滑坡问题论文

基于斜向层状岩质边坡滑坡机理的物理建模：一个案例研究

摘要：鸡尾山滑坡说明了一个斜厚层滑坡的失稳模式。由四组节理组成的边坡离心模型被用来探讨滑坡的诱发机理。当离心加速度增加的时候，贴于底部和滑块之间的裂纹应变计从后往前依次失效。当加速度达到16.3g的时候，关键块体的瞬时失稳会触发所有岩块的一个明显的倾斜滑动。物理建模和前期的分析表明，弱层强度不足和关键岩块的瞬时失稳是鸡尾山滑坡的主要原因。离心实验也验证了之前提出的驱动块——关键块模型斜向，即岩质边坡的斜向滑动的可行性。另外，由极限平衡的方法和离心实验表明，尽管关键块体的失效是瞬时的，一种渐进的稳定到不稳定的转变是存在的。

关键词：离心关键块体驱动块体岩溶带明显的斜向滑动斜厚层状岩质边坡

1，介绍

2009年6月5日，在中国重庆武隆的鸡尾山山顶，一场由巨大的岩质边坡失稳所引发的岩石崩塌影响了当地居民的生活，中断了经济活动。图一是鸡尾山滑坡的地形图。从中我们可以看到，一个由高约60米所组成的500万方的巨大岩石块体在山谷底部长达160米的地方发生剪切破坏后向前移动了1500米，最终覆盖了大约0.47平方公里的地方。

从1994年开始，当地政府在鸡尾山地区已经陆续开展了几项地质灾害调查；可是，要预测像这样大规模的滑坡和岩石崩塌是很困难的。之前的调查和分析预测东部悬崖上20万方的潜在岩体可能会横向失稳，威胁到直径100米的区域。显然，这一事件和之前的预测在岩石的失稳模式，滑动方向，规模以及最后的结果上都有很大的不同。软弱夹层上部的岩体缓慢下倾并挤压它前部的“关键块体”，随着软弱夹层强度的降低，关键块体上的应力就会不断累积，最后导致沿着岩溶带的剪切破坏。当出现明显倾角的时候，关键块体的剪切破坏也会发生，此时，关键岩体后面的大量岩石就会形成岩石滑坡。滑动的岩石体积高达500万立方，最后堆积在长达1.5千米的路上。人们不能预测此次鸡尾山灾难性岩石滑动和崩塌的原因是我们很难准确认识斜厚层岩石滑动的失稳模式。最初的失稳模型和原理建立在滑坡能量的大小和运动特点的基础之上，这可能会影响灾难模式和运行过程的分析。成功对大规模岩质边坡失稳进行预测和分析的关键取决于对失稳模型的认识。通过对比三峡的莲子崖滑坡和鸡尾山滑坡，我们发现，莲子崖滑坡在分析时考虑了重力、岩溶和采矿活动的综合作用，采用数值模拟的方法去分析滑坡行为和一个明显的倾斜岩体是如何发展成为滑坡的过程。一个“驱动块-关键块”的模型被建立起来，在这个模型中，驱动块受后边的坚实的岩体所限制，只能缓慢向前移动，最终导致前面的关键块瞬时失稳而崩塌（见图2）。为了揭示鸡尾山滑坡最初的破坏原理，我们做了土工离心模型试验去再现它。这个试验的结果被用来分析和证实运用“驱动块-关键块”的模型模拟斜厚层岩体滑动的可行性。

2，鸡尾山滑坡

鸡尾山滑坡的产生可以看做是由于岩石岩性，岩石结构、岩溶作用和采矿活动的共同作用。从图3中可以看出，滑动的岩体是由MaoKou组的厚石灰岩、

QixIa组的带有沥青页岩的中等厚度的石灰岩、二叠纪LiangSHan组的夹杂着铁矿石的粘土岩、志留纪HanJiaDian组的粉砂质泥岩构成。在厚的二叠纪的石灰岩中含有数层碳质和沥青质，结果，由坚硬岩石所构成的原始边坡就作用在软弱层上，这极容易导致失稳。由MaoKou和QiXia组的石灰石构成了鸡尾山滑坡的岩体，滑动面是由夹在QixIa组中下部的碳质组成。地层略微向西北方向下沉，在正东方向以一个较小的角度与南北走向的悬崖相交。悬崖为鸡尾山的滑坡提供了广阔的空间条件，这里存在两组近乎垂直的陡峭节理，一组走向和地层平行。节理和软弱层将岩石划分成为了极易在平面滑动中分解的“长方体”，这一前提是经历了初始的失稳。

