三峡库区杨家水井滑坡变形失稳机理研究*

代贞伟　魏云杰　侯时平

(①中国地质调查局武汉地质调查中心　武汉　430205)

(②中国地质环境监测院　北京　100081)

(③湖北省地质局水文地质工程地质大队　荆州　434020)



三峡库区杨家水井滑坡变形失稳机理研究*

代贞伟①魏云杰②侯时平③

(①中国地质调查局武汉地质调查中心武汉430205)

(②中国地质环境监测院北京100081)

(③湖北省地质局水文地质工程地质大队荆州434020)

2015年4月11日，受持续降雨影响，三峡库区秭归县沙镇溪镇发生了大型的反倾岩质滑坡，滑坡面积约2.5×104m2，体积约25.0×104m3，造成道路及大量房屋、管道设施破坏。基于现场地质调查第一手资料，详细阐述了滑坡特殊的地质地貌及岩体结构特征，分别从地质因素和环境因素两方面进行了滑坡成因分析，基于地貌学与工程地质力学理论推断滑坡形成演化过程，并对其变形发展趋势进行了预测。得出如下结论：(1)杨家水井滑坡为持续降雨触发的牵引式反倾岩质滑坡；(2)特殊的地质构造及地形地貌条件是滑坡形成的长期孕育内在条件，持续降雨则是滑坡发生的直接诱发因素；(3)河谷下切，伴随着高应力释放及斜坡岩体卸荷回弹，层状岩体发生弯曲倾倒变形，顺向纵张节理发育，尤其是弯折带底面陡倾顺向裂隙逐步形成软弱结构面对滑坡变形失稳起着至关重要的控制作用；(4)现阶段正值汛期，后续滑坡变形以局部失稳破坏为主，而产生堰塞湖和泥石流的可能性较小，建议汛期结束后实施治理工程为宜。

三峡库区杨家水井滑坡逆向坡降雨成因分析变形机理

0　引　言

受持续降雨的影响，2015年4月11日22点10分，湖北省秭归县沙镇溪镇三星店村7组杨家水井发生山体滑坡，造成了道路及大量房屋、管道设施破坏，损毁约41亩柑橘林，是三峡库区新近发生的重大滑坡灾害之一，所幸群测群防及时有效，群众撤离迅速，未造成人员伤亡。

新生滑坡始终是国内外相关专家学者密切关注和追踪的热点之一。通过对滑坡发生后的现场地质调查、地形地貌与地质结构特征、成因分析、变形失稳机制等方面研究，一方面能够最大限度地实现滑坡减灾，另一方面以最新滑动迹象为依据，可以最真实地反映滑坡实际情况而有利于深入开展后续滑坡理论研究(Dai et al.，2004，Wang et al.，2004；黄润秋等，2005；殷跃平等，2010，2012，2013；Yin et al.，2015)。

杨家水井滑坡为典型逆向坡，该类型滑坡广泛分布于三峡库区，如2008年巫峡龚家坊滑坡。以往研究主要通过等效力学解析(Goodman et al.，1976；蒋良潍等，2006)、数值模拟(孙东亚等，2002)、物理模型试验(Adhikary et al.，2007)等手段对此类滑坡的不同破坏模式(弯曲倾倒、块状倾倒、块状-弯曲倾倒)进行变形机理分析。近年来有关专家学者对龚家坊滑坡开展了水位升降及涌浪等方面变形机理研究，并取得了大量研究成果(Huang et al.，2014；殷坤龙等，2014)；然而持续降雨触发条件下，逆向坡的变形失稳具有特殊的成因与形成机制，有必要对其开展深入研究。

鉴于此，以杨家水井滑坡为研究对象，立足于滑坡现场野外调查及大量的原始资料，对滑坡特征、成因机制进行分析，并运用地貌学和工程地质力学推断滑坡形成演化机制，可为后续的治理工程起到指导作用，同时将对此类滑坡的科学防灾减灾提供一定借鉴。

