陡倾片麻岩滑坡演化过程研究

王建平 马思哲 党超

收稿日期：2023-12-27；接受日期：2024-03-12

基金项目：国家自然科学基金青年基金项目（41701013）

作者简介：王建平，男，硕士研究生，主要从事地质灾害成因机理与治理方面的研究。E-mail：2075963460@qq.com

通信作者：党  超，男，副教授，博士，主要从事泥石流与地质灾害成因机理方面的研究。E-mail：dangchao1982@126.com

Editorial Office of Yangtze River. This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 license.

文章编号：1001-4179（2024） 06-0152-07

引用本文：王建平，马思哲，党超.

陡倾片麻岩滑坡演化过程研究：以兰陵溪滑坡为例

［J］.人民长江，2024，55（6）：152-158.

摘要：弯曲-倾倒破坏是陡倾顺层岩质斜坡的一种变形模式，当其折断面贯通形成滑移面时，斜坡演化为滑坡。以三峡库区兰陵溪滑坡为例，引入反转应力法、梁板强度理论对滑坡变形模式与演化过程进行了研究。结果表明：①该岩质斜坡具有典型的陡倾顺层、岩体结构软硬相间的特点，为其发生弯曲-倾倒破坏提供了先天性条件。②差异性风化是兰陵溪滑坡发生弯曲-倾倒变形的主要原因，片状片麻岩抗弯强度变弱，促使片麻岩逐渐发生弯曲，最后产生弯曲折断-倾倒变形破坏。③兰陵溪滑坡演化过程历经差异性风化、岩层弯曲变形、岩层倾倒破坏、折断面贯通等4个阶段，所有折断面贯通形成潜在滑移面时，斜坡演化为滑坡。研究成果可为该滑坡工程治理提供理论依据，也可为同类型岩质斜坡治理提供思路。

关  键  词：陡倾顺层岩质斜坡； 弯曲-倾倒破坏； 软硬相间； 差异性风化； 反转应力法； 梁板强度理论； 兰陵溪滑坡； 三峡库区

中图法分类号： P694

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.06.021

0  引 言

岩质斜坡易引发严重的滑坡灾害，如三门洞滑坡［1-2］、三河口滑坡［3］、谭家河滑坡［4］等。弯曲-倾倒破坏是岩质斜坡常见的一种变形模式，广泛存在于公路与铁路、矿山及水利水电等各类工程边坡［5］。目前，岩质斜坡弯曲-倾倒破坏的研究主要有物理模型试验、数值模拟、力学模型等［6-8］。在数值模拟方面，Ning［9］、Zheng［10］、刘云鹏［11］等基于离散元UDEC数值模拟，探讨了弯曲-倾倒变形破坏模式，并分析了影响岩质边坡稳定性的因素。在力学模型方面，刘金水等［12］通过引入反转应力法建立陡倾顺层岩质斜坡的力学机理，得出弯曲-倾倒型岩质斜坡的变形破坏特征是先弯曲-拉裂，在上覆荷载及自重作用下倾倒破坏，以及坡体卸荷、弯曲反翘、拉裂倾倒、倾倒加速的演化机制。在物理模型试验与数值模拟相结合方面，安晓凡等［13］选取Adhikary离心机试验展现软硬互层岩质斜坡的弯曲-倾倒破坏特征，并利用数值模拟演示斜坡变形演化过程［14］。在力学模型与物理试验相结合方面，主要是采用模型试验分析斜坡破坏过程和破坏机制，然后基于极限平衡理论，建立力学模型和稳定性的分析方法［15］。例如，孙朝燚等［16］根据边坡复合型倾倒破坏机制，提出滑动区、块状倾倒区和弯曲倾倒区的破坏机制及力学模型，并基于极限平衡理论和悬臂梁模型，提出岩质反倾复合倾倒破坏自下而上逐步分析的理论方法。

