上部覆蓋層下伏頁巖一類潛在滑坡演化變形機制分析

李瑞園　鄭博　梁軍林　容洪流

摘 要：為研究上部覆蓋層下伏頁巖這一類型的滑坡失穩變形，需要確定其變形的潛在影響因素，從定量角度上分析這一類型滑坡災害的變形演化問題。以容縣六王鎮西流河潛在滑坡為研究對象，借助鉆孔勘探、室內試驗和地質調繪，詳細分析了西流河滑坡的工程地質概況，并推測其可能的變形演化機制，然后利用Geostudio數值軟件建立西流河滑坡的滲流模型，模擬其在不同降雨工況下的滲流規律。研究發現：西流河滑坡在持續降雨過程中穩定性系數從1.224逐步降低至1.09，穩定性系數不斷下降，滑坡體內由垂直入滲逐步轉化沿滑動帶穩定滲流;當遭遇極端暴雨情況（50年重現期）時，滑坡體內穩定滲流場顯著增厚，飽和滑帶土增多，滑坡安全儲備達到極限。由此可以得出：上部覆蓋層下伏頁巖一類滑坡變形演化過程主要分滑坡體上部覆蓋層堆積階段，垂直入滲至頁巖富水軟化階段和穩定滲流至潛在滑動帶軟化蠕變這3個階段;其中上部覆蓋層的高滲透性和下伏頁巖的隔水特征是導致頁巖風化帶軟化蠕變和穩定滲流場形成的關鍵因素。研究結果為上部覆蓋層下伏頁巖這一類滑坡影響因素的研究提供了一些證據，對研究滑坡演化變形機制具有借鑒意義。

關鍵詞：巖土力學;滑坡;廣西容縣;頁巖;滲流模擬;失穩機制

中圖分類號：P642.2

文獻標識碼：A

Abstract： In order to study the landslide instability deformation of the shale under the upper overburden， it is necessary to determine the potential influencing factors of the deformation and analyze the deformation evolution of this type of landslide disaster from a quantitative perspective.Taking the potential landslide of Xiliu River in Liuwang Town， Rongxian County as the research object， ?with the aid of drilling exploration， indoor test， geological annotation， the general situation of engineering geology of Xiliu River landslide was analyzed in detail， and the possible mechanism of deformation evolution was speculated. Then， the seepage model was established by using Geostudio numerical software to simulate its seepage law under different rainfall conditions. The results show that the stability coefficient of Xiliu River landslide gradually decreases from 1.224 to 1.09 in the process of continuous rainfall and the landslide body gradually changes from vertical infiltration to the stable seepage flow along the slip zone; When extreme rainstorm is encountered （50year recurrence period）， the stable seepage field in the landslide body thickens significantly， the saturated slide zone soil increases， and the landslide safety reserve reaches the limit. It can be concluded that the evolution process of the landslide deformation of the underlying shale in the upper overburden is mainly divided into three stages： The accumulation stage of the overburden of the landslide body， the vertical infiltration stage to the waterrich softening stage of the shale， and the stable seepage stage to the softening creep stage of the potential sliding zone. The high permeability of the upper overburden and the waterproof characteristics of the underlying shale are the key factors leading to the formation of in the shale weathering zone. The results of this study provide some evidence for influencing factors and evolutionary deformation mechanism of the landslide such as the underlying shale in the upper overburden.

Keywords：geomechanics;landslide; Rongxian county， Guangxi; shale; seepage simulation; instability mechanism

廣西壯族自治區容縣近年來由于礦產開發和過度資源開發導致滑坡、崩塌地質災害頻發。據廣西地質環境監測總站的監測數據統計，容縣地區20年來共發生了180余次規模大小不一的滑坡、崩塌地質災害，在廣西省各縣市地質災害中排名靠前，滑坡等地質災害造成的直接經濟損失超過0.5億元。容縣滑坡地質災害缺乏系統性分區評價和預警系統，滑坡的防災減災工作依然面臨較為嚴峻的挑戰。