1　滑坡区工程地质概况

1.1地理位置

杨家水井滑坡位于湖北省秭归县沙镇溪镇长江支流青干河右岸斧头溪沟沟口处，滑坡中心点经纬度为N30°59′18″和E110°38′03″；上距三峡大坝坝址约60km(图1)，斧头溪沟自南向北穿过滑坡体前缘，在三星店村附近汇入青干河。

图1　滑坡位置图Fig.1　Location of the landslide

1.2地质环境

滑坡区为构造侵蚀剥蚀中-低山峡谷地貌，地处秭归向斜南翼、香龙山背斜北翼，五龙褶皱带北端短轴状背斜的西侧，其北侧发育一条近EW走向的张性断裂(图2)。由于前期构造活动较强烈，研究区内岩层可见微型褶皱发育，岩体节理裂隙较发育。

图2　滑坡所在区域地质构造图Fig.2　The geological structural map of the landslide area1.向斜；2.背斜；3.实测正断层；4.实测逆断层；5.断裂带；6.秭归县边界

滑坡区水文地质条件总体呈季节性变化特征，地下水类型主要有松散岩类孔隙水、基岩裂隙水。松散岩类孔隙水主要赋存于第四系松散堆积层碎块石土之中，受大气降水补给，地形坡度较陡，地表径流条件好，表现为季节性上层滞水；基岩裂隙水主要赋存于薄-中厚层层状构造的砂质泥岩与泥质粉砂岩构造裂隙和风化裂隙之中，由于基岩裂隙较发育，裂隙多为张开状，为中等-弱透水性，地下水多以裂隙潜水形式存在，主要接受大气降水及松散岩类孔隙水入渗补给，径流方向受岩层及裂隙走向的控制，以浅层短循环无压流的形式就近向区域内最低侵蚀基准面-斧头溪沟排泄，汇入青干河。总体而言，地下水具径流途径短，动态变化大的特点。

2　滑坡基本特征

2.1滑坡形态特征

杨家水井滑坡的平面形态总体呈圈椅状，滑坡前缘直抵斧头溪沟沟底，后缘以圈椅状的地形为界，高程340～190m，相对高差约150m，地形陡峻，坡度35°～50°，滑坡区平均纵长约190m，宽约130m，滑体平均厚度10m，主滑方向55°，滑体面积约2.5×104m2，体积约25.0×104m3。斧头溪沟流向自南向北从滑坡前缘穿过，河床呈“V”型，切割深约5～15m，宽约15～25m，沟谷两侧岩壁峭立，滑体前缘有村级公路通过，修建公路形成高5～10m人工边坡，滑坡区地表植被发育，主要为柑橘果林(图3、图4)。

图3　杨家水井滑坡全貌(镜像：246°38′)Fig.3　Front-on view of Yangjia Well Landslide

滑坡前部滑移后，滑坡后缘整体下座，滑移距离约50m，在斜坡高程314～344m一带形成高约30m的后缘壁，呈直立状，坡度60°。

滑坡后缘下座于滑坡中后部形成一滑坡平台，高程分布280～315m，平台纵向长70m，横向宽约40m，中后部坡度较缓5°～15°，平台前部坡度变陡为15°～25°；平台地表可见多条裂缝呈纵向展布，张开宽10～50cm不等，长5～15m，1～2条·m-1，可见深度0.5～3.5m。

滑体右侧后缘为滑坡的牵引区，发育了一小型滑坡，滑坡纵长约20m，横宽约90m，厚度为6m，体积约1.08×104m3，主滑方向15°。目前仍处于不断变形状态。

2.2滑坡地质结构特征

图4　滑坡工程地质平面图Fig.4　Scheme of engineering geology of landslide1.滑坡周界；2.滑坡次级分布区域；3.裂缝；4.房屋建筑；5.斧头溪沟；6.公路

图5　滑坡工程地质A-A′剖面图Fig.5　Engineering geology profile A-A′1.第四系全新统滑坡堆积层；2.侏罗系中统下沙溪庙组；3.碎块石土；4.块石；5.泥质粉砂岩；6.砂质泥岩

