青海高原紅層滑坡機理的地質(zhì)綜合分析

吳紅剛, 馬惠民, 張紅利, 張忠平

（1.中國鐵道科學研究院，北京 100081；2.中鐵西北科學研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引 言

青海省西久公路地處青藏高原東北部，沿線斷裂、褶皺較發(fā)育，構(gòu)造復雜。該地區(qū)氣候惡劣、晝夜溫差大、每年凍融交替循環(huán)，物理風化作用強烈且影響深度較大。地形上山大溝深，水流湍急，下切能力較強。在構(gòu)造運動及外營力風化剝蝕作用下，地表巖土體破碎，坡體多由軟弱―半堅硬巖體、斷裂破碎帶或者松散堆積物組成，穩(wěn)定性極差，抗工程擾動能力弱，導致修筑公路開挖邊坡時易破壞坡體的穩(wěn)定性，引發(fā)滑坡等地質(zhì)病害（表1）。本文以龍穆爾溝DH6#特大型滑坡為重點研究對象來探討該類紅層滑坡的變形及發(fā)展機理。

表1 西久公路典型紅層大型滑坡特征

1 區(qū)域工程地質(zhì)條件

（1）地形地貌。西久公路沿線地貌類型大致劃分為高山山地地貌、高山山間盆地地貌、高山深切河谷地貌和高山?jīng)_積平原地貌四個單元，總體上為構(gòu)造隆升與流水作用形成的高原地貌。根據(jù)西久公路河北鄉(xiāng)～紅土山段的紅層滑坡調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果，滑坡主要發(fā)生在自然坡度為 10°～45°的坡區(qū)，尤以15°～30°最為集中；滑坡主滑段的傾角大多為13°～22°，略小于自然坡度。

（2）地層巖性。根據(jù)鉆孔資料及地質(zhì)調(diào)查，龍穆爾溝滑坡群地段發(fā)育的地層主要為第四系（Q4）堆積層、第三系（N）紫紅色泥巖、泥質(zhì)粉砂巖和白堊系（K1）紅色砂巖、砂礫巖。

（3）地質(zhì)構(gòu)造。總體構(gòu)造線呈EW向展布。由于受到周邊各相鄰大地構(gòu)造單元的推擠和后期構(gòu)造運動的影響，局部呈NW―SE向展布。以小板山、青次哈爾格山山脈為主體，由一系列中生代、新生代地層組成的EW向緊密線狀褶皺和EW向壓扭性斷裂所構(gòu)成。本區(qū)新構(gòu)造運動受東昆侖構(gòu)造帶總體構(gòu)造格局的制約，以斷塊升降運動為主導，主要表現(xiàn)為斷裂構(gòu)造的繼承性活動和山―盆耦合的振蕩性不均勻升降以及地震的多發(fā)性。

(4) 水文地質(zhì)。西久公路河北鄉(xiāng)―紅土山段所在區(qū)域河流主要為黃河及黃河Ⅱ、Ⅲ級支流尕群曲、尕干曲、賽欠曲、西哈壟、羊哈等24條小河，河流總體流向北東。幾處滑坡群所在區(qū)域均有貫串全區(qū)的溝谷，四季流水，流量隨季節(jié)及降雨（雪）量變化很大，從幾升至幾個立方不等，冬季勘察階段河水徑流量10 L/d。溝谷流水積年累月不斷在坡體前部下切、側(cè)蝕，并沿節(jié)理裂隙深入坡體。根據(jù)地下水賦存條件，水理性質(zhì)及水動力特征，該區(qū)地下水類型可劃分為松散堆積層上層滯水、基巖裂隙水兩大類。松散堆積層上層滯水分布于黃河及其支流的河谷地帶，河漫灘及Ⅰ、Ⅱ級階地；基巖裂隙水主要賦存于泥巖、泥質(zhì)粉砂巖地層中。泥巖、泥質(zhì)粉砂巖固結(jié)程度相對較低，成巖性較差，裂隙較發(fā)育，裂隙水是其主要類型及賦存形式。泥巖、泥質(zhì)粉砂巖的富水性不均衡，泥質(zhì)砂巖滲透性好，而泥巖滲透性較差多構(gòu)成隔水層。

