二密滑坡形成机制

徐黎明，王 清，陈剑平，栾 海，周福军

1.吉林大学建设工程学院，长春 130026 2.吉林省公路勘测设计院，长春 130021

二密滑坡形成机制

徐黎明1，王 清1，陈剑平1，栾 海2，周福军1

1.吉林大学建设工程学院，长春 130026 2.吉林省公路勘测设计院，长春 130021

二密滑坡原是稳定的古滑坡体。由于不合理的人为开挖路基、降雨和地下水等因素，诱使古滑坡体重新滑动，影响高速公路的正常施工和人们的安全。通过现场调查、钻探、物探等勘察手段，查明了滑坡区的地形地貌、地层岩性和物质结构；根据所得地质资料确定了滑动面所在位置，计算其稳定性，重点分析该滑坡的形成机制。经过数值分析得出，在古滑坡体下部开挖路基是此滑坡形成的主要原因。目前此滑坡处于挤压—初滑阶段，需及时采取有效的综合措施进行治理。

滑坡；古滑坡；形成机制；数值分析

0 引言

我国是亚洲乃至世界上滑坡灾害最为严重的地区之一，特别是20世纪80年代以来，随着经济建设的恢复与高速发展及自然因素的影响，滑坡灾害呈逐年加重趋势［1］。滑坡已成为发生频率最高、损失最大的地质灾害类型［2］，严重地威协国家财产和人民的生命安全。滑坡的形成、变形机制及稳定性研究一直是滑坡灾害研究的核心和热点问题。

滑坡处在特定的地质环境中，影响滑坡稳定性的因素多种多样，滑坡的变形失稳是内外因素共同作用的结果。有利的地形地貌条件、岩土体的性质和结构构造是滑坡发育的最根本原因，水的作用、地震和人类工程活动是诱导和加速滑坡产生的外部因素［3］。20世纪80年代以来，随着社会经济的发展，人类工程活动越来越频繁，尤其是大规模的人类工程活动导致地球环境日益恶化，人类活动已成为诱导滑坡频繁发生的主要因素。滑坡的形成不是单因素影响的结果，而是多种因素共同作用下的综合效应［4］，各种因素的动态变化，决定了滑坡形成机制十分复杂。

众多学者对滑坡的形成机理进行了研究，提出了各种不同的研究方法，归纳起来，分为地质分析、物理模拟和数值模拟3种［5］。地质分析属于反分析方法，根据滑坡的当前状态、所处环境以及当前的一些变形破坏迹象来研究滑坡的形成机理；物理模拟采用相似的材料，模拟滑坡演变过程中有关因素的改变来再现滑坡的形成破坏过程，进而分析其力学机制；数值模拟则是依靠现代计算机技术，建立地质体模型，通过数值计算来解决地质问题。

二密滑坡位于鹤大高速公路通化路段二密镇一带。2010年5月中旬在路段施工开挖过程中部分路段边坡发生滑动破坏，并在山体上部发现较多的张开裂隙，并有继续发展的趋势，严重影响高速公路的正常施工和人们的安全。通过现场调查和工程地质勘察，查明了二密滑坡的地形地貌、地质结构及滑动面所在位置，通过现场的位移监测研究其变形特征，根据其地形地貌、岩土体的工程地质性质分析此滑坡的形成机制，运用GeoStudio的SIGMA模块对此滑坡进行有限元模拟，通过分析分步开挖过程中滑坡体内应力及位移的变化规律来验证对此滑坡的成因分析。

1 滑坡地质环境概况

二密滑坡位于吉林省东南部、通化县二密镇的东南侧，该区属中温带大陆性季风气候区，四季变化明显，春季干燥多风，夏季炎热多雨，秋季凉爽，昼夜温差大，冬季漫长而寒冷，年平均降雨量798.1 mm，多集中在每年的7、8月份。