石灰岩的岩溶作用沿着垂直节理的方向尤其强烈，在长期的蠕变作用下，就会形成分离的陡坎以及裂缝。分离的陡坎和裂缝为地下水的渗透提供了便利，最后形成了孤立的驱动岩块。在此之前，这里存在着沿着倾角方向的排水沟，这些排水沟最终会发展成为脆弱的蜂窝状的细胞溶盐带。这些驱动块会一直推动它们前面的岩体，最终会沿着岩溶作用带发生剪切破坏，而前面的抵抗岩体就被称为关键块。

采矿活动是通过岩体内部的应力调整来影响边坡的稳定性，这些应力的调整是由于采矿导致的悬臂效应所产生的。悬臂效应在一定程度上决定了滑坡所能影响的区域、裂纹的深度和滑动岩体的厚度。

3，土工离心模型在岩质边坡工程中的应用

土工离心模型能模拟重力场和由重力所引起的变形过程，揭示岩质边坡变形和失稳的原理。另外，它也可以为其他的分析方法提供可靠的参数。因此，土工离心模型已经被广泛用来进行物理建模以及对边坡失稳的分析。尽管如此，岩质边坡的土工离心模型和土质边坡的也不完全相同，因为岩石的节理、裂隙和其它的缺陷造成了岩体的各向异性和不连续性使得其离心实验更困难和富有挑战性。

倾倒和抗倾倒的边坡决定了岩质边坡的离心模型。在西澳大学，科学家对片理岩进行了一系列的离心实验，在试验中采取了多种测试技术。随后，Adhikary et.al和Dyskin也做了离心实验去研究含有节理的岩质边坡弯曲倾倒的破坏机理，他们观察到两种破坏机理：一是涉及到大体积岩体的瞬时失稳，二是由底部的裂隙逐渐发展成为大堆岩体的渐进式失稳。综合离心模型和极限平衡方法能获得好的结果。在1996年，Wang et.al用两种不同的材料建立了三个离心模型去研究完整的片理化岩体的倾倒。模型显示在破坏的表面有两条由表及底的破坏线。

当节理倾向平行于边坡的时候，破坏更容易沿着基底。Sjobreg在1996年同时对含有节理和完整的岩质边坡进行离心实验，发现含有节理的岩体产生了滑动而完整的却没有。他总结分析得出岩质边坡最初的破坏是缓慢、渐进式的，岩体的滑动是在一个平面上。含有一组节理的模型和离心实验吻合得很好，这更加清晰地说明岩质边坡的破坏是一种渐进式的破坏。这一结果表明，岩质边坡在其内部岩石达到其设计的峰值强度时可能会发生稳定到不稳定的转变。对于那些很厚的岩体，Wang et.al 于1991年在三峡地区做了离心实验去分析应力变化和变形以及完整岩体在开挖过程中的稳定性。莲子崖的模型也被用来在几种工程条件下进行离心测试。近些年关于开挖和应力（包括地应力以及地震）荷载的测试方法都发展了。Davies.et.al于2003年在研究温暖永冻土在有冰填充、两组节理共同作用下的稳定性方面迈出了意义重大的一步。

到目前为止，已发表的涉及岩质边坡离心实验的论文很少，这其中还包括很大一部分是建立在简单的平面应变模型基础上的倾倒实验。鉴于以上原因，我们采用离心实验去研究由斜厚层岩质边坡失稳引起的滑坡的机理和过程。

