地層傾角及脆韌性結構差異對滑坡變形演化的控制
——來自物理模擬結果的啟示

何 文 剛，李 華 章，李 生 紅

(1.遵義師范學院 工學院，貴州 遵義 563006； 2.中國石油大學(北京) 油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249)

0 引 言

滑坡地質災害是一個全球性的熱點問題，引起了國際社會的廣泛關注[1-5]。截至2020年3月，全球已發生的巨型滑坡達數十萬起。這些滑坡主要分布在阿爾卑斯山、落基山、安第斯山、亞平寧及特提斯-喜馬拉雅等構造帶[6-7]，并且部分滑坡的規模和影響十分巨大，對人類的生產和生活造成了巨大損失[8-9]。因此，加強不同構造帶滑坡變形特征的研究，為有效預警滑坡和減小災害對經濟和社會帶來的損失具有十分重要的意義。

眾多學者利用GPS，GIS、遙感影像、地質地貌特征等開展了滑坡變形特征及其誘發機制的研究，表明滑坡主要是在極端降雨、地質構造以及人類工程活動等作用下發生的[10-15]。同時，還根據一些重大的滑坡災害，總結并建立了 “滑移-拉裂-剪斷”式、“擋墻潰屈”式、近水平地層的“平推式”式、反傾向巖層傾倒變形和“滑移-剪斷”式等5種常見的滑坡形成模式[16-21](見圖1)。但由于地質條件的復雜性，不同區域滑坡的形成機制仍具有較大差異。例如，針對黔北地區，在地層傾角較低條件下，對滑坡體的變形演化研究，目前還不夠深入。

圖1 常見滑坡幾何學特征模式[7]Fig.1 Geometrical patterns of the common landslides

物理模擬是目前構造變形模擬較為有效的手段之一，在造山帶、盆地和滑坡演化以及巖土工程物理模擬中均有廣泛的應用[22-23]。沙箱試驗是常見的物理模擬方法之一，可以模擬不同脆-韌性和不同傾角的地層，模擬試驗過程直觀清晰。與其他方法相比，沙箱物理模擬試驗具有明顯優勢[24-25]。目前，從地層傾角及脆-韌性厚度出發，開展滑坡變形演化過程的物理模擬研究工作仍比較缺乏。

為此，本文在前人研究基礎上，根據黔西六盤水市、晴隆縣、畢節市和遵義市一帶野外滑坡調查情況，從影響滑坡變形的兩個關鍵因素(地層傾角和滑坡體脆性層厚度)出發，設計了兩個系列6組模型，對滑坡體的變形演化過程進行了系統、深入的模擬研究。

1 物理模擬及設計

1.1 模型構建

地層傾角的大小會影響滑坡的變形演化過程。較小地層傾角和較大地層傾角條件下的滑坡，其運動學特征和蠕變擴展機制是存在明顯差異的。通過模型試驗可以得到充分理解。地層的組合差異與其說地層的流變學結構差異，使得滑坡體的演化過程存在明顯差異。地殼表層的巖體和土體在結構上的差異，造成力學性質的不同，形成不同的失穩狀態，進而在滑坡形成機制上也迥然不同。為此，從地層傾角和地層脆-韌性層厚度差異的兩個系列模型出發，設計地層傾角分別為5°(傾角較小)、15°(傾角中等)和30°(傾角較大)進行模擬對比，以探討滑坡變形的演化過程和運動學特征。

1.2 模型設計及裝置

地層的脆性層厚度和韌性層厚度，以及脆-韌性層厚度比，對構造變形樣式及演化過程具有重要的控制作用[22，26-27]。斜坡巖土體中，上覆地層的厚度和結構面強度之間的組合關系同樣對滑坡的形成具有重要的影響。因此，根據物理模擬的相似性原則，設計不同脆-韌性厚度的沙箱模型可以對滑坡變形演化進行研究探討。為此，本文根據滑坡形成的地質條件和地貌特征，設計如下兩個系列6組沙箱模型進行研究：

(1) 地層傾角差異對比模型。地層坡角5°條件下，韌性層厚1 cm，脆性層厚度分別為2 cm(試驗1)和1 cm(試驗2)的演化模擬；地層傾角15°條件下，韌性層厚仍然是1 cm，脆性層厚度分別為2 cm(試驗3)和1 cm(試驗4)的演化模擬；地層傾角30°條件下，韌性層厚仍然是1 cm，脆性層厚度分別為2 cm(試驗5)和1 cm(試驗6)的模擬。

