白龙江干流典型滑移－倾倒型滑坡的特征及形成机制

任光明，夏 敏，曾 强，贾 逸，吕生弟，陆栋梁，刘荣清，赵海营，苟富民

（1.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室（成都理工大学），成都610059；2.中国水电顾问集团 西北勘测设计研究院，西安710065）

层状岩质斜坡是常见的斜坡结构类型，其变形破坏模式与斜坡的岩性、坡体结构以及与开挖（或临空）面的组合关系等密切相关[1]。从岩体工程特性及岩体力学环境而言，顺层岩质边坡中因层面、顺层夹层或挤压带等层状结构面发育，稳定性较差，已成为水电、交通、矿山、山区建设中各类岩质斜坡灾害最发育、且较严重的一类边坡，如意大利瓦伊昂滑坡[2]、中国的雅砻江霸王山滑坡[3]、黄河李家峡电站库区Ⅱ＃及坝后滑坡[4]、金沙江白鹤滩电站金江滑坡[5]、四川天台乡滑坡[6]等均为顺层岩质斜坡中发育的大型滑坡。目前一般认为是该类斜坡的变形破坏受控于坡体内层间软弱夹层的“滑移（弯曲）－剪断”模式或“滑移－剪断”模式[7]，并使用板梁弯曲理论、压杆稳定理论、尖点突变理论等建立了相关的失稳破坏的力学判据[8－14]，为该类斜坡的稳定性评价与失稳预测提供了依据。

白龙江流域干流两岸志留系、泥盆系中的砂质板岩、千枚岩、灰岩等岩性较发育，尤其是甘肃省舟曲、武都一带以软质、薄层状的绢英、碳质千枚岩为主，受区域环境条件的影响，区内滑坡、泥石流等地质灾害发育，也是中国地质灾害最发育的地区之一。现场调查表明，在白龙江中下游干流两岸河谷岸坡大面积分布软质的板岩、千枚岩，沿岸大型滑坡密集分布，尤其集中分布在纵向河谷的顺层岸坡段，如苗家坝水电站的何家滑坡、碧口水电站的青崖岭滑坡及孟家干沟滑坡、汉坪咀水电站的汉坪坝滑坡、水泊峡电站的Ⅶ＃滑坡等。其中何家滑坡、汉坪坝滑坡为顺层斜坡形成的滑移－弯曲型滑坡；而水泊峡Ⅶ＃滑坡、青崖岭滑坡、孟家干沟滑坡则是陡顺倾层状岩质斜坡中因倾倒变形而发育的特殊类型滑坡。一般岩体的倾倒变形发育于反倾层状结构岩体中[15－19]，对于中陡顺倾岩质斜坡发育的倾倒变形特征，目前国内外研究相对较少[20－26]，对其形成与演化还没有明确的模式，本文以水泊峡Ⅶ＃滑坡、碧口水电站库区的青崖岭滑坡、孟家干沟滑坡为例来说明这类顺层斜坡发生倾倒变形破坏的基本特征及形成机制，其成果对丰富和完善顺层岩质斜坡的变形破坏特征以及成因机制具有重要的理论及工程意义。

1 滑移－倾倒型滑坡典型实例

1.1 水泊峡Ⅶ＃滑坡

水泊峡Ⅶ＃滑坡位于甘肃省迭部县水泊峡电站大坝上游约260m的白龙江左岸，所处地段属西秦岭中高山深切割地貌，白龙江切割深度达0.7～1.2km，地形坡度为40°～60°。区内呈峡谷河槽地貌，两岸阶地较发育，尤以Ⅲ级阶地最为发育。滑坡地段基岩为中上志留统（S2－3）极薄层或薄板状绢英千枚岩夹板岩，产状为NW290°～320°／SW∠70°～85°，板理较发育。

图1 水泊峡Ⅶ＃滑坡平面图Fig.1 The plan ofⅦ＃landslide of the Shuipoxia hydropower station

调查表明，该滑坡边界特征明显（图1），后缘具有明显的圏椅状地形，海拔高度为2 395～2 405m；上、下游均以冲沟为界；前缘剪出口位于河流Ⅲ级阶地的砂卵砾层上，海拔高度为1 777～1 781m。滑坡体总体地形较缓，平均坡度为30°，表面发育有3级缓坡平台，顺河宽约530m，高差约620m，体积约为19.7×106m3，属特大型顺层岩质滑坡。

现场地表、平洞调查同时结合物探、钻探成果综合分析表明，组成滑坡体物质为块碎石土；但滑坡体结构具有明显的分层特征，表部为松散的碎块石土，下部为具有一定似层状结构“岩块”的块碎石，且“岩层”呈平缓或缓倾坡内，前缘滑坡体直接覆盖在Ⅲ级阶地的砂卵砾层上。勘探揭示的滑坡体剖面特征表现为中后部陡、前缘较缓，滑动面呈弧形的特征（图2）。分析表明，该滑坡是陡顺倾层状岩体倾倒变形演化的结果（图3）。