2 紅層滑坡機理分析

雖然滑坡發(fā)生發(fā)展的原因是多方面的，但歸根到底都是由于坡體巖土的強度場和應力場發(fā)生了變化，坡體的破壞最簡單的解釋就是巖土體的應力超過了其可以承受的強度極限。西久公路河北鄉(xiāng)―紅土山段之所以產(chǎn)生大量類似于龍穆爾溝 DH6#滑坡這樣的大型紅層滑坡，其根本原因在于第三系紅層為半成巖狀，成巖性差、強度低、具膨脹性，遇水易軟化，為大型滑坡的形成提供了必要的物質(zhì)基礎(chǔ)；同時地殼強烈抬升，溝谷下切，側(cè)向卸荷作用使巖體強度進一步降低，受地震、降雨等作用的影響，促發(fā)大量的紅層滑坡。

2.1 特殊的巖土性質(zhì)

組成紅層的巖石一般有礫巖、砂巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥巖、頁巖等，不同地區(qū)、不同場地的不同巖石物理力學性質(zhì)存在著巨大的差異，差異的主要原因在于物質(zhì)成分和膠結(jié)方式的不同。通過大量的室內(nèi)試驗，獲得了青海第三系紅層的物理力學參數(shù)，同川、滇等地區(qū)的紅層軟巖相比較，青海省第三系紅層具有其特殊性質(zhì)：

（1）青海第三系紅層的強度明顯低于川、滇地區(qū)紅層。第三系紅層軟巖的粘聚力在 0.02～0.1 MPa之間，內(nèi)摩擦角在 18°～31°之間。而四川境內(nèi)南渝路工點紅層的粘聚力在1.5～4.0 MPa之間，摩擦角在 25°～56°；安楚路工點紅層的粘聚力在1.9～9.3 MPa 之間，摩擦角在 26°～45°之間。

（2）青海第三系紅層的水理性（膨脹性、水軟化）明顯強于川、滇地區(qū)紅層。第三系紅層的干燥單軸抗壓強度在29～35 MPa之間，飽和單軸抗壓強度為1.1～1.9 MPa，天然抗壓強度為8～11 MPa，軟化系數(shù)在 0.03～0.06之間。也就是說飽水情況下第三系紅層軟巖的強度相對于干燥狀態(tài)衰減達95%以上，即使相對與天然狀態(tài)，其強度衰減也在85%以上。而四川地區(qū)的紅層與天然含水量相比，飽水情況下泥質(zhì)粉砂巖的內(nèi)摩擦角降低了 7%，粘聚力降低了 19%；泥巖內(nèi)摩擦角降低了 8%和粘聚力降低了18%。紅層中礫巖、砂巖、部分粉砂巖屬于硬質(zhì)巖，強度較高，飽和抗壓強度一般在30 MPa以上，最高可超過150 MPa，浸水軟化效應不明顯，軟化系數(shù)一般在0.6以上。

以上兩點特殊的巖土性質(zhì)是該地區(qū)滑坡頻發(fā)的物質(zhì)基礎(chǔ)。龍穆爾溝西岸為第三系泥巖組成的坡體，泥巖為半成巖狀，膠結(jié)和固結(jié)成度都比較低，抗水性差，持水性強，被水浸泡易膨脹軟化，強度降低。這套泥巖地層的層面產(chǎn)狀比較穩(wěn)定，層面多數(shù)比較平緩，淺層滑坡主要是沿泥巖和泥質(zhì)粉砂巖的交接帶形成。受區(qū)域性緩傾角結(jié)構(gòu)面和坡體后部陡傾角結(jié)構(gòu)面的共同作用，往往在深層滑帶后部形成次生剪切帶。該區(qū)域成為了中前部剪切滑動帶和后緣陡傾拉裂縫的過渡地帶，是后緣裂隙水和地表下滲水的匯集區(qū)。在上覆巖土的重力和反復發(fā)生的凍融冰劈作用下，這個過渡帶巖體逐漸破碎、軟化，成為整個坡體的最薄弱環(huán)節(jié)。

2.2 強烈的地質(zhì)構(gòu)造作用

西久公路四處滑坡群段（河北鄉(xiāng)滑坡群、龍穆爾溝滑坡群、軍工滑坡群、紅土山滑坡群）所在路段位于青藏高原新生代斷陷盆地內(nèi)，構(gòu)造作用強烈（圖 1）。根據(jù)本區(qū)斷層分布情況、山脈走向和河（溝）谷水系發(fā)育方向定性分析：龍穆爾溝地區(qū)構(gòu)造應力場的主壓應力方向為近南北向，在巨大的壓應力作用下，巖層發(fā)生折曲變形，儲存了巨大的變形能，并發(fā)育了NEE向的拉家寺斷裂（F2），河谷邊坡坡體產(chǎn)生了區(qū)域性的近南北向張拉構(gòu)造面；同時受NWW向壓扭性構(gòu)造力作用，發(fā)育了SN向、NNW 向斷裂（F6、F7）。

圖1 西久公路河北鄉(xiāng)—紅土山段地質(zhì)構(gòu)造圖Fig.1 Sketch map of geological structure of Hebei village-Hongtu mountain section in Xi-Jiu road alteration engineering.

