下層為軟巖情況下的表層松散堆積體分析

黃明容

(成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，成都 610059)

0 引言

2008年四川汶川地震是中國產(chǎn)生的損失最為嚴(yán)重的一次地質(zhì)災(zāi)害。經(jīng)相關(guān)災(zāi)害排查顯示，四川省受災(zāi)范圍最廣，包括滑坡點(diǎn)3 314處、崩塌2 394處、泥石流619處、不穩(wěn)定斜坡1 656處、其他地質(zhì)災(zāi)害77處。(如圖1)[1]

圖1 地質(zhì)災(zāi)害隱患統(tǒng)計圖

然而，以高速遠(yuǎn)程滑坡(Yin，et al.在2011年從防災(zāi)角度上將高速遠(yuǎn)程滑坡定義為滑坡剪出后移動距離超過500 m并且移動速度超過20 m/s的滑坡)的危害性為滑坡中最為嚴(yán)重的。如2017年6月24日，發(fā)生于四川省茂縣疊溪鎮(zhèn)的滑坡，使83人死亡，該滑坡后緣高程為3 450 m，前緣高程2 250 m，水平方向距離2 800 m?；磪^(qū)巖性為中厚層和薄—中厚層狀變質(zhì)石英砂巖夾千枚巖(軟巖)、板巖(軟巖)。國內(nèi)研究者對該處滑坡進(jìn)行了滑前多期研究分析，如分別于2005年、2013年、2017年拍攝的遙感影像圖(圖2(b)所示)，得出在山脊頂部滑源區(qū)以100°∠70°、350°∠40°發(fā)育兩組結(jié)構(gòu)面為主要優(yōu)勢，可以初步觀察得出該三期影像近似日字形(圖2)[2]。從遙感影像可以得出，隨著時間的推移，該框選區(qū)域山體表面越來越松散，為產(chǎn)生高速遠(yuǎn)程滑坡提供了有利的區(qū)域地質(zhì)條件，另外，茂縣降雨豐富，雨水入滲到該區(qū)域裂隙中，當(dāng)表層松散堆積物底部摩擦力小于向下滑動啟動力時，表層松散堆積物開始沿著滑動面有微小滑動，此時雨水起潤滑作用，進(jìn)而促使松散堆積物在重力作用下朝臨空方向一定角度長距離且大速度滑移。許強(qiáng)認(rèn)為該處滑坡為高速遠(yuǎn)程滑坡—碎屑流，其依據(jù)是滑坡從小垮塌到主滑體滑動及最終滑體停止移動整個過程僅僅使用了120 s(主滑體滑動用60 s)，移動距離2.6 km，最大速度高達(dá)74.6 m/s[3]。茂縣新磨發(fā)滑坡的現(xiàn)場如圖3～4所示，該圖顯示在坡度相對較陡的滑坡滑面處出現(xiàn)新鮮基巖裸露(滑坡后緣)，而在滑坡的前緣出現(xiàn)了大量不規(guī)則的松散堆積物。

土體抗剪力對剪切帶內(nèi)大位移后的再活化滑坡及初次失穩(wěn)滑坡的反應(yīng)起基礎(chǔ)控制作用[4]，準(zhǔn)確確定滑坡抗剪切力這個參數(shù)對于工程干預(yù)和預(yù)測滑坡運(yùn)動是很重要的[5]。土壤的抗剪切力取決于顆粒組成成分和形狀[6]。在四川盆地和三峽地區(qū)常見的滑坡類型中，破壞往往發(fā)生于軟弱泥巖層內(nèi)，風(fēng)化破碎，通過運(yùn)動而變得柔和剪切應(yīng)變和孔隙水通過發(fā)育良好的垂直裂縫系統(tǒng)滲透。本文以四川省茂縣新磨滑坡為例，充分結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)環(huán)境、水文地質(zhì)、遙感解譯信息，運(yùn)用環(huán)剪實驗過程中試樣破壞前后的痕跡及其相關(guān)數(shù)據(jù)和理論解釋，并結(jié)合現(xiàn)場破壞實際情況，大膽地假設(shè)了該高速遠(yuǎn)程滑坡破壞機(jī)理及破壞成因。

