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。