2.8 滑坡形成机制及滑动机理工程地质分析

2.8.1 滑坡致滑因素及其影响机理分析

根据调查及资料分析，排除地震及其他人为因素对千将坪滑坡的致滑作用，滑坡致滑因素主要为三峡水库蓄水与久雨暴雨，其作用机理分析如下：

（1）库水渗透及降雨入渗使滑坡地下水位上升，增加对阻滑段滑体的浮托作用。

滑坡启动的力学原因主要是水压作用，地下水在下部对滑体的作用力主要是浮托力，中上部则为浮托与推力共存。由于这类岸坡结构下部岩层产状平缓，主要提供抗滑力，但是由于浮托力的作用，使下部岩体减轻体重而失去足够的抗滑阻力而下滑（图2.37）。如果没有足够地下水压力的作用，岸坡是稳定的，因此其破坏的必要条件是使岸坡地下水位升高到使坡体下部阻滑段不能提供足够的抗滑力而使岸坡失稳。而特大暴雨久雨、水库蓄水及两者耦合才能使岸坡地下水位迅速升高。通常出现大降雨的概率很小，所以在降雨条件下滑坡浮托失稳的概率很小或在成百上千年间才可能发生一次；而水库蓄水可以很快使岸坡地下水位升高导致滑坡失稳；而规模较大的水库滑坡多是特大暴雨久雨与水库蓄水二者耦合作用下发生。千将坪滑坡发生前的2003年6月1—15日水库蓄水将库水位由高程92m抬升至135m，6月21日至7月11日持续降雨达162.7mm，具备库水与降雨耦合的作用条件。

图2.37 滑坡缓倾部分承压地下水浮托失稳模式

（2）久雨暴雨加大顺层滑带处扬压力、增加滑体渗透下滑力。

由于厚30～50cm的含碳质页岩的层间剪切带为隔水层，因此，其下伏的厚5～10m的弱风化带在暴雨久雨充水后就具有承压性，沿层间剪切带对滑体形成扬压力；暴雨久雨使饱和滑体，抬升地下水位，高水头地下水渗流产生较大的渗透力（见图2.38）。上述由降雨产生的作用力，随着滑体饱和度增加，逐渐增大，加大滑体下滑力，加速滑坡失稳。

（3）地下水对滑带膨胀土的作用，使滑坡存在膨胀岩活化松动破坏作用。

根据黏土岩和滑带土矿物测试结果，滑带土中伊利石含量达20%～30%，具弱膨胀性，其膨胀压力P_e＜30kPa。很显然，千将坪滑坡滑带以上滑体重力分力P_r大于膨胀压力P_e，膨胀压力P_e单独将不能顶托滑体，但P_e的作用仍将抵消一定量的滑体重量，降低滑坡的阻滑力（见图2.39）。

图2.38 降雨加载模式图

图2.39 膨胀弱岩层活化对岸坡破坏的作用模式（张年学，1993）

（4）地下水的浸泡软化泥化滑带土，降低滑带抗剪强度。

根据滑带黏土矿物分析结果可知，千将坪滑坡滑带矿物主要有石英、绿泥石、伊利石，次为方解石、高岭石、长石等，滑带矿物以层状硅酸盐矿物为主，此外，层间剪切带底部的碳质页岩层含碳质。层状硅酸盐矿物及碳质具较好的亲水性，它们在滑带中是易受软化的矿物。

滑带中伊利石约占25%，其亲水性和胀缩性在层状硅酸盐矿物中仅次于蒙脱石，是对岩石软弱和活化影响较大的矿物。

绿泥石约占25%。它的晶格也类似于云母，为层状结构，其层是极化的。它的化学成分中比云母含更多的水。M.Shurendra认为，“绿泥石含量与黏土抗潮解性能成反比，绿泥石含量增加则页岩抗潮解能力降低。由于具有膨胀潜势能的绿泥石黏土矿物含量的增加，会使黏土破坏加剧”，因而含绿泥石的黏土岩也容易风化。

滑带中碳质主要存在于层间剪切带底部的碳质页岩层。碳质之所以成为弱化岩石矿物，因为它们在岩石中常是定向分布，还因为含碳量越高时岩石的胶结程度越差，并且页理发育易于风化。

（5）滑带被库水及久雨暴雨浸泡后，由非饱和状态变为饱和状态，基质吸力丧失，抗剪强度大大降低。

在地下水位较深的残积土中，靠近地面的土具有负孔隙水压力，这对保持土坡稳定起着重要的作用。但连续暴雨或库水回灌可能使较大深度范围内的孔隙水压力增大，从而造成土坡失稳。出现滑坡时，滑动面上的孔隙水压力可能是负值，也可能是正值，在非饱和带滑动面上的孔隙水压力是负值，在饱和带滑动面上的孔隙水压力是正值。