1.2 青崖岭滑坡

青崖岭滑坡位于距碧口水电站大坝上游约5 km的白龙江左岸，滑坡所处部位为向白龙江右岸突出的脊状地形。该区自然斜坡的坡度多在30°～40°。滑坡区基岩主要为长城系碧口群薄层状绢英千枚岩及变质凝灰岩，产状NW274°SW∠69°～77°。构成滑坡区的岩性主要为薄层状的绢英千枚岩，岩层走向与河流近于平行，总体呈单斜顺层斜坡。

图2 水泊峡电站Ⅶ＃滑坡剖面图Fig.2 The profile ofⅦ＃landslide of the Shuipoxia hydropower station

青崖岭滑坡边界特征明显。两侧以冲沟为界，后缘受基岩层面影响形成明显的高陡滑坡壁，前缘大致沿Ⅲ级阶地的阶面剪出。滑坡后缘海拔高度约为1 240m，前缘约为640m；滑体剖面形态呈后缘较窄、中下部较宽，顺河流方向宽度为140～300m，垂直河流方向纵长约为1 400m；滑坡体厚度为20～60m，且中前部较厚，后缘较薄，体积约为32.5×106m3，属特大型滑坡。

图3 Ⅶ＃滑坡下游坡体前缘局部倾倒变形Fig.3 Toppling deformation on the partial front of the downstream ofⅦ＃landslide

图4 青崖岭滑坡工程地质平面图Fig.4 The geotechnical plan of the Qingyaling landslide

图5 青崖岭滑坡工程地质纵剖面图Fig.5 The geotechnical longitudinal profile of the Qingyaling landslide

现场调查、钻探表明（图4、图5），组成滑坡体的结构同样具有分层特征，上部总体以滑坡堆积的块碎石土为主，仅后缘分布有少量的崩坡积物；滑体中下部及前缘为倾坡内的“似层状”的千枚岩、凝灰岩（图6）。滑面中后部稍陡且平直、前缘较平缓。现状条件下受后期水库蓄水淤积作用，滑坡前缘淤积厚度可达60～70m（图5）。滑坡体内地下水较发育，钻孔揭示的地下水埋深约为27.89～40.47m，且在750～870m 海拔高度范围内有多个滑坡泉水形成的湿地，下游侧边界的冲沟内有泉水出露。

图6 青崖岭滑坡下游侧边界处的倾倒变形岩体Fig.6 Toppling rock body at the flank of the downstream of the landslide

1.3 孟家干沟滑坡

图7 “5·12”汶川地震后孟家干沟滑坡全貌Fig.7 The panorama of the Mengjiagangou landslide after“5·12”Wenchuan earthquake

图8 孟家干沟滑坡工程地质剖面图Fig.8 The geotechnical profile of the Mengjiagangou landslide

孟家干沟滑坡位于碧口水电站大坝上游约3 km的白龙江左岸、孟家干沟沟口上游脊状山脊部位（图7），因冲沟及白龙江河谷的切割，滑坡所处部位呈三面临空的地貌特征，所处部位地形坡度为35°～50°。滑坡区为长城系碧口群薄层状绢英千枚岩、变质凝灰岩等，岩层产状为NE70°～80°／SE∠70°～87°，走向大致与斜坡前缘河流近于平行，呈单斜构造，也为顺倾岩质斜坡（图8）。该滑坡边界明显，后缘有由顺岩层面发育的滑坡壁，产状 NE74°／SE∠75°，后缘海拔高度约为865 m、前缘约为710m，相对高差155m，滑体平均厚度约为35m（图8），体积约为0.7×106m3。滑坡体表部为2～5m厚的结构松散的块碎石土，下部为缓倾坡内的似层状岩块，为碧口群绢英千枚岩夹少量变质凝灰岩；倾倒的“似层状岩块”产状为NE40°～85°／NW∠35°～62°，部分岩层弯曲呈平缓状，倾角仅6°左右。滑坡体前缘因公路开挖揭露的滑带部位可见倾倒变形体与原岩的接触面，组成滑带物质以粉质黏土夹碎石为主，表面光滑且可见擦痕（图9）。滑床基岩以薄层绢英千枚岩为主，层厚一般为3～10cm，产状正常。

图9 孟家干沟滑体前缘倾倒岩块与下部正常岩层接触特征Fig.9 Contact features of toppling block on the front of the slip block and the normal rock formation at the landslide's downstream

