平推式滑坡成因机制研究

第27卷 增2 岩石力学与工程学报 V ol.27 Supp.2 2008年9月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Sept.，2008
收稿日期：2007–09–10；修回日期：2007–11–02
基金项目：国家自然科学基金委员会、二滩水电开发有限责任公司雅砻江水电联合基金项目(50579099)；霍英东高校青年教师基金(91020)
平推式滑坡成因机制研究
范宣梅1，许 强1，张倬元1，董思萌1，唐 然2
(1. 成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059；
2. 四川省地质工程勘察院，四川 成都 610059)
摘要：以四川省宣汉县天台乡滑坡为地质原型，采用相似材料的机制模拟法，通过物理模拟再现滑坡的变形破坏过程，进一步验证平推式滑坡的启动机制和张倬元等提出的启动判据公式。

研究结果表明，促使滑坡启动的临界水头高度和与滑面倾角之间的关系为：滑面倾角越大，启动临界水头高度越小；反之，滑面倾角越小，启动临界水头高度越大。

关键词：边坡工程；平推式滑坡；成因机制；物理模拟；启动判据
中图分类号：P 642.22 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2008)增2–3753–07
STUDY ON GENETIC MECHANISM OF TRANSLATIONAL LANDSLIDE
FAN Xuanmei 1，XU Qiang 1，ZHANG Zhuoyuan 1，DONG Simeng 1，TANG Ran 2
(1. State Key Laboratory of Geoharzards Prevention and Geoenvironment Protection ，Chengdu University of Technology ，Chengdu ，Sichuan 610059，China ；2. Sichuan Institute of Geological Engineering Investigation ，Chengdu ，Sichuan 610059，China )
Abstract ：According to the physico-mechanical parameters of the Tiantai Village landslide ，the physical simulation was preformed. The deformation and failure evolution of the translational landslide ，which is caused by the cooperation of the hydrostatic pressure and the uplift pressure ，are reconstructed. The clear relationship between the critical water head and the dip angle of the sliding plane is revealed by the results ：the larger the dip angle of the slide plane is ，the smaller the critical head would be under the same physico-mechanical parameters of rock and soil in the landslide ，and vice versa.
Key words ：slope engineering ；translational landslide ；genetic mechanism ；physical simulation ；threshold criterion
1 引 言
在三峡库区和四川盆地普遍存在一类十分特殊的滑坡，这种类型的滑坡多发育于近水平砂岩、泥岩互层的岩体中，岩层倾角一般仅3°～5°，最陡者也不超过10°，如三峡库区的万州和平广场滑坡群、重庆巴南麻柳嘴滑坡、四川省冯店垮梁子滑坡、宣汉县天台乡滑坡和在修建成都—南充、成都—绵阳
高速公路过程中发现的多处这种类型的滑坡。

由于该类滑坡滑面近于水平，常在暴雨期间，受岩体裂缝中充水的静水压力和沿滑移面扬压力的联合作用而被水平推出，故称其为平推式滑坡，是一类典型的降雨诱发型滑坡。

平推式滑坡最早是由张倬元等[1]于1985年正式提出的，其基于大量工程实例的研究结果表明，该类滑坡多发生在近水平层状体斜坡的滑移–压致拉裂或塑流–拉裂变形体中，具有间歇裂隙充水和承
• 3754 • 岩石力学与工程学报2008年压型水动力特征，并提出了平推式滑坡的启动判
据。