(1)Qdel(1)岩性组成主要为碎块石土，其中土为粉质黏土，黄褐色，可塑状；碎、块石母岩成分主要为砂岩，块径5～15cm，棱角状，土石比6：4～4：6，结构松散，厚度一般为1.0～10.0m，广泛分布于滑坡区中后部。

(2)Qdel(2)岩性组成主要为块石，结构松散，块径15～50cm，大者可达1～1.5m，厚度2～20m，分布于滑坡中前部及斧头溪沟沟道。

图6　杨家水井滑坡滑体分布特征Fig.6　Sliding mass distribution characteristics of landslide

滑坡基岩主要为侏罗系中统下沙溪庙组(J2x)泥质粉砂岩和砂质泥岩互层，灰绿色，为较硬岩，砂质结构，泥质胶结，薄-中厚层层状构造，其稳定基岩的产状为150°～200°∠50°～70°。此外，表部岩层风化严重，强风化。

滑床面呈上陡下缓折线形，前部埋深约25m，中部埋深约5m，后部滑坡平台埋深约20m；通过现场地质调查分析，滑体主要沿着40°∠55°节理裂隙滑移，滑动距离约50m；滑坡形成后缘壁可见基岩出露，基岩表面擦痕清晰，方向45°，与主滑方向大体一致(图7)。

图7　基岩滑面擦痕Fig.7　Striations on the bedrock sliding surface of the landslide backscarp

2.3滑坡运动和破坏形式特征

根据当地居民的描述与现场走访调查，滑坡的运动和破坏特点分析如下：受持续降雨影响，斧头溪沟水位迅速上升约2m，由于上部坡体荷载导致的应力集中及河流冲刷作用，滑动破坏首先从坡脚处开始，初期表现为受裂隙切割，风化严重的块状岩体错动碎裂形成，滑体滑动距离较大，直抵斧头溪沟对岸，堵塞溪沟，于溪沟内形成一长约150m，宽8m，厚约25m块石堆积体，方量达3.0×104m3；之后，滑坡中后部岩土体(碎块石土)在自身重力势能和前部滑体的滑动牵引作用下，破坏了原有的极限平衡状态，沿主滑方向55°产生了向下的滑移变形，受滑坡中前部的滑体的阻挡并产生推挤作用，滑坡后部平台处形成了大量的纵向拉张裂缝；滑体物质组成结构分布特征，即碎石土与块石堆积层序也可佐证此种运动形式存在的可能性(图6)。

由于滑坡后缘整体下座，形成了高约30m左右近直立状的后缘壁，相对于滑坡后缘外侧坡体而言，即形成了新的卸荷临空面，部分岩土体失去了原有的阻挡，因而在杨家水井滑坡后缘边界的右侧形成一新的小型滑坡的牵引区，主滑方向15°。

综上所述，杨家水井滑坡为牵引式反倾岩质滑坡。

3　滑坡成因分析

相关研究表明滑坡成因可分为地质因素和环境因素两方面，地质因素包括地形地貌、地层岩性、地质结构等；环境因素则包括降雨、库水位变动、人类工程活动等(廖秋林等，2005；殷跃平等，2007)。

3.1特殊的地质地貌条件是滑坡发生的内因

3.1.1地质构造及地形地貌条件

滑坡区域为构造侵蚀剥蚀中-低山峡谷地貌，其新构造运动上升作用强烈，河流存在对岸坡的快速侵蚀深切，形成了不对称“V”字形的河谷地貌；正是由于河流深切的河谷地貌发育演化过程造成了滑坡区域的地形陡峭峻，相对高差达150m左右，坡度达35°～50°，具有良好的临空面条件，不利于斜坡的稳定性。

3.1.2岩体结构空间组合特征

滑坡区受构造活动的影响，以薄-中厚层状砂质泥岩与泥质粉砂岩为主的岩体深大节理裂隙发育，岩体结构为层状块裂岩体；据现场地质调查发现滑坡区内岩体中主要发育有两组陡倾角构造裂隙：L1产状为260°∠75°，2～4条·m-1，裂面略弯曲，张开宽0.2cm，无充填，可见其延伸长度大于2m；L2产状为40°∠55°，3～8条·m-1，裂面较平直，张开宽1～2cm，局部泥质充填，可见延伸2～10m。滑坡区岩体结构面的空间组合特征(图8)。

