不同地質條件下順層巖質滑坡發生機制研究*

陳 攀，吳 華，張文海

（西藏大學 工學院，西藏 拉薩850000）

2008年5月四川省發生里氏8.0級地震造成龍門山斷裂帶形成地表破裂[1]，引發大量的崩塌滑坡，并且加劇了潛在地質災害的發育。經現場調查和遙感解譯發現，四川境內9個縣市內形成堰塞湖達33個，重災區各類地質災害隱患點新增8627處，16縣范圍內的震后災害點超11300處[2-3]。地震直接誘發北川縣境內的唐家山發生堵江滑坡，造成下游地區百余萬人民的生命財產安全[4]受到威脅。受前期地震的影響，2017年茂縣境內的新磨村在降雨作用下發生了特大滑坡[5]。兩個滑坡同屬順層巖質滑坡[6-8]，滑坡破壞均沿層面運動，可作為分析順層巖質滑坡各階段變形破壞機理和破壞機制的典型事例。弄清滑坡的破壞機制，查明滑坡的地質力學模型是滑坡地質災害研究防治的基礎工作和重要內容。黃潤秋[9]根據滑坡實際案例，針對不同的巖體結構條件，總結了不同的地質力學模型。鄭穎人等[10]通過對地震邊坡破壞機制進行數值分析，發現地震邊坡的破壞由上部拉破壞與下部剪切破壞共同組成。基于此基礎提出并總結滑坡的破壞過程與地質力學模型，以及各自具有的特點。弄清這些問題，不僅能提高人們對順層巖質滑坡的理論認識，同時對順層巖質滑坡災害的防治工作具有一定的參考意義。全面了解滑坡的影響因素，結合實際的工程地質特征，分析滑坡啟動過程，歸納出地質力學模型，根據順層巖質滑坡的不同特點提出防治方案可有效減少順層滑坡帶來的損失。

1 典型順層滑坡事件

1.1 唐家山滑坡

唐家山滑坡位于四川盆地與青藏高原過渡區，周圍斷裂發育，受構造影響劇烈，滑坡區附近褶皺發育。唐家山巖性為寒武系下統清平組硅質板巖、砂巖、泥灰巖、泥巖，巖層軟硬相間，巖層傾角N70°～80°E/NW∠50°～80°。湔江河谷斷面呈“V”型，唐家山下部坡度40°～60°，上部坡度約30°，并且形成明顯的過渡區，如圖1。唐家山山體位于湔江右側淘蝕岸。

圖1 唐家山滑坡前照片（據李守定等，2010修改）

由工程地質特征判斷唐家山滑坡屬基巖順層滑坡，分析其誘發因素和運動情況，得出唐家山滑坡屬地震誘發的高速滑坡[4]。滑體啟動后高速下滑，滑體前緣先刨蝕河床，然后在對岸爬坡上升，滑體后緣沿滑床坐落，最終堵塞湔江。滑坡發生后調查發現，滑坡后壁較巖層傾角陡，滑坡從河床剪出。

1.2 “6·24”新磨村滑坡

該地區屬高原型季風氣候區，多年平均降雨量為700mm，滑坡發生的6月屬于雨季。研究區巖性為三疊系中統雜谷腦組變質石英砂巖夾千枚巖和板巖，產狀為184°∠53°，節理較發育。原山坡頂高程3450m左右，滑源區原山體與坡腳高差約1250m，斜坡整體呈現上陡下緩，滑源區坡度50°左右，下部有老滑坡堆積體。

據滑坡的工程地質特征判定“6·24”新磨村滑坡為順層滑坡，分析其發生運動過程后，發現其屬典型的高速遠程滑坡-碎屑流[11]。滑源區巖體失穩下滑，碰撞鏟刮滑源區下部物質，后轉化為碎屑流，摧毀坡腳新磨村。巖體內發育的反傾斜擠壓節理破碎帶為滑坡剪出提供條件。

2 滑坡影響因素及破壞模式分析

2.1 滑坡影響因素

邊坡結構、地形、地震和降雨等是影響邊坡穩定性的重要因素。黃潤秋[9]發現有利的地形地貌條件是中國大陸大型滑坡發育最根本的原因，而構成大型滑坡發生的主要觸發和誘發因素是強震、極端氣候條件和全球氣候變化。