殷坤龙等[2]通过对万州区近水平地层滑坡和堆积体成因机制的研究，提出静水压力是诱发平推式滑坡的主要因素。

孔纪名和陈自生[3]对1989年7月暴雨诱发的川东地区的红层滑坡进行分析，发现在本次暴雨期间发生的几万处滑坡中，规模和危害性较大的滑坡均为平推式滑坡。

伍四明和李日国[4]对万县滑坡群形成机制进行研究，从滑坡群现有的外貌和滑体结构特征，总结出该滑坡群具有平推式滑坡特点。

Q. Xu等[5]系统研究了2004年四川省宣汉县天台乡滑坡的成因机制，并对其治理措施进行了简要介绍。

但上述研究多基于野外地质调查和宏观定性分析，并未对其变形破坏机制和启动判据进行深入分析和验证。

国外学者对平推式滑坡的研究成果更是凤毛麟角，但大量对降雨诱发型滑坡的研究方法和研究成果，对本研究仍具有较高的参考价值。

G. Fausto等[6]系统研究了意大利Liguria 西部多个由2000年11月23日暴雨诱发的滑坡。

M. Matjaž等[7]详细描述了2个发生于斯洛文尼亚Stože斜坡的平推式滑坡，并指出持续降雨引起的高承压水是诱发滑坡的主要因素。

D. N. Sérgio等[8]通过试验方法研究了不同渗透率的土体中孔隙水压力的产生及与之相应的坡体变形破坏模式。

F. Mario和B. Francesca[9]根据历史降雨记录，建立了一个优化的降雨诱发滑坡启动判据模型，用以评价滑坡在暴雨诱发下复活的可能性。

近几年平推式滑坡在中国频频发生，已有勘查资料显示该类滑坡的滑带土内摩擦角往往大于滑面倾角，按照传统的极限平衡理论，在近水平的，甚至反倾的基岩坡体中很难发生大规模的滑坡。

因此，该类滑坡的成因机制一直颇受国内外学者的关注，同时也颇具争议。

本文基于前人的研究工作，根据平推式滑坡的变形破坏过程和特征，在国内较早将其分为单级和多级两类。

对平推式滑坡变形破坏过程的物理模拟也属国内首例，并取得较好的效果，不仅再现了滑坡变形破坏的全过程，得出其启动机制，而且通过大量试验数据证明张倬元等提出的平推式滑坡启动判据公式的正确性。

研究结果对该类滑坡的稳定性分析评价和治理方案的确定具有一定的参考和借鉴价值。

2 平推式滑坡典型实例分析
根据平推式滑坡的变形破坏特征将其分为单级和多级2类：单级平推式滑坡滑体完整性较好，未被裂隙切割解体成块状，滑坡在后缘裂隙静水压力和扬压力的作用下，仅发生过或可能发生单级整体平推式滑动；多级平推式滑坡滑体被裂隙切割解体成块状，具有各次级滑块从前至后、从中间向两侧逐级推进、后退式的变形破坏特征。