总体上，以上学者对岩质斜坡弯曲-倾倒变形的研究主要集中在反倾岩质斜坡方向，而针对陡倾顺层岩质斜坡中弯曲-倾倒型破坏的研究较少，且现有的研究主要集中在沉积岩类，而对变质岩类且软硬相间的陡倾顺层岩质斜坡鲜有研究。兰陵溪溪口左岸斜坡是三峡库区特有的变质岩区域，为陡倾顺层片麻岩，且有岩脉侵入片麻岩。在区域变质的作用下，软硬相间的岩体影响了斜坡稳定性和变形破坏模式，从而导致了兰陵溪滑坡的产生。张玉明等［17］研究表明，在岩质斜坡中，岩脉的存在会造成斜坡均一性变差，岩体结构变得更为复杂，并通过详细现场调查、数值模拟验证了含有岩脉侵入的斜坡失稳模式由常规弯曲-倾倒式变为“挡墙”溃决式。马泽瑞等［18］通过监测数据分析和数值模拟的方法对兰陵溪滑坡变形过程与稳定性进行了分析，但并未深入兰陵溪斜坡的变形破坏演化机理的研究。

本文以陡倾顺层片麻岩滑坡——兰陵溪滑坡为例，通过现场调查分析兰陵溪滑坡的岩体结构和变形破坏特征，引入反转应力法与梁板强度理论相结合，并对其模型进行优化，详细分析兰陵溪滑坡变形破坏特征、力学机制及演化过程，从而揭示三峡库区典型陡倾片麻岩滑坡弯曲-倾倒变形的破坏机制，希望对其他类似岩质滑坡的研究和地质灾害治理提供理论参考。

1  兰陵溪滑坡概况

兰陵溪滑坡为山麓斜坡剥蚀堆积地貌，位于长江右岸，地处兰陵溪溪口与长江交汇处。地势西高东低，受长江与兰陵溪的深切割形成峡谷地带。该斜坡坡向为130°，平均坡度约36°，中上部坡度约28°～30°，中下部38°～40°，临溪段局部坡度可达40°～45°，即上缓下陡岩质斜坡。

由于滑坡位于秭归向斜与黄陵背斜转折端基底构造部位，岩性为崆岭群变质岩，滑坡区地层岩性以片麻岩（Pt2x）为主，岩层产状130°～150°∠60°～75°。滑坡坡顶高程约220 m，前缘高程约140 m，被库水淹没；左右两侧均以山梁为界，滑坡纵长约130 m，平均宽度约140 m，滑坡面积约1.3万m2，体积约10.4万m3，为中型浅层滑坡。兰陵溪滑坡全貌与剖面如图1～2所示。

2  滑坡发育特征

2.1  滑坡物质结构特征

根据现场调查与钻孔岩性揭示，兰陵溪滑坡覆盖层残坡积碎石土主要分布于175 m以上，厚度约2.0～6.2 m，碎石主要是强—中风化侵入岩脉，以石英岩脉为主，辉绿岩脉次之。165 m以下是库岸塌岸被库水掏蚀后形成的碎块石堆积，厚1～2 m，块石含量为30%～40%，碎石含量为40%～50%，风化碎屑、砂含量为20%～30%。

研究区全场地分布全风化片麻岩，黄褐色，呈砂状夹碎块状，岩体结构完全破坏，风化石英岩脉岩体破碎，矿物成份显著变化，如图3所示。片麻岩深灰色，中细粒状变晶结构，混合岩化作用，条带状、夹层状构造，条带间距多在1～2 cm。斜长石含量55%～60%、角闪石含量15%～20%、石英含量15%～20%及含少量钾长石和黑云母。矿物粒径小于2 mm，部分2～5 mm，部分粒径较大的斜长石、石英呈条带状、似脉状聚集，条带、脉体宽度2～30 mm，脉体与片麻岩之间结构面结合程度普遍差。

