陳全明，方 瓊，羅冠枝，王國衛(wèi)

(湖南省自然資源事務中心，湖南 長沙 410118)

0 引言

常吉高速是湖南省通向湘西土家族苗族自治州的第一條高速公路，2007年7月瀘溪朱雀洞段發(fā)生了大規(guī)?；?，導致440 m長高速路基被嚴重損毀，所幸撤離及時無人員傷亡。朱雀洞滑坡是湖南公路史上影響最大的滑坡之一。滑坡發(fā)生之后，李俊等[1]對滑坡發(fā)生機理、防治方案開展了相關研究。根據(jù)前人研究結論結合野外調查，確定該滑坡是一發(fā)育于白堊系紅層巖質滑坡，其變形模式為滑移-彎曲(屈曲)。紅層是本省地質災害最易發(fā)地層，以往人們關注更多的紅層邊坡失穩(wěn)模式是順層滑移，而該滑坡獨特的滑移-彎曲模式可以填補省內相關研究空白。

1963年10月，意大利瓦依昂水庫左岸托克山2×108m3的山體突然以高達25～30 m/s的速度沿層面下滑、填滿水庫, 掀起的庫水高出壩頂125 m，庫水奔騰而下造成下游2 000余人喪生，這就是20世紀震驚全球的“瓦依昂事件”；瓦依昂滑坡發(fā)生后，諸多國際知名專家對其展開研究與反思，通過聯(lián)系力學模式與斜坡巖土體結構類型，認為它是滑移-彎曲變形力學機制模式的一個典型實例，至今瓦依昂滑坡仍是學術界討論的熱點[2-3]。1990年，學者LI[4]經過變形機制分析判定滑移-彎曲變形將經歷3個主要階段：滑移-輕微彎曲→強烈彎曲-隆起→滑面貫通-整體失穩(wěn)。國內較早報道巖體滑移-彎曲變形事件是，1958年谷德振等指出在西南山區(qū)大量存在“重力褶皺”[5]。之后隨著同類事件相繼報道，在諸多學者不斷深入研究努力下，相關理論日趨完善，提出了斜坡變形破壞模式，建立了屈曲啟動判據(jù)，并展開了變形過程物理模擬或數(shù)值模擬。主要工程實例還有霸王山古滑坡、鐵西古滑坡、李家峽Ⅱ號古滑坡、雞鳴寺新滑坡[6]、錦屏一級Ⅲ號變形體[7]、湯屯高速公路邊坡[8]、金江滑坡[9]、何家滑坡[10]、三峽庫區(qū)青石-抱龍段順向庫岸坡[11]等等?？偨Y這些經典案例后，不難發(fā)現(xiàn)以往滑移-彎曲多發(fā)生在中陡傾順層巖質斜坡，即初始層面傾角普遍大于30°。據(jù)此不少學者如劉云鵬[12]認為巖層傾角小于30°時發(fā)生彎曲變形的可能性較小。但本實例在緩傾條件下也能發(fā)生彎曲變形，比較罕見，具有研究意義，類似的還有范家坪滑坡[13]、金鼎山滑坡[14]、興浪坡滑坡[15]。通過大量模擬與計算研究，湯明高等[16]提出了巖層傾角>20°是滑移-彎曲產生的必要條件；張婷婷等[17]認為地下水在緩傾角斜坡滑移-彎曲變形破壞中作用至關重要。

在總結滑移-彎曲斜坡破壞規(guī)律基礎上，以常吉高速公路朱雀洞滑坡為例，采用理論計算、物理模擬手段，對朱雀洞滑坡變形破壞過程及其力學機理進行了分析。

1 朱雀洞滑坡發(fā)育特征

朱雀洞滑坡地處湖南沅麻紅層盆地中部，地貌類型屬于構造剝蝕丘陵，斜坡自然坡度10°～20°，地形高差70～160 m?；氯σ蔚匦蚊黠@，周界清晰，前緣接近丹青河，主滑方向315°，滑坡縱向長度448 m，平均寬度約450 m，平均厚度約25 m，估測體積2.6×106m3，是一大型滑坡(圖1)?；轮泻蟛靠梢娀渤雎?，為基巖面，表面擦痕發(fā)育，其方向與層面傾向一致，揭示了中后部滑體順層滑動特征?；w主要由白堊系下統(tǒng)欄垅組中-薄層狀泥質粉砂巖夾粉砂質泥巖組成，基本上保持了層狀，但傾角整體上呈現(xiàn)上陡下緩特征，與基巖產狀變化一致，滑坡后緣地段傾角約21°～28°，至前緣變?yōu)?4°～17°，且前緣巖體隆起，反傾現(xiàn)象非常發(fā)育。因此宏觀上判斷該滑坡成因機理為滑移-彎曲。

