四川罗家青杠岭滑坡成因机制及稳定性分析

王海芝， 刘海洋， 韩振华*

（1. 北京市地质研究所， 北京 100120； 2. 中国科学院 地质与地球物理研究所， 北京 100029）

0 引言

我国多山， 滑坡灾害频繁发生， 尤其在每年的雨季， 滑坡灾害严重威胁危险区内的生命财产安全。 随着我国山区城镇化发展、 交通建设、 能源开发、 旅游开发等国民经济建设的全面展开， 潜在的滑坡灾害越来越多， 所造成的经济损失和人员伤亡也逐渐加大， 相应的稳定性分析对防灾减灾来说变得尤为重要。

边坡稳定性分析中最常规的是极限平衡分析法[1]， 其特点是方便快捷， 很多工程单位采用该方法来计算、 设计。 在工程实践中， 可根据边坡滑动面的形态来选择相应的极限平衡法。目前常用的极限平衡法有瑞典条分法、 Bishop法、 Janbu 法、 Sarma 法、 Morgenstern-Price 法和剩余推力法等[2-6]。 然而， 极限平衡分析法不能解决分析边坡应力和应变的问题。 后来出现了有限元分析边坡的稳定性， 有限元在解决小变形方面有其优越性， 但在解决大变形方面较为不便。 强度折减法由Zienkiewicz[7]于1975 年提出， Ugai[8]、 Duncan[9]、 郑颖人[10-11]、 赵尚毅[12]、徐平[13]等学者在有限元强度折减法应用方面做了大量的工作， 丰富了边坡稳定性分析的内容。

数值计算方法和计算机技术的飞速发展为边坡稳定性分析提供了有利的工具， 尤其是有限元、 有限差分、 离散元等数值模拟方法的广泛应用， 使深入研究滑坡岩土体内部的应力分布状态， 以及对坡体内外各点的变形模拟成为可能， 为复杂的滑坡稳定性分析开创了一条新的途径。 FLAC3D软件作为强度折减法的实现工具， 进行边坡稳定性分析， 能考虑岩土体的非线性应力和应变关系， 求得边坡内部每一计算点应力应变及变形， 同时可以对连续介质进行大变形分析， 这样能比较真实地反映应力应变情况， 因此， FLAC3D目前已经是边坡稳定性分析研究运用广泛的工具[13-16]。

四川罗家青杠岭历史上曾发生滑坡， 对应的物源区和堆积区特征明显。 现场调查结果表明， 罗家青杠岭滑坡的后缘发育明显裂缝， 如若遇到暴雨等不利天气， 滑坡很有可能失稳，严重威胁到当地居民的生命和财产安全。

鉴于四川罗家青杠岭的滑坡现场非常典型，现场资料较全， 是开展滑坡演化及稳定性分析的很好实例。 一方面， 可以通过现场调查、 钻孔、 探槽等方法对滑坡体进行了分区， 进一步分析了滑坡的成因机理。 另一方面， 通过GTS软件建立了罗家青杠岭滑坡的三维地质模型，利用FLAC3D软件对滑坡在天然和暴雨两种状态下的稳定性进行了分析， 进而为制定科学合理的防灾减灾对策和措施提供可靠依据。

1 罗家青杠岭滑坡概况及特征分析

1.1 工程地质条件及滑坡概况

罗家青杠岭位于四川省西昌市宁南县幸福乡月塘村境内。 该村共有居民65 户， 约300人， 大多集中居住在滑坡体前缘地势平坦处。宁南县地处于横断山区边缘， 川滇南北向构造体系的中段， 则木河断裂从坡体前缘穿过， 具有强烈的第四纪活动性[17]。 罗家青杠岭滑坡前缘为河谷， 左、 右两侧以冲沟为界， 后缘基岩出露。 如图1 所示， 坡体前缘平缓， 后缘地势较陡， 中部为一凸起的鼓丘。 坡体纵长约1200 m，面积0.55 km2， 海拔高程1000～1690 m， 主滑方向为100°。 坡体物质为崩坡积与残坡积块碎石土， 坡体总方量约为40×104m3。

图1 罗家青杠岭斜坡全貌Fig.1 Complete photo of Luojiaqinggangling

1.2 滑坡体岩土分区

根据1∶2000 的工程地质测量， 结合现场调查， 将滑坡体划分为4 个区域（图2）。 其中，绿色区域表示残坡积土层， 分布在坡体左侧及后缘， 土层较薄， 约1～3 m， 呈黄褐色， 局部有基岩出露。 蓝色区域表示基岩出露区， 面积较小， 岩性为奥陶系灰岩， 岩体节理裂隙发育，节理倾向与坡向基本一致。 红色区域表示崩坡积层， 出露于坡体中部， 成分为碎石土， 灰白色， 结构松散， 厚度5～20 m。 坡体表层还堆积了许多大粒径的块石， 主要成分为灰岩及胶结形成的块体， 已证实历史上曾发生多次崩塌事件[17]。 黄色区域表示滑坡堆积层， 分布在坡体前缘， 地势平坦。 堆积体表层主要为夹角砾的粉质粘土， 黄褐色， 结构松散， 厚度5～10 m。 堆积体下部主要为碎石土， 碎石含量60%左右，碎石岩性主要为灰岩、 砂岩。 通过钻孔揭露，整个堆积区土层的厚度可达30 m 左右。