滑坡滑动后常形成多个拉陷槽，可根据拉陷槽的个数，判定分级滑动的级数。

由于单级平推式滑坡是多级平推式滑坡的一种简化，故本文仅以四川省宣汉县天台乡滑坡为例，论述多级平推式滑坡的特征和成因机制，并据此得出其变形破坏过程的地质模型。

2.1 滑坡概况
2004年9月5日，四川省达州市宣汉县天台乡义和村发生了特大型岩质滑坡。

滑坡长950～1 200 m、宽1 400～1 600 m、平均厚度23 m、总方量约2 500×104 m3。

该滑坡不仅摧毁了1.2 km2滑坡区范围内所有的房屋、圈舍2 983间，共59 660 m2，造成317户1 255人无家可归。

同时，滑坡前部约210×104 m3的滑体物质冲入前河，堵塞河道，形成宽1 500 m、高20余米的天然堆石坝和库容达6 000×104 m3的堰塞湖。

回水淹没上游五宝镇及沿河两岸农户5 770户，农田4 930亩，紧急转移19 360人，直接经济损失上亿元。

2.2 滑坡特征及其形成条件
滑坡体所处地质构造部位为五宝背斜东南翼，地层为侏罗系遂宁组的泥岩、砂岩互层。

原始坡体浅表层为一层3～5 m厚的坡残积层和耕植土，其下为厚约20 m的泥岩层，滑床为较为坚硬的厚层砂岩。

在泥岩和砂岩层中，发育有NE和NW向的两组裂隙，将地层切割成块状。

岩层总体产状110°～120°5
∠°～10°，走向与岸坡总体走向近于平行，属典型的近水平顺倾岩质斜坡(见图1，2)。

按照传统的极限平衡理论，在近水平的基岩坡体中发生如此大规模的滑坡是不可能的。

通过详细勘察和现场调查访问(见图3，4)，发现该滑坡的发生除与滑坡体本身的坡体结构特征及良好的临空条件有关外，暴雨是诱发该滑坡的主要外部因素。

第27卷 增2 范宣梅，等. 平推式滑坡成因机制研究 • 3755
•
1—滑坡边界；2—主滑方向；3—滑坡变形区分界线；4—地物位移矢量(箭头指示方向，箭杆长度表示位移大小)；5—河床；6—剪出口；7—水塘
图1 四川省宣汉县天台乡滑坡工程地质平面图
Fig.1 Engineering geological map of landslide in Tiantai
Village ，Xuanhan County ，Sichuan Province
l —粉质黏土夹碎块石；2—碎块石土；3—滑坡河道堆积碎块石土；4—泥岩；5—砂岩；6—主滑动面及滑动方向；7—次级滑动面及滑动方向；
8—现地形线；9—原地形线；10—侏罗系遂宁组.
图2 四川省宣汉县天台乡滑坡5–5′工程地质剖面图 Fig.2 Engineering geological profile 5–5′ of landslide in
Tiantai Village ，Xuanhan County ，Sichuan Province
图3 滑体中前部民宅地坪滑动140 m 后仍完整地保留 Fig.3 Gigantic rock-strata pillar with well-preserved concrete
slab on the top after 140 m sliding
据气象资料显示，从2004年9月3日20：00～
图4 滑坡体南侧中后部“槽脊相间”的地貌 Fig.4 Trough-and-ridge topography on the south side of the
landslide
mm ，其中9月4日20：00～9月5日20：00降雨量达257.0 mm 。

此外，调查滑坡体的汇水及排水条件时发现：滑坡体上由南向北发育余家河沟、麻柳树沟、凉水井沟、大河沟4条较大的天然冲沟，此外还分布有大小26个水塘(见图1)。

据当地村民 描述，在此次暴雨期间，由于4条冲沟局部地段阻塞，地表水因排泄不畅而呈漫流状覆盖整个坡面，滑坡区内的水塘也迅速被充满外溢。

2.3 多级平推式滑坡变形破坏过程地质模型
滑坡变形破坏地质模型是在对滑坡地质条件、诱发因素和变形破坏特征等进行深入调查、分析与宏观地质判断的基础上，综合分析后给出滑坡变形破坏的地质力学模式。

宣汉县天台乡滑坡的变形破坏地质模型可以概化为图5，并分为如下几个阶段：
(1) 图5(a)为天台乡滑坡典型剖面概化模型，其中①～③代表由裂隙I ，II 和III 切割的次级滑块。

在强降雨条件下，地表水通过坡表的坡残积层渗入泥岩层内的构造裂隙中，并在裂隙中产生静水压力和沿滑移面分布的扬压力。

裂隙充水后不仅会对前一滑块(如裂隙I 中水对滑块①)产生静水压力，同时其对后一滑块(如裂隙I 中水对滑块②)也会产生与之大小相等、方向相反的静水压力。

由于滑体厚度
基本相同，且滑面近于水平，滑块②，③边界所受的静水压力基本可相互抵消(即I H γ≈II H γ≈
III H γ)，最后只有滑块①真正受到静水压力的作用，
受力图可简化为图5(b)。

高程/m
滑坡体上房房屋地坪
6 m
拉陷槽
脊
反坡台坎滑动方向
宽约20 m
• 3756 • 岩石力学与工程学报2008年
(b) 前部滑块首先平推滑动
(c) 前部滑块滑动后形成拉陷槽，使其后部滑块受力条件改变并产生平
推式滑动
(d) 上述滑动过程依次向后传递
(e) 最后在滑坡区后缘形成长大拉陷槽
图5 宣汉县天台乡特大型滑坡变形破坏过程地质模型Fig.5 Geological model for deformation and failure tests of landslide in Tiantai Village
(2) 由于滑坡前部临空条件较好，加之水的作用使滑带土抗剪强度降低，抗滑力降低。