滲透破壞作用是滑坡滲流穩定性分析的重要研究方向，國內外相關學者對降雨入滲所誘發的滑坡滲透破壞研究成果較多。LUMB[1]研究了香港地區的氣象資料，建立了滑坡與降雨的耦合關系，提出了一種簡化的降雨垂直入滲模型;安關峰等[2]引入了有限元分析和有限差分法模擬非飽和土在不同降雨條件下的穩定性分析規律;嚴紹軍等[3]結合室內模擬試驗，模擬了滑坡體在降雨滲流場中隨時間變化的規律，認為水在滑坡體內的運動分為入滲、水力重分布和排水3個階段。

涉及廣西地區滑坡災害的研究成果主要包括：廖麗萍等[4]搜集了廣西壯族自治區容縣2004-2015年的滑坡崩塌調查圖及崩滑統計資料，統計發現僅容縣地區現有滑坡總數為772個，其中高發密度區（六王鎮）滑坡約占總數的73.3%，同時建立了容縣崩塌滑坡地質災害的易發性評價指標;黃希明等[5]以容縣平梨滑坡為研究對象，分析了降雨和天然工況下該類型滑坡的穩定性問題，認為該滑坡前緣存在應力集中和小規模崩塌的可能;文海濤等[6]和邱恩露等[7]從統計學角度分析了容縣滑坡的空間分布特征和時間分布特征，認為強降雨周期和泥頁巖地層地區是滑坡高發頻率地區。

分析現有研究資料發現，容縣地區滑坡分析研究主要集中在數據統計、定性分析和現象描述階段[812]，對于特定成因類型的滑坡尤其是高發密度區滑坡類型的定量化分析評價成果較少。同時大多數研究成果是基于土質滑坡體的研究，關于土頁巖復合地層滑坡的研究相對較少。針對這一問題，筆者以容縣六王鎮典型滑坡體西流河滑坡（上部覆蓋層、下伏頁巖地層）為研究對象，結合現有的地質勘探資料，建立該滑坡的地層結構模型，從地層地質、降雨和水文等方面重點剖析了該潛在滑坡的演化變形機制;同時，結合試驗獲取滑帶土的非飽和土水特性參數，開展西流河滑坡的滲流穩定性計算，分析這類型滑坡在水巖相互作用下的變形劣化過程，從而驗證其演化變形機制，最后提出對這類型滑坡的預防加固措施建議。

1 西流河滑坡概況

西流河滑坡位于廣西壯族自治區容縣大王鎮，東經：112°58′46″，北緯：25°30′37″，滑坡總體形態呈寬“U”字型，近東西向分布，面積約為2.11萬m2，滑動體厚度為12～15 m，體積為2.4～3.0萬m3，滑坡體滑動方式以推移式為主。根據現場地質測繪，滑坡體現狀條件下存在較為明顯的滑動傾向，所在區域存在3處較為明顯的陡坎，滑體后緣公路出現較多微裂縫，滑體前緣部分土體堆積隆起，樹木向河道傾斜。依據目前的調查結果推斷滑坡體規模如下：滑體橫向寬度362～370 m，縱向長度610～619 m，厚度12～15 m，兩側地形較為陡峭，后緣以繞山公路為界，前緣為水稻田，潛在滑動方向為SE83°，其全貌如圖1所示。

1.1 地 層

根據西流河滑坡鉆孔勘探資料，該滑坡體主要地層分布情況如圖2所示。

從圖2可以看出，地層分為4層：第1層為耕植土，灰黑色、黃褐色，主要由粉土、砂巖碎塊石構成，潮濕，稍密松散，夾雜大量植物根系，厚1.00～1.50 m;第2層粉質黏土（Qel+dl3），黃褐色，中密，稍濕，主要由粉土及少量細砂構成，厚約8.60 m;第3層為頁巖風化帶，青黑色、青褐色，泥質結構，可塑狀態，含有較多的粗顆粒，為頁巖風化而成，厚0.20～3.00 m，厚度變化不均勻;第4層為頁巖，青黑色、黃褐色，薄層狀結構，大部分呈碎塊狀及薄片狀，其遇水很短時間內發生崩解，耐久性很差，揭露厚度12.70 m，未揭穿。

1.2 地質構造

研究區內斷裂以繼承性跳躍式運動為特點，斷裂延續時間較長，斷流形成時代劃分為中生代末至新生代初較合適，同時期在第三紀末至第四紀初普遍復活。其中，褶皺、斷裂較為發育，多數褶皺構造以向斜為主，區內巖體破碎，有助于水的滲透侵蝕，從而劣化巖體。第四紀以來本區域斷裂無活動跡象，區域穩定性較好。西流河滑坡位于一個向斜東南角方向，受構造裂隙切割導致頁巖整體產狀不均勻，完整性較差，在降雨入滲過程中容易受雨水侵蝕形成軟弱滑動面。

