苗 朝，張 勇，李乾坤，易靖松

（1.中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川 成都 611734；2.自然資源部地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險防控工程技術(shù)創(chuàng)新中心，四川 成都 611734）

0 引言

緩傾順層巖質(zhì)滑坡的破壞與失穩(wěn)是常見的巖土工程重大災(zāi)害之一，大規(guī)模緩傾層狀滑坡的變形失穩(wěn)都具有一個較復(fù)雜的變形破壞過程，通過野外詳細勘察定性分析結(jié)合室內(nèi)數(shù)值模擬是研究滑坡變形破壞模式的重要方法［1-6］。

學(xué)者Li 等［7］在1990 年認為滑移-彎曲變形一般經(jīng)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)。陳自生［8］認為拱潰型順層巖質(zhì)滑坡屬于推動式滑坡。坡腳處巖層逐層拱起，并開裂脫層，發(fā)展成抗滑段，其與沿巖層層面發(fā)育的主滑段相貫通，由此呈現(xiàn)崩潰與滑動。滑坡經(jīng)歷蠕滑-滑動-劇滑三個階段。黃潤秋等［9］以地質(zhì)分析為基礎(chǔ)，分析了天臺鄉(xiāng)特大型滑坡的發(fā)生過程，指出滑坡的過程包括地下水匯聚-頂托、擠入-楔裂和潰裂-滑動3 個階段；李強等［10］就某些實例的形成機制進行了討論，并提出了蠕變滑移-彎曲的破壞機制概念；魏玉峰等［11］在野外調(diào)研的基礎(chǔ)上，從地形、地應(yīng)力和巖性組成等方面分析了軟硬相間層狀斜坡產(chǎn)生滑移-彎曲模式的成因機制；陳達等［12］研究了順層邊坡潰曲變形形成條件與層面傾角的關(guān)系，運用數(shù)理統(tǒng)計的分析方法，研究了潰曲滑坡的發(fā)育規(guī)律及巖層屈曲的影響因子。陳全明等［13］以常吉高速公路朱雀洞滑坡為例，研究了研究緩傾順層巖質(zhì)斜坡滑移-彎曲變化過程，再現(xiàn)了斜坡變形破壞演化過程。閆國強等［14］以巫峽段順層灰?guī)r岸坡“滑移-彎曲”破壞實例，基于彈塑性板翹曲模型，考慮巖體動態(tài)劣化概念，結(jié)合廣義H-B 準則GSI（t）巖體參數(shù)動態(tài)指標，推導(dǎo)得臨界撓曲段平衡方程。余姝等［15］研究青石-抱龍段順層灰?guī)r庫岸，21 個順向斜坡中9 個斜坡存在巖層彎曲現(xiàn)象，大量層面有擦痕，局部巖層強烈彎曲形成了類似逆斷層的現(xiàn)象。王秋生等［16］基于能量法推導(dǎo)了多層巖質(zhì)邊坡臨界潰曲長度計算公式，考慮層間和交叉節(jié)理對邊坡潰曲演變過程進行了模擬。

興浪坡滑坡位于四川省宣漢縣君塘鎮(zhèn)團山村8組，受川東紅層地區(qū)寬緩褶皺的影響，斜坡整體地形隨巖層傾角變化由坡頂21°～25°直至坡腳坡度逐漸變緩至16°～20°。巖層傾角的變化造成其變形破壞模式較為復(fù)雜，滑坡中部多處發(fā)現(xiàn)彎折-潰曲現(xiàn)象，橫向上形成一條隆起潰屈帶，呈現(xiàn)出順層滑移-彎曲潰曲的破壞形式。因此，本文在興浪坡滑坡野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，總結(jié)其變形破壞特征和模式；采用PFC2D 顆粒流模擬滑坡滑移-潰曲破壞過程和細觀力學(xué)機制；深入研究中部阻滑段的應(yīng)力變化特征，微觀分析造成其中部彎折潰曲的力學(xué)機制，為此變形類型的滑坡提供一定的理論支撐。