由于研究区加入区域变质作用及岩浆侵入，该区域岩性软硬相间，裂隙及岩脉极为发育。

（1） 岩脉。① 重结晶石英岩脉与片麻岩产状相同，均为130°～140°∠60°～75°，脉体宽度2～30 mm，最大可达20 cm，脉体间距极不均匀，一般20～30条/m，宽大岩脉与片理面接触部位，接触裂隙发育，微张（＜5mm），无填充或泥质填充。② 侵入辉绿岩脉产状280°～285°∠75°～80°，多为顺层岩脉，基性岩浆侵入形成的脉体，岩脉宽度40～60 cm。③ 侵入石英岩脉产状180°～185°∠45°～50°，为穿层岩脉，酸性岩浆侵入形成的低温热液脉体，岩脉宽度为10～20 cm，间距8～12 m/条。岩脉如图4所示。

（2） 发育3组优势节理裂隙。① 产状300°～320°∠10°～15°，延伸长度一般0.5～1.0 m，间距0.2 m/条，微张—闭合，分布于片麻岩内。② 产状20°～30°∠70°～80°，延伸长度不超过0.5 m，间距0.2～0.4 m/条，张开5～10 mm，无填充或碎屑填充，分布于岩脉内。③ 产状200°～210°∠80°～83°，延伸长度不超过0.5 m，间距0.2～0.4 m/条，张开5～10 mm，无填充或碎屑填充，分布于岩脉内，切穿片麻岩层。裂隙如图5所示。

2.2  滑坡变形破坏特征

在库水长期作用下，岩体劣化，兰陵溪滑坡弯曲-折断与折断倾倒的变形速度加快；滑坡前缘局部塌岸形成良好临空面，并于2020年10月开始蠕动变形：（1） 2020年10月滑坡左侧边界出现拉张裂缝，于2021年1月裂缝有向滑坡后缘扩展的趋势；至2022年滑坡左侧边界裂缝下错明显，最大下错深度12 cm，裂缝呈锯齿状贯通，总长度51 m，宽3～5 cm。

（2） 2021年1月滑坡后缘发生变形，新生沉降-拉裂缝总长50 m，走向62°，宽1～2 cm，下错5 cm，裂缝被蠕动的土层覆盖。滑坡中部蠕动变形持续发生，坡面出现多种不规则裂缝。

（3） 滑坡前缘高程150 m以下片麻岩正常，高程155 m以上片麻岩倾倒-折断现象发育，产状反倾，从前缘至后缘反倾片麻岩倾角变陡，片麻岩产状随高程而变化，见图2。

库水掏蚀滑坡前缘，前缘局部塌岸形成良好临空面，弯曲或折断片麻岩在自重和上覆荷载作用下，片麻岩变形加速，即后缘至前缘反倾片麻岩倾角变缓；片麻岩折断面形成潜在滑移面时，兰陵溪滑坡开始蠕动变形。

3  地质成因及力学机制分析

3.1  地质因素

陡倾顺层岩质斜坡是指岩层倾向与斜坡坡向一致且岩层倾角大于60°的斜坡。任光明等［19］研究陡倾顺层岩质斜坡发生变形具有如下特点：① 岩层倾角在60°以上；② 岩体软硬互层，力学性质相差大；③ 斜坡高而陡。本文研究对象主要是陡倾顺层的片麻岩斜坡，由于研究区在地质活动期间，有岩浆岩侵入崆岭群基岩中，导致地质构造极为复杂，岩脉与裂隙极为发育。兰陵溪滑坡岩体软硬相间，岩体力学性质相差较大，易产生差异性风化，如图6所示。风化的片麻岩经过雨水的泥化反应对岩脉有膨胀挤压作用，促使岩层逐渐弯曲。为陡倾顺层片麻岩斜坡的弯曲-倾倒破坏提供基本地质条件。

顺层岩质斜坡变形除了受基本地质因素影响外，还受岩体自重应力、风化卸荷、人类工程等因素的影响，这些因素相互作用影响着斜坡全过程的变形，当弯曲岩层折断面全部贯通时斜坡演化为滑坡。

3.2  力学机制分析

Duncan等［20］提出反转应力法并应用于地下围岩工程的稳定性分析。在地下围岩开挖中会形成临空面，岩体原有的应力平衡被打破，部分失衡的应力向岩体后方转移，等效的应力集中在临空面上，被称为应力释放。梁板模型由李树森等［21］提出并应用于顺层岩质斜坡的失稳机理分析。岩层厚度远小于斜坡长度，岩层倾向与斜坡坡向一致，若沿岩层垂直切割，则会得到条块状板，可视为梁板。