Fredlund等（1995年）提出非饱和土剪切强度能够利用饱和土剪切强度参数和土水特征曲线计算出来，即从吸力作用面积随饱和度减少而减少的理论出发，建议了下列非线性强度公式（2.3）

式中：s_u=u_a～u_w为吸力；s为饱和度；s_r为残余饱和度，饱和度可用土水特征曲线拟合公式计算。

Mckee，Bumb（1984年）和Brook，Corey（1964年）利用土水特征曲线方程，分别给出了非饱和土剪切强度预测模型的闭合解。这些解虽然近似，但形式简单，适合于饱和消散相对较快、有较低的进气值的砂性土、砂土和粉土。

Lamborn（1980年）通过延伸建立在不可逆的热动力学原理基础上的微观力学模型提出了一种土的抗剪强度方程，这种不可逆的热动力学原理考虑了包含固相、液相、气相等多相材料的能量和体积关系，方程如公式（2.4）

式中：θ_w为土的体积含水率，定义为水的体积与土体总体积之比；θ_w随着基质吸力的增加而减少，是基质吸力的非线性函数。

从式中可以看出与基质吸力相联系的摩擦角不可能变为φ′，除非体积含水量等于1。

Peterson（1988年）对于饱和度小于85%的黏土，提出下列抗剪强度方程式（2.5）

式中：c_ψ是由于吸力而产生的黏聚力。

方程中，吸力对抗剪强度的影响考虑为黏土黏聚力的增加，表观黏聚力c_ψ是依赖于土的含水量。

对于各种土，当含水量接近于零时，吸力值近似为10⁶kPa。当含水量接近饱和度时，吸力值为零。Russam（1958年）、Corney等（1958年）、Fredlund（1964年）、Fleureau（1993年）和Varapalli（1994年）对各种土的试验结果都支持这个结论，这个被观察到的表现也得到热力学原理的支持（Richards，1965年）。工程师们总是关心较低吸力范围内岩土结构的性状，高达10⁶kPa的吸力值和与此相对应的较低的含水量仅仅定义流量边界条件有用，以及在数学上确定整个土水特征曲线具有价值。

所以，滑坡滑带被库水及连续降雨的雨水浸泡后，滑带土由非饱和状态变为饱和状态，孔隙气压力等于孔隙水压力，基质吸力丧失，抗剪强度大大降低。

2.8.2 滑坡形成机制

滑坡形成及变形破坏过程见以下的分析和图2.40。

（1）边坡（潜在滑坡）的形成。

在长期的内外力地质作用下，形成了不利于稳定的千将坪岸坡结构，构成了潜在滑坡的地质模型：以中后部顺层层间剪切错动带及前缘近水平裂隙型断层带（含岩桥）联合构成底滑面，以走向SE的陡倾角裂隙型断层形成侧向切割边界，以青干河岸坡为临空面构成千将坪滑坡的边界；滑体主要为强、弱风化岩体，表部见少量崩坡积物。

潜在滑坡以顺层层间剪切错动带为控制滑面，前缘近水平裂隙型断层及其岩桥（强弱风化）为滑坡阻滑段，在水库蓄水前，滑坡稳定，阻滑段的阻滑力大于滑体下滑力，滑坡沿滑带处于极缓慢的蠕变变形状态。阻滑段特别是阻滑段的岩桥部分剪应力集中。

（2）水库135m蓄水破坏边坡应力平衡，导致滑坡进入等速蠕变，出现宏观变形。

2003年6月10日，三峡水库初期蓄水至135m，将滑坡前缘阻滑段滑体淹没浸泡在库水下。库水的浸泡降低阻滑段风化岩桥的抗剪强度约20%～40%。库水的浮托降低了滑带的正应力，阻滑段的阻滑力减少约30%～40%，阻滑段剪滑力相对增大，在Griffis断裂裂纹效应下，阻滑段靠近层间剪切带的第一个岩桥开始剪断，滑坡后缘出现张应力，并于6月13日出现后缘断续拉裂缝，滑坡进入等速蠕变状态。