图8　岩体结构面赤平投影图Fig.8　The stereographic projection of rock mass structural planes

由图8分析可知稳定基岩层倾向L3与坡向P近于相反，为典型逆向坡，往往此类斜坡被认为稳定性较好，但是由于结构面L2与坡向基本一致，此组节理正是控制斜坡稳定性关键结构面，顺坡向节理在重力弯折和卸荷作用等影响下，节理面存在张开、贯通现象，弯折带底面则是构成斜坡失稳的关键部位；此外L1大角度相交于基岩岩层与坡向，有利于层状岩体块状碎裂化，加快岩体风化强度。

3.2持续降雨是滑坡发生的直接诱发因素

根据秭归县沙镇溪镇雨量监测数据可知该地区自2015年4月1日至7日出现持续降雨天气，7日降雨量达到99.8mm，约占月降雨量80%，受此次持续降雨影响，于4月11日22时发生大规模整体滑动破坏(图9)。滑坡发生大规模滑动时间与持续降雨历时存在一定的延迟效应，一定程度上也反应了滑坡失稳破坏是一种渐进性变形过程。

图9　滑坡发生前后降雨量分布统计Fig.9　Rainfall distribution statistics during prior and after landslide occurrence

虽然降雨往往是触发滑坡等突发地质灾害的重要原因已成为共识，但是对于持续降雨区别于暴雨，具有降雨量不大(低于50mm·d-1)，却持续时间长特点，尤其是对于持续降雨如何触发反倾层状岩质滑坡的失稳变形相关研究较少；以杨家水井滑坡为例，究其原因，主要包括：

(1)滑坡滑体以块石和碎石土为主，其透水性相对于稳定基岩较好，持续降雨将使大量降雨缓慢入渗至滑坡体之中；一方面，大气降水产流，汇入斧头溪沟，冲刷滑坡前缘，对斜坡岩土体的稳定性构成不利影响；另一方面，由于斧头溪沟水位迅速上升一定程度上减少了滑坡体内地下水的排泄量，致使滑体中长时间滞留越来越多降雨，造成了滑体自重和下滑力的不断增大。

(2)由于反倾层状斜坡岩体发育了一组与坡向近于一致的陡倾角构造裂隙，多为泥质充填；由于该组裂隙节理以下为稳定基岩，相对于滑体而言其渗透性较小；在持续降雨作用下，随着大量的降雨入渗滑体，造成顺向节理泥质充填物的含水量大大增加，其结果必然导致以该组节理为潜在滑动面的强度降低而使抗滑力下降。

现场实地调查还发现，滑坡体上种植了大量的柑橘等果树，多为人工开垦，并形成了不同宽度的多级平台，破坏了原有的斜坡地貌，为降雨充分入渗滑体提供了极为有利条件；降水入渗滑体之后沿节理裂隙运移，一方面在节理裂隙处形成静水压力，对滑坡后部岩土体的推动作用最为明显，另一方面滑体内地下水流动产生一定的渗透压力，也进一步促进滑坡的变形失稳(殷跃平，2003)。

概言之，河流深切侵蚀的河谷演化过程为滑坡提供动力基础和运动空间；岩体节理裂隙较发育，尤其是顺向陡倾节理裂隙的存在，非常不利于岸坡稳定，是杨家水井滑坡变形失稳的关键控制因素；而持续降雨是导致滑坡形成的直接诱发因素。

4　滑坡形成演化机制分析

基于上述野外地质调查及相关室内分析，初步掌握了滑坡基本特征及滑坡变形破坏形成的过程，现以地貌学和工程地质力学相关理论方法为基础，推断杨家水井滑坡的形成机制和变形演化过程如下(图10)：