1 興浪坡滑坡發(fā)育特征

興浪坡滑坡平面呈短“舌”形，長約304 m，寬約610 m，體積約148 萬m3，為大型巖質(zhì)順層滑坡?；驴v向坡度16～25°，呈上陡下緩的折線形態(tài)?；伦髠?cè)以山脊為邊界，右側(cè)以下錯臺坎為界。前緣發(fā)育兩個老滑坡堆積體，兩處堆積體均為粉質(zhì)粘土夾碎塊石，未見基巖出露（圖1）。通過滑坡地形地貌和變形破壞特征，將興浪坡滑坡劃分為3 個區(qū)：

圖1 興浪坡滑坡平面圖Fig.1 Planar graph of Xinglangpo landslide

（1）滑移-拉陷區(qū)。位于滑坡后部，后緣可見沿軟弱層面發(fā)生順層滑動形成的長約15 m 的“光面”石板，具有明顯擦痕。石板前發(fā)育一垂直于滑坡方向的長約300 m、寬約4 m 的拉裂槽，拉裂槽內(nèi)充填大量的殘坡積碎塊石土?；茀^(qū)地表樹木歪斜，分布有大量拉張裂縫（圖2）。

圖2 滑坡后緣“光面”石板（可見明顯擦痕）Fig.2 The “glossy” stone slab at the back edge of the landslide (visible scuff marks exist)

（2）隆起-潰屈區(qū)。位于滑坡中部，變形破壞跡象最為明顯。巖層彎曲隆起并潰曲剪出，巖體折斷破碎呈傾倒狀，折斷及碎塊狀巖體零亂堆積。折斷處隆起高度3～8 m，形成U 型凹槽（圖3）。高程約445 m 處隆起潰屈帶右側(cè)可見大量巖層發(fā)生反傾折斷（圖4）。折斷潰曲處發(fā)育多條垂直于滑動方向的橫向拉張裂縫和鼓脹裂縫，裂縫拉開約10～15 cm，最長延伸約80 m。

圖3 彎曲隆起并潰曲剪出Fig.3 Bending-bulging and slide-buckling

圖4 滑坡中部潰屈帶巖層反傾Fig.4 Rock reversal in the middle landslide buckling zone

（3）阻滑區(qū)?；虑熬売捎趲r層變緩和老滑坡堆積體壓腳形成阻滑區(qū)。老滑坡堆積體整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，可見少量的樹木歪斜及裂縫、下錯臺坎等變形跡象。由于中上部巖體發(fā)生折斷崩落，可見大量塊石堆積于滑坡前緣。

2 變形破壞模式解析

滑移-潰曲變形破壞多出現(xiàn)在順層斜坡中，尤其是夾有軟弱結(jié)構(gòu)面的層狀斜坡。這種斜坡由于層狀結(jié)構(gòu)及軟弱層、面的存在，多呈板狀結(jié)構(gòu)。斜坡上部巖體沿泥巖或軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生順層滑動，下部巖體傾角較緩形成約束，陡緩交界處易由于滑移擠壓產(chǎn)生應(yīng)力集中發(fā)生彎曲。隨著應(yīng)力不斷累積增大，巖層彎曲隆起更為強烈，滑坡后緣或彎曲隆起部位發(fā)育拉張和擠壓裂縫。最后巖體發(fā)生彎曲折斷，斜坡沿著破碎帶剪出發(fā)生潰曲破壞。主要分為以下幾個階段：

（1）滑移-彎曲鼓脹階段。緩傾順層斜坡在自重、構(gòu)造應(yīng)力與地下水等綜合作用下，斜坡沿著物理力學(xué)性質(zhì)較低的軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生順向滑動。受前緣地形條件或巖層傾角變緩的約束，順層滑移下滑受阻。為了平衡坡腳集中的應(yīng)力，近坡腳部位輕微隆起，有類似巖層褶曲的拉裂面和剪切面發(fā)育在彎曲部位。層面的切向應(yīng)力和坡面的徑向應(yīng)力的差異導(dǎo)致斜坡表面出現(xiàn)輕微彎曲鼓脹變形（圖5）。