兰陵溪滑坡位于兰陵溪与长江交汇处，由长江与兰陵溪下切而形成峡谷，如今斜坡正处于应力调整阶段，所以引入反转应力可分析该斜坡变形的力学机制；顺层片状软硬相间的岩层，可视为梁板模型。梁板强度理论与反转应力法相结合是分析该斜坡变形力学机制的特点。

（1） 兰陵溪斜坡由片麻岩与岩脉构成软硬相间的陡倾顺层岩质斜坡。由于两者岩体力学性质相差较大，片状片麻岩比岩脉易风化。

（2） 长期风化卸荷作用下，岩脉存在指向坡外的反转应力，使岩层发生初始弯曲。

（3） 岩体自重与风化荷载挤压作用下，岩层弯曲加速。岩层弯曲蠕变过程似静力平衡，不计摩擦力。

陡倾顺层片麻岩斜坡简化为梁板模型，根据研究区现状斜坡岩体受力情况对梁板模型进行优化，如图7所示。

弯曲岩层和全风化物自重：Gi=γhLi（1）

弯曲岩层裂隙长度：t=hcosβ（2）

式中：γ为岩体容重，kN/m3；h为滑动岩层厚度，m；L为岩层长度，m；Li为弯曲岩层长度，m；t为裂隙长度，m；β为岩层弯曲裂隙倾角，（°）。

陡倾岩层在风化卸荷、岩层自重与风化物挤压力的作用下，存在反转应力P促使岩层向坡外弯曲。一个弯曲岩层和一块全风化物视为一个整体，现对岩层弯曲进行受力分析如图8所示。

由力学关系可得滑坡坡顶第1块弯曲岩层和全风化岩蠕变弯曲时，平衡方程如下：G1sinβ+P1cosβ=C1t+N1tanφ1K（3）

N1=G1cosβ－P1sinβ（4）

式中：C1为第1层岩层黏聚力，kPa；φ1为第1层岩层内摩擦角，（°）；K为整体安全系数。

将式（1）、（2）、（4）代入式（3）可得第1块弯曲岩层和全风化物蠕变时受力：P1=C1hcosβ+rhL1（cosβtanφ1－Ksinβ）Kcosβ+sinβtanφ1（5）

将视为整体的每个弯曲岩层与风化物重量等效，引入传递系数Ωi［22］：Ωi=1－LitanφiL（6）

1，2，3，…，i块弯曲整体所受外力：N1=P1（7）

N2=P2+Ω1P1（8）

Ni=Pi+Ωi－1Pi－1（9）

整理式（7）、（8）、（9）可得第n层式为

Nn=Pn+n－1i=1（∏n－1j=1Ωj）（10）

弯曲岩层的转角β与挠度yc［23］的公式为

β=NiL22EIZ（11）

yc=NiL33EIZ（12）

式中：E为片麻岩弹性模量，MPa；IZ为片麻岩横截面惯性矩，IZ=h3/12。

在水平反转应力、岩层自重、风化物荷载共同作用下，岩脉在抗弯强度弱处发生初始弯曲。根据欧拉压杆原理推导出倾倒失稳的临界长度公式［24］，研究区折断倾倒变形的临界长度lcr为

lcr=3π2Eh214.5γ（13）

由公式（10）可知，从滑坡后缘沿坡面向下，岩层受到上部重量压力越大，越容易弯曲甚至错断倾倒破坏。通过现场调查进行有效验证，滑坡区域岩层普遍反倾，滑坡前缘反倾岩层产状290°∠36°，临近滑坡中部岩层产状305°∠52°，临近滑坡后缘产状315°∠85°，后缘边界处上部正常岩层产状140°∠70°。