(1)近几十万年来，长江三峡秭归段的新构造运动上升作用表现十分强烈，存在河流相对岸坡的快速侵蚀深切，改变了岸坡形态，形成了不对称“V”字形的河谷地貌；此外三峡秭归区域地质构造复杂，具有相对较高的区域构造应力场背景，随着河谷的快速深切，势必伴随高应力释放，进而将驱使坡体产生向临空面方向的卸荷回弹，而对较坚硬的层状泥质砂岩而言，主要是以脆性破裂的形式释放卸荷回弹过程中产生的应变能；在构造应力和卸荷回弹效应的共同作用下斜坡将沿着平行坡面的方向形成浅表层的初始裂隙节理(图10a)。

图10　杨家水井滑坡形成演化过程示意图Fig.10　The formation and evolution process of Yangjia Well Landslide

(2)在长期自重应力作用下，加之风化作用、冰雪雨水侵蚀等，斜坡岩体强度不断地降低，层状岩组向坡外发生弯曲倾倒变形；在弯曲倾倒过程中斜坡层状岩体主要运动形式是沿层理面的相互剪切错动和向临空面方向偏转，势必会造成岩层被拉断或压裂，形成大量的顺向纵张节理；伴随节理裂隙的不断拓展、贯通，局部充填了大量的泥质充填物；以弯折带底面为界线，构成了斜坡岩体的关键部位，上部岩体沿着弯折带底面附近的顺向纵张节理进行蠕动滑移变形，存在形成局部贯通的软弱结构面的可能性(图10b)。

(3)降雨作用下，大量雨水将沿着坡面及节理裂隙逐步渗入斜坡岩土体内，一方面使得滑体自重的不断增加，增大孔隙水压力，也使得弯折带界线附近顺向结构面抗剪强度的大大降低，尤其是对于含有泥质充填物的顺向节理影响最为显著，其必然导致以弯折带界线附近的顺向结构面为潜在滑动面强度降低、抗滑力下降；当降雨历时持续一段时间，坡体由上至下产生不同程度的推挤力，且河流水位上涨不断冲刷坡脚，使得斜坡前缘处沿着顺向节理裂隙发生压缩滑移，直至前缘顺向节理面贯通形成初始滑动面，滑坡开始启动(图10c)。

(4)由于斜坡前缘坡脚处岩体首先发生滑动，形成小规模的滑坡，一方面对斜坡上部岩体产生了一定的牵引作用，另一方面，形成了新的临空面，使得斜坡上部岩体失去原有支撑；持续降雨作用下，大量地表水继续入渗坡体，形成饱和-过饱和状态碎块石土混合体，而斜坡下部稳定基岩相对透水性较弱，弯折带顺向结构面(基岩顶面)可视为相对隔水层，大量地下水富集于基岩顶面，大大降低了基岩顶面岩土体的力学强度，岩土体中地下水流动也将形成一定的动水压力；直至打破极限平衡状态，上部岩体沿着贯通顺向节理面发生整体滑动，形成隐蔽性强、破坏力巨大的大规模滑坡灾害(图10d)。

5　结论与建议

(1)通过对滑坡地形地貌特征、滑体岩层结构、滑坡运动过程特征等方面研究分析，认为杨家水井滑坡为持续降雨触发的牵引式反倾岩质滑坡。

(2)从地质和环境成因两方面进行分析，认为其特殊的地质地貌条件是滑坡形成的内因，即斜坡地形陡峻，具有较好的临空面条件，岩体节理裂隙较发育，尤其是顺向陡倾节理裂隙的存在对于滑坡变形失稳起着最为关键的控制因素；河流深切侵蚀的河谷地貌演化过程为滑坡提供了动力基础和运动空间；而持续降雨是导致滑坡形成的直接诱发因素，滑坡发生大规模滑动的时间与持续降雨历时存在着一定的延迟效应，一方面也能说明滑坡的失稳破坏是渐进性变形过程。