因此，当裂隙I中的水头高度达到一定值时，滑块①首先在静水压力和沿滑移面扬压力的联合作用下，启动并快速滑出。

其前缘大部分冲入前河，其余部分，随着裂隙I的发展和其内静水压力的消散，在滑动一段距离后便自行制动(图5(c))。

(3) 滑块①的滑动不仅为其后部滑块②的滑动提供了良好的临空条件，而且改变了滑块②的受力状态，使滑块②后部的静水压力不能完全被抵消。

因此，滑块②在裂隙II中静水压力和沿滑移面扬压力的作用下，产生平推式滑动。

依此类推，便产生了从前至后、从中间向两侧逐渐扩展、后退式的多级平推式滑坡变形破坏模式(图5(d))。

(4) 受地形或降雨持续时间等的影响，坡体逐级下滑到一定程度和范围后，滑动过程逐渐停止，并由此在滑坡后缘形成一个明显的如图5(e)所示的拉陷槽。

3 平推式滑坡成因机制物理模拟
物理模拟是一种发展较早、应用广泛、形象直观的岩体介质物理力学研究方法。

长期以来，不少国内外学者采用模型试验手段，成功地分析了不同边坡、滑坡和泥石流等的成因机制。

胡修文等[10]采用3个小比例尺二维物理模型试验，对三峡库区赵树岭滑坡在库区蓄水、水位波动、地面荷载和可能的地震荷载作用下的整体稳定性及其可能的变形、破坏机制进行了研究。

左保成等[11]进行了反倾岩层边坡失稳破坏机制的相似模型研究。

黄涛等[12]采用模型试验方法对地表水入渗环境下边坡的稳定性进行了研究。

石豫川等[13]采用物理模拟手段，对国道108线某段缓倾角顺层边坡的变形破坏机制进行了研究。

3.1 物理模拟的地质模型
鉴于模型试验是研究复杂工程问题的主要手段，本文以宣汉县天台乡滑坡前缘滑块为地质原型(见图6)，开展了平推式滑坡成因机制的物理模拟研究。

如前所述，地质原型的变形机制主要为：暴雨时，地表水迅速渗入滑坡后缘裂隙或拉陷槽，形成静水压力和沿滑移面的扬压力。

当裂隙或拉陷槽内的水头高度达到临界水头高度
cr
h时，滑坡启动，随着变形发展和水头高度的降低，滑坡逐渐制动。

图6
中
w
H为裂隙充水高度；γ为水的重度；裂隙底部
静水压力为
w
w
H
γ
σ=；静水总压力为1/22
w
H
γ；作
用点为1/3
w
H处。

图6所示点A处的底部扬压力等于该点的静水压力。

张倬元等[1]提出的平推式滑坡启动判据为
1/2
22
cr
w
1
tan8cos tan sin
2cos
W
h Lϕαϕα
αγ
⎛⎞=+−
⎜⎟
⎝⎠
(1)
第27卷 增2 范宣梅，等. 平推式滑坡成因机制研究 • 3757 •
图6 宣汉县天台乡滑坡前缘滑块的地质模型 Fig.6 Geological model of the first landslide in Tiantai ，
Xuanhan County
式中：cr h 为滑坡启动临界高度；W 为滑块单宽重量(t/m)；α为滑移面顺滑动方向倾角(倾向坡外为正值，反之为负)，试验时α= 0°～10°；L 为滑块底面沿滑动方向长；ϕ为滑面摩擦角，不考虑黏聚力，试验值为12.8°；w γ为水的容重。

3.2 物理模拟试验设备和试验模型
物理模拟试验设备为成都理工大学自主研制的“滑坡、泥石流模拟试验仪”。

该仪器长4.0 m ，宽 0.8 m ，高1.0 m ，由槽首、槽身和槽尾三部分组成。

槽首与槽身间采用多孔的有机玻璃板隔开，玻璃板一侧贴有过滤膜。

槽身主要用以建立试验模型。

试验时将槽首假设为滑坡后部的拉陷槽，在其内注水，模拟降雨时的裂隙充水过程。

槽首内的水可通过多孔隔板的小孔，流入槽身，产生静水压力作用于模型后部(即滑体后部)。

试验过程中多余的水可流入槽尾的水箱，通过水泵实现循环利用。

试验设备主要包含：动力装置(用以调节仪器的倾角 0°～20°)、降雨装置(用以模拟降雨)、测量装置(为仪器后侧的多个测压管，用以测量沿滑面不同位置处扬压力的大小)、水位调节装置(用以调节槽首注水的水头高度)和水箱装置(用以实现水的循环利用)。