(a)滑坡全貌分區(qū)

(b)滑前多期遙感影像對比圖2 茂縣新磨滑坡特征分區(qū)及多期遙感影像對比 [2]

1 碎屑流研究理論

Buss和Heim認(rèn)為瑞士Elm碎屑流—滑坡分為崩落階段、跳躍階段、激流3個階段；Heim認(rèn)為Elm滑坡與泥石流和液體中顆粒流體運(yùn)動過程類似，顆粒與顆粒產(chǎn)生碎屑流力?；履芑羞@么長距離是由于顆粒間存在孔隙和其他流體，使得碎屑流在流動過程中的有效應(yīng)力降低、底部摩擦系數(shù)減小。日本的sassa教授等提出了底部超孔隙水壓力模型，認(rèn)為當(dāng)碎屑流在沖擊層、淤泥層流動時，會卷刮流動面上的物質(zhì)，在摩擦底部產(chǎn)生飽和淤泥層，淤泥層受到其上部碎屑流力的作用，滲透系數(shù)較小(這個過程可以看成固結(jié)不排水剪切)，故在淤泥層內(nèi)會出現(xiàn)超孔隙水壓力，使得碎屑流施加給底部剪切面內(nèi)的有效應(yīng)力降低，摩擦系數(shù)減小而長距離運(yùn)動。該模型的優(yōu)點(diǎn)是在某種合理的條件下能很好地解釋碎屑流的高速遠(yuǎn)程效應(yīng)，且在現(xiàn)場找出相關(guān)證據(jù)證明(局限性在于不是每個高速遠(yuǎn)程滑坡碎屑流流經(jīng)之處都產(chǎn)生淤泥或冰川)。本文將以底部摩擦系數(shù)及超孔隙水壓力模型定性解釋該滑坡的形成過程。

圖3 茂縣新磨滑坡后緣

圖4 茂縣新磨滑坡前緣堆積體

2 分析

Wei Hu等人對重慶武隆雞尾山的取樣進(jìn)行了高速摩擦實驗，得出了豎向位移、土體內(nèi)摩擦系數(shù)和孔隙水壓力隨剪切位移及剪切速率的變化過程，如圖5所示[7]。第1階段，當(dāng)剪切速率在小幅度范圍內(nèi)增加時(圖5中從開始實驗至線1)，土體內(nèi)摩擦系數(shù)趨于穩(wěn)定狀態(tài)，微小的剪切速率使土體顆粒產(chǎn)生緊密接觸，顆粒與顆粒間孔隙變小，飽和的試樣會有水排出，出現(xiàn)負(fù)孔壓，該階段豎向位移減小，有效應(yīng)力增加，可以應(yīng)用有效應(yīng)力原理解釋。第2階段，當(dāng)剪切速率達(dá)到一定值后，土體內(nèi)摩擦系數(shù)開始以逆時針較大角度減小，到了土體一定極限時以逆時針較緩角度減小，最終趨向平穩(wěn)，此時，孔隙水壓力基本在第1階段負(fù)方向增加的那個值保持穩(wěn)定，而豎向位移則呈現(xiàn)上升趨勢，這樣的現(xiàn)象可以解釋為土體之間打破了原來的平衡，微粒之間開始重新排列尋找適應(yīng)該剪切速率之間的新平衡。第3階段，當(dāng)剪切速率在線2之后無論增加多大，內(nèi)摩擦系數(shù)及孔隙水壓力基本保持不變，而豎向位移則以波浪的形狀開始減小，土體已經(jīng)達(dá)到新的平衡且此時的土體基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 Wei Hu等重慶武隆雞尾山滑坡樣[7]