2.1.1 唐家山滑坡

（1）地質條件。通過唐家山滑坡邊坡形態的整體分析可發現，唐家山中部凸出，一方面是因為滑體兩側沖溝發育，另一方面是由于過渡區的存在。這樣的坡體地形與黃潤秋等[3]實際調查發現的寬谷向峽谷過渡區滑坡破壞的地形相似，中部凸出地形，地震條件下巖體卸荷較強烈，邊坡易失穩誘發滑坡。受強烈構造運動影響，唐家山滑坡發育在背斜褶皺的一翼，原斜坡為順向坡，潛在滑動帶傾角與巖層傾角基本相同，可以很大程度減少滑坡啟動時所需的能量和摩擦消耗的能量。（2）地震。汶川地震是唐家山滑坡形成的誘發因素，先傳達的地震縱波以豎向拉裂破壞占優[12]，有利于下部巖體的破碎移動和過渡區形成拉裂破壞。（3）河流地質作用。湔江的下蝕作用讓河床海拔不斷變低，河流的側蝕作用使抵抗滑坡剪出的巖層厚度不斷變薄。河流地質作用造成坡腳部位的抗剪強度降低，在地震的影響下極易發生巖石破碎，為滑坡提供良好的剪出條件和臨空條件。

2.1.2 “6·24”新磨村滑坡

（1）地形條件及邊坡結構。“6·24”新磨村滑坡的滑源區為單斜順向基巖斜坡，地形相對簡單，微地貌基本不發育。滑源區前緣存在破碎帶，后緣臨空，兩側發育不同程度的節理，具有良好的臨空條件。滑源區坡向與巖層傾向基本一致，斜面傾角與巖層傾角基本相等，傾角較陡，有利于斜坡啟動。（2）地震。汶川地震以前，研究區附近曾經發生過多次地震[13-14]，對滑源區影響最大的當數疊溪地震，因其震中區包含滑坡的滑源區。由于頻繁受到地震的影響，巖體發育近于垂直層面和斜向坡內的2組結構面，滑體兩側各發育一組裂縫，層狀巖體完整性被破壞，巖體被分割成塊狀結構類型，為滑源區形成鼓脹裂縫帶和新磨村后山形成地震裂縫提供了運動空間，并且結構面控制剪出位置。（3）降雨。據水文氣象資料分析發現，2017年進入雨季以來，滑坡區的降雨量較往年同期偏多。6月初至滑坡發生前一天的累計降雨量均超過200mm，較常年同期偏多40%左右，并且當年6月8日至14日有一次較強的持續降雨過程[15]。

2.2 滑坡發育過程分析

2.2.1 唐家山滑坡

河水不斷下蝕和側蝕，降低坡腳巖體抵抗地震破壞的能力。王存玉等[16]進行了地震模型實驗，結果顯示：邊坡頂部對震動的反應幅值較之邊坡底部存在明顯放大現象，邊坡的邊緣部對震動的反應幅值較之內部也存在放大現象。崔芳鵬等[12]通過離散元分析地震作用下唐家山崩滑破壞的動力過程，發現在地震縱波產生的水平和豎直震蕩耦合作用下，斜坡后緣裂隙發育時坡腳已發生明顯位移錯動，證實了唐家山滑坡后緣拉裂隙形成較坡腳移動晚。

分析唐家山滑坡啟動過程可以分為以下3個階段：（1）地震對坡腳的波動震蕩，過渡區形成拉應力集中，山坡下部的層狀巖體發生差異性運動，巖體發生破裂并發育，重力和地震給予巖體的加速度使邊坡坡腳發生明顯錯動，剪出口形成。在這過程中，坡腳對邊坡中上部支撐逐漸減弱，潛在滑動帶對滑體的控制作用逐漸顯現。（2）圖1中的過渡區向內凹陷，屬應力集中區，拉裂隙發育。邊坡動力響應特征值在地震作用下出現放大效應，與滑體重力共同作用，拉張裂隙在過渡區不斷發育。（3）持續的重力和地震作用，使后緣拉裂破壞不斷發育，拉裂破壞與巖層之間相對完整的巖體形成“鎖固段”，隨著拉裂破壞深切，“鎖固段”范圍不斷減小，當“鎖固段”不能提供滑坡穩定時所需的強度時，“鎖固段”發生剪斷，滑體啟動。滑坡后壁陡峭，張裂隙發育，引發了較小規模的坍塌，因此顯示滑坡后壁略高于過渡區，堰塞體表層為滑坡碎石土。

