大型礫巖滑坡特征與成因機制分析

楊偉強，巨廣宏,2，李樹武,2，何曉東

(1. 中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065;2. 國家能源水電工程技術研發中心高邊坡與地質災害研究治理分中心,西安 710065)

0 前 言

伴隨中國經濟的高速增長，大型工程數量日益增多，在各類工程活動中也遇到了越來越多的邊坡工程問題。礫巖邊坡成巖時間相對較短，性質特殊，一般力學性質較差，且成分復雜，物理力學性質較為特殊，即與巖體內部物質組成及膠結程度緊密相關，同時受結構面控制[1]，其邊坡的穩定性對工程建設影響極大。

由于礫巖性質特殊，其失穩經常不是由單一因素導致的，一般是在多種條件共同發生作用而致其滑動失穩[2]，如地形臨空陡峭、巖體破碎、降雨、人類工程活動等作用對滑坡產生形成了有利條件[3-5]。本文以現場地質勘察取得的資料為基礎，結合滑坡區所處的地質環境條件，查明滑坡的邊界條件、范圍、分區及破壞特征等基本特征，分析礫巖滑坡形成的影響因素和成因機制，為其穩定性評價及工程處理提供支撐。

1 滑坡基本特征

1.1 滑坡概況及邊界條件

本文研究的礫巖滑坡位于青海省黃南州浪加河左岸，岸坡總體順直，總體走向為NW300°，上游為原3號邊坡，下游為原2號邊坡?；聟^屬典型的侵蝕丹霞地貌，岸坡基巖總體裸露，巖性主要為白堊系河口組礫巖夾泥質夾層、薄層泥巖。礫巖以泥質膠結為主，具鐵錳質膠結特性，為一套內陸湖相沉積地層。巖體節理不發育，巖體完整，但易風化，遇水易軟化崩解，微風化礫巖飽和抗壓強度低，屬較軟巖，軟化系數低。

該礫巖滑坡于2019年5月12日發生大規模整體滑動，滑坡平面形態呈“長條形”總體上窄、下寬，最大寬度220 m，最小寬度155 m，平均寬度187 m?；驴v長最大長度415 m，平均縱長365 m。滑坡形態平面如圖1所示。

圖1 礫巖滑坡平面

滑坡堆積體厚度的空間變化較大，總體呈中間厚、前后緣薄，上游薄、下游厚的特征，鉆孔揭示的滑體厚度最大達79.4 m，原河床基坑部位滑坡體堆積厚度20余米，后緣邊界部位滑體厚度約10～20 m，滑坡平均厚約38 m。

滑體平均坡度35°～40°，呈前緣陡-后部緩的坡面形態，前緣2號邊坡部位滑坡發生后前緣坡度較陡，整體約45°，局部最大坡度近60°～70°，滑坡全貌見圖2。利用三維地質模型統計滑坡方量(見圖3)，估算的滑坡體積約320萬m3，滑坡屬大型巖質滑坡，滑動后巖體破碎，孤石林立，對周邊地區安全構成了較大的威脅。

圖2 礫巖滑坡全貌及分區

圖3 滑坡三維地質模型(正視)

該滑坡滑動破壞現象與邊界特征非常明顯，上游邊界下部沿上游沖溝溝道、向上斜穿3號邊坡，延伸至后緣高程2 800.00 m山脊附近；下游邊界中下部以沖溝為界，上部以后緣平直、光滑的滑坡壁為界；滑坡前緣剪出口位于現代浪加河床基坑以下2～3 m、高程約2 600.00 m，前緣隆起最大高度達38 m；后緣滑坡破裂壁至山脊分水嶺，最高高程2 800.00 m，后緣錯坎高約20 m，滑坡前后緣高差約200 m。

1.2 滑坡分區特征

結合滑坡區的地形、滑坡邊界、滑動過程中的解體、變形拉裂縫分布等特征，滑坡可分為主滑區(Ⅰ區)與牽引區(Ⅱ)，各區根據變形差異進一步進行亞區劃分，滑坡分區見圖1、2。