(2) 脆性層厚度差異對比模型。在地層傾角和韌性層厚度一定的條件下，地層脆性層厚度分別是1 cm和2 cm的對比分析模擬(見圖2和圖3，表1)。

圖2 滑坡模擬試驗裝置(尺寸單位：m)Fig.2 Deformation apparatus of the landslide experiment

表1 模型結構及基本參數

1.3 材料及相似性

模擬材料主要是松散的石英砂和一定黏度的硅膠(見表2)。松散的石英砂是目前模擬上地殼脆性變形最適合的材料之一，它滿足庫倫破環準則，在地殼表層脆性破裂模擬中得到了廣泛應用[28-32]。因此，模型中的石英砂主要用來模擬上覆脆性層的變形。同時，黏度適宜的硅膠材料是目前模擬軟弱地層構造變形較好的韌性材料之一，它具有不同的流變學特性。在脆-韌性地層組合的褶皺-沖斷帶變形分析中也得到了廣泛應用[31-32]。因此，模型中的硅膠主要用來模擬滑坡體中的泥巖、膏鹽巖和頁巖等軟弱層。試驗中石英砂的粒徑為0.30～0.45 mm，密度為1.43 g/cm3。在常溫條件下，硅膠(廣州深圳化學有限公司)密度為0.94 g/cm3，黏度9.47×103Pa·s(見表2)。模型試驗及數據處理是在貴州省遵義市遵義師范學院構造物理模擬實驗室完成，且每組模型均進行了相似性驗證。

在正常的溫度和壓力條件下，地表巖石的密度、硬度及其他物理屬性與松散的石英砂具有較好的相似性，松軟的黏土和石膏等與一定黏度的硅膠也在物理屬性上具有較好的相似性(見表2)。模擬大構造的變形仍然適用模擬淺表層的構造變形，只是它們的分布范圍有一定的差異，對文中滑坡形成演化機制的討論不會構成關鍵影響[33-35]。根據側向摩擦力和基底摩擦力公式，對試驗中6組模型的初始受力狀態進行了分析計算，結果見表3。

圖3 模型設計Fig.3 Model design

表2 模型力學特性參數及相似系數Tab.2 Mechanical parameters and similarity coefficient of the models

表3 試驗模型力學參數Tab.3 Mechanical parameters of the test models

2 模擬結果

2.1 地層傾角5°

模擬結果顯示：在地層傾角5°，且韌性層厚度一定的條件下，產生了前緣和中后緣拉張裂縫現象。試驗1(脆性層厚2 cm，韌性層厚1 cm)的模擬結果顯示：初始變形的幅度較小，且變形初期主要是靠近臨空面發生滑塌構造和產生3條拉張裂縫，如圖4(a)中①～④所示。隨著滑坡演化的進行，前緣形成的拉張斷裂數量和規模逐漸增大，基底的韌性層刺穿上覆脆性層。同時在坡體的中后緣也形成2條拉張裂縫，且靠近坡體頂部形成1條平直的拉張裂縫，如圖4(a)中⑤～⑥所示。試驗2(脆性層厚1 cm，韌性層厚1 cm)的模擬結果顯示：初始變形仍然發在坡體的前緣，且形成的斷層幅度較小，如圖4(b)中①～④所示?；伦冃沃泻笃冢谇熬壭纬?條間距較為寬大的拉張裂縫和2個底辟刺穿構造，同時在靠近坡體的后緣形成1條拉張裂縫，最后坡體停止滑動并逐漸穩定下來，如圖4(b)中⑤～⑥所示。

2.2 地層傾角15°

圖4 試驗1和試驗2的滑坡模擬序列結果Fig.4 Sequential deformation features of the landslide in Experiment 1 and Experiment 2

圖5 試驗3和試驗4的滑坡模擬序列結果Fig.5 Sequential deformation features of the landslide in Experiment 3 and Experiment 4

模擬結果顯示，當地層傾角15°時，在韌性層作用下，形成了后緣拉張、前緣擠壓的滑坡樣式。試驗3(脆性層厚2 cm，韌性層厚1 cm)的模擬結果顯示：初始變形的幅度較大，在坡體后緣形成與滑動方向垂直的3條裂縫，且側向形成斜向伸展型裂縫，如圖5(a)中①～③所示。隨著滑坡演化的進行，形成的拉張斷裂數量和規模逐漸增大，并伴有底辟構造產生。在滑坡演化的中后期，后緣繼續形成拉張裂縫，前緣產生擠壓變形，蠕滑的速度逐漸減小，最后坡體停止滑動并逐漸穩定下來，如圖5(a)中④～⑥所示。試驗4(脆性層厚1 cm，韌性層厚1 cm)的模擬結果顯示：初始變形的幅度較小，在后緣形成與滑動方向垂直的2條裂縫，且側向形成斜向伸展型裂縫，如圖5(b)中①～②所示。隨著滑坡演化的進行，形成的拉張斷裂數量和規模逐漸增大，并伴隨有底辟構造產生，且形成的底辟體之間的間距越來越大，如圖5(b)中③～④所示?；伦冃沃泻笃?，后緣繼續形成拉張裂縫，前緣產生擠壓變形，坡體的蠕滑速度逐漸減小，且底辟大量出露到模型表面，最后坡體變形逐漸減弱并停止滑動，如圖5(b)中⑤～⑥所示。