圖5 滑移鼓脹階段Fig.5 Sliding and bulging stage

（2）強烈彎曲-隆起階段。隨著滑坡變形破壞持續(xù)增加，坡表形成拉應(yīng)力集中的張力帶。越靠近坡表，層面越易被拉裂形成拉張裂面，坡腳的約束使彎曲變形更加劇烈。隨著斜坡巖層彎曲變形量持續(xù)增大，彎曲隆起頂部發(fā)育拉張裂縫，而在兩側(cè)則發(fā)育共軛剪切裂隙，這一階段巖體更加破碎，巖層發(fā)生更加強烈的彎曲隆起，變形也逐漸向坡體深部發(fā)展（圖6）。

圖6 彎曲鼓脹階段Fig.6 Bending and bulging stage

（3）滑移-潰曲破壞階段。此階段上覆巖體繼續(xù)滑動，易在坡腳或巖層變緩部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，巖層繼續(xù)彎曲并拉裂。應(yīng)力集中處巖體折斷破碎成為潛在剪出口。當應(yīng)力集中到一定程度斜坡沿著破碎帶發(fā)生滑移剪出，剪出口巖體發(fā)生潰曲、折斷、斷裂。滑坡中上部發(fā)育大量的裂縫，后緣可能會出現(xiàn)拉陷槽。除潰曲段外滑體的成層性依舊保持的較好，形成滑移-潰曲型滑坡（圖7）。

圖7 滑移潰曲階段Fig.7 Sliding and buckling stage

3 PFC2D 數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型建立

數(shù)值模型通過內(nèi)嵌FISH 語言建立，采用粒徑膨脹法生成斜坡初始顆粒集合體。由于本文重點研究滑移-彎曲-潰曲的變形破壞過程，重點關(guān)注滑帶以上坡體的變形破壞特征，因此斜坡下部穩(wěn)定基巖采用大粒徑顆粒，變形破壞位置則采用小粒徑顆粒，監(jiān)測點參照宏觀斜坡變形最為顯著的部位進行布置，用來監(jiān)測斜坡演化過程中應(yīng)力變化特征，計算模型如圖8 所示。由于斜坡是在長期重力作用下發(fā)展的變形破壞，為此，計算時僅考慮重力作用。

圖8 數(shù)值模型及監(jiān)測點建立Fig.8 Numerical model and monitoring point establishment

3.2 重力平衡設(shè)置

對邊坡顆粒進行重力加速度的初始平衡，初始不平衡力和地應(yīng)力如圖9 所示。從平均接觸力、不平衡力及應(yīng)力監(jiān)測曲線可以看出，初始應(yīng)力和最大不平衡力＜10-4量級，滿足重力平衡要求。

圖9 重力平衡過程監(jiān)測曲線Fig.9 Monitoring curve in the gravitational equilibrium process

3.3 顆粒粘結(jié)設(shè)置

圖10 為采用的細觀參數(shù)模擬的完整試件在單軸試驗的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，通過顆粒流模擬獲得的應(yīng)力-應(yīng)變模擬曲線所得宏觀參數(shù)與實際吻合較好。顆粒密度、剛度和粘結(jié)等模型參數(shù)見表1。對模型底部和左右邊界進行法向約束，并刪除斜坡表面墻。

表1 顆粒流模型參數(shù)Table 1 Parameters of the particle flow model

圖10 校核參數(shù)對應(yīng)試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.10 Stress-strain relations of the DEM model

4 結(jié)果分析

4.1 模型破壞過程

從邊坡模型破壞位移云圖（圖11）可以看出：

圖11 斜坡變形破壞云圖Fig.11 Nephogram of slope deformation

（1）位移矢量圖顯示由于顆粒粒徑的分組導(dǎo)致滑動面以上坡體位移明顯較大，有自上而下的分異特征。滑坡中下部位移大于坡體上部，具有推移式滑坡特征。在斜坡宏觀變形最為嚴重的區(qū)域，其后部的位移顯著大于前緣的位移，因此，從變形特征上來看，具有推移式滑坡特征。