四川新磨滑坡產(chǎn)生的原因一方面是該地區(qū)地質(zhì)因素(內(nèi)因)，包括地層巖性(石英砂巖夾板狀泥巖、千枚巖)、斜坡坡度、地質(zhì)構(gòu)造、地質(zhì)結(jié)構(gòu)等；另一方面是該地區(qū)常年降雨量豐富且在2008年汶川大地震打破了其一定范圍內(nèi)的斜坡原有的穩(wěn)定狀態(tài)，致使大多數(shù)原粘接較好的巖層表面出現(xiàn)大小不均的裂縫(為雨水入滲經(jīng)過最表層砂巖過濾之后浸潤該地中的千枚巖、板巖形成良好的滑動面提供有力條件)，巖層表面堆積一定高度的松散堆積體。結(jié)合圖4～5分析及圖2～3、6所示，運(yùn)用相似理論，可以將新磨滑坡的滑坡過程解釋為：第1階段又稱滑坡初期，該階段在2008年汶川地震以來，經(jīng)過近9 a的降雨入滲，導(dǎo)致邊坡累積性質(zhì)變，底部軟巖吸水程度到達(dá)飽和狀態(tài)或即將飽和狀態(tài)，此時底部摩擦大幅度減小，雨水起到了潤滑作用及加大了土體向下的力，使巖層表面松散堆積體開始以很慢的速率沿軟弱滑動面滑動(土體底部摩擦系數(shù)狀態(tài)穩(wěn)定，下滑力等于或小于滑動力)，此時孔隙水壓力再以緩慢的速率朝負(fù)方向增加，顆粒之間得到了很好的接觸(該過程也可稱為快速固結(jié)排水、土體減縮或壓實)。第2階段又稱快速滑動階段(裹合滾動階段)，該階段滑動是由于較陡處的松散堆積物及不同大小形狀的危巖體受重力作用往下滾動，打破了處于平穩(wěn)階段的松散堆積物的平衡，使被打破平穩(wěn)的松散堆積物在運(yùn)動過程中速率快速增加且滾動方量也越來越大，在裹合滾動階段伴隨著顆粒破碎過程。第3階段為松散堆積物分選及重新尋找新的平衡階段，松散堆積物在運(yùn)動過程中特別細(xì)小的顆粒與底部軟巖受上部正運(yùn)動狀態(tài)的大顆粒松散堆積物擠壓而使接觸更加緊密，此時在運(yùn)動過程中的滑動面并不是軟巖，而是松散堆積物，具體滑動面視軟巖以上上覆松散堆積物運(yùn)動情況、運(yùn)動速率而定，從照片3可以看出該滑坡最后穩(wěn)定時，滑坡前緣位置處堆積大方量的松散堆積物，相對體積較大且磨圓程度較好的巖石滾動距離較遠(yuǎn)。

圖6 茂縣新磨滑坡現(xiàn)場滑帶及其底部快速摩擦跡象 [2]

3 結(jié)語

本文以四川新磨高速遠(yuǎn)程滑坡為例，從遙感解譯及現(xiàn)場照片對該滑坡發(fā)生前后的照片進(jìn)行了對比分析，結(jié)合相關(guān)的理論、相關(guān)研究人員做的高速摩擦的實驗結(jié)論，運(yùn)用類比方法及發(fā)生滑坡后的現(xiàn)場痕跡對該滑坡的滑動成因及滑動過程進(jìn)行定性分析。得出以下結(jié)論：

1)一般降雨是觸發(fā)滑坡的重要因素，滑坡發(fā)生的持續(xù)時間和運(yùn)動形式主要受降雨量的控制。該滑坡受地表徑流控制，地表徑流供水增加了松散物的質(zhì)量，同時也增加了松散物內(nèi)部孔隙水壓力。松散物的滲透能力和集水區(qū)坡度的陡度、形狀和粗糙度決定了雨水囤積量的峰值且在松散堆積物中產(chǎn)生了大量流動壓力。

2)底部軟巖受表面雨水入滲而使其表面摩擦系數(shù)降低，穩(wěn)定性大幅度減小。滑坡在起始滑動到最后穩(wěn)定過程中，該過程可以稱為松散物分選、磨圓過程。為后期進(jìn)行室內(nèi)物理模擬高速遠(yuǎn)程滑坡破壞模式及相關(guān)的量化提供參考。后期進(jìn)行室內(nèi)物理模擬時需考慮模型尺寸效應(yīng)。