2.3 地層傾角30°

試驗5(地層傾角30°，韌性層厚1 cm，脆性層厚2 cm)的模擬結果顯示：變形初期，脆性層后緣快速拉張，并且石英砂沿韌性層頂部發生快速滑移，如圖6(a)中①～②所示。運行40 min后，大量的脆性層堆積在滑坡體的前緣，坡體內部形成部分斷層，如圖6(a)中③～④所示。變形中后期，只有韌性層之上約4 mm厚的脆性石英砂隨韌性層緩慢蠕動，前緣繼續擠壓，最后坡體慢慢穩定下來，如圖6(a)中⑤～⑥所示。試驗6(地層傾角30°，韌性層厚1 cm，脆性層厚1 cm)的模擬結果顯示：變形初期，脆性層后緣快速拉張，并且石英砂沿韌性層頂部發生快速滑移，如圖6(b)中①～②所示。運行20 min后，大量的脆性層堆積在滑坡體的前緣，坡體內部形成部分張性斷層，如圖6(b)中③～④所示。變形中后期，只有韌性層之上2 mm厚的脆性石英砂隨韌性層緩慢蠕動，前緣繼續擠壓，最后坡體在韌性層的作用下緩慢蠕動，并慢慢穩定下來，如圖6(b)中⑤～⑥所示。

2.4 脆性層厚度差異模擬結果對比

3組模型模擬結果顯示，如脆-韌性厚度存在差異，則坡體的變形特征存在明顯不同：① 傾角5°，脆-韌性層厚度比為1∶1時，形成的斷層幅度小，且后緣斷呈對稱性弧形發育并靠近坡體頂部分布(見圖7(a))；而脆-韌性層厚度比為2∶1時，則在坡體靠近中部一側出現拉斷斷裂分布，表明坡體的應力分布特征存在明顯的差異(見圖7(b))。② 傾角15°，脆-韌性層厚度比為1∶1時，形成的斷層幅度小，韌性層刺穿上覆脆性層，形成底辟構造(見圖7(c))；而脆-韌性層厚度比為2∶1時，則出現前緣擠壓現象(見圖7(d))。③ 傾角30°，脆-韌性層厚度比為1∶1時，脆性層快速滑動，在坡體的前緣形成擠壓現象(見圖7(e))；而脆-韌性層厚度比為2∶1時，則仍然出現前緣擠壓現象，只是初始滑坡的滑動速度比脆性層薄的模型更快，且韌性層之上殘余的脆性層厚度也比較厚(見圖7(f))。

圖6 試驗5和試驗6的滑坡模擬序列結果Fig.6 Sequential deformation features of the landslide in Experiment 5 and Experiment 6

圖7 脆性厚度差異模擬結果對比Fig.7 Comparison of models with different thicknesses of brittle layers

3 討 論

3.1 地層傾角對滑坡變形的控制

試驗結果揭示，在高地層傾角的條件下，坡體的變形以滾動和快速滑移為主。但隨著地層傾角的減小，由30°減小到15°，最后減小到5°，坡體的滑動模式和速度都發生較大的變化。高地層傾角條件下，主要是快速滑動。坡體的滑移過程主要表現為后緣的快速拉張和前緣的堆積和擠壓(試驗5和試驗6)。較小地層傾角條件下，主要是緩慢滑動和蠕滑，坡體的滑移過程主要表現為前緣的重力滑塌和后緣的拉張和中部的剪斷(試驗1和試驗2)。 前人對此也具有相似的研究認識，如相關研究成果揭示地層傾角越小，坡體的變形模式主要由滑移-拉裂向蠕滑-拉裂轉化[1]。在地層傾角小于30°條件下，坡體的滑移過程則與高地層傾角的滑移過程存在明顯差異。由此可以推測，高地層傾角條件下，滑移主要是在重力場的作用下變形，而較小層傾角條件下，滑移的過程由自重應力、側向摩擦力和基底摩擦力共同控制[29-30]。坡體地層傾角大小的不同，導致其重力場分布存在明顯差異。因此，地層傾角在控制坡體滑移還是蠕滑變形中均起著關鍵的控制作用。