上述斷層（F2、F6、F7）在龍穆爾溝地區(qū)交匯，受其影響，河谷邊坡巖體中節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖體破碎，為地表水的下滲提供了通道。地表水沿裂隙面下滲，在相對隔水地段富集，軟化滑動帶，從而誘發(fā)了滑坡發(fā)生。

2.3 強烈的河谷下切作用

河谷邊坡在河流下切過程中，伴隨地應力釋放坡體巖土將向臨空面方向發(fā)生卸荷回彈變形，坡體應力場發(fā)生顯著變化，從而在河谷邊坡一定深度范圍內(nèi)形成坡體卸荷區(qū)。在此過程中，坡體應力有可能超過巖石的長期強度，使得滑帶的蠕變變形進入等速甚至加速階段，造成坡體失穩(wěn)。從典型的河谷邊坡變形原因分析[1]來看，通常都是以軟弱巖體為物質(zhì)基礎(chǔ)，在河谷下切侵蝕作用下邊坡發(fā)生卸荷回彈，此后表層坡體松散，在強降雨和地表水下滲后，坡體巖土進一步弱化，在匯水部位形成軟弱面，最終使坡體失穩(wěn)變形。

通常河谷邊坡的形成過程是一段漫長的復雜的地質(zhì)歷史，隨著河谷的下切，河谷邊坡不斷卸荷松弛。河谷下切形成的坡體卸荷變形會因巖土體的蠕變性能而隨時間增加。我們對于這種下切過程采用概化的辦法，分階段模擬，即各次卸荷分別對應于各級臺地的形成。最高層臺地形成以前，該臺地坡體內(nèi)的應力0τ一般小于長期強度，此時坡體蠕變變形處于初始蠕變階段。河谷下切卸荷造成坡體內(nèi)應力場和位移場的變化關(guān)系可用圖2來說明。

圖2 河谷下切卸荷作用下坡體內(nèi)一點的應力和位移隨時間的變化曲線Fig.2 The curves of stress-time and displacement-time at a point of slope affected by valley incision and unloading.

假設河谷分Ⅳ次下切，每次所需時間分別為Δt1=t1，Δt2=t2?t1，Δt3=t3?t2，Δt4=t4?t3;每次下切卸荷在 A點（圖 3）軟弱面上產(chǎn)生的剪應力為Δτ1=τ1，Δτ2=τ2?τ1，Δτ3=τ3?τ2，Δτ4=τ4?τ3;每次下切卸荷使 A點發(fā)生的位移為Δu1=u1，Δu2=u2?u1，Δu3=u3?u2，Δu4=u4?u3。假設坡體巖土體剪切蠕變?nèi)岫葹镴(t)，河谷下切結(jié)束后坡體內(nèi)A點的位移為

由式（1）可知，每次下切卸荷后，都使A點增加一定量的位移，當位移增加到超過某個允許值時，A點發(fā)生破壞，多個這樣的破壞點貫通后就造成失穩(wěn)。下切卸荷所誘發(fā)A點剪應力較小時，其蠕變處于初始蠕變階段，變形在短時間內(nèi)趨于穩(wěn)定，如圖2中第I、II步下切卸荷的蠕變曲線就趨于穩(wěn)定；當誘發(fā)的剪應力大于巖土材料τf時，蠕變效應顯著，此時因為是等速蠕變或加速蠕變，位移隨時間迅速增加，如圖2中第Ⅲ、Ⅳ步下切卸荷時，變形增加很快，趨于不穩(wěn)定。因此在紅層這種流變性顯著的巖體內(nèi)，位移隨時間和河谷下切卸荷程度的增加而增加，累積的蠕變變形是造成坡體失穩(wěn)的重要原因。

圖3 龍穆爾溝DH6#滑坡工程地質(zhì)斷面圖Fig.3 Engingeering geological profile of DH6# landslide at Longmuer valley.