（2）滑坡中前部坡腳由于前緣公路開挖先產(chǎn)生滑動，由于破壞斜坡平衡坡體出現(xiàn)大量裂縫?；潞缶壋霈F(xiàn)明顯拉張裂隙，中部由于擠壓出現(xiàn)擠壓裂縫，具有被裂隙切割的分區(qū)特征。同時各個分區(qū)位移較大，表明滑坡具有在整體位移下由于裂隙切割導(dǎo)致的局部塊體分離的特征。

（3）模型各時步破壞形態(tài)顯示，滑坡滑動在中部塊體存在明顯錯斷剪出特征。破壞過程中滑坡體發(fā)生多處裂紋，斜坡中部由于應(yīng)力集中導(dǎo)致出現(xiàn)巖體錯斷、剪斷等特征。

4.2 應(yīng)力分析

用粘結(jié)力場的演化對巖質(zhì)邊坡模型的滑移變形機制進行研究，并對斜坡的應(yīng)力特征進行全過程監(jiān)測（壓為正，拉為負）。

由圖12 可知：各監(jiān)測點的水平和豎向應(yīng)力曲線有較好的對應(yīng)性?；潞缶壉O(jiān)測點1 出現(xiàn)水平拉應(yīng)力峰值點a，而在點a 和點b 之間水平拉應(yīng)力不斷降低。而垂直壓應(yīng)力則在不穩(wěn)定增加后出現(xiàn)陡降，這一過程表明巖體的應(yīng)力集中及破壞釋放階段；峰值a 點之后水平應(yīng)力由拉變?yōu)閴?，而垂直?yīng)力在陡降之后出現(xiàn)不穩(wěn)定反彈，這一階段巖體進入殘余應(yīng)力狀態(tài)。綜上可以分為以下3 個階段（圖12）：

圖12 巖體應(yīng)力狀態(tài)及微斷裂過程曲線Fig.12 Curves of rock mass stress state and micro-fracture process

（1）OA 段：該階段監(jiān)測點2 即滑坡中段垂直應(yīng)力持續(xù)增加，水平應(yīng)力降低，表明區(qū)域2 即斜坡中部巖體由于不斷的應(yīng)力集中，巖體發(fā)生擠壓錯斷，巖體裂隙裂縫不斷增加。黑色的線代表裂紋的產(chǎn)生。

（2）AB 段：該階段監(jiān)測點2 曲線顯示滑坡中部巖體水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力均陡然降低，表明巖體已經(jīng)完全貫通破壞，巖體裂隙裂縫急劇增加。因此，可以認為B 點為臨界失穩(wěn)點，且滑坡變形主要受監(jiān)測點2 區(qū)域即滑坡中部巖體控制。

（3）BC 以后：垂直壓應(yīng)力監(jiān)測曲線顯示一定的波動并趨于穩(wěn)定。該階段為滑裂面貫通之后的繼續(xù)滑移階段，微斷裂數(shù)增加逐漸趨于穩(wěn)定，巖體應(yīng)力進入殘余應(yīng)力狀態(tài)。

5 結(jié)論

（1）興浪坡滑坡為“上陡下緩”椅型面順層巖質(zhì)滑坡，滑坡的變形破壞可分為三個區(qū)，即后緣拉陷區(qū)、隆起-潰屈區(qū)、前緣阻滑區(qū)。

（2）由滑坡分區(qū)和變形跡象可知，由于前緣老滑坡堆積和巖層變緩形成阻滑區(qū)，中后部巖體由于牽引發(fā)生順層滑移在過渡區(qū)形成應(yīng)力集中，是形成滑移-潰曲模式的前提。斜坡破壞過程可分為滑移-彎曲鼓脹階段、強烈彎曲-隆起階段、潰曲3 個階段。

（3）數(shù)值模擬顯示滑坡中部潰曲處在滑動前主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力集中，存在應(yīng)力集中導(dǎo)致的巖體錯斷和剪斷特征，與實際調(diào)查相符合。垂直壓應(yīng)力監(jiān)測曲線顯示一定的波動并趨于穩(wěn)定，為滑裂面貫通之后的繼續(xù)滑移階段，巖體應(yīng)力進入殘余應(yīng)力狀態(tài)。