3.2 地層的脆-韌性層厚度滑坡演化的影響

地層的脆-韌性層的厚度對坡體的緩慢滑動或者蠕滑變形演化具有明顯的影響。試驗1和試驗2，雖然其變形的幾何特征具有很大的相似性，但變形構造的分布存在明顯的差異。在韌性層一定的條件下，隨著滑坡體的演化，坡體中后緣形成的斷裂位置不同：脆性層越厚，坡體中后段發育斷裂的位置越靠近坡體的前緣，而脆性層厚度越薄，則斷裂的形成位置就越靠近后緣。試驗3和試驗4的坡體演化過程則同樣揭示了脆-韌性厚度比的影響。在脆-韌性層厚度比2∶1 條件下，坡體滑移過程中產生的斷層幅度較大，且形成基底底辟構造樣式，坡體內部陡坎式的斷裂極為發育；而脆-韌性層厚度比1∶1 條件下，坡體的滑移速度較慢，且滑移后期主要是以韌性層的蠕動變形為主。相關演化過程存在差異的原因，主要是脆性層越厚，其自重應力越大。當其自重應力大于基底摩擦力時，發生變形擴展的時序在緊鄰臨空面附近，即主要是從前緣向后緣擴展。而脆性較薄，摩擦力大于自重應力，此滑動過程是前緣變形之后才是后緣頂部脫離母巖，最后再是坡體中后部靠近母巖一側形成拉斷破裂。因此，在地層傾角一定的條件下，滑坡體的演化過程明顯與該地區脆-韌性層厚度組合有關。

3.3 與實際滑坡變形的相似性分析及其指示意義

在黔西北地區，復雜的地質地貌孕育了很多滑坡災害。盡管緩傾角條件下的滑坡變形受到結構面的形態、地層流體和地層溫度等多種地質因素的制約而顯得十分復雜，但本文滑坡體演化過程的模擬結果可以較好地揭示蠕動滑移變形中產生的變形樣式和擴展過程，并且其與實際對比具有較好的相似性。

位于貴州省黔西地區的晴隆縣沙子鎮滑坡，未變形之前該坡體所在的地層傾角較小，約8°左右(見圖8和圖9)。縱向坡體結構特征為基底含有一層軟弱層煤和泥巖，上覆松散的砂和第四系沉積物。2018年的滑坡導致了天然氣管線的破裂，引起了相關部門的高度重視。學者對此開展了一定的研究工作，較好揭示了該坡體的變形特征。但對其形成演化過程的認識還十分不足，本文模擬研究結果可以較好揭示其演化過程，并且坡體變形的幾何特征極為相似。地表大量的松散推積體在基底韌性剪切帶的作用下，發生緩慢蠕滑變形。在滑坡的演化初期形成前緣拉張裂縫，在坡體變形的中后期形成后緣拉張裂縫和前緣的擠壓變形，并導致了前緣天然氣管線的破裂。

圖8 黔西晴隆縣沙子鎮地層傾角8°條件下的滑坡變形Fig.8 Landslide deformation of stratum dip angle of 8° in the Shazi Town，Qinglong County，western Guizhou Province

圖9 黔西晴隆縣沙子鎮滑坡變形剖面Fig.9 Profile of the landslide deformation in the Shazi Town， Qinglong County，western Guizhou Province

盡管本文只是從地層傾角和脆-韌性組合條件開展模擬，與實際的坡體特征有一定的差異，但研究成果對于0°～30°地層傾角條件下脆-韌性層滑坡的演化過程認識具有重要的參考價值。

4 結 論

本文采用沙箱試驗揭示了臨空條件下，韌性層厚度一定和地層傾角分別為30°，15°，5°的滑坡演化過程。得出如下結論：

(1) 地層傾角對滑坡的運動形式具有重要的影響。在地層傾角小于30°時，變形過程主要以蠕滑變形為主，且初始變形幅度較小，而高地層傾角作用下，滑坡以快速滑動為主，且在坡體前緣形成擠壓和坡體后緣形成拉張的構造樣式。

(2) 脆-韌性層厚度的差異對坡體內部斷裂的分布位置具有明顯的控制作用。脆性層越薄，坡體后緣形成的斷裂規模越小，并且其形成位置更靠近后緣坡頂一側，而脆性層厚度越大，則坡體后緣形成的斷裂越靠近其中部。

(3) 較小的地層傾角和脆-韌性層厚度比條件下，滑坡的演化時序為前緣拉張，然后是后緣拉張到中部剪斷，再到前緣擠壓，最后坡體緩慢滑移并停止蠕動。

(4) 該滑坡的模擬試驗分析對黔西北乃至西南地區的滑坡成因分析、滑坡勘查和預警具有重要的參考價值。

致 謝

感謝袁大雄和謝飛兩位學生參與野外工作和室內模擬實驗的數據處理。