滑坡区处于天山—阴山东西向复杂构造带，为典型的切割剥蚀低山地形，山地下部为河谷地貌。滑坡发育在二密河右岸，河流一级阶地宽180～240 m，后缘高程420m左右。山体的西侧发育猪圈沟，山体下部走向由东北转向南东，与河流流向基本一致，山体总体呈北北东向展布，滑坡所在的斜坡倾向北西。山顶最高高程为697m，515m高程以上坡度19°左右，475～515m高程地形较平缓，坡度10°～12°，510～515m高程出现南北向长190m、东西宽100m平台，坡度为3°，425～475m高程坡度为14°～18°，总体呈现上陡、中缓、下陡的地形（图1）。在滑坡区3－3剖面南侧内发育一条宽度约10m的断层（图1），走向N50°W，倾向SW，倾角80°。

图1 二密滑坡平面图Fig.1 Plan view of Ermi landslide

滑坡区第四系松散堆积物为坡积物和滑坡堆积物，岩性为碎石混合土，厚度1.00～8.18m。滑坡区基岩为上白垩系三棵榆组（K2sh）一套火山沉积岩系，由于火山喷发和沉积环境不同，岩相变化复杂，岩性主要为凝灰质砂岩和角砾凝灰岩。滑体内发育较多软弱夹层（图2），成分主要为粉泥质物质。

滑坡区地下水主要为孔隙潜水和基岩裂隙水，由大气降水补给，向沟谷或河流排泄。

2 滑坡变形特征

图2 滑坡4－4剖面图Fig.2 4－4section drawing of the landslide

表1 F1断层两侧地表裂隙发育情况统计表Table 1 Statistical table of cracks in two sides of fault F1

鹤大高速公路通化路段路基开挖至463m左右时，岩土体产生滑动破坏，随着时间的推移，裂缝逐渐增多、拉长，并且有继续发展的趋势。在整个滑坡区内以F1断层为界，断层两侧滑坡体表现出明显不同的变形特征：断层北侧地表裂缝比较发育，长度达40～50m，张开宽度可达20～30cm（图3a）；断层南侧地表裂缝发育较少，裂缝长度短，张开度窄（图3b），断层南侧的地表裂缝中最大张开宽度仅15 cm。断层两侧地表裂隙发育统计见表1。在滑坡区内共设置20个位移监测点（分布情况见图1）监测地表位移情况。断层北侧的监测点累计水平位移均很大，为14cm以上，最大累计水平位移点位于4－4剖面附近的11号点，达29.8cm。断层南侧的地表位移要比断层北侧的小很多，其中累计水平位移最大的18号点，位移仅4.4cm，并且未出现深层滑动现象，仅是浅表层的微小变形。由于断层两侧表现出这样不同的变形特征，可以将此滑坡分为2个区：滑坡Ⅰ区和滑坡Ⅱ区，断层北侧为Ⅰ区，断层南侧为Ⅱ区。图4为滑坡Ⅰ区和滑坡Ⅱ区内具有代表性的位移监测点11号和18号点的累计水平位移监测曲线。从位移监测曲线中可以看出：滑坡Ⅰ区地表位移量大，并且位移量持续增大，有进一步破坏的

图3 滑坡区内地表裂隙照片Fig.3 Photographs of cracks

可能；滑坡Ⅱ区地表位移量很小，只在路基开挖初期发生微小变形，随时间的推移，位移量不再增大，已逐渐稳定。根据以上滑坡变形特征可知，滑坡Ⅰ区是此滑坡区的主体，为此滑坡体的主要活动区域，所以滑坡Ⅰ区应是此滑坡评价分析的重点区域。