主滑區(Ⅰ區)整體位于滑坡中下部，主滑方向45°。根據主滑區變形特征、破壞解體程度及裂縫分布的特點等，主滑區進一步分為：原2號邊坡部位的Ⅰ1、3號邊坡的Ⅰ2亞區。

(1)Ⅰ1區位于主滑區下游側2號邊坡部位，整體為一山脊地貌，地形上緩下陡，前緣坡度可達60°～70°，坡體拉裂、陷落特征十分明顯，Ⅰ1區后緣呈明顯的拉陷槽(見圖4)，與滑坡主滑方向近垂直。Ⅰ1區中前部坡體發育了大量裂縫、錯臺，坡體似層狀結構明顯，解體程度不高。發育裂縫類型有張拉裂縫、鼓脹裂縫以及剪切裂縫。區內部分拉裂縫延伸長，長的可達50 m，拉裂寬度大的可達0.5～1 m，可見深度大于15 m。

圖4 Ⅰ區后緣拉陷變形(拉陷槽)

(2)Ⅰ區位于主滑區上側3號邊坡區域，滑坡體地形上緩下陡，整體坡度約30°，縱向長度210 m，上寬下窄，平均橫向寬度80 m，滑體整體解體嚴重，地表破碎。

牽引區(Ⅱ區)位于滑坡后緣、主滑體Ⅰ區之上(見圖5)，高程在2 730.00～2 800.00 m，平面上呈“月牙”形。主滑體后緣形成的拉陷區產生了良好的臨空面，原2號邊坡與3號邊坡頂部之間的“鞍部”地形受前緣滑動牽引、以及兩個山脊臨空地形的控制，使后緣上下山脊之間的“鞍部”兩側坡體發生滑動。根據滑動方向的不同又可劃分為Ⅱ1、Ⅱ2區。

圖5 牽引變形區(Ⅱ區)形貌特征

Ⅱ1區位于2號邊坡后緣山脊上游側，滑坡后堆積物順滑坡壁直接堆積于坡腳，后期在堆積物與滑坡壁接觸面部位仍有拉裂變形現象。Ⅱ2區位于3號邊坡后緣山脊下游側，后緣滑坡壁下錯高度0.5～2 m不等，并呈密集圈椅狀多級臺階錯動，后緣多處可見滑動擦痕。

為確定滑坡主滑面(帶)的深度及特征，布置2條縱向及3條橫向物探剖面及勘探剖面，布置了6個勘探鉆孔，孔內進行了物探波速測試，綜合確定滑坡的主滑面剖面特征見圖6。

圖6 主滑面地質縱剖面

2 形成影響因素分析

2.1 區域構造應力場

滑坡區地處我國西部，區內地應力和現代構造活動主要是由印度和歐亞兩大陸板塊相互碰撞、近SN向的擠壓所決定的，構造應力總體上近S～N向。青藏高原主體部分的構造應力場最大主應力方向為NNE向[6]。結合區域及鄰近區地震的震源機制解獲得的工程區與鄰近區域構造應力場最大主應力的方位分布如圖7。

圖7 工程區及鄰近區域現今地應力狀態

滑坡區域構造應力場最大主應力方向總體在NE30°～60°，方向與河谷呈大角度相交或近垂直，河流與最大主應力近于正交時，河床部位有利于應力的集中，對平緩層狀巖體組成的寬谷區，側向地應力較高，造成谷底剪切破裂、層間蠕滑，并在岸坡順坡發育卸荷拉張帶。

2.2 有利的地形臨空條件

滑坡區為典型的寬闊河谷地貌，滑坡發生前，滑坡所處邊坡的前緣為河谷，兩側為深切的沖溝，岸坡高差約200 m，天然岸坡上緩、下陡，前緣坡度約50°～70°，局部近直立，臨空條件較好，為滑坡的發展提供了有利的地形條件(見圖8)。