1.3 氣象與水文

研究區屬于溫帶大陸性氣候，多年平均年降水量為1 329.8 mm，降水量年內分配極不均勻，降水主要集中在6—9月份，汛期降水量可占年降水量的75%，是形成本區雨洪、內澇的主要原因。最大年降水量發生在7月，占全年降水量的23.7%，3—5月的降水量僅占年降水量的14.8%，容易出現春旱。11月至次年3月降水量僅占年降水量的7.6%。降水量年際變化比較明顯，有明顯的豐枯交替性。歷年最大降水量2 124.7 mm（1984年）。50年內極端暴雨記錄境內24 h最大降雨量為699 mm。

勘察場區地下水類型為第四系松散巖類孔隙潛水及基巖風化帶網狀孔隙裂隙水，補給方式受大氣降水補給，勘察時為豐水期，初見水位埋深2.10～3.60 m，靜止水位埋深3.20～4.10 m，靜止水位標高494.92～517.20 m，水位年變幅1.50 m左右。

西流河滑坡所在區域雨季漫長，巖土體長期飽和，上部覆蓋層與頁巖交界處容易產生地下水富集。旱季高溫導致水體蒸發，地層變得干燥而脆裂，頁巖具有較強的崩解性，季節反復交替作用下滑帶土的力學性質不斷劣化可能形成貫通的滑帶。

1.4 人類活動

人類活動對西流河滑坡的影響主要體現在如下3個方面。

1）植被開采導致的水土流失破壞，植被對于上部覆蓋層下伏頁巖類型滑坡的保護作用十分明顯。

2）工程改造活動，西流河滑坡體后緣的公路開挖邊坡以及前緣的開荒種地對于滑坡體的穩定性均是不利因素。

3）生活用水不合理排放，附近居民用水不規范排放改變滑坡體原有的水文條件，為地下水增加了來源，將會加速軟化滑帶土。

2 上部覆蓋層下伏頁巖滑坡建模分析

由于西流河滑坡這一類型滑坡體受滲透破壞影響明顯，筆者采用具有成熟的滲流模擬能力的Geostudio軟件建立有限元模型[1314]，用以模擬西流河滑坡在不同降雨工況所引發的滲流場分布和穩定性問題。

2.1 網格劃分及建模參數

1）建模網格

根據西流河滑坡實測斷面CAD圖，利用插值法生成模型尺寸，網格劃分精度為1 m，整個模型網格節點為1 211個，模型網格數為1 986個，如圖3所示。

2）地層劃分

滑坡體主要分為3層，第1層為粉質黏土及耕植土層，由于耕植土性狀不均一且厚度較薄，筆者考慮將其作為粉質黏土層考慮;第2層為頁巖風化帶;第3層為基巖頁巖層。

3）降雨滲流場

采用軟件中的Seep/W，Sigma/W，Slope/W模塊進行耦合分析，其中降雨工況依據容縣當地的氣象資料，筆者將西流河滑坡體受降雨條件影響的強度值做如下規定。

降雨條件選取年平均降雨量為1 329.8 mm，根據年平均降雨日為164 d，得出降雨強度平均值為0.39 mm/h。極端暴雨條件，根據24 h極端降雨量（考慮50年內記錄的極端值699 mm），得出極端暴雨條件下降雨強度平均值為29.12 mm/h。降雨過程采用振幅函數來進行循環定義，其中降雨強度隨時間的變化周期設定為72 h，在0～24 h內從0線性增大至最高平均值，24～48 h內保持平均降雨強度，48～72 h內降雨強度線性減小至0。

地下水位根據鉆孔揭露實際地下水位考慮。

4）物理力學參數

模型中各土層計算參數考慮室內土工試驗和現場原位試驗綜合確定，如表1所示。

2.2 滲流分析成果

模擬結果如圖5所示。

未發生降雨條件時，如圖5 a）所示，滑坡體內沒有滲流發生，其穩定性系數為1.224，處于穩定狀態。

當降雨發生35 d后，如圖5 b）所示，坡體內處于降雨垂直入滲過程，當遇水滲透至頁巖層時滲透能力減弱，其上部土體逐漸進入飽和狀態，此時滑坡穩定性系數1.194，穩定性有所降低。