通过室内试验可获得全风化片麻岩岩体物理力学参数E=159.6 MPa，γ=21 kN/m3，h=0.25 m，C=20 kPa，φ=30°，将参数代入上述公式（13）可知：弯曲岩层发生折断倾倒临界差长度为10.9 m，岩层折断倾倒位于全—强风化片麻岩的分界处，而钻孔揭示岩层折断倾长度为11.2 m，正好位于全—强风化分界。

4  滑坡变形破坏演化过程分析

陡倾顺层岩质滑坡的变形破坏机理研究结果显示，岩体发生变形时历经初始形成阶段、加速变形阶段、剪断贯通阶段3个阶段［25-26］。由于岩性及区域地质构造的差别及受库水波动的影响，兰陵溪滑坡变形演化过程可分为差异性风化、岩层弯曲变形、岩层倾倒破坏、折断面贯通等4个阶段，演化过程如图9所示。

（1） 差异性风化阶段。研究区历史上地质活动剧烈，期间多次发生区域变质作用及侵入不同时期岩浆岩，侵入岩脉厚度均小于20 cm，使得兰陵溪滑坡岩体软硬相间，岩体力学性质差异大。长江与兰陵溪的不断下切，形成陡倾斜坡，斜坡岩体内部应力发生改变，裂隙发育。由于岩体力学性质不同，在长期的自然营力作用下，岩脉风化程度慢，片麻岩风化速度快，从外到内的风化程度不同，岩石由表及里逐层风化，如图3与图6所示。演化过程如图9（a）所示。

（2） 岩层弯曲变形阶段。随着片麻岩风化向内部伸展，石英岩脉也在风化作用下变薄，且裂隙发育，岩脉抗弯强度变弱。风化物挤压力及中后部扰动产生弯矩作用，促使岩脉在抗弯强度弱部位产生弯曲。后期在岩体自重、片麻岩风化物作用下，岩层逐渐弯曲，沿斜坡向下岩层弯曲现象普遍发育，弯曲岩层甚至出现反倾，演化过程如图9（b）所示。

（3） 岩层倾倒破坏阶段。片状岩体折断前，岩体风化向斜坡内部伸展，岩体强度持续减弱，岩体继续弯曲变形。风化物沿岩体间结构面及构造裂隙充填其中，雨水渗入结构面及裂隙中，加速片状岩体软化，泥质填充物产生膨胀挤压力，对岩层产生水平弯矩，加速岩层的弯曲变形，从前缘至后缘岩层反倾角度逐渐变大。当风化物堆积到一定程度，在外力作用下，沿斜坡向下滑动，滑过片状岩体时，对岩体压力突然间增大，岩体在抗弯强度弱的部位发生折断。坡积物下滑速度变快，折断岩体反倾角度从斜坡上至下依次增大，且折断后岩体向前滑移形成错位。坡积物滑动，促进裂隙发育及岩层倾倒变形的速度，根据查阅资料及现场调查发现库水位145 m以下存在滑坡堆积物。弯曲岩层在自身重力及摩擦力作用下发生折断，岩层发生大幅度偏转，即折断岩层反倾。在库水掏蚀作用下，斜坡局部发生塌岸，加快演化速度，演化过程如图9（c）所示。

（4） 折断面贯通阶段。弯曲折断后岩层发生倾倒变形，雨水渗入、坡积物填充膨胀等使折断岩石下移，而促使弯曲未折断岩层加速弯曲折断。随着三峡水库的蓄水，在库水周期性升降、暴雨、人类工程活动等外在因素的影响下，弯曲折断后岩层发生倾倒变形，倾倒变形持续发展，折断面贯通形成一条潜在的滑移面，演化过程如图9（d）所示。

库水不断掏蚀斜坡前缘，形成良好的临空面，斜坡内应力及稳定条件发生改变，由基本稳定状态演化为欠稳定状态。人类耕作活动有利于雨水渗入，在动水压力下斜坡开始发生蠕动变形现象，演化为滑坡。