（3）暴雨久雨加速滑坡蠕变。

6月21日至7月11日千将坪地区持续降雨达162.7mm，暴雨久雨在层间剪切带形成静水扬压力，饱和滑体，增大滑体容重，并产生较大的渗透力。上述由降雨产生的作用力，随着滑体饱和度增加，逐渐增大，加大滑体下滑力，使阻滑段岩桥处剪应力不断加大，岩桥被一个个剪断，剪滑加速；后缘拉裂缝逐步变宽、加深并呈圆弧状贯通；在滑体中部200m高程左右出现横向拉裂缝。

（4）滑坡高速失稳。

在2003年7月13日零时20分，滑坡剪断最后一个岩桥，在滑坡临床弹冲—峰残强降剧动效应下，滑坡释放巨大的弹性能量，以较高的启动速度（2.2m/s）加速下滑，最高下滑速度达16m/s，滑坡下滑堵塞青干河。滑坡总体以平移滑动为主，在下部出现弧形转动，滑坡滑动过程中出现一定程度的解体分块现象。

2.8.3 滑坡高速失稳机理

程谦恭（1999年）在其著作《高速岩质滑坡动力学》中对滑坡锁固段聚能效应—临床峰残强降加速机理进行了详细的阐述，基本符合千将坪滑坡失稳机理。

（1）剧动启程阶段锁固段聚能效应—临床峰残强降加速机理。

1）基本概念。

a.峰残差（Δτ）。胡广韬（1963年）最早提出“剧动式滑坡”。当时，“剧动”的含义是指斜坡急剧滑动。当坡体滑前处于应力极限平衡状态时，在潜在滑床面附近岩土的原始抗剪强度（S₀）与潜在滑床面处被扰动岩土的滑动抗剪强度（S_a）之间（实质即峰值强度与残余强度之间），存在着悬殊差（Δs），这是滑动的关键。峰值强度（τ_p）与残余强度（τ_r）的悬殊差值，称为“峰残差”，即式（2.6）

b.临床峰残强降（S_d）。峰残差在数值上极为显著。据已有资料，岩石强度越高，其峰残差值越大；大部分高强度岩石呈脆性破坏时，从峰值强度到残余强度，其强度下降50%～60%。在岩质斜坡发生滑坡的过程中，在滑床面形成的同时及其前后亦即斜坡骤然滑动破坏时，滑床面两侧原有临床岩石峰值强度，便迅速降低到残余强度，呈现“临床峰残强降”，即式（2.7）

式中：S_d为临床峰残强降率。

c.节理岩体岩桥剪断扩展与斜坡渐进破坏。由处于同一延伸平面而又间隔有岩桥的一组节理，亦即一组共线等距等长节理组成的断续状有序分布节理岩体，其岩体直剪试验和相似材料平面物理模型试验研究表明 （朱维申等，1996），在进入稳定破裂阶段后，始终保持潜在剪切面上法向应力不变，逐级施加水平荷载，直至破坏，则潜在剪切面上岩桥被剪断的全过程，经历了如图2.41所示几个典型阶段：①首先在节理处出现斜向侧推力的羽状小裂纹 （图2.41中a）；②先在节理的端部，迎推力方向出现拐折翼型，张裂纹（即拉张分支裂隙），另一端继而出现另一条拐折张裂纹 （图2.41中b）；③随剪应力增加，在相邻的两条张裂纹间的近正交方向，出现一对压性横裂纹（亦即法向压碎带），这四条裂纹构成菱形方块（图2.41中c）；④随剪切位移的发展，锁固段（岩桥）剪应力集中程度不断增高，菱形方块发生转动，节理上部岩体沿起伏的裂面出现抬升、剪胀现象，大裂纹附近又产生了次一级的小裂纹（图2.41中d）；⑤随剪动进展，菱形方块凸起体被剪断，岩体发生切断方块对角线的宏观剪断破坏（图2.41中e）。

图2.40 千将坪滑坡形成及变形破坏演化示意图

图2.41 节理岩体岩桥剪断扩展模式

（朱维申，1996）

由此可见，节理岩体的破坏模式有侧向张裂和剪切滑移两种基本形式，虽然在不同节理连通率和不同垂直应力条件下，其具体的发展次序和形式有所不同，表现出压扭性、张扭性或纯剪切破坏，但最后总是形成沿节理面和岩桥剪断面的综合性整体剪切破坏。