2.2.2 “6·24”新磨村滑坡

1933年6月24日，茂縣疊溪發生7.5級地震，地震誘發了以山崩滑坡為主的一系列地質災害，包括新磨村的老滑坡。

分析新磨村滑坡啟動過程同樣分為2個階段：（1）早期地震活動幫助單斜斜坡后緣形成裂縫，同時在滑源區發育形成結構面，結構面將坡體上部完整的層狀巖層切割成塊狀巖體，雨水沿裂隙和結構面滲入不斷軟化薄層板巖，塊狀巖體在重力作用下緩慢向下蠕滑，發育形成鼓脹破碎帶，滑體的穩定性基本由“鎖固段”巖體的抗剪強度提供。（2）充沛的降雨條件，一方面增加了堆積體的重力，使下滑分力增加；另一方面雨水沿裂隙下滲降低了滑體抗滑能力，綜合作用下滑體沿破碎帶剪出。

2.3 地質力學模型

通過唐家山滑坡與“6·24”新磨村滑坡的啟動過程分析可以發現，盡管兩起滑坡同屬于順層巖質滑坡，邊坡結構相似，但它們的地質力學模型不同。如圖2所示，唐家山滑坡斜坡坡腳先于后緣破壞運動是唐家山滑坡最突出的特點，使其具有滑動-拉裂-剪斷的地質-力學模型，與黃潤秋所提到的不同的是，巖質滑坡受地震影響前端滑移時間可能很快，具有抗滑作用的“鎖固段”位于滑床的上部。按滑坡力學特征分類，其屬于牽引式滑坡。破壞主要受地震和微地貌的影響。后者的地質力學模型為滑移-剪斷，“鎖固段”位于滑床的下部。按力源位置的不同分類，其屬于推移式滑坡。從滑坡形成的前期破壞影響角度出發，易發現這兩起滑坡發生前，滑坡體左右兩側都受到不同因素引起的強度降低（唐家山滑坡體兩側存在沖溝，新磨村滑坡體兩側存在裂縫），這可能是順層滑坡形成的前期表現。

圖2 地質力學模型圖

3 防災減災措施的建議

3.1 地震誘發型滑坡

唐家山滑坡造成嚴重的堵江，回水至上游禹里鄉。成功的人工開槽泄流經驗，對于類似的堵江事件具有重要借鑒意義。同時，還需要主動減少滑坡帶來的堵江危害，這里提出幾點建議。首先，根據滑坡形成的地形、邊坡結構和巖性條件圈定潛在災害區，對已確定的潛在滑坡區進行滑坡發生幾率和危險性評價，形成“地形結構→滑坡發生幾率評價→滑坡危險性評價”的防災系統流程。其次，針對危險性較高的滑坡，分析滑坡啟動過程中最可能出現地質力學模式，設計并優化抗滑措施。滑坡堵江的形成不僅與河流的運動特征和形態尺寸有關，也與滑坡的規模和運動速度緊密相關[17-19]。從滑坡方面出發，針對降低滑坡速度和減少滑坡方量，設計減少堵江幾率和堵江程度的邊坡固定方案，并制定處置堵江滑坡體的應急預案，將滑坡危害降到最低。

3.2 地震誘發的潛在型滑坡

地震誘發的潛在型滑坡的防治方案主要應從排查和監測出發，在全面的地質災害排查基礎上，對確定的潛在災害點進行滑坡評價，對高危險、易發性滑坡選定監測點進行實時監測的變形和位移，同時參考已發生滑坡的啟動過程和地質力學模式，設計合理的防災減災方案，遷移滑坡影響范圍內的居民，制定滑坡應急處置方案，可以最大程度保證人民的生命和財產安全。

4 結束語

通過對上述兩種典型的順層巖質滑坡啟動過程分析可以進一步證實，斜坡特殊的邊坡結構是滑坡發生的內在因素，震動和降雨是滑坡最常見的外因。唐家山滑坡的發生機制為滑動-拉裂-剪斷，屬于牽引式滑坡，“鎖固段”位于滑床的上部。“6·24”新磨村滑坡滑源區啟動的地質力學模型是滑移-剪斷，屬推移式滑坡，“鎖固段”位于滑床的下部。準確地認識順層巖質的邊坡結構，分析發生機制可針對性地幫助有關部門進行滑坡災害防治。