4,实验细节

4.1 模型的建立

图四展现了鸡尾山滑坡后的形貌。利用激光扫描手段，我们获得了一个与实际的滑动体接近的尺寸。根据驱动块-关键块模型，在考虑边界的情况下，我们将滑动体分为驱动滑块和关键滑块。这一滑动体长约720米，平均高度在60米左右，驱动块的最大宽度在125——152米之间。

我们选定滑动体的原型尺寸为800m×320m×560m，并且将其划分为800个由1.0m×0.41m×0.7m组成的小块。（逻辑关系）本模型由四组节理构成，这些节理将滑动体划分成为了5个驱动块体和一个关键块体。图5详细解释了模型的尺寸大小，节理走向的细节已在表2中列出。

4.2模型的准备

现场调查和大量的模拟表明，弱层的软化和关键体的失稳是鸡尾山滑坡的罪魁祸首。因此，离心试验模型的重点放在了软弱层和关键块体上。黏附于岩溶带上稳定的基岩上的关键块体被看做是滑动面。实验的关键是关于节理的建模。由于采矿活动很难模拟，所以离心实验中我们忽略了采矿活动的影响。

在岩石力学的物理模拟中，不同种类的材料被用来研究两个接触面间的摩擦力和黏聚力，各种胶、润滑剂、混合矿物粉末的组合，胶或者润滑剂、纸、粘土的组合和其它的一些组合都曾在研究中使用过。表1列出了以往在离心试验中使用过的材料。

节理走向的细节、建模的材料和相关的参数都已经列在了表2中。土工布被放置在滑动体和坚固的基座上去保持节理摩擦角不发生变化和适度。对于软弱层的模拟，是通过在土工布上涂抹润滑脂降低摩擦力和内聚力来实现的。贴于滑块之间的土工膜模拟了岩石较低的强度。

这一模型实体是由重晶石、水泥和石膏按照1:1.21:1.28的比率配比而成的混合物。这些块体都被刷成了不同的颜色以便在实验前后识别和观察。图6展示了这一模型被放置在带有监控的离心机箱上的情景。

模型是顺时针旋转的，而这些块体则有往相反的方向滑动的趋势。根据右手定则，产生的科里奥利加速度指向自由空间，对于边坡的破坏是有利的。但是，在实验中观察到的初始破坏是小规模的，只产生了极其缓慢的变形。因此，我们得出结论，科氏加速度是如此的小以至于几乎不影响模型边坡模型的稳定。

4.3 监控系统

为了研究斜厚层岩质边坡在采用离心模型实验时的倾向滑动，我们首先观察岩石裂缝的发展情况和岩体的运动特点。监控系统由裂纹应变计、激光传感器和照相机组成。三个应变计被贴于块体和稳定基础的横向裂缝上。裂纹应变计的伸缩和输出数据的变化反应了岩石块体的位移的变化。另外，两个激光传感器被安装来监测块体①和③的侧向位移。同时，我们还采用高分辨率的相机来监控倾向滑动的初始破坏。监控系统的构成可以在图6中看到。

5，测试结果

在实验过程中，离心加速度是以每4分钟增加2g 的速度逐渐增加的。当离心加速度从14g 增加到16g 的过程中，模型在达到16.17g 的加速度的时候破坏了。 图7反应了离心加速度随着时间增加时裂纹应变计的输出电压。在加速度较小时，由前面的T2提供的抗滑力足够大能阻止关键块体的滑动。随着离心加速度的增加，驱动块的残余下滑力会逐渐增大，这也将引起节理和驱动块的挤压。 在离心加速度达到14g ，CS1的加速度达到16g 的时候，一个突然的变化在裂缝应变计CS3和CS2的输出电压会明显地反映出来。这一突然的变化表明块体⑥、④、①此时是不稳定的。这一序列也证实了初始破坏的进行时从后往前的。 在加速度很低的时候，随着加速度的增加，驱动块的蠕动会引起节理和岩体的挤压。系统可以将输出电压转变成岩体的侧向位移，图8中给出了岩体的侧向位移。侧向位移的微小改变是由激光传感器的输出电压引起的，这一微小改变是由离心加速度刚开始施加时（此时边坡稳定，在距离破坏的时间是1860s)导致的微弯造成的。在离心加速度从14g 增加到16g 的过程中，两种块体在加速度达到16.7g 时会侧向位移发生突然的改变。侧向位移的突然改变表明岩质边坡发生了瞬时的破坏和大的变形。