3 滑坡区岩体结构特征

滑坡的地表多处出现渗水现象，这表明滑坡体的岩体结构较为破碎。滑坡区内地形呈现中部平缓，上、下部相对较陡的地貌，为古滑坡的不协调地貌形态。

图4 累计水平位移监测曲线Fig.4 Curves of accumulated horizontal displacement

滑坡区内岩体可以明显地分为两层：大约22m深度以上岩体结构破碎松散，岩体明显破碎，岩心长度多小于10cm，RQD值多为10%以下，属于裂隙发育、质量极差的强风化岩体，其中还发育连续性较好的粉泥质软层；大约22m深度以下的岩体成层性好，岩心长度多为20～30cm，甚至更长，岩体RQD值一般为70%以上，岩体结构完整密实。这种情况可以从钻孔的岩心照片（图5）上得到直观的认识。根据岩心分析，钻孔ZK08破碎岩体与完整岩体的分界处即为滑动面，深度约为22～23m。根据多个钻孔的资料也表明：滑坡体范围内岩层具有一定的层面特征，但浅表部岩层已经受到应力松驰的变动，成层性不好，20m左右深度以下的岩层，单层厚度大，钻探表明该层厚度大于30m。电法勘探结果（图6）亦表明，在地表以下20m左右岩体为低密度的物质（图6中450～460m深处颜色较浅部分），并且物探结果还显示了在第2剖面与第3剖面之间发育一断层，即图1中的断层F1。

图5 ZK08 22m深度岩心照片Fig.5 Core photographs of ZK08at depth of 22m

滑坡区呈现的中部平缓，上、下部相对较陡的地貌为古滑坡地貌，滑坡区内的第四纪松散堆积物绝大部分为滑坡堆积物。钻孔资料和物探结果均表明，在20m左右深度处岩体结构发生突变，上部岩体极其松散，下部岩体结构完整。所以根据地形地貌、堆积物特性及地质结构特征判定滑坡区范围内20m左右深度内的破碎岩体属于古滑坡体。20m左右深度的破碎岩体和完整岩体的分界面就是古滑坡体的底界。该界面大约以8°的倾角倾向坡外。

4 滑坡稳定性分析

图6 物探结果图Fig.6 Resault of geophysical exploration

目前用于滑坡稳定性分析的方法大体上可分为非确定性方法和确定性方法两大类。非确定性方法主要有模糊数学分析法、灰色理论分析法、灰色模糊综合法及概率分析法等；确定性分析方法包括极限分析法和极限平衡法。极限平衡法是滑坡稳定性分析计算的主要方法，也是工程实践中应用最多的一种方法［5］。极限平衡法包括瑞典圆弧法、毕肖普法、简布法和萨尔玛法等，每种方法均有其特定的适用条件。经过详细勘察，此滑坡的滑动面位置已基本调查清楚（图2），是非圆弧形滑坡，简布法适用于非圆弧形滑动，故采用简布法进行极限平衡稳定性计算。滑体中含有多个软弱夹层，且软弱夹层连续性较好，滑坡沿着软弱夹层滑动，所以滑动面的抗剪强度参数采用软弱夹层的抗剪强度参数。通过室内实验确定软弱夹层的抗剪强度参数内聚力c为8kPa，内摩擦角φ为11°。滑体内各种材料的重度值见表2。通过Geoslope软件的Slope模块指定的滑动面位置采用简布法计算的滑坡安全系数，滑动面、第一潜在滑动面和第二潜在滑动面的安全系数分别为0.981、1.119和1.116。根据计算结果分析可知：潜在第一、第二滑动面的安全系数均大于1.1，尚比较稳定；深层软弱夹层的安全系数最小，且小于1，为最危险滑动面。

表2 模型各材料物理力学参数取值Table 2 Physical and mechanical parameters of every materials in model

5 滑坡成因分析

此滑坡原是一个处于稳定状态的古滑坡，但是滑坡体内岩体结构破碎，岩层走向基本平行山坡，缓倾坡外，并且岩层内含有较多的软弱夹层，抗剪强度较低，基本顺层分布，所以此古滑坡很容易在地震、强降雨和人类活动等因素的影响下复活，开始重新滑动。