2.4 頻繁高震級的地震作用

按《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011-2001）規(guī)定：滑坡區(qū)抗震設防烈度為Ⅷ度，設計基本地震加速度值為0.20 g。地震對滑坡的作用主要有三個方面：一是增加下滑力，它作用在滑體的每個單元上是一種體積力；二是地震造成滑帶土中產(chǎn)生超孔隙水壓力，減小其抗剪強度；三是由于地震松動了巖土體，使坡體表面出現(xiàn)了裂縫，在強降雨的作用下雨水滲入坡體下軟化了滑帶土，從而誘發(fā)滑坡。

采用畢肖普法和超載法對天然狀態(tài)和地震狀態(tài)下DH6#紅層滑坡穩(wěn)定性進行了計算分析（表3）。從結(jié)果可知：天然狀態(tài)下穩(wěn)定的坡體，在地震作用下穩(wěn)定度迅速降低，坡體由穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定系數(shù)的平均降幅達到10%以上；地震對滑坡穩(wěn)定度的影響與滑體的厚度密切相關(guān)，厚度越大，影響越大，深層滑坡在地震作用下穩(wěn)定系數(shù)的降低幅度比淺層滑坡大了近30% 。

2.5 水和季節(jié)性凍融對巖土體性質(zhì)的作用

2005年8月該路段滑坡的滑動變形主要是由暴雨誘發(fā)的。在暴雨期滑體含水量在很短的時間內(nèi)提高，地表水的下滲軟化了滑帶土，使滑帶土強度指標急劇降低，最后導致了滑坡的滑動變形。2007年9月再度進入強降雨階段，大量雨水滲入坡體，坡體變形繼續(xù)加大。

表2 地震作用對DH6#滑坡穩(wěn)定性的影響

由于紅層中有大量蒙脫石等礦物成分，屬于水敏感性巖層，與水作用會產(chǎn)生復雜的物理化學變化，從而使坡體巖土的強度場發(fā)生變化，造成坡體失穩(wěn)。邊坡巖土與水作用后，物理方面的變化主要表現(xiàn)在：（1）邊坡巖土體（特別是滑帶巖土）由于受水的浸泡而軟化，使其抗剪強度降低從而造成失穩(wěn)；（2）水在坡體內(nèi)滲流時，在邊坡巖土體（特別是滑帶巖土）中形成一定的靜水壓力，有時會形成高孔隙水壓力，加速了滑帶變形而造成坡體失穩(wěn)；（3）水在坡體內(nèi)滲流時，引起坡體含水量分布變化從而改變了地下滲流場，從而形成了動水壓力。

化學方面的變化主要表現(xiàn)在：（1）紅層與水中離子發(fā)生化學反應，造成巖土膨脹；（2）水會溶解紅層中的易溶鹽，使巖體的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。

凍融作用加速了巖體的破壞。在冬季下滲水和基巖裂隙水在溫度低于零度時結(jié)冰，形成脈冰、網(wǎng)狀冰、透鏡冰、楔形冰等，體積膨脹，從而給周圍巖石以巨大的壓力，促使巖石的裂隙擴大，為地表水下滲和徑流創(chuàng)造了更好的條件；翌年夏初，天氣回暖，裂隙冰消融。至冬季重新凍結(jié)，周而復始。這種凍結(jié)和融化反復進行，就使巖石的裂隙逐步增多、擴大，從而產(chǎn)生冰劈作用，巖土體進一步破碎而泥化，物理力學指標降低，促使坡體表層不斷蠕動下滑。

3 結(jié)論

滑坡的發(fā)生及其發(fā)展受多方面因素的影響，是一個非常復雜的過程。就龍穆爾溝 DH6＃滑坡而言，特殊的巖土工程性質(zhì)，河谷下切造成的巖體松弛，降雨下滲和地下水活動引起的泥巖軟化、高震級地震作用和季節(jié)性凍融引起的巖體破碎是該滑坡發(fā)育的主要因素。其中特殊的巖土性質(zhì)、河谷下切和強降雨作用對該滑坡起著控制作用。特殊的巖土性質(zhì)是滑坡變形的物質(zhì)基礎(chǔ)；河谷下切過程中產(chǎn)生的卸荷作用使得滑坡的穩(wěn)定性逐漸降低，出現(xiàn)局部滑動;受降雨、地表水下滲和基巖裂隙水等的綜合作用，紅層巖土產(chǎn)生了復雜的物理化學變化，其結(jié)果是使紅層軟化，強度進一步下降，從而促發(fā)大量的紅層滑坡。該類滑坡的變形機理（圖 4）可以歸納為：原始地貌→河谷下切→坡體卸荷松弛→巖土強度衰減→水的作用→巖土強度進一步衰減→坡體整體滑移。

圖4 青海高原紅層滑坡機理Fig.4 Mechanism of the landslide in red strata in Qinghai.

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