物理模拟以相似原理为基础，采用的是相似材料的机制模拟法，建立研究对象和物理模型之间的相似关系，从而保证模型试验中出现的物理现象与原型相似。

根据试验条件，确定几何相似系数为70，并保证容重相似系数为1(即模型试验与地质原型的材料重度相同)。

物理模拟共设计6组试验模型，前3组模型长100 cm ，后3组模型长150 cm ，滑坡体后缘高均为50 cm ，模型宽均为80 cm 。

以宣汉县天台乡滑坡岩土体物理力学参数为依据，为满足相似原理中容重
相似系数C γ =1，滑体主要由黏土、砂和碎石按照65∶20∶15配和而成，重度为20.8 kN/m 3。

滑带土由黏土组成，其摩擦因数f 平均值为0.227，内摩擦角φ = 12.8°。

滑床主要由砖及在砖缝间填砂组成，
保证具有良好的透水性。

试验时先铺设滑床，然后在滑床上铺设一层厚度为3 cm 左右的黏土层，并平
整、压实，使其满足天台乡滑坡的滑带土物理力学参数要求。

最后，堆砌滑体。

为了尽量避免静水压力的损失，同时使滑体与滑带土接触面的摩擦因数满足试验要求，需用聚乙烯薄膜将滑体底部、两侧面和后部包裹起来。

3.3 物理模拟方法
物理模拟的关键是如何产生地质原型中拉陷槽或裂隙内的静水压力和沿滑移面的扬压力。

模型试验过程中，将槽首假设为拉陷槽，采用在其内注水的方法，模拟降雨造成的拉陷槽充水，从而产生静水压力和扬压力。

需指出的是，虽然试验设备具有降雨装置，但并未采用其进行人工降雨，模拟地质原型中的降雨过程，其主要原因为：如要满足试验要求的水头高度，需要较大的降雨强度和较长的降雨历时，而试验滑体采用黏土、砂和碎石配合而成，持续强降雨的作用将造成滑体物质的严重流失，甚至转化为泥石流，影响试验结果。

因此，试验时通过将滑体重度和滑带土抗剪强度参数设置为饱和参数，来实现降雨产生的“滑体增重效应”和“岩土体软化效应”。

物理模拟的主要步骤为：先将滑面固定在某一角度(0°～10°)，再向槽首注水，模拟地质原型中降雨引起滑坡后缘裂隙或拉陷槽内充水的过程。

采用数码相机、摄像机和人工记录等方法，及时记录槽首(拉陷槽)内不同水头高度时，滑坡的变形特征和现象，及沿滑面不同位置处测压管的水头高度，以确定扬压力的大小。

3.4 物理模拟主要现象
将滑面倾角依次固定在0°，3°，5°～10°，观测到滑坡变形具有如下共同点：随着后缘水头逐渐增大，当达到某一水头时开始整体滑动，滑动过程中产生裂缝和前缘鼓张等变形现象。

随着变形的发展，滑坡后缘裂隙逐渐变宽，水头也随之降低，促使滑坡启动的静水压力和沿滑面的扬压力均有所减小，滑坡逐渐进入减速滑动阶段，最终停止(见图7～9)。

3.5 物理模拟结果分析
γ H w
γ H w
H w
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(a) 滑动前的照片
(b) 滑动后的照片
图7 滑面倾角3°时滑动前后的照片
Fig.7 Picture of slide plane with inclination 3°before and
after its sliding
图8 滑坡滑动过程中产生的裂隙 Fig.8 Cracks formed by the landslide
图9 滑动过程中滑坡前缘隆起、开裂 Fig.9 Swells and splits formed by the landslide
通过物理模拟，不仅观察到了滑坡变形破坏的现象和过程，而且分析得出了促使滑坡启动的临界水头高度与滑面倾角之间的定量关系。

