)向斜由黃柏溪向斜、新場(chǎng)背斜、故陵向斜組成，呈左行雁行式排列，疊加褶皺樞紐軸方向整體為NE-NNE，到故陵向斜才逐漸轉(zhuǎn)為近東西向，受右旋扭動(dòng)力偶作用形成，與此同時(shí)還形成了兩組共軛剪節(jié)理系(圖6)，其中一組節(jié)理走向與長(zhǎng)江呈銳角，并被后期庫(kù)岸邊坡的卸荷裂隙所承繼，并逐漸發(fā)展成拉裂面，控制著滑坡的發(fā)育[16]。該區(qū)局部應(yīng)力場(chǎng)的變化以及侏羅系上統(tǒng)遂寧組(J3s)地層的分布控制著該區(qū)庫(kù)岸斜坡演化，致使單斜順層岸坡發(fā)育，形成該區(qū)砂巖、泥巖互層斜坡體獨(dú)特的變形演化規(guī)律。構(gòu)造裂隙發(fā)育，破壞巖體的完整性，同時(shí)為地表水的入滲提供通道。

圖6　區(qū)域構(gòu)造與滑坡發(fā)育關(guān)系簡(jiǎn)圖(據(jù)文獻(xiàn)[16]，有改動(dòng))

此外，斜坡結(jié)構(gòu)和巖土體工程地質(zhì)特性對(duì)滑坡的形成具有重要影響。長(zhǎng)石砂巖透水性較強(qiáng)，而粉砂質(zhì)泥巖透水性較差，形成相對(duì)隔水層，降雨通過(guò)巖體裂縫滲入坡體后，在泥巖和砂巖交界面滲流，形成頂托力，促進(jìn)滑坡的變形發(fā)展。同時(shí)由于泥巖中水敏性礦物存在，在水巖物理化學(xué)作用下，泥巖軟化崩解，強(qiáng)度急劇降低，形成潛在滑動(dòng)面?！吧皫r-泥巖”軟硬互層的斜坡巖體結(jié)構(gòu)，為滑坡的孕育和發(fā)展提供了良好的條件。當(dāng)庫(kù)水上升時(shí)，滑體前緣浸沒(méi)區(qū)增加，地下水浸潤(rùn)線(xiàn)升高，斜坡下部的滑帶發(fā)生浸潤(rùn)軟化，力學(xué)性質(zhì)變差；而當(dāng)庫(kù)水下降時(shí)，滑坡內(nèi)的水向坡外滲流形成朝向坡外滲透力，不利于斜坡穩(wěn)定。在庫(kù)水位頻繁漲落過(guò)程中，斜坡內(nèi)地下水變化范圍內(nèi)的滑帶土受干濕循環(huán)影響，結(jié)構(gòu)劣化、強(qiáng)度降低。因此，庫(kù)水位升降變化和降雨耦合作用對(duì)滑坡變形起到重要促進(jìn)作用。

3.2　滑坡變形破壞機(jī)制分析

向城小學(xué)滑坡的變形破壞模式為蠕滑-拉裂-剪斷式，其形成演化過(guò)程大體可以歸納為：構(gòu)成斜坡的巖體性質(zhì)不同，泥巖強(qiáng)度較低，容易風(fēng)化，而硬脆性的砂巖強(qiáng)度相對(duì)更高，形成軟硬互層的巖體結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)江河谷不斷下切，因巖體強(qiáng)度差異，自重作用下斜坡巖體向著臨空方向發(fā)生差異變形，剪應(yīng)力作用于泥巖與砂巖接觸面，軟弱泥巖中出現(xiàn)剪破裂，形成層間剪切帶，表現(xiàn)出巖體沿軟弱夾層向坡外變形的趨勢(shì)(圖7a)；斜坡坡表附近應(yīng)力迅速調(diào)整，在坡體內(nèi)形成大致平行于坡表的壓致拉裂面，巖塊沿軟弱層蠕滑變形，滑坡前部巖層發(fā)生彎曲隆起，后部形成拉裂縫(圖7b)；降雨通過(guò)裂縫入滲，水巖發(fā)生物理化學(xué)作用，泥巖軟化；庫(kù)水上升時(shí)浸泡滑坡前緣，地下水作用下泥巖容易泥化崩解，抗剪強(qiáng)度降低?；潞蟛坷芽p和軟弱層面逐漸貫通，若巖體鎖固段被剪斷，斜坡將發(fā)生整體失穩(wěn)破壞(圖7c)。