1.4 典型陡顺倾层状岩质斜坡发生倾倒变形的总体特征

综合上述典型滑坡实例的研究表明，白龙江干流陡倾顺层岩质斜坡发生倾倒变形、并演化形成滑坡，总体具有一定的共同特征。

a.多分布在高陡斜坡、尤其是快速下切的河谷岸坡中，一般发育于天然斜坡坡度＞40°、岸坡高陡、临空条件好的沟谷段，尤其是有突出的脊状地形部位。这种地形有利于斜坡岩体的卸荷变形。

b.滑移－倾倒型滑坡多位于软弱的千枚岩或软硬相间、软硬互层的千枚岩、变质凝灰岩、板岩中，构造上总体呈单斜构造。如水泊峡Ⅶ＃滑坡发育于绢英千枚岩夹板岩组合中；青崖岭滑坡、孟家干沟滑坡发育于绢英千枚岩、变质凝灰岩组成的软硬相间或互层状岩层中。

c.该类斜坡发育的岩层倾角一般在60°以上。如青崖岭滑坡岩层倾角为69°～77°，孟家干沟滑坡为70°～87°，水泊峡Ⅶ＃滑坡为70°～85°。

d.陡顺倾层状岩质斜坡形成滑移－倾倒型滑坡的滑体结构总体特征为中下部具有似层状结构，且“岩块”总体呈缓倾坡内，如孟家干沟滑坡倾倒岩块的倾角为35°～62°、青崖岭滑坡倾倒岩块倾角为40°～50°；部分产状非常平缓，变形后岩块有明显的似层状结构。

2 滑坡的形成机制

野外调查表明，白龙江干流纵向河谷陡顺倾层状岩质斜坡发育的滑移－倾倒型滑坡一般位于高山峡谷、深切河谷地段，岸坡岩层总体为软弱的千枚岩、中硬岩类的板岩或硬质变质凝灰岩的互层状或者软硬相间的岩质斜坡，且岩层倾角较陡。结合上述典型滑坡发育的环境条件及破坏特征综合分析认为，该类斜坡发生的变形破坏机制为陡顺倾层状岩质斜坡的倾倒－滑移型破坏，形成演化过程概化如下[23－25]。

在河谷形成过程中，伴随大面积卸荷作用，斜坡岩体发生应力重分布，谷坡后缘多为拉应力分布区，坡脚多为剪应力集中区；河谷岸坡的表部最大主应力愈接近坡面则平行于临空面。对软硬相间或互层状岩体构成的岸坡中，因卸荷回弹、坡体后缘沿岩层的层面或片理面发生松弛、拉裂、错动，坡脚前缘岩体在平行于坡面的最大主应力或水压力、振动荷载等作用下向临空面发生初始的倾倒变形（图10－A）；随变形的发展，斜坡前缘岩体向临空面倾倒变形加剧，中后部岩体在自重作用下，板梁的重心偏移并使其沿片理弱面发生相对滑移；随着变形渐进性发展，板状岩体因根部一带受阻而发生弯曲变形，但当岩层弯曲到一定程度致使其逐渐向临空面倾倒变形（图10－B），这种倾倒变形随斜坡前缘临空条件好、或者降雨形成的孔隙水及江水的长期软化、侵蚀等作用下，加剧了斜坡前缘岩体向临空方向的倾倒变形。随着上部岩体滑移－倾倒变形的发展、岩层弯曲程度加剧，导致根部折断，形成断续分布的折断面（图10－C）。当斜坡岩体中缓倾坡外的裂隙、小断层等发育时，岩层折断面极易追踪这些缓倾结构面衍生或扩展，斜坡的失稳将受折断面部位的最大剪应力控制，最终形成滑移（或蠕滑）－拉裂型滑坡。

图10 陡顺倾层状岩质斜坡的倾倒－滑移破坏形成演化过程Fig.10 Formation mechanism of the toppling－sliding landslide of the steep bedding rock slope

3 结论

对白龙江干流发育的典型陡顺倾岩质斜坡类形成的滑移－倾倒型滑坡的环境条件及特征研究，可以获得如下主要结论：

a.滑移－倾倒型滑坡多分布在临空条件好、高陡斜坡部位，尤其是突出的脊状地形部位，天然斜坡坡度多在40°以上。

b.该类滑坡在软硬相间、软硬互层状的千枚岩与板岩或变质凝灰岩构成的单斜斜坡中较为发育，且岩层倾角一般在65°以上。如水泊峡Ⅶ＃滑坡发育于绢英千枚岩夹板岩组合中，岩层倾角为70°～85°；青崖岭滑坡、孟家干沟滑坡发育于绢英千枚岩、变质凝灰岩组成的软硬相间或互层状岩层中，前者岩层倾角为69°～77°，后者为70°～87°。

c.陡顺倾层状岩质斜坡的倾倒变形是在河谷岸坡形成过程中，河谷重分布应力作用下坡体浅表部岩体受平行坡面的最大主应力作用，或遭受水或地震等作用下坡脚发生初始倾倒变形，致使上部岩体发生滑移－倾倒，并最终使岩层发生弯曲变形、根部折断，形成倾倒体。当坡体内折断带的剪应力超过其抗剪强度时，坡体将发生滑动形成滑坡。该成果不仅为陡顺倾岩质斜坡变形破坏及稳定性评价提供依据，而且丰富和完善了该类斜坡变形破坏机制、模式。

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