圖8 滑坡區原始地形地貌

滑坡區早期形成典型的寬闊河谷地貌特征，這種地貌在形成過程中河谷的侵蝕、剝蝕造成的垂向及水平方向的卸荷，有利于河床以及岸坡巖體的變形。

2.3 礫巖巖性條件

滑坡區基巖主要為白堊系河口組礫巖夾泥質夾層。在地表及鉆孔巖芯中均有發現薄層泥質夾層，為滑坡的形成奠定了內在的物質基礎，是滑坡上游邊界中上部的控制邊界，巖體基本沿礫巖與薄層泥巖的界面或泥質夾層發生滑動。

2.4 地質構造條件

滑坡區礫巖巖體中裂隙不甚發育，有不同延伸長度的隨機結構面發育(見圖9)，這些結構面不僅為斜坡的卸荷拉裂提供了潛在的地質缺陷，而且一定延伸長度的長大結構面，也構成滑坡的失穩邊界?；孪掠蝹缺诨臼芸赜贜E10°～20°SE∠60°～70°這組結構面，這組結構面延伸性好，構成了滑坡下游側邊界。上游側邊界總體追蹤巖體中礫巖與泥巖接觸面或泥質夾層、層面，產狀NE50°～80°NW∠20°～40°，其總體傾向下游偏岸外，構成滑坡的失穩的上游側邊界。礫巖中還發育有NE23°～60°NW∠9°～25°組緩傾裂隙，這組結構面在左岸總體傾向坡外，尤其在低高程部位較發育，其與緩傾坡外的層面共同構成滑坡底部控制面。

圖9 礫巖中發育的長大結構面

2.5 斜坡巖體卸荷拉裂

原斜坡的邊坡巖體卸荷強烈，主要發育以下3組卸荷裂隙：

(1) NW354°SW∠85°，面平直稍粗糙，大部分閉合，局部張開1～3 mm，延伸長度大于10 m，沿該裂隙發育多條風化凹槽；

(2) NE20°NE∠9°，面平直粗糙，張開1～5 cm，延伸長度大于10 m；

(3) NW335°SW∠80°，面起伏粗糙，基本平行于岸坡，表部張開無填充，一般張開寬度為0.15 m，延伸長度大于20 m，最大可達現代河床高程，延伸長度可達40～50 m。

卸荷拉裂縫破壞了巖體的完整性，為大氣降水直接進入坡體提供了良好的通道，圖10為順河向發育的卸荷拉裂縫情況。

圖10 順河向卸荷拉裂縫情況

滑坡所在邊坡密集發育的陡傾卸荷拉裂、勘探揭示的河床高程及較深部位巖體破碎、泥質夾層較發育等現象，應與河谷演化過程中巖體卸荷變形有關，這些潛在的地質缺陷為斜坡的變形提供了基礎。

2.6 超常降雨

滑坡發生前降水量分布如圖11所示。 2018年7—9月這3個月的降雨分別為：135.7、220.7、103.1 mm，累積降雨量達459.5 mm，遠高于該區歷年的年平均降雨量416 mm；自2019年4月以來降雨也有所增加，其中4月份降雨量達20.5 mm，5月份上旬降雨量達30.7 mm，相比同期顯著增大。

圖11 滑坡發生前降雨分布

由于礫巖以泥質膠結為主，透水性較差，以弱透水為主，坡體下部發育泥質夾層為相對隔水層。滲入坡體內的水體不易于向河谷排泄，長期作用下，因礫巖與泥質夾層滲透性的差異，在緩慢滲流過程中不斷軟化礫巖與泥巖接觸面或順層的泥質夾層、致使抗剪強度逐漸降低；同時，封閉在裂隙中的水體形成的水壓力對坡體變形也有加速作用；同時，在冬季水體結冰引起凍脹力，春夏季冰的融化，均對斜坡變形有促進作用。