4　滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

以向城小學(xué)滑坡剖面1-1’、2-2’和3-3’為計(jì)算剖面，采用傳遞系數(shù)法分別計(jì)算4種工況條件(表4)下的滑坡穩(wěn)定性，物理力學(xué)參數(shù)由室內(nèi)試驗(yàn)和參數(shù)反演分析綜合確定，滑坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表4　計(jì)算工況及安全系數(shù)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，向城小學(xué)滑坡在工況Ⅰ和Ⅲ的條件下為基本穩(wěn)定狀態(tài)，在工況Ⅱ和Ⅳ條件下為欠穩(wěn)定狀態(tài)，說(shuō)明庫(kù)水位下降和175m庫(kù)水位疊加強(qiáng)降雨條件下對(duì)滑坡穩(wěn)定性不利。隨著庫(kù)水頻繁漲落變化，滑帶剪切強(qiáng)度進(jìn)一步降低，滑坡可能受強(qiáng)降雨和地下水位迅速變化激發(fā)而形成整體失穩(wěn)，有必要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，并及時(shí)開(kāi)展治理工程。

5　結(jié)論

通過(guò)工程地質(zhì)條件調(diào)查，查明了向城小學(xué)滑坡的斜坡變形破壞特征，重點(diǎn)分析了軟弱夾層的工程地質(zhì)特性，并從巖體的建造、構(gòu)造作用以及降雨與庫(kù)水位的耦合作用等方面對(duì)滑坡變形破壞機(jī)制進(jìn)行了分析，得到以下主要認(rèn)識(shí)。

(1)向城小學(xué)滑坡為軟硬互層結(jié)構(gòu)的大型巖質(zhì)滑坡，其穩(wěn)定性主要受粉砂質(zhì)泥巖演化而成的軟弱夾層的剪切強(qiáng)度控制，滑坡變形失穩(wěn)模式為蠕滑-拉裂-剪斷型。

(2)軟弱夾層主要粘土礦物為伊利石和伊利石-蒙脫石混層礦物，具較好的親水性和一定的不穩(wěn)定性，微觀結(jié)構(gòu)以片狀結(jié)構(gòu)為主，部分呈層狀定向排列，水巖物理化學(xué)作用下，泥巖發(fā)生軟化崩解，抗剪強(qiáng)度降低。

(3)長(zhǎng)石砂巖透水性較強(qiáng)，而粉砂質(zhì)泥巖透水性較差，形成相對(duì)隔水層，降雨通過(guò)巖體裂縫滲入坡體后，在泥巖和砂巖交界面滲流，形成頂托力，特殊的軟硬互層結(jié)構(gòu)為滑坡孕育和發(fā)展提供了便利條件。

圖7　向城小學(xué)滑坡形成演化過(guò)程示意圖

剖面重度γ/(kN/m3)粘聚力c/kPa內(nèi)摩擦角φ/(°)不同工況下穩(wěn)定性系數(shù)天然飽和天然飽和天然飽和ⅠⅡⅢⅣ1-1’252526022552010491022110510052-2’252524520401810581024108010033-3’25252401935181103101311031010

(4)巖體的建造特征、構(gòu)造影響等對(duì)滑坡的形成演化起到控制性作用，降雨和庫(kù)水位升降變化的耦合作用促進(jìn)了滑坡變形破壞。

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