图2 罗家青杠岭滑坡岩土分区图Fig.2 Geotechnical zonation map of Luojiaqinggangling landslide

1.3 坡体变形特性

现场调查发现， 坡体后缘发育大量地面裂缝。 其中后缘左侧有三条近平行的大裂缝（图2 红色线条所示）。 三条裂缝台阶式的分布于坡体后缘， 裂缝长度均大于20 m， 裂缝走向约250°， 与滑坡主滑方向近垂直。 裂缝两侧错位高差约5～20 cm， 局部地区裂缝错位可达40 cm，裂缝周边的树木有不同程度的歪斜。 滑坡后缘右侧也有一条规模较大的地面裂缝（图3）， 裂缝走向160°， 裂缝两侧错位高差约20 cm。

图3 罗家青杠岭后缘裂缝Fig.3 Ground fracture develops at trailing edge of the landslide

此外， 滑坡后缘坡度较陡处局部有变形、垮塌现象（图4）， 垮塌方量较小。 垮塌处植被覆盖率较低， 表层岩土体松散， 以碎石土为主，在降雨或其他外力作用下容易下滑。 有一处部位， 由于土体滑动形成了很明显的圈椅状地貌，但规模不大， 现今已经稳定。

图4 坡体后缘局部垮塌Fig.4 The local collapse of trailing edge of the landslide

2 滑坡形成机理分析

从罗家青杠岭滑坡周边地形地貌上看， 边坡所处区域位置地形坡度较大， 前缘临空面较好， 边坡两侧冲沟较深， 确定了滑坡侧边界。后缘裂缝发育， 滑坡前缘较为平缓， 在地形地貌上具备了滑坡的必要条件。 虽然目前边坡尚处于整体稳定阶段， 但后缘和两侧的滑体边界已经形成。 根据水文气象资料， 宁南县降雨量较丰富， 在连续降雨情况下， 雨水沿裂缝入渗土体， 可能在土颗粒间形成贯通面或者潜在软弱面， 同时滑体自重会急剧增大， 导致下滑力增大， 容易发生土体的滑动。 而滑坡体上的岩层倾向为15°～40°， 坡向为100°， 斜坡结构为横向坡， 且发育的灰岩强度较高， 发生基岩滑坡的可能性较小， 所以确定滑坡为土质推移式滑坡。 现场调查认为， 罗家青杠岭滑坡为残坡积层滑坡， 其破坏机制为蠕滑拉裂， 破坏方式为推移式。 目前对于残积物来说处于后缘拉裂隙出现和扩展阶段， 下一步将继续在蠕滑作用下形成滑移面。 在降雨或地震作用下， 将进一步发生滑坡。

据访问村民， 该地在坡体前缘建房时曾挖出过瓦罐、 人骨及大粒径的块石， 且该边坡前缘与周边坡体相比， 明显较缓而且向河谷突出。所以推测该区历史上曾发生滑坡。 滑坡发生后，由于土体下滑， 在坡体中上部形成一大陡坎，在坡体前缘形成滑坡堆积区。 陡坎处基岩出露较多， 经过后期风化作用， 岩体裂隙扩展， 岩体被裂隙切割成块后很容易滚落。 经过长期的崩落， 坡体中部形成了崩坡积区， 在崩坡积体的地势相对平坦区堆积了大量的大粒径块石。判断这些块石是由崩塌形成而不是滑坡残留的主要原因有： 首先， 滑坡体上的岩层倾向为15°～40°， 坡向为100°， 斜坡结构为横向坡， 且发育的灰岩强度较高， 发生基岩滑坡的可能性较小。 其次， 根据钻孔、 探槽揭露的岩土体特征及现场调查， 坡体中上部在地表以下没有发现大粒径块石， 仅在滑坡堆积区， 有两户人家建房时挖出过大块石。 最后， 坡体上的大部分块石风化程度很弱， 表面比较新鲜， 与堆积区挖出的巨石差别很大， 所以其形成时代跟滑坡形成时代不同。

3 滑坡三维稳定性分析

本次采用基于有限差分原理的FLAC3D来开展滑坡稳定性分析。 FLAC3D软件是基于连续介质力学的有限差分程序， 能较好地模拟岩土材料在达到强度极限或屈服极限时发生的破坏或塑性流动。 基于强度折减的FLAC 分析法在边坡工程中得到了广泛应用， 它可以模拟边坡的变形与破坏行为、 滑动面的位置以及加固效应等。