2.7 人類工程活動

滑坡發生前，滑坡前緣坡體施工道路開挖改變了坡體形態，導致斜坡穩定性發生變化，改變坡體的平衡狀態，一定程度影響整體穩定性[7]。

3 成因機制分析

滑坡巖性為厚層礫巖夾泥質夾層，上游側邊界追蹤巖層面，下游側受傾上游長大裂隙控制，并發育緩傾岸外的結構面，圖12為由高向低的滑坡形成結構面條件空間立體圖。滑坡的形成是特定的地形、巖性、構造條件下，坡體遭受長期降水作用，沿傾坡外的層面并追蹤緩傾角結構面發生滑移、后緣坡體逐漸拉裂，滑面最終貫通形成滑移-拉裂型滑坡。其形成過程大致可以分為以下階段：

(1) 初始變形階段

斜坡形成初期，伴隨著河流下蝕、大面積的卸荷，斜坡巖體發生淺表生改造，不僅形成與岸坡近平行的陡傾卸荷裂隙，而且礫巖與泥巖巖性差異導致的差異卸荷作用，使巖體沿層間弱面、夾層向臨空方向發生滑移變形，且河床部位因垂直卸荷也形成一些緩傾結構面或沿層間發生松弛、拉裂等。斜坡后緣、前緣礫巖與泥巖接觸面發生的松弛、張開，以及與岸坡近平行的陡傾卸荷裂隙有利于斜坡的變形，典型的滑移-拉裂變形破裂體如圖13所示。

圖12 滑坡形成結構面條件

圖13 滑移-拉裂變形破裂體

(2) 斜坡沿潛在弱面滑移、坡體拉裂階段

河谷斜坡形成后，滑坡所在邊坡前緣斜坡較陡、臨空條件好；滑坡區巖層總體傾向下游偏岸外、有利于沿巖層面發生順層滑動。原始斜坡地形為中后部平緩、前緣陡，有利于地表水匯集、并沿陡傾角裂隙滲入坡體內。滲入坡體的地下水匯集于礫巖與泥巖接觸面附近，軟化泥巖或泥質夾層，在重力及水等作用下，坡體沿被軟化層面、泥質夾層或追蹤緩傾角結構面向前緣河谷臨空方向發生滑移變形、坡體拉裂?；赂浇吰虏课坏慕Y構面組合特征如圖14所示。

圖14 滑坡周邊拉裂-滑移型坡體

(3) 滑面貫通、滑坡形成階段

斜坡在多年降水、裂隙充水形成的水壓力、凍脹等作用，施工振動尤其前緣道路的開挖、清坡等的擾動，斜坡的穩定性總體較差。2018年8月以來的超常規暴雨致大量地表水匯集于斜坡內，經凍融作用，未完全排泄到坡體外溝谷中，與早期坡體的水體聯合作用，在卸荷裂隙中形成高的水頭，在高水壓力作用下，陡傾的裂面剪應力集中，變形進入累進性破壞階段，坡體中后部突然啟動、推擠前緣斜坡發生推移式破壞，最終陡傾裂面與平緩滑移面構成貫通性滑移面[8]、坡體整體破壞形成滑坡。斜坡前緣滑動后，后緣坡體臨空變好，滑坡后緣Ⅱ區兩側山脊部位因前緣失去支撐相繼發生滑動，滑坡的形成機制為滑移-拉裂型，滑動形式屬于推移式滑坡[9]。

4 結 論

本文在查明礫巖滑坡基本特征的基礎上，對其形成影響因素與成因機制進行分析研究，形成結論如下：

(1) 滑坡區地層主要為白堊系河口組厚層狀礫巖夾泥質夾層，呈單斜構造，坡體總體為傾向下游的斜向坡?；虏课粠r體風化、卸荷較強烈，礫巖中潛在的地質缺陷為斜坡的變形提供了基礎。

(2) 礫巖中發育3組優勢結構面對滑坡邊界起控制作用，滑坡體上游側邊界總體追蹤層面，下游側受傾上游長大裂隙控制，深部底滑面追蹤隨機發育的泥質夾層及緩傾結構面。

(3) 滑坡的形成是特定的地形、巖性、構造條件下，坡體遭受超常降水作用，沿傾坡外的層面并追蹤緩傾角結構面發生滑移、后緣坡體逐漸拉裂，滑面最終貫通形成滑移-拉裂型滑坡，其滑動形式屬于推移式。