5  结论与讨论

5.1  结 论

通过分析兰陵溪陡倾岩质滑坡的变形破坏特征、地质成因、力学机制分析、变形破坏演化过程，得到以下结论：（1） 兰陵溪滑坡为典型的陡倾顺层岩质滑坡，其变形模式为弯曲-倾倒变形破坏，滑坡中下部岩层弯曲-倾倒变形现象明显，岩体反倾、角度变陡。

（2） 差异性风化是兰陵溪滑坡弯曲-倾倒变形的主要原因。片麻岩与岩脉构成软硬相间岩体，岩体力学性能差异性大，呈现出差异性风化。片状片麻岩抗风化能力弱，岩脉抗风化能力强，岩脉在风化物及反转应力作用下弯曲。雨水入渗软化及填充物膨胀下加速弯曲，岩体在抗弯强度弱部位发生折断倾倒。

（3） 岩体发生折断处位于全—强风化分界处。通过力学机制可知：越靠近滑坡前缘受到上部压力及反转应力越大，前缘岩体反倾角度比中、后部大。

（4） 兰陵溪滑坡的演化过程可分为4个阶段：差异性风化阶段、岩层弯曲变形阶段、岩层倾倒破坏阶段、折断面贯通阶段。折断面贯通时斜坡演化为滑坡。

5.2  讨 论

（1） 力学机制探讨。本文采用反转应力法与梁板强度理论相结合的方法分析兰陵溪滑坡变形时受力情况。验算的片状岩体折断点与实际钻孔岩芯记录相符，说明该方法的可行性与有效性。但此方法在运用过程中忽略了弯曲岩层强度逐渐递减、风化层之间厚度不均的情况。希望后期学者遇同类型斜坡时优化力学机制方法，考虑本文忽略的问题。

（2） 破坏模式探讨。兰陵溪滑坡是典型弯曲-倾倒的破坏模式。陡倾顺层弯曲-倾倒破坏模式在变质岩类滑坡未见到研究，未能找到相关参考与借鉴的依据，本文研究具有一定局限性。据现场调查，弯曲-倾倒现象在兰陵溪滑坡前缘有明显出露，滑坡现处于蠕动变形阶段，钻孔岩性揭示尚未形成一条明显的滑带。希望后期学者对该滑坡进行深入研究时，分析其变形破坏模式是否产生变化以及是否形成明显滑带。

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（编辑：刘 媛）

Study on evolution process of steeply dipping gneiss landslides：case of Lanlingxi Landslide

WANG Jianping1，2，MA Sizhe1，2，DANG Chao1，2

（1.Key Laboratory of Three Gorges Reservoir Area Geohazards of Ministry of Education，China Three Gorges University，Yichang 443002，China;

2.College of Civil Engineering & Architecture，China Three Gorges University，Yichang 443002，China）

Abstract：

Bending-toppling failure is a deformation mode of steeply dipping stratified rock slopes.When its fracture surface penetrates to form a slip surface，the slope evolves into a landslide.Taking the Lanlingxi Landslide in the Three Gorges Reservoir area as an example，the inverse stress method and beam-slab strength theory were introduced to study the landslide deformation mode and evolution process.The results show that：① The rocky slope has the typical characteristics of steeply dipping stratified layer and hard-soft-integrated rock structure，which provides innate conditions for the occurrence of bending-toppling failure.② Differential weathering is the main reason for the bending-toppling deformation of the Lanlingxi Landslide.The bending strength of the lamellar gneiss is weak，which contributes to the gradual bending of the gneiss，and finally，the bending-fracture-toppling deformation failure happens.③ Lanlingxi Landslide evolution process had gone through the differential weathering stage，gneiss bending and deformation stage，gneiss toppling deformation and destruction stage，fracture surface penetration，etc.When all the fracture surfaces penetrated to form potential slip surfaces，the slope evolved into a landslide.The research results can provide a theoretical basis for the engineering management of this landslide，and can also provide new ideas for the management of the same type of rocky slopes.

Key words：

steeply dipping stratified rock slope; bending-toppling failure; hard-soft alternated rock structure; differential weathering; inverse stress method; beam-slab strength theory; Lanlingxi Landslide; Three Gorges Reservoir area