(3)基于上述分析研究，对滑坡形成演化过程进行推断，认为河谷快速深切，伴随高应力释放，坡体产生向临空面方向的卸荷回弹，沿平行坡面的方向形成浅表层的初始裂隙节理；地质营力作用下，斜坡层状岩体向坡外发生弯曲倾倒变形，发育大量顺向纵张节理，形成了以弯折带底面为软弱结构面的关键部位；持续降雨作用下，斜坡坡脚处的岩体最先开始滑动，并牵引斜坡上部岩体发生整体滑动。

据现场调查分析目前滑坡再次发生整体变形的可能性较小，若遇暴雨或连续降雨，滑坡后部平台处可能会再次下座变形，坡表松散物质亦可能出现局部下滑，在滑坡后缘右侧牵引区的小型滑坡体仍处于不稳定状态，极易失稳变形；但是堆积并阻塞滑坡前缘斧头溪沟的块石块度较大，块体间空隙大，水流可从堆积体内部空隙中顺利流出，产生堰塞湖的可能性较小，不会形成泥石流。鉴于此时正处于汛期，后期降雨更加丰富，滑坡体将进一步变形。因此，治理工程在汛期结束后实施为宜。

通过对杨家水井滑坡基本特征、成因以及形成机制的研究，可为反倾岩质滑坡的防治减灾和预警预报工作提供一定的参考依据，具有一定理论研究和工程实际意义。

致谢在野外调查和资料收集过程中，得到了湖北省国土资源厅地质灾害应急中心、湖北省地质局水文地质工程地质大队的帮助，在此表示感谢。

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DEFORMATION AND FAILURE MECHANISM OF YANGJIA WELL LANDSLIDE IN THREE GORGES RESERVOIR AREA

DAI Zhenwei①WEI Yunjie②HOU Shiping③

(①Wuhan Centre of China Geological Survey, China Geological Survey, Wuhan430205)

(②China Institute of Geological Environment Monitoring，Beijing100081)

(③Hubei Institute of Hydrogeology and Engineering Geology Brigade，Jingzhou434020)

On April 11，2015，affected by the continuous rainfall，a large-scale counter-dipping rock landslide occurred at Shazhenxi village of Zigui County.The landslide of about 25×104m3in volume and about 2.5×104m2in area damaged the town road and a large number of facilities seriously.It is named as Yangjia Well Landslide.On the basis of the first-hand field investigation，the special geological features and rock mass structure characteristic of the landslide are studied in detail.The origin of the landslide is analyzed from two aspects including geologic origin and the environment origin.The formation mechanism and evolution process of the landslide is proposed tentatively by utilizing the theories of geomorphy and engineering geology mechanics.It is also predicted the deformation trend of the landslide.Conclusions as follows：(1)This landslide is continuous rainfall-induced counter-dipping rock landslide，and has traction sliding deformation mode.(2)The particular geological structure is the long-term breeding inner condition of landslide formation; the continuous rainfall is the main and direct triggering factors of landslide formation.(3)With valley incised，high stress released and the unloading and rebound of slope，layered rock mass bent and toppled to outside of the slope，producing fissures parallel to slope surface; with the development of consequent tension joints gradually，the undersurface of bending belt formed a weak structure plane which plays an important role in landslide deformation.(4)During the flood season，local deformation may happen in a certain time，but barrier lake and debris flow is almost impossible; it is advised that the corresponding engineering management should be carried out after the flood season．

Three Gorges Reservoir，Yangjia Well landslide，Counter-tilt slope，Rainfall，Forming causes analysis，Failure mechanism

10.13544/j.cnki.jeg.2016.04.006

2015-07-26;

2015-09-03.

“十二五”国家科技支撑项目(2012BAK10B01)，国家自然科学基金项目(41172254)，中国地质调查局基金项目(1212011220124)资助.

代贞伟(1986-)，男，博士，主要从事工程地质与地质灾害方面研究工作.Email: daizhenwei@163.com

简介：魏云杰(1973-)，男，博士，教授级高级工程师，主要从事地质灾害、岩土工程等相关研究工作.Email: wyj1973@126.com

P642.22

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