由图1可以看出，高速公路路线正好通过原古滑体的下部，在此部位进行公路路基开挖起到了开挖坡角的作用。该古滑体的岩体结构破碎，并且古滑面缓倾坡外，路基开挖后，靠近路基的破碎岩体失去支撑，开始滑动，导致滑坡后缘出现拉应力，产生拉裂缝。古滑坡体大部分在滑坡Ⅰ区，由于路基开挖使滑坡体下部失去支撑，滑坡体内进行应力调整，导致山体上部出现裂缝。此时正值雨季，滑坡体岩石结构破碎，渗透性好，山体出现拉裂缝更有利于雨水的入渗，使滑体内大部分的岩体处于饱和状态。滑面以下的岩体完整性好，透水性相对较弱，入渗的地下水会在滑面附近集中，产生渗流，由于软化作用和润滑作用，使得滑动面抗剪强度降低［6－7］，加速滑坡的变形破坏。滑坡Ⅱ区位于古滑坡体的边界，滑面位置较浅，古滑坡体体积小，从图1中可以看出路基开挖已经挖掉大部分古滑坡体，所以滑坡Ⅱ区仅发生浅表层的变形破坏。断层F1隔开了滑坡Ⅰ区和滑坡Ⅱ区，断层宽度内岩体结构破碎，所以当滑坡Ⅰ区内的蠕滑体下滑时受到破碎带的影响不会牵引滑坡Ⅱ区内的岩体产生滑动，滑坡Ⅱ区已处于基本稳定状态。

综上所述，原古滑坡体的存在，上部松散、下部完整的岩体结构是此滑坡产生的内在因素；而在古滑坡体下部人为的开挖路基是造成古滑坡复活的直接外因，导致此滑坡的滑动。夏季集中降雨、地表水入渗使得滑动带岩体结构松散、软化、抗剪强度降低，加速了此滑坡的滑动破坏。目前此滑坡处于挤压－初滑阶段，如不及时采取支护治理措施，滑动面将会贯通，产生进一步的快速滑动破坏。

6 滑坡成因数值模拟

根据前文分析，高速公路路基开挖是造成此滑坡开始滑动的直接原因。此路基分3步进行开挖，4－4剖面为此滑坡主滑线所在位置，所以选取4－4剖面。根据勘察获得的地质资料，通过GeoStudio的SIGMA模块模拟路基的开挖过程，考虑只在重力作用下，研究高速公路路基开挖过程中斜坡体内岩体结构的变形和应力的变化规律，为此滑坡的成因分析提供可靠的参考依据。

6.1 计算模型与参数选取

为了减小模型边界效应的影响，所建模型边界大于滑坡边界［8］：X轴方向长度为235m，Y轴方向长度为68m。

整个模型分为4种材料，分别为碎石混合土、凝灰质砂岩、角砾凝灰岩和软弱夹层。各材料的力学参数取值见表2。计算模型中各材料均按弹塑性材料考虑［9－10］。

模型以地表为自由边界。根据滑坡实际情况，对模型的左右两边施加水平约束；对模型的底边施加水平约束和竖直约束，即双向约束（图7）。采用三角形单元对模型进行离散，离散后的滑坡有限元网格模型见图7。其中：第一层为碎石混合土，第二层为凝灰质砂岩，第三层为角砾凝灰岩，弯曲条带为软弱夹层。

图7 4－4剖面有限元计算模型（开挖前）Fig.7 4－4profile calculation model of three－dimensional finite element（before excavating）

图8 4－4剖面剪应力等值线图（单位：kPa）Fig.8 Shear stress diagram of 4－4contour map

6.2 计算结果分析

应力分析 图8为4－4剖面开挖前以及三步开挖之后的剪应力等值线图。第一步开挖是挖除地表的碎石混合土，由于碎石混合土的厚度并不大，所以第一步开挖对于斜坡体内的应力分布影响并不大，主要的变化是剪应力方向在滑坡后缘的局部小范围内产生偏转，出现负值。第二步开挖之后，剪应力在开挖坡角处产生明显的应力集中，最大剪应力值从开挖前的50kPa增长为65kPa，在滑坡后缘，剪应力方向发生偏转的范围与第一步开挖相比没有继续扩大。第三步开挖之后，在开挖坡角处剪应力集中现象更加显著，最大剪应力值达80kPa。在滑坡后缘剪应力方向发生偏转的范围明显扩大，剪应力值也有所增加，增加到－10kPa，开挖深度处恰是软弱夹层所在位置。剪应力在开挖坡角处产生应力集中，而软弱夹层抗剪强度较低，当剪应力值增大之后软弱夹层很容易产生剪切破坏。经以上分析可知：随路基的逐步开挖，开挖路基边坡的坡角处逐渐产生应力集中，剪应力值越来越大，路基开挖对此斜坡的稳定性影响显著。