图9是一张模型在初始破坏和大变形下的照片。从中我们可以看到，关键块体沿着视倾角发生滑动并触发了驱动块体的滑动。

6 ,总结和建议

在离心模型试验中，通过维度分析或者动力相似原理，我们将模型的结果扩展到原型上。一些频繁使用的换算系数已列在表3中。

有时候，m p r r ≠，0n 代替了n ，此时()n r r n p m ?=/0

在现场做的关于岩石物理力学性质的实验数据被用来计算岩质边坡模型的相关参数的换算系数，结果列于表4中。鉴于软弱层很薄，故只考虑了剪切强度。 表4表明摩擦角的换算系数是1，内聚力是离心加速度的倒数。边坡的安全系数等于内聚力的总和除以滑动力。滑动力和摩擦力随着离心加速度的增加而增加，因为它们和离心力之比是恒定的，而内聚力则始终保持不变。假定在每一个加速度下每一个模型都和原型相对应，这不断增加的加速度就和原型的内聚力相等，随之而来的是岩质边坡安全系数的下降。

驱动块的残余下滑力随着转动加速度的增加而增加。在加速度较小的情况下， 驱动块的蠕动和节理与岩体的挤压只会引起监控系统中输出数据上小的变化。代表岩质边坡稳定性的关键块体会一直保持稳定直到加速度达到16.7g,也就是说是离心加速度从14g 增加到16g 的过程中。边坡模型的瞬时破坏会引起监控曲线的突然变化。关键块会沿着交界面T2在视倾角上滑动，它身后的驱动块也会跟着滑动。我们可以得出这样的结论，岩质边坡的破坏是从后往前的，这也意味着在初始破坏——可以通过危险性分析来定义——之前会伴随着一些诸如分离的陡坎之类的前破坏现象。

现场调查和离心模型实验都认为是软弱层的软化和关键岩体的失稳是鸡尾山滑坡的主要原因。在现场调查中发现，由于地下水的存在，弱层发生软化并为驱动块体的缓慢下倾提供了便利。由于关键块体的抵抗作用，边坡直到所受到的

残余下滑力大于其抵抗力时才发生失稳破坏。关键块体沿着岩溶带和视倾角方向发生受到突然的剪切并发生破坏，它身后的驱动块也随之发生高速的滑动。实验结果证实了之前提出的滑动块——驱动块模型在斜厚层岩质边坡中发生视倾角滑动的正确性。

在滑坡现场，关键块体不是孤立的而是和在岩溶带上的稳定山体紧密联系的。在试验中，岩溶带被视为滑动与非滑动的交界面，我们用只具有摩擦力不具有黏聚力的土工布对它进行模拟。岩溶带的剪切破坏机理不能够进行精确的模拟。在未来，我们希望选择不同种类的胶对岩溶带的脆性进行模拟，再现岩体在高速离心加速度作用下的脆性破坏。而且，原型和模型在考虑节理空间上有所不同，因为为了简化，在模型中我们将岩体划分成为了五个驱动块体和一个关键块体。在以后，根据现场的调查，这些块体会被细分成更小的小块去研究块体在破坏中和破坏后的力学行为。

致谢

这项工作受到地质力学研究所对重庆地区地下采矿所引发的边坡变形的机理的研究项目和第12个五年计划中对国内地质灾害的监控、早期预警和风险评估的关键技术的研究项目的支持和赞助。作者特别感谢长江科学研究协会的高级工程师程永辉，李波先生和香港科技大学的两名教授W.W.Ng和蔡其平先生对这项工作的探讨。

来稿日期2012.1.8

收稿日期2012.3.2

编辑费红才