3.1 模型建立

由于FLAC3D对于复杂模型的建立仍然十分困难， 本文基于有限元软件Midas/GTS 来实现FLAC3D的复杂建模。 Midas/GTS 对边坡工程进行三维建模， 具有建模速度快、 地层分界准确、有限元精度易于控制等优点。

将1∶2000 工程地质测绘得到的等高线导入Midas 软件中建立模型， 然后采用节点、 单元转换程序导入FLAC3D软件中进行计算， 模型如图5 所示。 其中， 1 深蓝色部分表示滑坡堆积体； 2 红色部分表示崩坡积体； 3 绿色部分和5紫色部分表示基岩； 4 蓝色部分表示残坡积土。模型长1600 m， 宽1000 m， 最大高度1100 m，最小高度280 m， 共包含48635 个节点，256479 个网格单元。 稳定性分析采用Mohr-Coulomb 本构模型， 不考虑水平构造应力的作用， 只考虑自重应力的作用， 自然坡面为自由边界， 其他边界为固定边界。

图5 罗家青杠岭滑坡数值模型Fig.5 Numerical model of Luojiaqinggangling landside

3.2 参数选取

模拟过程中， 考虑了天然和暴雨两种工况（工况Ⅰ和工况Ⅱ）。 依据室内土工试验， 参考工程类比及结合经验， 岩土体参数如表1 所示。

表1 岩土体力学参数

3.3 滑坡稳定性分析

根据模拟的塑性区位置、 滑体位移及剪应变增量对罗家青岗岭滑坡进行稳定性分析。

3.3.1 天然状态

考虑自重作用下， 模型进行初始应力至计算平衡， 利用强度折减法计算得到的稳定性安全系数为1.56。 通过剪应变增量云图（图6）可大致看出滑坡土体变形比较大的区域和潜在滑动面的位置： 右侧残坡积层中的潜在滑动位置处于坡体上坡度较大的区域， 现场调查中在该区域发育有裂隙， 目前处于扩大趋势； 中部崩坡积层中滑面目前还没有贯通， 该区域表层有土体的溜滑现象； 左侧残坡积层中也发育有裂隙， 目前滑面有扩大趋势， 在降雨或地震作用下， 该区域裂缝还会继续扩大。

图6 天然状态下边坡剪应变增量Fig.6 Shear strain increment of the slope in natural state

3.3.2 暴雨状态

暴雨状态下， 雨水沿裂缝和土体表面渗入到边坡内部， 降低边坡表层岩土体的强度， 若降雨强度足够大， 则边坡表层的残积土、 坡积土会达到饱和状态， 边坡失稳可能性增大。 暴雨状态下， 利用强度折减法计算得到的稳定性安全系数为1.19。

图7 为计算达到平衡后剪应变增量云图。可以看出， 土体变形较大的区域仍然集中在坡体后缘残坡积区的两侧和崩坡积区后缘， 这与天然状态下边坡破坏临界状态下的破坏位置相一致。 对比图6 和图7 可以看出， 暴雨状态下，坡体的剪切应变增量明显增大， 且剪切应变增量较大区域的土体深度也较天然状态下有所增大。 从剪应变增量云图来看， 滑体上部位移矢量近乎于坡面平行， 表现为“剪切”， 下部位移矢量渐渐表现为“剪出”。 与之对应， 位移平面图上的表现形态为： 上部与边坡表面近乎平行，下部与坡面相交。 这些现象表明， 边坡的潜在滑动面以浅表层局部圆弧滑动为主。

图7 暴雨状态下边坡剪应变增量Fig.7 Shear strain increment of the slope under rainstorm condition

上述天然和饱水两种状态下边坡稳定性结果表明： 天然状态下边坡处于稳定状态， 而暴雨或连续降雨使边坡岩土体强度参数降低， 导致边坡安全系数大幅降低， 边坡处于不稳定状态。

4 结论

四川罗家青杠岭滑坡特征明显、 现场资料较全， 是开展滑坡稳定性分析的很好实例。 通过现场工程地质调查、 钻孔、 探槽等手段， 分析了滑坡成因机理， 并利用FLAC3D采用强度折减法对滑坡进行了稳定性分析， 主要认识如下：

（1） 罗家青杠岭滑坡特征十分明显， 滑坡边界明显、 后缘裂缝发育， 属于小型推移式残坡积层滑坡。

（2） 现场调查结合稳定性分析表明， 罗家青杠岭滑坡在天然状态下处于稳定状态， 在暴雨状态下， 处于欠稳定状态， 两种状态下稳定性系数分别为1.56 和1.19。

（3） 根据剪应变增量云图， 罗家青杠岭滑坡土体变形较大的区域集中在坡体后缘残坡积区的两侧和崩坡积区后缘。 坡体后缘左右两侧裂缝发育的区域很容易再次发生局部滑动， 应加强该区域的监测。