变形分析 图9为4－4剖面路基开挖之前及三步开挖之后X轴方向的位移等值线图。第一步开挖之后，由于挖除的碎石混合土厚度不大，开挖对于斜坡体的水平位移影响很小，仅最大位移量增加了0.5cm；第二步开挖之后，滑坡体的水平位移量明显增加；第三步开挖之后，滑坡体的水平位移更加显著，最大位移产生在开挖路基边坡的中部，位移量达14cm，此结果与实际观测值基本一致，从而可知数值模拟的准确性。

滑动面分析 此滑坡内存在3个软弱夹层，均可能是滑动面。根据极限平衡法的稳定性计算结果可知，深层软弱滑动面为最危险的滑动面。通过数值模拟验证计算结果，图10为全部开挖之后的最大剪应变速率等值线图。剪应变速率较大值明显位于3个软弱夹层所在位置，可见软弱夹层均为潜在滑动面。最深的软弱夹层所在位置的剪应变速率大于其上2层的软弱夹层，为最先产生滑动的滑动面，这与稳定性计算结果一致。剪应变速率的最大值出现在深层滑动面的后缘处，即滑坡后缘，这即为滑坡后缘产生裂缝的原因。可以看出，滑坡后缘剪应变速率较大，但滑动面尚未贯穿，此滑坡处于挤压－初滑阶段。

图9 4－4剖面X方向位移等值线图（单位：cm）Fig.9 Xdisplacement diagram of 4－4contour map

图10 4－4剖面最大剪应变率等值线图Fig.10 Maximum shear strain increment diagram of 4－4contour map

根据以上分析可知：高速公路路基开挖引起滑坡体内应力重分布。随路基开挖的进展，在路基边坡坡角处剪应力产生应力集中，导致滑动面附近剪应变增大，从而滑坡体的水平位移随路基的逐步开挖不断增大，产生滑动，所以路基开挖是此滑坡产生滑动的直接原因。最深处的软弱夹层为滑动面，滑动面尚未贯穿，此滑坡处于挤压－初滑阶段。

7 结语

鹤大高速公路通化路段二密滑坡原是稳定的古滑坡。根据数值模拟结果分析，路基开挖以后，路基边坡坡角处产生应力集中，滑动面附近应变及位移明显增大；由此可知，修建高速公路开挖路基诱使古滑坡复活，继续产生滑动。上部松散、下部完整的岩体结构是此滑坡产生的内在因素；人为的开挖路基是造成古滑坡复活的直接外因；集中降雨、地表水入渗加速了滑坡的滑动破坏。目前此滑坡处于挤压—初滑阶段，必须及时采取支挡、排水等综合措施进行治理。

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Formation Mechanism of Ermi Landslide

Xu Li－ming1，Wang Qing1，Chen Jian－ping1，Luan Hai2，Zhou Fu－jun1
1.College of Construction Engineering，Jilin University，Changchun 130026，China 2.Jilin Highway Survey and Design Institute，Changchun 130021，China

Ermi landslide was a stable ancient slide.The ancient slide start to slide because of the effect of artificial road excavation，precipitation and ground water，which influence regular constructing of the expressway and safety of human life seriously.The topography and rock mass in the area of the landslide are ascertained by the means of field investigation，drilling，geophysical exploration and so on.The location of the slide plane is determined，and the stability of the landslide is calculated.Moreover，the formation mechanism of the landslide is studied.By numerical analysis，It is found that road excavation in the tail of the ancient landslide is main cause of the landslide.It is in the extrusion－primary creep stage.It must be treated by the means of supporting，draining and so on.

landslides；ancient landslide；formation mechanism；numerical analysis

book=2012,ebook=586

P642.22

A

1671－5888（2012） 04－1104－08

2011－09－09

国家自然科学基金项目（40872170，40472136）；高等学校博士学科点专项科研基金项目（20090061110054）

徐黎明（1985－），男，博士研究生，主要从事工程地质方面的研究，E－mail：421103138＠qq.com

王清（1959－），女，教授，博士生导师，主要从事工程地质方面的研究，E－mail：wangqing＠jlu.edu.cn。