圖1 滑坡全貌Fig.1 Full extent of the landslide

朱雀洞滑坡滑動帶由白堊系粉砂質泥巖發(fā)育而成，粉砂質泥巖為典型紅層軟巖，遇水后結構極易破壞、強度迅速降低，甚至完全崩解軟化成泥狀。據(jù)現(xiàn)場調查，坡體發(fā)育兩組陡傾角節(jié)理：170°∠80°、80°∠80°，有利于雨水入滲。區(qū)內降雨頻發(fā)，粉砂質泥巖經過長期雨水浸泡逐漸成為軟弱夾層，在巖體剩余下滑力作用下，沿軟弱夾層發(fā)生層間滑動，因前緣受阻發(fā)生彎曲變形，之后進入蠕變階段?；掳l(fā)生前2～3日遭遇連續(xù)強降雨，導致河水上漲、地下水位抬升，加之坡頂修建高速開挖山體形成平臺，平臺積水更有利于雨水下滲到坡內，如此加速了斜坡變形進程，最終巖體在坡腳附近產生潰屈而滑面貫通形成滑坡。

2 朱雀洞滑坡失穩(wěn)條件

對朱雀洞滑坡破壞前的斜坡進行概化，建立斜坡滑移-彎曲二維力學模型(圖2)，斜坡幾何特征如下：

該順層斜坡總坡長為L=450 m，其中滑移段長度L1=300 m，彎曲段長度L2=150 m；巖層單層厚度為h=0.5 m，巖層層數(shù)n=50，因此總厚度H=25 m；巖層傾角為α=25°。

圖2 斜坡滑移-彎曲力學模型Fig.2 Mechanical model of slipping-bending for slope

①破壞條件

斜坡發(fā)生滑移-彎曲變形，先決條件是具備足夠的剩余下滑力，其計算公式如下：

F=HγL1(sinα-cosαtanδ)-cL1

(1)

式中：F——剩余下滑力；

γ——巖層重度；

δ、c——分別為層間軟弱帶內摩擦角、黏聚力。

按評價壓桿穩(wěn)定性的歐拉公式可以計算臨界下滑力：

(2)

式中：Fcr——巖層發(fā)生彎曲時的臨界下滑力；

He has seven arms.He has no sense of humor（幽默感）.He only has one dream：to relax（休息）.

則順層巖質斜坡產生滑移-彎曲變形的必要條件應該滿足F≥Fcr，即：

(3)

②臨界坡長

在同等條件下，坡長是巖層產生彎曲的關鍵性因子，只有實際坡長超過臨界值時，才可能出現(xiàn)彎曲變形。孫廣忠[18]根據(jù)板梁力學原理，求導出順層巖質斜坡發(fā)生滑移-彎曲變形時的臨界長度表達式為:

(4)

式中：Lcr——斜坡臨界長度；

q——巖層的自重，q=γH。

③評價結果

3 基于物理模擬的滑坡變形過程分析

表1 試驗材料配比

本次模擬試驗，以該滑坡主縱剖面為依據(jù)，并按照當?shù)氐牡孛箔h(huán)境對該剖面進行了合理的恢復，經過適當?shù)暮喕笾谱髂Ｐ汀Ｒ?guī)定模型寬度為80 cm，即試驗條件準許的最大尺度，實體研究對象的長度按此進行縮小，模型高度和實體高度比與長度方向的比值相同。根據(jù)圣維南原理，當模型足夠薄時，認為摩擦力均勻作用在整個厚度上，可以相當于原型物體在天然狀態(tài)下受到的重力作用。為了充分的利用摩擦力，模型的厚度盡可能的要制作薄一些。在制作完成的模型輪廓上，用小刀刻畫模擬出巖層，設定巖層的平均厚度為0.3 cm。為了減少層間因材料特性而帶來的額外黏結力，在層間還充填有少許的滑石粉，模擬軟弱夾層。此外對應于實際斜坡風化和卸荷程度的差異，以不同的外力壓實分別制作模型的表內層。為了保持與力學模型的原型一致性，模擬的層面傾角同樣確定為25°。試驗運行之前的模型狀態(tài)如圖3所示。

圖3 初始模型狀態(tài)Fig.3 Initial state of model

3.1 第一階段: 輕微隆起

開啟儀器，試驗開始運行，隨著皮帶輪的勻速轉動，模型初期發(fā)生差異性層間錯動，特別是淺表部較明顯，但變形較小。當試驗進行到10 min左右，斜坡的后緣拉張，表部巖層開始順著層面小量下滑，并且由于前緣受阻，在坡腳地帶巖層中發(fā)生凸向坡外的微弱彎曲變形，層間因此還出現(xiàn)了架空的現(xiàn)象(圖4)。