弹脆性岩体斜坡破坏发展过程表明，斜坡岩体的潜在破坏面往往由一系列的破裂面（节理面）和锁固段（岩桥）构成，斜坡的破坏具有渐近性、积累性，在一定时间内以剪切破裂—裂缝扩展—剪切破坏的方式逐渐发展，波及整个斜坡，最终导致整个斜坡的完全失稳。岩质斜坡在失稳过程中表现出的渐近特性是岩体结构面及岩石特性在工程荷载下的体现。

d.临床峰残强降加速效应。在岩质斜坡破坏产生滑坡的过程中，在滑床面形成的同时及其前后，临床岩土抗剪强度会出现显著峰残差。因此，滑动前天然完整斜坡在静力极限平衡状态时形成的与抗剪强度相当的推滑应力，由于抗剪强度骤然或迅速地按该处“峰残强降率”降低了50%～60%（有时甚至更大），也就骤然或迅速地释放了原有推滑力的50%～60%，有时更大。这个被释放出的巨大力量，便顺着滑坡床面使滑坡体在启程剧动开始的瞬间出现相当高的“启程剧发速度”，向斜坡重力方向迅猛下滑，呈现为“启程剧动式滑坡”。这便是启程剧动的临床峰残强降加速机理。

2）滑坡体锁固段剪断释能效应分析。

a.滑坡体锁固段与滑坡启程剧发速度。根据斜坡累进性变形破坏机理，斜坡前缘坡脚处剪应力集中，应力尚未超过该处岩石抗剪强度，仅有变形而未剪滑，并由该段保持斜坡整体起到锁固作用，为“蠕变变形段”或“锁固段”；斜坡后缘坡体顶部拉应力集中，为“蠕变拉裂段”。由后缘拉裂段、前缘锁固段组合而成的破坏面，即为将来可能产生的滑床面位置。锁固段临近滑床面两侧岩体，当应力集中（临床剪应力）的程度超过将要产生滑床面处的抗剪强度，则锁固段（岩桥）被累进性“各个击破”，剪切滑动面贯通，斜坡突然整体失稳，瞬间出现“启程剧发速度”，形成剧动式滑坡。

b.滑坡锁固段岩体峰残强降释能—启程剧动。一旦滑坡锁固段岩体上的抗剪强度丧失，由峰值强度下降为残余强度，锁固段岩体突然剪断，则按“峰残强降率”比例突然释放出的巨大滑坡推滑力，使滑坡启程剧动。这个相当于“剪切应变能”大小的突释能量可转化为使滑坡向前运动的动能，表现出“峰残强降启程速度”。

（2）剧动启程阶段临床弹冲—峰残强降复合加速效应。

1）裂隙岩体应变能。根据Griflih准则，对于一个含有单个裂纹的连续介质弹性系统，外力场所做的功由两部分构成，即对同等大小的不含裂纹的弹性体所做的变形功与由裂纹存在而对裂周连续部分做的附加功。这部分功都将以相应的弹性应变能贮存于裂周弹性介质中。因此，外力做功引起的含单裂纹的弹性系统的应变能U等于连续介质部分的应变能U₀与因为裂纹而贮存的所谓裂纹应变能U_c之和，即式（2.8）

2）临床冲动带弹性应变能分析。斜坡岩体滑动破坏前，在重力及其他外力的长期作用下，虽然整个滑体内的岩体都产生弹性变形，从而聚集赋存了弹性应变能，但在岩体滑落破坏的瞬间，只有锁固段上可能产生滑床面附近的岩体弹性变形所聚集赋存的应变能，才能使岩体产生弹性回跳，转变成使滑坡体下滑的动能。这部分弹性应变能称为“有效应变能”。聚集赋存“有效应变能”而产生弹性变形的岩体称之为“有效变形体”或“临床冲动带”。“临床冲动带”的长度l是斜坡累进性变形破坏最后阶段的瞬间被整体剪断的长度，亦即为“临界锁固段长度”，0<l<L，L为滑体平均长度；“临床冲动带”的高度h，是弹性应变能聚集赋存并在锁固段剪断瞬间岩体产生弹性回跳突释其能量的高度，0<h<H，H为滑体平均高度。

3）锁固段剪断突释能量转化—启程剧动。锁固段滑床面剪断瞬间，剪断突释能量转化为滑坡剧动动能，即

式中：m为单位宽度的滑体质量。由此可求得式（2.10）

式（2.10）即为“临床弹冲—峰残强降”复合启程速度（v_es）公式。

式中：τ_p=Hρcosαtanφp+C，为锁固段峰值剪切强度；，为锁固段岩石”临床峰残强度率”；函数F（l/h）值由式求出。

4）千将坪滑坡启动速度。按照上述计算滑坡启程剧动初始公式，求得千将坪滑坡启动速度v_es=2.20m/s。计算参数取值如表2.26所示。