降雨發生90 d后，如圖5 c）所示，降雨入滲過程由坡體垂直入滲轉變為沿風化帶向下游入滲，形成穩定的滲流面，穩定性系數在這一階段大幅度降低至1.09，這一變化過程符合滲流模擬分析。

當給予模型施加極端降雨工況后，滑坡體內的飽和土層厚度加大，穩定的滲流場變厚，這些變化均增加了滑坡的下滑力，根據自動搜索的滑動面計算出來此時滑坡體的穩定性系數為1.078，處于極限平衡狀態，隨時有發生整體滑動的風險。

從模型的模擬結果來看，上覆第四系堆積物下伏頁巖類型滑坡的變形破壞機制可以初步推斷為上部具有高滲透性的土體在充分吸收降雨或外部水源的垂直補給后，遇到透水性微弱的基巖頁巖層，逐漸在基覆界面富水飽和軟化，并形成穩定滲流場;持續降雨過程中滑體飽和土層增加，滲流場增厚，導致下滑力陡增，但是滑動帶收到軟化蠕變導致抗滑力下降，當總的下滑力大于抗滑力時，滑坡發生破壞。

3 上部覆蓋層下伏頁巖滑坡演化分析

通過對西流河滑坡地形地質條件、氣象和水文以及人工活動等因素分析，結合

數值模擬成果，認為西流河滑坡作為上部覆蓋層下伏頁巖一類滑坡的主要變形演化過程分為3個階段，如圖6所示。

1）上部覆蓋層堆積階段

如圖6 a）所示，該階段主要為滑坡形成過程，由于研究區地形剛剛形成，上部覆蓋層主要來源于殘坡積物堆積形成，同時頁巖作為基巖并未大規模風化，該階段是滑坡形成的初始階段。

2）接觸帶富水軟化形成風化帶

如圖6 b）所示，上部殘坡積物由于以粉質黏土夾雜砂、碎塊石，其滲流系數較高，強降雨作用下地表水大規模下滲，再遇到滲透性很小的侏羅系頁巖層后下滲水在基覆界面富集，同時在坡內形成向坡腳的穩定滲流場。這一軟化過程使得頁巖逐步發生軟化泥化，風化帶逐步形成。

3）風化帶長期飽水蠕變形成滑動帶

如圖6 c）所示，隨著頁巖風化帶內土體長期飽水軟化或者干濕循環交替，在基覆界面逐漸形成貫通的滑動面，極端降雨條件下大流量地表水短時間進入滑體并向下游滲流，增加滑體的下滑力;同時，地下水的滲入使得滑帶土飽水抗剪強度降低。當滑體的下滑力增加到大于抗滑力時，將會在基巖與覆蓋層接觸面形成貫通的軟化滑動帶，從而導致滑坡發生。

4 結 論

通過研究廣西容縣西流河潛在滑坡的變形演化機制并結合數值模擬軟件進行驗證，分析了上部覆蓋層下伏頁巖一類滑坡的滲流變形和破壞機制，得出如下結論：

1）容縣較廣西其他地區滑坡發生頻率和規模均顯著偏大，這與該地區的強降雨條件和特殊的地層地質條件密不可分。

2）西流河滑坡變形演化主要有3個階段：第1階段為覆蓋層堆積階段，是滑坡體形成初始階段;第2階段為降雨垂直入滲軟化基覆界線，形成頁巖風化帶階段;第3階段為持續降雨在覆蓋層底部形成穩定滲流場，導致風化帶富水軟化形成滑動帶，當抗滑力小于總的下滑力時滑坡變形破壞發生。

3）數值模擬結果表明，在降雨持續過程中，西流河滑坡的穩定性系數從1.224逐步降低至1.090，滑坡體內的滲流變化規律與推測基本一致，當發生極端降雨條件時，滑坡體處于極限平衡狀態。

4）針對這一地層類型滑坡體，建議在初期進行干預，阻斷或降低地表垂直降水入滲路徑，做好排水截水措施，防止形成穩定滲流場，加強植被保護，建立完善的滑坡活動監測預警預報系統。

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