圖4 試驗運行10 min后模型的變形特征Fig.4 Deformation characteristic of model after 10 minutes

3.2 第二階段: 強烈隆起、層面折斷

隨著試驗運行時間的推進，后部巖體繼續(xù)順著層面向下滑移，前緣巖體不斷強烈彎曲隆起、架空，在最大隆起端部巖體沿垂直層面折斷、局部壓碎，變形劇烈程度從“坡面”向內逐漸減弱(圖5、圖6)。強烈凸向坡外彎曲的巖層形成類似褶曲的彎曲形態(tài)，兩個彎曲端(類似于背斜、向斜)端部形成張裂帶，一個是向坡面凸出開口的張裂帶，另一個是向坡內彎曲的根部形成的張裂帶，“X”形錯動節(jié)理形成，逐步向貫通方向發(fā)展。

圖5 試驗運行13 min后模型的變形特征Fig.5 Deformation characteristic of model after 13 minutes

圖6 試驗運行15 min后模型的變形特征Fig.6 Deformation characteristic of model after 15 minutes

3.3 第三階段: 斜坡破壞、形成滑坡

為了便于觀察，調低了皮帶的轉速，繼續(xù)讓試驗運行，模型變形也隨之繼續(xù)發(fā)展，后部巖體不斷向前推擠，當坡體前緣折斷帶徹底的貫通后，坡體表部沿這一貫通面迅速下滑產生滑坡，斜坡出現(xiàn)了整體的破壞?；w沿凸向坡外的折斷帶潰屈，滑坡的規(guī)模稍小(圖7)；當滑坡沿巖層根部的張裂帶貫通時，滑坡規(guī)模加大(圖8)。這說明滑體存在多層滑移現(xiàn)象，試驗與實際比較吻合。

圖7 試驗運行20 min后模型的變形特征Fig.7 Deformation characteristic of model after 20 minutes

圖8 試驗運行27 min后模型的變形特征Fig.8 Deformation characteristic of model after 27 minutes

4 緩傾順層巖質斜坡基本特征與變形條件

4.1 基本特征

實例特征，國內外14個滑坡實例發(fā)育特征顯示(表2)，滑移-彎曲型滑坡具備如下共同特征：(1)形成機理復雜，隱蔽性強，野外調查難以識別；(2)滑坡體規(guī)模巨大，多為大型滑坡，滑體長度一般數(shù)百米至上千米，厚度至少數(shù)十米；(3)滑體巖性主要為硬質巖，但層間總含有軟弱夾層；(4)滑動面(帶)由軟弱夾層構成，后部平直陡峻、為主滑段，前部平緩、為抗滑段；(5)推移式、多層滑動、突發(fā)性、滑速高、滑動距離有限等動態(tài)特征。

表2 滑移-彎曲變形模式工程實例

4.2 滑移-彎曲變形產生條件

順層巖質斜坡產生滑移-彎曲變形必須具備三個條件：

(1)地質條件：巖層傾角20°～60°，巖體軟硬相間、節(jié)理與裂隙發(fā)育。巖層傾角過緩將難以變形，當超過60°時，斜坡變形模式將向傾倒類型轉化。

(2)地貌條件：巖層傾角>斜坡坡角，坡長達到數(shù)百米及以上；

(3)力學條件：巖體存在剩余下滑力，且剩余下滑力必須大于其臨界值。

5 結論

(1)滑移-彎曲型滑坡基本特征：具有隱蔽性強、體積規(guī)模巨大、滑動面后陡前緩、多層滑動、突發(fā)性、高速、滑動距離有限等特征。順層巖質斜坡滑移-彎曲變形產生必要條件：巖層傾角20°～60°，巖體軟硬相間、節(jié)理與裂隙發(fā)育；巖層傾角>斜坡坡角，坡長達到數(shù)百米及以上；巖體存在剩余下滑力，且剩余下滑力必須大于其臨界值。

(2)采用歐拉定理和孫廣忠公式，對朱雀洞滑坡為代表的緩傾順層巖質斜坡，分別進行滑移-彎曲變形條件判別與穩(wěn)定性評價。經過驗算，該斜坡不穩(wěn)定，剩余下滑力大于臨界值，變形條件具備，與實際吻合。

(3)對緩傾順層巖質斜坡的滑移-彎曲型變形機制的演變過程的物理模擬，基本上再現(xiàn)其發(fā)展的一般過程和變形的階段性特征，模擬取得比較成功的效果，說明了試驗室的儀器設備能提供與實際地質環(huán)境基本吻合的條件，以及選擇試驗材料和材料配比的合理性。物理模擬結果與理論計算互為印證。