物理模拟进行的六组试验所得结论完全相同，受文章篇幅所限，仅列出第一组试验的相关参数和试验结果(见表1和图10)。

表1 第一组试验参数及数据
Table 1 Parameters and data from the first group of physical
simulation
模型尺寸 临界水头高度/cm
倾角
/(°)
长度/cm
后缘高/cm
实测值
计算值 位移/cm
0 100 50 –
–
–
3 100 50 37.20 39.63 6.50 5 100 50 35.90 34.49 9.70 6 100 50 31.10 31.67 11.00
7 100 50 29.00 28.65 14.70 8 100 50 26.80 25.37 12.20 9 100 50 16.50 21.74 13.30 10 100 50 13.00 17.66 23.30
图10 第一组试验临界水头高度与滑面倾角关系曲线 Fig.10 Correlation curves between the critical water head
and dip angle of sliding plane from the first group test
由表1和图10可见，在滑坡岩土体物理力学参数相同的条件下，物理模拟测得的临界水头高度与滑面倾角关系曲线，与通过启动判据(式(1))计算所得的该曲线的变化趋势基本相同，两者拟合较好，说明启动判据公式的正确性，可用于计算其他平推式滑坡启动的临界水头高度。

试验结果表明，
在滑带土和滑体物理力学参数一定的条件下，促使滑坡启动的临界水头高度，随滑面倾角的增大而减小。

2
345
6 7 8 91011
滑面倾角/(°) 临界水头高度/c m
滑动方向
滑动方向
裂缝最宽处达5 cm
位移3.2 cm
150 cm 长 50 c m 高
槽身
操作台
槽首和槽身被多也板隔开
向槽首注水
第27卷增2 范宣梅，等. 平推式滑坡成因机制研究 • 3759 •
4 结论
本文以宣汉县天台乡滑坡为例，采用物理模拟方法，深入分析了平推式滑坡的形成条件、变形破坏机制和特征，并对张倬元等提出的启动判据进行了验证，得出如下主要结论：
(1) 平推式滑坡多发生于近水平红层(如侏罗系、三叠系的紫红色砂、泥岩互层)，且滑面倾角一般小于10°的顺倾，甚至反倾边坡中。

滑坡的规模可以很大(可以发生超过1 000×104m3的特大型滑坡)。

滑坡在受岩体裂隙充水的静水压力和沿滑面的扬压力的联合作用下，发生变形破坏。

(2) 多级平推式滑坡岩体一般发育有多组构造节理和卸荷、风化裂隙，坡体的完整性较差。

暴雨时，地表水迅速灌入裂隙，滑体被裂隙切割成块状，并在静水压力和扬压力的联合作用下，发生由前向后、牵引后退式逐级滑动。

滑坡发生后，其中后部常产生多个明显的拉陷槽，并可见多个“槽脊相间”的地貌特征。

(3) 物理模拟采用槽型试验仪器，借助数码相机和摄像机等，对模型的变形现象和位移进行了记录，再现了平推式坡体变形破坏的全过程：当降雨导致拉陷槽内的水头高度达到启动临界水头高度时，滑坡开始整体滑动。

滑动过程中在坡体上产生裂缝和前缘鼓张等现象。

但由于坡体中的裂缝并非由于其内充水，造成次级滑动时产生，而是由于自身在变形过程中的应力调整所致，因此并不能将其视为前述多级平推式滑坡地质模型中的拉陷槽。

随着变形的发展，拉陷槽宽度的增大，水头高度逐渐降低，滑坡开始减速滑动，最终自行制动。

(4) 在所取滑坡岩土体物理力学参数相同的条件下，物理模拟实测的临界水头高度与通过平推式滑坡启动判据计算所得的临界水头高度，两者基本一致，进一步验证了张倬元等提出的平推式滑坡启动判据的正确性。

同时，两者均说明了平推式滑坡启动的临界水头高度与滑面倾角之间的关系：滑面倾角越大，促使滑坡启动的临界水头高度越小；反之，滑面倾角越小，促使滑坡启动的临界水头高度越大。

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